PAGEPAGE18緒論教學(xué)目標(biāo)：掌握食品生物技術(shù)的基本概念；了解食品生物技術(shù)的研究?jī)?nèi)容；認(rèn)識(shí)食品生物技術(shù)在食品工業(yè)發(fā)展史中的地位及其對(duì)食品工業(yè)發(fā)展的推動(dòng)作用。1.1食品生物技術(shù)的基本概念與發(fā)展中的重大歷史事件1.1.1食品生物技術(shù)發(fā)展中的重大歷史事件食品生物技術(shù)具有悠遠(yuǎn)的發(fā)展歷史，是伴隨著人類社會(huì)由守獵向農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)轉(zhuǎn)變出現(xiàn)的。在促進(jìn)人類社會(huì)文明的發(fā)展方面有著非常重要的作用。以下是人類食品生物技術(shù)發(fā)展的大概歷史和發(fā)展過(guò)程中具有重大影響的歷史事件：公元前6000年，古埃及人和古巴比侖人就知道用微生物發(fā)酵產(chǎn)生酒精，并開(kāi)始釀造啤酒。我國(guó)也在石期時(shí)代后期，開(kāi)始用谷物釀酒；公元前4000年，古埃及人就開(kāi)始用酵母菌發(fā)酵生產(chǎn)面包；公元前221年，周代后期我國(guó)人民就能制作豆腐、醬油和醋；1865年孟德?tīng)枺℅regorMendal）利用豌豆作育種實(shí)驗(yàn)，建立了孟得爾遺傳規(guī)律學(xué)說(shuō)，從而奠定了遺傳學(xué)的基礎(chǔ)，但該重大研究成果被埋沒(méi)35年。1900年三位歐洲植物學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)在各自的實(shí)驗(yàn)室通過(guò)植物雜交試驗(yàn)證明了孟得爾遺傳規(guī)律，從此揭開(kāi)了遺傳學(xué)研究的新紀(jì)元。1909年摩爾根（ThomasHuntMorgan）利用果蠅作遺傳實(shí)驗(yàn)，建立了基因?qū)W說(shuō)，由于他在基因理論上的重大貢獻(xiàn)，摩爾根成為首位在諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)的遺傳學(xué)家。在這些理論的基礎(chǔ)上，20世紀(jì)初產(chǎn)生了遺傳育種學(xué)，并在60年代取得了輝煌的成就，被譽(yù)為第一次綠色革命。為解決人類社會(huì)因人口增加造成的食物短缺作出了巨大的貢獻(xiàn)；1885年巴斯德（LouisPasteur）首先證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的，并建立了微生物純種培養(yǎng)技術(shù)，從而為發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展提供了理論基礎(chǔ)，使發(fā)酵技術(shù)納入了科學(xué)的軌道；到20世紀(jì)20年代，工業(yè)生產(chǎn)開(kāi)始采用大規(guī)模的純種培養(yǎng)技術(shù)發(fā)酵生產(chǎn)丙酮和丁醇，同時(shí)代，AlexanderFleming爵士發(fā)現(xiàn)了青霉菌可以產(chǎn)生青霉素，并可用于人類疾病的治療。到了50年代，青霉素開(kāi)始大規(guī)模發(fā)酵生產(chǎn)，在它的帶動(dòng)下，發(fā)酵工業(yè)和酶制劑工業(yè)開(kāi)始大量涌現(xiàn)；從食品生物技術(shù)發(fā)展的階段來(lái)看，在這以前的食品生物技術(shù)應(yīng)該是傳統(tǒng)意義上的食品生物技術(shù)。1953年沃森（Waston）和克里克（Crick）對(duì)威爾金斯（MauriceWilkins）DNA的X-射線衍射圖分析發(fā)現(xiàn)了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，奠定了現(xiàn)代分子生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。他們?nèi)艘虼双@得了1962年的諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。DNA分子結(jié)構(gòu)、組成及功能的闡明開(kāi)創(chuàng)了從分子水平揭示生命現(xiàn)象本質(zhì)的新紀(jì)元，使人們終于跨過(guò)細(xì)胞水平的研究，開(kāi)始在分子水平上進(jìn)行研究。1965年，法國(guó)科學(xué)家Jacob和Monod在摩爾根基因?qū)W說(shuō)和美國(guó)科學(xué)家Beadle提出的“一種基因產(chǎn)生一種酶”學(xué)說(shuō)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)原核生物細(xì)胞代謝分子機(jī)制的研究，提出了著名的乳糖操縱子學(xué)說(shuō)，開(kāi)創(chuàng)了基因表達(dá)調(diào)控研究的先河。此外，他們還提出了在核酸分子中還存在一種與染色體脫氧核糖核酸序列互補(bǔ)的，能把遺傳信息帶到蛋白質(zhì)合成場(chǎng)所并翻譯成蛋白質(zhì)的信使核糖核酸mRNA分子，這一學(xué)說(shuō)對(duì)分子生物學(xué)的發(fā)展起到了極其重要的作用。1969年，美國(guó)科學(xué)家Nirenberg由于在破譯了DNA的密碼，與Holly和Khorana等人分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。Holly的主要功績(jī)?cè)谟陉U明了酵母丙氨酸t(yī)RNA的核苷酸序列，并證實(shí)所有的tRNA在結(jié)構(gòu)上的相似性；Khorana則是第一個(gè)合成核酸分子，并且人工復(fù)制了酵母基因。從20世紀(jì)60年代末，斯坦福大學(xué)的生物化學(xué)教授PaulBerg開(kāi)始對(duì)猴病毒SV40進(jìn)行研究，在此之前已經(jīng)知道細(xì)菌病毒可以進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)并將外源基因帶入細(xì)菌細(xì)胞。Berg考慮使用高等動(dòng)物病毒，將外源基因?qū)胝婧思?xì)胞，并能更好地作為原核基因的載體。于是Berg嘗試將來(lái)自細(xì)菌的一段DNA和猴病毒SV40的DNA連接起來(lái)。在經(jīng)過(guò)了繁雜的工作，最終將來(lái)源不同的DNA連接在一起，獲得了世界第一例重組DNA（Krimsky）。這標(biāo)志著人類跨入了一個(gè)生物技術(shù)時(shí)代的新紀(jì)元，人們可以從生物體的最基礎(chǔ)的遺傳物質(zhì)DNA水平來(lái)改造生物體，從而改造整個(gè)世界。為此，Berg獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1972年加州大學(xué)的Boyer實(shí)驗(yàn)室從大腸桿菌中分離出一種新的核酸酶EcoRⅠ，它可以在DNA特定的位置將DNA切斷，切斷的DNA可以在DNA聚合酶的作用下重新連接起來(lái)，這種新的核酸酶就是限制性內(nèi)切酶，后來(lái)，人們又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了近百種的限制性內(nèi)切酶，可以針對(duì)DNA的不同堿基排列序列進(jìn)行切割。生物學(xué)家有了這種生物刀以后，就可以更加自如地對(duì)DNA進(jìn)行操作。而B(niǎo)oyer教授后來(lái)成為美國(guó)第一家上市的生物技術(shù)公司Genentech公司的副總裁；1977年Sanger設(shè)計(jì)出了一種測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法，即雙脫氧法；同年，Maxam和Gilbert也發(fā)明了一種用化學(xué)方法測(cè)定DNA分子內(nèi)核苷酸序列的方法。這兩種方法為人們分析DNA序列提供了有力的工具，極大地推動(dòng)了分子生物學(xué)的研究，因此，他們于1980年獲得了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。1984年德國(guó)人Kohler、美國(guó)人Milstein和丹麥人Jerne由于發(fā)展了單克隆抗體技術(shù)，完善了極微量蛋白質(zhì)的檢測(cè)技術(shù)而分享了諾貝爾醫(yī)學(xué)和生理學(xué)獎(jiǎng)。1986年美國(guó)科學(xué)家Mullis發(fā)明了聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PolymeraseChainReaction，PCR），該技術(shù)為分子檢測(cè)、基因突變、基因工程提供了有力的操作工具，成為分子生物學(xué)、基因工程和現(xiàn)代分子檢測(cè)最常用的工具之一。Mullis因此于1993年獲得了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)然，這只是促進(jìn)現(xiàn)代生物技術(shù)發(fā)展的幾個(gè)重要研究成果和里程碑。其實(shí)，還有許多重要的研究成果作為現(xiàn)代基因工程技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，如Avery等人繁榮細(xì)菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)；Meselson和Stahl關(guān)于DNA的半保留復(fù)制實(shí)驗(yàn)等等研究成果。這些研究成果作為現(xiàn)代基因工程技術(shù)的基石，造就了現(xiàn)代基因工程技術(shù)這一科學(xué)的大廈。與此同時(shí)，細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、現(xiàn)代發(fā)酵工程、現(xiàn)代酶工程、生物工程下游技術(shù)和現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)等技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。現(xiàn)代生物技術(shù)就是建立在這些技術(shù)之上的一個(gè)技術(shù)集成體系。現(xiàn)代食品生物技術(shù)，作為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分同樣可以說(shuō)是由眾多學(xué)科交叉融合的技術(shù)。1.1.2食品生物技術(shù)的基本概念食品生物技術(shù)（FoodBiotechnology）是現(xiàn)代生物技術(shù)在食品領(lǐng)域中的應(yīng)用，是指以現(xiàn)代生命科學(xué)的研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合現(xiàn)代工程技術(shù)手段和其他學(xué)科的研究成果，用全新的方法和手段設(shè)計(jì)新型的食品和食品原料。在某種意義上，基于現(xiàn)代分子生物學(xué)基礎(chǔ)上的基因工程技術(shù)是食品生物技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，它貫穿于細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程、生物工程下游技術(shù)和現(xiàn)代分子檢測(cè)的技術(shù)之中。而細(xì)胞工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程和現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)又相互融合，相互穿插，與基因工程技術(shù)構(gòu)成了一個(gè)即有中心，又各有側(cè)重點(diǎn)，又相互聯(lián)系的密不可分的有機(jī)整體。例如現(xiàn)代細(xì)胞工程已不再是簡(jiǎn)單的組織培養(yǎng)技術(shù)，而是對(duì)經(jīng)過(guò)基因工程改造的組織進(jìn)行培養(yǎng)和細(xì)胞融合，同時(shí)組織細(xì)胞培養(yǎng)也不再是為了得到再生的植株，而是利用現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)，對(duì)細(xì)胞進(jìn)行大量培養(yǎng)，培養(yǎng)的過(guò)程類似于發(fā)酵的過(guò)程，這就是所謂的動(dòng)植物細(xì)胞生物反應(yīng)器。同樣，現(xiàn)代發(fā)酵工程也是建立在基因工程技術(shù)中DNA重組技術(shù)基礎(chǔ)上的，通過(guò)DNA重組技術(shù)，獲得高效表達(dá)的基因工程菌株，這些工程菌株往往表達(dá)的不再是微生物中的產(chǎn)物，可以是人基因產(chǎn)生的，也可以是動(dòng)物基因產(chǎn)生的，也可以是植物基因產(chǎn)生的，這是傳統(tǒng)發(fā)酵工程所想也不敢想的。在發(fā)酵工程中，利用現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)，對(duì)發(fā)酵過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不斷優(yōu)化發(fā)酵條件，對(duì)于降低成本，提高產(chǎn)量意義是不言而喻的。而傳統(tǒng)的發(fā)酵則是事后分析，所造成的浪費(fèi)也是巨大的。從以上的論述中，可以看出食品生物技術(shù)研究的主要內(nèi)容之間是相互緊密聯(lián)系的。同時(shí)，現(xiàn)代食品生物技術(shù)又是建立在眾多學(xué)科基礎(chǔ)上的。他們的關(guān)系可以概括如下圖：圖1.1食品生物技術(shù)研究?jī)?nèi)容關(guān)系樹(shù)綜上所述，食品生物技術(shù)在經(jīng)歷了數(shù)千年的發(fā)展，特別是20世紀(jì)60年代以后的發(fā)展，不再是傳統(tǒng)意義上的食品生物技術(shù)，已成為現(xiàn)代生物技術(shù)的重要組成部分。食品生物技術(shù)如同生物技術(shù)一樣是所有自然學(xué)科中涵蓋范圍最廣的學(xué)科之一。它以包括分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)、微生物學(xué)、免疫學(xué)、生理學(xué)、生物化學(xué)、生物物理學(xué)、遺傳學(xué)、食品營(yíng)養(yǎng)與毒理學(xué)等幾乎所有生物學(xué)科的次級(jí)學(xué)科為支撐，同時(shí)又結(jié)合信息學(xué)、電子學(xué)、化學(xué)工程、社會(huì)倫理學(xué)等非生物學(xué)科，從而形成一門(mén)多學(xué)科相互滲透的綜合性學(xué)科。