食品生物技術(shù)導論 緒論

食品生物技術(shù)徐金瑞xujr343@126.com食品科學學院引言

二十一世紀是信息時代，是知識經(jīng)濟時代。知識經(jīng)濟時代有以六大技術(shù)為標志的高新科學技術(shù)群：電子信息、生物技術(shù)、新材料、新能源、海洋技術(shù)、航空航天技術(shù)。當今世界，各國綜合國力競爭，實際上是現(xiàn)代科學高新技術(shù)的競爭。其中，生物技術(shù)對解決當今社會的許多重大問題，如食物短缺、能源、環(huán)境污染、人類健康等問題發(fā)揮了極重要的作用，尤其是隨著人類基因組計劃的實施，生物技術(shù)的應用已得到了空前發(fā)展。因此讓高等院校學生了解現(xiàn)代生物技術(shù)的基礎知識和國內(nèi)外生物技術(shù)各領(lǐng)域發(fā)展的來龍去脈、研究現(xiàn)狀、發(fā)展方向和相應對策，對拓展知識面、提高現(xiàn)代科技素質(zhì)具有重要意義。生物技術(shù)是“利用生物有機體或其組成部分發(fā)展新產(chǎn)品或新工藝的一種體系”，或“操縱生物的細胞、組織或酶，進行生物合成、生物轉(zhuǎn)化或生物降解，大規(guī)模地生產(chǎn)預期產(chǎn)品或達到特殊目的的一門技術(shù)”。與生物技術(shù)有關(guān)的學科：生物學、分子生物學、細胞生物學、生物化學、微生物學、遺傳育種學、數(shù)理化、化學工業(yè)……

一、概述第一章緒論1、生物技術(shù)的概念生物技術(shù)有時也稱為生物工程，是以現(xiàn)代生命科學為基礎，運用先進的科學原理和工程技術(shù)手段按預先的設計來加工或改造生物材料從而產(chǎn)生出人類需要的產(chǎn)品或達到某種目的?；瘜W工程、機械工程、控制工程、環(huán)境工程與人類健康、農(nóng)業(yè)、資源、能源、環(huán)境有關(guān)基因、細胞、有用物、個體或個體一部分植物學、動物學、遺傳學、分子生物學、微生物學等糧食、醫(yī)藥、食品、能源、金屬等生命科學工程科學生物技術(shù)（生物工程）研究領(lǐng)域基因工程細胞工程酶工程發(fā)酵工程分離工程蛋白質(zhì)工程服務領(lǐng)域人類健康農(nóng)業(yè)資源能源環(huán)境食品化學設備Biotechnology化學工業(yè)

生物生理學分子與細胞生物學遺傳學

生物化學

微生物學

能源與環(huán)

境管理農(nóng)業(yè)

食品

疾病診斷

商業(yè)應用

健康與制藥

食品

生物技術(shù)是涵蓋范圍最廣泛的學科之一發(fā)酵技術(shù)

世界上第一只轉(zhuǎn)基因動物熒光樹轉(zhuǎn)基因抗蟲棉和普通棉熒光魚A—帶有人生長激素基因的白鼠

B—正常白鼠環(huán)境監(jiān)測：

基因工程做成的DNA探針能夠十分靈敏地檢測環(huán)境中的病毒、細菌等污染物。1噸水中只有10個病毒也能被DNA探針檢測出來美歐日生物產(chǎn)業(yè)構(gòu)成比例全球生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)2、食品生物技術(shù)的概念食品生物技術(shù)是生物技術(shù)的重要分支。主要指生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應用，其以基因工程技術(shù)為核心手段，包括細胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和蛋白質(zhì)工程等技術(shù)，貫穿于食品制造的全過程（上游過程和下游過程）?；蛘撸蒙矬w及其細胞、亞細胞和分子組成部分，結(jié)合工程學、信息學等手段研究及加工處理或制造食品產(chǎn)品的新技術(shù)。二、食品生物技術(shù)研究內(nèi)容（領(lǐng)域）

基因工程細胞工程酶工程發(fā)酵工程蛋白質(zhì)工程食品生物工程下游技術(shù)食品生物技術(shù)與食品安全的關(guān)系（一）基因工程（DNA重組技術(shù)）

