基因工程與食品產(chǎn)業(yè)課件

第二章基因工程與食品產(chǎn)業(yè)

第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用一、利用基因工程改造食品微生物二、利用基因工程改善食品原料的品質(zhì)三、利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝四、利用基因工程生產(chǎn)食品添加劑及功能性食品第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用一、

利用基因工程改造食品微生物（一）

改良微生物菌種（二）

改良乳酸菌遺傳特性

（三）

酶制劑的生產(chǎn)

生物技術(shù)已用于啤酒酵母的改造，如將α－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β－葡聚糖和糊精的啤酒酵母，能夠明顯提高麥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(lèi)活性的嗜殺啤酒酵母已成為實(shí)現(xiàn)純種發(fā)酵的重要措施。

（一）

改良微生物菌種

采用基因工程技術(shù)，將大麥中α-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入啤酒酵母中并實(shí)現(xiàn)高速表達(dá)。這種酵母便可直接利用淀粉進(jìn)行發(fā)酵，無(wú)需麥芽生產(chǎn)α-淀粉酶的過(guò)程，可縮短生產(chǎn)流程，簡(jiǎn)化工序，推動(dòng)啤酒生產(chǎn)的技術(shù)革新。

利用基因工程技術(shù)還可將霉菌的淀粉酶基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌，并將此基因進(jìn)一步轉(zhuǎn)入單細(xì)胞酵母中，使之直接利用淀粉生產(chǎn)酒精。這樣，可以省掉酒精生產(chǎn)中的高壓蒸煮工序，可節(jié)約能源60％，并且生產(chǎn)周期大大縮短。（一）

改良微生物菌種此外，食品生產(chǎn)中所應(yīng)用的食品添加劑或加工助劑，如氨基酸、有機(jī)酸、維生素、增稠劑、乳化劑、表面活性劑、食用色素，食用香精及調(diào)味料等，也可以采用基因工程菌發(fā)酵生產(chǎn)而得到，基因工程對(duì)微生物菌種改良前景廣闊。

（一）

改良微生物菌種（二）

改良乳酸菌遺傳特性

1、抗藥基因

目前，利用乳酸菌發(fā)酵得到的產(chǎn)品很多，如酸奶、干酪、酸奶油、酸乳酒等，已應(yīng)用的乳酸菌基本上為野生菌株。有的野生菌株本身就抗多種抗生素，因而在其使用過(guò)程中，抗藥基因?qū)⒂锌赡芤越Y(jié)合、轉(zhuǎn)導(dǎo)和轉(zhuǎn)化等形式在微生物菌群之間相互傳遞而發(fā)生擴(kuò)散。

2、風(fēng)味物質(zhì)基因

乳酸菌發(fā)酵產(chǎn)物中與風(fēng)味有關(guān)的物質(zhì)主要有乳酸、乙醛、丁二酮、3-羥基-2-丁酮、丙酮和丁酮等?？梢酝ㄟ^(guò)基因工程選育風(fēng)味物質(zhì)含量高的乳酸菌菌株。（二）

改良乳酸菌遺傳特性

3、產(chǎn)酶基因

乳酸菌不僅具有一般微生物所產(chǎn)生的酶系，而且還可以產(chǎn)生一些特殊的酶系，如產(chǎn)生有機(jī)酸的酶系、合成多糖的酶系、降低膽固醇的酶系、控制內(nèi)毒素的酶系、分解脂肪的酶系、合成各種維生素的酶系和分解膽酸的酶系等，從而賦予乳酸菌特殊的生理功能。若通過(guò)基因工程克隆這些酶系，然后導(dǎo)入到生產(chǎn)干酪、酸奶等發(fā)酵乳制品生產(chǎn)用乳酸菌菌株中，將會(huì)促進(jìn)和加速這些產(chǎn)品的成熟。另外，把膽固醇氧化酶基因轉(zhuǎn)到乳酸桿菌中，可降低乳中膽固醇含量。（二）

