基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用

基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用【摘要】：闡述了基因工程的技術(shù)溯源，論述了基因工程在食品工業(yè)方面的應(yīng)用，提出與生產(chǎn)實踐相結(jié)合的實例；詳細(xì)介紹了基因工程食品的由來，展望了基因工程技術(shù)在食品工業(yè)領(lǐng)域中的美好開展前景。【關(guān)鍵詞】：基因工程食品工業(yè)轉(zhuǎn)基因食品生物技術(shù)是當(dāng)今迅速開展的一個高新技術(shù)領(lǐng)域，是21世紀(jì)最具有開展?jié)摿Φ男屡d產(chǎn)業(yè)，它涵蓋了基因工程、細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程和生物化學(xué)工程其中基因工程開展迅猛，已經(jīng)成為生物科學(xué)領(lǐng)域最有生命力、最引人注目的前沿科學(xué)。目前，生物技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)保等工業(yè)部門，而且隨著對生物分子認(rèn)識水平和改造生物遺傳物質(zhì)手段的提高，生物技術(shù)必將為有效解決長期困擾人類的糧食短缺、疑難病癥、能源危機、環(huán)境污染等問題帶來美好的前景。一、基因工程基因工程就是采用類似工程技術(shù)的方法，將不同生物或人工合成的DNA,按照設(shè)計方案重新組合，并在特定的受體細(xì)胞中與載體一起得到復(fù)制與表達(dá)?；蚬こ讨饕▋蓚€步驟：首先是從某些生物細(xì)胞中取得所需要的DNA片段,或在人工控制下合成這種DNA片段，即獲得目的基因，再取得基因的載體，使二者進(jìn)展體外重組；然后將重組的DNA轉(zhuǎn)化到受體的活細(xì)胞中去，改變受體細(xì)胞的遺傳特性?；蚬こ贪―NA重組、表達(dá)和克隆，是生物工程核心內(nèi)容。1.開展1973年美國斯坦福大學(xué)和舊金山大學(xué)Coken和Boyer2位科學(xué)家成功地實現(xiàn)了DNA分子重組實驗，揭開了基因工程開展的序幕[3],意味著人類有能力按照自己的意愿去操作不同的基因；1982年美國一家公司成功地把細(xì)菌抗卡那霉素的基因轉(zhuǎn)入向日葵。1997年2月23日，克隆羊“多利在英國誕生，世界為之震動，這是基因工程技術(shù)上劃時代的突破。利用基因工程技術(shù)將一些微生物、動物或植物的基因植入另一種微生物、動物或植物中，承受的一方面由此獲得了一種它所不能自然擁有的品質(zhì)。它可分為：植物性轉(zhuǎn)基因食品、動物性轉(zhuǎn)基因食品和基因工程菌。二、基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用（一）改善食品原料品質(zhì)與加工性能基因工程應(yīng)用于植物食品原料的生產(chǎn)上，可進(jìn)展品種改進(jìn)，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、抗昆蟲或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物。除增加產(chǎn)量外，還應(yīng)用于改進(jìn)農(nóng)作物品種特性方面，如利用反義RNA技術(shù)可以控制轉(zhuǎn)基因番茄的成熟期，并延長其儲存期?；蚬こ踢€可用于改進(jìn)玉米、稻米等谷類氨基酸組成及含量，提高谷類營養(yǎng)價值。油脂在提煉、加工及儲存過程中，油脂的酸敗是導(dǎo)致油脂品質(zhì)下降的主要原因。目前豆類中的脂氧合酶催化脂肪酸氧化，在豆類制品的變味和油脂酸敗過程中扮演重要角色。因此，利用生物技術(shù)改進(jìn)豆類油脂品質(zhì)也是未來的開展方向。傳統(tǒng)上，畜牧從業(yè)者為了使飼養(yǎng)的動物有更好的生長狀況和品質(zhì)，通常只能從飼料和生長環(huán)境上加以控制。而以基因工程的方法那么可通過轉(zhuǎn)入適當(dāng)?shù)耐庠椿蚧驅(qū)ψ陨淼幕蚣右孕揎棧瑏斫档徒Y(jié)締組織的交聯(lián)度，改善品質(zhì)。通過外源生長激素在受體魚中的表達(dá)，可使轉(zhuǎn)基因魚的肌肉蛋白含量和飼料轉(zhuǎn)換效率明顯提高，生長速度加快。生長激素轉(zhuǎn)基因豬也取得了相似的效果且減少了脂肪,增加了瘦肉率。（二）改進(jìn)食品工業(yè)用菌種食品工業(yè)如酒類、醬油、醬類、食醋、乳酸菌飲料等的開展，關(guān)鍵在于是否有優(yōu)良的微生物菌種，應(yīng)用基因工程、細(xì)胞融合及傳統(tǒng)微生物突變育種技術(shù)從事發(fā)酵菌種的改進(jìn)研究已為數(shù)不少。