基因工程在食品中的應(yīng)用

1、作者：劉晚興林茂煥馬澤濤施沈成基因工程在食品中的應(yīng)用摘要：運用基因工程技術(shù)對動物、植物、微生物的基因進行改良，不僅可以 為食品工業(yè)提供營養(yǎng)豐富的動植物原材料、性能優(yōu)良的微生物菌種以及高活而價格適宜的酶制劑，而且還可以賦予食品多種功能、優(yōu)化生產(chǎn)工藝和開發(fā)新型功能 性食品?；蚬こ陶谑故称窐I(yè)發(fā)生著深刻的變革?；蚬こ?genetic engineering)又稱基因拼接技術(shù)和DNA重組技術(shù)，是以分子遺傳學為理論基礎(chǔ)，以分子生物學和微生物學的現(xiàn)代方法為手段，將不同來源的基因按預先設(shè)計的藍圖，在體外構(gòu)建雜種DNA分子，然后導入活細胞，以改變生物原有的遺傳特性、獲得新品種、生產(chǎn)新產(chǎn)品?；蚬こ碳夹g(shù)為基

2、因的結(jié)構(gòu)和功能的研究提供了有力的手段。、改良食品原料品質(zhì)和加工性能在植物食品品質(zhì)的改良上，基因工程技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了豐碩成果。 主要集中于改良蛋白質(zhì)、碳水化合物及油脂等食品原料的產(chǎn)量和質(zhì)量。1、蛋白質(zhì)類食品蛋白質(zhì)是人類賴以生存的營養(yǎng)素之一，植物是人類的主要蛋白供應(yīng)源，蛋白原料中有65%來自植物。與動物蛋白相比，植物蛋白的生產(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(zhì)中賴氨酸(Lys)和色氨酸(Trp),豆類蛋白質(zhì)中蛋氨酸(Met)和半胱氨酸(Cys)等一些人類所必需的氨基酸含量較低。通過采用基因?qū)爰夹g(shù)，即通過把人工合成基 因、同源基因或異源基因?qū)胫参锛毎耐緩剑?/p>

3、可獲得高產(chǎn)蛋白質(zhì)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(zhì)， 如果能把編碼這些蛋白 質(zhì)的基因分離出來，并重復導入同種植物中去使其過量表達，理論上就可以大大提高蛋白質(zhì)中必需氨基酸含量及其營養(yǎng)價值。異源基因是指從分類學關(guān)系較遠的植物中分離獲得的目的基因。巴西豆BN2s白蛋白富含Met (18%)和Cys(8%), Altenabch在1991年把巴西豆編碼 BN2s白蛋白的基因轉(zhuǎn)移到煙草 和油菜中去，發(fā)現(xiàn) BN2 s基因在轉(zhuǎn)基因煙草中和油萊中能很好地表達，表達水平達8%。進一步研究還發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建嵌合基因的起動子的種類會影響到BN2 s基因的表達水平。2、油脂類

4、食品人類日常生活及飲食所需的油脂高達70%來自植物。高等植物體內(nèi)脂肪酸的合成由脂肪合成酶(FAS)的多酶體系控制，因而改變FAS的組成就可以改變脂肪酸的鏈長和飽和度，以獲得高品質(zhì)、安全及營養(yǎng)均衡的植物油。目前，控制脂肪酸鏈長的幾個酶的基因和控制飽和度的一些酶的基因已被克隆成功，并用于研究改善脂肪的品質(zhì)。如通過導入硬脂酸-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%。而將硬脂酞CoA脫飽和酶基因?qū)胱魑锖螅墒罐D(zhuǎn)基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量有所下降，而不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸)的含量則明顯增加，其中油酸的含量可增加7倍。除了改變油脂分子的不飽和度