雖然其研究的領(lǐng)域已涉及數(shù)十個(gè)學(xué)科，但研究?jī)?nèi)容主要集中在：細(xì)胞工程、酶工程、發(fā)酵工程、蛋白質(zhì)工程、生物工程下游技術(shù)和現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)。1.2.食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容1.2.1基因工程在生物化學(xué)中，已介紹了生物遺傳信息傳遞的過(guò)程。這里再作一簡(jiǎn)單的回顧。下圖是遺傳信息由DNA傳遞到蛋白質(zhì)的過(guò)程，即中心法則（centraldogma）。翻譯蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄RNADNA翻譯蛋白質(zhì)逆轉(zhuǎn)錄RNADNA轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄復(fù)制復(fù)制復(fù)制（病毒）復(fù)制（病毒）圖1.2生物遺傳信息的表達(dá)途徑（中心法則）基因工程（geneengineering）技術(shù)則是針對(duì)遺傳信息的載體DNA進(jìn)行操作，所以也稱為DNA重組技術(shù)，有時(shí)也被稱為基因克隆或者分子克隆。基因工程技術(shù)實(shí)際上包括了一系列實(shí)驗(yàn)技術(shù)，最終目的是把一個(gè)生物體中的遺傳信息轉(zhuǎn)入到另一個(gè)生物體中。一個(gè)典型的DNA重組實(shí)驗(yàn)通常包括以下幾個(gè)步驟：（1）提取供體生物的目的基因（或稱外源基因），通過(guò)限制性內(nèi)切酶、DNA聚合酶連接到另一個(gè)載體的DNA分子上（克隆），形成一個(gè)新的重組DNA分子；（2）將這個(gè)重組DNA分子轉(zhuǎn)入受體細(xì)胞并在受體細(xì)胞中復(fù)制保存，這個(gè)過(guò)程稱為轉(zhuǎn)化（transformation）；（3）對(duì)那些吸收了重組DNA的受體細(xì)胞進(jìn)行篩選和鑒定；（4）對(duì)含有重組DNA的細(xì)胞進(jìn)行大量培養(yǎng)，檢測(cè)外源基因是否表達(dá)。基因工程就是這樣通過(guò)一系列的技術(shù)操作過(guò)程，獲得人們預(yù)先設(shè)計(jì)好的生物，這種生物所具有的特性往往是自然界不存在的。基因工程技術(shù)為人類從本質(zhì)上改造生物界，進(jìn)而改造自然界，創(chuàng)造一個(gè)更適合人類生存的環(huán)境提供了一個(gè)前所未有的技術(shù)支持。1.2.2細(xì)胞工程細(xì)胞工程（cellengineering）就是在細(xì)胞水平研究開(kāi)發(fā)、利用各類細(xì)胞的工程。是人們利用現(xiàn)代分子學(xué)和現(xiàn)代細(xì)胞分子學(xué)的研究成果，根據(jù)人們的需求設(shè)計(jì)改變細(xì)胞的遺傳基礎(chǔ)，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)等，大量培養(yǎng)細(xì)胞乃至完整個(gè)體的技術(shù)。細(xì)胞工程研究的內(nèi)容按其技術(shù)可為分8大類：組織與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)組織與細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)細(xì)胞大量培養(yǎng)技術(shù)細(xì)胞器移植技術(shù)細(xì)胞工程細(xì)胞器移植技術(shù)細(xì)胞工程DNA重組技術(shù)DNA重組技術(shù)外源基因?qū)爰夹g(shù)外源基因?qū)爰夹g(shù)細(xì)胞融合技術(shù)細(xì)胞融合技術(shù)體外受精和胚胎移植技術(shù)體外受精和胚胎移植技術(shù)染色體工程技術(shù)染色體工程技術(shù)按生物種類可以分為植物細(xì)胞工程、動(dòng)物細(xì)胞工程和微生物細(xì)胞工程。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是建立在組織培養(yǎng)技術(shù)上的，是80年代迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新領(lǐng)域。植物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)是基于19世紀(jì)施來(lái)登（Schleiden）和施旺（Schwann）提出的細(xì)胞學(xué)說(shuō)，即細(xì)胞是生物有機(jī)體基本結(jié)構(gòu)單位；和基于植物細(xì)胞具有的潛在全能性。植物細(xì)胞潛在全能性是指離體的細(xì)胞在一定培養(yǎng)條件下具有能誘導(dǎo)細(xì)胞分化，最終產(chǎn)生與母體相同再生植株或器官的能力。植物細(xì)胞培養(yǎng)主要采用了懸浮培養(yǎng)和固定化細(xì)胞反應(yīng)器系統(tǒng)。現(xiàn)代的細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在采用了現(xiàn)代發(fā)酵工程的一些先進(jìn)技術(shù)后，已逐漸形成了獨(dú)具特色的植物生物反應(yīng)器。在醫(yī)藥、食品、化工、農(nóng)林等產(chǎn)業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，植物細(xì)胞培養(yǎng)已成為食品生物技術(shù)研究的熱點(diǎn)，在食用天然色素、植物次生代謝產(chǎn)物中對(duì)人健康有益的功能因子等方面已開(kāi)展了廣泛的研究。如人參細(xì)胞培養(yǎng)，得到的活性人參細(xì)胞粉，既是保健食品的原料，也可作為藥材，其中除含有人參皂甙外，還含有酶類及其他活性成分，其保健作用優(yōu)于天然人參。此外，還用于紫草細(xì)胞、朝天椒細(xì)胞、甘草細(xì)胞、熏衣草細(xì)胞、薄荷細(xì)胞、苦瓜細(xì)胞等進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，研究從這些細(xì)胞中提取可用作色素、香精、甜味劑、代謝調(diào)節(jié)物的天然產(chǎn)物。因此，植物細(xì)胞工程在生產(chǎn)植物細(xì)胞含量少的對(duì)人有益成分有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。隨著基因工程技術(shù)的發(fā)展，未來(lái)的植物細(xì)胞將會(huì)是一種全新的細(xì)胞，具有產(chǎn)物的高表達(dá)量和產(chǎn)物范圍涉及面更廣的特性。動(dòng)物細(xì)胞工程是細(xì)胞工程的一個(gè)重要的分支，利用細(xì)胞分子生物學(xué)和分子生物學(xué)的理論基礎(chǔ)，利用工程技術(shù)手段，按照人類的需要大量培養(yǎng)細(xì)胞和生產(chǎn)動(dòng)物本身。動(dòng)物細(xì)胞工程主要包括：動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、動(dòng)物細(xì)胞融合技術(shù)、淋巴細(xì)胞雜交瘤產(chǎn)生單克隆抗體技術(shù)、細(xì)胞拆合技術(shù)。