生物技术与食品

关于生物技术与食品一、生物技术与食品生产单细胞蛋白食品和饮料的发酵生产酶与食品加工新型甜味剂遗传工程食品第2页,共42页，2024年2月25日，星期天

1.单细胞蛋白的概念

生物蛋白，是指从纯培养的微生物细胞中提取的总蛋白。

单细胞蛋白的生产，是通过发酵获取可食性酵母、细菌、霉菌，以及蘑菇、单细胞藻类等微生物，进一步由此制取大量的蛋白质。SCP可以作为人或动物蛋白补充。第3页,共42页，2024年2月25日，星期天2.单细胞蛋白的主要用途①作为人类食品：SCP可作为食品添加剂，以改善食物口味，并可代替动物蛋白；②作为饲料：SCP富含蛋白质，风味温和，容易贮存，可代替传统的蛋白质添加剂，如鱼粉、豆粕等；③作为工业原料：微生物培养基成分、合成纤维的亲水剂、各种填料、增稠剂、乳化剂及稳定剂等。第4页,共42页，2024年2月25日，星期天3.用微生物生产单细胞蛋白的优点⑴在最佳条件下，繁殖快。一些微生物的生产量每隔

0.5～1h就能增加一倍。⑵微生物容易进行遗传操作。它们更适宜于大规模筛选高生长率的个体，更容易实施转基因技术。⑶微生物有相当高的蛋白质含量，如按其干重计，藻类60～70%，细菌70%，酵母40～60%，且蛋白质的营养价值高，必需氨基酸含量高于大豆⑷微生物能在相对较小的连续发酵反应器中大量培养，占地小，不依赖气候。⑸微生物的培养基来源广泛，低廉，特别是可利用废料，如有些微生物能利用植物的“残渣”——纤维素作原料第5页,共42页，2024年2月25日，星期天4.单细胞蛋白的生产

⑴.利用能源物质生产细菌和酵母可利用甲醇、乙醇和多链烷烃生产单细胞蛋白。⑵.将有机废料转化为SCP废料中的许多物质可回收再利用，如稻秸、蔗渣、柠檬酸废料、果核、糖浆、动物粪便和污物等。⑶.从藻类中生产SCP利用藻类生产SCP简单易行，它们只需要CO2作为碳源、以阳光为能源进行光合作用，就可以在开放的池塘中很好地生长。第6页,共42页，2024年2月25日，星期天

食品和饮料的发酵食品和饮料的发酵是通过微生物或酶对农产品原料的作用,发生相关的化学反应,使最终产品的口味、色泽等发生感官上的改善，产物通常更有营养，更易消化，口味更好，并且无病原微生物，无毒害。第7页,共42页，2024年2月25日，星期天

酒精发酵的原材料：糖类物质（水果汁、树汁、蜂蜜等）和淀粉类物质（谷类或块根类等）。

最常用的发酵微生物：啤酒酵母或它的相关品系，这种微生物可以吸收并利用单糖，将它们转化成乙醇，可以使乙醇达到较高浓度。

生物技术酿酒的主要代表是葡萄酒和啤酒的生产1.酒精饮料第8页,共42页，2024年2月25日，星期天2.奶制品奶制品的发酵：采用乳酸杆菌的作用，乳酸杆菌的作用使牛奶能保藏和运输，还可改善奶制品的口味和质地，有利于维持肠道内菌群平衡，促进人体健康。1、奶酪：

其生产是奶制品业中最主要的产品。通过乳酸菌将乳糖转化为乳酸，蛋白质水解和酸化联合作用，使酪蛋白凝结。

第9页,共42页，2024年2月25日，星期天蛋白质水解是由于凝乳酶的作用，凝乳酶使蛋白质形成一种凝胶，凝胶分离出来后，经切块、脱水、成形、熟化成奶酪。

运用重组DNA技术获得经遗传修饰的基因工程菌生产牛凝乳酶，可以提高奶酪的生产。

2、酸奶酪：即牛奶的整体发酵，由保加利亚乳杆菌和嗜热链球菌发酵而成。

3、酸奶：由双歧杆菌发酵而成第10页,共42页，2024年2月25日，星期天3.发酵工程与功能性食品

功能食品(functionalfood)又称保健功能食品(functionalhealthfood)，是指具有调节人体生理功能，适宜特定人群食用，不以治疗疾病为目的的一类食品。这类食品既具有普通食品的营养功能和感官功能，还具备调节人体生理活动的功能。应用发酵工程制造的功能性食品主要有碳水化合物类、肽类、多不饱和脂肪酸类、生物防腐剂类等。第11页,共42页，2024年2月25日，星期天（1）真菌多糖