（GeneEngineering）

應用人工方法把生物的遺傳物質(zhì)(DNA)分離出來，在體外進行切割、拼接和重組。然后將重組的DNA導入某種宿主細胞或個體，從而改變它們的遺傳品質(zhì)；或者使新的遺傳信息在新的宿主細胞或個體中大量表達，以獲得基因產(chǎn)物(多肽或蛋白質(zhì))。操作對象基因切→接→轉(zhuǎn)→增→檢基因克隆操作環(huán)節(jié)新性狀、新產(chǎn)品細胞內(nèi)DNA分子上具有遺傳效應的特定核苷酸序列的總稱，是具有遺傳效應的DNA分子片段

基因工程技術(shù)路線①②③④⑤⑥基因克隆技術(shù)的一般步驟①從細胞中分離出DNA②限制酶截取DNA片斷③分離大腸桿菌中的質(zhì)粒④DNA重組⑤用重組質(zhì)粒轉(zhuǎn)化大腸桿菌⑥培養(yǎng)大腸桿菌克隆大量基因（二）細胞工程（CellEngineering）

應用細胞生物學和分子生物學的理論和方法，按照人們的設計藍圖，進行細胞水平上的培養(yǎng)、繁殖；或人為改變細胞的某些生物學特性，從而達到改良生物品種或創(chuàng)造新品種；或加速繁育動、植物個體；或獲得某種有用的物質(zhì)的過程。包括：動、植物細胞的體外培養(yǎng)技術(shù)細胞融合技術(shù)（細胞雜交技術(shù)）單克隆抗體技術(shù)細胞核移植與動物克隆技術(shù)干細胞技術(shù)操作對象細胞培養(yǎng)、增殖、改造細胞操作環(huán)節(jié)新性狀、新產(chǎn)品細胞或其組成部分和構(gòu)成的組織、器官等，如染色體、細胞核、原生質(zhì)體、整個細胞、受精卵、胚胎、組織或器官細胞工程技術(shù)路線（三）酶工程（EnzymeEngineering）

利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能，或?qū)γ高M行修飾改造，借助生物反應器和工藝過程來生產(chǎn)人類所需產(chǎn)品的一項技術(shù)——利用酶的催化作用進行物質(zhì)轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)產(chǎn)品。操作對象

酶酶的固定化、分離純化及改造操作環(huán)節(jié)酶制劑由生物活細胞產(chǎn)生的生物催化劑酶工程技術(shù)路線（四）發(fā)酵工程（FermentationEngineering）

也稱微生物工程。利用微生物生長迅速、生長條件簡單以及代謝過程特殊等特點，在合適條件下，通過現(xiàn)代化工程技術(shù)手段，由微生物的某種特定功能生產(chǎn)出人類所需的產(chǎn)品稱為發(fā)酵工程。如：抗生素的發(fā)酵生產(chǎn)。操作對象

微生物

發(fā)酵培養(yǎng)操作環(huán)節(jié)產(chǎn)品產(chǎn)物真菌、細菌、放線菌等發(fā)酵工程技術(shù)路線發(fā)酵工程生產(chǎn)產(chǎn)品流程簡圖發(fā)酵罐舉例：酒精類飲料、醋酸和面包胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生產(chǎn)資料氨基酸、香料、酶、維生素和單細胞蛋白等。（五）蛋白質(zhì)工程（ProteinEngineering）

是指在基因工程的基礎上，結(jié)合蛋白質(zhì)結(jié)晶學、計算機輔助設計和蛋白質(zhì)化學等學科的基礎知識，通過對基因的人工定向改造等手段，從而達到對天然蛋白質(zhì)進行修飾、改造、拼接以產(chǎn)生能滿足人類需要的新型蛋白質(zhì)或設計制造新的蛋白質(zhì)。

1965年，我國合成出世界上第一個人工合成的蛋白質(zhì)——胰島素。操作對象蛋白質(zhì)

對應基因的修飾和合成操作環(huán)節(jié)蛋白質(zhì)定向改造DNA→RNA→蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)工程技術(shù)路線具有優(yōu)良特性的蛋白質(zhì)分子操作對象

