第六章 食品生物技術(shù)

第六章食品生物技術(shù)第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第一節(jié)生物技術(shù)概論生物技術(shù)的定義生物技術(shù)之發(fā)展生物技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生物技術(shù)的定義生物技術(shù)(biotechnology)是由生命科學(xué)與工程科學(xué)所組成的整合技術(shù)，可視為一群技術(shù)的總稱。生物技術(shù)〝biotechnology〞就字根意義而言，bio-為使用生物程序(biologicalprocesses)，-technology為解決問題或製造有用產(chǎn)品之意。廣義的生物技術(shù)泛指一切利用生物（動物、植物、微生物）或生物的一部分來解決問題或製造有用產(chǎn)品；而狹義的生物技術(shù)則專指使用細(xì)胞(cellular)或分子(molecular)程序來解決問題或製造有用產(chǎn)品，也有人將其稱為「新」生物技術(shù)。第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生物技術(shù)之發(fā)展在二次大戰(zhàn)之前，人類致力於如何提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)，並製造足夠的食物以供溫飽。農(nóng)業(yè)與食品工業(yè)可說是最早應(yīng)用生物技術(shù)來改進生活品質(zhì)的工業(yè)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，青黴素生產(chǎn)技術(shù)的成功，開啟了應(yīng)用微生物發(fā)酵生產(chǎn)大量特定物質(zhì)的大門。在1950年前後，學(xué)者專家對去氧核醣核酸(deoxyribonucleicacid；DNA)有了較多的認(rèn)識，生物技術(shù)突飛猛進，並逐步擴展到各產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用。第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生物技術(shù)相關(guān)產(chǎn)業(yè)生物技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域極廣，相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括：醫(yī)藥工業(yè)、特殊用化學(xué)品工業(yè)、食品、農(nóng)業(yè)生物技術(shù)、環(huán)保生物技術(shù)及生物資訊等。第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第二節(jié)生物技術(shù)基礎(chǔ)工具傳統(tǒng)生物技術(shù)包括：發(fā)酵技術(shù)、生化製程及生物轉(zhuǎn)化；新生物技術(shù)則包括：單株抗體、細(xì)胞培養(yǎng)、基因選殖、重組DNA、蛋白質(zhì)工程、生物感測器、組織工程及微列陣技術(shù)等。傳統(tǒng)生物技術(shù)新生物技術(shù)第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三傳統(tǒng)生物技術(shù)醱酵技術(shù)生化製程生物轉(zhuǎn)化第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三醱酵技術(shù)發(fā)酵技術(shù)包括發(fā)酵菌種或細(xì)胞之取得、菌種純化或改良、菌種或細(xì)胞的保存、培養(yǎng)基的探討、發(fā)酵方式的選擇、發(fā)酵最佳化條件的設(shè)計及發(fā)酵控制等，為生物技術(shù)的基礎(chǔ)，不論是傳統(tǒng)生物技術(shù)或新生物技術(shù)，都會應(yīng)用到。第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生化製程(Bioprocessing)生化製程技術(shù)可分為(1)生物反應(yīng)器(bioreactor)；(2)生物反應(yīng)物料處理；(3)產(chǎn)物分離純化；(4)其他相關(guān)輔助系統(tǒng)。第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生物轉(zhuǎn)化(Bioconversion)生物轉(zhuǎn)化為利用細(xì)胞和酵素等生物系統(tǒng)作催化劑，進行生物分子氧化、還原、水解或結(jié)合反應(yīng)，以生成新產(chǎn)物的技術(shù)，優(yōu)點包括：選擇性良好、催化效率高、反應(yīng)條件溫和、成本低及對環(huán)境污染較少等。生物轉(zhuǎn)化可以改變食品中的成分，使其更適合人類食用或增進其產(chǎn)品價值，例如：乳酸菌(Lactoacillus)應(yīng)用於優(yōu)酪乳及乳酪的生產(chǎn)、麴菌及酵母菌應(yīng)用於各種酒類的生產(chǎn)、乳糖酶（lactase）可水解乳糖及生產(chǎn)半乳寡糖等。第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三新生物技術(shù)單株抗體細(xì)胞培養(yǎng)基因選殖重組DNA蛋白質(zhì)工程生物感測器組織工程微列陣第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三單株抗體單株抗體在食品的應(yīng)用，主要為各種食品成分、毒素、病毒及病原菌檢驗的免疫分析。