5、外，基因工程技術(shù)在改良脂肪酸的鏈長上也取得了實效。事實上，高油酸含量的轉(zhuǎn)基因大豆及高月桂酸含量的轉(zhuǎn)基因油料作物芥花菜(Ca nola)在美國已經(jīng)成為商品化生產(chǎn)的基因工程油料作物品種。3、碳水化合物類食品利用基因工程來調(diào)節(jié)淀粉合成過程中特定酶的含量或幾種酶之間的比例，從而達到增加淀粉含量或獲得獨特性質(zhì)、品質(zhì)優(yōu)良的新型淀粉。高等植物體內(nèi)涉及淀粉生物合成的關(guān)鍵性 酶類主要有:ADP 葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGIcpyrophosphorylase, AGPP),淀粉合成酶 (Starchsynthase,SS)和淀粉分支酶(Starchbranchingenzyme, SBE)，其中淀粉合成酶又包括

6、顆粒 凝結(jié)型淀粉合成酶 (Granule-boundstarch synthase, GBSS)和可溶性淀粉合成酶 (Solublestarch syn thase, SSS)。淀粉含量的增加或減少， 對作物而言，都有其利用價值。增加淀粉含量，就可能增加干 物質(zhì)，使其具有更高的商業(yè)價值。 減少淀粉含量，減少淀粉合成的碳流， 可生成其它貯存物 質(zhì)，如貯存蛋白的積累增加。淀粉由直鏈淀粉和支鏈淀粉組成。直鏈淀粉和支鏈淀粉的比例決定了淀粉粒的結(jié)構(gòu)，進而影響著淀粉的質(zhì)量、功能和應(yīng)用領(lǐng)域。改變淀粉結(jié)構(gòu)有著很多潛在的應(yīng)用價值。高支鏈， 低支鏈或低直鏈，高直鏈的淀粉都有著廣泛的工農(nóng)業(yè)用途。基因工程改變淀粉質(zhì)量

7、集中于對GBSS, SSS和SBE三種酶的操作上。 Visse:等人利用反義 RNA技術(shù)，向馬鈴薯中導入反向 連接的GBSS基因，導致GBSS基因含量和活性下降，進而導致馬鈴薯塊莖中直鏈淀粉含量減少70%-100%。相反，在無直鏈淀粉的馬鈴薯塊莖中導入GBSS基因，成功地彌補了直鏈淀粉的缺乏。同樣地利用反義RNA技術(shù)，在木薯、水稻等植物中，也獲得了低(或無)直鏈淀粉的轉(zhuǎn)化體。可以說，對GBSS的操作是控制直鏈淀粉的可靠途徑。對動物類食品原料的基因改造研究遠不如植物類那樣普及，但也取得了很大的進展。其研究內(nèi)容主要集中在改良家畜、家禽的經(jīng)濟性狀和通過轉(zhuǎn)基因動物進行藥物或蛋白的生產(chǎn)等 幾個方面。繼1

8、980年Cordon等人用顯微注射法育成帶有人胸腺游酶基因片斷的轉(zhuǎn)基因小 鼠,1982年P(guān)almiter等人將人的生長素基因?qū)胄∈笫芫延沙夀D(zhuǎn)基因“碩鼠”，新型“碩鼠”比普通小鼠生長速度快 2.4倍，體型大1倍?，F(xiàn)已獲得轉(zhuǎn)基因兔、 轉(zhuǎn)基因羊，轉(zhuǎn)基因豬、 轉(zhuǎn)基因牛和轉(zhuǎn)基因雞等多種轉(zhuǎn)基因動物。如美國伊利諾斯大學研究出一種帶有牛基因的豬， 這種轉(zhuǎn)基因豬生長快， 個體大，瘦肉率高，飼料利用率高，可望給養(yǎng)豬業(yè)帶來豐厚的經(jīng)濟效 益；梁利群等克隆子大馬哈魚的生長激素因子，在體外經(jīng)過和鯉魚的MT啟動子基因重組，導入黑龍江野鯉，選育出了“超級鯉”。另外，在提高奶牛產(chǎn)奶量和食用動物的脂肪與瘦肉的構(gòu)成都取得了

