1、食品生物技术的进展与应用09 食品科学与工程班 200904090117 易志摘要：生物技术是以生命科学为基础，利用生物的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，以及与工程原理和技术相结合进行社会生产或为社会服务的结合性科学技术。它是一门跨学科的综合性科学，是研究生物学、医学、农业与食品科学的基础工具，被广泛应用于医药、农业、食品、化工、环境保护等各个行业 1。生物技术主要包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等5个方面内容。本文主要介绍了几种生物技术在食品行业中的应用现状及其新技术的应用。关键词：食品；生物技术；基因工程；蛋白质工程；酶工程；食品工业；功能食品；食品添
2、加剂食品生物技术就是通过生物技术手段, 用生物程序、生产细胞或其代谢物质来制造食品，改进传统生产过程，以提高人类生活质量的科学技术。生物技术在食品生产中的应用已有几个世纪，主要采用微生物发酵生产许多传统的食品，如面包、酸奶、奶酪、啤酒、酱油等，始终与人类生活息息相关 2。近年来，随着许多新兴的生物技术应用于食品生产与开发，促进了食品工业的飞速发展，主要体现在四个方面：一是利用基因工程、细胞工程技术对食品资源的改造与改良；二是利用发酵工程、酶工程技术将农副原材料加工成商品，如酒类、调味品、酸奶类等发酵制品；三是利用生物技术产品进行二次开发，形成新的产品，如许多功能性的低聚糖、食品添加剂等；四是利
3、用酶工艺、发酵技术、生物反应器等对传统食品加工工艺进行改造，降低能耗、提高产率，改善食品品质。此外，与食品生产相关领域，如食品包装、储存、质量检测、三废处理等方面，生物技术也得到越来越广泛应用 3。1 基因工程技术在食品行业中的应用基因工程技术是现代生物技术的核心内容，即采用类似工程设计的方法，按照人类的特殊需要将具有遗传性的目的基因在离体条件下进行剪切、组合、拼接， 再将人工重组的基因通过载体导入受体细胞，进行无性繁殖，并使目的基因在受体细胞中高速表达，产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型 4。塑料作为四大包装材料之一，由于其质轻、强度好用量逐年递增。但由于用石油产品制成的传统塑料，其
4、废弃物很难降解，造成白色污染。因此，可降解塑料成为当今的研究热点。目前PHB的生产成本依然太高，用细菌发酵生产PHB 的成本至少是化学合成聚乙烯的5 倍，这严重限制了PHB 在商业上的应用。为降低PHB 的生产成本，提高PHB 与传统塑料的市场竞争力，可向植物体内引入PHB 生物合成途径，以植物为表达载体，利用CO2 及光能合成PHB，是大规模廉价生产 PHB的一种很有前景的方法，用转基因植物来生产PHB是降低生产成本的较好选择。在食品保藏、贮运方式上，利用基因工程可延长食物的贮藏期，改变传统的贮运方式。如通过转基因技术生产的延熟番茄，主要通过乙烯合成途径调控，抑制乙烯合成，从而达到延迟成熟、
5、耐贮藏的目的。郑铁松 5等报道，促进果实成熟和器官衰老是乙烯最主要的生理功能，在果实中乙烯生物合成的关键酶主要是ACC 合成酶和ACC 氧化酶，在果实成熟时这两种酶的活力明显增加，导致乙烯含量急剧增加，促进果实成熟。另据刘全永 6报道，采用基因工程技术，使外源性基因导入马铃薯中，可赋予其特定的抗病性，从而大大提高了原材料的品质。2 蛋白质工程在食品中的应用所谓蛋白质工程，就是利用基因工程手段，包括基因的定点突变和基因表达对蛋白质进行改造，以期获得性质和功能更加完善的蛋白质分子。由于蛋白质是由许多氨基酸按一定顺序连接而成的，每一种蛋白质有自己独特的氨基酸顺序，所以改变其中关键的氨基酸就能改变蛋白
