生物技术的应用

生物技术的应用

1 前 言

生物技术是21 世纪最具有发展前景和活力的学科, 世界各国都将生物技术视为一项高新技术,生物技术在相关领域中的应用也成为研究的热点。据近几年来生物技术在食品工业中的应用发展状况～从利用生物技术改造和开辟食品资源～改善食品品质～改变传统的食品生产工艺～开发新的食品品种及其它方面的应用总结了其主要成就～并介绍了生物技术在今后食品领域中的研究和开发重点。生物技术也称生物工程, 是探索生命现象和生物物质规律, 利用生物体的机能或模仿生物体的机能进行物质生产的技术。生物技术包括传统生物技术和现代生物技术, 现代生物技术是指以现代生物学研究成果为基础, 以基因工程为核心的新兴学科。现代生物技术主要包括: 基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程。现代生物技术可在解决当今世界发展重大问题( 如粮食短缺、

[1]资源枯竭、生态环境恶化) 中发挥积极作用,本文就此新技术在食品加工中的优势及应用综述如下。

2 现代生物技术

2.1 基因工程技术

基因工程技术是现代生物技术的核心内容, 基因工程又叫遗传工程, 是分子遗传学和工程技术相结合的产物, 是生物技术的主体。基因工程是指用酶学法将异源基因与载体DNA 在体外进行重组, 将形成的重组因子转入受体细胞,使异源基因在其中复制并表达, 从而改造生物特性, 生产出目标产物的高新技术。主要包括重组DNA、基因缺失、基因加倍、导入外源基因以及改变基因位置等分子生物学技术手段。基因工程技术在食品工业中的应用, 主要涉及微生物、植物和动物, 通过对被加工材料的处理, 生产出符合人们需要的基因食品。基因工程能够培育和创造出自然界所没有的新的生命形态。目前, 用这种技术已培育出多种“工程细菌”, 可以用来生产诸如含有生长激素、胰岛素、干扰素的功能食品

[2]和可食单细胞蛋白等, 在食品工业中具有广阔的发展前景。

2.2 细胞工程技术

细胞工程就是在细胞水平研究开发利用各类生物细胞的工程技术, 主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。细胞工程是应用细胞生物学方法, 按照人们预定的设计, 有计划地保存、改变和创造遗传物质的技术。包括细胞培养、细胞核移植、细胞器摄取、染色体片断重组、细胞融合及细胞代谢物的生产等。虽然目前工业规模的细胞培养仍有一定难度, 但该技术仍然是继微生物技术以后当代生物技术的重要发展领域。利用细胞杂交和细胞培养可生产具有独特香味和风味的食品添加剂,如香草素、可可香素、菠萝风味剂以及高级天然色素, 如

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咖喱黄、紫色素、花色苷素、辣椒素、靛蓝等, 而且培养的色素含量高, 色调和

[3]稳定性好。

2.3 酶工程技术

酶工程是生物技术的一个重要组成部分～酶工程是指在一定的生物反应器内～利用酶催化作用～将相应的原料转化成有用物质～其应用领域已经遍及农业、食品、医药、环境保护、能源开发和生命科学理论研究等各个方面。酶工程包括各种酶的开发和生产、酶的分离和纯化技术、酶或细胞的固定化技术、固定化酶反应器的研制以及酶的应用等方面。随着基因工程、细胞工程等高新技术应用于酶工程领域～不断研究开发出更多的新品种、新用途、高活力的酶类～同时酶的

[4]固定化技术～酶分子修饰技术及模拟酶技术也得到更快发展。 2.4 发酵工程技术 发酵工程是生物工程技术的重要组成部分～是古老而又大有潜力的工业技术～是生物技术产业的重要环节～是一门利用微生物的生长和代谢活动来生产各种有用物质的工程技术。发酵工程是利用微生物的某些特定功能, 通过现代工程技术手段生产有用物质或直接把微生物应用于工业生产的方法和过程～包括培育优良菌种、发酵生产某些代谢产物、生产微生物菌体、改造某些天然物质等。发酵工程可用于工业化生产预定的食品或食品功能成分。利用发酵工程技术所取得的成就涉及到新食品配料、食品加工的催化剂、饮料稳定剂、D-氨基酸及其衍生

