第七講生物技術(shù)與食品

第七章生物技術(shù)與食品生物技術(shù)與食品生產(chǎn)生物技術(shù)與食品檢測一、生物技術(shù)與食品生產(chǎn)單細胞蛋白食品和飲料的發(fā)酵生產(chǎn)酶與食品加工新型甜味劑遺傳工程食品

1.單細胞蛋白的概念生物蛋白，是指從純培養(yǎng)的微生物細胞中提取的總蛋白。單細胞蛋白的生產(chǎn)，是通過發(fā)酵獲取可食性酵母、細菌、霉菌，以及蘑菇、單細胞藻類等微生物，進一步由此制取大量的蛋白質(zhì)。SCP可以作為人或動物蛋白補充。2.單細胞蛋白的主要用途①作為人類食品：SCP可作為食品添加劑，以改善食物口味，并可代替動物蛋白；②作為飼料：SCP富含蛋白質(zhì)，風味溫和，容易貯存，可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的蛋白質(zhì)添加劑，如魚粉、豆粕等；③作為工業(yè)原料：微生物培養(yǎng)基成分、合成纖維的親水劑、各種填料、增稠劑、乳化劑及穩(wěn)定劑等。3.用微生物生產(chǎn)單細胞蛋白的優(yōu)點⑴在最佳條件下，繁殖快。一些微生物的生產(chǎn)量每隔

0.5～1h就能增加一倍。⑵微生物容易進行遺傳操作。它們更適宜于大規(guī)模篩選高生長率的個體，更容易實施轉(zhuǎn)基因技術(shù)。⑶微生物有相當高的蛋白質(zhì)含量，如按其干重計，藻類60～70%，細菌70%，酵母40～60%，且蛋白質(zhì)的營養(yǎng)價值高，必需氨基酸含量高于大豆⑷微生物能在相對較小的連續(xù)發(fā)酵反應器中大量培養(yǎng)，占地小，不依賴氣候。⑸微生物的培養(yǎng)基來源廣泛，低廉，特別是可利用廢料，如有些微生物能利用植物的“殘渣”——纖維素作原料4.單細胞蛋白的生產(chǎn)

⑴.利用能源物質(zhì)生產(chǎn)細菌和酵母可利用甲醇、乙醇和多鏈烷烴生產(chǎn)單細胞蛋白。⑵.將有機廢料轉(zhuǎn)化為SCP廢料中的許多物質(zhì)可回收再利用，如稻秸、蔗渣、檸檬酸廢料、果核、糖漿、動物糞便和污物等。⑶.從藻類中生產(chǎn)SCP利用藻類生產(chǎn)SCP簡單易行，它們只需要CO2作為碳源、以陽光為能源進行光合作用，就可以在開放的池塘中很好地生長。

食品和飲料的發(fā)酵食品和飲料的發(fā)酵是通過微生物或酶對農(nóng)產(chǎn)品原料的作用,發(fā)生相關(guān)的化學反應,使最終產(chǎn)品的口味、色澤等發(fā)生感官上的改善，產(chǎn)物通常更有營養(yǎng)，更易消化，口味更好，并且無病原微生物，無毒害。酒精發(fā)酵的原材料：糖類物質(zhì)（水果汁、樹汁、蜂蜜等）和淀粉類物質(zhì)（谷類或塊根類等）。最常用的發(fā)酵微生物：啤酒酵母或它的相關(guān)品系，這種微生物可以吸收并利用單糖，將它們轉(zhuǎn)化成乙醇，可以使乙醇達到較高濃度。生物技術(shù)釀酒的主要代表是葡萄酒和啤酒的生產(chǎn)1.酒精飲料2.奶制品奶制品的發(fā)酵：采用乳酸桿菌的作用，乳酸桿菌的作用使牛奶能保藏和運輸，還可改善奶制品的口味和質(zhì)地，有利于維持腸道內(nèi)菌群平衡，促進人體健康。1、奶酪：

其生產(chǎn)是奶制品業(yè)中最主要的產(chǎn)品。通過乳酸菌將乳糖轉(zhuǎn)化為乳酸，蛋白質(zhì)水解和酸化聯(lián)合作用，使酪蛋白凝結(jié)。

