第六章 食品生物技術

第六章食品生物技術第一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第一節(jié)生物技術概論生物技術的定義生物技術之發(fā)展生物技術相關產業(yè)第二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生物技術的定義生物技術(biotechnology)是由生命科學與工程科學所組成的整合技術，可視為一群技術的總稱。生物技術〝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品之意。廣義的生物技術泛指一切利用生物（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品；而狹義的生物技術則專指使用細胞(cellular)或分子(molecular)程序來解決問題或製造有用產品，也有人將其稱為「新」生物技術。第三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生物技術之發(fā)展在二次大戰(zhàn)之前，人類致力於如何提高農業(yè)的生產，並製造足夠的食物以供溫飽。農業(yè)與食品工業(yè)可說是最早應用生物技術來改進生活品質的工業(yè)。在第二次世界大戰(zhàn)期間，青黴素生產技術的成功，開啟了應用微生物發(fā)酵生產大量特定物質的大門。在1950年前後，學者專家對去氧核醣核酸(deoxyribonucleicacid；DNA)有了較多的認識，生物技術突飛猛進，並逐步擴展到各產業(yè)的應用。第四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生物技術相關產業(yè)生物技術的應用領域極廣，相關產業(yè)包括：醫(yī)藥工業(yè)、特殊用化學品工業(yè)、食品、農業(yè)生物技術、環(huán)保生物技術及生物資訊等。第五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第二節(jié)生物技術基礎工具傳統(tǒng)生物技術包括：發(fā)酵技術、生化製程及生物轉化；新生物技術則包括：單株抗體、細胞培養(yǎng)、基因選殖、重組DNA、蛋白質工程、生物感測器、組織工程及微列陣技術等。傳統(tǒng)生物技術新生物技術第六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四傳統(tǒng)生物技術醱酵技術生化製程生物轉化第七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四醱酵技術發(fā)酵技術包括發(fā)酵菌種或細胞之取得、菌種純化或改良、菌種或細胞的保存、培養(yǎng)基的探討、發(fā)酵方式的選擇、發(fā)酵最佳化條件的設計及發(fā)酵控制等，為生物技術的基礎，不論是傳統(tǒng)生物技術或新生物技術，都會應用到。第八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生化製程(Bioprocessing)生化製程技術可分為(1)生物反應器(bioreactor)；(2)生物反應物料處理；(3)產物分離純化；(4)其他相關輔助系統(tǒng)。第九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生物轉化(Bioconversion)生物轉化為利用細胞和酵素等生物系統(tǒng)作催化劑，進行生物分子氧化、還原、水解或結合反應，以生成新產物的技術，優(yōu)點包括：選擇性良好、催化效率高、反應條件溫和、成本低及對環(huán)境污染較少等。生物轉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品價值，例如：乳酸菌(Lactoacillus)應用於優(yōu)酪乳及乳酪的生產、麴菌及酵母菌應用於各種酒類的生產、乳糖酶（lactase）可水解乳糖及生產半乳寡糖等。第十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四新生物技術單株抗體細胞培養(yǎng)基因選殖重組DNA蛋白質工程生物感測器組織工程微列陣第十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四單株抗體單株抗體在食品的應用，主要為各種食品成分、毒素、病毒及病原菌檢驗的免疫分析。第十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四細胞培養(yǎng)細胞培養(yǎng)技術為將細胞由活體中取出，以合適之條件，將取出的細胞於活體外培養(yǎng)之技術。植物細胞培養(yǎng)是基因轉殖作物的最基礎步驟，亦為醫(yī)藥原料、食品香料、色素等高價產品的重要來源。動物細胞培養(yǎng)主要應用於各種具商業(yè)價值的生技產品之生產，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。昆蟲細胞的分裂時間較哺乳動物細胞短、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。第十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四基因選殖基因選殖是一種基因工程技術，為將特定DNA與適當載體接合後，送入宿主體內，經宿主繁殖複製後，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(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。第十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四重組DNA重組DNA技術為將基因以限制酶剪切或加入DNA片斷以形成新的基因，此技術可將不同來源基因物質組合在一起，原核生物重組DNA技術流程如表6-1。第十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四蛋白質工程蛋白質工程技術通常與基因重組技術並用，藉由改變蛋白質的胺基酸組成及立體結構，來改善現(xiàn)有的酵素、抗體及細胞受體等天然蛋白質，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。第十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生物感測器生物感測器為結合生物學及微電子的科學，其組成包括：(1)一個生物成分如生物體分子、組織部分、細胞、酵素、抗體等，為生物感測器信號接收或產生部分；(2)物理換能器(transducers)：將生物接收或產生的信號精確且快速轉變?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的物質。生物感測器可應用於醫(yī)藥、動物藥品、生物科技、食品、農業(yè)及環(huán)境監(jiān)測等領域。在食品上的應用如偵測食品的營養(yǎng)價值、新鮮度及食品衛(wèi)生安全等。第十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四組織工程組織工程為結合細胞生物學及材料科學等領域的一門技術，藉著結合細胞與天然或合成的細胞支架(scaffold)，在體外建構人工組織或臟器，發(fā)展可植入的替代組織，達到重建、維持、改善組織功能或替換組織等目的。第二十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四微列陣生物晶片(biochip)結合了分子生物學、生物化學、生物資訊、分析化學、微機電等科學及技術，具有快速、精確、低成本之分析檢驗能力。微陣列是發(fā)展及應用較為成熟的生物晶片技術之一，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，形成DNA晶片或蛋白質晶片，因此可同時分析超過上千個基因或蛋白質。在食品領域的研究，目前主要集中於食品微生物的檢驗及食品機能性的研究。第二十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第三節(jié)

