1、江西農業學報2009,21(5:134136Acta Agriculturae J iangxi現代生物技術在食品工業中的應用研究進展華寶珍,馬成杰,羅玲泉收稿日期:2009-02-25作者簡介:華寶珍(1972-,女,湖北武漢人,工程師,主要從事食品生物技術研究與開發工作。(光明乳業技術中心華中地區研究所,湖北武漢430040摘要:生物技術在其自身發展過程中始終與食品的加工和制造密不可分,現代生物技術的進步對食品工業的發展產生了巨大的影響。根據國內外食品工程領域中生物技術的研究應用現狀,闡述了現代生物技術在食品工業中的應用研究進展。關鍵詞:生物技術;食品工業;應用;基因工程;研究進展中圖分類

2、號:Q81文獻標識碼:A 文章編號:1001-8581(200905-0134-03Research Progress i n Appli ca ti on of M odern B i otechnology i n Food I ndustryHUA Bao -zhen ,MA Cheng -jie ,LUO L ing -quan(Central China A rea Research I nstitute,Technol ogy Centre of Guang m ingM ilk I ndustry,W uhan 430040,China Abstract:B i otechnol

3、 ogy has al w ays been inseparable with the food p r ocessing and manufacturing in its o wn devel opmental course,and the p r ogress of modern bi otechnol ogy has made a notable influence on the i m p r ove ment of f ood engineering .This paper revie wed the research p r ogress in the app licati on

4、of modern bi otechnol ogy in f ood engineering according t o the research and app licati on status of bi otechnol ogy in f ood industry in the world .Key words :B i otechnol ogy;Food industry;App licati on;Gene engineering;Research p r ogress隨著生命科學日新月異的進步和食品工業的發展,現代生物技術對食品工業的發展發揮著越來越重要的作用。不同于以發酵為支撐的

5、傳統生物技術,現代生物技術在食品工業中的應用以現代分子生物學和基因工程技術為基礎,包括了細胞生物學、微生物學、生物化學、免疫學等幾乎所有生物學科的次級學科,構成了相互聯系、密不可分的有機整體,具有強大的發展潛力和良好的發展前景,現代生物技術已經滲透到食品科學與工程的方方面面。現代生物技術是以生命科學為基礎,利用生物或生物組織、細胞及其他組成部分的特性和功能,設計、構建具有預期性能的新物質或新品系,并與工程原理相結合,加工生產生物制品的綜合性技術。現代生物技術包括基因工程、蛋白質工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等五個領域,其在食品工業的應用有著廣闊的市場和發展前景。1基因工程基因工程是指在分子水

6、平上將異源基因與載體DNA 在體外進行重組,然后將重組子引入到受體細胞中,進行復制和表達,從而改造生物特性,生產出符合人類需要的產品或創造生物新性狀的一種技術。利用基因工程技術將一些植物、動物或微生物的基因植入另一種植物、動物或微生物中,接受的一方由此獲得了在自然條件下所沒有的品質,按植入的基因類型可將食品可分為植物性轉基因食品、動物性轉基因食品和基因工程菌1。1.1優化食品生物資源及食品品質基因工程應用于植物食品原料的生產上,可進行品種改良、新品種開發與原料增產,如選育抗病植物、耐除草劑植物、抗蟲性或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物等,使食品原料的供應更加多樣。同時,在改善食品品質方面,可以利用轉

7、基因工程以及反義RNA 技術,使轉基因番茄具有抑制聚半乳糖醛酸酶活性,番茄的成熟即可被控制,能延長番茄的儲存期;或者改良玉米、稻米等作物氨基酸組成及含量,提高谷類作物的營養價值。在畜產品的生產上,利用基因工程技術可大量生產牛生長激素,并應用于乳牛,以增加牛乳的產量、飼料利用率,并加速肉牛的生長速度。豬生長激素也被應用于控制生豬總重與瘦肉的比率,減少肥肉,以迎合消費者的需求2。1.2改良食品工業菌種食品工業如酒類、醬油、食醋、發酵乳制品等的發展,關鍵在于是否有優良的微生物菌種,將基因工程應用于微生物育種,從事發酵菌種的改良研究,已經成為改良食品工業菌種的一個重要途徑。例如,在啤酒酵母的改良中,將

