第一章食品生物技術概述第一節生物技術一、什么是生物技術二、生物技術的發展簡史三、生物技術內容及其內在聯系四、生物技術及其產品的特點五、生物技術在各個領域的應用一、什么是生物技術生物技術一詞最早是在1919年由匈牙利農業經濟學家艾里基（K.Ereky）提出的，當時他對生物技術的定義為“凡是以生物機體為原料，不論其用何種生產方法進行產品生產的技術”。20世紀70年代末、80年代初，由于分子生物學、DNA重組技術的出現以及某些基因工程產品如重組胰島素、重組人生長激素等的問世，人們又縮小了“生物技術”這一概念的范疇，認為只有基因工程等一類具有現代化生物技術內涵或以分子生物學為基礎的技術才稱得上為生物技術，而把原先已相當成熟的發酵技術、酶催化技術、生物轉化技術、原生質體融合技術等都排斥在外。后來，由國際經濟合作與發展組織（IECDO）在1982年提出的對生物技術的定義才為多數人所接受。此定義為：生物技術（Biotechnology）是指人們以現代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段和其他基礎學科的科學原理，按照預先的設計改造生物體或加工生物原料，為人類生產出所需產品或達到某種目的。二、生物技術的發展簡史（一）經驗生物技術時期（二）近代生物技術建立時期（三）近代生物技術的全盛時期（四）現代生物技術（一）經驗生物技術時期經驗生物技術時期是指傳統生物技術時期的初期形式，傳統生物技術從史前時代起就一直為人們所利用。在舊石器時代后期，先民就會利用谷物造酒。公元10世紀，已經使用活疫苗預防天花。在西方，蘇美爾人和巴比倫人在公元前6000年就已開始啤酒發酵。埃及人則在公元前4000年就開始制作面包。另有公元前25世紀時古代巴爾干地區的人開始制作酸奶。根據生物技術的定義，上述的生活或生產實踐都應歸屬于生物技術。但因科學技術的落后，這些活動只局限于實踐的范疇，而沒有上升到理論階段，所以這一階段發展緩慢。盡管如此，經驗生物技術還是十分寶貴的，它為其后相關理論的創立打下了一定的基礎。（二）近代生物技術建立時期這一時期是與顯微鏡的發明、微生物的發現和微生物學的創立密切相關的。19世紀60年代，法國科學家L.Pasteur首先證實了發酵是由微生物引起的。隨后Koch建立了微生物的純培養技術，從而為發酵技術的發展提供了基礎，使發酵技術進入了科學的發展軌道。19世紀中后期，酶學和酶生物技術開始萌芽。首先是1876年德國L.Kunne創造了“Enzyme”一字，即“酶”；1892年德國的E.Büchner發現了磨碎后的酵母細胞仍能進行酒精的發酵，并認為這是酵母細胞中的一系列酶在起作用的緣故；1913年德國的L.Michaelis和M.L.Mentem利用物理化學原理提出了酶反應動力學的表達式；1926年美國的生物學家嗄薩姆納（J.Sumner）證明了結晶脲酶、胃蛋白酶和過氧化氫酶是蛋白質。1929年英國的醫生A.Fleming發現青霉素，并開始了對其進行長達10多年的不懈研究。1937年馬摩里（Mamoli）和維賽龍（Vercellone）提出了微生物轉化法。本時期是微生物學家通過對微生物形態、生理的研究后建立的，并直接為生產提供了更多的技術服務，催生了不少的新產業。此外，還出現了一些與微生物學相關的分支學科，如細菌學、工業微生物學等，為推動近代生物技術進入全盛時期創造了條件。（三）近代生物技術的全盛時期到了20世紀20年代，工業生產中開始采用大規模的純種培養技術發酵化工原料，如丙酮、丁醇等。