食品生物技術導論食品生物技術導論目錄第一章緒論第二章食品與基因工程第三章食品與蛋白質工程第四章食品與酶工程第五章食品與發酵工程第六章食品與細胞工程第七章食品生物工程中的下游過程第八章食品生物技術與食品安全檢測第九章生物技術與食品工業“三廢”治理食品生物技術導論第一章緒論第一節食品生物技術涵義第二節食品生物技術研究內容第三節食品生物技術特點第四節食品生物技術發展簡史第五節分子生物學的形成和發展食品生物技術導論第一節食品生物技術涵義

一、生物技術所謂生物工程是達到特殊目的生物過程的控制性工程“操縱生物（微生物、植物、動物）的細胞、組織或酶，進行生物合成及分解轉化”。二、食品生物技術食品生物技術（foodbiotechnology）是利用生物體及其細胞、亞細胞和分子組成部分，結合工程學、信息學等手段去研究及加工處理或制造食品產品的新技術。食品生物技術導論第二節食品生物技術研究內容一、食品與基因工程基因工程又稱遺傳工程，它是在體外將異源DNA（目的基因）與基因載體（質粒、病毒等）重組成復制子并轉移至宿主細胞的過程。二、食品與酶工程酶是活細胞產生的具高度催化活性和高度專一性的生物催化劑。所謂酶工程是把酶或細胞或經過修飾后直接應用于化學反應的生物催化工程，包括固定化酶、固定化細胞和固定化活細胞體系等。酶工程的應用能有效地改造傳統的食品工業。食品生物技術導論三、食品與發酵工程發酵工程其涵義是采用現代發酵設備，使經基因重組技術改良的細胞或經其它現代技術改造的菌株進行放大培養和控制發酵，獲得工業化生產預定的食品產品或食品的功能成分。四、食品與細胞工程應用細胞生物學方法，按照人們預定的設計，有計劃地改造遺傳物質和細胞培養技術，包括細胞融合技術、細胞拆合技術以及動物、植物大量控制性培養技術，還包括染色體工程和細胞質工程等內容。細胞工程與微生物細胞培養一樣，在人工控制條件下在生物反應器中大規模培養，獲得人類所需要的各種食品產品及保健產品食品生物技術導論五、食品與蛋白質工程1983年美國Genex公司K·Utrner提出蛋白質工程（proteinengineering）概念，其涵義是指從蛋白質分子結構的設計入手，將待改進的蛋白質提純為結晶，用x射線衍射等手段研究其空間構象，確定其需要改變的氨基酸殘基，然后再用基因定位突變和體外定向進化等方法達到修飾蛋白質分子空間結構的目的。六、食品與后基因組學2003年隨著人類基因組圖譜草圖繪制成功，為后基因組學（post-genomics）的誕生拉開了序幕。而現代研究認為，一個基因可以編碼數個蛋白質，隨之形成所謂基因組學（genomics）和蛋白質組學（proteomics），近年來，在日本、美國和德國等國又啟動了營養基因組學（nutrigenomics）的研究。食品生物技術導論七、食品與食品安全

生物技術的發展為食品安全的檢測提供高速高效的PCR系統檢測技術。為加強食品安全在食品加工過程除必須嚴格執行CAC、HACCP、GMP和ACP安全體系外。還必須制訂切實可行的食品安全監督管理體系。食品生物技術導論第三節食品生物技術特點一、食品生物技術與食品產業化緊密相關食品生物技術對改造傳統食品工業和農副產品深加工，具有革命性意義和較大的經濟價值。食品生物技術即食品生物工程包括上游工程（upstreamprocess）和下游工程（downstreamprocess），整個過程有多個操作工序，一環扣一環，核心技術為生物技術和酶工程，形成較為完整的產業鏈，如圖1-1所示。圖1-1食品生物技術產業鏈示意圖食品生物技術導論二、食品生物技術屬邊緣性交叉學科生物技術是研究生命的科學技術，是生物科學和工程學綜合交叉的邊緣學科。三、食品生物技術具有“六高”基本特征食品生物技術與其他高新技術一樣，對國民經濟的發展和食品工業的革新具有“六高”的基本特征：即高效益，高智力、高投入、高競爭、高風險和高潛力。四、食品生物技術屬高新技術范疇根據當今世界科技發展對世界經濟發展貢獻情況。信息、能源、生物技術、航天、材料、汽車和環境等己被列為世界“七大”高科技領域。食品生物技術導論五、食品生物技術已成為食品科學發展的重要研究方向

食品生物技術作為生物技術的分支學科，在自然科學中涵蓋范圍廣為其特征。第四節食品生物技術發展簡史一、史前時期從出土文物發現，追溯至距今數千多年前的龍山文化時期。釀酒、制醋和制醬等發酵技藝已經發展到世界一流水平。食品生物技術導論二、近代時期從19世紀50年代開始，伴隨著歐洲的文藝復興帶來科學和工業的繁榮。由于法國科學家巴斯德（Pasteur）對微生物學創立的貢獻，德國科學家柯赫（Koch）發明了微生物的分離和純種培養技術和法國學者布合乃爾（Buchner）兄弟倆通過實驗揭示了發酵本質是細胞中酶的作用。標志著傳統食品生物技術向近代食品生物技術的發展。從傳統發酵食品的生產靠天然微生物作用。三、現代的發展從20世紀50年代初開始，伴隨著生物化學，遺傳學和化學分析技術的發展。特別是1953年“DNA雙螺旋結構”的發現、1969年酶固定化技術的應用成果和1973年基因工程誕生等重大科技成就為標志的劃時代發展食品生物技術導論第五節分子生物學的形成和發展一、細胞學說在19世紀中時施萊登和施旺（Schwann）兩位學者經過20年的研究繪出有關細胞結構明顯圖象和細胞組成，從而創立了細胞學說。二、生物進化論奧地利學者格里哥爾.孟德爾（GregorMendel）研究認為，遺傳性狀是由一對遺傳因子決定的，食品生物技術導論四、摩爾根的基因學說摩爾根提出：“物質必須由某種獨立的要素組成，正是這些要素我們叫做遺傳因子，或者更簡單地叫做基因”。五、基因本質的發現摩爾根提出：“物質必須由某種獨立的要素組成，正是這些要素我們叫做遺傳因子，或者更簡單地叫做基因”。多年來研究證實這種轉化物質就是DNA，這是基因本質的重大發現。食品生物技術導論六、分子生物學的誕生1953年美國遺傳學家詹姆斯.沃森（JamesD.Watson）和英國生物物理學家弗朗西斯.克里克（Franciscrick）根據莫.休.弗.威爾金斯（M.H.F.wilkins）的x-射線衍射等系列圖譜結構分析基礎上，用標度分子模型在英國MaxPerutz教授分子生物學實驗室進行研究。其研究成果，在英國《自然》雜志上發表的《DNA結構》一文，提出了“DNA雙螺旋結構模型”。首次闡明了DＮＡ結構與功能，為遺傳信息的貯存、傳遞和利用提供了科學依據，創立了現代分子生物學。這是20世紀科學史上劃時代的里程碑。Watson和crick均為諾貝爾獎獲得者。DNA雙螺旋結構分子模型如圖1-1、1-2所示其結構要點說明如下：圖1-1DNA分子雙螺旋結構模型圖1-2DNA雙螺旋結構分子模型食品生物技術導論（1）DNA是由兩條極性相反并互補的多聚核苷酸鏈，圍繞中心軸的雙螺旋結構。此螺旋為右螺旋，并存在大溝和小溝。（2）兩條鏈中堿基之間按照A配對T、G配對C的互補原則，DNA兩鏈間的維系主要靠氫鍵，其中A與T之間形成二個氫鍵，G與C之間形成三個氫鍵。