現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展

1、江西農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2009,21(5:134136Acta Agriculturae J iangxi現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展華寶珍,馬成杰,羅玲泉收稿日期:2009-02-25作者簡介:華寶珍(1972-,女,湖北武漢人,工程師,主要從事食品生物技術(shù)研究與開發(fā)工作。(光明乳業(yè)技術(shù)中心華中地區(qū)研究所,湖北武漢430040摘要:生物技術(shù)在其自身發(fā)展過程中始終與食品的加工和制造密不可分,現(xiàn)代生物技術(shù)的進(jìn)步對食品工業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的影響。根據(jù)國內(nèi)外食品工程領(lǐng)域中生物技術(shù)的研究應(yīng)用現(xiàn)狀,闡述了現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展。關(guān)鍵詞:生物技術(shù);食品工業(yè);應(yīng)用;基因工程;研究進(jìn)展中圖分類

2、號:Q81文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1001-8581(200905-0134-03Research Progress i n Appli ca ti on of M odern B i otechnology i n Food I ndustryHUA Bao -zhen ,MA Cheng -jie ,LUO L ing -quan(Central China A rea Research I nstitute,Technol ogy Centre of Guang m ingM ilk I ndustry,W uhan 430040,China Abstract:B i otechnol

3、 ogy has al w ays been inseparable with the food p r ocessing and manufacturing in its o wn devel opmental course,and the p r ogress of modern bi otechnol ogy has made a notable influence on the i m p r ove ment of f ood engineering .This paper revie wed the research p r ogress in the app licati on

4、of modern bi otechnol ogy in f ood engineering according t o the research and app licati on status of bi otechnol ogy in f ood industry in the world .Key words :B i otechnol ogy;Food industry;App licati on;Gene engineering;Research p r ogress隨著生命科學(xué)日新月異的進(jìn)步和食品工業(yè)的發(fā)展,現(xiàn)代生物技術(shù)對食品工業(yè)的發(fā)展發(fā)揮著越來越重要的作用。不同于以發(fā)酵為支撐的

5、傳統(tǒng)生物技術(shù),現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用以現(xiàn)代分子生物學(xué)和基因工程技術(shù)為基礎(chǔ),包括了細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、生物化學(xué)、免疫學(xué)等幾乎所有生物學(xué)科的次級學(xué)科,構(gòu)成了相互聯(lián)系、密不可分的有機(jī)整體,具有強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿土己玫陌l(fā)展前景,現(xiàn)代生物技術(shù)已經(jīng)滲透到食品科學(xué)與工程的方方面面。現(xiàn)代生物技術(shù)是以生命科學(xué)為基礎(chǔ),利用生物或生物組織、細(xì)胞及其他組成部分的特性和功能,設(shè)計(jì)、構(gòu)建具有預(yù)期性能的新物質(zhì)或新品系,并與工程原理相結(jié)合,加工生產(chǎn)生物制品的綜合性技術(shù)?，F(xiàn)代生物技術(shù)包括基因工程、蛋白質(zhì)工程、細(xì)胞工程、酶工程和發(fā)酵工程等五個領(lǐng)域,其在食品工業(yè)的應(yīng)用有著廣闊的市場和發(fā)展前景。1基因工程基因工程是指在分子水

6、平上將異源基因與載體DNA 在體外進(jìn)行重組,然后將重組子引入到受體細(xì)胞中,進(jìn)行復(fù)制和表達(dá),從而改造生物特性,生產(chǎn)出符合人類需要的產(chǎn)品或創(chuàng)造生物新性狀的一種技術(shù)。利用基因工程技術(shù)將一些植物、動物或微生物的基因植入另一種植物、動物或微生物中,接受的一方由此獲得了在自然條件下所沒有的品質(zhì),按植入的基因類型可將食品可分為植物性轉(zhuǎn)基因食品、動物性轉(zhuǎn)基因食品和基因工程菌1。1.1優(yōu)化食品生物資源及食品品質(zhì)基因工程應(yīng)用于植物食品原料的生產(chǎn)上,可進(jìn)行品種改良、新品種開發(fā)與原料增產(chǎn),如選育抗病植物、耐除草劑植物、抗蟲性或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物等,使食品原料的供應(yīng)更加多樣。同時(shí),在改善食品品質(zhì)方面,可以利用轉(zhuǎn)

