基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

一、科學(xué)研究的技術(shù)來源(一)系統(tǒng)工程的檢測互補(bǔ)工程方法是根據(jù)相同的設(shè)計(jì)方案重新組合不同生物或合成的dna，并將其與特定細(xì)胞和載體結(jié)合在一起。基因工程主要包括兩個(gè)步驟:首先是從某些生物細(xì)胞中取得所需要的DNA片段,或在人工控制下合成這種DNA片段,即獲得目的基因,再取得基因的載體,使二者進(jìn)行體外重組;然后將重組的DNA轉(zhuǎn)化到受體的活細(xì)胞中去,改變受體細(xì)胞的遺傳特性。基因工程包括DNA重組、表達(dá)和克隆,是生物工程核心內(nèi)容。(二)見成熟技術(shù)研究進(jìn)展20世紀(jì)50年代初開始,由于分子生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展,對(duì)生物細(xì)胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)結(jié)構(gòu)和功能有了比較清晰的闡述。70年代初實(shí)現(xiàn)了DNA重組技術(shù)或稱為克隆技術(shù),逐步形成了以基因工程為核心內(nèi)容,包括細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程的生物技術(shù)。這一技術(shù)發(fā)展到今天,正形成產(chǎn)業(yè)化并列為世界領(lǐng)先專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域之一,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力,將為世界面臨的蛋白質(zhì)缺乏、能源、環(huán)保和癌癥治療等問題的解決提供廣闊的應(yīng)用前景。1973年美國斯坦福大學(xué)和舊金山大學(xué)醫(yī)學(xué)院Co-ken和Boyer兩位科學(xué)家成功地實(shí)現(xiàn)了DNA分子重組試驗(yàn),揭開了基因工程發(fā)展序幕。1982年轉(zhuǎn)基因“超級(jí)鼠”的構(gòu)建成功,1985年轉(zhuǎn)基因魚的問世,標(biāo)志基因工程在食品工業(yè)應(yīng)用的開端,基因工程食品由此走上了歷史舞臺(tái)。二、1食品產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用(一)新質(zhì)低效酶的創(chuàng)造酶的傳統(tǒng)來源是動(dòng)物臟器和植物種子,后來隨著發(fā)酵工程的發(fā)展,逐漸出現(xiàn)了以微生物為主要酶源的格局。近年來,由于基因工程技術(shù)的發(fā)展,更使我們可以按照需要來定向改造酶,甚至創(chuàng)造出自然界從未發(fā)現(xiàn)的新酶種?，F(xiàn)在,蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)(如表1所列)。(二)食品原料的轉(zhuǎn)化1.可減少煉焦生產(chǎn)的差距轉(zhuǎn)基因植物可被改革而具有抗病蟲害的能力,這具有深遠(yuǎn)的經(jīng)濟(jì)意義。土豆原產(chǎn)地在南美,但由于氣候和病蟲害以及灌溉、肥料、農(nóng)藥等原因,其產(chǎn)量和美國相差很多,利用基因工程可以減少這種差距。我國及菲律賓培育出“超級(jí)水稻”和“超超級(jí)水稻”,為人口日益增長、糧食日益短缺的世界帶來一線光明。DNA重組技術(shù)和細(xì)胞融合技術(shù)相結(jié)合,培育出高產(chǎn)、抗病、抗蟲、生長快、抗逆、高蛋白的基因改良植物,對(duì)食品工業(yè)具有重要意義。2.基因魚的生長和功能轉(zhuǎn)基因動(dòng)物尚未達(dá)到高等轉(zhuǎn)基因植物的發(fā)展水平,但人們?nèi)栽O(shè)法用它來表達(dá)高價(jià)值蛋白。