（3）雙螺旋的直徑為2nm，兩個相鄰堿基的間距為0.34nm，每10個堿基的間距為3.4nm，構成一段完整的螺旋結構，其相鄰堿基的夾角為36°。（4）兩條多聚核苷酸鏈間堿基配對的互補規律為：A配對T或T配對A、G配對C或C配對G，而且其分子比率為1。食品生物技術導論（1）DNA分子能自我復制根據DNA雙螺結構模型，在兩條多聚核苷酸鏈中，任何一條都可以作為另一條生物合成的模板，這一點明顯地不同于其它生物大分子。經過自我復制出來的每一個DNA分子中的一條鏈被保留下來。這種復制，稱為半保留復制（Semiconservativereplication）（如圖1-3）。（2）DNA是遺傳基因的載體可以從分子水平上闡明其生物學功能：圖1-3半保留復制示意圖食品生物技術導論（3）DNA雙螺旋結構模型為遺傳信息的保存、傳遞和利用提供了基礎。同時，根據1970年Crick等人提出的分子生物學中心法則，如圖1-4所示。（4）DNA的調節功能1961年，法國分子生物學家F.Jacob和J.Monod首次證實在大腸桿菌（）基因調節事實，提出了乳糖操縱子（LacOperon）假說。圖1-4分子生物學中心法則[5]應用乳糖操縱子假說，從分子水平上闡明基因控制蛋白質的誘導合成另一種酶合成調節與酶的誘導合成機制不同，稱為酶的反饋阻遏。食品生物技術導論第一節概述第二節工具酶第三節目的基因制備第四節基因載體第五節基因重組第六節轉化、增殖和表達第七節基因工程在食品工業中應用第八節后基因組學及其應用研究第二章食品與基因工程食品生物技術導論第一節概述一、基因工程的誕生1973年S.N.Cohen等在美國科學院學報（PNAS）上發表了題為“ConstructionofBiologicalFunctionalBacterialPlasmidinVitro”，闡明了體外構建的細菌質粒能夠在細胞中進行表達，標志著基因工程的誕生食品生物技術導論二、基因工程涵義、特點及其操作步驟基因工程（geneengineering）又稱為分子克隆（molecularcloning）或重組DNA技術（recombinantDNATechnology），其涵義為：用酶學方法，將異源基因與載體DNA在體外進行重組，將形成的重組子DNA導入宿體細胞，使異源基因在宿體細胞中復制表達，從而達到改造生物品種或性狀，大量生產出人類所需要生物品種和產物。基因工程操作過程如圖2-1所示。圖2-1基因工程操作過程示意圖[2]食品生物技術導論三、基因工程的發展1977年英國分子生物學家F.Sanger發明了快速DNA測序技術并首先完成的全長5387bp的φ×174噬菌體基因組全序列的測定。1982年第一個由基因工程菌生產的藥物胰島素已在美國和英國獲準使用。1983年第一個轉基因植物培育成功，1992年第一個轉基因玉米及轉基因小麥植株誕生，1994年轉基因番茄上市。1996年完成了酵母基因組DNA（125×105bp）的全序列測定。2003年《人類基因組計劃》經過20多年努力已宣布草圖描繪成功。為后基因組時代的誕生拉開了序幕。食品生物技術導論第二節工具酶在基因工程中應用的酶統稱為工具酶（enzymeoftools）。一、限制性內切酶種類限制性內切酶有三種類型：I型酶、II型酶和III型酶。II型酶分子量較小，大約20-100kD，是一種簡單的單功能酶，作用時無需輔助因子或只需Mg2+，能識別雙鏈DNA上特異的核苷酸序列，同時專一性強，而且其識別序列與切割序列相一致。這類酶特別適合于基因工程操作。二、限制性內切酶命名1973年，H.O.Smith和Nathaus提出限制性內切酶的命名原則一、限制性內切酶限制性內切酶（restrictionendonuclease

簡稱RE）是一類專一性很強的核酸內切酶食品生物技術導論三、限制性內切酶的作用機制和作用方式如圖2-2所示圖2-2限制性核酸內切酶作用機制其作用方式及識別位點有如下幾種：1.識別不同的特異核苷酸序列EcoRI識別HaeI識別▲▲食品生物技術導論AsuI識別EcoRII識別MboI識別注：↑表示切割5’-磷酸二酯鍵位置。2.識別序列皆具有回文結構3.切割后形成各種粘性末端或平整末端，按其切割雙鏈的方式可分兩種：粘性末端和平整末端。▲▲▲▼▲限制性內切酶錯位切割DNA雙鏈而形成彼此互補的單鏈末端，稱為粘性末端（Cohesionends）。食品生物技術導論另一種是在同一位點平齊切割DNA兩條鏈而形成的雙鏈末端，稱為平整末端（Flushends）。如AluI的識別序列為：4.切割后形成異源二聚體四、限制性內切酶識別序列及反應系統限制性核酸內切酶在雙鏈DNA上能夠識別的特殊核苷酸序列稱為識別序列。稀切酶（rarecutingenzymes），如表2-1所示，同裂酶（isoschizomer）如表2-2所示。同尾酶（isocaudamer），如表2-3所示。食品生物技術導論表2-1部分限制性內切稀切酶[2]稀切酶切割位點數識別序列λAd2SV40ΦX174M13mp7PBr322T7TPAA.DFseIGGCCGGCCO30000001NotIGCGGCCGC070000000RsrIICGGWCCG520000110SfiIGGCCN5CCGG031000112SgrICrCCGGyG760001000SwaIATTT/AAAT011010101表2-2具有相同切割位點的同裂酶限制性核酸內切酶識別序列及切割位點限制性核酸內切酶識別序列及切割位點AatI，StuIAAGG/CCTBamHI，BstIG/GATCCAccII，FnuDII，MunI，ThaICG/CGBbnIII，ClaIBbuI，SphIAT/CGATGCATG/CAccIII，BspII，MroIT/CCGGABbrPI，PmaCICAC/GTGAcyI，AhaII，AnsII，BbiIIGr/CgyCBcnI，NciIBspRI，HaeIII，PatICC/sGGGG/CCAflI，AuaII，Eco471G/GwCCBstYI，MflI，XhoIIR/GATCyAflII，BfrIC/AATTGCcrI，PaeR71，XhoI，SexIC/TCGAGAhaIII，DraITTT/AAACelII，EspIGC/TnAGCAocI，Bsu361，Crnl,Eco811CC/TnAGGCfoI，HhaICfrI，EaeIGCG/CY/GGCCr食品生物技術導論AocII，BmyI，Bsp1286，NspII，SduIGdGCh/CDarII，EcoO1091EagI，EclXI，Eco521rG/GnnCCyC/GGCCGAosI，AuiII，PspITGC/GCAEcoT141，StyIC/CwwGGApaLI，SnoIG/TGCACEcoVIII，HindIIIA/AGCTTApyI，BstNI，MvaICC/wGGHapII，HpaII，MspIC/CGGAquI，AvaI，AvrI，NspIIIC/yCrGHincII，HindIIGty/rACAseI，AsnIAT/TAATKsPI，SacII，SstIICCGC/GGAsp7001，XmnIGAAnn/nnTTCNspHI，NsPIrCAtG/yAspHI，HgiAIGwGCw/GPvuI，XorIICGAT/CGAspI，Tth111GACn/nnGTCSacI，SstIGAGCT/CAspI，Cfr131，NspIV，Sau961G/GnCCTaqI，TthHB81XamI，XcyIT/CGAC/CCGGGAsuII，BstBI，NspV，SfuITT/CGAA表2-3部分限制性核酸內切同尾酶[2]黏性末端限制性核酸內切酶5′CATGAflIII，DsaI，NcoI，StyI，BspHI5′GATCSau3A，NdeII，BglII，XhoII，BamHI，MleI，BelI5′GGCCEclXI，EaeI5′CGCGMluI，AflIII，BssHII，DsaI5′CCGGCfr10，AgeI，XmaI，AvaI，MorI5′TCGASaeI，XhoI，AvaI5′GTACSap718，BanI，SphI5′CTAGSpeI，NheI，AvrII，StyI，XbaI5′CGMaeI，AcyI，HinPI，NarI，HpaII，MspI，TaqI，ClaI，AccI，SfuI5′TANdeI，MaeI，MseI，AsnICATG3′NlaIII，NspI，SphIAGCT3′SacI，BanII，BmyIGGCC3′ApaI，BanII，BmyI，AspHITGCA3′NsiI，AspHI，BmyI，PstIGCGC3′HaeII，BbeI食品生物技術導論二、基因工程操作中的其他酶（一）、DNA連接酶（二）、DNA聚合酶I（三）、堿性磷酸酯酶（四）、T4多聚核核苷酸激酶（五）、S1核酸酶（六）、反向轉錄酶食品生物技術導論第三節目的基因制備原核生物基因的分離多采用前法，而真核細胞基因的分離則采用后兩種方法。一、生物學方法原核生物中常用鳥槍射擊法或滔彈散射法（shotguncloning）來克隆分離基因。此法優點是：快速簡便、產物純度高，是真正的天然基因，兼有外顯子和內含子。另一種生物學方法是采用分子雜交手段。1973年，Shin和Martin用分子雜交技術分離目的基因獲得成功。食品生物技術導論二、化學合成法化學合成一個循環有如下4個步驟：整個合成反應歷程如圖2-3表示。圖2-3固定化亞磷酸三酯法合成寡聚核苷酸食品生物技術導論三、基因文庫法基因文庫（genelibrary）或稱為DNA文庫，它是指用克隆方法將一種生物全部基因組以重組體的方式長期保持在適當的宿主中。當需要重組體DNA某一片段時，便可以在此文庫中查找。基因文庫又稱為cDNA文庫[3][4]。cDNA文庫構建的步驟：1.酶促合成法制取cDNA2.從組織或細胞中制備總RNA和mRNA3.合成cDNA第一條鏈食品生物技術導論其反應過程為圖2-5的所示。圖2-5合成cDNA第一鏈反應過程食品生物技術導論4.cDNA第二條鏈的合成，其反應歷程如圖2-6所示。圖2-6置換法合成cDNA反應過程食品生物技術導論四、PCR擴增法1985年，美國Cetus公司的Mullis等人開發成功的聚合酶鏈式反應（Polymerasechainreaction，PCR）技術，這一快速地擴增特異DNA片段系統在分子生物學領域中是一項重大的革新。其反應歷程如圖2-7所示。圖2-7PCR擴增技術基本原理食品生物技術導論第四節基因載體目前，在基因工程中應用的基因載體主要是質粒、病毒和噬菌體，它們都能擔當無性繁殖載體。因為它們均符合作為載體應具備的下列條件：（1）本身是一個復制子，能自我復制；（2）相對分子質量較小，（3）能給宿主細胞（受體細胞）提供可選擇標記（4）只有單一限制性內切酶切點一、質粒質粒（plasmid）存在于細菌、放線菌及酵母細胞內細胞質中雙螺旋共價閉環的DNA（covalently,closedandcircularDNA,縮寫為cccDNA）。它能進行獨立復制并保持恒定遺傳的復制子。食品生物技術導論（一）質粒載體pBR322pBR322是目前應用最廣泛的人工構建的載體之一。如圖2-8所示[5]。用小寫英文字母P代表質粒，BR表示該質粒研究者Bolivar和Rogigerus，而322是具體研究編號。pBR322大小為4363bp，（1bp=1堿基對）含有2個抗生素抗性基因。pBR322質粒具有抗菌素抗性基因，構建的pBR325、pBR327如圖2-9、圖2-10所示。圖2-9pBR325衍生質粒圖2-10pBR327衍生質粒食品生物技術導論（二）質粒載體PUCpUC質粒是在pBR322的基礎上，在—未端加入一段多克隆位點（multiplecloningsites,MCS）的LacZ’基因。二、λ噬菌體噬菌體（Phage）是病毒的一種，形態微小，只能在電子顯微鏡下才能觀察到。三、M13噬菌體四、病毒食品生物技術導論第五節基因重組基因重組即將目的基因（或外源基因）與載體在體外結合構建形成重組子。圖2-11DNA體外重組方式食品生物技術導論第六節轉化、增殖和表達一、轉化1、宿主細胞2、感受態3、擴增檢篩R.K.Saiki和K.B.Mullis分別于1985年和1987年發展了一種“多聚酶鏈反應（polymerasechainreaction,PCR）”。PCR技術操作步驟為：①反復將目的基因片段進行熱變性處理，令其雙股鏈解開；②進行反鏈雜交、退火、形成單鏈；③用TaqDNA多聚酶沿DNA鏈全程全成出兩股雙鏈DNA分子；④然后開始第二個反應周期。食品生物技術導論二、基因表達克隆DNA的最終目的是表達最終目的產物。因此，通過DNA重組技術使特定基因片段在受體細胞內大量增殖，拷貝數目大大增加，就必須使特點基因進一步轉錄、翻譯為相應的蛋白質（或酶），進而獲得它們的代謝產物，這一過程稱為基因表達。第七節基因工程在食品工業中應用一、轉基因微生物食品轉基因微生物菌株則稱為工程菌（engineeringstrain）。食品生物技術導論（一）應用于提高食品產品的品質第一個采用基因工程改造的食品微生物為面包酵母（saccharomycescerevisiae）。1991年，英國政府批準通過了DNA重組面包酵母工程菌的商業化應用[7]。在啤酒釀造中α一乙酰乳酸通過自發氧化作用形成雙乙酰，雙乙酰形成機理及其基因重組控制雙乙酰如圖2-12、圖2-13所示。圖2-12啤酒釀造中雙乙酰形成機理圖2-13啤酒酵母導入α-乙酰乳酸脫羧酶基因后雙乙酰酶促轉化食品生物技術導論（二）應用于簡化工藝，縮短生產周期近年來，在一個啤酒酵母菌株中表達了一個內源性的PGUI基因，結果發現這個重組菌株能夠分泌有活性的內聚半乳糖酸酶，可以大大縮短葡萄酒的過濾時間。（三）應用于食品的抗菌和防腐保鮮現將工程菌在食品工業應用較多的菌株如列表2-4所示。