20世紀50年代，在青霉素大規模發酵生產的帶動下，發酵工業和酶制劑工業進入了迅速發展階段。這一時期的起始標志是青霉素工業開發獲得成功，主要技術特征是利用了微生物的純培養技術、深層通氣攪拌發酵技術和代謝控制發酵技術等。它帶動了一批微生物次級代謝和新的初級代謝物產品的開發，并激發了原有生物技術產業的技術改造。此外，一批以酶為催化劑的生物轉化過程生產的產品問世，加上酶和細胞固定化技術的應用使近代生物技術產業達到了一個全盛時期。相對于下面所述的現代生物技術，經驗生物技術時期、近代生物技術建立和全盛時期又稱為傳統生物技術時期。（四）現代生物技術現代生物技術是以20世紀70年代DNA重組技術的建立為標志。1944年Avery等闡明了DNA是遺傳信息的攜帶者。1953年Watson和Crick提出了DNA的雙螺旋結構模型，闡明了DNA的半保留復制模型，從而開辟了分子生物學研究的新紀元。1961年M.Nirenberg等破譯了遺傳密碼，揭開了DNA編碼的遺傳信息是如何傳遞給蛋白質的秘密。1973年Boyer和Cohen建立了DNA體外重組技術，標志著生物技術的核心技術—基因工程技術的開始。1982年美國的Eli-Lilly藥廠將第一個基因工程產品—胰島素投入市場。隨著細胞融合技術及單克隆抗體技術的相繼成功，實現了動植物細胞的大規模培養技術，同時固定化生物催化劑也得到廣泛應用，新型反應器不斷涌現，形成了具有劃時代意義的現代生物技術。現代生物技術的主要技術特征是運用了DNA重組技術、細胞融合技術、單克隆抗體技術、細胞固定化技術、動植物細胞大規模培養技術和現代化生物化工技術的成果進行產品開發和生產，使生物技術從原有的鮮為人知的傳統產業，一躍成為代表21世紀的技術發展方向、具有遠大發展前景的新興學科和朝陽產業。三、生物技術內容及其內在聯系（一）基因工程（Geneengineering）（二）細胞工程（Cellengineering）（三）酶工程（Enzymeengineering）（四）發酵工程(Fermentationengineering)（五）蛋白質工程（Proteinengineering）（一）基因工程（Geneengineering）基因工程也叫基因操作、遺傳工程或重組體DNA技術，其主要原理是以分子遺傳學為基礎，利用人工方法把生物的遺傳物質分離出來，在體外進行切割、拼接和重組。然后將重組的DNA導入某種宿主細胞中，從而改變它們的遺傳性質；也可以使新的遺傳信息在新的宿主細胞中大量表達，以獲得基因產物（多肽或蛋白質）。這種創造新生物并給予新生物以特殊功能的過程就稱為基因工程。但嚴格的講，基因工程的含義更為廣泛，還可以包括除DNA重組技術以外的一些其它可使生物基因組結構得到改造的技術。目前，基因工程有一些成功應用的報道。如利用微生物生產動物蛋白質、人體生長激素、干擾素等。在食品工業上，細菌和真菌的改良菌株已影響到傳統的面包焙烤和干酪的制備，并對發酵食品的風味和組分進行控制；在農業上，基因工程已用于品種的改良，如培育出玉米新品種（高直鏈淀粉含量、低膠凝溫度以及無脂肪的甜玉米）和番茄新品種（高固體含量強風味）等。（二）細胞工程（Cellengineering）細胞工程是指應用細胞學的方法，以組織、細胞和細胞器為對象進行操作，在體外條件下進行培養、繁殖或人為地使細胞的某些生物學特性按人們的意愿進行改造，從而達到改良生物品種和創造新品種，加速動、植物個體的繁育，或獲得某種有用的物質。它包括動、植物細胞的體外培養技術、細胞融合技術及細胞器移植技術等。