改良乳酸菌遺傳特性

5、產(chǎn)細(xì)菌素基因

乳酸菌代謝不僅可以產(chǎn)生有機(jī)酸等產(chǎn)物，還可以產(chǎn)生多種細(xì)菌素，然而并不是所有的乳酸菌都產(chǎn)生細(xì)菌素，若通過(guò)生物工程技術(shù)將細(xì)菌素的結(jié)構(gòu)基因克隆到生產(chǎn)用菌株中，不僅可以使不產(chǎn)細(xì)菌素的菌株獲得產(chǎn)產(chǎn)細(xì)菌素的能力，而且為人工合成大量的細(xì)菌素提供了可能。（二）

改良乳酸菌遺傳特性

（三）

酶制劑的生產(chǎn)

利用基因工程技術(shù)不但可以成倍地提高酶的活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構(gòu)建基因工程菌來(lái)生產(chǎn)酶。據(jù)1995年統(tǒng)計(jì)，已有50％的工業(yè)用酶是用轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)的。轉(zhuǎn)基因微生物生產(chǎn)酶的優(yōu)點(diǎn)：產(chǎn)量高、品質(zhì)均一、穩(wěn)定性好、價(jià)格低等。

凝乳酶是第一個(gè)應(yīng)用基因工程技術(shù)把小牛胃中的凝乳酶基因轉(zhuǎn)移至細(xì)菌或真核微生物生產(chǎn)的一種酶。1990年美國(guó)FDA已批準(zhǔn)在干酪生產(chǎn)中使用。

重組DNA技術(shù)生產(chǎn)小牛凝乳酶，首先從小牛胃中分離出對(duì)凝乳酶原專(zhuān)一的mRNA(內(nèi)含子已被切除)，然后借助反轉(zhuǎn)錄酶、DNA聚合酶和St核苷酸酶的作用獲得編碼該酶原的雙鏈DNA。再以質(zhì)粒或噬菌體為運(yùn)載體導(dǎo)入大腸桿菌。（三）

酶制劑的生產(chǎn)

例如，蛋白酶可以改善蛋白質(zhì)的溶解性；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶可以使蛋白質(zhì)分子間發(fā)生交聯(lián)，可用于增加大豆蛋白的膠凝性能，使肉制品等添加大豆蛋白后具有更好的品質(zhì)。

（三）

酶制劑的生產(chǎn)

在食品加工過(guò)程中，通過(guò)添加一些酶類(lèi)，可以改善產(chǎn)品的色澤、風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)。如用葡萄糖氧化酶可以去除蛋液中的葡萄糖，改善蛋制品的色澤；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；木瓜蛋白酶可分解膠原蛋白，用于肉的嫩化。對(duì)于含有難消化成分的食品，可以通過(guò)添加一些酶類(lèi)，改善這些食品的營(yíng)養(yǎng)和消化利用性能。

（三）

酶制劑的生產(chǎn)

第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用二、利用基因工程改善食品原料的品質(zhì)（一）改良動(dòng)物食品性狀

（二）改造植物性食品原料（二）

改造植物性食品原料

1、提高植物性食品氨基酸含量

例如，可以對(duì)賴(lài)氨酸代謝途徑中的各種酶進(jìn)行修飾或加工，從而使細(xì)胞積累更大量的Lys。在植物細(xì)胞中，Lys是由Asp衍生而來(lái)的，在這個(gè)過(guò)程中有兩個(gè)起重要作用的酶，天冬氨酸激酶(AK)和二氫吡啶二羧酸合成酶(DHDPS)。這兩個(gè)酶都受到它們所催化的反應(yīng)的終產(chǎn)物-Lys抑制。因此只要能夠解除Lys對(duì)AK和DHDPS的抑制，就可以在細(xì)胞內(nèi)積累較高含量的Lys?，F(xiàn)在已經(jīng)從玉米等植物中克隆到了對(duì)Lys的抑制作用不敏感的DHDPS的基因，并正在對(duì)轉(zhuǎn)入此基因的植物進(jìn)行檢測(cè)。