7、基因工程以及反義RNA 技術(shù),使轉(zhuǎn)基因番茄具有抑制聚半乳糖醛酸酶活性,番茄的成熟即可被控制,能延長番茄的儲存期;或者改良玉米、稻米等作物氨基酸組成及含量,提高谷類作物的營養(yǎng)價(jià)值。在畜產(chǎn)品的生產(chǎn)上,利用基因工程技術(shù)可大量生產(chǎn)牛生長激素,并應(yīng)用于乳牛,以增加牛乳的產(chǎn)量、飼料利用率,并加速肉牛的生長速度。豬生長激素也被應(yīng)用于控制生豬總重與瘦肉的比率,減少肥肉,以迎合消費(fèi)者的需求2。1.2改良食品工業(yè)菌種食品工業(yè)如酒類、醬油、食醋、發(fā)酵乳制品等的發(fā)展,關(guān)鍵在于是否有優(yōu)良的微生物菌種,將基因工程應(yīng)用于微生物育種,從事發(fā)酵菌種的改良研究,已經(jīng)成為改良食品工業(yè)菌種的一個重要途徑。例如,在啤酒酵母的改良中,將

8、-乙酰乳酸脫羧酶基因克隆到啤酒酵母中進(jìn)行表達(dá),可降低啤酒雙乙酰含量而改善啤酒風(fēng)味;選育出分解-葡萄糖和糊精的啤酒酵母,能夠明顯提高麥芽汁的分解率并改善啤酒質(zhì)量;構(gòu)建具有優(yōu)良嗜殺其他菌類活性的嗜殺啤酒酵母已成為純種發(fā)酵的重要措施3。再如,乳桿菌中超氧化物歧化酶(S OD 活性越高越有利于該菌在有氧條件下的存活4,諸多研究也證實(shí)了S OD 具有抗腫瘤、抗衰老、對抗細(xì)胞凋亡等生物活性與功能5,6,克隆大腸桿菌錳超氧化物歧化酶基因(S ODA 并在保加利亞乳桿菌中成功表達(dá),使S OD 與益生菌相結(jié)合制備發(fā)酵乳,將出現(xiàn)功能更強(qiáng)大的保健食品7。此外,基因工程技術(shù)還可以與食品衛(wèi)生分析檢測結(jié)合。例如,采用基因

9、探針技術(shù)檢測有害微生物具有特異性強(qiáng)、靈敏度高和操作簡便、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn),通過考查待測樣品與標(biāo)記性DNA探針能否形成雜交分子,即可判斷樣品中是否含有此種微生物,并且還可以通過測定放射性強(qiáng)度以考查樣品中微生物數(shù)量8。2蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程是在基因重組技術(shù)、生物化學(xué)、分子生物學(xué)、分子遺傳學(xué)等學(xué)科的基礎(chǔ)之上,融合了蛋白質(zhì)晶體學(xué)、蛋白質(zhì)動力學(xué)、蛋白質(zhì)化學(xué)和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)等多學(xué)科而發(fā)展起來的新興研究領(lǐng)域。蛋白質(zhì)工程可以按照人類的需求創(chuàng)造出原來不曾有過、具有不同功能的蛋白質(zhì)及其新產(chǎn)品,或生產(chǎn)具有特定氨基酸順序、高級結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生理功能的新型蛋白質(zhì),可以定向改造酶的性能,生產(chǎn)新型功能性食品。2.1改善凝乳酶性

10、質(zhì)在干酪加工中,凝乳酶作為重要的凝結(jié)劑而被廣泛應(yīng)用。在動物凝乳酶供應(yīng)緊缺的情況下,市場上開發(fā)出了多種微生物凝乳酶。但由于其它酶類在特異性、凝結(jié)活性、蛋白分解活性、最適pH值、熱穩(wěn)定性等性質(zhì)上與天然凝乳酶有一定的差異,因此在食品加工中易引起產(chǎn)量降低和成熟中出現(xiàn)不良風(fēng)味的缺點(diǎn)。通過凝乳酶蛋白質(zhì)工程技術(shù)的研究,目前已經(jīng)在解釋酶的某些結(jié)構(gòu)與功能性質(zhì)、基團(tuán)與功能性質(zhì)、酶的翻譯和激活等方面取得了一定進(jìn)展,在改變酶的某些性質(zhì)方面取得了一定效果。這項(xiàng)工程可以潛在地增強(qiáng)和優(yōu)化凝乳酶的各項(xiàng)酶學(xué)性質(zhì),為凝乳酶資源的開發(fā)和在食品加工中的合理利用帶來了光明的前景9。2.2研究和優(yōu)化纖維素酶的性質(zhì)纖維素酶是糖苷水解酶的一

