农产品的生物技术-PPT幻灯片

主要内容一、生物技术总论二、基因工程三、细胞工程四、酶工程五、发酵工程一、生物技术总论1.定义：生物技术(biotechnology），有时也称生物工程，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础科学的科学原理，采用先进的科学技术手段，按照预先的设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的。它主要包括发酵技术和现代生物技术。因此，生物技术是一门新兴的、综合性的学科。2.生物技术的种类及其相互关系根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括五项技术（工程）。基因工程细胞工程酶工程发酵工程蛋白质工程3.1改善农业生产、解决粮食短缺（1）提高农作物产量及其品质（2）发展畜牧业生产3.2提高生命质量、延长人类寿命3.3解决能源危机、治理环境污染3.4制造工业原料、生产贵重金属3.5生物技术的安全及其对伦理、道德、法律的影响。二、基因工程按照人们的愿望，进行严密的设计，通过体外DNA重组和转基因等技术，有目的的改造生物种性，使现有的物种在较短时间内趋于完善，创造出更符合人们需求的新的生物类型，这就是基因工程。基因工程最突出的优点是打破了常规育种难以突破的物种之间的界限，可以使原核生物与真核生物之间、动物与植物之间、甚至人与其他生物之间的遗传信息进行相互重组和转移。人的基因可以转到大肠杆菌中表达，细菌的基因可以转到动植物中表达。（一）基因工程研究的理论依据不同基因具有相同的物质基础基因是可以切割的基因是可以转移的多肽与基因之间存在对应关系遗传密码是通用的基因可以通过复制把遗传信息传给下一代（二）基因工程基本操作1.带有目的基因的DNA片段的分离或人工合成。2.在体外，将带有目的基因的DNA片段连接到载体上，形成重组DNA分子。3.重组DNA分子导入受体细胞。4.带有重组DNA分子的细胞培养，获得大量的细胞繁殖群体5.重组体的筛选。6.重组体中目的基因的功能表达。（三）基因工程在食品中的应用改造食品原材料，改善食品品质和加工特性。利用基因工程菌株改善发酵食品品质和风味。酶制剂的生产和改良。乳酸菌遗传和生物技术特性改良。食品加工工艺的改良。1.改造食品原材料，改善食品品质和加工特性在植物食品品质的改良上，基因工程技术得到了广泛应用，并取得了丰硕成果。其中主要集中于改良蛋白质、碳水化合物及油脂等食品原料的产量和质量。（1）蛋白质类食品蛋白质是人来赖以生存的营养素之一，植物是人来的主要蛋白质供应源，蛋白质原料中有65%来自植物。与动物蛋白质相比，植物蛋白质的生产成本低，而且便于运输和贮藏，然而其营养也较低。谷类蛋白质中赖氨酸和色氨酸，豆类蛋白质中蛋氨酸和半胱氨酸等一些人类所必需的氨基酸含量较低。通过采用基因导入技术，即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径，可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物。植物体中有一些含量较低、但氨基酸组成却十分合理的蛋白质，如果能把编码这些蛋白质的基因分离出来，并重复导入同种植物中区表达，理论上就可以大大提高蛋白质中必须氨基酸含量及其营养价值。我国学者把从玉米种子克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因导入马铃薯种，使转基因马铃薯块茎中的必需氨基酸提高了10%以上。美国FloridaGainesville大学的科学家将外来的高分子量面筋蛋白基因导入一普通小麦中，获得了含量更多的高分子量面筋蛋白质的小麦。这样的小麦面筋蛋白具有良好的延伸性和弹性。（2）油脂类食品基因工程技术与传统的育种方法结合为人们提供了改善植物油质量的新途径，它不仅可增加植物油脂肪酸的饱和度，而且不会带来反式脂肪酸的问题，提供对人体健康有益的植物油，如将硬脂酰CoA脱饱和酶基因导入作物后，可使转基因作物中饱和脂肪酸的含量有所下降，而不饱和脂肪酸的含量则明显增加。2.利用基因工程菌株改善发酵食品品质和风味发酵食品的品质、风味及产率是影响发酵食品工业经济效益的关键因素，而这些又都取决于所使用的微生物菌种品种，但传统的微生物育种方法又难以有效地达到定向改造微生物性状的目的，而利用DNA重组技术、反义RNA技术及基因缺失等基因工程技术来构造所需的基因工程菌株是解决这一问题的一条方便、快捷的途径。利用基因工程技术科生产出高效能高质量的酶产品，目前能利用遗传技术生产大多数常用的酶产品，并投放市场。世界上第一个应用在食品上的基因工程酶为凝乳酶。在奶酪工业中，近年来成功的将牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物体内并使其表达，由此构建的基因工程菌可用来生产牛胃蛋白酶，彻底解决了奶酪工业受制于牛胃蛋白酶来源不足的问题。在焙烤工业中，将含有地丝菌属LIPZ基因的质粒转化到面包中，利用转基因酵母发酵生面团生产的面包较蓬松，内部结构较均匀。3.酶制剂的生产和改良凝乳酶是第一个应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移至细菌或真核生物生产的一种酶。1990年美国FDA已批准在干酪生产中使用凝乳酶。由于这种酶生产寄主基因工程菌不会残留在最终产物上，符合GRAS标准，被认定是安全的，不需要标示。采用基因工程手段改良产酶菌株，近年来还应用于超氧化物歧化酶（SOD）等。4.乳酸菌遗传和生物技术特性改良目前已有的乳酸菌发酵制品有酸奶、干酪酸奶油、酸奶酒等，已应用的乳酸菌基本上位野生菌株，大多数没有用分子生物学检查是否携带抗药因子，而有的菌株本身就抗多种抗生素，因而在其使用过程中，抗药基因将有可能以结合、转导和转化等形式在微生物菌群之间相互传递而发生扩散。一般应选择没有或含有尽可能少的可转移耐药因子的乳酸菌作为发酵食品和活菌制剂的菌株。除了控制携带耐药因子的菌株应用外，还可通过基因工程技术选育无耐药基因的菌株，当然也可去除生产中已应用菌株中含有的耐药质粒，从而保证食品用乳酸菌和活菌制剂中菌株的安全性。乳酸菌在肠道内发挥其优良特性的重要标准之一，即该类细菌能否有肠道黏附能力并形成生理屏障。有人认为，细菌的胞外多糖可以提高细菌的定植力，改善在肠道的黏附，延长菌体在肠道的存活时间。可采用基因工程技术，将胞外多糖产量高、性能好的基因导入乳酸菌中，一方面发酵生产胞外多糖，另一方面可以直接将这些乳酸菌制成活菌制剂，使之在肠道内定植，并在机体内直接生产所需的基因产物。5食品加工工艺的改良啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求，如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵，使啤酒容易产生混浊，也会使其过滤困难。采用基因工程技术，使另一蛋白基因克隆到大麦中，便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低，以适应生产的要求。在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题。牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸，它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀，现在采用基因操作，增加k-酪蛋白编码基因的拷贝数和置换，k-酪蛋白分子中Ala-53被丝氨酸所置换，便可提高其磷酸化，使k-酪蛋白分子间斥力增加，以提高牛乳的稳定性，这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。

