食品生物技術(shù)概論 廖威 食品生物技術(shù)概論 緒論

1、食品生物技術(shù)重慶平安技術(shù)職業(yè)學(xué)院劉振平1.1 食品生物技術(shù)的根本概念1.2 傳統(tǒng)食品生物技術(shù)與現(xiàn)代食品生物技術(shù)1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容 1.4 食品生物技術(shù)在食品工業(yè)開(kāi)展中的地位和作用1.5 食品生物技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展與展望生物技術(shù)的根本概念: 利用活體生物或它們的產(chǎn)物來(lái)生產(chǎn)或修飾一種產(chǎn)品以改進(jìn)植物和動(dòng)物、或開(kāi)展具有特殊用途的微生物的技術(shù)。食品生物技術(shù)的根本概念: 是現(xiàn)代生物技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用，是指以現(xiàn)代生命科學(xué)的研究成果為根底，結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)手段和其他學(xué)科的研究成果，用全新的方法和手段設(shè)計(jì)新型的食品和食品原料。1.1 食品生物技術(shù)的根本概念食品生物技術(shù)的根本概念1.1 食品生物技術(shù)的

2、根本概念生物技術(shù)的根底：DNA操作技術(shù)基因組方案：人類(lèi)基因組和其他生物基因組方案蛋白質(zhì)組學(xué)生物信息學(xué)下游支撐技術(shù)與手段人類(lèi)基因組方案的問(wèn)世和實(shí)施 雖然人類(lèi)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的努力，但解開(kāi)生命雖然人類(lèi)已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的努力，但解開(kāi)生命之謎的愿望還未實(shí)現(xiàn)。以往的失敗使大家認(rèn)識(shí)到，之謎的愿望還未實(shí)現(xiàn)。以往的失敗使大家認(rèn)識(shí)到，單靠一門(mén)學(xué)科的單獨(dú)努力太局限了，難以完成人單靠一門(mén)學(xué)科的單獨(dú)努力太局限了，難以完成人類(lèi)對(duì)自身的認(rèn)識(shí)和保護(hù)?，F(xiàn)在，人們認(rèn)識(shí)到先認(rèn)類(lèi)對(duì)自身的認(rèn)識(shí)和保護(hù)?，F(xiàn)在，人們認(rèn)識(shí)到先認(rèn)識(shí)全局再研究局部也許會(huì)訊捷和方便的多。于是，識(shí)全局再研究局部也許會(huì)訊捷和方便的多。于是，決定開(kāi)始進(jìn)行人的基因組的研究，由此

3、形成了基決定開(kāi)始進(jìn)行人的基因組的研究，由此形成了基因組學(xué)和人類(lèi)基因組方案。因組學(xué)和人類(lèi)基因組方案。人類(lèi)基因組方案人類(lèi)基因組方案牽頭單位：美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究所牽頭單位：美國(guó)能源部、美國(guó)國(guó)家衛(wèi)生研究所參加國(guó)：美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、中國(guó)參加國(guó)：美國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、中國(guó)啟動(dòng)時(shí)間：?jiǎn)?dòng)時(shí)間：1989年年人類(lèi)基因組方案最初的目標(biāo)：測(cè)定人類(lèi)基因組方案最初的目標(biāo)：測(cè)定30億個(gè)堿基對(duì)億個(gè)堿基對(duì)的排列順序，確定基因在染色體上的位置，破譯的排列順序，確定基因在染色體上的位置，破譯人類(lèi)全部遺傳信息。人類(lèi)全部遺傳信息。1.1 食品生物技術(shù)的根本概念 基于現(xiàn)代分子生物學(xué)根底上的基因工程技術(shù)是食

4、品生物技術(shù)的核心和根底，它貫穿于細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程、生物工程下游技術(shù)和現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)之中。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)家畜飼養(yǎng)與農(nóng)業(yè)的歷史 生物技術(shù)可追溯至數(shù)萬(wàn)年前，一些早期農(nóng)耕社會(huì)的人采集野生的種子來(lái)耕作，并馴養(yǎng)一些生活在他們周?chē)囊吧鷦?dòng)作。他們只會(huì)保存其中最有價(jià)值的。借由這種人為篩選，動(dòng)植物能保存野生品種中局部令人滿(mǎn)意的特性，其他方面那么改進(jìn)以益于人類(lèi)。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)古代的植物種源 數(shù)千年前人們就開(kāi)始采集植物，約公元前2500年，蘇美人采集者向西旅行至小亞細(xì)亞取得植物。埃及人采集植物的情形也被描繪在神殿建筑上。到了十六世紀(jì)，植物采集工作已橫越

