基因工程技術在食品工業中的應用

一、科學研究的技術來源(一)系統工程的檢測互補工程方法是根據相同的設計方案重新組合不同生物或合成的dna，并將其與特定細胞和載體結合在一起。基因工程主要包括兩個步驟:首先是從某些生物細胞中取得所需要的DNA片段,或在人工控制下合成這種DNA片段,即獲得目的基因,再取得基因的載體,使二者進行體外重組;然后將重組的DNA轉化到受體的活細胞中去,改變受體細胞的遺傳特性。基因工程包括DNA重組、表達和克隆,是生物工程核心內容。(二)見成熟技術研究進展20世紀50年代初開始,由于分子生物學和生物化學的發展,對生物細胞核中存在的脫氧核糖核酸(DNA)結構和功能有了比較清晰的闡述。70年代初實現了DNA重組技術或稱為克隆技術,逐步形成了以基因工程為核心內容,包括細胞工程、酶工程、發酵工程的生物技術。這一技術發展到今天,正形成產業化并列為世界領先專業技術領域之一,廣泛應用于食品、醫藥、化工、農業、環保、能源和國防等許多部門,并日益顯示出其巨大的潛力,將為世界面臨的蛋白質缺乏、能源、環保和癌癥治療等問題的解決提供廣闊的應用前景。1973年美國斯坦福大學和舊金山大學醫學院Co-ken和Boyer兩位科學家成功地實現了DNA分子重組試驗,揭開了基因工程發展序幕。1982年轉基因“超級鼠”的構建成功,1985年轉基因魚的問世,標志基因工程在食品工業應用的開端,基因工程食品由此走上了歷史舞臺。二、1食品產業的應用(一)新質低效酶的創造酶的傳統來源是動物臟器和植物種子,后來隨著發酵工程的發展,逐漸出現了以微生物為主要酶源的格局。近年來,由于基因工程技術的發展,更使我們可以按照需要來定向改造酶,甚至創造出自然界從未發現的新酶種。現在,蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技術進行生產(如表1所列)。(二)食品原料的轉化1.可減少煉焦生產的差距轉基因植物可被改革而具有抗病蟲害的能力,這具有深遠的經濟意義。土豆原產地在南美,但由于氣候和病蟲害以及灌溉、肥料、農藥等原因,其產量和美國相差很多,利用基因工程可以減少這種差距。我國及菲律賓培育出“超級水稻”和“超超級水稻”,為人口日益增長、糧食日益短缺的世界帶來一線光明。DNA重組技術和細胞融合技術相結合,培育出高產、抗病、抗蟲、生長快、抗逆、高蛋白的基因改良植物,對食品工業具有重要意義。2.基因魚的生長和功能轉基因動物尚未達到高等轉基因植物的發展水平,但人們仍設法用它來表達高價值蛋白。轉基因技術在家畜及魚類育種上初見成效。中科院水生生物研究所在世界上率先進行轉基因魚的研究,成功地將人生長激素基因和魚生長的激素基因導入鯉魚,育成當代轉基因魚,其生長速度比對照快并從子代測得生長激素基因的表達。中國農大生物學院瘦肉型豬基因工程育種取得初步成果,獲得第二、三、四代轉基因豬215頭。我國已生產出生長速度快、節約餌料的轉基因魚上萬尾,為轉基因魚的實用化打下基礎。1997年9月上海醫學遺傳研究所與復旦大學合作的轉基因羊的乳汁中含有人的凝血因子,既可以食用,又可以藥用,為通過動物廉價生產人類的珍貴藥物邁出了重大的一步。3.微生物資源的開發和復配發酵工業關鍵是優良菌株的獲取,除選用常用的誘變、雜交和原生質體融合等傳統方法外,還與基因工程結合,大力改造菌種,給發酵工業帶來生機。而作為基因工程和蛋白質工程,為便于目的表達產品的大量工業化生產,最后大多選用微生物進行目的基因表達而生產出“基因工程菌”,再通過發酵工業大量生產各種新產品。微生物的遺傳變異性及生理代謝的可塑性都是其他生物難以比擬的,故其資源的開發有很大的潛力。美國的Biotechnica公司克隆了編碼黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基因,并將其植入啤酒酵母中,在發酵期間,由酵母產生的葡萄糖淀粉酶將可溶性淀粉分解為葡萄糖,這種由酵母代謝產生的低熱量啤酒不需要增加酶制劑,且縮短了生產時間。4.鈣離子的情況在牛乳加工中如何提高其熱穩定性是關鍵問題。牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸,它能結合鈣離子而使酪蛋白沉淀。現在可以采用基因操作,增加K-酪蛋白編碼基因的拷貝數和置換,K-酪蛋白分子中ALa-53被絲氨酸所置換,可提高其磷酸化,使K-酪蛋白分子間斥力增加,以提高牛奶的熱穩定性,這對防止消毒奶沉淀和煉乳凝結起重要作用。5.反式-脂肪酸這方面典型的例子是豆油的生產。經過脫色、除臭和精制處理的烹飪用豆油常常需被還原以延長其儲藏時間及提高其在烹調時的穩定性。但是,這種還原作用卻導致豆油中富含反式-脂肪酸,而反式-脂肪酸在攝入人體后,會增加人患冠心病的可能性。作為色拉油的精制豆油,雖然沒有經過還原作用,但其中卻富含軟脂酸,而軟脂酸的攝入也能導致冠心病的發生。因此,人們經過選擇,挑選出合乎需要的基因和啟動子,再通過重組DNA技術來改造豆油的組分構成。現在,相應的多種基因工程產品已投放市場,其中,有的豆油不含有軟脂酸,可用作色拉油;有的豆油富含80%油酸,可用于烹飪;有的豆油含30%以上的硬脂酸,適用于人造黃油以及使糕餅松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品質和商品價值顯然是大大提高了。(三)見生物技術的應用人類在知道有微生物以前,就利用自然界無處不在的微生物釀酒制醬,自從知道了微生物以后,特別是進入20世紀后,更是不斷地利用各種微生物來發酵生產各種產品。例如工業用的丙酮,食品中用的檸檬酸、味精等。不論是什么產品,都無非是利用每一種微生物的特性,生產特定種類的產品。自從有了基因工程,情況就大不相同了,人們可以使大腸桿菌生產動物的生長激素、蜘蛛絲蛋白等等。利用基因工程手段只要把生長因子基因進行克隆,把運載這一基因載體導入合適的微生物細胞,便能用它來進行發酵生產。同樣直徑的蜘蛛絲和鋼絲的拉力相似,但是它具有其他一些優點。例如,可以拉長10倍,并返回原來的狀態等。然而人們既無法大量地收集天然的蜘蛛絲蛋白,也不能像養蠶那樣養蜘蛛。可是只要把運載著蜘蛛的絲蛋白基因的載體導入微生物細胞,就能在發酵缸里大量的生產這種蛋白質了。應用微生物發酵生產基因工程產品除了必須取得所需要的基因以外還得選擇合適的微生物。所謂合適的微生物首先必須是不致病的,此外還應該是便于培養的,產品能分泌到培養液中以便于提取、轉化,而且最好是對它有充分的了解等等。美國的食品和藥品管理局已批準用基因工程菌生產凝乳酶用來制造奶酪,英國的農業、漁業與糧食部已批準用基因工程面包酵母生產面包,芬蘭的一家酒精生產公司首先用基因工程芽孢桿菌生產α-淀粉酶,日本也有不少關于應用基因工程菌于食品添加劑的報道。用生物技術的手段可以生產出動、植物的新品種,從而獲得新食品。例如,人類應用遺傳工程手段已經培育出高賴氨酸的玉米、高蛋白的小麥、無毒素的棉籽等,改善了日常食品的質量,豐富了食品資源,各種細菌和酵母菌的發酵藻類為人類提供了新型的營養來源。三、食用安全性基因工程應用于食品工業已給人們帶來了巨大的社會經濟效益,但基因工程體(Gmos)及基因工程食品的環境釋放安全性及食用安全性也越來越受到廣泛的關注。基因工程食品除應有較高的營養價值和可消化性,它必須對人體無毒副作用,必須安全;其次,它的口味、氣味與顏色,均應為食用者所接受。四、流程再造,推動基因食品的發展盡管在世界范圍內對基因食品有很多爭議,但這并不影響基因食品技術的迅速發展,新的基因食品還是在不斷的問世,而且發展速度也越來越快。可以預計,基因食品在新世紀將很快成為人類食品的主要來源。我們既要充分認識轉基因食品的優點,又要高度重視其潛在的安全性問題。我國對轉基因技術和基因食品的研究和應用采取了積極扶持的政策,在轉基因水稻、小麥、番茄、甜椒等方面的研究和應用已達到國際同類研究領先水平。我國政府把生物技術列于微電子、信息、航天、新能源、新材料等高技術的首位,組織跟蹤和攻關,并給予高強度支持。只有培育出高產的糧食作物及基因工程食品,才能滿足日益增多的人口對食物的巨大需求,這也是我們發展基因工程食品的最重要的驅動力。盡管目前還難以讓人們從觀念上完全接受基因工程對食品工業的改造,但是,在過去幾年里利用分子生物學技術生產的基因食