生物技術(shù)在食品中的應(yīng)用.doc

生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用Application of Biological technology in Food Industry孔慶龍摘要：生物技術(shù)是一門新興的，綜合性的學(xué)科，在食品工業(yè)發(fā)展中具有重要的作用。本文簡要介紹了應(yīng)用于食品工業(yè)中的主要生物技術(shù)及其應(yīng)用，并分析了生物技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用的發(fā)展前景及問題。關(guān)鍵詞：生物技術(shù)；食品；應(yīng)用Abstract：Biotechnology is a new and comprehensive subject which has an important role in the development of the food industry. This paper introduces the main biotechnology applied in food industry and the applications, and analysis the prospects and problems of biotechnology application in food industry development.Keywords: Biotechnology; food; application生物技術(shù)是對生命有機體進(jìn)行加工改造和利用的技術(shù)， 它是21世紀(jì)高新技術(shù)的核心之一。目前，生物技術(shù)已被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)、食品加工、醫(yī)療保健等眾多領(lǐng)域中。而食品生物技術(shù)是生物技術(shù)的重要分支學(xué)科，主要指生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用，其作用主要體現(xiàn)在四個方面，一是利用基因工程、細(xì)胞工程技術(shù)對食品資源的改造和改良；二是利用發(fā)酵工程、酶工程技術(shù)將農(nóng)副原材料加工制成商品，如調(diào)味品、酒類、酸奶等發(fā)酵制品；三是利用這些生物技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，形成新的產(chǎn)品，如高果糖漿，食用添加劑等；四是利用酶工藝、發(fā)酵技術(shù)、生物反應(yīng)器等對傳統(tǒng)食品加工工藝進(jìn)行改造，降低能耗、提高產(chǎn)率、改善食品品質(zhì)等。另外，在食品生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域如食品包裝、食品檢測等方面，食品生物技術(shù)也得到越來越廣泛的應(yīng)用。所以生物技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用有著廣闊的市場和發(fā)展前景。生物技術(shù)包括基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程5個方面。該技術(shù)是應(yīng)用生物體（微生物、動物細(xì)胞、植物細(xì)胞）或其組成部分（細(xì)胞器、酶）在最適宜條件下，生產(chǎn)有價值的產(chǎn)物或進(jìn)行有益過程的技術(shù)。生物技術(shù)的大體過程如下：基因工程微生物蛋白質(zhì)或酶動植物個體或細(xì)胞發(fā)酵工程蛋白質(zhì)或酶工程優(yōu)良品系細(xì)胞工程工程菌特定產(chǎn)品1. 基因工程基因工程是以分子遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，以DNA重組技術(shù)（克隆技術(shù)）為手段，用人工的方法把不同生物的遺傳物質(zhì)（基因）分離出來，在體外進(jìn)行剪切、組合、拼裝，形成基因重組體，然后把重組體引入宿主細(xì)胞內(nèi)或個體中以得到高效表達(dá)，最終獲得人們所需要的基因產(chǎn)物，實現(xiàn)動物、植物、微生物等物種之間的基因轉(zhuǎn)移，或DNA重組，達(dá)到食品原料或微生物的改良。1.1. 優(yōu)化食品生物資源及食品品質(zhì)基因工程應(yīng)用于植物食品原料的生產(chǎn)上，可進(jìn)行品種改良、新品種開發(fā)與原料增產(chǎn)，如選育抗病植物、耐除草劑植物、抗蟲性或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物等，使食品原料的供應(yīng)更加多樣。