[5]物制造以及废弃物利用和食品品质的检测等。

2.5蛋白质工程技术

随着蛋白质晶体学、计算机学与基因工程手段相结合～便出现了蛋白质工程～又称为“第二代基因工程”～即按照人们的意愿创造出适合人类需求的。具有不

[6]同功能的蛋白质～创造出世界上原来不曾有过的新蛋白质及其新产品。

蛋白质工程的基础是蛋白质晶体学和动力学～主要技术手段是所谓的计算机定位突变和盒式突变——即对编码蛋白质基因定位改造～来造成人为的蛋白突变～在通过发酵或细胞培养生产足够的这种蛋白质。利用蛋白质工程将可以生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质～可以定向改造酶的功能～生产新型营养功能食品～以全新的思路发展食品工业。 3 生物技术在食品加工中的应用

3.1 食品资源及食品品质的改良

利用基因工程, 对用于食品资源的动植物～利用基因转移或DNA 重组～使其蛋白质、脂肪、淀粉等营养要素的含量、性质、结构朝着有益人们身体健康的方向转移和发展。如提高水稻胡萝卜素含量、谷物赖氨酸含量、马铃薯固形物含量、改变植物油组成中不饱和脂肪酸比例。应用基因工程技术～可以将任何生物的性

2 状转移到植物、动物和微生物中～这项技术已用于改造或转化当今用作食品的植物、动物和微生物。采用基因工程改造的面包酵母可使得面粉的膨发性提高, 所得面包更松软可口。通过替代面包酵母或啤酒酵母中的Gall80 或MIGI基因, 解除了糖蜜发酵过程中的随着蜜二糖分解形成的葡萄糖对该基因编码的酶蛋白的抑制作用～从而最终提高酒精产率。用现代发酵工程改造传统发酵食品～最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺～用于生产味精。利用优选的微生物菌群发酵～缩短发酵周期～提高原料利用率～改良风味和品质。在蛋白质食品加工中～用磷脂酶A进行活性面筋的改性,用肽链内切酶、醛脱氢酶等方法除去蛋白臭,用肽链内切酶方法生产人造肉和粉末蛋白质也取得了成功。在啤酒的生产中采用基因工程和蛋白质技术将α-乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达～可明显降低啤酒中双乙酰含量～从而改善啤酒风味。利用基因工程技术不但可以成倍地提高酶活力～而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中～构建基因工程菌来生产酶制剂～生产出的酶制剂不仅催化活性、稳定性得到提高～而且用于食品中可使蛋白质、碳水化合物和脂肪发生改性。例如～蛋白酶可以改善蛋白质的溶解性;新型食品酶制剂转谷氨酰胺酶可以使蛋白质分子间发生交联～因而可用于增加大豆蛋白的胶凝性能～使其具有更好的加工品质。在食品加工过程中～适量地添加一些酶类～可以改善产品的色泽、风味和质构～如用葡萄糖氧化酶可去除蛋液中的葡萄糖～改善蛋制品的色泽,葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香,木瓜蛋白酶可分解胶原蛋白～用于肉制品的嫩化。对于含有难消化

[7]成分的食品～可以通过添加一些酶类～改善这些食品的营养和消化利用性能。 3.2 在食品检测中的应用

生物技术检测方法具有特异的生物识别功能、极强的选择性, 与现代的物理化学方法相结合, 产生一些简单、结果精确、灵敏、专一、微量和快速的检测方法。生物技术检测方法的应用几乎涉及到了食品检验的各个方面, 包括食品品质评价、质量监督、生产过程的质量监控及食品科学研究。目前常用的检测方法主要有:酶联免疫吸附测定( ELISA)、聚合酶链式反应( PCR)、DNA探针。 3.3 在农副产品深加工方面的应用

生物技术可以迅速提高农副产品加工能力和水平～使我国农副产品加工技术在整体上实现跨越式发展～甚至能在一些重大关键技术领域达到世界先进水平。利用遗传工程技术选择培育对乙烯敏感性低的新品种～从基因工程角度解决农副产品的保鲜问题～以便向食品行业、医药行业提供更多的易于贮藏的工业原料。肉类保鲜方面～重点在于提高综合品质以及瘦肉、嫩肉和肥肉的综合利用,奶制品方面重点是发酵乳制品、双歧杆菌发酵乳等,鱼类产品方面重点是从淡水鱼内脏、鱼眼、精卵巢中分离提取有效成分～不断推出保健制品和药物制品,将以前