發(fā)酵工業(yè)的關(guān)鍵步驟之一是如何獲取優(yōu)良菌株的，除常用的誘變、雜交和原生質(zhì)體融合等傳統(tǒng)方法外，與基因工程結(jié)合，大力改造菌種，給發(fā)酵工業(yè)帶來生機，如能表達(dá)目的基因的基因工程菌的開發(fā)。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較的，故其資源的開發(fā)有很大的潛力。美國的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)時間。〔三〕保健食品和食品疫苗利用基因工程技術(shù)可以研制特種保健品的有效成分。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XX醫(yī)學(xué)遺傳所與復(fù)旦大學(xué)合作的轉(zhuǎn)基因羊的乳汁中就含有人的凝血因子，為通過動物大量廉價生產(chǎn)人類所需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(dǎo)入某些植物受體細(xì)胞中，并使其在受體植物細(xì)胞中得以表達(dá)，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，有的那么不經(jīng)提純即可直接食用。如2002年，中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所通過重組DNA技術(shù)選育出具有抗肝炎功能的番茄，食用這些番茄后即可產(chǎn)生類似乙肝疫苗的預(yù)防效果。目前，已獲成功的還有狂犬病病毒、不耐熱腸毒素、鏈球菌突變株外表蛋白等十多種轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、香蕉的食用疫苗。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，卻具有很好的開展?jié)摿??！菜摹掣倪M(jìn)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)的迅速開展，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(jìn)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l一氨基環(huán)丙烷一1一梭酸合成酶（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(dǎo)致乙烯產(chǎn)生急劇上升，促進(jìn)果實成熟。在對這兩種酶基因克隆成功的根底上，可以利用反義基因技術(shù)抑制這兩種基因的表達(dá)，從而到達(dá)延緩果實成熟，延長保質(zhì)期的目的。利用反義RNA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(dǎo)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9.5%，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(fù)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(jìn)展，并已擴大到了草茍、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(xì)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?！参濉潮ｕr性能用基因工程的方法將ACC復(fù)原酶和ACC氧化酶的反義基因和外源的ACC脫氨酶基因?qū)胝Ｖ仓曛?，獲得乙烯缺陷型植株，到達(dá)控制果實成熟的目的，已在番茄中實現(xiàn)。把魚中抗凍蛋白基因整合植入蔬菜和水果中時，可明顯改善果蔬食品冷凍后的品質(zhì)?！擦呈称窓z測基因工程用于食品檢測主要有兩方面：1.食品微生物的檢測，采用核酸探針〔基因探針〕和多聚酶鏈反響技術(shù)檢測食品中的致病菌。2.用于食品中轉(zhuǎn)基因成分的檢測。DNA探針食品檢測中的應(yīng)用；用DNA探針檢測食品中微生物的關(guān)鍵是DNA探針的構(gòu)建。為保證檢測結(jié)果的高度特異性，必須根據(jù)具體的檢測目標(biāo)，構(gòu)建不同的DNA探針。構(gòu)建用于檢測食品中微生物的DNA探針的原那么是，以待檢微生物中特異性保守基因序列為目標(biāo)DNA，以該序列的互補DNA作為雜交探針，對一般微生物而言，可以用決定該微生物特有的生理、生化特征的基因序列構(gòu)建特異性的DNA探針。