目的產(chǎn)物

分離、純化操作環(huán)節(jié)純品？（六）生物分離工程（SeparatingandPurifyingEngineering）按照自己的愿望改造物種：采用基因工程或細胞工程方法。基因工程和細胞工程研究成果的產(chǎn)業(yè)化：通過發(fā)酵工程和酶工程來實現(xiàn)。基因工程、細胞工程和發(fā)酵工程中所需要的酶，往往通過酶工程來獲得。酶工程中酶的生產(chǎn)，一般要通過微生物發(fā)酵的方法來進行?；蚬こ淌呛诵?，帶動其他四大工程的發(fā)展，四大工程的發(fā)展又促使基因工程發(fā)展更迅猛。基因工程和細胞工程看作生物工程的上流處理技術(shù)，將發(fā)酵工程和酶工程看作生物工程的下流處理技術(shù)。（七）各生物技術(shù)體系之間的關(guān)系

三、食品生物技術(shù)發(fā)展簡史1、第一代生物技術(shù)產(chǎn)品——遠古時代

野生→栽種→選良種→轉(zhuǎn)化收獲物→發(fā)酵技術(shù)→啤酒技術(shù)→發(fā)酵面包技術(shù)→制醋技術(shù)第一代生物技術(shù)產(chǎn)品：啤酒、蘋果酒、發(fā)酵面包等。產(chǎn)品附加值低。

石器時代后期：利用谷物造酒，最早的發(fā)酵技術(shù)公元前221年，周代后期：豆腐、醬和醋；公元10世紀至明代：種植痘苗預防天花；西方在公元前6000年，以微生物發(fā)酵產(chǎn)生酒精并開始釀造啤酒。古埃及在公元前400年就開始用酵母菌生產(chǎn)面包。2、第二代生物技術(shù)產(chǎn)品——巴斯德時代

發(fā)酵原理的證明→霉菌純培養(yǎng)→啤酒酵母的培養(yǎng)方法→青霉素的發(fā)現(xiàn)第二代生物技術(shù)產(chǎn)品：抗生素、酶、乙醇、維生素、生物殺蟲劑等，產(chǎn)品附加值中等。1676年，荷蘭人LeeuwenHoek制成了顯微鏡并首先觀察到了微生物。十九世紀60年代，法國LouisPasteur首先證實發(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)(理論基礎)；二十世紀20年代，大規(guī)模發(fā)酵化工原料丙酮、丁醇；

50年代，青霉素、發(fā)酵工業(yè)、酶制劑工業(yè)；3、現(xiàn)代生物技術(shù)的崛起

DNA是遺傳物質(zhì)→DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)→遺傳密碼的破譯→DNA重組技術(shù)→現(xiàn)代生物技術(shù)（復雜的技術(shù)群）?，F(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品：基因工程藥物、基因治療、轉(zhuǎn)基因植物、克隆動物、DNA芯片等，產(chǎn)品附加值高。以基因工程為核心，帶動現(xiàn)代發(fā)酵工程、酶工程、細胞工程及蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，形成現(xiàn)代生物技術(shù)。

4、傳統(tǒng)與現(xiàn)代生物技術(shù)的區(qū)別

古代傳統(tǒng)生物技術(shù)和近代生物技術(shù)(舊有的制造醬、酒、面包、奶酪、

酸奶及其它食品的傳統(tǒng)工藝。)只是利用現(xiàn)有的生物類型或生物機能為人類服務，而現(xiàn)代生物技術(shù)(5大工程)是按照人們的意愿創(chuàng)造全新的生物類型和生物機能，造福于人類。它是人類在建立實用生物技術(shù)中從必然王國走向自由王國，從等待大自然的恩賜轉(zhuǎn)向索取的質(zhì)的飛躍。四、食品生物技術(shù)研究進展1.食品資源的改造

將DNA從一個生物轉(zhuǎn)化至另一個生物（重組DNA技術(shù)）。采用細胞生物學方法，建立了細胞融合技術(shù)和動物、植物細胞大量控制性培養(yǎng)技術(shù)，按照預定的設計改造遺傳物質(zhì)和進行細胞培養(yǎng)。目的：一方面提高了農(nóng)作物產(chǎn)量和改善農(nóng)作物的抗蟲、抗病、抗除草劑和抗寒等能力，另一方面使食品的營養(yǎng)價值、風味品質(zhì)得到改善，食品儲藏和保存時間有所延長。改造的食品原料特征：（1）抗病、抗蟲、抗除草劑和抗旱性等作物美國農(nóng)業(yè)部已經(jīng)批準生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物有七大類35種，其中僅兩種抗病番木瓜，就挽救了美國夏威夷番木瓜產(chǎn)業(yè)?？瓜x和推遲成熟的西紅柿，可減少化學農(nóng)藥的使用和依賴性，減少環(huán)境污染、運輸損失。我國已批準商業(yè)化生產(chǎn)有六項，涉及食品的有三項，包括抗黃瓜花葉病毒甜椒、抗黃瓜花葉病毒番茄，轉(zhuǎn)基因耐儲藏番茄；我國第一個商品化生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因耐儲藏番茄在室溫下儲藏56天，好果率達70％以上。轉(zhuǎn)基因抗蟲水稻抗卷葉病毒轉(zhuǎn)基因馬鈴薯轉(zhuǎn)基因耐藏番茄（左）和普通番茄（右）（2）速生高產(chǎn)生物

