食品生物化學(xué)

食品生物技術(shù)中南林業(yè)科技大學(xué)食品學(xué)院羅非君luofeijun@第一章緒論第一節(jié)食品生物技術(shù)涵義一、生物技術(shù)生物技術(shù)（biotechnology）：是以生命科學(xué)為基礎(chǔ)，利用生物（或生物組織、細(xì)胞及其他組成部分）的特性和功能，結(jié)合先進(jìn)的工程技術(shù)手段，設(shè)計(jì)、構(gòu)建具有預(yù)期性能的新物質(zhì)或新品系，加工生產(chǎn)產(chǎn)品或提供服務(wù)的綜合性技術(shù)。二、食品生物技術(shù)食品生物技術(shù)（foodbiotechnology）：是指在食品工業(yè)領(lǐng)域里所應(yīng)用的生物技術(shù)（BiotechnologyfortheFoodIndustry）,是食品科學(xué)技術(shù)與生物技術(shù)相互滲透而形成的一門(mén)交叉學(xué)科（FoodBiotechnology）。一、傳統(tǒng)生物技術(shù)

生物技術(shù)的發(fā)展與食品發(fā)展的歷史是密不可分的，對(duì)促進(jìn)人類(lèi)社會(huì)的文明發(fā)展有著非常重要的意義，其發(fā)展簡(jiǎn)史如下：BC6000年，古埃及人和古巴比侖人利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)酒精；我國(guó)也在石器時(shí)代后期，開(kāi)始利用谷物釀酒；BC4000年，古埃及人開(kāi)始用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)面包；BC221年，周代后期我國(guó)人民開(kāi)始制作豆腐、醬油和醋生物技術(shù)的形成和發(fā)展

1865年當(dāng)時(shí)屬奧地利的布?。˙runn）基督教修道院的修士格里高·孟德?tīng)枺℅regorJohannMendel），根據(jù)他8年植物雜交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，2月8日在當(dāng)?shù)氐目茖W(xué)協(xié)會(huì)上宣讀了一篇題為“植物雜交實(shí)驗(yàn)”的論文，1866年正式發(fā)表在該協(xié)會(huì)的會(huì)刊上。但這一偉大的發(fā)現(xiàn)被擱置了35年，孟德?tīng)柵R終前說(shuō)：“等著瞧吧，我的時(shí)代總有一天要來(lái)臨”

1900年，孟德?tīng)柖傻亩伟l(fā)現(xiàn)（1）荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)的教授狄夫瑞斯（deVries）他進(jìn)行了月草雜交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)F2的分離比為3:1。1900年3月26日其論文“雜種分離法則”發(fā)表在《德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志》。狄夫瑞斯曾從L.H拜萊的《植物育種》中查到孟德?tīng)柕墓ぷ?。他在德文版中提到了孟德?tīng)柕墓ぷ?，但在法文版中卻只字未提。（2）德國(guó)土賓根大學(xué)的教授科倫斯（Correns,C.E）他于1900年4月21日閱讀了狄夫瑞斯法文版的論文，發(fā)現(xiàn)其結(jié)論和自己的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相同，盡管文中未提到孟德?tīng)?，但科倫斯已從老師未格里處知道了孟德?tīng)柕墓ぷ鳎谑撬珜?xiě)了“雜種后代表現(xiàn)方式的孟德?tīng)柗▌t”一文，1900,4,24日發(fā)表在《德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志》(18)158-168。這對(duì)重新發(fā)現(xiàn)孟德?tīng)柗▌t起了重要的作用。（3）奧地利維也納農(nóng)業(yè)大學(xué)的講師切爾邁克(Tschermak)他也作了豌豆雜交試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了分離現(xiàn)象，撰寫(xiě)了“關(guān)于豌豆的人工雜交”的講師就職論文，清樣出來(lái)后他讀到了狄夫瑞和斯科倫斯的論文，于是急忙投寄論文摘要，于1900，6,24日也發(fā)表在《德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志》。三個(gè)人的工作都發(fā)表在《德國(guó)植物學(xué)會(huì)雜志》，都證實(shí)了孟德?tīng)柗▌t。

以上3位植物學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)證明了孟德?tīng)栠z傳規(guī)律，從此揭開(kāi)了遺傳學(xué)研究的新紀(jì)元。HugodeVries(1848-1935)CarlErichCorrens(1864-1933)ErichvonTschermak

(1871-1962)