目前利用細胞融合技術已培育出番茄、馬鈴薯、煙草和短牽牛等雜種植株；利用植物細胞培養可以獲得許多特殊的產品，如生物堿類、色素、激素、抗腫瘤藥物等；利用動物培養可以用來大規模地生產藥品，如干擾素、人體激素、疫苗和單克隆抗體等。（三）酶工程（Enzymeengineering）酶工程是利用酶、細胞器或細胞所具有的特異催化功能，或對酶進行修飾改造，并借助生物反應器和工藝過程來生產人類所需產品的一項技術。它包括酶的生產技術和固定化技術、細胞固定化技術、酶分子修飾改造技術及酶反應器的設計等技術。酶工程的主要任務是：通過人們的預先設計、經過人工操作控制而獲得大量所需的酶，并通過各種方法使酶發揮其最大的催化功能。（四）發酵工程(Fermentationengineering)利用微生物生長速度快、生長條件簡單以及代謝過程特殊的特點，在適宜的條件下，通過現代化工工程技術手段，利用微生物的某種特定功能生產出人類需要的產品的過程稱為發酵工程，也稱微生物工程。它處于生物工程的中心地位，大多數生物工程的目標產物都是通過發酵工程來實現的。（五）蛋白質工程（Proteinengineering）蛋白質工程是20世紀80年代初誕生的一個新興生物技術領域，它是指在基因工程基礎上，結合蛋白質結晶學和蛋白質化學等多學科，通過對基因的定向改造而對蛋白質分子進行定位突變，從而達到對蛋白質進行改造，從而生產出能夠滿足人們需要的新型蛋白質。四、生物技術及其產品的特點（一）生物技術的特點（二）生物技術產品的特點（一）生物技術的特點1．發展迅速2．高效低耗3．不可取代性4．競爭激烈5．涉及社會問題1．發展迅速近年來，現代生物技術取得了突飛猛進的發展。首先，在農業方面，自1983年轉基因煙草和馬鈴薯首次問世以來，轉基因水稻、小麥、玉米、馬鈴薯、棉花、大豆、油菜等轉基因植物相繼出現并大面積種植，現已有120多種轉基因植物。其次，轉基因動物如轉基因鼠、魚、豬、牛、雞已經陸續被克隆出來。尤其是轉基因羊“多莉”、“元元”、“陽陽”、“歡歡”和“慶慶”的出現，使克隆技術又上了一個新臺階。人類基因組計劃自1990年以來不斷加速，同時也使細胞工程、酶工程、發酵工程及蛋白質工程的應用得到迅猛的發展，使生物技術進入了一個全新的階段。2．高效低耗現代生物技術以可再生的生物資源為原料生產食品或藥品，從而可獲得過去難以得到的足量的產品。如1g胰島素須要從7.5公斤新鮮胰臟中才能提取得到，目前世界上糖尿病患者有6,000萬人，每人每年約需1g胰島素，這樣總計需要45億公斤新鮮胰臟做原料。而利用基因“工程菌”生產1g胰島素，只需20升發酵液。我國有13億人口，占世界人口的22%，而耕地只占世界的7%；未來25年全球的糧食需求將增長60%，但耕地卻有可能不斷減少。生物技術的發展，特別是轉基因植物能夠大幅度提高糧食產量，從而為徹底解決世界人口增長速度高于糧食增長速度所帶來的溫飽問題提供了根本性的出路。由此可見，生物技術的應用具有高效低耗的特點。3．不可取代性在生物技術中，基因工程的商業價值集中體現在生物制藥行業，生物制藥的焦點又集中在尋找疾病相關基因上。一個基因可以成就一個企業，甚至帶動一個產業，其商業價值難以估計。一個具有重要功能的相關疾病基因的專利，轉讓價值一般以千萬美元計，而以此開發的基因藥物年銷售額可高達幾十億美元。例如，肥胖基因的技術轉讓費用總計超過了7,000萬美元；促紅細胞生成素(EPO)的全球市場銷售額已達到34億美元。因此生物技術無論從技術效益方面或者是經濟效益，與其他技術相比具有不可取代的作用。4．