如我國正在田間試驗中的超級水稻、轉(zhuǎn)基因鯉魚、高產(chǎn)奶量的轉(zhuǎn)基因試管牛等。世界雜交水稻之父－袁隆平

“超級雜交稻”－“東方魔稻”，平均926.6kg/畝第五大發(fā)明，“第二次綠色革命”，世界性饑餓問題有專家替我們算了一筆帳：轉(zhuǎn)基因水稻可以使農(nóng)民少用80%農(nóng)藥，增產(chǎn)6%～8%，農(nóng)民每公頃平均增收676元，如果全國90%地區(qū)種植轉(zhuǎn)基因水稻，糧價將必然下降，社會福利每年增加41億美元。更直接一點的說法就是：轉(zhuǎn)基因水稻晚推廣一年，我們就等于放棄了每年200億的收入。（3）具有特殊品質(zhì)的基因工程生物

如細胞工程技術(shù)已培養(yǎng)出含水量大大降低的西紅柿、洋蔥、馬鈴薯新品種，其特點是可節(jié)約單耗、加工能耗、延長貨架期；培養(yǎng)出了帶咸味和奶味的適宜膨化加工的玉米新品種，以適應低鹽、低脂肪的消費需要；獲得了出油率高、不飽和脂肪酸含量較高的油料作物等（如轉(zhuǎn)基因大豆）。2.食品加工過程和食品品質(zhì)的改良（1）改良食品微生物的生產(chǎn)性能

由于微生物的遺傳變異性及生理代謝的可塑性是其他生物難以比擬的，因此微生物資源的開發(fā)具有很大潛力。目前的工作包括采用常規(guī)的誘變、雜交方法與細胞融合、基因工程技術(shù)結(jié)合進行菌種改造，和采用基因工程和蛋白質(zhì)工程技術(shù)構(gòu)建“基因工程菌”。上述研究工作的意義：1）提高發(fā)酵食品質(zhì)量并使加工過程更合理化

啤酒是我國傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品之一，2012年我國啤酒年產(chǎn)量490億升（居第一位，占全球產(chǎn)量的1/4）。食品生物技術(shù)已用于啤酒酵母的改造，如將α-乙酰乳酸脫羧酶基因克隆到啤酒酵母中進行表達，可降低啤酒雙乙酰含量而改善啤酒風味；選育分解β-葡聚糖和糊精的啤酒酵母，能夠明顯提高麥汁的分解率并改善啤酒質(zhì)量；構(gòu)建具有優(yōu)良嗜殺其他菌類活性的嗜殺啤酒酵母已成為實現(xiàn)純種發(fā)酵的重要措施。

2）實現(xiàn)重要產(chǎn)品的高水平、低成本生產(chǎn)氨基酸是我國新型的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品之一。目前，國外已有5種氨基酸用重組菌實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，達到較高水平（如蘇氨酸60g/L、組氨酸42g/L、脯氨酸75g/L、絲氨酸40g/L和苯丙氨酸60g/L）。食品生物技術(shù)專家還將霉菌的淀粉酶基因轉(zhuǎn)入酵母中使其能直接利用淀粉生產(chǎn)酒精，省掉了高溫蒸煮工序，可節(jié)約60％的能源，生產(chǎn)周期大為縮短。（2）應用于食品酶制劑的生產(chǎn)據(jù)統(tǒng)計，全球70％以上的食品級酶制劑是用轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)的。轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)酶有許多優(yōu)點，如產(chǎn)量高、品質(zhì)均一、穩(wěn)定性好、價格低等。第一個應用于食品上的基因工程酶為凝乳酶（Chymosin），它是制造