食品生物技术研究内容及成果

2023-11-18 理论教育版权反馈

【摘要】：现代食品生物技术发展很快，已经形成以基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和发酵工程为主体的综合技术体系。目前基因工程在改善食品原料品质、改革传统的发酵工业、改善食品品质和加工特性、增强果蔬食品的储藏性和保鲜性能、生产保健食品与特殊食品等领域发挥着重要的作用。此外，酶工程在食品工厂废弃物处理、食品检测、去除食品中抗营养物质等方面也有应用。

现代食品生物技术发展很快，已经形成以基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程和发酵工程为主体的综合技术体系。

（一）基因工程

基因工程（genetic engineering）也称遗传工程或重组体DNA技术，是在体外将异源DNA（目的基因）与基因载体（质粒、病毒等）重组成复制子并转移至宿主细胞的过程。它是以分子生物学为基础，以DNA重组技术（或称克隆技术）为手段，实现动物、植物、微生物等不同种之间的基因转移或DNA重组。

目前基因工程在改善食品原料品质、改革传统的发酵工业、改善食品品质和加工特性、增强果蔬食品的储藏性和保鲜性能、生产保健食品与特殊食品等领域发挥着重要的作用。利用基因工程已培育出多种优良品种，包括油菜新品种（高不饱和脂肪酸和高油酸含量）、番茄新品种（高固体含量、增强风味）和玉米新品种（高直链淀粉含量、低胶凝温度以及无脂肪的甜玉米）等；改革传统发酵工业方面，面包酵母等工程菌的应用提高了发酵产品质量，同时已工业化生产蛋白酶、纤维素酶、果胶酶和植酸酶等；改善食品品质和加工性能方面最典型体现在酱油和啤酒的酿造中，利用基因工程分别提高了酱油中氨基酸含量、降低啤酒中双乙酰含量，从而提高产品风味；利用基因工程中的反义基因技术使番茄的成熟期和储藏期得到延长，耐储存草莓、香蕉和芒果等果蔬的研究也在持续进行；此外，利用基因工程技术从植物细胞中制造出更多有益于人类健康的保健因子，从而生产保健食品，也可以用来生产特殊食品，如选育出具有抗肝炎功能的番茄可产生类似乙肝疫苗的效果等。

（二）细胞工程

细胞工程（cell engineering）是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖或人为地使细胞的某些生物学特性按人们的意志发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速动物或植物个体的繁殖，或获得某些有用的物质的技术。它包括了动物和植物细胞的体外大量培养技术、细胞融合技术（也称细胞杂交技术）、细胞拆分、染色体工程和繁殖生物学技术等。

动、植物细胞培养技术是当今细胞工程的发展重点，与微生物细胞培养一样，人工控制条件下在生物反应器中大规模培养获得人类所需要的各种食品产品及保健产品，而且可缩短生产周期，不受地理环境和气候影响。目前利用细胞融合技术已培育出番茄、马铃薯、烟草和短牵牛等杂种植株；利用植物细胞培养可以获得许多特殊的产品，如生物碱类、色素、激素、抗肿瘤药物等；利用动物细胞培养可以大规模地生产药品，如干扰素、人体激素、疫苗和单克隆抗体等。

（三）蛋白质工程

蛋白质工程（protein engineering）是20世纪80年代初诞生的一个新兴生物技术领域，它是以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方法，借助计算机信息处理技术，从改变或合成基因入手，定向地改造天然蛋白质或设计全新的人工蛋白质分子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好地为人类服务的一种生物技术。蛋白质工程是继基因工程以后又一个可根据人们的意愿改造天然生物大分子，甚至可以设计和创造全新的非天然的生物大分子的生物技术。蛋白质工程可赋予蛋白质特殊的性质和功能，满足人们在某些特定条件下的特殊需要。通常蛋白质工程以基因操作为基础，是基因工程技术的发展和延伸，所以又被称为“第二代遗传工程”。

