農(nóng)產(chǎn)品的生物技術

農(nóng)產(chǎn)品中的生物技術陳超金淼宋紹華趙蓉蓉主要內(nèi)容一、生物技術總論二、基因工程三、細胞工程四、酶工程五、發(fā)酵工程一、生物技術總論1.定義：生物技術(biotechnology），有時也稱生物工程，是指人們以現(xiàn)代生命科學為基礎，結合其他基礎科學的科學原理，采用先進的科學技術手段，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產(chǎn)出所需產(chǎn)品或達到某種目的。它主要包括發(fā)酵技術和現(xiàn)代生物技術。因此，生物技術是一門新興的、綜合性的學科。2.生物技術的種類及其相互關系根據(jù)生物技術操作的對象及操作技術的不同，生物技術主要包括五項技術（工程）?；蚬こ碳毎こ堂腹こ贪l(fā)酵工程蛋白質工程這五項技術并不是各自獨立的，他們彼此之間是相互聯(lián)系、互相滲透的。其中的基因工程技術是核心技術，它能帶動其他技術的發(fā)展。比如通過基因工程對細菌或細胞改造后獲得的“工程菌”或“工程細胞”，都必須分別通過發(fā)酵工程或細胞工程來生產(chǎn)有用的物質；又如，通過基因工程技術對酶進行改造以增加酶的產(chǎn)量、酶的穩(wěn)定性以及提高酶的催化效率等。3.生物技術對經(jīng)濟社會發(fā)展的影響近代科技史表明，每一次重大的科學發(fā)現(xiàn)和技術創(chuàng)新，都使人們對客觀世界的認識產(chǎn)生一次飛躍；每一次技術革命浪潮的興起，都使人們改造自然的能力和推動社會發(fā)展的力量提高到一個新的水平。生物技術的發(fā)展也不例外，它的發(fā)展將越來越深刻地影響著世界經(jīng)濟、軍事和社會發(fā)展的進程。3.1改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、解決糧食短缺（1）提高農(nóng)作物產(chǎn)量及其品質（2）發(fā)展畜牧業(yè)生產(chǎn)3.2提高生命質量、延長人類壽命3.3解決能源危機、治理環(huán)境污染3.4制造工業(yè)原料、生產(chǎn)貴重金屬3.5生物技術的安全及其對倫理、道德、法律的影響。二、基因工程按照人們的愿望，進行嚴密的設計，通過體外DNA重組和轉基因等技術，有目的的改造生物種性，使現(xiàn)有的物種在較短時間內(nèi)趨于完善，創(chuàng)造出更符合人們需求的新的生物類型，這就是基因工程?；蚬こ套钔怀龅膬?yōu)點是打破了常規(guī)育種難以突破的物種之間的界限，可以使原核生物與真核生物之間、動物與植物之間、甚至人與其他生物之間的遺傳信息進行相互重組和轉移。人的基因可以轉到大腸桿菌中表達，細菌的基因可以轉到動植物中表達。（一）基因工程研究的理論依據(jù)不同基因具有相同的物質基礎基因是可以切割的基因是可以轉移的多肽與基因之間存在對應關系遺傳密碼是通用的基因可以通過復制把遺傳信息傳給下一代（二）基因工程基本操作1.帶有目的基因的DNA片段的分離或人工合成。2.在體外，將帶有目的基因的DNA片段連接到載體上，形成重組DNA分子。3.重組DNA分子導入受體細胞。4.帶有重組DNA分子的細胞培養(yǎng)，獲得大量的細胞繁殖群體5.重組體的篩選。6.重組體中目的基因的功能表達。（三）基因工程在食品中的應用改造食品原材料，改善食品品質和加工特性。利用基因工程菌株改善發(fā)酵食品品質和風味。酶制劑的生產(chǎn)和改良。乳酸菌遺傳和生物技術特性改良。食品加工工藝的改良。1.改造食品原材料，改善食品品質和加工特性在植物食品品質的改良上，基因工程技術得到了廣泛應用，并取得了豐碩成果。其中主要集中于改良蛋白質、碳水化合物及油脂等食品原料的產(chǎn)量和質量。（1）蛋白質類食品蛋白質是人來賴以生存的營養(yǎng)素之一，植物是人來的主要蛋白質供應源，蛋白質原料中有65%來自植物。與動物蛋白質相比，植物蛋白質的生產(chǎn)成本低，而且便于運輸和貯藏，然而其營養(yǎng)也較低。谷類蛋白質中賴氨酸和色氨酸，豆類蛋白質中蛋氨酸和半胱氨酸等一些人類所必需的氨基酸含量較低。通過采用基因導入技術，即通過把人工合成基因、同源基因或異源基因導入植物細胞的途徑，可獲得高產(chǎn)蛋白質的作物或高產(chǎn)氨基酸的作物。植物體中有一些含量較低、但氨基酸組成卻十分合理的蛋白質，如果能把編碼這些蛋白質的基因分離出來，并重復導入同種植物中區(qū)表達，理論上就可以大大提高蛋白質中必須氨基酸含量及其營養(yǎng)價值。