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

作為先進(jìn)的科學(xué)教育工作者，其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用于近幾十年的科學(xué)研究和應(yīng)用。隨著人們生活水平的提高，對(duì)食品的標(biāo)準(zhǔn)也有了進(jìn)一步的要求，基因工程應(yīng)用于食品之中不僅能使食品質(zhì)量得以提高，還能為世界面臨的糧食危機(jī)、能源環(huán)保等問(wèn)題提供新的解決思路和方法。二十一世紀(jì)，基因工程在食品工業(yè)中將得到更為廣泛的應(yīng)用。下面對(duì)基因工程在食品原料改良、食品加工、食品檢測(cè)、轉(zhuǎn)基因食品等方面的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單綜述。一、食品原料的改進(jìn)食品主要的化學(xué)成分有碳水化合物、脂質(zhì)、蛋白質(zhì)。（一）反義gbss馬鈴薯表達(dá)基因通過(guò)基因工程技術(shù)也可以改變植物食品中淀粉組成及含量。植物中淀粉合成酶有兩種不同的形式，其中之一是結(jié)合在淀粉粒顆粒上的稱(chēng)為GBSS。在馬鈴薯上成功地利用淀粉合成酶GBSS基因的反義基因抑制了該酶的活性，使反義轉(zhuǎn)基因馬鈴薯中GBSS的活力降低了70%～100%，而另一形式的淀粉合成酶則不受影響，因此使反義GBSS馬鈴薯在總淀粉含量基本不變的基礎(chǔ)上，其直鏈淀粉的合成則幾乎完全受抑制，從而獲得了支鏈淀粉含量很高或完全不含直鏈淀粉的馬鈴薯，而通過(guò)反義基因抑制淀粉分支酶，基因則可獲得完全只含直鏈淀粉的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。（二）dupont公司對(duì)油脂品質(zhì)的改善主要集中在兩個(gè)方面：控制脂肪酸的鏈長(zhǎng)和飽和度。油脂的酸敗是導(dǎo)致油脂品質(zhì)下降的主要原因。目前已知豆類(lèi)中的脂氧合酶在酸敗過(guò)程中扮演重要角色。美國(guó)DuPont公司通過(guò)反義抑制或/和共同抑制油酸酯脫氫酶,開(kāi)發(fā)成功高油酸含量的大豆油。這種新型油含有良好的氧化穩(wěn)定性，很適合用作煎炸油和烹調(diào)油。導(dǎo)入硬脂酸-ACP脫氫酶的反義基因，油菜種子中硬脂酸的含量從2%增加到40%硬脂酸-COA可使轉(zhuǎn)基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量下降，不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸)的含量增加，其中油酸的含量可增加7倍。（三）營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的測(cè)量食品中動(dòng)植物蛋白由于其含量不高或比例不恰當(dāng)，可能導(dǎo)致蛋白營(yíng)養(yǎng)不良。采用轉(zhuǎn)基因的方法，生產(chǎn)具有合理營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的食品，讓人們只需吃較少的食品，就可以滿(mǎn)足營(yíng)養(yǎng)需求。例如，豆類(lèi)植物中蛋氨酸的含量很低，但賴(lài)氨酸的含量很高；而谷類(lèi)作物中的對(duì)應(yīng)氨基酸含量正好相反，通過(guò)基因工程技術(shù)，可將谷類(lèi)植物基因?qū)攵诡?lèi)植物，開(kāi)發(fā)蛋氨酸含量高的轉(zhuǎn)基因大豆。二、采用基因克隆及序列生產(chǎn)的方法，提高凝乳酶的來(lái)源隨著食品工業(yè)的發(fā)展，對(duì)酶、蛋白質(zhì)、氨基酸、香精、甜味劑等原輔料的需求量大增，而這些原輔料傳統(tǒng)上靠動(dòng)植物供應(yīng)，由于受氣候、季節(jié)、生長(zhǎng)期等因素的影響，供應(yīng)量往往不能滿(mǎn)足需要?，F(xiàn)在基因工程技術(shù)已能將許多酶、蛋白質(zhì)、氨基酸和香精以及其他多種物質(zhì)的基因克隆入合適的微生物宿主細(xì)胞中利用細(xì)菌的快速繁殖來(lái)大量生產(chǎn)。