生物技術在食品產業(yè)的應用生物技術在食品產業(yè)的應用範圍極廣，包括：食品原料、加工製程、品質管制或廢棄物的處理及應用等。其應用目的可大致區(qū)分為：(1)改善食品原物料品質及降低生產成本；(2)提升產品品質及營養(yǎng)價值；(3)食品新素材及添加物的生產及改良；(4)食品加工製程改良；(5)菌(starter)改良；(6)食品檢驗技術及衛(wèi)生安全；(7)食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理。第二十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四改善食品原物料品質及降低生產成本提高產品品質及營養(yǎng)價值食品新素材及添加物的生產及改良食品加工製程改良菌篩選及改良食品檢驗技術及衛(wèi)生安全食品加工廢棄物的處理、利用及廢水處理第二十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四改善食品原物料品質及降低生產成本生物技術在食品原料應用之主要目的為增加產量、降低成本及改善品質，而其應用方向主要有傳統(tǒng)育種、基因轉殖動植物及添加物的使用等。傳統(tǒng)育種基因轉殖動植物添加物或生長促進劑其他第二十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四傳統(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。第二十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四基因轉殖動植物基因技術日漸成熟之後，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，使其後代能表現(xiàn)此基因之特性。目前基因轉殖動植物以抗病、抗蟲害、抗除草劑、適合加工特性、生長快速、營養(yǎng)成分的改善及生產特定物質為主，許多商品已被開發(fā)成功。第二十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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，使植物體質健康不易被病原菌感染致病。第二十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四提高產品品質及營養(yǎng)價值利用生物技術可提高食品品質及營養(yǎng)價值，亦可增進穀物中蛋白質的品質及維生素與礦物質的含量。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，亦可經由生物技術提高這類食品中的有效成分含量。第二十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四食品新素材及添加物的生產及改良食品新素材及添加物的生產與改良為目前生物技術在食品工業(yè)應用的重要項目，以發(fā)酵或酵素方法生產的添加物包括：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及保健訴求的新素材。酵素鮮味劑、色素及香料醣類第二十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第三十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四酵素水解型酵素非水解型酵素第三十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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)應用於麵包工業(yè)。第三十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四非水解型酵素非水解型酵素在食品加工上的應用是目前極受注目的酵素應用新領域，如葡萄糖氧化酶(glucoseoxidase)可用來氧化並去除葡萄糖。第三十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第三十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四鮮味劑、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，再與胺基酸結合後可生成梔子藍食用色素等。微生物可生成各種揮發(fā)性油脂及香味成份，梅納反應(Maillardreaction)亦可生成各種香味成份。第三十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四醣類多醣體為例，經由酵素、化學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。第三十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第三十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四食品加工製程改良生物技術可應用於食品工業(yè)製程的改良，以提高生產效率、降低成本或改善品質。生化製程第三十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四生化製程可提高微生物及酵素在食品加工應用的潛力，例如：限外過濾：可進行溶液的分子量分割，應用於蛋白質溶液中勝、蛋白質的回收及澄清化等。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：應用於發(fā)酵乳等發(fā)酵產品的生產，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)模生產更為容易。高果糖糖漿生產時，採用固定化葡萄糖異構酶將葡萄糖轉化成果糖，可降低成本。第三十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四第四十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四菌篩選及改良為有效控制食品品質，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。生物技術在此領域的應用包括：(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計第四十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四優(yōu)良菌株篩選為有效控制發(fā)酵品質，可由天然發(fā)酵食品中篩選特性良好的菌株，經純化後作為發(fā)酵食品用菌，目前菌的應用以酒、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)成為新的篩選標的。第四十二頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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，及至基因重組技術成熟後，菌的改良也正式邁入基因時代。第四十三頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四新功能菌株的設計將各種來源基因送入微生物體內，建構具有我們想要功能的新菌株。第四十四頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四食品檢驗技術及衛(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)生安全進行嚴格控管。生物技術可提供許多迅速可靠的食品檢驗技術，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調查清潔度檢查第四十五頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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。生物技術在食品衛(wèi)生安全的應用上已有很長的一段時間，許多生物技術方法可縮短傳統(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。第四十六頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四食品安全性檢測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生之毒素的檢驗，並可用以區(qū)分其產毒的毒素類型。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。第四十七頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四污染源追蹤及流行病學調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為基礎的各種分子分類技術，可用於汙染源的追蹤及流行病學調查。第四十八頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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)，已廣泛應用於工廠清潔度的檢驗。第四十九頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四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五十頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四減少廢棄物及廢水排放量酵素及許多生化技術可應用於製程改善，以減少廢棄物及廢水排放量。降低廢水中有機質含量，使排放的廢水易於處理。第五十一頁，共五十六頁，編輯于2023年，星期四有用成分的回收及再利用食品加工過程會產生許多廢棄物，有時這些廢棄物中尚具有可利用價值的成分，