蛋白質(zhì)水解是由于凝乳酶的作用，凝乳酶使蛋白質(zhì)形成一種凝膠，凝膠分離出來后，經(jīng)切塊、脫水、成形、熟化成奶酪。

運用重組DNA技術(shù)獲得經(jīng)遺傳修飾的基因工程菌生產(chǎn)牛凝乳酶，可以提高奶酪的生產(chǎn)。

2、酸奶酪：即牛奶的整體發(fā)酵，由保加利亞乳桿菌和嗜熱鏈球菌發(fā)酵而成。

3、酸奶：由雙歧桿菌發(fā)酵而成3.發(fā)酵工程與功能性食品

功能食品(functionalfood)又稱保健功能食品(functionalhealthfood)，是指具有調(diào)節(jié)人體生理功能，適宜特定人群食用，不以治療疾病為目的的一類食品。這類食品既具有普通食品的營養(yǎng)功能和感官功能，還具備調(diào)節(jié)人體生理活動的功能。應用發(fā)酵工程制造的功能性食品主要有碳水化合物類、肽類、多不飽和脂肪酸類、生物防腐劑類等。（1）真菌多糖具有活化巨噬細胞、刺激抗體產(chǎn)生等而達到提高人體免疫能力的生理功能。大部分真菌多糖還有很強的抑腫瘤活性、抗衰老作用、抗輻射、降血糖、護肝、抗凝血等作用。真菌多糖主要有香菇多糖(lentinan)、銀耳多糖(tremellan)、金針菇多糖(flammulinan)、

茯苓多糖(pachyman)、靈芝多糖、猴頭菇多糖(hericiuman)、冬蟲夏草多糖(cordycepsan)真菌多糖的生產(chǎn)通常采用直接從真菌中提取，或采用液態(tài)深層發(fā)酵(liquidsubmerged

fermentation)取得菌絲體后再提取的方法而制備得到。（2）生物活性肽

A

谷胱甘肽(glutathione，GSH)，是一種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、生物膜免受損害，具有抗衰老功能，還能增加機體排毒功能，保護肝臟。目前主要以發(fā)酵法和酶法從啤酒酵母中提取谷胱甘肽。酶法是利用酵母細胞中含有的天然谷胱甘肽合成酶，通過添加底物來合成谷胱甘肽。

B酪蛋白磷酸肽(caseinphosphopeptide，CPP)，促進鈣和鐵吸收，是一個含有25～37個氨基酸殘基的多肽。CPP能促進鈣鐵吸收，是鈣元素吸收的促進劑，有助于兒童生長發(fā)育，改善骨質(zhì)疏松、預防兒童佝僂病、改善貧血等。

CPP的制備通常采用酪蛋白為原料，通過控制酶解、Ca-乙醇沉淀、離子交換和凝膠過濾制備而得。

C

乳酸鏈球菌肽(nisin)

乳酸鏈球菌的某些菌株產(chǎn)生，34個氨基酸構(gòu)成的多肽。它能有效抑制許多引起食品腐敗的革蘭氏陽性菌及病原菌的繁殖，可作為食品防腐劑，廣泛用于乳制品、植物蛋白食品、肉制品等生產(chǎn)中。乳酸鏈球菌肽與EDTA聯(lián)合使用，能抑制沙門氏菌和其它革蘭氏陰性菌，同時還能作為藥物來治療胃潰瘍，因幽門螺桿菌對乳酸鏈球菌肽敏感。

（3）功能性不飽和脂肪酸

功能性不飽和脂肪酸主要有亞油酸、亞麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸（EPA）和二十二碳六烯酸（DHA）等。含多烯不飽和脂肪酸的保健食品：乳制品、冰淇淋、肉制品、乳化飲料、營養(yǎng)膠丸等。亞油酸(linoleicacid)是分布最廣的一種多烯不飽和脂肪酸，常見植物油中均含有。1、γ-亞麻酸(linolenicacid，GLA)是α-亞麻酸的同分異構(gòu)體，在月見草油(eveningprimroseoil)、玻璃苣油(borageoil)、黑醋栗油(blackcurrantoil)和母乳中含量較多，螺旋藻(Spirulina)、根霉(Rhizopus)和被孢霉(Mortierella)等真菌也能產(chǎn)生含γ-亞麻酸的油脂。GLA在人體內(nèi)擴張血管、抑制血液凝固、調(diào)節(jié)體內(nèi)膽固醇代謝及增強免疫功能等方面具重要作用。

GLA發(fā)酵法生產(chǎn)主要是通過理化誘變方法，得到高產(chǎn)變異微生物菌株，然后在發(fā)酵罐中進行菌體的大規(guī)模培養(yǎng)，破碎菌體后萃取GLA。