8、-乙酰乳酸脫羧酶基因克隆到啤酒酵母中進行表達,可降低啤酒雙乙酰含量而改善啤酒風味;選育出分解-葡萄糖和糊精的啤酒酵母,能夠明顯提高麥芽汁的分解率并改善啤酒質量;構建具有優良嗜殺其他菌類活性的嗜殺啤酒酵母已成為純種發酵的重要措施3。再如,乳桿菌中超氧化物歧化酶(S OD 活性越高越有利于該菌在有氧條件下的存活4,諸多研究也證實了S OD 具有抗腫瘤、抗衰老、對抗細胞凋亡等生物活性與功能5,6,克隆大腸桿菌錳超氧化物歧化酶基因(S ODA 并在保加利亞乳桿菌中成功表達,使S OD 與益生菌相結合制備發酵乳,將出現功能更強大的保健食品7。此外,基因工程技術還可以與食品衛生分析檢測結合。例如,采用基因

9、探針技術檢測有害微生物具有特異性強、靈敏度高和操作簡便、省時等優點,通過考查待測樣品與標記性DNA探針能否形成雜交分子,即可判斷樣品中是否含有此種微生物,并且還可以通過測定放射性強度以考查樣品中微生物數量8。2蛋白質工程蛋白質工程是在基因重組技術、生物化學、分子生物學、分子遺傳學等學科的基礎之上,融合了蛋白質晶體學、蛋白質動力學、蛋白質化學和計算機輔助設計等多學科而發展起來的新興研究領域。蛋白質工程可以按照人類的需求創造出原來不曾有過、具有不同功能的蛋白質及其新產品,或生產具有特定氨基酸順序、高級結構、理化性質和生理功能的新型蛋白質,可以定向改造酶的性能,生產新型功能性食品。2.1改善凝乳酶性

10、質在干酪加工中,凝乳酶作為重要的凝結劑而被廣泛應用。在動物凝乳酶供應緊缺的情況下,市場上開發出了多種微生物凝乳酶。但由于其它酶類在特異性、凝結活性、蛋白分解活性、最適pH值、熱穩定性等性質上與天然凝乳酶有一定的差異,因此在食品加工中易引起產量降低和成熟中出現不良風味的缺點。通過凝乳酶蛋白質工程技術的研究,目前已經在解釋酶的某些結構與功能性質、基團與功能性質、酶的翻譯和激活等方面取得了一定進展,在改變酶的某些性質方面取得了一定效果。這項工程可以潛在地增強和優化凝乳酶的各項酶學性質,為凝乳酶資源的開發和在食品加工中的合理利用帶來了光明的前景9。2.2研究和優化纖維素酶的性質纖維素酶是糖苷水解酶的一

11、種,它可以將纖維素水解成單糖,進而發酵成乙醇,從而解決農業、再生能源以及環境污染等問題。為了更好地利用纖維素,愈來愈多的國內外學者開始關注纖維素酶的研究。蛋白質工程作為一種工具用來研究纖維素酶的催化機制,主要包括對潛在活性中心氨基酸殘基進行基因定點突變、體外分子定向進化和對定點突變酶進行動力學分析。通常采用基因定點突變技術對典型纖維素酶家族序列不變殘基和三維構像進行確認,并通過設計新的三維復合體來對酶進行修整和探索10。3細胞工程細胞工程是在細胞水平上改造生物遺傳特性和生產性能,以獲得特定的細胞、細胞產品或新生物體的技術,包括細胞融合、細胞培養及細胞核移植等。利用細胞雜交、細胞培養等技術可獲得