單核細(xì)胞增生利斯特氏菌是一種病原菌，kerdahi等用非放射性DNA探針和酶聯(lián)免疫測定相結(jié)合，來檢測食品中的單核細(xì)胞增生利斯特氏菌，結(jié)果說明該方法不受伊氏利斯特氏菌等其它利斯特氏菌的影響，具有高度的專一性，可以將單核細(xì)胞增生利斯特氏菌和其它利斯特氏菌區(qū)分開，并可節(jié)省分析時間.O’Connor等用PCR結(jié)合DNA探針來檢測和鑒定食品中的利斯特氏菌和單核細(xì)胞增生利斯特氏菌，根據(jù)16SrRNA和23SrRNA基因間的間隔區(qū)序列設(shè)計PCR引物，將PCR產(chǎn)物和利斯特氏菌以及單核細(xì)胞增生利斯特氏菌的特定寡核昔酸探針進(jìn)展雜交，通過比色法測定雜交體，結(jié)果說明最低檢測限度為1-10cfu/25ml樣品，可以用于食品的檢測。〔七〕轉(zhuǎn)基因食品商業(yè)化的轉(zhuǎn)基因食品按照其來源可分為植物、動物和微生物轉(zhuǎn)基因食品。植物轉(zhuǎn)基因食品從來源上看，涉及的食品或食品原料主要包括大豆、玉米、番茄、甜椒、西葫蘆等；動物轉(zhuǎn)基因食品主要是利用胚胎移植技術(shù)培養(yǎng)生長速率快、抗病能力強、肉質(zhì)好的動物或動物制品，但由于技術(shù)方面的原因，轉(zhuǎn)基因動物的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于轉(zhuǎn)基因植物的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，至今還沒有商品化的轉(zhuǎn)基因動物養(yǎng)殖品種；轉(zhuǎn)基因微生物食品主要是利用微生物的相互作用，培養(yǎng)一系列對人類有利的新物種。轉(zhuǎn)基因食品大致可分為兩大類；一類是改造原有基因，使一些性狀不表現(xiàn)出來，如保鮮西紅柿，就是通過阻止其中腐爛基因表達(dá)來延長它的保存期；另一類是導(dǎo)入其他基因，從而使其產(chǎn)生新的性狀，如在乳酸菌中導(dǎo)入低聚糖基因，能起到預(yù)防心血管疾病的作用?！舶恕车鞍踪|(zhì)蛋白質(zhì)是人類不可缺少的營養(yǎng)素之一，雖然有許多食物中富含蛋白質(zhì)，但真正高品質(zhì)的蛋白質(zhì)很少。如植物蛋白和動物蛋白各有利弊，由于其含量不高或比例不恰當(dāng)，可能導(dǎo)致蛋白營養(yǎng)不良。采用轉(zhuǎn)基因的方法，生產(chǎn)具有合理營養(yǎng)價值的食品，讓人們只需吃較少的食品，就可以滿足營養(yǎng)需求。例如，豆類植物中蛋氨酸的含量很低，但賴氨酸的含量很高；而谷類作物中的蛋白質(zhì)含量正相反，通過基因工程技術(shù)，可將谷類植物基因?qū)攵诡愔参铮_發(fā)蛋氨酸含量高的轉(zhuǎn)基因大豆［4］。我國學(xué)者把玉米種子中克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因?qū)腭R鈴薯中，使轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中的必需氨基酸提高了10%以上，硫氨基酸尤為顯著［5］。美國FloridaGainesville大學(xué)的科學(xué)家將外來的高分子量面筋蛋白基因?qū)胍黄胀ㄐ←溨?，獲得了含量更多的高分子量面筋蛋白質(zhì)的小麥，這樣的小麥面筋蛋白具有良好的延伸性和彈性［6］?！簿拧秤椭澄镏懈鞣N脂肪酸對人體起不同作用，可以通過對鏈長短的控制以及飽和度的調(diào)節(jié)來改變脂肪的含量，同時可以減少脂肪氧化和酸敗，去除不好的氣味，讓人們可以承受一些原來有著不好氣味的食品。食用油有3個重要的質(zhì)量指標(biāo)：營養(yǎng)價值、氧化穩(wěn)定性和功能性［6］。對油脂品質(zhì)的改善主要集中在2個方面：控制脂肪酸的鏈長和控制脂肪酸的飽和度。油脂的酸敗是導(dǎo)致油脂品質(zhì)下降的主要原因。目前豆類中的脂氧合酶在酸敗過程中扮演重要角色。美國DuPont公司通過反義抑制或/和共同抑制油酸酯脫氫酶，開發(fā)成功高油酸含量的大豆油。這種新型油含有良好的氧化穩(wěn)定性，很適合用作煎炸油和烹調(diào)油［7］。導(dǎo)入硬脂酸-ACP脫氫酶的反義基因，油菜種子中硬脂酸的含量從2%增加到40%；硬脂酸-COA可使轉(zhuǎn)基因作物中的飽和脂肪酸〔軟脂酸、硬脂酸〕的含量下降，不飽和脂肪酸〔油酸、亞油酸〕的含量增加，其中油酸的含量可增加7倍［8］。〔十〕碳水化合物對碳水化合物的改進(jìn)，只有通過對其酶的改變來調(diào)節(jié)其含量。高等植物體中涉及淀粉合成的酶類主要有：ADPP葡萄糖焦磷酸酶〔ADP-GPP］、淀粉合成酶〔SS〕和分枝酶〔BE〕［9］。