基因工程與食品工程菌種改良

彳夕井嚎盜核仁為CentralSouthUniversityofForestry&Technology學位類型：學科、領域：研究方向：導師姓名：學生姓名：學號：入學時間：授課教師：課程名稱：考核時間：課程論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的課程論文是本人在大量查閱文獻資料的基礎上，獨立思考與總結所取得的成果作品。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品，也不包含為獲得各教育機構的學位或證書所使用過的材料。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承作者簽名：年月日基因工程與食品工程菌種改良摘要：生物技術在食品生產中的應用已經有幾個世紀，現在生物技術的蓬勃發(fā)展，極大推動了農業(yè)和食品工業(yè)朝高技術方向發(fā)展［1］。當代發(fā)酵食品工業(yè)是食品工業(yè)的重要組成部分，發(fā)酵工業(yè)的關鍵是優(yōu)良菌株的獲取，基因工程的出現，使得人工定向改造菌種成為可能，這給發(fā)酵工業(yè)帶來生機［2］。本文綜述了近年基因工程在改造食品工程菌方面的應用，并對轉基因工程菌食品的安全性進行了探討。關鍵詞：基因工程微生物食品應用安全以DNA重組為核心內容的基因工程技術是一種新興的現代生物技術。利用基因工程技術不但可以提高食品的營養(yǎng)價值，去除食物原料中的有害成分，同時還可以通過對農作物品種改良，減少種植過程中農藥、化肥等化學品的使用量。目前，經基因工程改造的產品已經在農業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領域據了重要的地位，特別是在食品工業(yè)中越來越顯示發(fā)展前景［1］。基因工程技術在食品領域的應用也取得了豐碩的成果，并使食品的概念從農業(yè)食品、工業(yè)食品發(fā)展到了基因工程或微生物食品可以預言，在二十一世紀，以基因工程為核心的生物技術必將給食品工業(yè)帶來深刻的革命［2］。1基因工程的定義及其發(fā)展史1.1基因工程的定義基因工程是在分子水平上對基因進行操作的技術體系，是將某一種生物細胞的基因提出或者人工合成的基因，在體外進行酶切或連接到另一種生物的DNA分子中。由此獲得的DNA稱為重組DNA，將重組DNA導入到自身細胞或其他生物細胞中進行復制和表達等實驗手段，使之產生符合人類需要的遺傳新特征，或制造出新的生物類型［3］。1.2基因工程的發(fā)展史基因工程是在分子生物學和分子遺傳學綜合發(fā)展的基礎上逐步發(fā)展起來的，現代分子生物學領域理論上的三大發(fā)現和技術上的系列發(fā)明對基因工程的誕生起了決定性的作用。1857年至1864年，孟德爾通過豌豆雜交試驗，提出生物體的性狀是由遺傳因子控制的。1909年，丹麥生物學家約翰生首先提出用基因一詞代替孟德爾的遺傳因子。1910年至1915年，美國遺傳學家莫爾根通過果蠅試驗，首次將代表某一性狀的基因同特定的染色體聯(lián)系起來，創(chuàng)立了基因學說。直到1944年，美國微生物學家埃境利等通過細菌轉化研究，證明基因的載體是DNA而不是蛋白質，從而確立了遺傳的物質基礎。1953年，美國遺傳學家華生和英國生物學家克里克揭示DNA分子雙螺旋模型和半保留復制機理，解決了基因的自我復制和傳遞問題，開辟了分子生物學研究的時代。之后，1958年克里克確立的中心法則、1961年雅各和莫諾德提出的操縱子學說以及所有64種密碼子的破譯，成功揭示了遺傳信息的流向和表達問題，為基因工程的發(fā)展奠定了堅實的基礎。DNA分子的切除與連接、基因的轉化技術，還有諸如核酸分子雜交、凝膠電泳、DNA序列結構分析等分子生物學實驗方法的進步為基因工程創(chuàng)立和發(fā)展奠定了強有力的技術基礎。1972年，美國斯坦福大學的Berg構建了世界第一個重組分子，發(fā)展了DNA重組技術，并因此而獲得1980年度諾貝爾獎。