第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三細(xì)胞培養(yǎng)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為將細(xì)胞由活體中取出，以合適之條件，將取出的細(xì)胞於活體外培養(yǎng)之技術(shù)。植物細(xì)胞培養(yǎng)是基因轉(zhuǎn)殖作物的最基礎(chǔ)步驟，亦為醫(yī)藥原料、食品香料、色素等高價產(chǎn)品的重要來源。動物細(xì)胞培養(yǎng)主要應(yīng)用於各種具商業(yè)價值的生技產(chǎn)品之生產(chǎn)，並可用於代替動物試驗，測試機能性食品及藥物之安全性與有效性。昆蟲細(xì)胞的分裂時間較哺乳動物細(xì)胞短、營養(yǎng)需求較低且不需太多的特殊培養(yǎng)裝置，目前研究方向主要為外源蛋白的生產(chǎn)。第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三基因選殖基因選殖是一種基因工程技術(shù)，為將特定DNA與適當(dāng)載體接合後，送入宿主體內(nèi)，經(jīng)宿主繁殖複製後，獲得大量的特定DNA。特定DNA可藉由生物資訊，利用聚合酶鏈鎖反應(yīng)(polymerasechainreaction；PCR)、酵素剪切、基因庫(genebank)、DNA探針(DNAprobe)偵測等各種工具及方法，由微生物、植物、昆蟲、動物或人類中取得。第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三重組DNA重組DNA技術(shù)為將基因以限制酶剪切或加入DNA片斷以形成新的基因，此技術(shù)可將不同來源基因物質(zhì)組合在一起，原核生物重組DNA技術(shù)流程如表6-1。第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程技術(shù)通常與基因重組技術(shù)並用，藉由改變蛋白質(zhì)的胺基酸組成及立體結(jié)構(gòu)，來改善現(xiàn)有的酵素、抗體及細(xì)胞受體等天然蛋白質(zhì)，使其更適用於各種需求，或根據(jù)生物資訊，開發(fā)新的非天然蛋白質(zhì)。第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生物感測器生物感測器為結(jié)合生物學(xué)及微電子的科學(xué)，其組成包括：(1)一個生物成分如生物體分子、組織部分、細(xì)胞、酵素、抗體等，為生物感測器信號接收或產(chǎn)生部分；(2)物理換能器(transducers)：將生物接收或產(chǎn)生的信號精確且快速轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢詢x器偵測的物理信號，如：pH儀、生物感測器可偵測極低濃度的標(biāo)的物質(zhì)。生物感測器可應(yīng)用於醫(yī)藥、動物藥品、生物科技、食品、農(nóng)業(yè)及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在食品上的應(yīng)用如偵測食品的營養(yǎng)價值、新鮮度及食品衛(wèi)生安全等。第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三組織工程組織工程為結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)及材料科學(xué)等領(lǐng)域的一門技術(shù)，藉著結(jié)合細(xì)胞與天然或合成的細(xì)胞支架(scaffold)，在體外建構(gòu)人工組織或臟器，發(fā)展可植入的替代組織，達(dá)到重建、維持、改善組織功能或替換組織等目的。第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三微列陣生物晶片(biochip)結(jié)合了分子生物學(xué)、生物化學(xué)、生物資訊、分析化學(xué)、微機電等科學(xué)及技術(shù)，具有快速、精確、低成本之分析檢驗?zāi)芰?。微陣列是發(fā)展及應(yīng)用較為成熟的生物晶片技術(shù)之一，可在一個晶片(chip)上排列放置數(shù)千至數(shù)萬個DNA或蛋白質(zhì)，形成DNA晶片或蛋白質(zhì)晶片，因此可同時分析超過上千個基因或蛋白質(zhì)。在食品領(lǐng)域的研究，目前主要集中於食品微生物的檢驗及食品機能性的研究。第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第三節(jié)

