现代生物技术在发酵食品生产中的应用
摘要：生物技术是以生命科学为基础，利用生物机体、生物系统创造新物种，并与工程原理相结合，加工生产生物制品的综合性科学技术。现代生物技术则包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程、蛋白质工程等领域。在我国的工业食品中，生物技术工业化产品占有相当大的比重。近年来，酒类和新型发酵产品以及酿造产品的产值占工业食品总产值的17%。在食品发酵生产中应用生物技术可以提高发酵剂的性能，缩短发酵周期，丰富发酵制品的种类。现代生物技术在发酵食品领域中有广阔市场和发展前景，本文阐述了基因工程、细胞工程、酶工程等现代生物技术在食品发酵生产中的应用。
关键词：生物技术；基因工程；细胞工程；酶工程；发酵食品
一．前言
现代生物技术的迅猛发展，成就斐然，推动着科学技术的进步，促进着社会经济的发展，改变着人类的生活与思维方式，影响着人类社会的发展进程。现代生物技术的成果越来越广泛地应用于医药、食品能源、化工、轻工和环境保护等诸多领域。生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容，具有巨大的经济效益及潜在的生产力。专家预测到2020年，生物技术产业将成为世界经济体系的支柱产业之一。生物技术是以生命科学为基础，利用生物机体、生物系统创造新物种，并与工程原理结合，加工生产生物制品的综合性科学技术。现代生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程、蛋白质工程等领域[1-3]。在我国的工业食品中，生物技术工业化产品占有相当大的比重。近年来，酒类和新型发酵产品以及酿造产品的产值占工业食品总产值的17%。现代生物技术在发酵食品领域中有广阔市场和发展前景，本文主要阐述现代生物技术在发酵食品生产中的应用。
二．现代生物技术在发酵食品生产中的应用
1 基因工程技术在发酵食品生产中的应用
基因工程技术是现代生食品物技术的核心内容，采用类似工程设计的方法，按照人类的特殊需要，将具有遗传性的目的基因在离体条件下进行剪切、组合、拼接，再将人工重组的基因通过载体导入受体细胞，进行无性繁殖，并使目的基因在受体细胞中快速表达，产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。发酵食品生产的关键是优良菌株的获取，除选用常用的诱变、杂交和原生质体融合等传统方法外，还可与基因工程结合，进行改造生产菌种[4-6]。
1.1 改良面包酵母菌的性能
面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。将优良酶基因转入面包酵母菌中后，其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高，面包加工中产生二氧化碳气体量提高，应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包[7]。
1.2 改良酿酒酵母菌的性能
利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株，用以改进传统的酿酒工艺，并使之多样化。采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后，即直接利用淀粉发酵，使生产流程缩短，工序简化，革新啤酒生产工艺[8]。目前，已成功地选育出分解β-葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、嗜杀啤酒酵母菌株提高生香物质含量的啤酒酵母菌株[9]。
1.3 改良乳酸菌发酵剂的性能
乳酸菌是一类能代谢产生乳酸，降低发酵产品pH值的一类微生物。乳酸菌基因表达系统分为组成型表达和受控表达两种类型，其中受控表达系统包括糖诱导系统、Nisin诱导系统、pH诱导系统和噬菌体衍生系统。相对于乳酸乳球菌和嗜热链球菌而言，德氏乳杆菌的基因研究比较缺乏，不过已经发现质粒pN42和PJBL2用于构建德氏乳杆菌的克隆载体。研究发现乳酸菌基因突变有两种方法：第一种方法涉及(同源或异源的)可独立复制的转座子，第二种方法是依赖于克隆的基因组DNA片断和染色体上的同源部位的重组整合而获得。通过基因工程得到的乳酸菌发酵剂具有优良的发酵性能，产双乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的稳定形成能力、抗杂菌和病原菌的能力较强[10-12]。
2 细胞工程技术在发酵食品生产中的应用
细胞工程是生物工程的主要组成部分之一，产生于20世纪70年代末至80年代初，是在细胞水
平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。细胞融合是在外力(诱导剂或促融剂)作用下，使两个或两个以上的异源(种、属间) 细胞或原生质体相互接触，从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法，主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合，使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性[13]。例如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交，获得比原产量高3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交，分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。日本国税厅酿造试验所用该技术获得了优良的高性能谢利酵母来酿制西班牙谢利白葡萄酒获得了成功。目前，微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间，不断培育出用于各种领域的新菌种。
3 酶工程技术在食品发酵生产中的应用
酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊生物催化剂。酶工程是现代生物技术的一个重要组成部分，酶工程又称酶反应技术，是在一定的生物反应器内，利用生物酶作为催化剂，使某些物质定向转化工艺技术，包括酶的研制与生产，酶和细胞或细胞器的固定化技术，酶分子的修饰改造，以及生物传感器等[14-16]。酶工程技术在发酵生产中主要用于两个方面，一是用酶技术处理发酵原料，有利于发酵过程的进行。如啤酒酿制过程，主要原料麦芽的质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时，会造成淀粉酶、俘一葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足，使糖化不充分、蛋白质降解不足，从而减慢发酵速度，影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、一葡聚糖酶等制剂，可补充麦芽中足的缺陷，提高麦汁的可发酵度和麦汁糖化的组分，缩短糖化时间，减少麦皮中色素、单宁等不良杂质在糖化过程中浸出，从而降低麦汁色泽。二是用酶来处理发酵菌种的代谢产物，缩短发酵过程，促进发酵风味的形成。啤酒中的双乙酰是影响啤酒风味的主要因素，是判断啤酒成熟的主要指标。当啤酒中双乙酰的浓度超过阈值时，就会产生一种不愉快的馊酸味。双乙酰是由酵母繁殖时生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羟基丁酸氧化脱羧而成的，一般在啤酒发酵后期还原双乙酰需要约5～10d的时间。崔进梅等报道，发酵罐中加入α-乙酰乳酸脱羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮，可缩短发酵周期，减少双乙酰含量[17]。
三．前景与展望
传统的微生物发酵技术在食品领域的应用由来已久, 如传统的酿酒、发酵肉制品、发酵豆制品、发酵奶制品和发酵调味品等。应用现代微生物发酵工程技术不仅可以更好地生产传统发酵制品, 而且对于发酵生产现代的酶制剂、氨基酸、菌体蛋白、食品添加剂等食用产品具有重要意义[18]。一个占地不多, 年产10万吨单细胞蛋白的微生物工厂, 相当于12万公顷耕地生产的大豆蛋白质, 或是200万公顷草原饲养牛羊生产的动物蛋白质[19], 应用现代发酵技术生产丰富多样的食品添加剂和食品用酶也是改善食品品质与开发新食品的重要途径。现在低糖甜味剂、酸味剂、鲜味剂、香精香料、天然色素和维生素以及多种食用蛋白酶、淀粉酶等都已实现发酵生产。在食品发酵生产中应用生物技术可以提高发酵剂的性
能，缩短发酵周期，丰富发酵制品的种类。不仅提高了产品档次和附加值，生产出符合不同消费者需要的发酵食品，而且有利于加速食品加工业的发展[20]。随着生化技术的日益发展，相信会开发出更多物美价廉的发酵食品，使生物技术在食品发酵生产中的应用更加广泛。
参考文献
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