同時，在改善食品品質(zhì)方面，可以通過基因工程改變酶的性質(zhì)，生產(chǎn)食品結(jié)構(gòu)改良劑；可以將基因工程技術(shù)應(yīng)用于氨基酸的生產(chǎn)，進(jìn)行氨基酸的工業(yè)化生產(chǎn)；可以利用基因工程技術(shù)進(jìn)行天然食品防腐劑的大量生產(chǎn)，主要包括殺菌肽、防御素等；基因工程技術(shù)還可用于食品工業(yè)中新型蛋白質(zhì)、單細(xì)胞蛋白、維生素酶制劑、微生物多糖、淀粉糖的生產(chǎn)。1.2. 改良食品工業(yè)菌種食品工業(yè)如酒類、醬油、食醋、發(fā)酵乳制品等的發(fā)展，關(guān)鍵在于是否有優(yōu)良的微生物菌種，將基因工程應(yīng)用于微生物育種，從事發(fā)酵菌種的改良研究，已經(jīng)成為改良食品工業(yè)菌種的一個重要途徑。例如，利用基因工程技術(shù)培育出新的釀酒酵母菌株，用以改進(jìn)傳統(tǒng)的釀酒工藝，在啤酒酵母的改良中，將-乙酰乳酸脫羧酶基因克隆到啤酒酵母中進(jìn)行表達(dá)，可降低啤酒雙乙酰含量而改善啤酒風(fēng)味；選育出分解-葡萄糖和糊精的啤酒酵母，能夠明顯提高麥芽汁的分解率并改善啤酒質(zhì)量；構(gòu)建具有優(yōu)良嗜殺其他茵類活性的嗜殺啤酒酵母已成為純種發(fā)酵的重要措施。此外，基因工程技術(shù)還可以與食品衛(wèi)生分析檢測結(jié)合。例如，采用基因探針技術(shù)檢測有害微生物具有特異性強、靈敏度高和操作簡便、省時等優(yōu)點，通過考查待測樣品與標(biāo)記性DNA探針能否形成雜交分子，即可判斷樣品中是否含有此種微生物，并且還可以通過測定放射性強度以考查樣品中微生物數(shù)量。2. 蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程是利用X-射線衍射和電子計算機圖像顯示計算，確定天然蛋白質(zhì)的三維構(gòu)想和活性部位，分析設(shè)計需要改造的氨基酸殘基，然后采用基因定位突變的方法，修飾或人工合成基因，按照設(shè)計改造天然蛋白質(zhì)或酶，提高其應(yīng)用價值。蛋白質(zhì)工程可以按照人類的需求創(chuàng)造出原來不曾有過、具有不同功能的蛋白質(zhì)及其新產(chǎn)品，或生產(chǎn)具有特定氨基酸順序、高級結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生理功能的新型蛋白質(zhì)，可以定向改造酶的性能，生產(chǎn)新型功能性食品。2.1. 改善凝乳酶性質(zhì)在干酪加工中，凝乳酶作為重要的凝結(jié)劑而被廣泛應(yīng)用。在動物凝乳酶供應(yīng)緊缺的情況下，市場上開發(fā)出了多種微生物凝乳酶。但由于其它酶類在特異性、凝結(jié)活性、蛋白分解活性、最適pH值、熱穩(wěn)定性等性質(zhì)上與天然凝乳酶有一定的差異，因此在食品加工中易引起產(chǎn)量降低和成熟中出現(xiàn)不良風(fēng)味的缺點。通過凝乳酶蛋白質(zhì)工程技術(shù)的研究，目前已經(jīng)在解釋酶的某些結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)、基團(tuán)與功能性質(zhì)、酶的翻譯和激活等方面取得了一定進(jìn)展，在改變酶的某些性質(zhì)方面取得了一定效果。這項工程可以潛在地增強和優(yōu)化凝乳酶的各項酶學(xué)性質(zhì)，為凝乳酶資源的開發(fā)和在食品加工中的合理利用帶來了光明的前景。2.2. 研究和優(yōu)化纖維素酶的性質(zhì) 纖維素酶是糖苷水解酶的一種，它可以將纖維素水解成單糖，進(jìn)而發(fā)酵成乙醇，從而解決農(nóng)業(yè)、再生能源以及環(huán)境污染等問題。為了更好地利用纖維素，愈來愈多的國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注纖維素酶的研究。蛋白質(zhì)工程作為一種工具用來研究纖維素酶的催化機制，主要包括對潛在活性中心氨基酸殘基進(jìn)行基因定點突變、體外分子定向進(jìn)化和對定點突變酶進(jìn)行動力學(xué)分析。通常采用基因定點突變技術(shù)對典型纖維素酶家族序列不變殘基和三維構(gòu)像進(jìn)行確認(rèn)，并通過設(shè)計新的三維復(fù)合體來對酶進(jìn)行修整和探索。3. 細(xì)胞工程細(xì)胞工程是在細(xì)胞水平上改造生物遺傳特性和生產(chǎn)性能，以獲得特定的細(xì)胞、細(xì)胞產(chǎn)品或新生物體的技術(shù)，包括細(xì)胞融合、細(xì)胞培養(yǎng)及細(xì)胞核移植等。