表2-4基因工程改良的微生物工程菌工程菌名稱改造的方式用途Lactobacillus修飾細菌素合成乳制品生產、無污染物質生產Lactococcus修飾蛋白酶活性乳制品生產加速干酪熟化避免噬菌體感染提高菌種穩定性修飾溶菌酶合成干酪生產，預防雜菌感染食品生物技術導論Saccharomyces葡聚糖酶基因導修啤酒酵母中表達啤酒生產，縮短發酵時間Cerevisiae飾豌豆脂肪氧化酶增強面團流變學物性及穩定性SaccharomycesCarlsbergensis修飾來自Enterobacteraerogenes或Aceto-bacterpasteurianus的a-乙酸乳酸脫羧酶基因縮短釀造周期修飾來自Aspergieeusniger的葡萄糖淀粉酶基因應用于淀粉降解和低熱量啤酒的生產修飾來自Schwanniomycesoccidentalis的淀粉酶和葡萄糖淀粉酶應用于淀粉酒精和低熱量啤酒的生產葡聚糖酶應用于葡聚糖降解和啤酒過濾澄清SaccharomycesCerevisiae-1,4-葡聚糖酶基因導入葡萄酒酵母中表達增加釀制酒的果香味萜類化合物形成（四）應用于食品級酶制劑生產菌的改良凝乳酶（chymosin）是第一個應用基因工程技術把小牛胃中的凝乳酶基因轉移至細菌或真核微生物生產的一種酶。現將NovoNordisk、Gist-Brocades等公司采用基因工程改良霉菌種列于表2-5、表2-6、表2-7。食品生物技術導論表2-5丹麥NovoNordisk公司利用基因工程改良產酶微生物菌種[12]食品生物技術導論食品生物技術導論（5）應用于生產保健食品的有效成分現在，可以采用轉基因手段，在動、植物或其細胞中，得到基因表達而制造有益于人類健康的保健成分或有效因子。采用基因重組構建軍一株高表達的單鏈蛋白2.5-DKG還原酶，以加速催化生成維生素C的前體2-KLG，便可有效地縮短生產維生素C的生產周期。超氧化物歧化酶（SOD）能有效消除氧自由基，Brehm等人將B·Stearothermophilus的Mn-SOD基因克隆入大腸桿菌中，其重組體Mn-SOD在大腸桿菌高效達，產生的SOD占可溶性蛋白49%。采用基因重組技術克隆破囊壺菌（Thraustochytriumroseum）DHA合成關鍵酶基因，進而在酵母真核細胞中表達。Anammartet[14]克隆了畢氏酵母△9脂肪酸脫飽和酶基因及其調節機制。食品生物技術導論（6）應用于食品微生物快速檢測隨著DNA分子檢測技術和PCR等技術的應用，可使沙門氏菌、李斯特氏菌、致瀉性E.coli等食源性微生物的檢測已發展到一個新水平。二、轉基因動物食品轉基因動物食品是由轉基因動物產生的食物或利用轉基因動物為原料生產的食品或食品添加劑。1985年，第一例轉基因家畜研制成功由于轉基因家禽及其生產的食品是人類較直接的食物，基因重組技術改進牛奶成分如表2-8所示。食品生物技術導論表2-8基因重組技術改進牛奶成分[18]食品生物技術導論三、轉基因植物食品所謂轉基因植物食品是指由轉基因植物產生的食物或利用轉基因植物為原料生產的食品或食品添加劑。1983年，世界上第一例轉基因植物即轉抗蟲基因的煙草問世。1994年美國FDA批準延熟保鮮的轉基因番茄上市。Ti質粒是誘導植物腫瘤的質粒。依據T區攜帶基因功能，可決定植物冠癭瘤的形成和控制冠癭堿的合成。Ti質粒結構中的可轉移DNA（T-DNA）復促進Ti質粒轉移至植物細胞Ch-DNA中。其基因重組和轉移過程如圖2-15所示。圖2-15利用Ti質粒將外源基因轉導入植物組織示意圖[2]食品生物技術導論至目前為上，在歐洲根據相關法規（90/220EEC）已有10多種轉基因植物（作物）被批準上市，如表2-9所示。在世界上有23個作物品系已準許進行種植和飼料使用，延遲成熟番茄（表2-10）以及改變脂肪含量的轉基因作物（如表2-11）也已在某些國家準予種植。表2-9歐洲獲準上市的轉基因作物及其產品[18]食品生物技術導論表2-10世界各地種植的延遲成熟番茄及其產品[18]注：MFA—改變脂肪酸含量（GmFad2-1為б-12-去飽和酶基因；BayTE為硫脂酶基因，源自海灣月桂樹Umbellaria

californica）；ABR—抗抗生素（bla為氨芐青霉素耐藥性基因，nptⅡ卡那霉素耐藥性基因）；RP—報告基因（gus為β-葡糖醛酸酶基因）。食品生物技術導論目前，我國獲得安全證書的轉基因作物（如表2-12）和已發放安全證書的進口轉基因產品見表2-13。表2-12我國獲得安全證書的轉基因作物[19]食品生物技術導論食品生物技術導論食品生物技術導論表2-13我國已發放安全證書的進口轉基因產品[19]食品生物技術導論四、食品與基因工程產業化工程菌皺胃酶應用于干酪生產產業化干酪是用皺胃酶或胃蛋白酶將原料乳凝聚，然后將凝塊進行加工、成型或發酵成熟而制成的富有營養價值的乳制品干酪（cheese）。（一）干酪制造工藝流程食品生物技術導論第八節后基因組學及其應用研究一、后基因組學涵義所謂后基因組學（post-genomics）是指包括基因組學（genomis）、蛋白質組學（proteomics）、代謝組學（metabotomics）和生物信息學（bio-informatics）等主要內容。二、后基因組學的應用研究1.腫瘤及癌癥的發生均與細胞中染色體DNA結構的變化密切相關。2.全面探索食品營養功能[21][22]3.利用哺乳動物及禽畜作為“生物工廠”提供人類優質食品食品生物技術導論課程論文：基因工程與食品1、概念清晰2、基因工程研究內容和作用3、基因工程在食品中應用的優勢方面。4、你對基因工程的認識食品生物技術導論第三章食品與蛋白質工程第一節概述第二節理性分子設計和定位突變技術第三節體外定向進化第四節融合蛋白技術第五節食物蛋白質改性技術食品生物技術導論第一節概述一、蛋白質工程的涵義蛋白質工程是指以蛋白質的結構及其功能關系為基礎，通過基因修飾、蛋白質修飾等分子設計，對現存蛋白質加以改造，組建新型蛋白質的現代生物技術。理性設計是在蛋白質天然結構的基礎上進行修飾改造，但是，產生一個結構確定、具有新功能特性蛋白質并不容易，無法滿足對現有蛋白質進行分子改良的要求。食品生物技術導論二、理性分子設計和非理性分子設計所謂非理性設計或定向進化就是在不清楚蛋白質三維結構信息和作用機制的情況下，在實驗室條件下模擬自然進化的過程（隨機突變、重組和選擇），在一定條件下使基因發生大量變異，然后通過多輪高通量的篩選方法定向選擇出所需要的特性突變物，在較短時間內完成漫長的自然進化過程，得到具有特性預期的新蛋白質的一種蛋白質工程技術。非理性設計的主要技術包括定向進化(directedevolution)、DNA改組(geneshuffling)及融合蛋白(fusionsofproteins)技術等。食品生物技術導論三、蛋白質工程在食品工業中的應用蛋白質工程在食品工業中應用主要集中在食品工業專用酶制劑的改造方面。通過酶結構或局部構象的調整和改造，可大大提高食品專用酶制劑的耐高溫、抗氧化能力，增加酶的穩定性和適用pH范圍，從而獲得性質更穩定、作用效率更高的酶。第二節理性分子設計和定位突變技術一、蛋白質理性分子設計的基本步驟基于天然蛋白質結構的理性分子設計過程基本分為以下步驟，如圖3-1所示。