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废弃不用的农副产品下脚料如麦秸、稻草、豆秸、木屑、枝叶、玉米秆、薯蔓等

[8]植物纤维素资源～通过生物转化～生产一些重要的生物产品。 3.4 生产功能食品及新型食品

用酵母或细菌等微生物菌体发酵得到的单细胞蛋白( SCP)～含有丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质等～营养价值极高。而富硒酵母的生产开辟了发酵工艺应用于微量元素生产的新途径。利用转基因手段从目的供体物种体内获得带有特定优良遗传性状的DNA 片段～直接或通过载体导入被改造物种即“ 受体物种”的胚胎内～培育出优良的新品种～如生长速度快、抗病力强、肉质好的转基因兔、猪、鸡～这将大力推动畜牧业的发展～为改善人们的膳食结构提供一条新的思路和方法。利用发酵技术和酶技术可生产双歧杆菌增殖因子～如低聚果糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖、低聚木糖等; 利用酶技术, 如木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-淀粉酶及其他降解细胞壁的酶类可生产膳食纤维素,还可生产各种活性肽～如降压肽、抗氧化肽、减肥肽、预防肝性脑病肽和心血管疾病肽等～提

[9]高人类的营养水平和健康状况。

3.5 在食品添加剂中的应用

通过转基因技术制造有利于人类健康的食品或有效因子～如低胆固醇肉猪、低胆固醇蛋和高特种微量元素蛋、人类血液代用品～高异胡萝卜素稻米等,利用细胞工程技术生产各种功能性成分～如对人参、西洋参、长春花、紫草和黄连等植物细胞进行培养生产活性细胞干粉、L-苏氨酸、免疫球蛋白、生长激素等,利

[10]用现代生物技术～特别是发酵工程技术生产食品添加剂。目前国内外重点研究开发的食品添加剂有甜味剂中的木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等,酸味剂中的L-苹果酸、L-琥珀酸等,氨基酸中的各种必须氨基酸,增稠剂中的黄原胶、茁霉多糖、热凝性多糖等,风味剂中的多种的多种核苷酸、琥珀酸钠、香茅醇、双已酰,芳香剂中的脂肪酸、异丁醇等,色素中的类胡萝卜素、红曲色素、虾青素、番茄红素等,维生素中的维生素C、维生素B、核黄素、肉碱,12

生活活性添加剂中的各种保健活菌、活性多肽等,防腐剂中的乳链菌肽、杀菌肽、

[11]防御素等。

3.6 可直接应用于食品生产过程的物质转化

利用发酵技术、酶技术对农副产品进行加工～直接生产各种发酵食品如饮料、酒、酱、酱油、醋、乳酸、酸奶和啤酒,利用基因工程和酶工程～构建“生物工程菌”来生产酶制剂。近20年来～利用“基因工程菌”生产的食品酶制剂主要有凝乳酶、ɑ-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、脂肪酶、溶菌酶等。凝乳酶是制造干酪过程中起凝乳作用的关键酶～蛋白酶可改善蛋白质的溶解性。在食品加工过程中添加一些酶类可以改善产品的色泽、风味和质构。如用葡 4

萄糖氧化酶可以除去蛋液中的葡萄糖～改善制品的色泽,用酯酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟,葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香,木瓜蛋白酶可分解胶原蛋白

[12]酶～用于肉的嫩化。

3.7在食品包装上的应用

现代生物技术的食品包装上的应用主要是制造一种又有利于食品保质的环境～如葡萄糖氧化酶能除O,延长食品保鲜期～保持食品色、香、味的稳定性～2

被应用于茶叶、冰淇淋、奶粉、罐头等产品的 除氧包装,溶氧菌能消除有害微生物的繁殖～而让某些有益菌得以繁殖～被广泛应用于清酒、乳制品、水产品、香肠、奶油、生面条等食品中以延长保鲜期,利用生物技术制造有特殊功能的包