GLA在食品工業(yè)中作為保健食品的有效成分或作為添加劑添加到飲料、果汁、果子凍、餅干、巧克力、營養(yǎng)奶粉等食品中。2、二十碳五烯酸(EPA)：EPA對防止和治療血栓、關(guān)節(jié)硬化及其它血液循環(huán)系統(tǒng)疾病具有明顯效果。利用發(fā)酵工程，培養(yǎng)海洋細菌、藻類、真菌等均可生產(chǎn)EPA。3、二十二碳六烯酸(DHA)：DHA是神經(jīng)組織的基本組分，是一種人體必需脂肪酸。目前利用海洋真菌和藻類培養(yǎng)發(fā)酵生產(chǎn)DHA已達工業(yè)化規(guī)模，且產(chǎn)品的穩(wěn)定性、純度、安全性和生物利用率都優(yōu)于魚油，目前已用于嬰兒奶粉和作為輔助食品。

食品添加劑：為改善食品的色、香、味，以及為防腐和加工工藝的需要而加入食品中的化學合成物質(zhì)或天然物質(zhì)。利用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的食品添加劑包括酸味劑、品質(zhì)改良劑、抗結(jié)劑、抗氧化劑、防腐劑、增稠劑、凝固劑、發(fā)色劑和著色劑等。4.利用發(fā)酵工程生產(chǎn)食品添加劑

如：利用曲霉和酵母發(fā)酵生產(chǎn)的檸檬酸是食品工業(yè)中最常用的酸味劑，除了具有改善食品風味的作用外，還有抗氧化、增溶、防腐、除腥、脫臭等用途。

又如:利用黃單胞菌屬的某些菌株進行培養(yǎng)發(fā)酵，可以生產(chǎn)黃原膠，作為增稠劑、乳化劑、穩(wěn)定劑、懸浮劑等，是一種多功能的食品添加劑。1.酶在食品原料加工中的應用（1）淀粉糖加工以淀粉為原料，通過多種酶有序地協(xié)同作用，可以加工得到不同種類的淀粉糖。

水解淀粉，可以生成飴糖、麥芽糊精、葡萄糖、麥芽糖與麥芽糖醇、果糖、低聚糖等食品原料，用于糖果、冰淇淋、飲料等各類食品的加工。淀粉糊化淀粉葡萄糖漿高果糖漿麥芽糖漿①②③④①細菌-淀粉酶、②淀粉葡萄糖苷酶、③葡萄糖異構(gòu)酶、④-淀粉酶、⑤脫支酶⑤乳品加工

乳品加工過程中需要利用多種酶，如乳糖酶、蛋白酶、脂肪酶、過氧化氫酶等，在乳糖水解、干酪凝結(jié)、風味形成及牛奶保藏等方面發(fā)揮重要作用。乳糖酶：其作用是將乳糖分解形成葡萄糖和半乳糖，廣泛存在于大腸桿菌、乳酸桿菌、酵母菌和霉菌等微生物中。凝乳酶：微小毛霉、米曲毛霉、淺白隱球酵母均能產(chǎn)生凝乳酶。溶菌酶：具有特殊的防腐作用和抗菌活性，還具有一定的凝乳作用，可使牛奶以適宜速率形成奶酪。果蔬加工

在果蔬加工中常用的酶制劑有果膠酶、纖維素酶、柚苷酶、橙皮苷酶、蛋白酶等。

果膠酶：存在于真菌、植物和某些細菌中，其作用為水解聚半乳糖醛酸殘基的α-1,4-糖苷鍵形成小分子果膠，在果蔬加工中用于果汁和果酒的澄清。纖維素酶：存在于霉菌類真菌中，主要用于果汁澄清和板栗去皮。

柚苷酶：真菌柚苷酶能夠?qū)㈣周战到馄鸬矫摮周盏目辔兜淖饔茫糜诟涕俟揞^加工。2.酶制劑用于改善食品質(zhì)量

在食品加工過程中添加一些酶類，可以使產(chǎn)品的顏色、風味、質(zhì)地、穩(wěn)定性優(yōu)化，改善食品的品質(zhì)。

如:在魚、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，提高其營養(yǎng)價值，促進其消化吸收

油脂加工中，應用來源于真菌、酵母及細菌中的脂肪酶可對天然油脂的結(jié)構(gòu)進行改造，提高其營養(yǎng)價值，改善其功能特性，促進高附加值產(chǎn)品的開發(fā)和應用面包生產(chǎn)中，可將淀粉酶和蛋白酶結(jié)合使用，防止老化和改善風味。啤酒釀制過程中，應用木瓜蛋白酶也可改善啤酒品質(zhì)。