利用細(xì)胞雜交、 細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)可獲得遺傳性狀有所改良的新菌株或動植物細(xì)胞、生產(chǎn)食品添加劑與酶制劑等。3.1. 細(xì)胞工程育種在細(xì)胞水平上的原生質(zhì)體制備與融合有利于實現(xiàn)遠(yuǎn)緣遺傳物質(zhì)的直接交換， 促進(jìn)遺傳資源的創(chuàng)新。王建華等利用曲霉種間的原生質(zhì)體融合獲得了比親本菌株淀粉酶產(chǎn)量提高114204.81%，且耐高溫性能也有所提高的新菌株。再如，大多數(shù)難以栽培的食用菌都與植物有共生或寄生關(guān)系，人工栽培出菇問題一直無法解決，原生質(zhì)體融合技術(shù)則可以去除細(xì)胞壁的屏障，實現(xiàn)遠(yuǎn)緣雜交，為難以人工栽培的食用菌育種提供了新方法。3.2. 細(xì)胞培養(yǎng)利用細(xì)胞工程技術(shù)生產(chǎn)生物來源的天然食品或天然食品添加劑，是細(xì)胞工程的一個重要領(lǐng)域，應(yīng)用范圍包括生產(chǎn)天然藥物（人參皂苷、紫杉醇、長春堿等）、食品添加劑（花青素、胡蘿卜素、紫草色素、天然香料等）和酶制劑（SOD酶、木瓜蛋白酶等）。典型的應(yīng)用是用于味精生產(chǎn)的優(yōu)良谷氨酸生產(chǎn)菌的育種，繼而出現(xiàn)的必需氨基酸生產(chǎn)菌株的育種都應(yīng)用到細(xì)胞融合技術(shù)。如L-蘇氨酸和L-賴氨酸均已用于生產(chǎn)；醬油曲霉菌經(jīng)細(xì)胞融合技術(shù)選育后，醬油的品質(zhì)明顯提高。另外，酒精酵母、酶制劑生產(chǎn)菌的育種多采用細(xì)胞工程技術(shù)，均得到了非凡的成果，在食用酒精和食品專用酶的生產(chǎn)中發(fā)揮了巨大的效能。在實驗室利用細(xì)胞工程技術(shù)生產(chǎn)天然食品或添加劑已取得了很好的成果，為工業(yè)生產(chǎn)開辟了很好的前景。4. 酶工程酶工程是指利用酶、細(xì)胞或細(xì)胞器等具有的特異催化功能，借助生物反應(yīng)裝置和通過一定的工藝手段生產(chǎn)出人類所需要產(chǎn)品。酶工程在食品工程中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟，包括各種酶的開發(fā)和生產(chǎn)、酶的分離和純化、酶或細(xì)胞的固定化技術(shù)、固定化酶反應(yīng)器的研制以及酶的應(yīng)用等。4.1. 開發(fā)新型食品添加劑近年來在發(fā)達(dá)國家，酶工程加快了新酶源的開發(fā)，使功能性食品添加劑，如營養(yǎng)強化劑、低熱量的甜味劑、食用纖維和脂肪替代品等得到迅速發(fā)展。例如，甜菊苷是一種非營養(yǎng)型功能性甜味劑。甜菊苷具有輕微的苦澀味，通過酶法改質(zhì)后可除去苦澀味，從而改善了其風(fēng)味。甘草中所含的甜味物質(zhì)甘草苷是一種功能性甜味劑，具有補脾益氣、解毒保肝、潤肺止咳的功效。甘草苷經(jīng)-葡糖苷酸酶處理，生成單葡糖苷酶基甘草酸，其甜度為甘草甜素的5倍，是高甜度的甜味劑和解毒劑。4.2. 在食品保鮮中的應(yīng)用酶制劑保鮮技術(shù)是利用酶的催化作用，防止或消除外界因素對食品的不良影響，從而保持食品原有的優(yōu)良品質(zhì)與特性的技術(shù)。例如葡萄糖氧化酶加在瓶裝飲料中，吸去瓶頸空隙中氧而延長保鮮期；溶菌酶對革蘭氏陽性菌有較強的溶菌作用，可用于肉制品、干酪、水產(chǎn)品、乳制品、水果等的保鮮，且具無毒性、底物專一、高度催化、作用條件溫和等優(yōu)點。4.3. 食品分析和檢測中的應(yīng)用由于酶具有特異性，因此，也適合于動植物化學(xué)組分的定性和定量分析。此外，在食品中加入一種或幾種酶，根據(jù)它們作用于食品中某些組分的結(jié)果，可以評價食品的質(zhì)量，這是一種十分簡便的方法。5. 發(fā)酵工程發(fā)酵工程是指采用工程技術(shù)手段，利用微生物和有活性離體酶的某些功能，為人類生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品，或者直接用微生物參與控制某些生產(chǎn)的一種技術(shù)。現(xiàn)代發(fā)酵工程包括微生物資源的開發(fā)利用、微生物菌種的選育固定化細(xì)胞技術(shù)、生物反應(yīng)器設(shè)計、發(fā)酵條件的利用及自動化控制、發(fā)酵產(chǎn)品的分離與提純等技術(shù)。