食品化學(xué) 13.6 現(xiàn)代生物技術(shù)

1、現(xiàn)代生物技術(shù)利用生物（動(dòng)物、植物或微生物）或其產(chǎn)物，來(lái)生產(chǎn)對(duì)人類醫(yī)學(xué)或農(nóng)業(yè)有用的物質(zhì)或生物。依歷史發(fā)展或所用方法的不同，可分成以下兩大類： 傳統(tǒng)生物技術(shù)：應(yīng)用釀造發(fā)酵、配育新種等傳統(tǒng)的方法來(lái)達(dá)致辭上述目的。 現(xiàn)代生物技術(shù)：以生物化學(xué)或分子生物方法改變細(xì)胞或分子的遺傳性質(zhì)。這是在根本上控制了生物的代謝或生理，以達(dá)到生產(chǎn)有用物質(zhì)之目的。 兩種生化技術(shù)術(shù)領(lǐng)域的最大差異處在于:現(xiàn)代生物技術(shù)是用“細(xì)胞與分子”層次的微觀手法來(lái)進(jìn)行操作，不同于傳統(tǒng)生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)不同于傳統(tǒng)以“整體”動(dòng)物、植物或微生物的飼養(yǎng)、交配或篩選方式。生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，各種操作或技術(shù)可謂琳瑯滿目，可主觀地歸納成數(shù)個(gè)范疇。主要有

2、基因操作、細(xì)胞培養(yǎng)、單株抗體、酵素工技等四大領(lǐng)域，以及其他生命科學(xué)相關(guān)的科技。一、基因工程技術(shù)1、基因工程技術(shù)溯源1973年美國(guó)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。1985年轉(zhuǎn)基因魚的問(wèn)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)。第二代基因工程基因操作主要多以分子群殖 (molecular cloning) 為手段，達(dá)成大量復(fù)制一段指定的核酸片段。 在此過(guò)程中，所有的核酸片段均分別被植入載體 (質(zhì)體 plasmid)，然後一起轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞，在宿主中大量復(fù)制，放大這些核酸片段的數(shù)目。 同樣

3、，因?yàn)橐粋€(gè)宿主細(xì)胞只能讓一種核酸大量復(fù)制 (one plasmid, one cell)，因此所得到的大量核酸，是均質(zhì)核酸分子?；蚬こ桃话―NA重組、表達(dá)和克隆，是生物工程核心內(nèi)容。2、基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用（1）亞酸制劑方面應(yīng)用酶的傳統(tǒng)來(lái)源是動(dòng)物臟器和植物種子，后來(lái)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(lái)，由于基因工程技術(shù)的發(fā)展，更使我們可以按照需要來(lái)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)（如表中所列）。表1應(yīng)用于食品工業(yè)的酶制劑酶用途蛋白酶乳酪生產(chǎn)啤酒去濁，濃縮魚胨，制醬油，制蛋

4、白胨脂肪酶魚片脫脂，毛皮脫脂等淀粉酶麥芽糖生產(chǎn)醇生產(chǎn)等纖維素酶和半纖維素酶用于乙醇生產(chǎn)，植物抽提物的澄清和將纖維素轉(zhuǎn)化為糖糖化酶酶法制糖果膠酶用于葡萄酒和果汁的澄清及減少其粘度植酸酶可將飼料中的植酸鹽降解成無(wú)機(jī)磷類物質(zhì)葡萄糖異構(gòu)酶制造高果糖漿（2）改造食品原材料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(zhǎng)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。各種抗病毒植株，黃瓜花葉病毒、馬鈴薯X病毒和Y病毒，抗病蟲害長(zhǎng)頸南瓜和抗蟲害轉(zhuǎn)基因土豆。 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物源食品轉(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(lái)表達(dá)高價(jià)值蛋白。（3）改革傳統(tǒng)的發(fā)酵工業(yè)發(fā)酵工業(yè)關(guān)

5、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(lái)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(guò)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(guó)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。基因工程技術(shù)還可