三、细胞工程

细胞工程是生物工程主要组成之一，出现于20世纪70年代末至80年代初，是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。细胞工程的研究对象包括动物、植物和微生物，但一般来说细胞工程主要指高等生物的细胞工程，可分为植物细胞工程和动物细胞工程。细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。

细胞培养是微生物细胞、植物细胞和动物细胞在人工提供的体外条件下的生长和分化。

细胞融合是在外力(诱导剂或促融剂)作用下，使两个或两个以上的异源(种、属间)细胞或原生质体相互接触，从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法，主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合，使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性。细胞工程应用于食品领域是随着细胞培养和细胞融合技术的发展而发展起来的。利用植物细胞的大量培养，生产天然色素、天然香料、次生代谢产生的功能性食品和食品添加剂。1.植物细胞工程的应用植物次生代谢产物是许多食品和药品的重要原料，目前已知的30000多种天然化合物中有80%来源于植物，包括香料、色素、调味品、药物蛋白等。细胞工程在食品领域的应用

到20世纪70年代，人们才开始利用植物细胞培养生产天然食品添加剂，如在甜菊叶中含有甜菊苷，是一种天然甜味剂，甜度大约是蔗糖的300倍，将甜菊叶愈伤组织进行培养，可在愈伤组织和悬浮培养物提取液中得到甜菊苷。

日本研究人员利用培养草莓细胞生产红色素的技术已成功应用于葡萄酒及食品加工中。我国科学家利用胡萝卜细胞生产胡萝卜素已获得成功．繁殖速度快，周期短，并可实现工业化生产。现已有上百种植物经细胞培养生产次生代谢物，半数以上产量超过原植株，为该技术工业化、商业化生产奠定了基础。