發(fā)酵工程技術(shù)涉及到新食品配料、食品加工催化劑、飲料穩(wěn)定劑、D-氨基酸及其衍生物制造等諸多食品工業(yè)領(lǐng)域。5.1. 改造傳統(tǒng)食品加工工藝從植物中萃取食品添加劑不僅成本高，而且來源有限。化學(xué)合成法生產(chǎn)食品添加劑雖然成本低，但是化學(xué)合成率低、周期長，而且可能危害人體健康。因此，生物技術(shù)，尤其是發(fā)酵工程技術(shù)成為食品添加劑生產(chǎn)的首選方法。目前，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑主要有Vc、VB12、VB2、甜味劑、增香劑和色素等。發(fā)酵工程生產(chǎn)的天然色素、天然新型香味劑正在逐步取代人工合成的色素和香精。5.2. 開發(fā)大型真菌一些藥用真菌，如靈芝、冬蟲夏草、茯苓等，含有調(diào)節(jié)機體免疫功能、抗癌、 防衰老的有效成分，是發(fā)展功能性食品的一個重要原料來源。對于這些名貴的藥用真菌，一方面可通過野外采摘和人工種植相結(jié)合的方式進(jìn)行資源收集，但是這種方式的產(chǎn)量低，易受天氣和季節(jié)的影響；另一方面，則可以通過發(fā)酵途徑實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。例如河北省科學(xué)院微生物研究所等篩選出了繁殖快、生物量高的優(yōu)良靈芝菌株，應(yīng)用于深層液體發(fā)酵研究并取得了成功，建立了一整套發(fā)酵和提取新工藝，為研制功能性食品提供更為廣闊的藥材原料。發(fā)酵培養(yǎng)蟲草菌也在中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所實現(xiàn)，分析其產(chǎn)品的化學(xué)成分和藥理功效，與天然冬蟲夏草基本一致。6. 生物技術(shù)在食品生產(chǎn)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用1. 在食品包裝貯藏中的應(yīng)用：用生物技術(shù)能開發(fā)出新型的保鮮和包裝材料，替代傳統(tǒng)的防腐劑和包裝材料。2. 生物技術(shù)在食品檢測中的應(yīng)用：現(xiàn)代生物技術(shù)使食品檢測實現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、成本低的愿望。在食品衛(wèi)生檢驗中應(yīng)用的幾種典型的生物技術(shù)主要包括基因探針技術(shù)、PCR技術(shù)、生物傳感器技術(shù)和免疫法。 3. 應(yīng)用生物技術(shù)解決食品工業(yè)生產(chǎn)中的環(huán)保問題：在控制水污染、治理大氣污染、有毒有害物質(zhì)的降解、可再生資源的開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境友好材料的合成、污染環(huán)境的修復(fù)以及清潔生產(chǎn)等與食品工業(yè)可持續(xù)發(fā)展密切相關(guān)的各個方面生物技術(shù)均發(fā)揮著極其重要的作用。4. 利用生物技術(shù)手段生產(chǎn)保健食品功能成分。如L-肉堿、活性多肽、抗體等。為保健食品工業(yè)發(fā)展提供充足的原材料。5. 按照需要的目的構(gòu)建工程菌。7. 展望生物技術(shù)是一門新興的高新技術(shù)。對解決人類面臨的食物、資源、健康、環(huán)境等重大問題發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著研究的不斷深入，生物技術(shù)正在深刻地改變著經(jīng)濟(jì)、生活以及應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展進(jìn)程。各國也將此作為重點發(fā)展的領(lǐng)域。相信不久的將來。生物技術(shù)必能克服種種技術(shù)困難和經(jīng)濟(jì)因素，為食品工業(yè)的上、中、下游，即食品資源改造、食品生產(chǎn)工藝改良及加工品的包裝、貯運、檢測等方面的發(fā)展開拓更為廣闊的前景。參考文獻(xiàn)：1王會,劉桂芹等.食品生物技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展J.湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2010，2:473-475.2梁永海，李鳳林，張麗麗.淺談生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及其影響J.食品工程，2006，3:17-18.3郝莉花.