表3-1列出了蛋白質設計的目標及解決辦法食品生物技術導論蛋白質幾何優化結構比對分析天然蛋白質蛋白質晶體學蛋白質結構預測蛋白質三維結構結構與功能關系突變體設計預測合成定位突變從數據庫輸入分離純化與表征新蛋白質圖3-1蛋白質理性分子設計流程圖食品生物技術導論表3-1蛋白質設計的目標及解決辦法食品生物技術導論表3-2列出了目前蛋白質設計所涉及的計算工具及軟件。表3-2蛋白質分子設計的技術工具及網址食品生物技術導論二、定位突變定位突變是在已知蛋白質結構與功能的基礎上，在已知DNA序列中取代、插入或刪除特定的核苷酸，從而產生具有新性狀的的突變蛋白質（酶）分子的一種蛋白質工程技術，表3-3列出了部分應用定位突變技術取得成效的工業酶制劑。表3-3部分應用定位突變技術取得成效的工業酶制劑食品生物技術導論（一）寡核苷酸引物介導的定位突變寡核苷酸引物介導的定位突變的原理是用含有突變堿基的寡核苷酸片段作引物，在聚合酶的作用下啟動DNA分子進行復制。主要的過程見圖3-2)：詳細步驟：

圖3-2寡核苷酸介導的定位突變方法食品生物技術導論（二）聚合酶鏈式反應（PCR）介導的定位突變法，聚合酶鏈式反應（PCR）介導的定位突變法是重組PCR(recombinmentPCR)的一種，見圖3-3。PCR介導的定位突變法優點是操作較簡單，突變的成功率可達100%。（三）盒式突變，盒式突變（cassettemutagenesis）也稱片段取代法（DNAfragmentreplacement），是一種區域性定位突變方法。圖3-3PCR介導的定位突變方法食品生物技術導論三、定位突變技術在酶結構改造中的應用（一）淀粉酶，通過定位突變技術得到了一種α-淀粉酶的雙突變體A209V/H133T，該突變酶在90℃時的半衰期比正常酶增加了9倍。（二）蛋白酶，在枯草桿菌蛋白酶的活性位點內有一個Met殘基，利用定位誘變用Cys代替Met可以增加枯草桿菌蛋白酶的活性。（三）脂肪酶，Yamaguchi等采用定位突變將Cys二硫鍵引入Humicolalanuginsa脂肪酶，使突變體的熱穩定性提高了12℃，酶的最適溫度提高了10℃。Kampen等研究了Staphylococcushyicus脂肪酶的突變體對底物專一性的影響，發現將356位的Ser用Val替換，其脂酶活性降低了12倍。利用定位突變的方法將Trichodermareesei堿性纖維素酶的Glu137、Asn179和Asp194突變為Lys，其熱穩定性得到了提高。食品生物技術導論第三節體外定向進化一、蛋白質的體外定向進化定向進化與定位突變的不同點是它不需要已知蛋白質的結構信息，所以該技術又稱為非理性設計。DNA體外進化的模式見圖3-4。靶基因隨機DNA片段創造基因多樣性（隨機誘變和體外重組）基因產物分析選擇高通量篩選體外體內數據分析（收集并確認陽性克隆）目標產物進一步定向進化隨機片段化重組PCR圖3-4DNA體外進化模式圖食品生物技術導論二、DNA改組DNA改組(DNAShuffling)又稱DNA“洗牌”，是DNA體外同源重組的一種重組PCR技術。見圖3-5。DNA改組技術已廣泛用于改進和創制新酶一些特性，在提高酶的活性、熱穩定性、底物特異性、對映體的選擇性及可溶性表達和表達水平等方面都已取得了不少成功結果。三、容錯PCR容錯PCR是指在利用Taq聚合酶進行目的基因的PCR擴增的同時引入堿基錯配，導致目的基因隨機突變的一種DNA體外進化技術。四、定向進化技術在酶制劑改造中的應用運用定向進化技術對現有酶制劑進行改良，已獲得了許多滿意的結果。表3-4列出了通過定向進化技術研究獲得成功的一些酶制劑。食品生物技術導論表3-4應用定向進化技術研究的生物酶制劑食品生物技術導論第四節融合蛋白技術一、融合蛋白概念和用途融合蛋白(fusionofproteins)技術是另一項蛋白質工程技術。該技術是有目的地把兩段或多段編碼功能蛋白的基因編碼區首尾連接在一起，由同一調控序列控制所構成的基因表達產物，進而表達所需蛋白。利用基因融合表達外源蛋白主要有以下用途：其一，融合蛋白技術的出現為解決在大腸桿菌等原核生物中表達出具有生物活性、折疊正確的重組蛋白提供了可能。其二，外源基因與宿主本身的蛋白的部分序列構成融合基因。其三，融合蛋白技術的出現為研究出更多、更好的基因工程靶向藥物提供了方便。食品生物技術導論二、融合蛋白技術的方法（一）PCR介導的蛋白質分子嵌合體形成，融合蛋白技術是利用DNA連接酶，將把兩段或多段編碼功能蛋白的基因編碼區首尾連接在一起，由同一調控序列控制構成的基因表達產物，進而表達所需蛋白，利用重組PCR方法（見圖3-3）。（二）內含子介導的蛋白質分子嵌合體形成，內含子介導的蛋白質分子嵌合體形成已經發展成蛋白質工程研究的通用方法。方法見圖3-6。該方法的原理是：將目標蛋白質用pCYB(bioLabs)作為表達載體進行表達，產生目標蛋白，即蛋白內含子/甲殼素結合蛋白，圖3-6內含子介導蛋白質分子嵌合體形成食品生物技術導論三、融合蛋白技術的應用（一）雙功能酶(多功能酶)對于催化連續反應的兩種或幾種酶，可以利用基因融合的方法構成的融合蛋白，以催化連續的反應，將產生相互增效的協同效應。例如將-半乳糖苷酶和半乳糖脫氫酶組成融合蛋白，在一定條件下，融合蛋白偶聯反應產生NADH的速度是同時加入這兩種單酶的反應速度的兩倍以上，同時反應時間縮短了近四倍。（二）靶向藥物靶向藥物的“生物彈頭”常以綠膿桿菌外毒素和白喉毒素最多。國內外已成功構建了許多這類的融合蛋白，并在研究中顯示了較好的療效。（三）抗菌肽以融合的形式將抗菌肽B(CecropinB)和人溶菌酶(hLyso)連接至高效的大腸桿菌表達載體上可以得到具有更高活性的抗菌和抗病毒的重組蛋白。食品生物技術導論第五節食物蛋白質改性技術一、蛋白質的功能特性

蛋白質的功能特性（functionality）是指蛋白質賦予食品體系的系列物理化學性質。不同的食品體系對食物蛋白的功能特性要求不同。(1)水合特性，也稱水動力學特性（hydrodynamicproperties)，包括溶解性、分散性、持水性、溶脹性、增稠性、潤濕性及脫水收縮作用等；(2)乳化特性，也稱表面相關特性（surface-relatedproperties），包括乳化性、發泡性、持水及持油性；(3)流變和質構性能，包括膠凝性、粘附性、彈性、內聚性、咀嚼性等。見表3-5。食品生物技術導論表3-5食品體系的蛋白質所具有的功能特性二、食物蛋白的改性（一）化學改性，見表3-6食品生物技術導論表3-6蛋白質化學改性與功能效果（二）酶法水解改性

食物蛋白的深度酶解，可產生具有一定生理活性的生物活性肽（bioactivepeptides）。蛋白肽具有許多優良的加工特性和生理活性功能。