還可針對(duì)性地將富含某種特異性的氨基酸的蛋白基因轉(zhuǎn)入目的植物，以提高相應(yīng)植物中的特定氨基酸的含量。例如通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，玉米β-phaseolin富含Met，將此蛋白基因轉(zhuǎn)入豆科植物，就可以大大提高豆科植物種子貯存蛋白的Met含量，而Met正是豆科植物種子貯存蛋白所缺少的成分。（二）

改造植物性食品原料

1、提高植物性食品氨基酸含量

2、增加食品的甜味

非洲有一種植物叫應(yīng)樂(lè)果，研究人員在其果實(shí)中發(fā)現(xiàn)了一種叫做應(yīng)樂(lè)果蛋白的蛋白質(zhì)，咀嚼時(shí)比蔗糖大約甜1.0萬(wàn)倍，而它所含的蛋白質(zhì)卻又不會(huì)在新陳代謝中具有與蔗糖相同的作用，它的這種特性使之成為蔗糖的理想替代品。

0（二）

改造植物性食品原料

還可用基因工程的方法獲得新的糖類(lèi)。例如環(huán)化糊精(CD)就是一種新的糖類(lèi)物質(zhì)。這種物質(zhì)有可能作為一種新型甜味劑用于食品工業(yè)，研究表明，環(huán)化糊精除了具有甜味外還有分解食物中的咖啡因和膽固醇等有害物質(zhì)的功能。將環(huán)化糊精糖基轉(zhuǎn)移酶(CGT)的基因轉(zhuǎn)入植物，可以在轉(zhuǎn)基因植物中獲得環(huán)化糊精。（二）

改造植物性食品原料

2、增加食品的甜味

3、改造油料作物

最易用基因工程方法進(jìn)行改造的油料作物是油菜，迄今為止，在世界范圍內(nèi)種植的良種油菜有31％是轉(zhuǎn)基因品種。（二）

改造植物性食品原料

基因工程在改善農(nóng)作物種子蛋白質(zhì)質(zhì)量方面發(fā)揮著重要作用。如小麥、玉米等谷物種子缺乏賴(lài)氨酸，豆類(lèi)作物種子缺乏蛋氨酸，將富含賴(lài)氨酸和蛋氨酸的種子基因進(jìn)行分離鑒定，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的作物中，可得到營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)較為完全的蛋白質(zhì)。如將巴西堅(jiān)果或豌豆蛋白基因轉(zhuǎn)入大豆中，獲得含有較高含硫氨基酸的轉(zhuǎn)基因大豆。4、改良植物食品的蛋白質(zhì)品質(zhì)

PG在果實(shí)成熟過(guò)程中合成。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到的反義PG番茄，果實(shí)采后的貯藏期可延長(zhǎng)1倍，可以減少因過(guò)熟和腐爛所造成的損失；果實(shí)抗裂、抗機(jī)械損傷、便于運(yùn)輸；抗真菌感染；由于果膠水解受到抑制，用其加工果醬可提高出品率。目前已經(jīng)從桃、獼猴桃、蘋(píng)果、西洋梨、砂梨、鱷梨、番茄、黃瓜、甜瓜、馬鈴薯、玉米、水稻、大豆、煙草、甜菜、油菜、擬南芥等植物中克隆得到PG的編碼基因。5、改善園藝產(chǎn)品的采后品質(zhì)（1）多聚半乳糖醛酸酶（PG）(2)乙烯合成相關(guān)酶基因：采用基因工程手段可控制乙烯生成，如導(dǎo)入反義ACC（1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸）合成酶基因；導(dǎo)入反義ACC氧化酶基因。5、改善園藝產(chǎn)品的采后品質(zhì)ACC合成酶(簡(jiǎn)稱(chēng)ACS)基因：