生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.食品工程，2008,6:15-17.4陳永勝，劉長江.現(xiàn)代生物技術(shù)在食品加工領(lǐng)域的應(yīng)用J.內(nèi)蒙古民族大學(xué)學(xué)報，2003,5:417-419.5王仲禮.生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用及安全性J.糧油食品科技了，2004,2:43-44.6宋賢良，朱利.國內(nèi)外食品生物技術(shù)研究進(jìn)展J.糧食與油脂，2002,3:32-34.7馮婷.生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.生物技術(shù)通報，2004,3:36-39.8姜媛媛，王景會等.生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.農(nóng)產(chǎn)品科技，2007,1:59-60,62.9趙艷平，李建喜等.現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.食品工程，2008,9:15-16,25.10胡耀輝.生物技術(shù)與食品工業(yè)的發(fā)展J.農(nóng)產(chǎn)品科技，2007,1:6-9.11華寶珍，馬成杰，羅玲泉.現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展J.江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2009,21:134-136.12史先振.現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展J.中國釀造，2005,12:1-4.13李煒瑋，陸啟玉.酶工程在食品領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展J.糧油食品科技，2008,16:34-36.14范偉平，吳月等.酶工程技術(shù)在食品添加劑生產(chǎn)中的應(yīng)用J.食品工業(yè)科技，1997,6:81-84.15王建華，趙學(xué)慧.曲霉種間原生質(zhì)體融合改良產(chǎn)淀粉酶能力的研究J.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2007,26:642-645.16張曉勇，陳秀霞，高向陽纖維素酶的蛋白質(zhì)工程J.纖維素科學(xué)與技術(shù)，2006,14:55-59.17楊寶進(jìn)，羅軍凝乳酶蛋白質(zhì)工程的研究J.中國乳品工業(yè)，2005,33:36-43.18黃勇，張德純錳超氧化物歧化酶基因的克隆和在保加利亞乳桿菌中的表達(dá)J.食品科學(xué)，2005,26:92-95.19孫建全，張倩，馬建軍等基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用J.山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008,2:106-108.20Niculescu M, Erichsen T, Sukharev V. Quinohemo Protein Alcohol Dehydrogenase based Reagentless Amperometric Biosensor for Ethanol Monitoring during Wine FermentationJ.Analytica Chimica Acta,2002,463:39-51.21BOLOTIN A, WINCKER P, MAUGER S, JAILLON O, et al. The complete genome sequence of the lactic acid bacterium Lactococcus lactisIL1403J.Genome Res,2001,11:731-753.22MCCULLUM CFood biotechnology in the new millennium: Promises, realities, and challengesJ.J AmDiet Assoc.2000,100:1311-1315.23MICHIEL KLEEREBEZEM. Molecular advances and novel directions in food biotechnology innovationJ.Current Opinion in Biotechnology.2006,17:179-182.24C. PETER T