6、质的性质。而氨基酸是由三联体密码决定的，只要改变构成遗传密码的一个或两个碱基就能达到改造蛋白质的目的。蛋白质工程的一个重要途径就是根据人们的需要，对负责编码某种蛋白质的基因重新进行设计，使合成的蛋白质变得更符合人类的需要。蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上，融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。其内容主要有两个方面：根据需要合成具有特定氨基酸序列和空间结构的蛋白质；确定蛋白质化学组成、空间结构与生物功能之间的关系。在此基础之上，实现从氨基酸序列预测蛋白质的空间结构和生物功能，设计合成具有特定生物功
7、能的全新的蛋白质，这也是蛋白质工程最根本的目标之一。2.1 蛋白质工程的基本途径从预期的蛋白质功能出发设计预期的蛋白质结构推测应有的氨基酸序列找到相对应的核糖核苷酸序列（RNA）找到相对应的脱氧核糖核苷酸序列（DNA ）2.2 蛋白质工程研究的核心内容2.2.1 蛋白质结构分析。蛋白质工程的核心内容之一就是收集大量的蛋白质分子结构的信息，以便建立结构与功能之间关系的数据库，为蛋白质结构与功能之间关系的理论研究奠定基础。三维空间结构的测定是验证蛋白质设计的假设即证明是新结构改变了原有生物功能的必需手段。2.2.2 结构、功能的设计和预测。根据对天然蛋白质结构与功能分析建立起来的数据库里的数据，可
8、以预测一定氨基酸序列肽链空间结构和生物功能；反之也可以根据特定的生物功能，设计蛋白质的氨基酸序列和空间结构。通过基因重组等实验可以直接考察分析结构与功能之间的关系；也可以通过分子动力学、分子热力学等，根据能量最低、同一位置不能同时存在两个原子等基本原则分析计算蛋白质分子的立体结构和生物功能。2.2.3 创造和改造。蛋白质的改造，从简单的物理、化学法到复杂的基因重组等等有多种方法。物理、化学法：对蛋白质进行变性、复性处理，修饰蛋白质侧链官能团，分割肽链，改变表面电荷分布促进蛋白质形成一定的立体构像等等；生物化学法：使用蛋白酶选择性地分割蛋白质，利用转糖苷酶、酯酶、酰酶等去除或连接不同化学基团，利
9、用转酰胺酶使蛋白质发生胶连等等。采用基因重组技术或人工合成 DNA，不但可以改造蛋白质而且可以实现从头合成全新的蛋白质。3 酶工程技术在食品中的应用酶工程是生物技术的一个重要组成部分，指在一定的生物反应器内，利用酶的催化作用，进行物质转化的技术，可应用于食品生产过程中物质的转化。如纤维素酶在果汁生产、蔬菜汁生产、速溶茶生产、酱油酿造、制酒等食品工业中应用广泛。酶工程在食品添加剂、食品包装中得到广泛应用，具体表现在：（1）辅助生产甜味剂。海藻糖是一种新型的多功能食品添加剂。张海平和杨静7从中国土样中筛选分离得到能产生淀粉转化为海藻糖的酶菌株，并利用该菌株生产的酶进行淀粉合成海藻糖。产物海藻糖在反
10、应混合物中的含量可达48 g /100 g。薛璐和马莺 8研究了在不易破壁取得胞内海藻糖合酶的情况下，采用渗透处理细胞技术生产透性化细胞酶，并获得了较高的酶活力。海藻糖还可由海藻糖合酶将麦芽糖直接转化为海藻糖，在海藻糖的工业生产中有着良好的应用前景。 （2）在香味剂中的生产应用张文启 9报道酶法奶类香精是以稀奶油或奶油为原料, 通过脂肪酶或接入某种微生物, 使乳脂肪分解, 从而得到增强许多倍的乳香原料。广州百花香料股份有限公司采用酶法水解黄油, 生产系列奶类或乳化牛奶香精, 取得了良好的经济效益。实验室利用微生物酶类生产香兰素的研究也有报道。 （3）在食品包装中的应用细胞壁溶解酶最大的特点是消
11、除某些微生物的繁殖，而让某些有益细菌得以繁殖。在食品包装上用作防腐剂，对人体无毒害，可以替代一些对人体有害的化学防腐剂。溶解酶用于清酒的防腐，研究发现15 mg / kg 溶菌酶防腐效果与250 mg / kg 的水杨酸相等，还可有效防止水杨酸对胃肠的刺激，是一种良好的防腐剂。溶解酶在含食盐、糖等的溶液中稳定，耐酸、耐热性强，可用于水产、香肠、奶油、生面条的保藏，可有效延长保藏期 10。4 细胞工程在食品中的应用细胞工程是应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地保存、改变和创造遗传物质的技术。包括细胞培养、细胞核移植、细胞器摄取、染色体片断重组、细胞融合及细胞代谢物的生产等 11。利用
