农产品的生物技术

农产品中的生物技术陈超金淼宋绍华赵蓉蓉主要内容一、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这五项技术并不是各自独立的，他们彼此之间是相互联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展。比如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或“工程细胞”，都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；又如，通过基因工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。3.生物技术对经济社会发展的影响近代科技史表明，每一次重大的科学发现和技术创新，都使人们对客观世界的认识产生一次飞跃；每一次技术革命浪潮的兴起，都使人们改造自然的能力和推动社会发展的力量提高到一个新的水平。生物技术的发展也不例外，它的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。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