9、一定的成績。二、改良果蔬采收后品質(zhì)增加其貯藏保鮮性能隨著對番茄、香蕉、蘋果、菠菜等果蔬成熟及軟化機理的深入研究和基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展，使通過基因工程的方法直接生產(chǎn)耐儲藏果蔬成為可能。事實上，現(xiàn)在無論在國外還是國內(nèi)都已經(jīng)有了商品化的轉(zhuǎn)基因番茄。促進果實和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在果實中乙烯生物合成的關(guān)鍵酶主要是乙烯的直接前體一I-氨基環(huán)丙烷一 1-梭酸合成酶（ACC合成酶）和ACC氧化酶。在果實成熟中這兩種酶的活力明顯增加，導致乙烯產(chǎn)生急劇上升， 促進果實成熟。在對這兩種酶基因克隆成功的基礎(chǔ)上，可以利用反義基因技術(shù)抑制這兩種基因的表達，從而達到延緩果實成熟，延長保質(zhì)期的目的。利用反義R

10、NA技術(shù)抑制酶活力已有許多成功的例子，其中最為成功的就是延緩成熟和軟化的反義RNA轉(zhuǎn)基因番茄。Hamilton等于1990年首次構(gòu)建了 ACC氧化酶反義 RNA轉(zhuǎn)基因番茄，在純合的轉(zhuǎn)基因番茄果實中， 乙烯的合成被抑制了 97%，從而使果實的成熟延遲，儲藏期延長。導入ACC合成酶反義基因的番茄也得到了類似的結(jié)果。轉(zhuǎn)基因番茄的乙烯合成也被抑制了99.5%,果實中不出現(xiàn)呼吸躍變，葉綠素降解和番茄紅素合成也都被抑制。果實不能自然成熟，不變紅，不變軟，只 有用外源乙烯處理 6d后才能使轉(zhuǎn)基因番茄恢復正常成熟。因此，利用反義基因技術(shù)可以成 功的培育耐儲藏果蔬。目前，有關(guān)的研究正在繼續(xù)進行，并已擴大到了草莓

11、、梨、香蕉、芒 果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等，所用的目的基因還包括與細胞壁代謝有關(guān)的多聚半乳糖 醛酸酶（PG）、纖維素酶和果膠甲脂酶基因。反義PG轉(zhuǎn)基因番茄還具有更強的抗機械損傷和真菌侵染能力，且有更高的果醬產(chǎn)率。三、改善酶及發(fā)酵制品的品質(zhì)并降低成本醬油風味的優(yōu)劣與醬油在釀造過程中所生成氨基酸的量密切相關(guān)，而參與此反應(yīng)的梭膚酶和堿性蛋白酶的基因已克隆并轉(zhuǎn)化成功，在新構(gòu)建的基因工程菌株中堿性質(zhì)白酶的活力可提高5倍，梭膚酶的活力可大幅提高13倍。醬油制造中和壓榨性有關(guān)的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纖維素酶、 果膠酶等的基因均已被克隆，當用高纖維素酶活力的轉(zhuǎn)基因米曲霉生產(chǎn)醬油時，可使醬油的產(chǎn)率明顯

12、提高。 另外，在醬油釀造過程中， 木糖可與醬油中的氨基酸反應(yīng)產(chǎn)生褐色物質(zhì)，從而影響醬油的風味。而木糖的生成與制造醬油用曲霉中木聚糖酶的含 量與活力密切相關(guān)?，F(xiàn)在，米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反義RNA技術(shù)抑制該酶的表達所構(gòu)建的工程菌株釀造醬油，可大大地降低這種不良反應(yīng)的進行，從而釀造出顏色淺、口味淡的醬油，以適應(yīng)特殊食品制造的需要。在正常的啤酒發(fā)酵過程中，由啤酒酵母細胞產(chǎn)生的二-乙酞乳酸經(jīng)非酶促的氧化脫梭反應(yīng)會產(chǎn)生雙乙酞。當啤酒中雙乙酞的含量超過閾值(0.02-0.10 mg/L)時，就會產(chǎn)生一種令人不愉快的餿酸味，嚴重破壞啤酒的風味與品質(zhì)。去除啤酒中雙乙酞的有效措施之一就是利用 a