12、细胞杂交和细胞培养可生产具有独特香味和风味的食品添加剂，如香草素、可可香素、菠萝风味剂以及高级天然色素，如咖喱黄、紫色素、花色苷素、辣椒素、靛蓝等，而且培养的色素含量高，色调和稳定性好。利用微生物及其代谢物改善饮料的品质、延长保质期具有高效、安全等特点。罗自生 12等报道，在摇床转速160 r / min、pH 为4.5、温度为25 时，固定化醋酸杆菌细胞能有效地脱除柑桔汁中由柠碱所引起的苦味，并且，固定化细胞的热稳定性比游离细胞好。另据报道，乳酸链球菌生产的细菌素Nisin 目前已成为一种天然防腐剂，被50多个国家和地区批准使用，特别是Nisin具有对酸稳定的特征，因此更适合于果汁饮料的防腐
13、保鲜。同时，使用Nisin 可以降低杀菌温度，有利于保持产品的营养、风味、口感、色泽等。5 生物技术在食品行业中的综合应用5.1 食品原料和食品微生物的改良,提高食品的营养价值及加工性能利用基因工程、细胞工程改造动物、植物、微生物资源向人类提供各种转基因食品和食品添加剂,一方面提高了农作物产量、改善农作物抗虫、抗病、抗除草剂和抗寒能力,另一方面使食品的营养价值、风味品质得到改善,食品储藏和保存时间有所延长。利用细胞工程技术培育出含水量大大降低的西红柿、洋葱、马铃薯新品种,培育出带咸味和奶味的适宜膨化加工的玉米新品种,获得了出油率高、不饱和脂肪酸含量较高的油料作物,以及我国已在田间试验中的超级水
14、稻、转基因鲤鱼、高产奶量的转基因试管牛,等等。采用常规的诱变、杂交方法与细胞融合、基因工程技术结合进行菌种改造和采用基因工程和蛋白质工程技术构建“基因工程菌”,改良食品微生物的生产性能。生物技术已应用于啤酒酵母的改造,如将 a-乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达,可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味,选育出分解 b-葡萄糖和糊精的啤酒酵母,能够明显提高麦芽汁的分解率并改善啤酒质量;构建具有优良嗜杀其它菌类活性的嗜杀啤酒酵母已成为纯种发酵的重要措施。5.2 生产各种功能食品的有效成分、新型食品和食品添加剂通过转基因技术制造有利于人类健康的食品或有效因子,如低胆固醇肉猪、低胆固醇蛋和高特种微
15、量元素蛋、人类血液代用品、高异黄酮大豆、高胡萝卜素稻米,等等。利用细胞工程技术生产各种功能食品和功能成分,如对人参、西洋参、长春花、紫草和黄连等植物细胞进行培养生产活性细胞干粉、L-苏氨酸、免疫球蛋白、生长激素,等等。利用生物技术,特别是发酵工程技术生产食品添加剂 13。目前国内外重点研究开发的食品添加剂有甜味剂中的木糖醇,甘露糖醇,阿拉伯糖醇,甜味多肽,等等;酸味剂中的 L-苹果酸,L-琥珀酸,等等;氨基酸中各种必需氨基酸;增稠剂中的黄原胶,普鱼兰,茁霉多糖,热凝性多糖,等等;风味剂中的多种核苷酸,琥珀酸钠,香茅醇,双乙酰;芳香剂中的脂肪酸酯,异丁醇,等等;色素中的类胡萝卜素,红曲色素,虾青
16、素,番茄红素,等等;维生素中的维生素 C,维生素 B12,核黄素,肉碱;生物活性添加剂中的各种保键活菌,活性多肽,等等;防腐剂中的乳链菌肽,杀菌肽,瓜蟾抗菌肽,防御素,等等。可直接应用于食品生产过程的物质转化利用发酵技术、酶技术对农副产品进行加工,直接生产各种发酵食品如饮料、酒、酱、酱油、醋、乳酸、酸奶和啤酒。利用基因工程和酶工程,构建“生物工程菌”来生产酶制剂。近 20 年来,利用“基因工程菌”生产的食品酶制剂主要有凝乳酶、a-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、脂肪酶、溶菌酶等。凝乳酶是制造干酪过程中起凝乳作用的关键酶;蛋白酶可改善蛋白质的溶解性。在食品加工过程中添加一些酶类可以改