生物技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用生物技術(shù)在食品產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用範(fàn)圍極廣，包括：食品原料、加工製程、品質(zhì)管制或廢棄物的處理及應(yīng)用等。其應(yīng)用目的可大致區(qū)分為：(1)改善食品原物料品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本；(2)提升產(chǎn)品品質(zhì)及營養(yǎng)價值；(3)食品新素材及添加物的生產(chǎn)及改良；(4)食品加工製程改良；(5)菌(starter)改良；(6)食品檢驗技術(shù)及衛(wèi)生安全；(7)食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理。第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三改善食品原物料品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本提高產(chǎn)品品質(zhì)及營養(yǎng)價值食品新素材及添加物的生產(chǎn)及改良食品加工製程改良菌篩選及改良食品檢驗技術(shù)及衛(wèi)生安全食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三改善食品原物料品質(zhì)及降低生產(chǎn)成本生物技術(shù)在食品原料應(yīng)用之主要目的為增加產(chǎn)量、降低成本及改善品質(zhì)，而其應(yīng)用方向主要有傳統(tǒng)育種、基因轉(zhuǎn)殖動植物及添加物的使用等。傳統(tǒng)育種基因轉(zhuǎn)殖動植物添加物或生長促進劑其他第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三傳統(tǒng)育種選取不同特性的同一類或相近的品種進行雜交繁殖，今日所見許多的蔬果及動植物皆是以傳統(tǒng)育種方法所培育出來的，如無子西瓜等。第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三基因轉(zhuǎn)殖動植物基因技術(shù)日漸成熟之後，可將能表現(xiàn)某些特性的基因，藉由各種工具送入動植物體內(nèi)，使其後代能表現(xiàn)此基因之特性。目前基因轉(zhuǎn)殖動植物以抗病、抗蟲害、抗除草劑、適合加工特性、生長快速、營養(yǎng)成分的改善及生產(chǎn)特定物質(zhì)為主，許多商品已被開發(fā)成功。第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三添加物或生長促進劑在動物方面，抗生素(antibiotics)用於動物疾病治療及促進生長，益生菌(probiotics)被用為飼料添加劑，以幫助消化、維護健康並促進動物的生長等。在植物方面，植物荷爾蒙可促進植物生長；含氮添加物如魚漿、動物及禽類糞便發(fā)酵的有機肥、海藻抽出物等可幫助植物生長；酵母抽出物等含核酸物質(zhì)可使植物花朵顏色鮮豔、果實香甜；許多生物製劑可以幫助植物生長或吸收養(yǎng)分、有效微生物(effectivemicroorganisms；EM)及土壤改良用菌種可改善土壤環(huán)境，使植物體質(zhì)健康不易被病原菌感染致病。第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三提高產(chǎn)品品質(zhì)及營養(yǎng)價值利用生物技術(shù)可提高食品品質(zhì)及營養(yǎng)價值，亦可增進穀物中蛋白質(zhì)的品質(zhì)及維生素與礦物質(zhì)的含量。此外，許多食品中具有對人體有益的成分。使用生化製程可部分純化這些具有生理活性的成分，以製造機能性食品，亦可經(jīng)由生物技術(shù)提高這類食品中的有效成分含量。第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品新素材及添加物的生產(chǎn)及改良食品新素材及添加物的生產(chǎn)與改良為目前生物技術(shù)在食品工業(yè)應(yīng)用的重要項目，以發(fā)酵或酵素方法生產(chǎn)的添加物包括：鮮味劑、酵素、香料、有機酸、醣類、防腐劑及維生素等。食品新素材則主要為有改善食品品質(zhì)及保健訴求的新素材。酵素鮮味劑、色素及香料醣類第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三酵素水解型酵素非水解型酵素第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三水解型酵素目前市場上使用的酵素，有90%屬於水解碳水化合物、脂肪和蛋白質(zhì)的水解酵素，如真菌之α-澱粉酶（α-amylase)、木聚糖酶(xylanase)、脂肪酶(lipase)應(yīng)用於麵包工業(yè)。第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三非水解型酵素非水解型酵素在食品加工上的應(yīng)用是目前極受注目的酵素應(yīng)用新領(lǐng)域，如葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)可用來氧化並去除葡萄糖。第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三鮮味劑、色素及香料食品加工常用的鮮味劑有味精及核苷酸味精為利用發(fā)酵法製成的麩胺酸鈉，高鮮味精所用的核苷酸是從酵母菌菌體中萃取。紅麴菌(Monascus)發(fā)酵可生成紅色的紅麴色素(monascuscolor)。由黃梔子(gardenia)果實中可萃取出一種geniposide配糖體，利用β-葡萄醣苷酶酵素或可將geniposide分解，再與胺基酸結(jié)合後可生成梔子藍(lán)食用色素等。微生物可生成各種揮發(fā)性油脂及香味成份，梅納反應(yīng)(Maillardreaction)亦可生成各種香味成份。第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三醣類多醣體為例，經(jīng)由酵素、化學(xué)或物理方法切割成各式較小片段後，會具有不同的特性及功能。