我國(guó)的童弟周教授早在20世紀(jì)60年代就開(kāi)展魚(yú)類核移植工作，并得到了雜種魚(yú)。隨著對(duì)動(dòng)物細(xì)胞遺傳全能性的研究，人們發(fā)現(xiàn)動(dòng)物細(xì)胞與植物細(xì)胞一樣具有全能性，并在一定條件下具有發(fā)展成為一個(gè)完整個(gè)體的能力。1981年Illmenses用小鼠幼胚細(xì)胞核克隆出正常小鼠。到了20世紀(jì)90年代，利用幼胚細(xì)胞核克隆動(dòng)物的技術(shù)基本成熟。于是，人們開(kāi)始研究利用體細(xì)胞克隆動(dòng)物。1997年英國(guó)PPL公司的羅斯林（Roslin）研究所的維爾默特（Wilmut）利用羊的乳腺細(xì)胞細(xì)胞核克隆出一頭羊（多莉，Dolly），揭開(kāi)了人類用體細(xì)胞克隆動(dòng)物的新時(shí)代。Dolly羊的克隆成功必將對(duì)21世紀(jì)的生命科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)研究、農(nóng)業(yè)研究產(chǎn)生重大的影響：（1）遺傳素質(zhì)完全一致的克隆動(dòng)物將更有利于人們開(kāi)展對(duì)生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老和健康等機(jī)理的研究；（2）有利于大量培養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)量的家畜；（3）克隆轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，可以降低研究費(fèi)用，提高成功率，縮短大量繁殖轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的生產(chǎn)周期；（4）推進(jìn)了同種克隆向異種克隆的轉(zhuǎn)化，對(duì)保護(hù)瀕臨滅絕的動(dòng)物具有重要意義。1.2.3蛋白質(zhì)工程蛋白質(zhì)工程（proteinengineering）就是通過(guò)對(duì)蛋白質(zhì)化學(xué)、蛋白質(zhì)晶體學(xué)和動(dòng)力學(xué)的研究，獲得有關(guān)蛋白質(zhì)理化特性和分子特性的信息，在此基礎(chǔ)上對(duì)編碼蛋白的基因進(jìn)行有目的的設(shè)計(jì)改造，通過(guò)基因工程技術(shù)獲得可以表達(dá)蛋白質(zhì)的轉(zhuǎn)基因生物系統(tǒng)，這個(gè)生物系統(tǒng)可以是轉(zhuǎn)基因微生物、轉(zhuǎn)基因植物、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物，甚至可以是細(xì)胞系統(tǒng)。最終生產(chǎn)出改造過(guò)的蛋白質(zhì)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。目前，蛋白質(zhì)工程主要從以下幾方面開(kāi)展研究：通過(guò)改變酶促反應(yīng)的Km和Vmax提高摧化效率；通過(guò)改變蛋白質(zhì)對(duì)酸堿和溫度穩(wěn)定的適應(yīng)范圍，拓寬蛋白質(zhì)的應(yīng)用范圍；改變酶在非水溶劑中的反應(yīng)性，可使蛋白在非生理?xiàng)l件下作用；減少酶對(duì)輔助因子的需求，簡(jiǎn)化持續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程；增加酶對(duì)底物的親和力，以增加酶的專一性，減少不必要的副反應(yīng)；提高對(duì)蛋白酶的抗性，可以簡(jiǎn)化純化過(guò)程，提高產(chǎn)率；改變酶的別構(gòu)調(diào)節(jié)部位，減少反饋抑制，提高產(chǎn)物產(chǎn)率；提高蛋白的抗氧化能力；改變酶對(duì)底物的專一性；（10）改變蛋白發(fā)生作用的種屬特異性。蛋白質(zhì)工程在基因工程技術(shù)快速發(fā)展的帶動(dòng)下，已經(jīng)顯示了廣闊的應(yīng)用前景。在基礎(chǔ)理論的研究中，它為研究和揭示蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的規(guī)律性提供了一種新的方法和手段，與核磁共振（NMR）、X-射線晶體衍射學(xué)、生物信息學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、生物芯片技術(shù)等學(xué)科一起將為人類揭示生命科學(xué)的基本規(guī)律有著重要的意義。在應(yīng)用前景上，蛋白質(zhì)工程涉及醫(yī)藥、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)等各個(gè)領(lǐng)域。1.2.4酶工程酶工程（enzymeengineering）是利用酶的催化作用進(jìn)行物質(zhì)轉(zhuǎn)化的技術(shù)，是酶學(xué)理論、基因工程、蛋白質(zhì)工程、發(fā)酵工程相結(jié)合而形成的一門(mén)新技術(shù)。它研究開(kāi)發(fā)涉及的范圍包括：自然界中新酶的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)、酶分子的修飾、酶的分離純化技術(shù)、酶的固定化技術(shù)、酶反應(yīng)器、酶生物傳感器等。酶是生物體內(nèi)重要的蛋白質(zhì)，催化生物新陳代謝的各個(gè)反應(yīng)過(guò)程。酶工業(yè)是現(xiàn)代工業(yè)中重要組成部分，在食品工業(yè)領(lǐng)域，酶制劑占有非常重要的地位。食品的制造、食品添加劑的生產(chǎn)都離不開(kāi)酶制劑。現(xiàn)代酶工程中的酶是經(jīng)過(guò)改造的酶，酶的改造包括化學(xué)修飾和生物酶工程修飾。生物酶工程主要包括：（1）用基因工程技術(shù)生產(chǎn)酶，即克隆酶；（2）修飾酶基因，產(chǎn)生遺傳修飾；（3）設(shè)計(jì)出新酶基因，合成自然界從未有過(guò)的酶。隨著重組DNA技術(shù)的建立，使人們擺脫了自然界對(duì)人們利用新酶的限制，特別是一些在生物體中含量少的酶，DNA重組技術(shù)更顯示出其優(yōu)勢(shì)。第一例商品化的轉(zhuǎn)基因食品就是利用重組DNA技術(shù)生產(chǎn)的牛凝乳酶。在這以前生產(chǎn)奶酪的凝乳酶是從小牛第四胃的胃膜上提取出來(lái)的，由于其來(lái)源有限了奶酪工業(yè)的發(fā)展。于是，人們開(kāi)始利用DNA重組技術(shù)，將小牛凝乳酶克隆出來(lái)，轉(zhuǎn)入微生物中進(jìn)行發(fā)酵生產(chǎn)，獲得大量酶產(chǎn)品，解決了奶酪工業(yè)的一大難題。隨著蛋白質(zhì)工程的發(fā)展，人們可以利用定點(diǎn)誘變技術(shù)對(duì)酶的基因進(jìn)行改造延長(zhǎng)酶的半衰期、提高酶的穩(wěn)定性、延長(zhǎng)酶的保存期等。其中，提高酶的穩(wěn)定性對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)顯得尤為重要。如果酶能在高溫下進(jìn)行反應(yīng)，可以加快反應(yīng)的速度，縮短反應(yīng)的時(shí)間，有利于提高生產(chǎn)效率，減少污染，減少能耗，降低生產(chǎn)成本等諸多優(yōu)點(diǎn)。