我國學者把從玉米種子克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因導入馬鈴薯種，使轉基因馬鈴薯塊莖中的必需氨基酸提高了10%以上。美國FloridaGainesville大學的科學家將外來的高分子量面筋蛋白基因導入一普通小麥中，獲得了含量更多的高分子量面筋蛋白質的小麥。這樣的小麥面筋蛋白具有良好的延伸性和彈性。（2）油脂類食品基因工程技術與傳統(tǒng)的育種方法結合為人們提供了改善植物油質量的新途徑，它不僅可增加植物油脂肪酸的飽和度，而且不會帶來反式脂肪酸的問題，提供對人體健康有益的植物油，如將硬脂酰CoA脫飽和酶基因導入作物后，可使轉基因作物中飽和脂肪酸的含量有所下降，而不飽和脂肪酸的含量則明顯增加。2.利用基因工程菌株改善發(fā)酵食品品質和風味發(fā)酵食品的品質、風味及產(chǎn)率是影響發(fā)酵食品工業(yè)經(jīng)濟效益的關鍵因素，而這些又都取決于所使用的微生物菌種品種，但傳統(tǒng)的微生物育種方法又難以有效地達到定向改造微生物性狀的目的，而利用DNA重組技術、反義RNA技術及基因缺失等基因工程技術來構造所需的基因工程菌株是解決這一問題的一條方便、快捷的途徑。利用基因工程技術科生產(chǎn)出高效能高質量的酶產(chǎn)品，目前能利用遺傳技術生產(chǎn)大多數(shù)常用的酶產(chǎn)品，并投放市場。世界上第一個應用在食品上的基因工程酶為凝乳酶。在奶酪工業(yè)中，近年來成功的將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內(nèi)并使其表達，由此構建的基因工程菌可用來生產(chǎn)牛胃蛋白酶，徹底解決了奶酪工業(yè)受制于牛胃蛋白酶來源不足的問題。在焙烤工業(yè)中，將含有地絲菌屬LIPZ基因的質粒轉化到面包中，利用轉基因酵母發(fā)酵生面團生產(chǎn)的面包較蓬松，內(nèi)部結構較均勻。3.酶制劑的生產(chǎn)和改良凝乳酶是第一個應用基因工程技術把小牛胃中的凝乳酶基因轉移至細菌或真核生物生產(chǎn)的一種酶。1990年美國FDA已批準在干酪生產(chǎn)中使用凝乳酶。由于這種酶生產(chǎn)寄主基因工程菌不會殘留在最終產(chǎn)物上，符合GRAS標準，被認定是安全的，不需要標示。采用基因工程手段改良產(chǎn)酶菌株，近年來還應用于超氧化物歧化酶（SOD）等。4.乳酸菌遺傳和生物技術特性改良目前已有的乳酸菌發(fā)酵制品有酸奶、干酪酸奶油、酸奶酒等，已應用的乳酸菌基本上位野生菌株，大多數(shù)沒有用分子生物學檢查是否攜帶抗藥因子，而有的菌株本身就抗多種抗生素，因而在其使用過程中，抗藥基因將有可能以結合、轉導和轉化等形式在微生物菌群之間相互傳遞而發(fā)生擴散。一般應選擇沒有或含有盡可能少的可轉移耐藥因子的乳酸菌作為發(fā)酵食品和活菌制劑的菌株。除了控制攜帶耐藥因子的菌株應用外，還可通過基因工程技術選育無耐藥基因的菌株，當然也可去除生產(chǎn)中已應用菌株中含有的耐藥質粒，從而保證食品用乳酸菌和活菌制劑中菌株的安全性。乳酸菌在腸道內(nèi)發(fā)揮其優(yōu)良特性的重要標準之一，即該類細菌能否有腸道黏附能力并形成生理屏障。有人認為，細菌的胞外多糖可以提高細菌的定植力，改善在腸道的黏附，延長菌體在腸道的存活時間?？刹捎没蚬こ碳夹g，將胞外多糖產(chǎn)量高、性能好的基因導入乳酸菌中，一方面發(fā)酵生產(chǎn)胞外多糖，另一方面可以直接將這些乳酸菌制成活菌制劑，使之在腸道內(nèi)定植，并在機體內(nèi)直接生產(chǎn)所需的基因產(chǎn)物。5食品加工工藝的改良啤酒制造中對大麥醇溶蛋白含量有一定要求，如果大麥中醇溶蛋白含量過高就會影響發(fā)酵，使啤酒容易產(chǎn)生混濁，也會使其過濾困難。采用基因工程技術，使另一蛋白基因克隆到大麥中，便可相應地使大麥中醇溶蛋白含量降低，以適應生產(chǎn)的要求。在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關鍵問題。牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸，它能結合鈣離子而使酪蛋白沉淀，現(xiàn)在采用基因操作，增加k-酪蛋白編碼基因的拷貝數(shù)和置換，k-酪蛋白分子中Ala-53被絲氨酸所置換，便可提高其磷酸化，使k-酪蛋白分子間斥力增加，以提高牛乳的穩(wěn)定性，這對防止消毒奶沉淀和煉乳凝結起重要作用。