ACC合成酶是乙烯生物合成的關(guān)鍵酶，由一個(gè)多基因家族所編碼。

目前，已經(jīng)從番茄、蘋(píng)果、康乃馨、綠豆、夏南瓜、筍瓜等植物中得到了ACC合成酶基因。1995年中國(guó)農(nóng)大羅云波等培育出轉(zhuǎn)反義ACS的轉(zhuǎn)基因的番茄，在室溫下可貯存3個(gè)月。ACC氧化酶基因：又叫乙烯形成酶(EFE)，也是乙烯生物合成途徑中的關(guān)鍵酶。在細(xì)胞中的含量比ACC合成酶還少，也是由一個(gè)多基因家族編碼。目前已經(jīng)從番茄、甜瓜、蘋(píng)果、鱷梨、獼猴桃以及衰老的麝香石竹花、豌豆、甜瓜等分離出ACC氧化酶基因。

利用基因工程方法延緩蔬果成熟衰老、控制果實(shí)軟化，提高抗病蟲(chóng)和抗冷害能力等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。5、改善園藝產(chǎn)品的采后品質(zhì)第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（一）利用DNA重組技術(shù)改進(jìn)果糖和乙醇生產(chǎn)方法（二）改良啤酒大麥的加工工藝

（三）

改良小麥種子貯藏蛋白的烘烤特性（四）

改善牛乳加工特性

三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（一）利用DNA重組技術(shù)改進(jìn)果糖和乙醇生產(chǎn)方法

1、利用微生物培養(yǎng)技術(shù)，大量生產(chǎn)所需的酶

2、利用α-淀粉酶的高溫突變體進(jìn)行“高溫”生產(chǎn)這種突變體可在80～90℃時(shí)起作用，在這種高溫下進(jìn)行液化淀粉，加速淀粉的水解，同時(shí)節(jié)約正常淀粉酶水解的冷卻降溫所消耗的能量。

3、改變編碼α-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的基因使它們具有同樣的最適溫度和最適pH值，使液化、糖化在同一條件下進(jìn)行，減少生產(chǎn)步驟，降低生產(chǎn)成本。4、利用DNA重組技術(shù)獲得能夠直接分解粗淀粉的酶可降低能量消耗，提高效率，降低成本。

5、尋找或人工“創(chuàng)造”一種分泌葡萄糖淀粉酶發(fā)酵微生物葡萄糖淀粉酶能將淀粉全部水解成葡萄糖。在發(fā)酵過(guò)程中可不再添加淀粉酶，直接生產(chǎn)果糖或乙醇。三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（二）改良啤酒大麥的加工工藝

啤酒制造對(duì)大麥醇溶蛋白含量有一定要求，如果醇溶蛋白含量過(guò)高會(huì)影響發(fā)酵，使啤酒易產(chǎn)生混濁，也會(huì)增加過(guò)濾的難度。采用基因工程技術(shù)，使另一蛋白基因克隆至大麥中，便可相應(yīng)地降低大麥中的醇溶蛋白含量，以適應(yīng)生產(chǎn)的要求。三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（三）

改良小麥種子貯藏蛋白的烘烤特性

小麥種子貯藏蛋白對(duì)面包烘烤質(zhì)量有很大影響，特別是高分子谷蛋白5(x)和10(y)的亞基有助于面包質(zhì)量的改善，同時(shí)谷蛋白的N—端和C端含有Cys殘基，可形成分子間的二硫鍵，產(chǎn)生高分子量的聚合物，從而使面團(tuán)具有較好的彈性。利用基因工程技術(shù)，通過(guò)增加谷物蛋白的5(x)和10(y)的亞基的拷貝數(shù)、引入Cys殘基以及改變交聯(lián)特性等手段，可使小麥具有更理想的加工特性。三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝（四）