葡萄糖氧化酶能夠?qū)⑵咸烟茄趸纬善咸烟撬?，同時消耗氧氣。將該酶添加入果蔬中，密封保藏，可以延長果蔬的保藏期

在啤酒中添加葡萄糖氧化酶對防止啤酒老化、保持啤酒原有風味及延長保質(zhì)期均有顯著效果

在果汁加工過程中，添加葡萄糖氧化酶可有效增強維生素C的抗氧化作用，減少維生素C在加熱過程中的損失。3.酶在食品保鮮和貯藏中的應用5.酶與功能性食品配料（1）功能性低聚糖(functionalligoesaccharides)

：低聚糖是指由2～10個單糖通過糖苷鍵連接形成的直鏈或支鏈的低度聚合糖，功能性低聚糖包括低聚果糖、低聚半乳糖、木低聚糖、異麥芽低聚糖、麥芽低聚糖、大豆低聚糖、低聚異麥芽酮糖和低聚龍膽糖等。其特性是，很難或不被人體消化，產(chǎn)熱低；活化腸道內(nèi)雙歧桿菌(Bifidobacterium)并促進其生長繁殖，能抑制腸道內(nèi)有害菌及腐敗物質(zhì)的形成；不被口腔內(nèi)微生物利用，不會引起具齲齒；屬于水溶性膳食纖維，具有食用纖維的部分功能；增加維生素的含量，提高機體免疫力。功能性低聚糖作為功能食品基料，已廣泛用于各類保健食品和補品中。目前主要利用酶法工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)功能性低聚糖。（2）果葡糖漿

果葡糖漿是以淀粉為原料，通過-淀粉酶和葡萄糖苷酶水解形成葡萄糖，再利用葡萄糖異構(gòu)酶的異構(gòu)化反應，制成的一種含有果糖與葡萄糖的混合糖漿。它溶解度高，發(fā)酵性能好，化學穩(wěn)定性高，并且易被人體所吸收，具有較高的營養(yǎng)保健價值，廣泛用于飲料、營養(yǎng)食品和療效食品的加工。果葡糖漿主要以酶法生產(chǎn)，目前已采用固定化葡萄糖異構(gòu)酶實現(xiàn)果葡糖漿的連續(xù)化高效生產(chǎn)。（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，適合于糖尿病、高血壓、肥胖癥、心血管疾病患者食用。目前主要應用發(fā)酵法和酶解法生產(chǎn)其原料——L-苯丙氨酸和天冬氨酸。地霉屬、叢梗孢屬、共頭霉屬、內(nèi)孢霉屬、曲霉屬等菌株能產(chǎn)生高活性的苯丙氨酸氨解酶（PAL），可以催化肉桂酸與氨基供體生成L-苯丙氨酸；芽孢桿菌屬、腸桿菌屬、埃希氏菌屬、變形菌屬、假單胞菌屬等可產(chǎn)生高活性的天冬氨酸酶，可以催化延胡索酸轉(zhuǎn)化為天冬氨酸。（4）.三氯蔗糖（sucralose)：其甜度是蔗糖的400～800倍,產(chǎn)熱量極低,不參與人體代謝,安全性較高，很有發(fā)展前景，目前主要用酶-化學法生產(chǎn)。（5）水解蛋白和肽

由酪蛋白、魚肉蛋白、植物蛋白等酶解制得的水解蛋白和肽是具有一定氨基酸單元的功能活性肽，已經(jīng)成為運動飲料、功能食品和醫(yī)療食品的重要原料。例如，腐乳中含有相對分子質(zhì)量小于1000的具有降血壓功能的活性肽。采用適當?shù)拿附鈼l件可以水解絲素(fibroin)獲得具有控制血糖、降低膽固醇和保濕、護膚作用的絲素肽。水解大豆蛋白得到的多肽，具有降低膽固醇和降血壓等功能。酶解乳蛋白可以獲得具有生物活性的酪蛋白生物活性肽，如降血壓肽、抗菌肽、免疫調(diào)節(jié)活性肽、酪蛋白磷酸肽、類嗎啡肽等。目前應用于實際生產(chǎn)的酶有胃蛋白酶、胰蛋白酶、堿性蛋白酶、酸性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶等。遺傳工程食品