轉(zhuǎn)基因技術(shù)在家畜及魚類育種上初見成效。中科院水生生物研究所在世界上率先進(jìn)行轉(zhuǎn)基因魚的研究,成功地將人生長激素基因和魚生長的激素基因?qū)膈庺~,育成當(dāng)代轉(zhuǎn)基因魚,其生長速度比對(duì)照快并從子代測得生長激素基因的表達(dá)。中國農(nóng)大生物學(xué)院瘦肉型豬基因工程育種取得初步成果,獲得第二、三、四代轉(zhuǎn)基因豬215頭。我國已生產(chǎn)出生長速度快、節(jié)約餌料的轉(zhuǎn)基因魚上萬尾,為轉(zhuǎn)基因魚的實(shí)用化打下基礎(chǔ)。1997年9月上海醫(yī)學(xué)遺傳研究所與復(fù)旦大學(xué)合作的轉(zhuǎn)基因羊的乳汁中含有人的凝血因子,既可以食用,又可以藥用,為通過動(dòng)物廉價(jià)生產(chǎn)人類的珍貴藥物邁出了重大的一步。3.微生物資源的開發(fā)和復(fù)配發(fā)酵工業(yè)關(guān)鍵是優(yōu)良菌株的獲取,除選用常用的誘變、雜交和原生質(zhì)體融合等傳統(tǒng)方法外,還與基因工程結(jié)合,大力改造菌種,給發(fā)酵工業(yè)帶來生機(jī)。而作為基因工程和蛋白質(zhì)工程,為便于目的表達(dá)產(chǎn)品的大量工業(yè)化生產(chǎn),最后大多選用微生物進(jìn)行目的基因表達(dá)而生產(chǎn)出“基因工程菌”,再通過發(fā)酵工業(yè)大量生產(chǎn)各種新產(chǎn)品。微生物的遺傳變異性及生理代謝的可塑性都是其他生物難以比擬的,故其資源的開發(fā)有很大的潛力。美國的Biotechnica公司克隆了編碼黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基因,并將其植入啤酒酵母中,在發(fā)酵期間,由酵母產(chǎn)生的葡萄糖淀粉酶將可溶性淀粉分解為葡萄糖,這種由酵母代謝產(chǎn)生的低熱量啤酒不需要增加酶制劑,且縮短了生產(chǎn)時(shí)間。4.鈣離子的情況在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題。牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸,它能結(jié)合鈣離子而使酪蛋白沉淀?，F(xiàn)在可以采用基因操作,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,可提高其磷酸化,使K-酪蛋白分子間斥力增加,以提高牛奶的熱穩(wěn)定性,這對(duì)防止消毒奶沉淀和煉乳凝結(jié)起重要作用。5.反式-脂肪酸這方面典型的例子是豆油的生產(chǎn)。經(jīng)過脫色、除臭和精制處理的烹飪用豆油常常需被還原以延長其儲(chǔ)藏時(shí)間及提高其在烹調(diào)時(shí)的穩(wěn)定性。但是,這種還原作用卻導(dǎo)致豆油中富含反式-脂肪酸,而反式-脂肪酸在攝入人體后,會(huì)增加人患冠心病的可能性。作為色拉油的精制豆油,雖然沒有經(jīng)過還原作用,但其中卻富含軟脂酸,而軟脂酸的攝入也能導(dǎo)致冠心病的發(fā)生。因此,人們經(jīng)過選擇,挑選出合乎需要的基因和啟動(dòng)子,再通過重組DNA技術(shù)來改造豆油的組分構(gòu)成。現(xiàn)在,相應(yīng)的多種基因工程產(chǎn)品已投放市場,其中,有的豆油不含有軟脂酸,可用作色拉油;有的豆油富含80%油酸,可用于烹飪;有的豆油含30%以上的硬脂酸,適用于人造黃油以及使糕餅松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品質(zhì)和商品價(jià)值顯然是大大提高了。(三)見生物技術(shù)的應(yīng)用人類在知道有微生物以前,就利用自然界無處不在的微生物釀酒制醬,自從知道了微生物以后,特別是進(jìn)入20世紀(jì)后,更是不斷地利用各種微生物來發(fā)酵生產(chǎn)各種產(chǎn)品。