1.2.5發(fā)酵工程發(fā)酵工程（fermentationengineering）是生物技術(shù)的重要組成部分，是生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。發(fā)酵（fermentation）最初來(lái)自拉丁語(yǔ)“發(fā)泡”（fervere），是指酵母作用于果汁或發(fā)芽谷物產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。1885年巴斯德（LouisPasteur）首先證實(shí)發(fā)酵是由微生物引起的，認(rèn)為發(fā)酵是酵母在無(wú)氧呼吸過(guò)程中的一種自然現(xiàn)象，并建立了微生物純種培養(yǎng)技術(shù)。現(xiàn)代發(fā)酵工程是將微生物學(xué)、生物化學(xué)和化學(xué)工程等學(xué)科基本原理有機(jī)結(jié)合，是建立在基因工程技術(shù)基礎(chǔ)上的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)性學(xué)科。現(xiàn)代發(fā)酵工程研究的內(nèi)容主要有兩方面的內(nèi)容：生命科學(xué)研究和現(xiàn)代工程技術(shù)研究。生命科學(xué)的研究為發(fā)酵工程提供優(yōu)良的、生產(chǎn)潛力大的、新型的發(fā)酵主體微生物或生物細(xì)胞。這些新型的發(fā)酵主體，一方面通過(guò)傳統(tǒng)的選育方式，從自然界中篩選優(yōu)良的菌種或突變株；另一方面，通過(guò)DNA重組技術(shù)、定點(diǎn)誘變技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)，用人工的方式獲得穩(wěn)定性好的、高產(chǎn)的、新種類的工程菌株；可見(jiàn)基因工程、蛋白質(zhì)工程和細(xì)胞工程等技術(shù)在為人們開(kāi)創(chuàng)了構(gòu)建新的具有各種生產(chǎn)能力、性能優(yōu)良新物種的同時(shí)，也為發(fā)酵工程產(chǎn)品增加了許多新的內(nèi)容，使現(xiàn)代發(fā)酵水平有了很大的提高。同時(shí)，相配套的工程技術(shù)的不斷改進(jìn)，諸如連續(xù)發(fā)酵技術(shù)、代謝調(diào)控技術(shù)、高密度培養(yǎng)技術(shù)、固定化增殖細(xì)胞技術(shù)、反應(yīng)器設(shè)計(jì)技術(shù)、發(fā)酵與產(chǎn)物分離偶聯(lián)技術(shù)、在線檢測(cè)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、產(chǎn)物分離純化技術(shù)的發(fā)展，使得發(fā)酵自動(dòng)化和連續(xù)化生產(chǎn)成為可能。因此，現(xiàn)代發(fā)酵工程研究的內(nèi)容也比傳統(tǒng)發(fā)酵工程的內(nèi)容有了極大的豐富。1.2.6生物工程下游技術(shù)生物工程下游技術(shù)（biotechniquedownstreamprocessing）是指將發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和細(xì)胞工程生產(chǎn)的生物原料，經(jīng)過(guò)提取、分離、純化、加工等步驟，最終形成產(chǎn)品的技術(shù)。生物工程下游技術(shù)的發(fā)展是與生物技術(shù)發(fā)展的歷程密不可分的。大致可以分為三個(gè)時(shí)期：第一，是19世紀(jì)60年代以前的早期生物工程下游技術(shù)；第二是19世紀(jì)60年代到20世紀(jì)70年代以前，以過(guò)濾、蒸餾、精餾等為代表的近代分離技術(shù)，是傳統(tǒng)意義上的生物工程下游技術(shù)，也即傳統(tǒng)生物工程下游技術(shù)；第三是20世紀(jì)70年代以后，隨著基因工程、蛋白質(zhì)工程、酶工程、發(fā)酵工程的發(fā)展，一批對(duì)人類十分有益的高附加值產(chǎn)品開(kāi)始問(wèn)世，以及20世紀(jì)80年代在國(guó)際上掀起的一些對(duì)人有益的功能因子的研究取得了很大的進(jìn)展，如低聚糖類的活性糖質(zhì)、活性肽、高度不飽和脂肪酸等。對(duì)這些產(chǎn)品提取純化的迫切需求，促使生物工程下游技術(shù)的研究開(kāi)始進(jìn)入了激烈競(jìng)爭(zhēng)的時(shí)代，許多發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛加強(qiáng)研究力量，一些公司和企業(yè)也投入到這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)當(dāng)中。這個(gè)時(shí)期生物工程下游技術(shù)發(fā)展迅速，一些新概念、新技術(shù)、新產(chǎn)品和新裝備紛紛出現(xiàn)，形成了一個(gè)全新的產(chǎn)業(yè)，這就是現(xiàn)代生物工程下游技術(shù)。1.2.7現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)是應(yīng)現(xiàn)代生物技術(shù)的發(fā)展以及其他諸如醫(yī)學(xué)、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)。現(xiàn)代分子檢測(cè)技術(shù)是建立在現(xiàn)代分子生物學(xué)、免疫學(xué)、微電子技術(shù)、多種分離技術(shù)、探測(cè)技術(shù)、信息技術(shù)等多門(mén)學(xué)科基礎(chǔ)上的。主要包括：核酸分子檢測(cè)技術(shù)、蛋白質(zhì)分子檢測(cè)技術(shù)、生物芯片和生物傳感器技術(shù)。核酸分子檢測(cè)技術(shù)是建立在核酸（DNA和RNA）基礎(chǔ)上的檢測(cè)技術(shù)，是分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的延伸。眾所周知，DNA是生物體中遺傳信息的載體，mRNA是遺傳信息傳遞的使者。與生物體中的其他代謝產(chǎn)物不同，DNA在生物體中應(yīng)該是最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，因此，對(duì)其檢測(cè)的結(jié)果在重復(fù)性上、準(zhǔn)確性上和檢測(cè)靈敏度上都是其他檢測(cè)方法無(wú)法比擬的。在核酸分子檢測(cè)技術(shù)上，最重要也最廣泛使用的是聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)技術(shù)（PolymeraseChainReaction，PCR）。這是1986年美國(guó)科學(xué)家Mullis發(fā)明的，這一技術(shù)的出現(xiàn)，不僅極大的推動(dòng)了分子生物學(xué)研究的進(jìn)程，而且，使檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生了一個(gè)全新的家族。在食品安全方面，PCR檢測(cè)技術(shù)在檢測(cè)產(chǎn)毒微生物、以食品為載體的病原微生物等方面提供了一個(gè)快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)手段。