1973年，美國斯坦福大學S.Cohen等人也成功地進行了另一個體外DNA重組實驗并實現細菌間性狀的轉移。這是基因工程發(fā)展史上第一次實現重組轉化成功的例子，基因工程從此誕生［3］?；蚬こ虇柺澜?0年，無論是基因理論研究領域，還是在生產實際應用方面，都已取得了驚人的成績。給國民經濟的發(fā)展和人類社會的進步帶來了深刻而廣泛的影響［4］。2基因工程在改良微生物上的應用發(fā)酵工業(yè)關鍵是優(yōu)良菌株的獲取，除選用常用的誘變、雜交和原生質體融合等傳統(tǒng)方法外，還與基因工程結合，大力改造菌種，給發(fā)酵工業(yè)帶來生機。食品工業(yè)如酒類、醬油、醬類、食醋、乳酸菌飲料［5］等的發(fā)展，關鍵在于是否有優(yōu)良的微生物菌種，應用基因工程、細胞融合及傳統(tǒng)微生物突變育種技術從事發(fā)酵菌種的改良研究已為數不少。2.1乳酸菌的改良和應用乳酸菌(Lacticacidbacteria)常被用于食品發(fā)酵加工上，不但富含營養(yǎng)且具有降低膽固醇、低熱量等優(yōu)點°Rugter等人將噬菌體中的LytA及LytH基因和NisA啟動子連接后，轉移至1Lacbis（ACBIS就是經由粒狀陶瓷球流動相互碰撞之后產生微弱的電子能量，并且依流動電解法的原理，使水的滲透力,表面張力，氧化還原電位等物性改變的活水裝置）中，得到一株安定的轉性株。當乳酸鏈球菌素（乳鏈菌肽）加入后，就會啟動NisA啟動子，使之產生溶菌酶LytA及穿孔素蛋白質LytH。LytH會使細胞膜形成孔洞，而LytA由這些孔洞滲透出來后即可行使分解細胞壁的功能，最后導致細胞壁快速有效分解［6］。將此基因與形成風味劑的基因（如肽酶、酯酶及氨基酸轉化酶）合用，在食品工業(yè)應用上具有很大的吸引力，其商業(yè)化指日可待。2.2改善醬油的品質與風味醬油風味的優(yōu)劣與醬油在釀造過程中所生成氨基酸的量密切相關，而參與此反應的羧肽酶和堿性蛋白酶的基因已克隆并轉化成功，在新構建的基因工程菌株中堿性蛋白酶的活力可提高5倍，羧肽酶的活力可大幅提高13倍［7］。醬油制造中和壓榨性有關的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纖維素酶、果膠酶等的基因均已被克隆,當用高纖維素酶活力的轉基因米曲霉生產醬油時，可使醬油的產率明顯提高。另外，在醬油釀造過程中，木糖可與醬油中的氨基酸反應產生褐色物質，從而影響醬油的風味。而木糖的生成與制造醬油用曲霉中木聚糖酶的含量與活力密切相關。現在，米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反義RNA技術抑制該酶的表達所構建的工程菌株釀造醬油，可大大地降低這種不良反應的進行，從而釀造出顏色淺、口味淡的醬油，以適應特殊食品制造的需要。2.3啤酒的風味品質改造啤酒制造中對大麥醇溶蛋白含量有一定要求，如果大麥中醇溶蛋白含量過高就會影響發(fā)酵，容易使啤酒產生混濁，也會使其過濾困難。采用基因工程技術，使另一蛋白基因克隆到大麥中，便可相應地使大麥中醇溶蛋白含量降低，以適應生產的要求。雙乙酰是影響啤酒風味的重要物質，當啤酒中雙乙酰的含量超過閾值時，就會產生一種令人不愉快的饅酸味，嚴重破壞啤酒的風味與品質。雙乙酰的產生與還原貫穿整個啤酒發(fā)酵過程，在正常的發(fā)酵過程中，雙乙酰是由啤酒酵母細胞產生的A2乙酰乳酸經非酶促的氧化脫羧反應自發(fā)產生的［8］。去除啤酒中雙乙酰的有效措施之一就是利用A2乙酰乳酸脫羧酶。但由于酵母細胞本身沒有該酶活性，因此，利用轉基因技術將外源A2乙酰乳酸脫羧酶基因導入啤酒酵母細胞，并使其表達，是降低啤酒中雙乙酰含量的有效途徑。Sone等用乙醇脫氫酶的啟動子和穿梭質粒載體Yep13將產氣腸桿菌A2乙酰乳酸脫羧酶基因導入啤酒酵母，并使其表達。當用此轉基因菌株進行啤酒釀造時,可使啤酒中的雙乙酰含量明顯降低，且不影響其他的發(fā)酵性能和啤酒中的正常風味物質。