13、 -乙酞乳酸脫梭酶。但由于酵母細胞本身沒有該酶活性，因此，利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)將外源a -乙酞乳酸脫梭酶基因?qū)肫【平湍讣毎?，并使其表達，是降低啤酒中雙乙酞含量的有效途徑。Yaman等將外源的oa-乙酞乳酸脫梭酶整合入啤酒酵母的染色體中，從而構(gòu)建了能穩(wěn)定遺傳 的轉(zhuǎn)基因啤酒酵母。使用這種轉(zhuǎn)基因酵母釀制啤酒，也能明顯地降低啤酒中的雙乙酚含量， 而且不會對啤酒釀造過程中的其他發(fā)酵性能造成不良影響。把糖化酶基因引入釀酒酵母，構(gòu)建能直接利用淀粉的酵母工程菌用于酒精工業(yè)，能革除傳統(tǒng)酒精工業(yè)生產(chǎn)中的液化和糖化步驟， 實現(xiàn)淀粉質(zhì)原料的直接發(fā)酵，達到簡化工藝，節(jié)約 能源和降低成本的效果。另外，利用基因工程技術(shù)可生產(chǎn)出

14、高效能高質(zhì)量的酶產(chǎn)品，目前能利用遺傳技術(shù)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(yīng)用在食品上的基因工程酶為凝乳酶。將牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物體內(nèi)，由細菌生產(chǎn)這種動物來源的酶類，解決了奶酪工業(yè)受制于牛胃蛋白酶來源不足的問題，并降低了生產(chǎn)成本。四、開發(fā)新型功能性食品利用基因工程技術(shù)可以研制特種保健食品的有效成份。例如將一種有助于心臟病患者血液凝結(jié)溶血作用的酶基因克隆至羊或牛中，便可以在羊乳或牛乳中產(chǎn)生這種酶。1997年9月上海醫(yī)學遺傳所與復旦大學合作的轉(zhuǎn)基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，為通過動物大量廉價生產(chǎn)人類的新型功能性食品和藥品邁出了重大的一步。除了研究利用動物生產(chǎn)新型功能性食品

15、外，目前利用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)食品疫苗已成為食品生物技術(shù)研究的熱點之一。食品疫苗就是將某些致病微生物的有關(guān)蛋白質(zhì)(抗原)基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導入某些植物受體細胞中，并使其在受體植物細胞中得以表達，從而使受體植物直接成為具有抵抗相關(guān)疾病的疫苗。用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)的疫苗保持了重組蛋白的理化特征和生物活性。有的須提純后作疫苗使用，有的則不經(jīng)提純即可直接食用。如口服不耐熱腸毒素轉(zhuǎn)基因馬鈴薯后即可產(chǎn)生相應(yīng)抗體。目前，已獲成功的還有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、鏈球菌突變株表面蛋白等十多種轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、香蕉、蕃茄的食用疫苗。由于這些重組蛋白基因可以長期地儲存于轉(zhuǎn)基因植物的種子中，十分有利于疫苗的保存、生產(chǎn)、運輸和推

16、廣。因此轉(zhuǎn)基因植物作為廉價的疫苗生產(chǎn)系統(tǒng)，雖然才剛剛起步，卻具有很好的發(fā)展?jié)摿ΑＮ?、總結(jié)：從技術(shù)的應(yīng)用角度講， 基因工程已經(jīng)給人類帶來了巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。但由于基因工程技術(shù)打破了物種間難以雜交的天然屏障，這種轉(zhuǎn)移對生態(tài)環(huán)境和人類健康可能帶來什么樣的后果難以預料，至少現(xiàn)在的科學還難以回答人們對基因工程提出的各種各樣的安全 性問題，因而基因工程食品的安全性一直成為人們關(guān)注的焦點。對此，采取科學、認真、務(wù) 實的態(tài)度，并吸收國際組織的研究結(jié)果與標準，制定相關(guān)法規(guī)加強管理，以保證轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品在農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境、人類食物的安全與健康等方面的安全性。六、基因工程在食品應(yīng)用中展望從技術(shù)發(fā)展與開發(fā)角度看，世界各國都把生物技術(shù)特別是基因工程技術(shù)確定為21世紀經(jīng)濟和科技發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，基因工程必將面臨更大的發(fā)展。目前的基因轉(zhuǎn)殖主要是針對單基因控制的性狀，對多基因