利用PCR技術(shù)檢測(cè)肉毒梭菌、沙門(mén)氏菌、單細(xì)胞增生李斯特氏菌、大腸桿菌Ecoil0157比傳統(tǒng)的檢測(cè)方法所用的時(shí)間短、準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單。檢測(cè)可以在一個(gè)工作日里完成。利用PCR技術(shù)對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行檢測(cè)是目前最行之有效的方法。標(biāo)簽制是對(duì)轉(zhuǎn)基因食品進(jìn)行管理的內(nèi)容之一，PCR檢測(cè)技術(shù)為實(shí)施這一法規(guī)提供了技術(shù)上的支持。蛋白質(zhì)分子檢測(cè)技術(shù)是以蛋白質(zhì)分子為基礎(chǔ)的檢測(cè)技術(shù)。最具代表性的是以免疫學(xué)為基礎(chǔ)的酶聯(lián)免疫吸附檢測(cè)技術(shù)（EnzymeLinkedImmunosorbentAssay，ELISA）和單克隆抗體技術(shù)（monoclonalantibody，McAb）。ELISA技術(shù)已經(jīng)廣泛用于許多檢測(cè)領(lǐng)域。在食品安全檢測(cè)中，ELISA可以對(duì)農(nóng)藥殘留、重金屬殘留、毒性物質(zhì)、轉(zhuǎn)基因食品等方面進(jìn)行快速檢測(cè)，是一項(xiàng)非常有發(fā)展前途的檢測(cè)技術(shù)。生物芯片(biochip)技術(shù)是90年代初期發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)。通過(guò)微加工技術(shù)制作的生物芯片，是把成千上萬(wàn)乃至幾十萬(wàn)個(gè)生命信息集成在一個(gè)很小的芯片上，以達(dá)到對(duì)基因、抗原和活體細(xì)胞等進(jìn)行分析和檢測(cè)。用這些生物芯片制作的各種生化分析儀和傳統(tǒng)儀器相比較具有體積小、重量輕、便于攜帶、無(wú)污染、分析過(guò)程自動(dòng)化、分析速度快、所需樣品和試劑少等許多優(yōu)點(diǎn)。這類儀器的出現(xiàn)將給生命科學(xué)研究、疾病診斷、新藥開(kāi)發(fā)、生物武器戰(zhàn)爭(zhēng)、司法鑒定、食品衛(wèi)生監(jiān)督、航空航天等領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)革命。目前生物芯片已不再局限于基因序列測(cè)定和功能分析這樣的應(yīng)用，新派生的一批技術(shù)包括:芯片免疫分析技術(shù)、芯片核酸擴(kuò)增技術(shù)、芯片細(xì)胞分析技術(shù)和采用芯片作平臺(tái)的高通量藥物篩選技術(shù)等。目前，已有檢測(cè)型基因芯片商業(yè)化，在食品安全檢測(cè)方面，有許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在研究開(kāi)發(fā)可以檢測(cè)轉(zhuǎn)基因食品和食品中有害微生物的檢測(cè)型生物芯片。生物傳感器(Biosensor)是指將具有化學(xué)識(shí)別功能的生物分子固定在特定材料上，再由換能器、信號(hào)放大器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器等組成的分析檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有分析速度快、操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低，可以進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)和在線分析。生物傳感器根據(jù)分子識(shí)別元件和待測(cè)物質(zhì)結(jié)合的性質(zhì)分為兩類：即催化型生物傳感器和親和型生物傳感器。催化型生物傳感器是利用酶的專一性和催化性，有酶?jìng)鞲衅鳌⑽⑸飩鞲衅骱徒M織傳感器等，該類傳感器是檢測(cè)整個(gè)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程的總效應(yīng)；親合型生物傳感器則利用分子間特異的親和性，有免疫傳感器、受體傳感器和DNA傳感器等，該類傳感器是檢測(cè)熱力學(xué)平衡的結(jié)果。催化型傳感器是生物傳感器發(fā)展的基礎(chǔ)，而親和型傳感器則是傳感器發(fā)展的方向。目前，生物傳感器已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品、化工、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。在食品領(lǐng)域中，生物傳感器已在食品新鮮度、食品口感、食品分析和食品衛(wèi)生檢測(cè)等方面得到了應(yīng)用。在檢測(cè)農(nóng)藥殘留的研究中，已有對(duì)食品中農(nóng)藥殘留甲基馬拉松、乙基馬拉松、敵百蟲(chóng)、二乙丙基磷酸、久效磷、百治磷、敵敵畏、速滅磷、二秦農(nóng)、涕滅威等的檢測(cè)，某些傳感器檢測(cè)速度快、準(zhǔn)確性好，但除少數(shù)檢測(cè)限低，可以滿足檢測(cè)需要，但大多數(shù)因檢測(cè)限達(dá)不到要求而有待進(jìn)一步的研究。現(xiàn)代食品生物技術(shù)為人類解決食品短缺和環(huán)境的農(nóng)藥污染帶來(lái)了希望，同時(shí)用這些技術(shù)生產(chǎn)的食品是否存在安全性方面的問(wèn)題，也一直是人們所關(guān)注，特別是利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)的食品。早在20世紀(jì)70年代，人們得到第一例重組DNA細(xì)菌Krimsky的同時(shí)，人們就意識(shí)到如果不對(duì)生物技術(shù)進(jìn)行管理，生物技術(shù)帶給人們的將不僅是利益，而且還會(huì)有災(zāi)難。為此。各國(guó)政府分別制定了對(duì)生物技術(shù)管理的政策法規(guī)，國(guó)際組織也紛紛加入到這個(gè)行列。在1993年，經(jīng)濟(jì)合作發(fā)展組織（OCED）提出了食品安全分析的實(shí)質(zhì)等同性原則。這一原則成為世界各國(guó)制定安全性評(píng)價(jià)法規(guī)的基石。人們對(duì)轉(zhuǎn)基因食品的安全主要可以歸納為：（1）轉(zhuǎn)基因食品中外源基因?qū)θ私】档臐撛谖ｋU(xiǎn)；（2）轉(zhuǎn)基因作物中的新基因在無(wú)意中對(duì)食物鏈其他環(huán)節(jié)造成的不良后果；（3）轉(zhuǎn)基因植物對(duì)生物多樣性的影響。為此，國(guó)際社會(huì)在經(jīng)過(guò)多年的討論和協(xié)商，于2000年通過(guò)了《卡特赫那生物安全議定書(shū)》（CartagenaProtocolonBiosafety），以確保世界各國(guó)安全的開(kāi)發(fā)和利用生物技術(shù)。1.3食品生物技術(shù)在食品工業(yè)發(fā)展中的地位和作用如上一節(jié)所述，食品生物技術(shù)研究的內(nèi)容已涉及到食品工業(yè)的方方面面，從原料到加工，無(wú)處不存在食品生物技術(shù)的痕跡，下面就分幾部分來(lái)闡述食品生物技術(shù)在食品工業(yè)發(fā)展中的地位和作用。