1885年，巴斯德（LouisPasteur)首先證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生物純種培養(yǎng)技術(shù)；

20世紀(jì)20年代，工業(yè)生產(chǎn)中大規(guī)模采用純種培養(yǎng)技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇；同時(shí)代，AlexanderFleming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉菌可以產(chǎn)生青霉素，50年代青霉素大量生產(chǎn)，為人類(lèi)疾病治療做出了巨大貢獻(xiàn)，同時(shí)帶動(dòng)了發(fā)酵工業(yè)和酶制劑工業(yè)的發(fā)展；以上屬于傳統(tǒng)傳統(tǒng)意義上的食品生物技術(shù)，也是近代生物技術(shù)的建立和全盛時(shí)期。細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)我們已經(jīng)知道,單個(gè)的細(xì)菌是十分微小的,它們的奧秘是怎樣被發(fā)現(xiàn)的?細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)者是誰(shuí)?他為什么能發(fā)現(xiàn)細(xì)菌?細(xì)菌的發(fā)現(xiàn)者是誰(shuí)?17世紀(jì)的荷蘭人列文虎克并非職業(yè)科學(xué)家，但是他十分熱衷自己制造顯微鏡經(jīng)過(guò)幾年的努力，他制造了能放大300倍的顯微鏡，是世界先進(jìn)水平列文·虎克用自制的顯微鏡觀察河水、人的精液、人的牙垢等，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的世界他為什么能發(fā)現(xiàn)細(xì)菌?他是怎樣讓世人知道他的發(fā)現(xiàn)的?列文·虎克把自己的發(fā)現(xiàn)仔細(xì)記錄下來(lái)他把觀察結(jié)果寄給了當(dāng)時(shí)的權(quán)威科學(xué)機(jī)構(gòu)——英國(guó)皇家學(xué)會(huì)，從此名揚(yáng)天下，被譽(yù)為細(xì)菌學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者他的成功是偶然的嗎？他善于發(fā)現(xiàn)和提出問(wèn)題:微小的世界是怎樣的?制定實(shí)施實(shí)驗(yàn)計(jì)劃:自制顯微鏡,堅(jiān)持觀察各種微小物體60年,做詳細(xì)記錄善于表達(dá)和交流:把觀察結(jié)果寄給英國(guó)皇家學(xué)會(huì)他的做法就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)探究過(guò)程他還發(fā)現(xiàn)了毛細(xì)血管、人類(lèi)的精子、多種原生動(dòng)物，成功絕非偶然遺憾：微生物從哪來(lái)？自然發(fā)生說(shuō)微生物學(xué)之父：法國(guó)人路易斯·巴斯德巴斯德以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)精神向世人揭示了細(xì)菌的許多秘密。例如，細(xì)菌不會(huì)在自然界憑空出現(xiàn)著名的巴斯德鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)讓認(rèn)為細(xì)菌是自然產(chǎn)生的人徹底閉嘴鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)的啟示：1細(xì)菌可以用高溫殺滅；2經(jīng)殺菌的食物不接觸細(xì)菌就不會(huì)腐敗鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)原理的應(yīng)用1、外科手術(shù)用具的消毒，挽救了許多病人的生命鵝頸瓶實(shí)驗(yàn)原理的應(yīng)用2、巴氏消毒法，這種滅菌法由巴斯德發(fā)明,因此得名。牛奶、啤酒和葡萄酒、罐頭等，加熱到70～80℃維持5～30分鐘，就能消滅絕大部分細(xì)菌，但不會(huì)影響味道和營(yíng)養(yǎng)。二、現(xiàn)代食品生物技術(shù)的發(fā)展

R.Franklin&Wilkins在1952年底拍得了DNA的X-射線衍射照片

1953年，沃森（J.D.Watson）和克里克（H.F.C.Crick）提出DNA分子是雙螺旋結(jié)構(gòu)（doublehelix），奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。

1962年，Wilkins、Watson和Crick獲的諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)

1965年，法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod提出了著名的乳糖操縱子學(xué)說(shuō)，開(kāi)創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控研究的先河；

1968年，美國(guó)科學(xué)家Nirenberg破譯了DNA的密碼，Holly闡明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，Khorana首次合成核酸分子，并且人工復(fù)制了酵母基因；從而三人分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。FigureThelacoperonincludesthreegenes