傳統(tǒng)多醣體大多由植物種子及藻類萃取，近年來微生物生產(chǎn)的膠類亦逐漸被開發(fā)，如三仙膠、聚三葡萄糖(pullulan)、纖維素等逐漸普及。第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品加工製程改良生物技術(shù)可應(yīng)用於食品工業(yè)製程的改良，以提高生產(chǎn)效率、降低成本或改善品質(zhì)。生化製程第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三生化製程可提高微生物及酵素在食品加工應(yīng)用的潛力，例如：限外過濾：可進行溶液的分子量分割，應(yīng)用於蛋白質(zhì)溶液中勝、蛋白質(zhì)的回收及澄清化等。逆滲透：用於濃縮，可避免使用蒸發(fā)罐濃縮時造成褐變及風(fēng)味變化。單寧分解酵素蛋白酶及單寧分解酵素：用於啤酒澄清化。菌：應(yīng)用於發(fā)酵乳等發(fā)酵產(chǎn)品的生產(chǎn)，節(jié)省傳統(tǒng)方法菌種保存及活化所需的人力及時間，使大規(guī)模生產(chǎn)更為容易。高果糖糖漿生產(chǎn)時，採用固定化葡萄糖異構(gòu)酶將葡萄糖轉(zhuǎn)化成果糖，可降低成本。第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三菌篩選及改良為有效控制食品品質(zhì)，許多有用菌株被篩選出來，作為發(fā)酵或特殊用途使用的菌。生物技術(shù)在此領(lǐng)域的應(yīng)用包括：(1)優(yōu)良菌株篩選；(2)菌株特性改良；(3)新功能菌株。優(yōu)良菌株篩選菌株特性改良新功能菌株的設(shè)計第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三優(yōu)良菌株篩選為有效控制發(fā)酵品質(zhì)，可由天然發(fā)酵食品中篩選特性良好的菌株，經(jīng)純化後作為發(fā)酵食品用菌，目前菌的應(yīng)用以酒、發(fā)酵乳製品及發(fā)酵肉品為大宗。在機能性食品盛行後，具有特殊活性菌的開發(fā)成為新的篩選標(biāo)的。第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三菌株特性改良由於自然界分離出來的菌株有其特性上的限制。為突破這些限制，科學(xué)家進行了許多菌種改良的研究，最初菌種改良主要以突變劑(NTG)等來進行誘變，及至基因重組技術(shù)成熟後，菌的改良也正式邁入基因時代。第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三新功能菌株的設(shè)計將各種來源基因送入微生物體內(nèi)，建構(gòu)具有我們想要功能的新菌株。第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品檢驗技術(shù)及衛(wèi)生安全食品不論是原料、半成品或成品，在加工過程及上市前，都需要對其規(guī)格及衛(wèi)生安全進行嚴(yán)格控管。生物技術(shù)可提供許多迅速可靠的食品檢驗技術(shù)，包括食品成分分析、食品中的有害病原菌及毒素的檢測等，提供食品產(chǎn)業(yè)迅速而簡便的方法。食品成分分析食品安全性檢測污染源追蹤及流行病學(xué)調(diào)查清潔度檢查第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品成分分析許多食品成分的分析，可藉助酵素系統(tǒng)來進行。生物技術(shù)在食品衛(wèi)生安全的應(yīng)用上已有很長的一段時間，許多生物技術(shù)方法可縮短傳統(tǒng)檢驗方法的時間，或增加分析的靈敏度，因此可提供我們對食品及其原料是否安全，更迅速且完善的資訊。第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品安全性檢測DNA探針、單株抗體廣用於李斯特菌、沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等食品病原菌及其產(chǎn)生之毒素的檢驗，並可用以區(qū)分其產(chǎn)毒的毒素類型。以快速檢驗法檢驗，僅需進行增殖培養(yǎng)後，便可直接進行檢測，大幅縮短了檢驗所需時間。第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三污染源追蹤及流行病學(xué)調(diào)查脈衝式電場膠體電泳(pulsed-fieldgelelectrophoresis；PFGE)、核糖核酸分類(ribotyping)及以聚合酶鏈鎖反應(yīng)為基礎(chǔ)的各種分子分類技術(shù)，可用於汙染源的追蹤及流行病學(xué)調(diào)查。第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三清潔度檢查生物體中的ATP於生物死後會快速消失，利用此原理的ATP檢驗系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用於工廠清潔度的檢驗。第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理減少廢棄物及廢水排放量有用成分的回收及再利用廢水及廢棄物處理第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三減少廢棄物及廢水排放量酵素及許多生化技術(shù)可應(yīng)用於製程改善，以減少廢棄物及廢水排放量。降低廢水中有機質(zhì)含量，使排放的廢水易於處理。第51頁，共56頁，2023年，2月20日，星期三有用成分的回收及再利用食品加工過程會產(chǎn)生許多廢棄物，有時這些廢棄物中尚具有可利用價值的