例如將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內(nèi)，由細(xì)菌生產(chǎn)這種動(dòng)物來(lái)源的酶類(lèi)，將解決奶酪工業(yè)受制于凝乳酶來(lái)源不足的問(wèn)題；從西非發(fā)現(xiàn)的由植物果實(shí)中提取的甜味蛋白質(zhì)(thaumatin)的DNA編碼序列已經(jīng)被克隆入細(xì)菌，以生產(chǎn)這種高效低熱量新型甜味劑等。下面重點(diǎn)介紹基因工程在啤酒工業(yè)、乳品工業(yè)、甜蛋白方面的應(yīng)用。（一）啤酒工業(yè)1、天麻醇溶蛋白的研究及品種鑒定(1）利用RFLP(限制性片斷長(zhǎng)度多樣性)技術(shù)對(duì)大麥進(jìn)行抗病選育、α-淀粉酶多基因族分析大麥醇溶蛋白的研究及品種鑒定。(2）利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將外源基因直接導(dǎo)入大麥，用于品種改良、抗蟲(chóng)和抗病選育，人們期待著基因重組技術(shù)能產(chǎn)生耐枯斑病等病害的大麥品種。2、-氨基氮含量1.大米是啤酒釀造中使用最廣的輔料，但普通大米的用量提高到30%以上時(shí)，麥汁中α-氨基氮含量會(huì)不足而影響酵母的正常生長(zhǎng)和發(fā)酵。利用基因轉(zhuǎn)移技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)等選育高蛋白、低脂肪、低NSP(非淀粉多糖)的水稻品種，專(zhuān)門(mén)用于啤酒釀造，進(jìn)一步提高輔料比例，降低生產(chǎn)成本。3、發(fā)酵菌種的篩選可降低啤酒雙乙酰含量而改善啤酒風(fēng)味；選育出分解β-葡聚糖和糊精的啤酒酵母，能夠明顯地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(lèi)活性的嗜殺啤酒酵母已成為實(shí)現(xiàn)純種發(fā)酵的重要措施。利用糧食替代品釀造啤酒的首選原料是纖維素因?yàn)槔w維素是自然界存量最多的有機(jī)物，某些真菌如平菇、香菇、靈芝、紅曲霉等對(duì)纖維素有很強(qiáng)的分解能力，如果利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)將這些真菌中控制纖維素酶，合成的基因轉(zhuǎn)移到啤酒酵母中去，那么啤酒酵母就能利用纖維素釀造啤酒，改變傳統(tǒng)的啤酒生產(chǎn)中消耗大量的大麥和大米等糧食的局面。4、固定化微生物技術(shù)我國(guó)目前普通采用活性污泥射流曝氣法處理啤酒廠廢水，為廢水的達(dá)標(biāo)排放做出了積極貢獻(xiàn)。但是，該法僅僅處理掉了廢水中的一部分有機(jī)物，對(duì)苯類(lèi)、酚類(lèi)、C1-、Na+、Cu2+等有害無(wú)機(jī)物基本上沒(méi)什么作用。固定化微生物技術(shù)是一種高效、快速、能連續(xù)處理的廢水處理系統(tǒng)，利用它可以強(qiáng)化降解廢水中的有毒物質(zhì)、免除污泥處理的二次污染。近幾年來(lái)，人們借助細(xì)胞工程基因工程等現(xiàn)代生物技術(shù)，創(chuàng)造出有特殊功能的新型微生物品種，如“石油菌”、耐汞細(xì)菌、“DDT菌”等，將來(lái)人們也一定會(huì)創(chuàng)造出專(zhuān)門(mén)適合處理啤酒廢水的“啤酒菌”。（二）振興工業(yè)1、外源bst注射乳牛將采用基因工程技術(shù)生產(chǎn)的牛生長(zhǎng)激素（BST）注射到母牛上，可提高母牛產(chǎn)奶量。目前利用DNA的克隆繁殖技術(shù)，把人垂體激素（ST）重組體互補(bǔ)到BST的mRNA中，利用外源BST來(lái)注射乳牛，可提高15%左右的產(chǎn)奶量，BST現(xiàn)已進(jìn)入商業(yè)化領(lǐng)域。現(xiàn)在英、美等國(guó)都已采用BST來(lái)提高乳牛的產(chǎn)奶量，具有極大的經(jīng)濟(jì)效益，且對(duì)人體無(wú)害。2、-半乳糖苷酶基因的表達(dá)利用β-半乳糖苷酶水解乳中的乳糖，對(duì)眾多乳糖不耐癥者是一個(gè)難得的好產(chǎn)品?？蓪⒕幋a通過(guò)基因工程技術(shù)將β-半乳糖苷酶基因轉(zhuǎn)入GRAS級(jí)的微生物細(xì)胞作為宿主，在宿主調(diào)節(jié)基因的調(diào)控下，在發(fā)酵罐規(guī)模上生產(chǎn)表達(dá)有優(yōu)良特性的β-半乳糖苷酶基因。