11、種,它可以將纖維素水解成單糖,進(jìn)而發(fā)酵成乙醇,從而解決農(nóng)業(yè)、再生能源以及環(huán)境污染等問題。為了更好地利用纖維素,愈來愈多的國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注纖維素酶的研究。蛋白質(zhì)工程作為一種工具用來研究纖維素酶的催化機(jī)制,主要包括對潛在活性中心氨基酸殘基進(jìn)行基因定點(diǎn)突變、體外分子定向進(jìn)化和對定點(diǎn)突變酶進(jìn)行動力學(xué)分析。通常采用基因定點(diǎn)突變技術(shù)對典型纖維素酶家族序列不變殘基和三維構(gòu)像進(jìn)行確認(rèn),并通過設(shè)計(jì)新的三維復(fù)合體來對酶進(jìn)行修整和探索10。3細(xì)胞工程細(xì)胞工程是在細(xì)胞水平上改造生物遺傳特性和生產(chǎn)性能,以獲得特定的細(xì)胞、細(xì)胞產(chǎn)品或新生物體的技術(shù),包括細(xì)胞融合、細(xì)胞培養(yǎng)及細(xì)胞核移植等。利用細(xì)胞雜交、細(xì)胞培養(yǎng)等技術(shù)可獲得

12、遺傳性狀有所改良的新菌株或動植物細(xì)胞、生產(chǎn)食品添加劑與酶制劑等。3.1細(xì)胞工程育種在細(xì)胞水平上的原生質(zhì)體制備與融合有利于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)緣遺傳物質(zhì)的直接交換,促進(jìn)遺傳資源的創(chuàng)新。王建華等利用曲霉種間的原生質(zhì)體融合獲得了比親本菌株淀粉酶產(chǎn)量提高114.00%204.81%,且耐高溫性能也有所提高的新菌株11。再如,大多數(shù)難以栽培的食用菌都與植物有共生或寄生關(guān)系,人工栽培出菇問題一直無法解決,原生質(zhì)體融合技術(shù)則可以去除細(xì)胞壁的屏障,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)緣雜交,為難以人工栽培的食用菌育種提供了新方法12。3.2細(xì)胞培養(yǎng)利用細(xì)胞工程技術(shù)生產(chǎn)生物來源的天然食品或天然食品添加劑,是細(xì)胞工程的一個重要領(lǐng)域,應(yīng)用范圍包括生產(chǎn)天然藥

13、物(人參皂苷、紫杉醇、長春堿等、食品添加劑(花青素、胡蘿卜素、紫草色素、天然香料等和酶制劑(S OD酶、木瓜蛋白酶等等。S OD是一種頗受關(guān)注的酶,目前S OD主要從動物血液中分離和純化獲得,由于血液中含有大量的雜蛋白,分離純化工藝復(fù)雜,難以達(dá)到要求;天然植物中分離和純化S OD,又受到地理環(huán)境和氣候條件等影響,難以滿足需求。李志勇等研究了大蒜細(xì)胞在發(fā)酵罐培養(yǎng)過程中S OD合成及培養(yǎng)基中各種基質(zhì)的消耗規(guī)律,獲得的最大生物量和S OD總酶活分別為163g D W/L和7.72×104U/L,取得了較好的放大效果,為植物細(xì)胞培養(yǎng)S OD的工業(yè)化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)13。袁麗紅等對細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)的

14、紫草色素與天然紫草色素進(jìn)行了理化性質(zhì)的比較研究,結(jié)果表明,兩者的組成成分基本一致,耐熱性、耐氧化性及不同pH值條件下顏色的變化無明顯差異,這表明工業(yè)化生產(chǎn)天然色素、天然香料等具有較好的發(fā)展前景14。4酶工程酶工程是指利用酶、細(xì)胞或細(xì)胞器等具有的特異催化功能,借助生物反應(yīng)裝置和通過一定的工藝手段生產(chǎn)出人類所需要產(chǎn)品。酶工程在食品工程中的應(yīng)用技術(shù)已經(jīng)比較成熟,包括各種酶的開發(fā)和生產(chǎn)、酶的分離和純化、酶或細(xì)胞的固定化技術(shù)15、固定化酶反應(yīng)器的研制以及酶的應(yīng)用等。4.1開發(fā)新型食品添加劑近年來在發(fā)達(dá)國家,酶工程加快了新酶源的開發(fā),使功能性食品添加劑,如營養(yǎng)強(qiáng)化劑、低熱量的甜味劑、食用纖維和脂肪替代品等

15、得到迅速發(fā)展16。甜菊苷是一種非營養(yǎng)型功能性甜味劑。甜菊苷具有輕微的苦澀味,通過酶法改質(zhì)后可除去苦澀味,從而改善了其風(fēng)味。酶處理方法是在甜菊苷溶液中加入葡萄糖基化合物,采用葡萄糖基轉(zhuǎn)移酶處理,生成葡萄基甜菊苷。甘草中所含的甜味物質(zhì)甘草苷是一種功能性甜味劑,具有補(bǔ)脾益氣、解毒保肝、潤肺止咳的功效。甘草苷經(jīng)-葡糖苷酸酶處理,生成單葡糖苷酶基甘草酸,其甜度為甘草甜素的5倍,是高甜度的甜味劑和解毒劑。4.2酶工程在食品保鮮中的應(yīng)用酶制劑保鮮技術(shù)是利用酶的催化作用,防止或消除外界因素對食品的不良影響,從而保持食品原有的優(yōu)良品質(zhì)與特性的技術(shù)。例如葡萄糖氧化酶加在瓶裝飲料中,吸去瓶頸空隙中氧而延長保鮮期;溶