競爭激烈由于基因是一種有限的資源，其商業價值又如此之高，該領域已出現了趨于白熱化的“基因爭奪戰”。一些發達國家和跨國公司爭相對發展中國家進行基因偷獵，以期得到和克隆相關疾病的基因，并競相申請專利，從中獲取高額利潤。例如，據報道，美國的塞萊拉公司已經申請了１萬多項關于基因的專利，因塞特公司申請了6,300多項基因專利，人類基因科學公司（HGS）也已經申請了6,700多項基因專利。另外日本、法國、我國也積極加入了這場激烈的爭奪戰。5．涉及社會問題由于生物技術的飛速發展，正在引發越來越多的法律、政治、經濟、宗教、社會公德及倫理道德等十分棘手的問題。例如，是否可以對人的基因授予專利，基因是否屬于科學發現，是否應當鼓勵干細胞研究，轉基因食品是否安全，生物技術會不會影響生態平衡和造成環境污染等。所有這些問題，都需要得到及時而有效的解決，以避免現代生物技術引發社會動亂和變成人類的災難。（二）生物技術產品的特點1．生物技術產品概述2．生物技術產品的特點1．生物技術產品概述生物技術工業產品的出現只有近百年的歷史，按照其發展的過程可分為古時代、巴斯德時代和現代生物技術時代三個產品階段。古時代的生物技術產品有：啤酒、蘋果酒、發酵面包等；當時，人們還沒有認識微生物與發酵的關系，一切靠經驗，所以產品的附加值很低；巴斯德時代的生物技術產品有：抗生素、單細胞蛋白、酶、有機溶劑、維生素、生物殺蟲劑等；由于微生物技術、細胞工程、發酵工程等生物技術的產生及發展，這個時期生物技術產品的附加值比較高；現代生物技術產品有：基因工程藥物、轉基因植物、克隆動物、DNA芯片、生物傳感器等；由于現代生物技術與信息技術、新材料技術、新能源技術、海洋技術等一起構成了新技術革命的主力，使食品、醫藥、化學、能源、采礦等工業部門的生產效率極大的提高，產品的附加值很高。時期名稱采用技術附加值第一代產品啤酒、蘋果酒、發酵面包、醋自然發酵很低

第二代產品抗生素、單細胞蛋白質、酶、乙醇、丙酮、維生素、氨基酸初步的物理、化學遺傳分析、細胞雜交、物理化學、誘變育種等高第三代產品基因藥物、DNA芯片、生物導彈基因工程、細胞工程等很高表1-1生物技術各期產品2．生物技術產品的特點（1）目的產物產率低（2）初始物料組成復雜（1）目的產物產率低通過生物技術獲得的產品，一方面受到生物體或生物原料的內部復雜結構的影響，另一方面還受到技術條件和環境條件的制約，使得生物技術產品的目的產物產率比較低。例如一種基因工程藥物生產的主要程序是：目的基因的克隆，構建DNA重組體，將DNA重組體轉入宿主菌構建工程菌，外源基因表達產物及其分離純化等，具體的步驟還會隨著生產條件的不同而有所改變，如受到原料理化性質、產物代謝、高技術、精密儀器設備的制約，還受到溫度、pH、滲透壓等很多環境條件的影響，造成了目的產物的產量較低。如，青霉素是微生物所產生的次級代謝產物，其產量遠比初級代謝產物量低，結構復雜，性能又不穩定，青霉素的產量不高。（2）初始物料組成復雜生物技術產品不同于其他的一般產品，它的初始物料是生物原料。生物原料則指生物體的某一部分及生物生長過程所能利用的物質，如淀粉、糖蜜、纖維素等有機物，也包括一些無機化學品，甚至某些礦石，組成復雜，組分差別很大。特別是生物制品，它的原輔料都是采用血液、臟器組織、微生物、寄生蟲、動物毒素等生物活性材料為起始材料，所以生物技術產品的初始物料組成具有不確定性、不穩定性和復雜性的特點。五、生物技術在各個領域的應用（一）生物技術與農牧業（二）生物技術與醫藥衛生（三）生物技術與環境保護（四）生物技術與食品工業（一）生物技術與農牧業現代科學技術的發展，已使生物技術滲透到農業生產的各個方面。