此外，針對(duì)a-乳白蛋白的mRNA，用核酸編碼的轉(zhuǎn)基因，使與乳糖合成有關(guān)的a-乳白蛋白（是乳糖產(chǎn)生的催化物質(zhì)）的基因被淘汰，以此達(dá)到降低乳中乳糖含量的目的。3、thaba-toinpla甜蛋白來(lái)源于西非熱帶植物的果實(shí)，正常結(jié)果所需生態(tài)環(huán)境非?？量蹋茈y在其它地區(qū)引種成功，從天然植物來(lái)源中提取甜蛋白難以形成規(guī)模。因此，自80年代末以來(lái)，國(guó)際上開(kāi)始了采用基因工程技術(shù)人工合成甜蛋白的研究工作?，F(xiàn)已合成多種甜蛋白，其中thaumatin甜蛋白已在美國(guó)食品與藥物管理局(FDA)登記，被允許在美國(guó)國(guó)內(nèi)作為甜味劑使用。我國(guó)自1994年開(kāi)展人工合成甜味劑的研究工作，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)所的研究人員主持的“利用基因工程技術(shù)高效表達(dá)高甜度蛋白”項(xiàng)目已取得可喜進(jìn)展，日前通過(guò)專(zhuān)家鑒定。該項(xiàng)成果首次在國(guó)際上采用細(xì)菌優(yōu)化密碼子，人工合成了蛋白甜度為相同重量蔗糖甜度1100倍的單鏈monellin甜蛋白基因;通過(guò)定點(diǎn)突變，又首次獲得了蛋白產(chǎn)物甜度為相同重量蔗糖甜度4500倍的menellin甜蛋白基因，并通過(guò)優(yōu)化發(fā)酵條件使其在大腸桿菌中得到表達(dá)。其表達(dá)效率在40%左右，發(fā)酵時(shí)間僅為24～36h（國(guó)外發(fā)酵時(shí)間120～180h）。三、制備食品中微生物的dna探針基因工程用于食品檢測(cè)主要有兩方面：1.食品微生物的檢測(cè)，采用核酸探針（基因探針）和多聚酶鏈反應(yīng)技術(shù)檢測(cè)食品中的致病菌。2.用于食品中轉(zhuǎn)基因成分的檢測(cè)。DNA探針食品檢測(cè)中的應(yīng)用；用DNA探針檢測(cè)食品中微生物的關(guān)鍵是DNA探針的構(gòu)建。為保證檢測(cè)結(jié)果的高度特異性，必須根據(jù)具體的檢測(cè)目標(biāo)，構(gòu)建不同的DNA探針。構(gòu)建用于檢測(cè)食品中微生物的DNA探針的原則是，以待檢微生物中特異性保守基因序列為目標(biāo)DNA，以該序列的互補(bǔ)DNA作為雜交探針，對(duì)一般微生物而言，可以用決定該微生物特有的生理、生化特征的基因序列構(gòu)建特異性的DNA探針。單核細(xì)胞增生利斯特氏菌是一種病原菌，kerdahi等用非放射性DNA探針和酶聯(lián)免疫測(cè)定相結(jié)合，來(lái)檢測(cè)食品中的單核細(xì)胞增生利斯特氏菌，結(jié)果表明該方法不受伊氏利斯特氏菌等其它利斯特氏菌的影響，具有高度的專(zhuān)一性，可以將單核細(xì)胞增生利斯特氏菌和其它利斯特氏菌區(qū)分開(kāi)，并可節(jié)省分析時(shí)間.O’Connor等用PCR結(jié)合DNA探針來(lái)檢測(cè)和鑒定食品中的利斯特氏菌和單核細(xì)胞增生利斯特氏菌，根據(jù)16SrRNA和23SrRNA基因間的間隔區(qū)序列設(shè)計(jì)PCR引物，將PCR產(chǎn)物和利斯特氏菌以及單核細(xì)胞增生利斯特氏菌的特定寡核苷酸探針進(jìn)行雜交，通過(guò)比色法測(cè)定雜交體，結(jié)果表明最低檢測(cè)限度為1-10cfu/25ml樣品，可以用于食品的檢測(cè)。四、其它方面的功效商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因食品按照其來(lái)源可分為植物、動(dòng)物和微生物轉(zhuǎn)基因食品。植物轉(zhuǎn)基因食品從來(lái)源上看，涉及的食品或食品原料主要包括大豆、玉米、番茄、甜椒、西葫蘆等；動(dòng)物轉(zhuǎn)基因食品主要是利用胚胎移植技術(shù)培養(yǎng)生長(zhǎng)速率快、抗病能力強(qiáng)、肉質(zhì)好的動(dòng)物或動(dòng)物制品,但由于技術(shù)方面的原因，轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于轉(zhuǎn)基因植物的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，至今還沒(méi)有商品化的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物養(yǎng)殖品種；轉(zhuǎn)基因微生物食品主要是利用微生物的相互作用，培養(yǎng)一系列對(duì)人類(lèi)有利的新物種。