基因工程技術(shù)為人類帶來(lái)前所未有的改造生物的技術(shù)，利用基因工程技術(shù)可以根據(jù)人類的需要人為地設(shè)計(jì)新型的食品及食品原料，這些食品不再是傳統(tǒng)意義上的食品，因?yàn)檫@些食品可以是具有免疫功能的食品；可以是增加人所需維生素、微量元素的食品；可以是調(diào)節(jié)人體代謝、增加人體免疫能力的功能性食品；可以是滿足時(shí)尚的休閑食品等。基因工程還可以為發(fā)酵工程提供更優(yōu)良的工程菌株，促進(jìn)食品發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。可以肯定基因工程將處在21世紀(jì)食品工業(yè)發(fā)展的核心位置。發(fā)酵技術(shù)很早就被人們利用于生產(chǎn)食品。例如，酒作為人類利用發(fā)酵技術(shù)最早的產(chǎn)物，世界上許多民族都有自己的酒文化。作為食品的酒是古老而又為人們普遍接受的飲料型食品，是通過(guò)微生物對(duì)發(fā)酵底物水果和谷類發(fā)酵產(chǎn)生酒精的一類食品的總稱。這類食品不僅為人類提供能量的需求，而且對(duì)促進(jìn)發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展作出了很大的貢獻(xiàn)。奶制品是人類飲食的主要食物，從世界范圍看，發(fā)酵的奶制品占發(fā)酵食品的10%。過(guò)去，人們對(duì)奶發(fā)酵的本質(zhì)缺乏了解。后來(lái)人們逐漸認(rèn)識(shí)到這是一種叫乳酸桿菌的微生物在起作用，并且發(fā)現(xiàn)乳酸桿菌對(duì)乳制品具有許多好處：（1）對(duì)乳制品的保存有益；（2）改善乳制品的質(zhì)地與風(fēng)味；（3）增加乳制品的營(yíng)養(yǎng)；（4）對(duì)保持腸道微生態(tài)平衡有益。這些優(yōu)點(diǎn)使乳制品成為人們最重要的食品。谷類發(fā)酵食品是人類最重要的食品，作為主食每天供應(yīng)人們的消費(fèi)。從古羅馬時(shí)代起，面包就是最主要的谷類發(fā)酵食品。面包不僅可以為人們提供身體所需的熱量和發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的諸多營(yíng)養(yǎng)成分及維生素，而且也是古代一種重要的食品貯藏方式。蔬菜的發(fā)酵可以使蔬菜成為獨(dú)具風(fēng)味的泡菜，不僅豐富了人們對(duì)食品口味的需求，而且也增加了人體對(duì)各種營(yíng)養(yǎng)的要求。用豆類發(fā)酵生產(chǎn)的醬油和用水果發(fā)酵生產(chǎn)的醋是我國(guó)古代勞動(dòng)人民智慧的體現(xiàn)。此外，在生產(chǎn)食品添加劑，如各種食用有機(jī)酸（檸檬酸）、氨基酸（賴氨酸）、維生素（VB1）、調(diào)味劑（味精）等方面，食品的現(xiàn)代發(fā)酵工程技術(shù)發(fā)揮了重要的作用。因此，食品發(fā)酵技術(shù)不僅成為人類制造食品最重要的技術(shù)手段之一，而且在生產(chǎn)食品添加劑等食品生產(chǎn)原料方面更是其他技術(shù)無(wú)法替代的。由此可見(jiàn)，食品發(fā)酵工程在食品工業(yè)中占有舉足輕重的作用。食品與酶的關(guān)系密切，食品生產(chǎn)離不開(kāi)酶的處理。例如，淀粉酶在食品生產(chǎn)中可以應(yīng)用于淀粉糖類的生產(chǎn)，為食品生產(chǎn)提供必不可少的原料；凝乳酶應(yīng)用于奶酪的生產(chǎn)，已為人類利用了數(shù)千年；在果汁和啤酒生產(chǎn)中，酶應(yīng)用于澄清果汁和啤酒；轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶廣泛應(yīng)用于肉制品、乳制品、植物蛋白制品、焙烤制品等，可以提高食品加工過(guò)程中的溶解性、酸堿穩(wěn)定性、乳化性、凝膠性，增加食品的風(fēng)味、口感、組織結(jié)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值；利用酶解法生產(chǎn)新型低聚糖，為人類增添了可食用的具有保健功能的糖源。酶在食品中的應(yīng)用非常廣泛，其在食品工業(yè)中的地位也是顯而易見(jiàn)的，特別是隨著蛋白質(zhì)工程技術(shù)的發(fā)展，將對(duì)新型酶的開(kāi)發(fā)和對(duì)酶加工性能的改善有很大的促進(jìn)作用。可以預(yù)見(jiàn)蛋白質(zhì)工程和酶工程在食品工業(yè)中所占比重將會(huì)更大。生物工程下游技術(shù)是高新技術(shù)在食品生物工程中的應(yīng)用，是與食品加工工藝密切相關(guān)的技術(shù)，特別在生產(chǎn)功能性食品中，對(duì)功能因子的提取將會(huì)使生物工程下游技術(shù)得到充分的應(yīng)用。在功能性食品中，功能因子大多是一些理化性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，用常規(guī)的提取技術(shù)，不僅提取效率低而且提取產(chǎn)物容易氧化，或被酸堿破壞。現(xiàn)代分離技術(shù)可以很好地克服這些缺點(diǎn)，在提取效率、純度和活性方面都遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)的提取方法。因此，生物工程下游技術(shù)作為現(xiàn)代食品工業(yè)不可缺少的部分將對(duì)食品工業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。從以上的論述中，可以發(fā)現(xiàn)食品生物技術(shù)已經(jīng)滲透到食品工業(yè)的方方面面。特別是基因工程技術(shù)、蛋白質(zhì)工程技術(shù)、酶工程技術(shù)、發(fā)酵工程技術(shù)等現(xiàn)代生物技術(shù)，將在21世紀(jì)的食品工業(yè)中充當(dāng)重要的角色。可以這么認(rèn)為，21世紀(jì)的食品工業(yè)將是建立在現(xiàn)代食品生物技術(shù)和現(xiàn)代食品工程技術(shù)兩大支柱上的一個(gè)全新的朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)。1.4食品生物技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展與展望1.4.1生物技術(shù)研究和應(yīng)用進(jìn)展自1973年重組DNA技術(shù)創(chuàng)建就顯示出其巨大的應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)前景。1976年，世界第一家應(yīng)用重組DNA技術(shù)開(kāi)發(fā)新藥的公司Genentech公司的建立，由此開(kāi)創(chuàng)了現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的新紀(jì)元。到2000年全球的生物技術(shù)公司大約有3000多家，其中美國(guó)大約有2000多家，其余的分布在歐洲和日本。生物技術(shù)產(chǎn)品的銷(xiāo)售額增長(zhǎng)迅速，在1980年美國(guó)的現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的銷(xiāo)售額還是零增長(zhǎng)，到1991年時(shí)為59億美元，1996年已達(dá)到101億美元，1997年為130億美元。