（三）酶法聚合改性食品生物技術導論MTGase是一種能催化多肽或蛋白質的谷氨酰胺殘基的γ-羥胺基團與伯胺化合物酰基受體之間的酰基轉移反應的酶，通過該反應可共價導入蛋白質、氨基酸、多肽至同種或異種蛋白，或將氨基糖類、磷脂導入蛋白質形成多相共軛蛋白質(conjugatedproteins)，如圖3-7所示。圖3-7轉谷氨酰胺酶(TGase)催化的反應a)酰基的轉移反應；(b)蛋白或多肽的Gln和Lys之間的交聯反應；(c)脫胺反應食品生物技術導論更重要的是MTGase可在同種或異種蛋白質分子內或分子間形成-(-Glu)-Lys鍵橋，形成同質(homologous)和異質(heterologous)的蛋白生物高聚物(biopolymer)，此反應能顯著改變蛋白質的功能性質。（四）物理改性高靜壓處理技術是通過500～1,000MPa高壓處理食品基料和產品，用于食品殺菌和修飾改性的一種現代食品加工技術。食品生物技術導論第四章食品與酶工程第一節酶工程的發展概況第二節酶的制備與發酵生產第三節酶的分子修飾第四節酶的非水相催化第五節酶的固定化第六節酶工程在食品工業中應用食品生物技術導論酶的生產及其在生物反應器中進行催化應用技術過程稱為酶工程（enzymeengineering）第一節酶工程的發展概況直到20世紀60年代，固定化技術迅速發展，標志著酶工程產業化新的開端。1969年，日本千煙一郎首次在工業上應用固定化氨基酰化酶從DL-氨基酸生產L-氨基酸。70年代后期，出現了固定化細胞（固定化活細胞或固定化增殖細胞）技術。20世紀80年代以來，酶分子修飾技術發展很快，修飾方法主要有：酶分子主鏈修飾、酶分子側鏈修飾、酶分子組成單位置換修飾、酶分子中金屬離子置換和物理修飾等。食品生物技術導論第二節酶的制備與發酵生產一、動植物細胞培養產酶（一）植物細胞培養產酶目前通過植物細胞培養生產的酶如表4-1。1.植物細胞的特性在動植物細胞培養中，存在與微生物發酵顯著不同的地方，應予以重視。這是由于動植物細胞和微生物細胞特性不同造成的。它們的不同特性如表4-2所示。2.植物細胞培養產酶的工藝流程外植體→細胞獲取→細胞培養→分離純化→產物3.植物細胞培養產酶的工藝條件控制食品生物技術導論表4-1植物細胞培養產酶表4-2微生物、植物和動植細胞的特性比較食品生物技術導論（1）培養基植物細胞常用培養基有MS、B5、White和KM-8P培養基。（2）溫度和pH值溫度一般控制在室溫范圍（25℃左右）。植物細胞pH值一般控制在微酸性范圍，即pH5～6，培養基配置時，pH值控制在5.5左右。（3）溶氧量溶解氧的供給一般要通過通風和攪拌。（4）光照（5）前體和刺激劑的添加食品生物技術導論（二）動物細胞產酶動物細胞培養是以20世紀50年代開始的病毒疫苗細胞培養為基礎，20世紀60年代迅速發展起來的技術。1．動物細胞的特性（1）動物細胞與微生物細胞和植物細胞的最大區別在于沒有細胞壁，適應環境的能力差。（2）動物細胞的體積比微生物細胞大幾十倍，比植物細胞稍小。（3）動物細胞的營養要求比微生物細胞和植物細胞都復雜得多。（4）大部分動物細胞在肌體內相互粘連以集群形式存在，在細胞培養中大部分細胞具有群體效應、錨地依賴性接觸抑制性以及功能全能性。（5）動物細胞的生長較慢，細胞倍增時間為15～100h，而且原代細胞繼代培養50代后，即會退化死亡，需要重新分離細胞。食品生物技術導論2、動物細胞培養的方式動物細胞培養方法可分成兩大類，一類是來自血液、淋巴組織的細胞、腫瘤細胞和雜交瘤細胞等，可以采用懸浮培養；另一類細胞來自于動物復雜的器官，具有錨地依賴性，即與其周圍的細胞互相依存，有所謂“定位依存”關系。3、動物細胞培養產酶的工藝條件的控制（1）培養基動物培養基的組分比較復雜，包括氨基酸、維生素、無機鹽、葡萄糖、激素、生長因子等。（2）溫度不同種類的動物細胞對溫度要求不同，（3）pH值動物細胞培養的pH值一般控制在微堿性范圍內（4）滲透壓動物細胞培養液中滲透壓應當與細胞內的滲透壓處于等滲狀態（5）溶氧量溶氧量對動物細胞培養至關重要。供氧不足時，細胞生長受到抑制；氧氣過量時，又會對細胞產生毒害。食品生物技術導論二、微生物發酵產酶微生物發酵產酶是工業生產酶中最主要的方法。（一）常用的產酶微生物產酶微生物包括細菌、放線菌、霉菌和酵母菌等。下面將常用的產酶微生物的特點和應用以表4-3表示。表4-3常用產酶微生物特點及應用[1]食品生物技術導論食品生物技術導論食品生物技術導論圖4-1枯草桿菌生產中性蛋白酶的工藝流程圖[12]食品生物技術導論（二）微生物產酶的典型生產工藝流程圖4-2微生物胞內酶生產工藝流程[12]食品生物技術導論（三）發酵產酶工藝條件以及控制1、培養基（1）碳源不同微生物對碳源的利用有所不同，因而根據細胞的營養需求而選擇碳源。（2）氮源在微生物細胞中，一般異養型細胞要求有機氮源，自養型細胞則要求無機氮源。（3）無機鹽無機鹽的主要作用是提供細胞生命活動不可缺少的無機元素，并對培養基的pH值、氧化還原電位和滲透壓起調節作用。（4）生長因子生長因素是指細胞生長繁殖所必須的微量有機化合物。2、pH值pH值調節方法可以采取改變培養基的組分或其比例，必要時可使用緩沖溶液，或添加適宜的酸、堿溶液，以調節控制培養基中pH值的變化。３、溫度必須經常及時地對溫度進行調節控制，使培養基的溫度維持在適宜的范圍內。食品生物技術導論4、溶氧量溶氧量對于提高產酶量有重要作用。一般是無菌空氣通入發酵容器。調節溶氧量的主要方法是調節通氣量、調節氧分壓、攪拌轉速、調節氣液接觸時間、調節氣液接觸面積和改變培養液的性質等。（四）提高酶產量的措施1、添加誘導物2、控制阻遏物濃度3、添加表面活性劑4、添加產酶促進劑第三節酶的分子修飾通過各種方法改變酶分子的結構，從而使酶的某些特性和功能發生改變的技術稱為酶分子修飾（molecularmodificationofenzyme）。食品生物技術導論一、酶的化學修飾（一）大分子結合修飾如超氧化物歧化酶（SOD）,經過大分子結合修飾后，其穩定性顯著提高，半衰期延長70～350倍（見表4-4）表4-4天然及經修飾的SOD在人血漿中的半衰期（二）肽鏈有限水解修飾肽鏈有限水解既可保持酶活力，又可降低其抗原性，對酶蛋白的應用極為有用。（三）側鏈基團修飾食品生物技術導論（四）分子內或分子間交聯（五）氨基酸置換修飾（六）金屬離子置換修飾二、酶的物理修飾在物理因素作用下，次級鍵發生某些改變和重排，使酶分子的空間構象發生某些改變。第四節酶的非水相催化一、非水相介質中酶催化反應特性20世紀80年代中期美國科學家Klibanov等人開創性的研究表明，許多酶在非水相中不僅不失活，而且在某些情況下其催化活力與水相中相當，從而奠基了非水相酶學的基礎。食品生物技術導論（三）非水介質中酶催化的特性（1）熱穩定性許多酶在有機介質中比在水溶液中具有更高的熱穩定性。（2）改變底物的專一性在有機介質中，由于酶分子活性中心的結合部位與底物之間的結合狀態發生某些變化，致使酶的底物特異性發生改變。（3）產生新的酶促反應在有機介質中酶可催化一些在水溶液中本不可以進行的反應（4）pH記憶在有機介質中，酶所處的pH環境與酶在凍干與吸附到載體上之前所使用的緩沖液pH值相同，這種現象稱為pH記憶。