轉(zhuǎn)基因食品大致可分為兩大類(lèi)；一類(lèi)是改造原有基因,使一些性狀不表現(xiàn)出來(lái)，如保鮮西紅柿，就是通過(guò)阻止其中腐爛基因表達(dá)來(lái)延長(zhǎng)它的保存期；另一類(lèi)是導(dǎo)入其他基因，從而使其產(chǎn)生新的性狀，如在乳酸菌中導(dǎo)入低聚糖基因，就能起到預(yù)防人體心血管疾病的特殊作用。轉(zhuǎn)基因食品給人類(lèi)帶來(lái)許多好處：一是可按各個(gè)國(guó)家的需求來(lái)培植農(nóng)作物,生產(chǎn)所需的食品。如通過(guò)導(dǎo)入硬脂酸-ACP脫氫酶的反義基因，可使轉(zhuǎn)基因油菜種子中硬脂酸的含量從2%增加到40%；而將硬脂酸-COA脫飽和酶導(dǎo)入作物后，可使轉(zhuǎn)基因作物中的飽和脂肪酸（軟脂酸、硬脂酸）含量下降，不飽和脂肪酸（油酸、亞油酸）含量增加,其中油酸的含量可增加7倍。二是可節(jié)約能源,保護(hù)環(huán)境,防治病蟲(chóng)害。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的耕種主要施用化肥、農(nóng)藥來(lái)防治病蟲(chóng)害，不僅耗用過(guò)多的水資源，也造成了環(huán)境污染。而轉(zhuǎn)基因技術(shù)的出現(xiàn)，可將抗病蟲(chóng)害、抗除草劑等基因轉(zhuǎn)入農(nóng)作物，使其具有相應(yīng)的殺死病蟲(chóng)或抑制病蟲(chóng)害的能力，可減少或不用噴灑農(nóng)藥，保護(hù)環(huán)境，降低成本。如我國(guó)首創(chuàng)的將人工合成的抗菌肽體基因以農(nóng)桿菌為載體導(dǎo)入水稻細(xì)胞里，可得到6種抗白葉枯病細(xì)菌病害的株系。三是可獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的新品種。1983年以來(lái)，美國(guó)有48種不同植物的3000多例轉(zhuǎn)基因植物問(wèn)世，包括番茄、大豆、小麥、水稻、玉米、馬鈴薯、西葫蘆等，其中涉及品質(zhì)改良的占21.4%，近30種轉(zhuǎn)基因植物已經(jīng)被準(zhǔn)許進(jìn)行商業(yè)性種植。四是可增強(qiáng)果蔬食品的保鮮性能。如番茄、香蕉、蘋(píng)果、菠菜等果蔬由于成熟快，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過(guò)程中易腐爛、變質(zhì),造成巨大損失。乙烯是果實(shí)的催熟劑，主要是ACC合成酶和ACC氧化酶在起作用，通過(guò)基因克隆這兩種酶，利用反義基因技術(shù)抑制這兩種基因的表達(dá)，可達(dá)到延緩果實(shí)成熟，延長(zhǎng)保質(zhì)期的目的。五是可改善發(fā)酵食品的品質(zhì)和風(fēng)味。如在醬油釀造過(guò)程中，木糖可與醬油中的氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生褐色物質(zhì)，影響醬油的風(fēng)味。木糖的生成與制造醬油用的米曲霉中木聚糖酶的含量與活力有關(guān)。通過(guò)克隆米曲霉中的木聚糖酶基因，用反義RNA技術(shù)抑制該酶的表達(dá)所構(gòu)建的工程菌株釀造醬油，可大大降低這種不良反應(yīng)，從而釀造出顏色淺、口味淡的優(yōu)質(zhì)醬油。六是可提高食品的抗凍能力，如把北冰洋比目魚(yú)的抗凍基因?qū)氩葺校商岣咿D(zhuǎn)基因草莓的抗凍能力，把胡蘿卜的AFP轉(zhuǎn)入到煙草中，可明顯提高轉(zhuǎn)基因煙草的抗凍能力。七是可提高食物維生素和微量元素的含量。如把編碼八氫番茄紅素合成酶（phytoenesynthase）的psy基因?qū)胱魑锟商岣呔S生素A的含量：把編碼大豆鐵蛋白（soybeanferritin）的基因?qū)胨荆墒罐D(zhuǎn)基因水稻種子