三、細胞工程

細胞工程是生物工程主要組成之一，出現(xiàn)于20世紀70年代末至80年代初，是在細胞水平上改變細胞的遺傳特性或通過大規(guī)模細胞培養(yǎng)以獲得人們所需物質的技術過程。細胞工程的研究對象包括動物、植物和微生物，但一般來說細胞工程主要指高等生物的細胞工程，可分為植物細胞工程和動物細胞工程。細胞工程主要有細胞培養(yǎng)、細胞融合及細胞代謝物的生產(chǎn)等。

細胞培養(yǎng)是微生物細胞、植物細胞和動物細胞在人工提供的體外條件下的生長和分化。

細胞融合是在外力(誘導劑或促融劑)作用下，使兩個或兩個以上的異源(種、屬間)細胞或原生質體相互接觸，從而發(fā)生膜融合、胞質融合和核融合并形成雜種細胞的現(xiàn)象。細胞融合技術是一種改良微生物發(fā)酵菌種的有效方法，主要用于改良微生物菌種特性、提高目的產(chǎn)物的產(chǎn)量、使菌種獲得新的性狀、合成新產(chǎn)物等。與基因工程技術結合，使對遺傳物質進一步修飾提供了多樣的可能性。細胞工程應用于食品領域是隨著細胞培養(yǎng)和細胞融合技術的發(fā)展而發(fā)展起來的。利用植物細胞的大量培養(yǎng)，生產(chǎn)天然色素、天然香料、次生代謝產(chǎn)生的功能性食品和食品添加劑。1.植物細胞工程的應用植物次生代謝產(chǎn)物是許多食品和藥品的重要原料，目前已知的30000多種天然化合物中有80%來源于植物，包括香料、色素、調味品、藥物蛋白等。細胞工程在食品領域的應用