改善牛乳加工特性

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。采用基因操作，使酪蛋白分子中Ala-53被Ser所置換，但可提高其磷酸化，使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。

三、

利用基因工程改進(jìn)食品生產(chǎn)工藝第五節(jié)基因工程在食品產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用四、

利用基因工程生產(chǎn)食品添加劑及功能性食品（一）生產(chǎn)氨基酸（二）生產(chǎn)黃原膠（三）

超氧化物歧化酶(SOD)的基因工程

（四）

應(yīng)用于生產(chǎn)保健食品的有效成分

由于從植物中提取食品添加劑，來(lái)源有限、成本昂貴；化學(xué)合成雖成本較低，但?？赡芪：θ梭w健康。因此，生物技術(shù)，特別是發(fā)酵工程技術(shù)已成為食品添加劑生產(chǎn)的首選方法。

四、

利用基因工程生產(chǎn)食品添加劑及功能性食品目前，國(guó)內(nèi)外重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)的食品添加劑有：甜味劑：木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等；酸味劑：L－蘋(píng)果酸、L－琥珀酸等；氨基酸：各種必需氨基酸；增稠劑：黃原膠、普魯蘭、茁霉多糖、熱凝性多糖等；風(fēng)味劑：多種核苷酸、琥珀酸鈉、香茅醇、雙乙酰等；芳香劑：脂肪酸酯、異丁醇等；色素：類(lèi)胡蘿卜素、紅曲霉色素、蝦青素、番茄紅素等；維生素：維生素C、維生素B12、核黃素、肉堿等；生物活性劑：活性多肽等；天然食品防腐劑：如乳鏈菌肽、殺菌肽、瓜蟾抗菌肽、防御素等。（一）生產(chǎn)氨基酸氨基酸是我國(guó)新型的發(fā)酵工業(yè)產(chǎn)品之一，目前，國(guó)外已有5種氨基酸用重組菌實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)，達(dá)到較高水平（如蘇氨酸、組氨酸、脯氨酸、絲氨酸和苯丙氨酸）。生產(chǎn)色氨酸，在正常的色氨酸生物合成途徑中，其關(guān)鍵酶是鄰氨基苯甲酸合成酶。把編碼這種酶的基因，轉(zhuǎn)化到生產(chǎn)色氨酸的菌株中使之正確高效表達(dá)，就會(huì)達(dá)到增加色氨酸的產(chǎn)量的目的。四、

利用基因工程生產(chǎn)食品添加劑及功能性食品（二）生產(chǎn)黃原膠黃原膠是一種高分子的多糖，其物理化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，常被作為穩(wěn)定劑、乳化劑、加濃劑、懸浮劑使用，在食品加工中用途廣泛。

在奶酪的制作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生一種叫做乳清的副產(chǎn)品。這種副產(chǎn)品乳糖含量高達(dá)3.5％～4％，還有少量的蛋白質(zhì)、礦物質(zhì)和小分子有機(jī)物，但牛奶場(chǎng)卻很難處理這種乳清。研究發(fā)現(xiàn)，大腸桿菌的1acZ操縱子包含了半乳糖苷酶和乳糖滲透酶的基因，這兩個(gè)基因置于X．campetris啟動(dòng)子的驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)入宿主的質(zhì)粒載體中，導(dǎo)入大腸桿菌，然后通過(guò)三親交配轉(zhuǎn)入X．campetris。本來(lái)，野生型的X．campestris不能利用乳糖，只能在以葡萄糖為碳源的環(huán)境中生產(chǎn)黃原膠，而用這兩個(gè)基因轉(zhuǎn)化后，X．campestris菌可利用乳清高水平地生產(chǎn)黃原膠。

（三）

超氧化物歧化酶(SOD)的基因工程

采用基因工程手段改良產(chǎn)酶菌株，近年來(lái)應(yīng)用于超氧化物歧化酶(SOD)。Hallewell