12、遺傳性狀有所改良的新菌株或動植物細胞、生產食品添加劑與酶制劑等。3.1細胞工程育種在細胞水平上的原生質體制備與融合有利于實現遠緣遺傳物質的直接交換,促進遺傳資源的創新。王建華等利用曲霉種間的原生質體融合獲得了比親本菌株淀粉酶產量提高114.00%204.81%,且耐高溫性能也有所提高的新菌株11。再如,大多數難以栽培的食用菌都與植物有共生或寄生關系,人工栽培出菇問題一直無法解決,原生質體融合技術則可以去除細胞壁的屏障,實現了遠緣雜交,為難以人工栽培的食用菌育種提供了新方法12。3.2細胞培養利用細胞工程技術生產生物來源的天然食品或天然食品添加劑,是細胞工程的一個重要領域,應用范圍包括生產天然藥

13、物(人參皂苷、紫杉醇、長春堿等、食品添加劑(花青素、胡蘿卜素、紫草色素、天然香料等和酶制劑(S OD酶、木瓜蛋白酶等等。S OD是一種頗受關注的酶,目前S OD主要從動物血液中分離和純化獲得,由于血液中含有大量的雜蛋白,分離純化工藝復雜,難以達到要求;天然植物中分離和純化S OD,又受到地理環境和氣候條件等影響,難以滿足需求。李志勇等研究了大蒜細胞在發酵罐培養過程中S OD合成及培養基中各種基質的消耗規律,獲得的最大生物量和S OD總酶活分別為163g D W/L和7.72×104U/L,取得了較好的放大效果,為植物細胞培養S OD的工業化生產奠定了基礎13。袁麗紅等對細胞培養生產的

14、紫草色素與天然紫草色素進行了理化性質的比較研究,結果表明,兩者的組成成分基本一致,耐熱性、耐氧化性及不同pH值條件下顏色的變化無明顯差異,這表明工業化生產天然色素、天然香料等具有較好的發展前景14。4酶工程酶工程是指利用酶、細胞或細胞器等具有的特異催化功能,借助生物反應裝置和通過一定的工藝手段生產出人類所需要產品。酶工程在食品工程中的應用技術已經比較成熟,包括各種酶的開發和生產、酶的分離和純化、酶或細胞的固定化技術15、固定化酶反應器的研制以及酶的應用等。4.1開發新型食品添加劑近年來在發達國家,酶工程加快了新酶源的開發,使功能性食品添加劑,如營養強化劑、低熱量的甜味劑、食用纖維和脂肪替代品等

15、得到迅速發展16。甜菊苷是一種非營養型功能性甜味劑。甜菊苷具有輕微的苦澀味,通過酶法改質后可除去苦澀味,從而改善了其風味。酶處理方法是在甜菊苷溶液中加入葡萄糖基化合物,采用葡萄糖基轉移酶處理,生成葡萄基甜菊苷。甘草中所含的甜味物質甘草苷是一種功能性甜味劑,具有補脾益氣、解毒保肝、潤肺止咳的功效。甘草苷經-葡糖苷酸酶處理,生成單葡糖苷酶基甘草酸,其甜度為甘草甜素的5倍,是高甜度的甜味劑和解毒劑。4.2酶工程在食品保鮮中的應用酶制劑保鮮技術是利用酶的催化作用,防止或消除外界因素對食品的不良影響,從而保持食品原有的優良品質與特性的技術。例如葡萄糖氧化酶加在瓶裝飲料中,吸去瓶頸空隙中氧而延長保鮮期;溶

16、菌酶對革蘭氏陽性菌有較強的溶菌作用,可用于肉制品、干酪、水產品、乳制品、水果等的保鮮,且具無毒5315期華寶珍等:現代生物技術在食品工業中的應用研究進展性、底物專一、高度催化、作用條件溫和等優點17。4.3食品分析與檢測方面的應用由于酶具有特異性,因此,也適合于動植物化學組分的定性和定量分析。例如,采用檸檬酸裂解酶測定檸檬酸的含量18,采用乙醇脫氫酶測定食品中的乙醇含量19。Niculescu M等也報道了一種基于乙醇脫氫酶的傳感器,它可以靈活自動地進行白酒分析,能夠對白酒發酵過程進行實時監控,具有選擇性好、靈敏度高、測量簡便、快速等優點20。此外,在食品中加入一種或幾種酶,根據它們作用于食品