5、了整個(gè)地球。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)酵食品與飲料的歷史 許多新食品的產(chǎn)生完全是意外，當(dāng)生面團(tuán)制作完成未馬上烘焙，便會(huì)進(jìn)行自發(fā)性的發(fā)酵過(guò)程，經(jīng)過(guò)烘烤后形成了質(zhì)地較輕、較膨脹且美味的面包。酒的起源地?fù)?jù)說(shuō)是底格里斯流域。在某次葡萄果汁受到酵母菌與其他微生物污染后自然發(fā)酵而產(chǎn)生。 公元前221年，周代后期我國(guó)人民就能制作豆腐、醬油和醋。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù) 1909年，摩爾根Thomas Hunt Morgan利用果蠅做遺傳實(shí)驗(yàn)，建立了基因?qū)W說(shuō)，他也成為首位諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的遺傳學(xué)家。 1885年，巴斯德Louis Pasteur首次證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生

6、物純種培養(yǎng)技術(shù)，為發(fā)酵技術(shù)的開(kāi)展提供了理論。 20世紀(jì)20年代，工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始大規(guī)模的純種培養(yǎng)技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇。同年代，Alexander Fleming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉菌可以產(chǎn)生青霉素，并可用于人類(lèi)疾病的治療。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù) 1953年沃森Waston)和克里克Crick)對(duì)威爾金斯Maurice Wilkins) DNA的X-射線(xiàn)衍射圖分析發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，奠定了現(xiàn)代分子生物研究的根底。他們3人因此獲得了1962年的諾貝爾生理學(xué)或醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。1.2 傳統(tǒng)生物技術(shù)與現(xiàn)代生物技術(shù) 1977年，Sanger設(shè)計(jì)出了一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法，即雙脫氧法；同年，

7、Maxam和Gilbert也創(chuàng)造了一種用化學(xué)方法測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法。 1984年，德國(guó)人Kohler、美國(guó)人Mistein和丹麥人Jerne由于開(kāi)展了單克隆抗體技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)。 1986年，美國(guó)科學(xué)家Mullis創(chuàng)造了聚合酶鏈?zhǔn)椒错懠夹g(shù)Polymerase Chain Reaction, PCR)，該技術(shù)為分子檢測(cè)、基因突變、基因工程提供了有力的操作工具。1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容 基因工程技術(shù) 蛋白質(zhì)工程技術(shù) 細(xì)胞組織工程技術(shù) 酶工程技術(shù) 發(fā)酵工程技術(shù) 生物工程下游技術(shù) 現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容基因工程的概念: 利用DNA體外重組或

8、PCR擴(kuò)增技術(shù)從某種生物基因組中別離感興趣的基因，或是用人工合成的方法獲取基因，然后經(jīng)過(guò)一系列切割，加工修飾，連接反響形成重組DNA分子，再將其轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)氖荏w細(xì)胞，以期獲得基因表達(dá)的過(guò)程.1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容細(xì)胞工程的概念: 在細(xì)胞水平研究開(kāi)發(fā)、利用各類(lèi)細(xì)胞的工程。是人們利用現(xiàn)代分子學(xué)和現(xiàn)代細(xì)胞分子學(xué)的研究成果，根據(jù)人們的需求設(shè)計(jì)改變細(xì)胞的遺傳根底，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)等，大量培養(yǎng)細(xì)胞乃至完整個(gè)體的技術(shù)。1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容蛋白質(zhì)工程： 通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)化學(xué)、蛋白質(zhì)晶體學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，獲得有關(guān)蛋白質(zhì)理化特性和分子特性的信息，在此根底上對(duì)編碼蛋白的基因進(jìn)行有目的設(shè)計(jì)改