到20世紀70年代，人們才開始利用植物細胞培養(yǎng)生產(chǎn)天然食品添加劑，如在甜菊葉中含有甜菊苷，是一種天然甜味劑，甜度大約是蔗糖的300倍，將甜菊葉愈傷組織進行培養(yǎng)，可在愈傷組織和懸浮培養(yǎng)物提取液中得到甜菊苷。

日本研究人員利用培養(yǎng)草莓細胞生產(chǎn)紅色素的技術已成功應用于葡萄酒及食品加工中。我國科學家利用胡蘿卜細胞生產(chǎn)胡蘿卜素已獲得成功．繁殖速度快，周期短，并可實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)?，F(xiàn)已有上百種植物經(jīng)細胞培養(yǎng)生產(chǎn)次生代謝物，半數(shù)以上產(chǎn)量超過原植株，為該技術工業(yè)化、商業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎。

2.細胞融合技術的應用

食品發(fā)酵工業(yè)的關鍵是優(yōu)良菌株的獲取。除了通過各種化學、物理方法誘變育種及基因工程育種外，采用細胞融合技術或原生質融合技術改良和培育新菌株，也是一種有效的方法。如日本味之素公司應用細胞融合技術使產(chǎn)生氨基酸的短桿菌雜交，獲得比原產(chǎn)量高3倍的賴氨酸產(chǎn)生菌和蘇氨酸高產(chǎn)新菌株。釀酒酵母和糖化酵母的種間雜交，分離子后代中個別菌株具有糖化和發(fā)酵的雙重能力。目前，微生物細胞融合的對象已擴展到酵母、霉菌、細菌、放線菌等多種微生物的種間以至屬間，不斷培育出用于各種領域的新菌種。如日本研究人員利用原生質體的細胞融合技術，對構巢曲霉、產(chǎn)黃青霉、總狀毛霉等菌的同一種內(nèi)或種間進行細胞融合，選育出蛋白酶分解能力強、發(fā)育速度快的優(yōu)良菌株，應用于醬油生產(chǎn)中．既提高了生產(chǎn)效率．又提高了醬油品質。超氧化物歧化酶的生產(chǎn)實例

大蒜是SOD含量較高的天然植物之一，利用大蒜細胞培養(yǎng)生產(chǎn)SOD具有成本低、實用性強等優(yōu)點。

大蒜消毒無菌蒜瓣誘導培養(yǎng)愈傷組織懸浮液懸浮細胞

深層培養(yǎng)