遺傳工程食品是指利用基因工程、細胞工程技術(shù)對動、植物遺傳性狀進行改良后所生產(chǎn)的農(nóng)產(chǎn)品、畜產(chǎn)品及其加工制成品。植物基因工程食品已有近100種轉(zhuǎn)基因工程體進入商品化生產(chǎn)，種植面積約1億萬公頃。在轉(zhuǎn)基因作物種植面積位居世界之首(占72％)的美國，消費的50％的大豆和30％以上的玉米來自轉(zhuǎn)基因作物，有400多種食品含有轉(zhuǎn)基因成分。轉(zhuǎn)基因作物在世界各國都有種植和消費。(1)抗除草劑基因工程

在商品化種植的轉(zhuǎn)基因作物中，抗除草劑性狀占71％，在各轉(zhuǎn)基因性狀中高居榜首，作物種類包括大豆、玉米、水稻、油菜、棉花(棉籽做食用油)、番茄、馬鈴薯等。我國也于1999年申請登記抗除草劑水稻的商業(yè)化種植?？钩輨┗蚬こ痰牟呗?將能降解除草劑的酶基因轉(zhuǎn)入植物,以消除除草劑對作物的危害;修飾除草劑作用的靶蛋白,使轉(zhuǎn)基因植物對除草劑不敏感,或者促使這種靶蛋白過量表達,使轉(zhuǎn)基因植物在吸收除草劑后仍能正常生長。現(xiàn)已獲得抗草丁膦、草甘膦、磺酰脲等除草劑的轉(zhuǎn)基因植物。(2)抗病蟲害基因工程抗病蟲害基因有10余種，根據(jù)作用對象分為三類

抗蟲基因（Bt、CpTI、雪花蓮外源凝集素）

抗病毒基因（CP、RP、衛(wèi)星RNA）

抗真菌（幾丁質(zhì)酶、核糖體滅活蛋白RIP）和細菌基因（抗菌肽）已商業(yè)化種植的與食品相關(guān)的是抗蟲和抗病毒轉(zhuǎn)基因作物，其中抗蟲轉(zhuǎn)基因作物種植面積占轉(zhuǎn)基因作物總面積的22％，僅次于抗除草劑作物。許多抗蟲害的蘋果、抗病毒的哈密瓜、黃瓜等已投放市場。(3)延熟保鮮基因工程番茄、草莓、香蕉、葡萄、柑橘等在貯存運輸時，由于果實熟化過程難以控制，常導致過熟、腐爛，造成很大經(jīng)濟損失利用反義基因策略（多聚半乳糖醛酸酶PG反義基因、ACC合成酶反義基因、乙烯形成酶

EFE反義基因）控制果實成熟、延長果實采后保鮮是植物基因工程中較為成功的。經(jīng)FDA批準，美國Calgene公司的延熟轉(zhuǎn)基因番茄于1994年上市，成為首例通過安全性評價的轉(zhuǎn)基因植物食品。我國的耐貯存番茄已于1997年獲準上市。(4)改良植物食品營養(yǎng)品質(zhì)①改良谷物種子貯藏蛋白：修飾植物自身基因或?qū)敫缓匦璋被岬牡鞍踪|(zhì)基因。②改良植物淀粉品質(zhì)：通過導入某個酶基因（GBSS、

SSS和SBE）的有義結(jié)構(gòu)和反義結(jié)構(gòu)，影響其活性。③改良脂肪酸組成：抑制或增強酯酰ACP脫飽和酶的活性，即可增加或降低飽和脂肪酸的含量。④增加果實甜度：轉(zhuǎn)酸性轉(zhuǎn)化酶的反義cDNA或甜蛋白基因（應樂果甜蛋白基因）。⑤提高果實可溶性固形物含量：轉(zhuǎn)異戊烯轉(zhuǎn)移酶基因(ipt)。⑥提高器官組織微量元素含量：轉(zhuǎn)金屬硫蛋白基因。提高動物生長速度、增加動物營養(yǎng)價值轉(zhuǎn)牛生長激素（rBST）基因：轉(zhuǎn)基因的奶?？商岣弋a(chǎn)乳量。轉(zhuǎn)豬生長激素（rPST）基因：轉(zhuǎn)基因豬的飼料轉(zhuǎn)化率、增重率提高，脂肪減少。轉(zhuǎn)魚生長激素（CAgcGH）基因：轉(zhuǎn)基因鯉魚生長速度提高，餌料轉(zhuǎn)化率高，蛋白質(zhì)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較高?？墒承砸呙缁蛩幬锏鞍椎纳a(chǎn)

利用轉(zhuǎn)基因動、植物作為生物反應器，生產(chǎn)人類所需的疫苗或藥物蛋白具有投資少、成本低，對環(huán)境無污染和便于大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)點。例