9、造，通過(guò)基因工程技術(shù)獲得可以表達(dá)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因生物，這個(gè)生物系統(tǒng)可以是轉(zhuǎn)基因微生物、植物、動(dòng)物，甚至可以是細(xì)胞系統(tǒng)。1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容酶工程的概念:是酶學(xué)與工程學(xué)的相互滲透和結(jié)合所開(kāi)展起來(lái)以酶為研究對(duì)象，改造并應(yīng)用酶的特異催化功能。目標(biāo)就是通過(guò)工程化技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)和轉(zhuǎn)化相應(yīng)原料成為有用物質(zhì)的技術(shù)。傳統(tǒng)的酶工程主要是指天然酶制劑在工業(yè)上的大規(guī)模生產(chǎn)與應(yīng)用。隨著科學(xué)的開(kāi)展，尤其是基因工程技術(shù)的日趨完善，為酶工程賦予了新的內(nèi)容，特別是利用DNA操作技術(shù)，修飾改造酶分子的結(jié)構(gòu)或活性位點(diǎn)、酶與底物作用位點(diǎn)，重組酶的生產(chǎn)，模擬酶的人工設(shè)計(jì)與合成等成為新的內(nèi)容。1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容發(fā)酵

10、工程的概念： 現(xiàn)代發(fā)酵工程是將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程等學(xué)科根本原理有機(jī)結(jié)合，是建立在基因工程技術(shù)根底上的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)性學(xué)科。包括兩方面內(nèi)容：生命科學(xué)研究和現(xiàn)代工程技術(shù)。1.3 食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容生物工程下游技術(shù)： 將發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和細(xì)胞工程生產(chǎn)的生物原料，經(jīng)過(guò)提取、別離、純化、加工等步驟，最終形成產(chǎn)品的技術(shù)?，F(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)： 建立在現(xiàn)代分子生物學(xué)、免疫學(xué)、微電子技術(shù)、多種別離技術(shù)、探測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)等多門(mén)學(xué)科根底上的。主要包括：核酸分子檢測(cè)技術(shù)、蛋白質(zhì)分子檢測(cè)技術(shù)、生物芯片和生物傳感器。 基因工程胰島素：胰島素是治療糖尿病的特效藥，長(zhǎng)期以來(lái)只能依靠從豬、牛等動(dòng)物的胰腺

11、中提取，100 kg胰腺只能提取4-5 g的胰島素，其產(chǎn)量之低和價(jià)格之高可想而知。 將合成的胰島素基因?qū)氪竽c桿菌，每2000 L培養(yǎng)液就能產(chǎn)生100 g胰島素！大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)不但解決了這種比黃金還貴的藥品產(chǎn)量問(wèn)題，還使其價(jià)格降低了30%-50%! 其它基因工程藥物：人造血液、白細(xì)胞介素、乙肝疫苗等通過(guò)基因工程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，均為解除人類(lèi)的病苦，提高人類(lèi)的健康水平發(fā)揮了重大的作用?？寺⊙蚩寺∪丝寺∪?基因診斷與基因治療基因診斷與基因治療w 運(yùn)用基因工程設(shè)計(jì)制造的“DNA探針檢測(cè)肝炎病毒等病毒感染及遺傳缺陷，不但準(zhǔn)確而且迅速。通過(guò)基因工程給患有遺傳病的人體內(nèi)導(dǎo)入正?；蚩伞耙淮涡越獬∪说募部?/p>

12、。w SCID的基因工程治療：重癥聯(lián)合免疫缺陷SCID患者缺乏正常的人體免疫功能，只要稍被細(xì)菌或者病毒感染，就會(huì)發(fā)病死亡。這個(gè)病的機(jī)理是細(xì)胞的一個(gè)常染色體上編碼腺苷酸脫氨酶簡(jiǎn)稱(chēng)ADA的基因ada發(fā)生了突變?？梢酝ㄟ^(guò)基因工程的方法治療。基因治療SCID的過(guò)程1.4 食品生物技術(shù)在食品工業(yè)中的地位和作用1.4 食品生物技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展與展望生物技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域:醫(yī)藥： 生物制藥；基因治療；人工器官農(nóng)業(yè)和畜牧業(yè) 轉(zhuǎn)基因植物：抗病蟲(chóng)害新品種、抗逆新品種、 高品質(zhì)新品種 轉(zhuǎn)基因動(dòng)物：生產(chǎn)有用蛋白質(zhì)和高品質(zhì)的畜產(chǎn)品 生物反響器：利用動(dòng)植物細(xì)胞或組織作為生物反響器，直接生產(chǎn)有 用蛋白質(zhì)輕工與食品 新型食品；營(yíng)養(yǎng)