具有活化巨噬细胞、刺激抗体产生等而达到提高人体免疫能力的生理功能。大部分真菌多糖还有很强的抑肿瘤活性、抗衰老作用、抗辐射、降血糖、护肝、抗凝血等作用。

真菌多糖主要有香菇多糖(lentinan)、银耳多糖(tremellan)、金针菇多糖(flammulinan)、

茯苓多糖(pachyman)、灵芝多糖、猴头菇多糖(hericiuman)、冬虫夏草多糖(cordycepsan)

真菌多糖的生产通常采用直接从真菌中提取，或采用液态深层发酵(liquidsubmerged

fermentation)取得菌丝体后再提取的方法而制备得到。第12页,共42页，2024年2月25日，星期天（2）生物活性肽

A

谷胱甘肽(glutathione，GSH)，是一种具有重要生理功能的活性肽，它能清除自由基，使生物大分子、生物膜免受损害，具有抗衰老功能，还能增加机体排毒功能，保护肝脏。目前主要以发酵法和酶法从啤酒酵母中提取谷胱甘肽。酶法是利用酵母细胞中含有的天然谷胱甘肽合成酶，通过添加底物来合成谷胱甘肽。第13页,共42页，2024年2月25日，星期天

B酪蛋白磷酸肽(caseinphosphopeptide，CPP)，促进钙和铁吸收，是一个含有25～37个氨基酸残基的多肽。CPP能促进钙铁吸收，是钙元素吸收的促进剂，有助于儿童生长发育，改善骨质疏松、预防儿童佝偻病、改善贫血等。

CPP的制备通常采用酪蛋白为原料，通过控制酶解、Ca-乙醇沉淀、离子交换和凝胶过滤制备而得。第14页,共42页，2024年2月25日，星期天

C

乳酸链球菌肽(nisin)

乳酸链球菌的某些菌株产生，34个氨基酸构成的多肽。它能有效抑制许多引起食品腐败的革兰氏阳性菌及病原菌的繁殖，可作为食品防腐剂，广泛用于乳制品、植物蛋白食品、肉制品等生产中。乳酸链球菌肽与EDTA联合使用，能抑制沙门氏菌和其它革兰氏阴性菌，同时还能作为药物来治疗胃溃疡，因幽门螺杆菌对乳酸链球菌肽敏感。第15页,共42页，2024年2月25日，星期天（3）功能性不饱和脂肪酸

功能性不饱和脂肪酸主要有亚油酸、亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）等。含多烯不饱和脂肪酸的保健食品：乳制品、冰淇淋、肉制品、乳化饮料、营养胶丸等。亚油酸(linoleicacid)是分布最广的一种多烯不饱和脂肪酸，常见植物油中均含有。第16页,共42页，2024年2月25日，星期天1、γ-亚麻酸(linolenicacid，GLA)是α-亚麻酸的同分异构体，在月见草油(eveningprimroseoil)、玻璃苣油(borageoil)、黑醋栗油(blackcurrantoil)和母乳中含量较多，螺旋藻(Spirulina)、根霉(Rhizopus)和被孢霉(Mortierella)等真菌也能产生含γ-亚麻酸的油脂。GLA在人体内扩张血管、抑制血液凝固、调节体内胆固醇代谢及增强免疫功能等方面具重要作用。