2.细胞融合技术的应用

食品发酵工业的关键是优良菌株的获取。除了通过各种化学、物理方法诱变育种及基因工程育种外，采用细胞融合技术或原生质融合技术改良和培育新菌株，也是一种有效的方法。如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交，获得比原产量高3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交，分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。目前，微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间，不断培育出用于各种领域的新菌种。如日本研究人员利用原生质体的细胞融合技术，对构巢曲霉、产黄青霉、总状毛霉等菌的同一种内或种间进行细胞融合，选育出蛋白酶分解能力强、发育速度快的优良菌株，应用于酱油生产中．既提高了生产效率．又提高了酱油品质。超氧化物歧化酶的生产实例

大蒜是SOD含量较高的天然植物之一，利用大蒜细胞培养生产SOD具有成本低、实用性强等优点。

大蒜消毒无菌蒜瓣诱导培养愈伤组织悬浮液悬浮细胞

深层培养

SOD浓缩液离心细胞匀浆研磨细胞收集离心发酵液

四、酶工程酶工程是指在一定的生物反应器内，利用酶的催化作用，将相应的原料转化成有用物质的技术，是将酶学理论与化工技术结合而形成的新技术。酶工程包括自然酶的开发及应用，固定化酶、固定化细胞、多酶反应器(生物反应器)、酶传感器等。酶是生物细胞产生的有催化活性的蛋白质或多肽，它参与农产品加工过程中的各种化学变化。由于酶的作用具有专一性强，催化效率高，作用条件温和等特点，酶的应用不仅可增强产量，提高质量，降低原材料和能源消耗，改善劳动条件，降低成本，而且可以生产出用其它方法难以得到的产品，促进新产品、新技术和新工艺迅速发展。（一）酶工程在农产品开发生物活性肽方面的应用生物活性肽是蛋白质中20种天然氨基酸以不同排列组合方式构成的从二肽到复杂的线性或环形结构的不同肽类的总称，是源于蛋白质的多功能化合物。它具有多种人体代谢和生理调节功能，易消化吸收，有促进免疫、激素调节、抗菌、抗病毒、降血压、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通过酶法降解蛋白质而制得。目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水产蛋白的酶解物中制得一系列功能各异的生物活性肽。1.1用大豆生产大豆多肽目前应用于研究和生产大豆多肽中的酶有碱性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和复合酶等。可明显消除由于疏水性肽带来的苦味。1.2用玉米生产玉米多肽酶解玉米蛋白对生产高营养、易于吸收、高附加值的具有生物学功能特性的生物产品具有重要意义。酶解玉米蛋白制取玉米活性肽通常直接以玉米蛋白粉作为酶解底物。1.3用牛奶酪蛋白生产生物活性肽(1)酪蛋白磷酸肽。酪蛋白磷酸肽是以牛奶酪蛋白为原料，经蛋白酶水解，再经分离纯化而得到，分子量为2000～4000，具有天然生理活性。酪蛋白磷酸肽具有结合钙和促进钙吸收的功能，同时对金属元素如铁、锌、硒的吸收也有促进作用。(2)糖巨肽。酪蛋白经凝乳酶处理制得糖巨肽。糖巨肽具有抗病毒、活化双歧杆菌等功能。1.4用水产蛋白生产降血压肽利用酶工程技术从鱼、虾蛋白中酶解制取降血压肽，可抑制血管紧张素转移酶活性，从而起到降低血压作用。另外，人们利用谷蛋白酶解制取了类吗啡肽，该肽具有镇痛和促进胰岛素分泌等功能；利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫调节功能的卵白肽等。（二）酶工程新工艺在酿酒中的应用