食品生物技術導論二、有機介質中酶催化反應條件及其控制（一）有機介質反應體系常見有機介質反應體系包括以下幾種：（1）微水介質體系微水介質體系是由有機溶劑和微量的水組成的反應體系，（2）反膠束體系反膠束是指在大量與水不相混溶的有機溶劑中，含有少量的水溶液，加入表面活性劑后形成的油包水的微小液滴。（3）與水溶性有機溶劑組成的均一體系（4）與水不溶性有機溶劑組成的兩相或多相體系（二）有機介質中酶催化反應條件及控制（1）酶的選擇（2）水含量的控制（3）有機溶劑的選擇（4）底物的選擇和濃度控制（5）pH值的控制（6）溫度的控制食品生物技術導論第五節酶的固定化一、固定化酶制備方法（一）吸附法（1）物理吸附法（2）離子吸附法（二）包埋法1、凝膠包埋法2、半透膜包埋法（三）共價鍵結合法（四）交聯法上述各種固定化方法各其優缺點（表4-5所示）。食品生物技術導論表4-5各種固定化方法的比較二、固定化酶的性質與特點（一）固定化酶的形狀固定化酶的形狀依不同用途有顆粒、線條、薄膜和酶管等。顆粒狀占絕大多數食品生物技術導論（二）酶活力酶經固定化后，其活力往往會下降。（三）固定化酶的穩定性固定化酶的穩定性一般都比游離酶提高得多，同時，提高其有效壽命，這對工業生產是有利的。（1）熱穩定性熱穩定性對酶工業應用是很重要的。（2）對蛋白酶的穩定性游離酶經過固定化后，它對蛋白酶的抵抗力提高了。（3）操作穩定性固定化酶在操作中可以長時間保留活力，半衰期在一個月以上即有工業應用價值。不同固定化酶的操作穩定性比較見表4-6。食品生物技術導論表4-6不同固定化酶的操作穩定性比較固定化酶操作穩定性在應用中是一個關鍵因素，其操作穩定性通常以半衰期表示，其含義是指固定化酶活力下降為初活力一半所經歷的連續工作時間。其半衰期可用下式表示：食品生物技術導論其中KD為衰減常數，是在時間t后，酶活力的殘留分數（4）儲藏穩定性大部分酶經固定化后，其儲藏穩定性增強。（四）固定化酶的催化特性（1）底物專一性（2）最適溫度①載體性質對最適pH值的影響②產物性質對最適pH值的影響（4）米氏常數Km（5）最大反應速度Vmax食品生物技術導論第六節酶工程在食品工業中應用一、淀粉水解酶類的特性及其應用（一）淀粉酶類淀粉酶類屬水解酶中一大類，此類酶包括α-淀粉酶、β-淀粉酶、葡萄糖淀粉酶、異淀粉酶等。1.α-淀粉酶（α-amylase）

α-淀粉酶（1,4-α-D-glucanglucanohydrolase，EC.1）廣泛應用于淀粉質原料制造葡萄糖、高濃度麥芽糖漿及高果糖漿等淀粉糖的工業生產。（2）淀粉酶的來源及性質不同來源的α-淀粉酶性質差異較大，如表4-7所示。食品生物技術導論表4-7各種α-淀酚酶的性質各種耐熱性的α-淀粉酶特性見表4-8。表4-8各種耐熱性α-淀粉酶的特性[1]食品生物技術導論２．β-淀粉酶(β-amylase)β-淀粉酶（1,4-α-D-glucanmaltohydro1ase，EC）作用于淀粉分子，常見的植物β-淀粉酶的性質如表4-9所示。表4-9植物β-淀粉酶的性質不同來源的β-淀粉酶性質比較如表4-10。食品生物技術導論表4-10不同來源的β-淀粉酶性質比較食品生物技術導論３．葡萄糖淀粉酶葡萄糖淀粉酶（α-D-glucosideglucohydrolase，EC）對淀粉的水解作用也是從淀粉分子非還原端開始，依次水解一個葡萄糖分子，能將淀粉分子降解生成葡萄糖，又稱為糖化酶(saccharogenicamylase)表4-11黑曲霉葡萄糖淀粉酶水解雙糖的速度食品生物技術導論４．脫支酶（debranchingenzymes，EC）脫支酶對支鏈淀粉、糖原等分支酶的α-1,6糖苷鍵有專一性。各種微生物脫支酶的性質見表4-12。表4-12微生物脫支酶的性質食品生物技術導論二、酶法生產淀粉糖的產業化（一）雙酶法生產葡萄糖雙酶法一次結晶生產注射葡萄糖工藝是可行的。以玉米淀粉乳為原料，采用а-淀粉酶和糖化酶的雙酶法生產淀粉葡萄糖漿的生產工藝流程為圖4-4所示。圖4-4雙酶法制糖工藝流程圖1.調漿配料槽2.8—過濾器3.9、14、17—泵4.—噴射加熱器5.緩沖器6.—液化層流罐7.—液化液貯槽11—滅酶罐12—板式換熱器13—糖化罐15—壓濾機16—糖化暫貯槽18—貯糖槽食品生物技術導論（二）酶法生產啤酒專用糖漿的產業化根據啤酒專用糖漿研究開發情況，可包括大麥糖漿、營養型麥芽糖漿和功能性糖漿三大類；（1）大麥糖漿以大麥和麥芽為原料，經高溫а—淀粉酶液化和復合糖化酶糖化。其生產工藝流程：食品生物技術導論（3）功能性糖漿目前用于啤酒生產的功能性糖漿主要為低聚異麥芽糖漿，其生產工藝流程如下：（三）酶法生產果葡糖漿產業化果葡糖漿的生產工藝如圖4-4，主要有以下幾個步驟：食品生物技術導論（四）酶法生產超高麥芽糖漿的產業化麥芽糖純度高達75%~85%以上的麥芽糖漿稱為超高麥芽糖漿，各種麥芽糖漿的主要組成成分如表4-13所示。表4-13各種麥芽糖漿的主要組成成分食品生物技術導論麥芽糖是由兩分子葡萄糖通過α-l,4-糖苷鍵構成的雙糖，其甜度僅為蔗糖的30%~40%，入口不留后味，具有良好防腐性和熱穩定性，吸濕性低、并且由于不參與胰島素調節的糖代謝，具有特殊生理功能，在食品和醫藥工業中有著廣泛的應用。圖4-5全酶法生產超高麥芽糖漿典型工藝１．液化２．糖化（１）利用糖化型淀粉酶糖化食品生物技術導論表4-14幾種鏈霉菌酶的性質（2）雙酶糖化法雙酶糖化法是指利用β-淀粉酶和脫支酶協同作用進行糖化。3．利用超高麥芽糖漿生產結晶麥芽糖（1）吸附分離法①活性炭柱精制法②陰離子交換樹脂法（2）有機溶劑沉淀法（3）膜分離法超濾、反滲透均可以分離麥芽糖，得到96%以上純度的麥芽糖。（4）結晶法食品生物技術導論三、酶法生產功能低聚糖的產業化低聚糖(oligosaccharide)是指2~10個單糖單位通過糖苷鍵聯結起來，形成直鏈或分支鏈的一類寡糖的總稱。功能性低聚糖生產過程一般包括酶的發酵生產、低聚糖的酶法合成、分離精制等三個關鍵步驟。（一）低聚果糖酶法轉化1、低聚果糖的構成及酶法合成原理低聚果糖（fructooligosaccharides）又稱為蔗果寡糖（fructosylsucrose），分子間果糖的轉移反應分兩步進行，見圖4-6。圖4-6分子間果糖轉移反應的兩步機理注：Fru-OR：蔗糖E-H：酶Fru-E：果糖基-酶復合體RO-H：葡萄糖Fru-OH：果糖Fru-OR’：低聚果糖食品生物技術導論2、催化果糖基轉移的酶及其微生物來源低聚果糖生產中一個關鍵性的問題是催化果糖轉移酶的選擇。這些生產菌及其酶的特性和合成低聚果糖的主要成分見表4-15。表4-15β-呋喃果糖苷酶和果糖轉移酶生產菌的特性3、低聚果糖的工業化生產低聚果糖生產工藝流程見圖4-7（1）果糖轉移酶的發酵培養（2）菌體或酶的固定化