MarshallW.Nirenberg

RobertW.Holley

HarGobindKhorana

CornellUniversity

Ithaca,NY,USAUniversityofWisconsin

Madison,WI,USANationalInstitutesofHealth

Bethesda,MD,USA1/3oftheprize

1/3oftheprize

1/3oftheprize

20世紀(jì)60年代末，斯坦福大學(xué)的生物化學(xué)教授PaulBerg開(kāi)始研究猴病毒SV40，于1972年獲得了世界第一例重組DNA，1980獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；——生物技術(shù)時(shí)代的新紀(jì)元PaulBerg

WalterGilbert

FrederickSanger

1/2oftheprize1/4oftheprize1/4oftheprize

1972年，美國(guó)加州大學(xué)的Boyer教授從大腸桿菌中分離出一種新的核酸酶EcoRⅠ，它可以特異性地切割DNA，這種新的核酸酶就是限制性?xún)?nèi)切酶——生物學(xué)家有了強(qiáng)大的生物刀。

隨后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了近百種內(nèi)切酶，可以更加自如地對(duì)DNA進(jìn)行操作。Boyer教授成為美國(guó)第一家上市生物公司Genentech的副總裁。HerbertBoyer

1977年，美國(guó)科學(xué)家Sanger設(shè)計(jì)出了一種DNA測(cè)序的方法，即雙脫氧法；同年，Maxam和Gilberg也發(fā)明了一種化學(xué)測(cè)序方法——兩種方法為DNA序列分析提供了有力工具，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的研究。FrederickSanger

WalterGilbert

1980年獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)

1984年，德國(guó)人Kohler、美國(guó)人Milstein和丹麥人Jerne由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)而分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。NielsK.Jerne

CésarMilstein

GeorgesJ.F.K?hler

1/3oftheprize1/3oftheprize1/3oftheprize

1986年，美國(guó)科學(xué)家Mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PolymeraseChainReaction,PCR），為分子檢測(cè)、基因突變、基因工程提供了有力的工具，因此，1993年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。forhisinventionofthepolymerasechainreaction(PCR)method

KaryB.Mullis

1/2oftheprize

當(dāng)然，以上內(nèi)容只是促進(jìn)現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)重要研究成果和里程碑！其實(shí)，還有許多重要的研究成果：如，1928年格里菲斯（FrederickGriffith）的細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)；Avery的離體轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)等證明DNA是遺傳物質(zhì)Meselson和Stahl關(guān)于DNA的半保留復(fù)制等為現(xiàn)代基因工程技術(shù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。與此同時(shí)，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、現(xiàn)代發(fā)酵工程、現(xiàn)代酶工程、生物工程下游技術(shù)和現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)等也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。第二節(jié)食品生物技術(shù)主要研究?jī)?nèi)容一、生物技術(shù)的基本內(nèi)容

及各內(nèi)容間的關(guān)系生物技術(shù)的基本內(nèi)容1基因工程（geneengineering）2發(fā)酵工程(fermentationengineering)3酶工程（enzymeengineering）4細(xì)胞工程（cellengineering）5蛋白質(zhì)工程（proteinengineering）各內(nèi)容間的內(nèi)在關(guān)系四者彼此密切聯(lián)系、難以分割

;酶工程是從發(fā)酵工程分離出來(lái)的一部分．被稱(chēng)為“分子水平上的發(fā)酵工程”；細(xì)胞工程中的動(dòng)植物細(xì)胞大規(guī)模培養(yǎng)技術(shù)也有人認(rèn)為應(yīng)列入發(fā)酵工程；蛋白質(zhì)工程又稱(chēng)第二代基因工程；基礎(chǔ)和歸宿是發(fā)酵工程和酶工程。

（一）基因工程（Geneengineering）是20世紀(jì)70年代以后興起的一門(mén)新技術(shù)，也稱(chēng)DNA重組技術(shù)主要原理：以分子遺傳學(xué)為基礎(chǔ)，利用人工方法把生物的遺傳物質(zhì)分離出來(lái)，在體外進(jìn)行切割、拼接和重組。然后將重組的DNA導(dǎo)入某種宿主細(xì)胞中，從而改變它們的遺傳性質(zhì)。這種創(chuàng)造新生物并賦予新生物以特殊功能的過(guò)程稱(chēng)為基因工程