16、菌酶對革蘭氏陽性菌有較強(qiáng)的溶菌作用,可用于肉制品、干酪、水產(chǎn)品、乳制品、水果等的保鮮,且具無毒5315期華寶珍等:現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用研究進(jìn)展性、底物專一、高度催化、作用條件溫和等優(yōu)點(diǎn)17。4.3食品分析與檢測方面的應(yīng)用由于酶具有特異性,因此,也適合于動植物化學(xué)組分的定性和定量分析。例如,采用檸檬酸裂解酶測定檸檬酸的含量18,采用乙醇脫氫酶測定食品中的乙醇含量19。Niculescu M等也報(bào)道了一種基于乙醇脫氫酶的傳感器,它可以靈活自動地進(jìn)行白酒分析,能夠?qū)Π拙瓢l(fā)酵過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,具有選擇性好、靈敏度高、測量簡便、快速等優(yōu)點(diǎn)20。此外,在食品中加入一種或幾種酶,根據(jù)它們作用于食品

17、中某些組分的結(jié)果,可以評價(jià)食品的質(zhì)量,這是一種十分簡便的方法。5發(fā)酵工程發(fā)酵工程是指采用工程技術(shù)手段,利用微生物和有活性離體酶的某些功能,為人類生產(chǎn)有用的生物產(chǎn)品,或者直接用微生物參與控制某些生產(chǎn)的一種技術(shù)?，F(xiàn)代發(fā)酵工程包括微生物資源的開發(fā)利用、微生物菌種的選育、固定化細(xì)胞技術(shù)、生物反應(yīng)器設(shè)計(jì)、發(fā)酵條件的利用及自動化控制、發(fā)酵產(chǎn)品的分離與提純等技術(shù)。發(fā)酵工程技術(shù)涉及到新食品配料、食品加工催化劑、飲料穩(wěn)定劑、D -氨基酸及其衍生物制造等諸多食品工業(yè)領(lǐng)域20。5.1改造傳統(tǒng)的食品加工工藝從植物中萃取食品添加劑不僅成本高,而且來源有限。化學(xué)合成法生產(chǎn)食品添加劑雖然成本低,但是化學(xué)合成率低、周期長,而

18、且可能危害人體健康。因此,生物技術(shù),尤其是發(fā)酵工程技術(shù)成為食品添加劑生產(chǎn)的首選方法。目前,利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的食品添加劑主要有維生素C、維生素B12、維生素B2、甜味劑、增香劑和色素等產(chǎn)品。發(fā)酵工程生產(chǎn)的天然色素、天然新型香味劑正在逐步取代人工合成的色素和香精。5.2開發(fā)大型真菌一些藥用真菌,如靈芝、冬蟲夏草、茯苓等,含有調(diào)節(jié)機(jī)體免疫功能、抗癌、防衰老的有效成分,是發(fā)展功能性食品的一個重要原料來源。對于這些名貴的藥用真菌,一方面可通過野外采摘和人工種植相結(jié)合的方式進(jìn)行資源收集,但是這種方式的產(chǎn)量低,易受天氣和季節(jié)的影響;另一方面,則可以通過發(fā)酵途徑實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),例如河北省科學(xué)院微生物研究所等

19、篩選出了繁殖快、生物量高的優(yōu)良靈芝菌株,應(yīng)用于深層液體發(fā)酵研究并取得了成功,建立了一整套發(fā)酵和提取新工藝,為研制功能性食品提供更為廣闊的藥材原料。發(fā)酵培養(yǎng)蟲草菌也在中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院藥物研究所實(shí)現(xiàn),分析其產(chǎn)品的化學(xué)成分和藥理功效,與天然冬蟲夏草基本一致。6前景展望隨著生命科學(xué)和生物技術(shù)日新月異的發(fā)展,代謝組學(xué)、蛋白質(zhì)組學(xué)、生物芯片、生物信息學(xué)等重大技術(shù)相繼問世并取得了快速發(fā)展,大大擴(kuò)展了生物技術(shù)的涵蓋范圍,也為現(xiàn)代生物技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用奠定了更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)21,22。在現(xiàn)代生物技術(shù)快速發(fā)展的帶動下,食品工業(yè)必將會有更加廣闊的前景。參考文獻(xiàn):1孫建全,張倩,馬建軍,等.基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的

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