GLA发酵法生产主要是通过理化诱变方法，得到高产变异微生物菌株，然后在发酵罐中进行菌体的大规模培养，破碎菌体后萃取GLA。

GLA在食品工业中作为保健食品的有效成分或作为添加剂添加到饮料、果汁、果子冻、饼干、巧克力、营养奶粉等食品中。第17页,共42页，2024年2月25日，星期天2、二十碳五烯酸(EPA)：EPA对防止和治疗血栓、关节硬化及其它血液循环系统疾病具有明显效果。利用发酵工程，培养海洋细菌、藻类、真菌等均可生产EPA。3、二十二碳六烯酸(DHA)：DHA是神经组织的基本组分，是一种人体必需脂肪酸。目前利用海洋真菌和藻类培养发酵生产DHA已达工业化规模，且产品的稳定性、纯度、安全性和生物利用率都优于鱼油，目前已用于婴儿奶粉和作为辅助食品。第18页,共42页，2024年2月25日，星期天

食品添加剂：为改善食品的色、香、味，以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化学合成物质或天然物质。利用微生物发酵法生产的食品添加剂包括酸味剂、品质改良剂、抗结剂、抗氧化剂、防腐剂、增稠剂、凝固剂、发色剂和着色剂等。4.利用发酵工程生产食品添加剂第19页,共42页，2024年2月25日，星期天

如：利用曲霉和酵母发酵生产的柠檬酸是食品工业中最常用的酸味剂，除了具有改善食品风味的作用外，还有抗氧化、增溶、防腐、除腥、脱臭等用途。

又如:利用黄单胞菌属的某些菌株进行培养发酵，可以生产黄原胶，作为增稠剂、乳化剂、稳定剂、悬浮剂等，是一种多功能的食品添加剂。第20页,共42页，2024年2月25日，星期天1.酶在食品原料加工中的应用（1）淀粉糖加工以淀粉为原料，通过多种酶有序地协同作用，可以加工得到不同种类的淀粉糖。

水解淀粉，可以生成饴糖、麦芽糊精、葡萄糖、麦芽糖与麦芽糖醇、果糖、低聚糖等食品原料，用于糖果、冰淇淋、饮料等各类食品的加工。淀粉糊化淀粉葡萄糖浆高果糖浆麦芽糖浆①②③④①细菌

-淀粉酶、②淀粉葡萄糖苷酶、③葡萄糖异构酶、④

-淀粉酶、⑤脱支酶⑤第21页,共42页，2024年2月25日，星期天乳品加工

乳品加工过程中需要利用多种酶，如乳糖酶、蛋白酶、脂肪酶、过氧化氢酶等，在乳糖水解、干酪凝结、风味形成及牛奶保藏等方面发挥重要作用。乳糖酶：其作用是将乳糖分解形成葡萄糖和半乳糖，广泛存在于大肠杆菌、乳酸杆菌、酵母菌和霉菌等微生物中。凝乳酶：微小毛霉、米曲毛霉、浅白隐球酵母均能产生凝乳酶。溶菌酶：具有特殊的防腐作用和抗菌活性，还具有一定的凝乳作用，可使牛奶以适宜速率形成奶酪。第22页,共42页，2024年2月25日，星期天果蔬加工

在果蔬加工中常用的酶制剂有果胶酶、纤维素酶、柚苷酶、橙皮苷酶、蛋白酶等。

果胶酶：存在于真菌、植物和某些细菌中，其作用为水解聚半乳糖醛酸残基的α-1,4-糖苷键形成小分子果胶，在果蔬加工中用于果汁和果酒的澄清。纤维素酶：存在于霉菌类真菌中，主要用于果汁澄清和板栗去皮。

柚苷酶：真菌柚苷酶能够将柚苷降解起到脱除柚苷的苦味的作用，用于柑橘罐头加工。第23页,共42页，2024年2月25日，星期天2.酶制剂用于改善食品质量

在食品加工过程中添加一些酶类，可以使产品的颜色、风味、质地、稳定性优化，改善食品的品质。

如:在鱼、肉制品加工中，添加木瓜蛋白酶可使肉松化、嫩滑，改善肉的口感，提高其营养价值，促进其消化吸收

油脂加工中，应用来源于真菌、酵母及细菌中的脂肪酶可对天然油脂的结构进行改造，提高其营养价值，改善其功能特性，促进高附加值产品的开发和应用面包生产中，可将淀粉酶和蛋白酶结合使用，防止老化和改善风味。啤酒酿制过程中，应用木瓜蛋白酶也可改善啤酒品质。第24页,共42页，2024年2月25日，星期天