13、食品；保健食品；輕工用酶 環(huán)境 污染治理；廢物利用；污染物生物降解1.4 食品生物技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展與展望生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已有35個(gè)科120多種植物獲得轉(zhuǎn)基因植物，一些重要的農(nóng)作物獲得商品化的轉(zhuǎn)基因品種。種植面積迅猛開(kāi)展。采用的基因正在從抗除草劑、抗菌素、抗病蟲(chóng)害基因到抗逆境、高品質(zhì)方向開(kāi)展。由單個(gè)質(zhì)量性狀基因向多基因數(shù)量性狀轉(zhuǎn)變。植物反響器生產(chǎn)稀有蛋白。1.4 食品生物技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)展與展望生物技術(shù)與傳統(tǒng)中藥中藥現(xiàn)代化核心是建立與現(xiàn)代基因?qū)W說(shuō)相應(yīng)的現(xiàn)代中藥理論現(xiàn)代中藥理論的建立確立中藥與基因表達(dá)的關(guān)系 中藥藥靶基因或作用位點(diǎn)基因的尋找 中藥化學(xué)組：中藥有效成分包括較單一的成分和多種成分 中藥

14、臨床藥效的科學(xué)評(píng)價(jià)與分析方法生物技術(shù)的應(yīng)用 中藥基因組利用現(xiàn)代生物技術(shù)研究分析中藥對(duì)人體細(xì)胞基因表達(dá)蛋白質(zhì)的影響。 技術(shù)平臺(tái)：大規(guī)?；虮磉_(dá)分析基因芯片、SAGE、蛋白質(zhì)組等技術(shù)以及相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫(kù)的建立 中藥化學(xué)組利用現(xiàn)代儀器分析技術(shù)分析有效成分及其藥物代謝、動(dòng)力學(xué)。 技術(shù)平臺(tái)：色譜及色譜-質(zhì)譜，色譜-波譜，波譜-波譜聯(lián)用等分析技術(shù)與層析、臨界萃取等別離技術(shù)轉(zhuǎn)基因食品什么是轉(zhuǎn)基因生物什么是轉(zhuǎn)基因生物(GMO)?(GMO)? 是將某一個(gè)原生的物種，以人工的方法，轉(zhuǎn)殖接入其它物是將某一個(gè)原生的物種，以人工的方法，轉(zhuǎn)殖接入其它物種的基因，或者是將該物種的基因做修飾改造后，所產(chǎn)生的新種的基因，或者是將

15、該物種的基因做修飾改造后，所產(chǎn)生的新的物種。這個(gè)新物種就具備新的基因型，也因此會(huì)有新的性狀。的物種。這個(gè)新物種就具備新的基因型，也因此會(huì)有新的性狀。轉(zhuǎn)基因食品？轉(zhuǎn)基因食品？ 是以基因改造生物本身作為食品，或者是成份中含有基因是以基因改造生物本身作為食品，或者是成份中含有基因改造生物的食品。一個(gè)物種的某一種性狀通常是因?yàn)樗邆淞烁脑焐锏氖称贰Ｒ粋€(gè)物種的某一種性狀通常是因?yàn)樗邆淞四硞€(gè)些基因，而因?yàn)檫@個(gè)基因表現(xiàn)，合成這個(gè)基因工的蛋某個(gè)些基因，而因?yàn)檫@個(gè)基因表現(xiàn)，合成這個(gè)基因工的蛋白質(zhì)，再由這個(gè)蛋白質(zhì)來(lái)具體呈現(xiàn)該性狀。白質(zhì)，再由這個(gè)蛋白質(zhì)來(lái)具體呈現(xiàn)該性狀。目前主要的轉(zhuǎn)基因食品有哪些？世界上哪一個(gè)國(guó)