早期的啤酒主要以麦芽为原料，成本较高。而现在广泛利用各种原料如大米、玉米、小麦、杂粮等作为辅料生产啤酒。使用辅料量一般占30%左右，不少工厂高达40%~50%。提高辅料比，可降低粮耗、降低成本；同时又能提高啤酒质量，使啤酒清淡爽口，但需要外源酶，这就促进了现代酶工程技术与传统啤酒酿造技术的结合。陈廷登等人研究了以60%大米为辅助原料，通过添加酵母提取物作为补充氮源，用淀粉酶、糖化酶促进淀粉糊化、液化和糖化的高辅料啤酒酿造新工艺。结果显示，该新工艺在保证啤酒质量的同时，又降低了啤酒酿造成本，具有显著的经济效益。这些辅料价值的实现，都和淀粉酶作用分不开。现代白酒和黄酒的生产，既要保持原酒的风味特色，又要提高出酒率、简化操作，这就需要传统生产工艺和现代技术相结合。目前，酶在这两种酒的生产应用中已经很广泛。酿酒业中广泛应用的酶主要是糖化酶、液化酶、纤维素酶、蛋白酶、酯化酶等，具有酶活力强、用量少、使用方便等优点，适量添加可提高出酒率和品质。糖化酶、液化酶是白酒黄酒酿造中主要用酶，目前流行的生料酿酒和液化法黄酒酿造也主要是利用这两种酶直接将淀粉液化糊化糖化来代替蒸煮作用的原理，而通过酶的固定化技术将它们固定在载体上，效果更好。（三）酶工程在开发功能性低聚糖中的应用以淀粉为原料生产低聚糖大部分采用生物工程中的酶工程来制备。以淀粉为原料生产低聚糖类产品，是淀粉深加工的另一途径，也是利用淀粉生产甜味剂的新途径。这是目前生产低聚糖的主要方法。以淀粉为原料生产的低聚糖大至有：低聚麦芽糖、低聚异麦芽糖、低聚龙胆糖、环葡聚糖、甘露低聚糖、低聚果糖等3.1低聚麦芽糖生产低聚麦芽糖是以淀粉为原料，再用低聚糖酶糖化，然后经脱色、脱盐、浓缩等精制工序，喷粉得到白色粉末低聚麦芽糖产品。低聚麦芽糖有滋补营养性，是低甜度、低渗透压的新糖源。它易被吸收，能延长供能、增强机体耐力，当人们长时间剧烈运动或用脑过度引起生理上一些不适的变化，服用后可以得到缓解。它具有保湿性，可防止淀粉质食品老化。由于它易被体内消化酶所分解吸收，故它是非功能性低聚糖。3.2低聚异麦芽糖生产低聚异麦芽糖是以淀粉为原料，先用α-淀粉酶液化，再用p-淀粉酶糖化，同时用葡萄糖苷转移酶将麦芽糖转化为异麦芽低聚糖，经脱色、脱盐、浓缩等精制工序而得。低聚异麦芽糖耐酸耐热性极好，具有较好的保湿性，并能抑制蔗糖、葡萄糖的晶体形成，可防止淀粉质食品硬化和老化，延长食品的保存时间。由于其属非发酵性物质，不会被微生物利用，除可延长食物的贮存期外，抗菌防龋性是其一大特点。它与蔗糖共用时，能阻止蔗糖被变异链球菌作用而产生水不溶性的高分子葡聚糖，抑制蔗糖的蛀牙性。异麦芽低聚糖中的潘糖对抑制牙垢形成也有明显的效果。异麦芽低聚糖能有效地促进人体内有益细菌双歧杆菌的增殖，是一种功能性低聚糖。3.3低聚龙胆糖低聚龙胆糖是以淀粉为原料，先用淀粉酶液化，再用糖化酶糖化后，通过专用的葡萄糖基转移酶作用，经脱色浓缩而得低聚龙胆糖浆。低聚龙胆糖最具特色的是有柔和的提神苦味，苦味比柑桔皮所具有的柚皮苷苦味更丰富更微妙，且还会在口腔中滞留，用于糖果、饮料、冷饮中可使其甜味更纯它比蔗糖和麦芽糖浆的吸湿性强，可以保持各类食品中的水分，防止淀粉类食品的老化，延长货架期它是低热、低甜物质，难被人体消化酶所分解，因而可以促进双歧杆菌的生长，从而起到改善结肠状况的作用。3.4环葡聚糖环葡聚糖可直接利用葡聚糖作原料，以葡萄糖转移酶转化成为环葡聚糖。环葡聚糖是一种无色无味的低聚糖，具有优异的抗龋作用，只要在蔗糖中加入1%~4%的微量环葡聚糖即可显现。环葡聚糖作为食品添加剂直接加人糖果、口香糖、饮料、糕点等食品中，不会影响食品的原有风味和甜味。它不含热量，不被人体消化吸收，安全可靠。环葡聚糖另一引人注意的特性是其分子中间有一定的空间，可用来包封某些苦味、难溶或易氧化药物或其他化学物质，以提高药物利用率、稳定性或改善口感。环葡聚糖在制药和食品工业都将有广阔的应用前景。3.5甘露低聚糖甘露低聚糖是魔芋块茎中的主要成分，其含量占干重的40%~50%。以魔芋粉为原料用β—甘露聚糖酶作用，经澄清脱色、脱味、离交、浓缩结晶等精制工序可得结晶甘露低聚糖。人体不能直接吸收甘露低聚糖，服用后它还会引起血糖值升高。作为双歧杆菌的增殖因子，它可改善肠道菌群比例，抑制有害菌增殖，它的纤维性，还可刺激肠道蠕动，吸附有害物质，起到调节肠道功能，具有护肝、抗肿瘤、增强免疫力、降低胆固醇、抗衰老等生理活性，适用于便秘、腹泻、消化不良、肚炎热、营养不良等各种肠道疾病的辅助治疗，也适用于老人、儿童的日常保健。3.6低聚果糖以菊芋粉为原料用菊糖内切酶水解，经精制最终可得低聚果糖浆。低聚果糖除具有一般功能性低聚糖的物理化学性质外，最引人注目的生理特性是它能明显改善肠道内微生物种群比例，它是肠内双歧杆菌的活化增殖因子，可减少和抑制肠内腐败物质的产生，抑制有害细菌的生长，调节肠道内平衡；能促进微量元素铁、钙的吸收与利用，以防止骨质疏松症；可减少肝脏毒素；且口味纯正香甜可口，具有类似脂肪的香味和爽口的滑腻感。（四）酶工程在生产氨基酸中的应用