例如工業(yè)用的丙酮,食品中用的檸檬酸、味精等。不論是什么產(chǎn)品,都無非是利用每一種微生物的特性,生產(chǎn)特定種類的產(chǎn)品。自從有了基因工程,情況就大不相同了,人們可以使大腸桿菌生產(chǎn)動(dòng)物的生長激素、蜘蛛絲蛋白等等。利用基因工程手段只要把生長因子基因進(jìn)行克隆,把運(yùn)載這一基因載體導(dǎo)入合適的微生物細(xì)胞,便能用它來進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)。同樣直徑的蜘蛛絲和鋼絲的拉力相似,但是它具有其他一些優(yōu)點(diǎn)。例如,可以拉長10倍,并返回原來的狀態(tài)等。然而人們既無法大量地收集天然的蜘蛛絲蛋白,也不能像養(yǎng)蠶那樣養(yǎng)蜘蛛。可是只要把運(yùn)載著蜘蛛的絲蛋白基因的載體導(dǎo)入微生物細(xì)胞,就能在發(fā)酵缸里大量的生產(chǎn)這種蛋白質(zhì)了。應(yīng)用微生物發(fā)酵生產(chǎn)基因工程產(chǎn)品除了必須取得所需要的基因以外還得選擇合適的微生物。所謂合適的微生物首先必須是不致病的,此外還應(yīng)該是便于培養(yǎng)的,產(chǎn)品能分泌到培養(yǎng)液中以便于提取、轉(zhuǎn)化,而且最好是對(duì)它有充分的了解等等。美國的食品和藥品管理局已批準(zhǔn)用基因工程菌生產(chǎn)凝乳酶用來制造奶酪,英國的農(nóng)業(yè)、漁業(yè)與糧食部已批準(zhǔn)用基因工程面包酵母生產(chǎn)面包,芬蘭的一家酒精生產(chǎn)公司首先用基因工程芽孢桿菌生產(chǎn)α-淀粉酶,日本也有不少關(guān)于應(yīng)用基因工程菌于食品添加劑的報(bào)道。用生物技術(shù)的手段可以生產(chǎn)出動(dòng)、植物的新品種,從而獲得新食品。例如,人類應(yīng)用遺傳工程手段已經(jīng)培育出高賴氨酸的玉米、高蛋白的小麥、無毒素的棉籽等,改善了日常食品的質(zhì)量,豐富了食品資源,各種細(xì)菌和酵母菌的發(fā)酵藻類為人類提供了新型的營養(yǎng)來源。三、食用安全性基因工程應(yīng)用于食品工業(yè)已給人們帶來了巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益,但基因工程體(Gmos)及基因工程食品的環(huán)境釋放安全性及食用安全性也越來越受到廣泛的關(guān)注?；蚬こ淌称烦龖?yīng)有較高的營養(yǎng)價(jià)值和可消化性,它必須對(duì)人體無毒副作用,必須安全;其次,它的口味、氣味與顏色,均應(yīng)為食用者所接受。四、流程再造,推動(dòng)基因食品的發(fā)展盡管在世界范圍內(nèi)對(duì)基因食品有很多爭議,但這并不影響基因食品技術(shù)的迅速發(fā)展,新的基因食品還是在不斷的問世,而且發(fā)展速度也越來越快?？梢灶A(yù)計(jì),基因食品在新世紀(jì)將很快成為人類食品的主要來源。我們既要充分認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)基因食品的優(yōu)點(diǎn),又要高度重視其潛在的安全性問題。我國對(duì)轉(zhuǎn)基因技術(shù)和基因食品的研究和應(yīng)用采取了積極扶持的政策,在轉(zhuǎn)基因水稻、小麥、番茄、甜椒等方面的研究和應(yīng)用已達(dá)到國際同類研究領(lǐng)先水平。我國政府把生物技術(shù)列于微電子、信息、航天、新能源、新材料等高技術(shù)的首位,組織跟蹤和攻關(guān),并給予高強(qiáng)度支持。只有培育出高產(chǎn)的糧食作物及基因工程食品,才能滿足日益增多的人口對(duì)食物的巨大需求,這也是我們發(fā)展基因工程食品的最重要的驅(qū)動(dòng)力。盡管目前還難以讓人們從觀念上完全接受基因工程對(duì)食品工業(yè)的改造,但是,在過去幾年里利用分子生物學(xué)技術(shù)生產(chǎn)的基因食