6、將霉菌的淀粉酶基因轉(zhuǎn)入E.colt，并將此基因進(jìn)一步轉(zhuǎn)入酵母單細(xì)胞中，使之直接利用淀粉生產(chǎn)酒精，省掉了高壓蒸煮工序，可節(jié)約60的能源，生產(chǎn)周期大為縮短。（4）改良食品加工工藝 在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關(guān)鍵問(wèn)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一酪蛋白編碼基因的拷貝數(shù)和置換，K一酪蛋白分子中ALa-53被絲氨酸所置換，可提高其磷酸化，使K一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）利用基因工程開發(fā)和生產(chǎn)新一代食品典型的例子是豆油的生產(chǎn)在美國(guó)每年生產(chǎn)的45.4億kg豆油主要用于食品

7、行業(yè)，其中大量的是作為烹任用油，如糕餅松脆的油和人造黃油等。經(jīng)過(guò)脫色、除具和精制處理的烹任用豆油常常需被還原以延長(zhǎng)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)致豆油中富含反式一脂肪酸，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(méi)有經(jīng)過(guò)還原作用，但其中卻富含軟脂酸棗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(guò)選擇，挑選出合乎需要的基因和啟動(dòng)子，再通過(guò)重組DNA技術(shù)來(lái)改造豆油的組分構(gòu)成?，F(xiàn)在，相應(yīng)的多種基因工程產(chǎn)品已投放市場(chǎng)，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，可用于烹任；有的豆油含30以上的硬脂酸，適用于人造黃油

8、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。（6）果實(shí)貯藏保鮮的應(yīng)用果實(shí)的成熟是一個(gè)復(fù)雜的發(fā)育過(guò)程，是由一系列基因相繼活化而控制的，但乙烯是果實(shí)成熟過(guò)程中調(diào)節(jié)基因表達(dá)的最重要、最直接的指標(biāo)。用基因工程的方法將ACC還原酶和ACC氧化酶的反交基因和外源的ACC脫氨酶基因?qū)胝Ｖ仓曛?，獲得乙烯合成缺陷型植株，達(dá)到控制果實(shí)成熟的目的，已在番茄中實(shí)現(xiàn)。這一成就已被迅速推廣到其它果實(shí)成熟的調(diào)控中，如轉(zhuǎn)基因的芒果、桃子、蘋果、梨、草每、香蕉和桔子等水果中，這些技術(shù)必將發(fā)展成為調(diào)控果實(shí)成熟和衰老的普通技術(shù)，為水果的貯藏保鮮帶來(lái)一次革命。（7）應(yīng)用于生產(chǎn)保障食品可以采用轉(zhuǎn)基因

9、手段，在動(dòng)、植物細(xì)胞中，得到基因表達(dá)而制造有益于人類健康的保健成分或有效因子。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?；蜓蛑?，便可以在牛乳或單乳中產(chǎn)生這種酶。把人的血紅素基因克隆至豬中，最后，豬的血可以用做人類血液的代用品。 3、基因工程食品的安全性基因工程應(yīng)用于食品工業(yè)已給人們帶來(lái)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生也越來(lái)越受到廣泛的關(guān)注。基因工程食品除應(yīng)有較高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和可消化性，它也須對(duì)人體無(wú)毒副作用，必須安全；其次，它的口味、氣味為顏色，均應(yīng)為食用者所接受。國(guó)際上對(duì)轉(zhuǎn)基因動(dòng)、植物的安全性評(píng)價(jià)已積累了比較豐富的科學(xué)數(shù)據(jù)和經(jīng)