17、中某些組分的結果,可以評價食品的質量,這是一種十分簡便的方法。5發酵工程發酵工程是指采用工程技術手段,利用微生物和有活性離體酶的某些功能,為人類生產有用的生物產品,或者直接用微生物參與控制某些生產的一種技術。現代發酵工程包括微生物資源的開發利用、微生物菌種的選育、固定化細胞技術、生物反應器設計、發酵條件的利用及自動化控制、發酵產品的分離與提純等技術。發酵工程技術涉及到新食品配料、食品加工催化劑、飲料穩定劑、D -氨基酸及其衍生物制造等諸多食品工業領域20。5.1改造傳統的食品加工工藝從植物中萃取食品添加劑不僅成本高,而且來源有限。化學合成法生產食品添加劑雖然成本低,但是化學合成率低、周期長,而

18、且可能危害人體健康。因此,生物技術,尤其是發酵工程技術成為食品添加劑生產的首選方法。目前,利用微生物發酵生產的食品添加劑主要有維生素C、維生素B12、維生素B2、甜味劑、增香劑和色素等產品。發酵工程生產的天然色素、天然新型香味劑正在逐步取代人工合成的色素和香精。5.2開發大型真菌一些藥用真菌,如靈芝、冬蟲夏草、茯苓等,含有調節機體免疫功能、抗癌、防衰老的有效成分,是發展功能性食品的一個重要原料來源。對于這些名貴的藥用真菌,一方面可通過野外采摘和人工種植相結合的方式進行資源收集,但是這種方式的產量低,易受天氣和季節的影響;另一方面,則可以通過發酵途徑實現工業化生產,例如河北省科學院微生物研究所等

19、篩選出了繁殖快、生物量高的優良靈芝菌株,應用于深層液體發酵研究并取得了成功,建立了一整套發酵和提取新工藝,為研制功能性食品提供更為廣闊的藥材原料。發酵培養蟲草菌也在中國醫學科學院藥物研究所實現,分析其產品的化學成分和藥理功效,與天然冬蟲夏草基本一致。6前景展望隨著生命科學和生物技術日新月異的發展,代謝組學、蛋白質組學、生物芯片、生物信息學等重大技術相繼問世并取得了快速發展,大大擴展了生物技術的涵蓋范圍,也為現代生物技術在食品工業中的應用奠定了更加堅實的基礎21,22。在現代生物技術快速發展的帶動下,食品工業必將會有更加廣闊的前景。參考文獻:1孫建全,張倩,馬建軍,等.基因工程技術在食品工業中的

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21、988.5Oberley L W.Anticancer Therapy by Overexpression of Superox26Levin E D,Christopher N C,Lateef S,et al.Extracellular Superox2ide D is mutase Overexp ression Protects against Aging I nduced Cognitive I m pair ment in M iceJ.Behav.Genet.,2002,32(2: 119125.7黃勇,張德純.錳超氧化物歧化酶基因的克隆和在保加利亞乳桿菌中的表達J.食品科學,2005,26(5:9295.8徐茂軍.基因探針技術及其在食品衛生檢測中的應用J.食品與發酵工業,2001,27(2:6671.9楊寶進,羅軍.凝乳酶蛋白質工程的研究J.中國乳品工業,2005,33(12:3643.10張曉勇,陳秀霞,高向陽.纖維素酶的蛋白質工程J.纖維素科學與技術,2006,14(2:5559.11王建華,趙學慧.曲霉種間原生質體融合改良產淀粉酶能力的研究J.華中農業大學學報,2007,26(5:642645. 12鄒莉,