通過反義基因抑制淀粉分枝酶可獲得完全只含直鏈淀粉的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯°Monsanto公司開發(fā)了淀粉含量平均提高了20%?30%的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。油炸后的產(chǎn)品更具馬鈴薯風(fēng)味、更好的構(gòu)質(zhì)、較低的吸油量和較少的油味。的特殊作用。三、基因工程食品及其平安性基因工程應(yīng)用于食品工業(yè)已給人們帶來了巨大的社會經(jīng)濟效益，但基因工程體（Gmos）及基因工程食品的環(huán)境釋放平安性及食用平安性也越來越受到廣泛的關(guān)注。基因工程食品除應(yīng)有較高的營養(yǎng)價值和可消化性，它必須對人體無毒副作用，必須平安；其次，它的口味、氣味與顏色，均應(yīng)為食用者所承受。轉(zhuǎn)基因食品是在生物物種之間進(jìn)展基因重組，有可能會引入不相容或毒性物質(zhì)，這也是一些人對轉(zhuǎn)基因食品采取保守態(tài)度的原因之一。據(jù)報道現(xiàn)有以下幾種可能存在情況?！惨弧扯拘蕴K格蘭Rowett研究所資深營養(yǎng)學(xué)家ApradRusztai博士研究說明：轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素基因的馬鈴薯能夠?qū)Υ笫蟮膬?nèi)臟器管和免疫系統(tǒng)損害，類似的情況，對人來說，可能導(dǎo)致癌癥發(fā)病率升高和死亡率大幅度升高。1998年，英國阿伯丁羅研究所普庇泰教授的研究報道，幼鼠食用轉(zhuǎn)基因土豆后，會使內(nèi)臟和免疫系統(tǒng)受損?？股貥?biāo)記基因轉(zhuǎn)基因食品可能影響人的抗病能力，由于轉(zhuǎn)基因食品中90%以上使用卡那霉素作為標(biāo)志基因，轉(zhuǎn)基因食品中的標(biāo)志基因表達(dá)蛋白可能對人體腸道的正常菌群有不利影響，腸道中的有害菌可能吸收卡那霉素，使腸道內(nèi)大量滋生具有抗性基因的有害菌。〔二〕過敏性所轉(zhuǎn)基因編碼為的過敏蛋白；基因源含有過敏蛋白；轉(zhuǎn)入蛋白與過敏蛋白的氨基酸序列在免疫學(xué)上有明顯的同源性；轉(zhuǎn)入的蛋白屬某類蛋白的成員，而這類蛋白家族中的有些成員是過敏蛋白。Nebraska大學(xué)證明，表達(dá)巴西堅果2,清蛋白的大豆有過敏性，這是迄今為止轉(zhuǎn)基因植物未被批準(zhǔn)商業(yè)化的唯一例子?！踩晨顾幮砸恍├ハx吃了抗病蟲的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物也不死亡，因為它們已經(jīng)對轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)生的毒素具備了抵抗力。與一般的大豆相比，在耐除草劑的轉(zhuǎn)基因大豆中，含有防癌成分的大豆異黃酮也減少了。另外，將耐除草劑的轉(zhuǎn)基因菜籽和雜草一起培育，結(jié)果產(chǎn)生了耐除草劑的雜草?！菜摹抄h(huán)境污染抗害蟲病的基因轉(zhuǎn)入作物一段時期后，可能使害蟲產(chǎn)生免疫并遺傳，使其攜帶免疫基因逃到相近的野生生物種群中去，以致改變自然的生物群系，使自然界的生態(tài)環(huán)境遭受破壞。四、相關(guān)法規(guī)國際食品生物技術(shù)委員會〔IFBC〕于1988年提出采用判定的原那么與方法對該類食品進(jìn)展平安性評價；1990年，聯(lián)合糧農(nóng)組織〔FAO〕和世界衛(wèi)生組織〔WHO〕召開第一次有關(guān)生物技術(shù)食品平安性分析會議，并制定生物技術(shù)食品平安性評價原那么和相關(guān)政策；經(jīng)濟開展合作組織〔OECD〕1993年提出了食品平安性分析原那么——實質(zhì)等同性原那么，即生物技術(shù)生產(chǎn)的食品及食品成分與目前市場上銷售的食品具有實質(zhì)等同性。我國對轉(zhuǎn)基因食品有嚴(yán)格的控制機制。1993年國家科委公布了？基因工程平安管理方法?，指導(dǎo)全國性的基因工程開發(fā)和研究；1996年農(nóng)業(yè)部公布?農(nóng)業(yè)生物基因工程平安管理實施方法?，并實施嚴(yán)格的平安管理和審批制度。五、展望從技術(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)境和人類安康可能帶來什么樣的后果難以預(yù)料，至少現(xiàn)在的科學(xué)還難以答復(fù)人們對基因工程提出的各種各樣的平安性問題，因而基因工程食品的平安性一直成