葡萄糖氧化酶能够将葡萄糖氧化形成葡萄糖酸，同时消耗氧气。将该酶添加入果蔬中，密封保藏，可以延长果蔬的保藏期

在啤酒中添加葡萄糖氧化酶对防止啤酒老化、保持啤酒原有风味及延长保质期均有显著效果

在果汁加工过程中，添加葡萄糖氧化酶可有效增强维生素C的抗氧化作用，减少维生素C在加热过程中的损失。3.酶在食品保鲜和贮藏中的应用第25页,共42页，2024年2月25日，星期天5.酶与功能性食品配料（1）功能性低聚糖(functionalligoesaccharides)

：低聚糖是指由2～10个单糖通过糖苷键连接形成的直链或支链的低度聚合糖，功能性低聚糖包括低聚果糖、低聚半乳糖、木低聚糖、异麦芽低聚糖、麦芽低聚糖、大豆低聚糖、低聚异麦芽酮糖和低聚龙胆糖等。其特性是，很难或不被人体消化，产热低；活化肠道内双歧杆菌(Bifidobacterium)并促进其生长繁殖，能抑制肠道内有害菌及腐败物质的形成；不被口腔内微生物利用，不会引起具龋齿；属于水溶性膳食纤维，具有食用纤维的部分功能；增加维生素的含量，提高机体免疫力。功能性低聚糖作为功能食品基料，已广泛用于各类保健食品和补品中。目前主要利用酶法工业化大规模生产功能性低聚糖。第26页,共42页，2024年2月25日，星期天（2）果葡糖浆

果葡糖浆是以淀粉为原料，通过-淀粉酶和葡萄糖苷酶水解形成葡萄糖，再利用葡萄糖异构酶的异构化反应，制成的一种含有果糖与葡萄糖的混合糖浆。它溶解度高，发酵性能好，化学稳定性高，并且易被人体所吸收，具有较高的营养保健价值，广泛用于饮料、营养食品和疗效食品的加工。果葡糖浆主要以酶法生产，目前已采用固定化葡萄糖异构酶实现果葡糖浆的连续化高效生产。第27页,共42页，2024年2月25日，星期天（3）.阿斯巴甜(aspartame,APM):它是由天冬氨酸和苯丙氨酸合成的二肽,其甜度是蔗糖的200倍,它不升高血糖，适合于糖尿病、高血压、肥胖症、心血管疾病患者食用。目前主要应用发酵法和酶解法生产其原料——L-苯丙氨酸和天冬氨酸。地霉属、丛梗孢属、共头霉属、内孢霉属、曲霉属等菌株能产生高活性的苯丙氨酸氨解酶（PAL），可以催化肉桂酸与氨基供体生成L-苯丙氨酸；芽孢杆菌属、肠杆菌属、埃希氏菌属、变形菌属、假单胞菌属等可产生高活性的天冬氨酸酶，可以催化延胡索酸转化为天冬氨酸。（4）.三氯蔗糖（sucralose)：其甜度是蔗糖的400～800倍,产热量极低,不参与人体代谢,安全性较高，很有发展前景，目前主要用酶-化学法生产。第28页,共42页，2024年2月25日，星期天（5）水解蛋白和肽

由酪蛋白、鱼肉蛋白、植物蛋白等酶解制得的水解蛋白和肽是具有一定氨基酸单元的功能活性肽，已经成为运动饮料、功能食品和医疗食品的重要原料。例如，腐乳中含有相对分子质量小于1000的具有降血压功能的活性肽。采用适当的酶解条件可以水解丝素(fibroin)获得具有控制血糖、降低胆固醇和保湿、护肤作用的丝素肽。水解大豆蛋白得到的多肽，具有降低胆固醇和降血压等功能。酶解乳蛋白可以获得具有生物活性的酪蛋白生物活性肽，如降血压肽、抗菌肽、免疫调节活性肽、酪蛋白磷酸肽、类吗啡肽等。目前应用于实际生产的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、碱性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶等。第29页,共42页，2024年2月25日，星期天遗传工程食品