4.1氨基丁酸以L-谷氨酸为原料，通过固定化L-谷氨酸脱酶转化制得。氨基丁酸具有降血脂及健脑益智功4.2L-异亮氨酸以糖、氨、Cl-氨基丁酸为原料，用黄色小或枯草杆菌发酵而得。4.3L-苯丙氨酸用红酵母菌种二级发酵，培养具有苯丙氨氨酶活性的细菌培养物，以此作为生物催化剂，肉桂酸、氨水液中保温反应，由酶催化制得。4.4L-谷氨酸以葡萄糖、尿素、无机盐等为原料，用产谷氨酸微球菌、产氨短杆菌、产气杆菌等为菌种发酵制得。4.5L-谷氨肽胺以葡萄糖等糖类为原料经黄色短杆菌发酵制得。（五）前景展望

随着人们生活水平的提高，人们越来越注重自身的健康状况。因此，功能各异的多肽产品的开发前景广阔。中国有大量丰富的蛋白质资源，但资源利用率不高，加工过程产生的大量下脚料及废弃物通常被当作肥料、饲料或直接排放掉，不仅造成了资源浪费，也造成了环境污染，有很多原料还远远没有被充分利用。迄今从生物界已经发现了上千种酶，用于工业生产的有百余种，但在农产品加工中应用的酶仅有几十种，因此利用酶工程技术进行农产品原材料的加工，开发新产品，探索新工艺，具有巨大的潜力。五、发酵工程发酵工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的某些特定功能，为人类生产有用的产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的一种新技术。发酵工程的内容包括菌种的选育、培养基的配制、灭菌、扩大培养和接种、发酵过程和产品的分离提纯等方面。发酵工程是生物技术产业化的基础。生物技术中的基因工程、酶工程、单克隆抗体、生物量的转化等研究成果为发酵工程注入新的内容，使传统的发酵工艺焕发“青春”，赋予微生物发酵技术新的生命力，使微生物发酵制品不断增加，也使发酵工程在制药业、食品工业和农产品加工业显示出强大的生命力。应用医药工业：抗生素、维生素等食品工业：微生物蛋白、氨基酸、新糖源、饮料、酒类和一些食品添加剂的生产能源工业化学工业冶金工业农业环境保护（一）麦汁饮料

大麦在世界粮食作物中产量居第四位，仅次与小麦、水稻和玉米。以价格低廉、来源丰富的大麦为主要原料，生产乳酸发酵饮料，不仅增加了饮料的新品种，也为粮食转化增值开辟一条新途径。

工艺流程：大麦→浸渍→发芽→干燥→粉碎→糖化→麦汁→加辅料调配→均质→灭菌→接种→无菌灌装→发酵→后熟→检验→成品。（二）红薯饮料

用红薯与鲜奶配合发酵制成的红薯酸奶，有红薯的特有香味，还增加了酸奶纤维素、维生素和多种微量元素，减少脂肪含量，既可达到动植物营养互补，又能降低生产成本，是一种风味独特的滋补饮料。（三）南瓜乳发酵饮料

南瓜乳发酵饮料是以南瓜汁、脱脂乳为主要原料，配以糖尿病患者专用的新型甜味剂-液体木糖醇及其他辅料，经乳酸菌发酵制成的一种新型保健饮品，尤其适合肥胖症、糖尿病患者食用。