生物技術在農牧業生產中的應用主要是運用現代遺傳學的工具來增強動、植物的有益性狀，以促進產品增產。如轉基因的抗病、抗蟲植物，包括抗蟲棉、抗蟲水稻、抗蟲煙草、抗蟲番茄。植物組培快繁和植株脫毒，現在已經廣泛運用于花卉、果樹的種苗培育，包括香蕉、柑桔、蘋果、葡萄、馬鈴薯、甘薯、草莓無毒苗等。酶工程目前主要應用于飼料加工領域，加入淀粉酶可提高飼養動物對非淀粉多糖(NSP)的利用率，加入蛋白酶可提高動物對蛋白質的吸收率，加入酶制劑，可以去除抗營養因子，改善動物的內分泌，增強抗病能力，增強動物的消化吸收能力。另外，植物單倍體培養、原生質體融合、胚胎移植在動植物育種和繁殖方面都取得了一定的成就；單細胞蛋白生產與微藻類培養使人們把未來農業的希望寄托在微生物上，目前取得較大進展；同時有益生物菌制劑、組培生產次生代謝產物、植物人工種子、獸用生物制品的開發都為農牧業生產解決了生物技術之外技術不可解決的問題。（二）生物技術與醫藥衛生生物技術首先在醫藥衛生領域主要用于臨床醫藥生產方面的應用，利用基因工程可以生產天然稀有的醫用活性多肽或蛋白質，如干擾素和白細胞介素、尿激酶原激活因子、各種疫苗、胰島素和其它生長激素等，基因工程制藥產業已經初步形成。特別是青霉素的大規模液體深層發酵，對它的研究與生產開創了現代發酵工程之先河。隨著基因工程和酶工程的發展，抗生素及其它微生物代謝藥物的生產進入一個新階段。例如更高效的抗腫瘤藥物羥基喜樹堿和前列腺素；通過基因誘變，使微生物產生新的合成途徑，從而獲得新的代謝產物；利用微生物產生的酶，對藥物進行化學修飾，例如多種半合成青霉素的生產。其次，生物技術應用于醫療診斷和設備方面。限制性酶的酶解片段長度多態性分析方法可以檢測出突變的基因；等位特異性寡核苷酸探針檢測法可以診斷某些遺傳病；聚合酶鏈式反應也用于診斷疾病。免疫導向藥物又可稱為“生物導彈”，因其帶有單克隆抗體而能自動導向，在生物體內能夠與特定目標細胞或組織結合，并由其攜帶的藥物產生治療作用。此外，生物技術還應用于疫苗研制方面。目前用于人類疾病防治的疫苗有20多種，可分為傳統疫苗和新型疫苗。前者主要包括減毒活疫苗和滅活疫苗，后者則以基因疫苗為主。基因工程疫苗的成功應用為人類抵制傳染病的侵襲，確保整個群體的優生優育提供了強有力的保障。目前，我國開發重點是乙肝基因疫苗、狂犬疫苗和流感疫苗。（三）生物技術與環境保護生物技術在污染治理、環境監測等方面發揮著重要的作用，現已廣泛應用于工業清潔生產、工業廢棄物和城市生活垃圾的處理，有毒有害物質的無害化處理等各個方面。它可以在常溫常壓和中性的條件下就地實施，具有設備簡單、成本低廉、效果好、操作簡便等優勢。（四）生物技術與食品工業食品工業是生物技術應用的非常重要的領域。第二節食品生物技術概論一、什么是食品生物技術二、食品生物技術的發展現狀三、未來食品生物技術的展望一、什么是食品生物技術食品生物技術是現代生物技術在食品領域中的應用，是指以現代生命科學的研究成果為基礎，結合現代工程技術手段和其他學科的研究成果，用全新的方法和手段設計新型的食品和食品原料。食品生物技術包括在食品加工制造上的所有生物技術，涉及到基因工程、細胞工程、發酵工程、酶工程以及生物工程下游技術和現代分子檢測技術。它涵蓋了分子生物學、細胞生物學、免疫學、生理學、遺傳學、生物化學、微生物學、生物物理學等生物類學科，同時涉及信息學、電子學和化學等學科，是一門多學科相互滲透的綜合性技術。二、食品生物技術的發展簡史食品生物技術包括傳統食品生物技術和現代食品生物技