10、驗(yàn)。各國(guó)及國(guó)際機(jī)構(gòu)均在制訂相應(yīng)的法規(guī)，以便在促進(jìn)基因工程發(fā)展的同時(shí)，保護(hù)環(huán)境安全及人體健康。 我國(guó)農(nóng)業(yè)部于1996年7月頒布了農(nóng)業(yè)生物基因工程安全管理實(shí)施辦法，1997年3月底前受理了國(guó)內(nèi)外26項(xiàng)安全性評(píng)估申請(qǐng)，26項(xiàng)中批準(zhǔn)了22項(xiàng)可進(jìn)行中間試驗(yàn)、或環(huán)境釋放、或商品化生產(chǎn)，轉(zhuǎn)基因延熟番茄正被批準(zhǔn)進(jìn)入商業(yè)化。 二、生物傳感器1、概念生物傳感器是用生物活性材料（酶、蛋白質(zhì)、DNA、抗體、抗原、生物膜等）與物理化學(xué)換能器有機(jī)結(jié)合的一門交叉學(xué)科，是發(fā)展生物技術(shù)必不可少的一種先進(jìn)的檢測(cè)方法與監(jiān)控方法，也是物質(zhì)分子水平的快速、微量分析方法。各種生物傳感器有以下共同的結(jié)構(gòu)：包括一種或數(shù)種相關(guān)生物活性材料（生

11、物膜）及能把生物活性表達(dá)的信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的物理或化學(xué)換能器（傳感器），二者組合在一起，用現(xiàn)代微電子和自動(dòng)化儀表技術(shù)進(jìn)行生物信號(hào)的再加工，構(gòu)成各種可以使用的生物傳感器分析裝置、儀器和系統(tǒng)。 2、應(yīng)用-非破壞性品質(zhì)評(píng)價(jià)技術(shù)（1）概念無(wú)損傷檢測(cè)又稱非破壞檢測(cè)，即在不破壞樣品的情況下對(duì)其進(jìn)行內(nèi)部品質(zhì)評(píng)價(jià)（包括糖度、酸度、硬度、內(nèi)部病變等）的方法。無(wú)損檢測(cè)是隨著高科技發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一門新技術(shù)，該技術(shù)不同于傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，它主要運(yùn)用物理學(xué)的方法如光學(xué)、電學(xué)、聲學(xué)等手段對(duì)物料進(jìn)行分析，并不對(duì)樣品產(chǎn)生破壞，在獲取樣品信息的同時(shí)保證了樣品的完整性。而且該方法檢測(cè)速度較傳統(tǒng)的化學(xué)方法迅速，又能有效地判斷出從

12、外觀無(wú)法得出的樣品內(nèi)部品質(zhì)信息。早期的血糖速測(cè)儀維生素C速測(cè)儀圖:我國(guó)第一種實(shí)用化的生物傳感器-SBA-30型乳酸分析儀（2）原理待測(cè)物質(zhì)經(jīng)擴(kuò)散作用進(jìn)入生物活性材料，經(jīng)分子識(shí)別，發(fā)生生物學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生的信息繼而被相應(yīng)的物理或化學(xué)換能器轉(zhuǎn)變成可定量和可處理的電信號(hào)，再經(jīng)二次儀表放大并輸出，便可知道待測(cè)物濃度（3）特點(diǎn)采用固定化生物活性物質(zhì)作催化劑，價(jià)值昂貴的試劑可以重復(fù)多次使用，克服了過(guò)去酶法分析試劑費(fèi)用高和化學(xué)分析繁瑣復(fù)雜的缺點(diǎn)。 專一性強(qiáng)，只對(duì)特定的底物起反應(yīng)，而且不受顏色、濁度的影響。 分析速度快，可以在一分鐘得到結(jié)果。 準(zhǔn)確度高，一般相對(duì)誤差可以達(dá)到1操作系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單 ，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分析成本低，在連續(xù)使用時(shí)，每例測(cè)定僅需要幾分錢人民幣。， 有的生物傳感器能夠可靠地指示微生物培養(yǎng)系統(tǒng)內(nèi)的供氧狀況和副產(chǎn)物的產(chǎn)生。在生產(chǎn)控制中能得到許多復(fù)雜的物理化學(xué)傳感器綜合作用才能獲得的信息。同時(shí)它們還