遗传工程食品是指利用基因工程、细胞工程技术对动、植物遗传性状进行改良后所生产的农产品、畜产品及其加工制成品。第30页,共42页，2024年2月25日，星期天植物基因工程食品已有近100种转基因工程体进入商品化生产，种植面积约1亿万公顷。在转基因作物种植面积位居世界之首(占72％)的美国，消费的50％的大豆和30％以上的玉米来自转基因作物，有400多种食品含有转基因成分。转基因作物在世界各国都有种植和消费。第31页,共42页，2024年2月25日，星期天(1)抗除草剂基因工程

在商品化种植的转基因作物中，抗除草剂性状占71％，在各转基因性状中高居榜首，作物种类包括大豆、玉米、水稻、油菜、棉花(棉籽做食用油)、番茄、马铃薯等。我国也于1999年申请登记抗除草剂水稻的商业化种植。抗除草剂基因工程的策略:将能降解除草剂的酶基因转入植物,以消除除草剂对作物的危害;修饰除草剂作用的靶蛋白,使转基因植物对除草剂不敏感,或者促使这种靶蛋白过量表达,使转基因植物在吸收除草剂后仍能正常生长。现已获得抗草丁膦、草甘膦、磺酰脲等除草剂的转基因植物。第32页,共42页，2024年2月25日，星期天(2)抗病虫害基因工程抗病虫害基因有10余种，根据作用对象分为三类

抗虫基因（Bt、CpTI、雪花莲外源凝集素）

抗病毒基因（CP、RP、卫星RNA）

抗真菌（几丁质酶、核糖体灭活蛋白RIP）和细菌基因（抗菌肽）已商业化种植的与食品相关的是抗虫和抗病毒转基因作物，其中抗虫转基因作物种植面积占转基因作物总面积的22％，仅次于抗除草剂作物。许多抗虫害的苹果、抗病毒的哈密瓜、黄瓜等已投放市场。第33页,共42页，2024年2月25日，星期天(3)延熟保鲜基因工程

番茄、草莓、香蕉、葡萄、柑橘等在贮存运输时，由于果实熟化过程难以控制，常导致过熟、腐烂，造成很大经济损失

利用反义基因策略（多聚半乳糖醛酸酶PG反义基因、ACC合成酶反义基因、乙烯形成酶

EFE反义基因）控制果实成熟、延长果实采后保鲜是植物基因工程中较为成功的。

经FDA批准，美国Calgene公司的延熟转基因番茄于1994年上市，成为首例通过安全性评价的转基因植物食品。我国的耐贮存番茄已于1997年获准上市。第34页,共42页，2024年2月25日，星期天(4)改良植物食品营养品质①改良谷物种子贮藏蛋白：修饰植物自身基因或导入富含必需氨基酸的蛋白质基因。②改良植物淀粉品质：通过导入某个酶基因（GBSS、

SSS和SBE）的有义结构和反义结构，影响其活性。③改良脂肪酸组成：抑制或增强酯酰ACP脱饱和酶的活性，即可增加或降低饱和脂肪酸的含量。④增加果实甜度：转酸性转化酶的反义cDNA或甜蛋白基因（应乐果甜蛋白基因）。⑤提高果实可溶性固形物含量：转异戊烯转移酶基因(ipt)。⑥提高器官组织微量元素含量：转金属硫蛋白基因。第35页,共42页，2024年2月25日，星期天提高动物生长速度、增加动物营养价值

转牛生长激素（rBST）基因：转基因的奶牛可提高产乳量。

转猪生长激素（rPST）基因：转基因猪的饲料转化率、增重率提高，脂肪减少。

转鱼生长激素（CAgcGH）基因：转基因鲤鱼生长速度提高，饵料转化率高，蛋白质含量增加，脂肪、水分含量降低，除甘氨酸、丙氨酸、脯氨酸和色氨酸外的氨基酸含量均较高。第36页,共42页，2024年2月25日，星期天可食性疫苗或药物蛋白的生产

利用转基因动、植物作为生物反应器，生产人类所需的疫苗或药物蛋白具有投资少、成本低，对环境无污染和便于大规模生产的优点。