目前，蛋白质工程通过定位突变和体外定向进化等方法，有数十种蛋白质分子经过这种改造，达到了提高蛋白质的稳定性（溶菌酶引入二硫键和磷酸丙糖异构酶转化氨基酸残基）、消除酶的被抑制特性（枯草芽孢杆菌蛋白酶）、增强酶的特异性（支链淀粉酶）和提高酶的催化能力（嗜热脂肪芽孢杆菌的Tyr-tRNA合成酶）等目的。此外，蛋白质工程还可应用于蚕丝蛋白和螺旋藻蛋白等功能性食品的开发应用。

（四）酶工程(www.chuimin.cn)

酶工程（enzyme engineering）是指利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，对酶结构进行修饰改造，并借助于生物反应器和工艺优化过程，有效地发挥酶的催化特性来生产人类所需产品的技术。它包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。

生产营养成分丰富和比例合理的食品，是食品企业的根本目的，而食品工业常用的高温高压或者酸碱处理常会造成营养成分的损失。酶处理通常在温和条件下反应，可以较好地保持食品的营养成分，节约能源和保护环境。相较化学和合成防腐剂，酶制剂用于食品保鲜不会造成食品的污染，并且使用简单热处理方法便可使酶失活，反应进程容易控制，并可最大限度地保持食品原有的营养和风味。同时糖化酶、α-淀粉酶、蛋白酶、果胶酶和脂肪酶等规模化生产的酶被广泛应用于乳品、肉制品、果蔬和焙烤等食品加工，在提高产品质量、降低成本、节约原料和能源、保护环境等方面发挥着重要作用。酶工程还用于低聚果糖、天冬氨酸、L-苹果酸、阿斯巴甜、芳香剂、抗氧化剂以及乳化剂等食品添加剂的生产。此外，酶工程在食品工厂废弃物处理、食品检测、去除食品中抗营养物质等方面也有应用。

（五）发酵工程

发酵工程（fermentation engineering）也称微生物工程，是指采用现代工程技术手段，利用微生物的生长繁殖和代谢活动，为人类生产所需产品，或直接把微生物应用于工业生产过程的技术。发酵工程的应用，即采用现代发酵设备，使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株进行扩大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的食品或食品的功能成分，并可以提高发酵食品的质量、安全性和产品一致性。发酵工程处于食品生物工程的中心地位，大多数生物工程的目标产物都是通过发酵工程来实现的。

微生物发酵生产食品有着独有的特点：繁殖过程快，营养物质简单，易于实现工业化生产。在发酵过程中，微生物生长和代谢会产生复杂的代谢物质。这些代谢物，包括分解碳水化合物、蛋白质和脂质的酶，维生素，抗菌物质（如细菌素，溶菌酶），凝胶形成剂（如黄原胶），氨基酸（如谷氨酸和赖氨酸），有机酸（如柠檬酸，乳酸）和风味化合物（例如酯和醛）等。

（六）生物工程下游技术

生物技术产品一般存在于一个复杂的多相体系中，通常需经过分离和纯化等过程，才能制得符合使用要求的产品。因此由生物自然产生的或由微生物菌体发酵的、动植物细胞组织培养的、酶反应生成的各种生物工业生产过程获得的生物原料，都需要经过提取分离、加工并精制目的成分，最终使其成为产品，通常这种分离技术称为生物工程下游技术，也称为下游工程或下游加工过程。生物工程下游技术主要包括大分子物质提取、分离及纯化技术、沉淀技术、浓缩技术、膜分离技术、各种色谱技术、各种电泳技术以及产品的浓缩、结晶、干燥等技术。

生物工程下游技术是实现生物工程产业化的关键步骤，如超临界流体萃取可用于香精香料的提取、生理活性物质的提取以及中药有效成分的分析等。超滤技术可用于牛奶加工中从乳清中分离蛋白质和低相对分子质量的乳糖，也可用于氨基酸生产、抗生素回收，还可用于咖啡中脱除咖啡因等。

这些工程技术之间并不是各自独立的，它们相互联系相互渗透。其中基因工程技术是核心技术，能带动其他技术的发展，如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的工程菌或细胞都需要通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质。而通过基因工程技术可对酶进行改造从而增加酶的产量、提高酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。

食品生物技术研究内容及成果

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