SOD濃縮液離心細胞勻漿研磨細胞收集離心發(fā)酵液

四、酶工程酶工程是指在一定的生物反應器內(nèi)，利用酶的催化作用，將相應的原料轉化成有用物質的技術，是將酶學理論與化工技術結合而形成的新技術。酶工程包括自然酶的開發(fā)及應用，固定化酶、固定化細胞、多酶反應器(生物反應器)、酶傳感器等。酶是生物細胞產(chǎn)生的有催化活性的蛋白質或多肽，它參與農(nóng)產(chǎn)品加工過程中的各種化學變化。由于酶的作用具有專一性強，催化效率高，作用條件溫和等特點，酶的應用不僅可增強產(chǎn)量，提高質量，降低原材料和能源消耗，改善勞動條件，降低成本，而且可以生產(chǎn)出用其它方法難以得到的產(chǎn)品，促進新產(chǎn)品、新技術和新工藝迅速發(fā)展。（一）酶工程在農(nóng)產(chǎn)品開發(fā)生物活性肽方面的應用生物活性肽是蛋白質中20種天然氨基酸以不同排列組合方式構成的從二肽到復雜的線性或環(huán)形結構的不同肽類的總稱，是源于蛋白質的多功能化合物。它具有多種人體代謝和生理調節(jié)功能，易消化吸收，有促進免疫、激素調節(jié)、抗菌、抗病毒、降血壓、降血脂等作用，且食用安全性高。生物活性肽主要是通過酶法降解蛋白質而制得。目前已從大豆蛋白、玉米蛋白、牛奶蛋白、水產(chǎn)蛋白的酶解物中制得一系列功能各異的生物活性肽。1.1用大豆生產(chǎn)大豆多肽目前應用于研究和生產(chǎn)大豆多肽中的酶有堿性蛋白酶、中性蛋白酶、木瓜蛋白酶和復合酶等?？擅黠@消除由于疏水性肽帶來的苦味。1.2用玉米生產(chǎn)玉米多肽酶解玉米蛋白對生產(chǎn)高營養(yǎng)、易于吸收、高附加值的具有生物學功能特性的生物產(chǎn)品具有重要意義。酶解玉米蛋白制取玉米活性肽通常直接以玉米蛋白粉作為酶解底物。1.3用牛奶酪蛋白生產(chǎn)生物活性肽(1)酪蛋白磷酸肽。酪蛋白磷酸肽是以牛奶酪蛋白為原料，經(jīng)蛋白酶水解，再經(jīng)分離純化而得到，分子量為2000～4000，具有天然生理活性。酪蛋白磷酸肽具有結合鈣和促進鈣吸收的功能，同時對金屬元素如鐵、鋅、硒的吸收也有促進作用。(2)糖巨肽。酪蛋白經(jīng)凝乳酶處理制得糖巨肽。糖巨肽具有抗病毒、活化雙歧桿菌等功能。1.4用水產(chǎn)蛋白生產(chǎn)降血壓肽利用酶工程技術從魚、蝦蛋白中酶解制取降血壓肽，可抑制血管緊張素轉移酶活性，從而起到降低血壓作用。另外，人們利用谷蛋白酶解制取了類嗎啡肽，該肽具有鎮(zhèn)痛和促進胰島素分泌等功能；利用卵蛋白酶解制取了具有提高免疫調節(jié)功能的卵白肽等。（二）酶工程新工藝在釀酒中的應用

早期的啤酒主要以麥芽為原料，成本較高。而現(xiàn)在廣泛利用各種原料如大米、玉米、小麥、雜糧等作為輔料生產(chǎn)啤酒。使用輔料量一般占30%左右，不少工廠高達40%~50%。提高輔料比，可降低糧耗、降低成本；同時又能提高啤酒質量，使啤酒清淡爽口，但需要外源酶，這就促進了現(xiàn)代酶工程技術與傳統(tǒng)啤酒釀造技術的結合。陳廷登等人研究了以60%大米為輔助原料，通過添加酵母提取物作為補充氮源，用淀粉酶、糖化酶促進淀粉糊化、液化和糖化的高輔料啤酒釀造新工藝。結果顯示，該新工藝在保證啤酒質量的同時，又降低了啤酒釀造成本，具有顯著的經(jīng)濟效益。這些輔料價值的實現(xiàn)，都和淀粉酶作用分不開。現(xiàn)代白酒和黃酒的生產(chǎn)，既要保持原酒的風味特色，又要提高出酒率、簡化操作，這就需要傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和現(xiàn)代技術相結合。目前，酶在這兩種酒的生產(chǎn)應用中已經(jīng)很廣泛。釀酒業(yè)中廣泛應用的酶主要是糖化酶、液化酶、纖維素酶、蛋白酶、酯化酶等，具有酶活力強、用量少、使用方便等優(yōu)點，適量添加可提高出酒率和品質。糖化酶、液化酶是白酒黃酒釀造中主要用酶，目前流行的生料釀酒和液化法黃酒釀造也主要是利用這兩種酶直接將淀粉液化糊化糖化來代替蒸煮作用的