17、善产品的色泽、风味和质构。如用葡萄糖氧化酶可以除去蛋液中的葡萄糖,改善制品的色泽;用脂酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟;葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香;木瓜蛋白酶可分解胶原蛋白,用于肉的嫩化。5.3 工业化生产预定食品或食品功能成分利用发酵工程生产功能食品或功能性成分,如低聚糖、糖醇、单细胞蛋白、EPA、DHA、r-亚麻酸、有益菌。利用酶工程制取高蛋白富含多种氨基酸和微量元素的功能食品,如以动植物、微生物蛋白为原料,利用酶技术将蛋白质分解成多肽和氨基酸,可作为功能食品或营养强化食品的原料。利用乳糖酶水解乳糖,加工出低乳糖食品作为乳糖缺乏者的保健饮品。利用现代生物技术进行玉米的综合利用,为新型糖源、
18、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精等产品的开发提供充足的原料。如从玉米黄浆水中提取玉米黄色素,可用于人造黄油、人造奶油、糖果、冰淇淋等食品中取代人工合成色素;从玉米皮制取膳食纤维;用玉米淀粉制取高纯度低聚异麦芽糖 900 型第二代功能性保健食品生物糖。 5.4 食品包装和食品检测方面的应用现代生物技术在食品包装上的应用主要是制造一种有利于食品保质的环境,如葡萄糖氧化酶能除 O2,延长食品的保鲜期,保持食品色、香、味的稳定性,被应用于茶叶、冰淇淋、奶粉、罐头等产品的除氧包装;溶菌酶能消除有害微物生的繁殖,而让某些有益菌得以繁殖,被广泛应用于清酒、乳制品、水产品、香肠、奶油、生面条等食品中以延长
19、保鲜期。利用生物技术制造有特殊功能的包装材料如包装纸、包装膜中加入生物酶,使其具有抗氧化、杀菌、延长食品反应速度等。利用生物技术改变食物贮藏方式和贮藏期,如利用基因工程技术生产耐贮番茄等,延长货架期。利用生物技术还可生产生物可降解的食品包装材料,建立食品的质量检测方法,处理食品工业废水等,如用固定化酶技术制备酶电极、酶试纸,可以快速简便地检测食品中的化学成分。利用基因工程的 DNA 指纹技术可以鉴定食品原料和终端产品是否掺假,检测谷物、坚果、牛奶中是否含有微量毒素;利用 PCR 技术可迅速检测是否为转基因食品,利用生物转化、厌氧发酵等方法处理食品工业废水,使 BOD、COD 大大降低,达标排放
20、。6 前景展望随着人们生活水平的提高和消费观念的改变，人们更关注食品的内在营养和食品的卫生安全，同时提倡绿色消费，这就对食品生产提出了更高的要求。现代生物技术在食品领域所起的作用是传统技术无法比拟的，它在食品工业中的地位越来越重要。目前，现代生物技术在食品领域的应用涉及到基因工程、细胞工程、酶工程和微生物(发酵)工程等当今公认的四大生物技术体系。重点开发的几个领域为：开发新酶品种以及酶的固定化和细胞工业化应用；加强高产菌株和耐特殊环境微生物的遗传育种；用生物法代替化学合成生产食品添加剂；综合利用技术， 进行原料的深度加工，采用清洁闭路生产工艺，将废弃物资源化，达到节粮、节能、减少污染的目的；工
21、业化生产中生物技术产物的分离提取水平低一直是阻碍产业发展的“瓶颈” 问题，因此，生物技术产品的大规模生产及高收率的提取技术是今后发展的重要方面；研究开发多功能、多指标的生物传感器，有效监控生产过程，利用生物技术建立高特异性、高灵敏度、快速简便的食品卫生检测方法是确保食品安全的重要手段。本文参考文献：1 张洪.现代生物技术在食品工业应用J.福建轻纺,1997(8):1-32 宋贤良,朱利等 . 国内外食品生物技术研究进展J. 粮食与油脂,2006,2:32-343 许新德,徐尔尼,高荫榆.生物技术在食品领域中的应用J.食品工业科技,1999,20(4):68-704 李玲,孙文松 . 基因工程在
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