（二）細(xì)胞工程（Cellengineering）基本原理體外大量培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)(也稱(chēng)細(xì)胞雜交技術(shù))、細(xì)胞拆分、染色體工程和繁殖生物學(xué)技術(shù)等（二）細(xì)胞工程（Cellengineering）基本原理體外大量培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)(也稱(chēng)細(xì)胞雜交技術(shù))、細(xì)胞拆分、染色體工程和繁殖生物學(xué)技術(shù)等（三）發(fā)酵工程（Fermentationengineering）

主要原理

包括微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)，發(fā)酵條件的優(yōu)化和控制，生化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，以及產(chǎn)品的分離、提取和精制等技術(shù)

（四）酶工程（Enzymeengineering）主要原理酶固定化技術(shù)、細(xì)胞固定化技術(shù)、酶化學(xué)修飾技術(shù)和酶反應(yīng)器設(shè)計(jì)等技術(shù)（五）蛋白質(zhì)工程（Proteinengineering）主要原理二、食品生物技術(shù)的研究?jī)?nèi)容1研究開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)食品新組分、新產(chǎn)品，特別是微生物細(xì)胞和真核細(xì)胞培養(yǎng)代謝物，以及用于功能性食品的天然活性物質(zhì)和功能性因子；2應(yīng)用生物技術(shù)，特別是酶和酶系，研究和解決食品及農(nóng)產(chǎn)品的加工過(guò)程和保藏中的問(wèn)題；3提高傳統(tǒng)食品的品質(zhì)和工業(yè)化水平；4應(yīng)用酶法分析、免疫酶聯(lián)分析和DNA探針等生物技術(shù)研究食品、糧油、油脂與植物蛋白以及飼料的快速分析和質(zhì)量控制。（請(qǐng)對(duì)照教材P2-4學(xué)習(xí)。）三、食品生物技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)1傳統(tǒng)釀造食品的技術(shù)改造2微生物酶制劑的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用3酵母系列產(chǎn)品及單細(xì)胞蛋白（SCP）的開(kāi)發(fā)4酶法淀粉糖的發(fā)展5利用生物技術(shù)開(kāi)發(fā)出的新食品材料不斷涌現(xiàn)6利用生物技術(shù)獲得功能性食品基料大有可為第三節(jié)生物技術(shù)的應(yīng)用一、農(nóng)業(yè)二、醫(yī)藥三、環(huán)保四、化工一、農(nóng)業(yè)：

1.轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物目前，世界種植的主要轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物有4種：玉米、棉花、大豆和油菜籽；其它轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物包括煙草、番木瓜、土豆、西紅柿、亞麻、向日葵、香蕉和瓜菜類(lèi)。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)或正在進(jìn)行的田間試驗(yàn)達(dá)數(shù)千次。發(fā)展中國(guó)家目前正在對(duì)約200種轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物進(jìn)行田間試驗(yàn)，其中在拉丁美洲田間試驗(yàn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物達(dá)152種，非洲為33種，亞洲為19種。從性能上區(qū)別，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物可分為4個(gè)種類(lèi)：一是Bt農(nóng)作物，可抵御害蟲(chóng)的侵害，減少殺蟲(chóng)劑使用量；二是抗除草劑農(nóng)作物；三是抗病毒農(nóng)作物；四是營(yíng)養(yǎng)增強(qiáng)型農(nóng)作物。轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物正面臨市場(chǎng)危機(jī)科學(xué)上引起的激烈爭(zhēng)論：（1）基因轉(zhuǎn)移對(duì)生態(tài)環(huán)境的潛在影響；（2）抗病毒和抗害蟲(chóng)農(nóng)作物的負(fù)面影響；（3）植入基因?qū)θ祟?lèi)和動(dòng)物健康的負(fù)面影響。經(jīng)濟(jì)和社會(huì)原因：（1）國(guó)家之間的經(jīng)濟(jì)利益沖突；（2）各國(guó)之間的技術(shù)竟?fàn)?；?）消費(fèi)者的經(jīng)濟(jì)利益；（4）消費(fèi)者的文化背景和宗教信仰差異。

轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物發(fā)展前景第一、與世界情況相反，美國(guó)轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物種植面積仍處在不斷增長(zhǎng)之中，比5年前增加24倍。第二、世界轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物業(yè)已說(shuō)服幾乎所有的國(guó)家政府和世界組織支持這一正在激烈爭(zhēng)議之中生物技術(shù)。

第三、隨著生物技術(shù)不斷完善，數(shù)年后肯定會(huì)出現(xiàn)可以同時(shí)給農(nóng)場(chǎng)主和消費(fèi)者都帶來(lái)巨大好處