16、家生產(chǎn)最多？ 根據(jù)統(tǒng)計(jì)，基因改造大豆、玉米、油菜、棉花是目前全球的四大基因改造作物。 美國(guó)是生產(chǎn)基因改造作物最多的國(guó)家，基因改造作物已是近年來(lái)的種植主流。此外，加拿大、阿根廷、巴西、中國(guó)、印度、南非、西班牙、澳洲等國(guó)家也種植基因改造農(nóng)作物。 2021美國(guó)依然是世界上最大的轉(zhuǎn)基因作物種植國(guó)家，去年共使用6680萬(wàn)公頃土地種植大豆、玉米、棉花、油菜籽、菜瓜、木瓜、苜蓿和甜菜。巴西那么居第二位，在2540萬(wàn)公頃土地上大量種植轉(zhuǎn)基因大豆、玉米和棉花，去年的種植面積比2021年增加了19%。 基因食品的類(lèi)型抗逆境型： 耐除草劑、抗逆境、抗蟲(chóng)害控熟型： 使作物熟期提前或延遲，錯(cuò)開(kāi)盛產(chǎn)期。營(yíng)養(yǎng)型： 轉(zhuǎn)入作物

17、中所缺乏的營(yíng)養(yǎng)素產(chǎn)生基因，而生產(chǎn)高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的作物，以防止?fàn)I養(yǎng)素缺乏癥。如黃金米。保健型: 轉(zhuǎn)入病體抗原基因或毒素基因至糧食作物或果樹(shù)中，借由植物的攝取而獲得疫苗。由將預(yù)防疾病動(dòng)脈硬化或骨質(zhì)疏松癥的食物成分相關(guān)基因轉(zhuǎn)入植物，以獲得保健上的成效。例如，無(wú)咖啡因茶和咖啡。新品種： 利用基因重組技術(shù)形成新品種，改善原產(chǎn)品的品質(zhì)、質(zhì)地、風(fēng)味等，以適應(yīng)或開(kāi)拓市場(chǎng)。加工型： 為從事食品加工是所需的而研發(fā)的基因改造食品。增產(chǎn)型： 轉(zhuǎn)入與產(chǎn)量相關(guān)的基因。轉(zhuǎn)基因食品有以下優(yōu)點(diǎn)：增強(qiáng)農(nóng)作物的抵抗力 如對(duì)蟲(chóng)害的抵抗力，從而減少使用殺蟲(chóng)劑防蟲(chóng)。占美國(guó)玉米產(chǎn)量三分之二的抗蟲(chóng)玉米，可使一年的玉米產(chǎn)量增加一千萬(wàn)噸。適應(yīng)惡劣環(huán)

18、境 使農(nóng)作物更能適應(yīng)不利的生長(zhǎng)環(huán)境，如干旱抗旱、含高鹽分土壤或特別濕潤(rùn)的環(huán)境。例如，改變作物的亞麻油酸含量，使其可以忍受低溫及霜害。轉(zhuǎn)基因食品有以下優(yōu)點(diǎn)：增加農(nóng)作物的產(chǎn)量 全球自1996年2021年為止，基因改造作物栽培面積已經(jīng)從170萬(wàn)公頃，迅速竄升到公頃，增加87倍。根據(jù)聯(lián)合國(guó)世界糧農(nóng)組織統(tǒng)計(jì)，2030年世界人口將由03年60億人增加到81億人，其中8億1500萬(wàn)人可能將處于饑餓狀態(tài)。2021年全球轉(zhuǎn)基因作物的種植面積比上一年增加10% .改進(jìn)農(nóng)作物的營(yíng)養(yǎng)狀態(tài) 增加稻米的蛋白質(zhì)含量，或是降低作中的脂肪含量等等。至于維生素A、碘和鋅等世界性營(yíng)養(yǎng)缺乏的問(wèn)題，更可能經(jīng)由基因重組的技術(shù)，使作物成為營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的自然食品。轉(zhuǎn)基因食品有以下優(yōu)點(diǎn)：改進(jìn)食品的外觀、味道和口感 經(jīng)基因重組技術(shù)改進(jìn)過(guò)的番茄，可以延緩成熟，使采收到的運(yùn)送到市場(chǎng)的時(shí)間可以