食品生物技術導論圖4-7低聚果糖生產工藝流程①種子斜面培養②種子擴大培養③酶的發酵生產④酶或菌體分離器⑤真空攪拌混合器⑥造粒機⑦分離器⑧固定化的果糖轉移酶或固定化細胞⑨暫貯罐⑩加熱器食品生物技術導論（3）酶催化合成低聚果糖（4）純化工序（二）低聚異麥芽糖酶法轉化低聚異麥芽糖（Isomaltooligosaccharide）具有適口的甜味，甜度約為蔗糖的50%，粘度和蔗糖相近，具有良好的保濕性和抗結晶性，可防止淀粉老化，具有低熱值、抗齲齒、促進腸道內有益菌雙歧桿菌增殖、改善腸功能、增強機體免疫力等功效，生產低聚異麥芽糖的工藝流程如圖4-18示。圖4-8低聚異麥芽糖生產工藝流程食品生物技術導論（三）低聚半乳糖酶法轉化低聚半乳糖是以高濃度的乳糖為底物，在具有半乳糖基轉移活性的半乳糖苷酶的作用下，首先將乳糖水解成半乳糖和葡萄糖，然后再將半乳糖轉移到乳糖的半乳糖基上而得。（四）低聚乳果糖酶法轉化低聚乳果糖（Lactosucrose）是在乳糖分子的葡萄糖基端以α-1,2鍵結合一個果糖分子，因此又稱為半乳糖基蔗糖。四、酶法降解纖維素及其應用（一）纖維素酶特性纖維素酶（cellulase）是指能水解纖維素β-1,4葡萄糖苷鍵，使纖維素變成纖維二糖和葡萄糖的一組酶總稱一般將纖維素酶分為三類水解酶：食品生物技術導論1.葡萄糖內切酶（endo-l,4-β-g1ucanase，EC．簡稱EG）2.葡萄糖外切酶（exo-1,4-β-D-glucanase）3.β-葡萄糖苷酶（β-glucosidase，EC1，簡稱BG酶）（二）纖維素酶在食品加工中的應用1.飲料生產2.果蔬生產3.種子蛋白利用4.速溶茶生產5.瓊脂生產（三）纖維素酶在發酵工業中的應用1.醬油釀造2.制酒工業3.纖維素渣的轉化應用食品生物技術導論四、酶法降解甲殼素及其利用甲殼素，又稱為幾丁質（chitin），甲殼素和殼聚糖的結構式見圖4-19圖4-9甲殼素和殼聚糖的結構式食品生物技術導論酶在殼聚糖制備中的應用主要包括三個方面：酶法脫蛋白、酶法脫乙酰、酶法降解[15]。采用酶法脫蛋白可降低有機試劑的用量，縮短提取時間，效果比常規方法好。（1）直接用酶水解脫蛋白（2）利用微生物發酵脫蛋白（二）酶法脫乙酰甲殼素脫乙酰酶廣泛存在于自然界，尤其是一些真菌和昆蟲中（表4-16）。表4-16不同來源甲殼素脫乙酰酶的特性比較食品生物技術導論（三）酶法制備低聚殼聚糖與殼聚糖相比，低聚殼聚糖顯示出更好的功能特性。低聚殼聚糖的吸濕性、保濕性、抑菌防腐作用、生理活性均優于殼聚糖。（1）非專一性酶水解法（2）專一性酶降解法專一性水解殼聚糖的酶包括溶菌酶、甲殼素酶、殼聚糖酶等。七、酶法應用于啤酒的生產在啤酒釀造中利用從黑曲霉ASP枯草桿菌具耐熱性的а-淀粉酶，米曲霉中的糖化酶以及Aniger中提取的葡聚糖化酶，可用于糖化過程中促進淀粉的水解以及生產酒精含量高、熱量低的啤酒。傳統的啤酒后熟工藝需要三周左右的時間，采用固定化酵母技術后可大大縮短后熟時間，只需數天即可生產出符合產品質量要求的啤酒。食品生物技術導論葡萄糖氧化酶能催化葡萄糖生成葡萄糖酸，是阻止啤酒氧化變質、防止老化、保持啤酒原有風味、延長保質期的一項有效措施。在啤酒生產中，雙乙酰的形成與消除對促進啤酒成熟和縮短發酵周期起著重要的作用。雙乙酰的口味界限值很低，僅為0.1~0.15mg/L，超過此閾值會使啤酒帶有不愉快的餿飯味。一般認為雙乙酰是由前體物質а-乙酰乳酸經非酶氧化脫羧形成。加入а-乙酰乳酸脫羧酶（EC），利用支路代謝途徑可使а-乙酰乳酸轉化為3-羥基丙酮（乙偶姻）（圖4-10）。圖4-10а-乙酰乳酸脫羧酶作用機理食品生物技術導論八、酶法應用于肉類加工肉類可以在動物肉解僵成熟過程中以肌肉釋放出來的蛋白酶酶解達到嫩化的效果九、酶法應用于海洋資源的開發、利用海洋低值魚（鯊魚）、貝等蛋白質資源十分豐富，又尚未直接利用，利用這些海洋蛋白資源采用生物酶解技術，便可制備出各種具有保健功能的肽。低值魚生產呈味基料工藝流程如圖4-11所示。圖4-11小雜魚生產呈味基料工藝流程食品生物技術導論十、酶法應用于食品保鮮（一）葡萄糖氧化酶應用于食品保鮮在氧存在下，葡萄糖氧化酶（EC，glucoseoxidase，GOD）能專一性地將β-葡萄糖催化氧化成β-D-葡萄糖酸，并釋放過氧化氫。1.氧化作用應用于食品的除氧保鮮2.氧化作用應用于高蛋白制品的脫糖保鮮 （二）溶菌酶在食品保鮮的應用溶菌酶（Lysozyme，EC7），即N-乙酰胞壁質酶（N-acetylmuramidase）。溶菌酶根據其作用的微生物不同可以分為兩大類：細菌細胞壁溶菌酶和真菌細胞壁溶菌酶。食品生物技術導論十一、酶法應用于食品添加劑的生產（一）β-環糊精的酶法生產環狀糊精（Cyclodextrin，簡稱CD，分子式C42H70O35）也稱為環糊精，β-環糊精的生產通常采用環狀糊精葡萄糖基轉移酶（CGTase）催化淀粉水解生產，各種來源的β-CGTase性質比較見表4-17。表4-17各種來源的β-CGTase性質食品生物技術導論工業上生產β-環糊精主要有三個階段（圖4-12）圖4-12β-環糊精生產工藝流程食品生物技術導論（二）應用于乳化劑生產食品乳化劑是食品加工過程中使互不相溶的液體（如油和水）形成穩定乳濁液的添加劑。1.脂肪酸單甘油酯的酶法合成脂肪酶催化合成單甘酯的工藝路線包括天然油脂或合成三甘酯(TG)的水解、醇解及甘油解，脂肪酸（酯）與甘油的酯化或轉酯化，天然油脂或合成三甘酯的保護基團反應，反應方程式如下：①水解法②甘油解法食品生物技術導論③酯化或轉酯化法④保護基團法食品生物技術導論2.蔗糖脂肪酸酯的酶法合成蔗糖脂肪酸酯簡稱蔗糖酯（sucrosefattyacidesters，SE），是蔗糖與正羥酸反應生成的一大類有機化合物的總稱3.磷脂的酶法改性從大豆油中提取的豆磷脂是多種磷脂的混合物，其主要成分是卵磷脂、腦磷脂及磷酸肌醇等。由于未經改性的大豆磷脂水分散性不好，人們致力于對大豆磷脂進行精制與改性，以獲得具有特定功能和用途的磷脂。磷脂改性包括物理改性、化學改性和酶改性。（三）應用于食品鮮味劑生產呈味核苷酸是5’-核苷酸，包括以5’-肌苷酸（5’-InosineMonophosphate，IMP）和5’-鳥苷酸（5’-GuanosineMonophosphate，GMP）等。核糖核酸酶解法利用核糖核酸RNA水解酶對酵母菌體分離出來的RNA進行水解，從得到5’-肌苷酸和5’-鳥苷酸（圖4-14）。食品生物技術導論圖4-14酶法水解RNA基本原理酶法水解RNA所采用的5’-磷酸二酯酶，過去來自牛的小腸粘膜和蛇毒等特殊材料。后來發現，在橘青霉和金色鏈霉菌等中也有這種酶。食品生物技術導論第五章食品與發酵工程第一節概述第二節固體發酵及其特點第三節液體深層發酵及其發酵動力學第四節發酵工程的工藝、技術第五節發酵工程在食品工業中的應用食品生物技術導論第一節概述一、發酵工程涵義而現代工業微生物學家，認為發酵是在有氧或無氧條件下通過微生物的生長繁殖和代謝活動產生和積累人們所需產品的生物反應過程。發酵工程也稱為微生物工程，是指利用微生物的生長繁殖和代謝活動，并通過現代化工技術，大量生產人們所需產品過程的理論和工程技術。二、發