但由于用此法所構建的基因工程菌株中A2乙酰乳酸脫羧酶基因是存在于酵母的質粒而不是染色體上，因而使該基因易于隨著細胞分裂代數的增加而發(fā)生丟失，造成性能的不穩(wěn)定。因此，Yamano等將外源的A2乙酰乳酸脫羧酶整合入啤酒酵母的染色體中，從而構建了能穩(wěn)定遺傳的轉基因啤酒酵母。使用這種轉基因酵母釀制啤酒，也能明顯地降低啤酒中的雙乙酰含量，而且不會對啤酒釀造過程中的其他發(fā)酵性能造成不良影響［9］。3基因工程食品的安全性問題食品中的DNA及其降解產物對人體無毒害作用。任何基因都由4種堿基組成，目前轉基因食品中所使用的外源基因，不管其來源如何，其組成與普通DNA并無差異。此外，外源基因在轉基因食品中的含量很少，例如通過食用轉基因番茄而被攝入人體內的外源基因的數量不超過3.3X10-4-10X10-4Ug/d，可見通過食用轉基因食品而攝人體內的外源基因的數量與消化道中持續(xù)存在的來源于其它食品中的DNA數量相比是微不足道的［10］。因此，轉基因食品中的外源基因本身不會對人體產生直接毒害作用。4基因工程食品的安全性管理對轉基因食品的安全性進行正確的評估和科學的管理，是生物技術發(fā)展所必須的。2001年1月29日《生物多樣性公約》締約國通過了《卡塔赫納生物安全協(xié)定書》，將嚴格的知情同意程序即審批制度用于有意引入環(huán)境的轉基因農產品。2001年5月9日，我國國務院第38次常務會議通過了《農業(yè)轉基因生物安全管理條例》，同年5月23日，朱镕基總理簽發(fā)了中華人民共和國國務院令（第304號），對該條例予以公布，從公布之日起施行［11］。條例在1993年12月原國家科委頒布的《基因工程安全管理辦法）的基礎上，進一步給出了農業(yè)轉基因生物的范圍，對農業(yè)轉基因生物的研究試驗、生產加工、經營、進口出口以及監(jiān)督檢查都做出了詳細的規(guī)定[12]。這保證了在以后對農業(yè)轉基因生物的生產和管理上有法可依、有據可循。5展望隨著生物化學和分子生物學的進一步發(fā)展，基因工程技術在食品工業(yè)中的應用日益廣泛，這極大促進食品工業(yè)的發(fā)展，也為人類最終解決食物短缺、消除饑餓帶來了希望，在食品工業(yè)上的應用具有極為廣闊的前景和美好的未來。但對于發(fā)展基因工程技術必須持有謹慎的態(tài)度，因為這一高新技術的發(fā)展也有可能給人類帶來潛在的負面影響。對于基因工程食品來講，在進人市場之前必須經過充分的毒理學鑒定及安全性評價，向消費者確保它們的質量和安全，同時也需要考慮倫理道德方面的因素，充分尊重消費者的生活習慣。參考文獻詹太華，杜榮茂.基因工程技術在食品工業(yè)中的應用.宜春學院學報：自然科學2002,24(4):60-63.李志軍，薛長湖，李八方，等.基因工程技術在食品工業(yè)中的應用.食品科技,2002(6):1-2.張惠展.基因工程3].上海：華東理工大學出版社，2005:1-2.李欣.基因工程技術在食品中的應用.中國食物與營養(yǎng)，2005(8):22-24.AnklamE,GadaniF,HeinzeP.Analyticalmethodsfordetectionanddeterminationofgeneticallymodifiedorganismsinagriculturalcropsandplantderivedfoodproducts.EurFoodResTechno,J2002,214(1):3-26.姬華，樂國偉，王洪新，等.轉基因食品的營養(yǎng)學評價研究進展.食品研究與開發(fā)，2009,30(7):149-152.VillavicencioA,AraujoMM,BaldassoJG,etalIrradiationinfluenceondetectionofgeneticmodifiedsoybeans.RadiationPhysicsandChemistry,2004,71(1-2):489-492.SteinAJ,Sachd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