預(yù)計(jì)到2000年達(dá)到500億美元。《日經(jīng)生物技術(shù)》對(duì)日本生物技術(shù)市場(chǎng)的調(diào)查結(jié)果表明1991年日本生物技術(shù)產(chǎn)品的市場(chǎng)是2648億日元，1996年達(dá)到6552億日元。我國(guó)的生物技術(shù)產(chǎn)品在1986年的產(chǎn)值大約是2億元人民幣，到1996年銷(xiāo)售額達(dá)到110億元人民幣，是10年前的50倍，其中醫(yī)藥衛(wèi)生領(lǐng)域現(xiàn)代生物技術(shù)產(chǎn)品的銷(xiāo)售額是21.16億元，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是15億元，輕化工領(lǐng)域是77.94億元。從發(fā)展現(xiàn)狀看現(xiàn)代生物技術(shù)主要集中在現(xiàn)代生物制藥、農(nóng)業(yè)及食品、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)等領(lǐng)域。1）現(xiàn)代生物制藥與醫(yī)藥領(lǐng)域現(xiàn)代生物技術(shù)研究最多，發(fā)展最快的是在制藥和治療領(lǐng)域。在2000年的統(tǒng)計(jì)中表明在美國(guó)的2000多家現(xiàn)代生物技術(shù)公司中有1300多家公司從事生物制藥的研究和開(kāi)發(fā)，占60%以上；歐洲有700多家占43%以上。主要利用現(xiàn)代生物技術(shù)開(kāi)發(fā)可用于治療癌癥、心血管疾病、愛(ài)滋病、遺傳病等用常規(guī)方法治療和制藥困難的藥物。據(jù)美國(guó)制藥協(xié)會(huì)（PhRMA）統(tǒng)計(jì)，自1982年第一個(gè)基因工程產(chǎn)品重組人胰島素—Humulin由El-Lilly公司推向市場(chǎng)以來(lái)，生物技術(shù)藥品的研究開(kāi)發(fā)速度非常快，到1998年，有53種藥品進(jìn)入市場(chǎng)，使6000多萬(wàn)人受益。此外，還有350多種藥處于不同的研究階段。2）農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)代生物技術(shù)除了在生物制藥領(lǐng)域應(yīng)用外，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域是第二大應(yīng)用領(lǐng)域。動(dòng)物胚胎移植技術(shù)在美國(guó)和加拿大已進(jìn)入實(shí)用化階段，世界上現(xiàn)有200多家家畜胚胎移植公司，每年僅牛胚胎移植就有20萬(wàn)頭；利用組織培養(yǎng)及快速脫毒方法開(kāi)發(fā)出的植物新品種有棕櫚、香蕉、甘蔗等幾百種再生植株，目前實(shí)現(xiàn)商業(yè)化包括農(nóng)作物、林木、瓜果、花卉等。通過(guò)花藥培養(yǎng)成功的有煙草、水稻、小麥等新品種。通過(guò)基因工程技術(shù)培育新品種農(nóng)作物的研究正在世界各國(guó)如火如荼的進(jìn)行，培育抗病和增加產(chǎn)肉率、出毛率、產(chǎn)奶率的動(dòng)物新品種，也進(jìn)入了研究的關(guān)鍵期。與此同時(shí)，現(xiàn)代生物技術(shù)在現(xiàn)代生物農(nóng)藥、現(xiàn)代微生物肥料以及改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的應(yīng)用研究也取得了令人鼓舞的成果。3）食品工業(yè)領(lǐng)域基因工程技術(shù)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始在食品工業(yè)中應(yīng)用，其標(biāo)志是第一例重組DNA基因工程菌生產(chǎn)的凝乳酶在奶酪工業(yè)的應(yīng)用。1993年Calgene公司轉(zhuǎn)反義PG基因的延熟番茄Flavr-Savr在美國(guó)批準(zhǔn)上市，轉(zhuǎn)基因植物源食品原料的種植面積迅速增加，從1996年的170萬(wàn)公頃迅速增加到2001年的5260萬(wàn)公頃，種植面積增加了30倍,六年累計(jì)種植面積為1億7720萬(wàn)公頃。其經(jīng)濟(jì)效益也從1995年的7500萬(wàn)美元增加到2001年的近40億美元（見(jiàn)圖1.2），累計(jì)產(chǎn)值達(dá)110億美元。預(yù)計(jì)2005年產(chǎn)值將增加到80億美元，2010年為250億美元。而以其為原料的食品市場(chǎng)銷(xiāo)售額六年累計(jì)已達(dá)上千億美元。圖1.3世界轉(zhuǎn)基因作物1995—2001年種植面積與銷(xiāo)售額情況動(dòng)物源基因工程食品目前尚未商品化，但其發(fā)展異常迅猛。自1984年我國(guó)成功獲得世界第一例轉(zhuǎn)基因魚(yú)，在后來(lái)的十幾年中，許多國(guó)家的幾十個(gè)實(shí)驗(yàn)室相繼開(kāi)展轉(zhuǎn)基因魚(yú)的研究工作，取得了令人鼓舞的成就。我國(guó)武漢水生生物所的轉(zhuǎn)全魚(yú)生長(zhǎng)素GH基因的三倍體黃河鯉魚(yú)已通過(guò)中試，進(jìn)入食品安全性評(píng)價(jià)階段，預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年中可以進(jìn)入商品化養(yǎng)殖，可望成為第一例走上餐桌的動(dòng)物源基因工程食品。此外，改善動(dòng)物食用品質(zhì)的轉(zhuǎn)基因研究正在如火如荼的進(jìn)行，如導(dǎo)入鈣激活酶基因，以改善牛肉的食用品質(zhì)，使牛肉變得鮮嫩可口；導(dǎo)入乳糖酶基因，使牛奶中的乳糖下降，從消除許多人對(duì)牛乳乳糖的不耐受癥，提高對(duì)牛乳營(yíng)養(yǎng)的吸收等。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物研究的另一大熱點(diǎn)是，利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)功能性食品。目前，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家在此領(lǐng)域已展開(kāi)激烈競(jìng)爭(zhēng)，許多全球最大的制藥公司紛紛加入，InterNutriaInc.公司總裁認(rèn)為：“一種藥物的開(kāi)發(fā)時(shí)間需要10年以上和至少2.5億美元的資金，而功能性食品只需幾年和數(shù)百萬(wàn)美元的投入，并且利潤(rùn)豐厚”，表1.1反映了該領(lǐng)域目前研究的現(xiàn)狀。表1.1利用轉(zhuǎn)基因動(dòng)物生產(chǎn)人營(yíng)養(yǎng)保健品研究現(xiàn)狀公司名稱名稱主要功能潛在市場(chǎng)（億美元/年）R&D階段人乳鐵蛋白抗胃腸道感染、50臨床前期，轉(zhuǎn)基因牛（1.5g/L）Pharming人溶菌酶鐵鋅載體5轉(zhuǎn)基因牛（1.2g/L）Therpeutics人膽鹽刺激脂酶助脂消化6臨床前期，轉(zhuǎn)基因牛（2g/L）Gen.Transgen.Crop.人催乳素提高免疫力3臨床前期，Wyeth-Ayerst人乳清蛋白苯酮尿癥5轉(zhuǎn)基因牛5g/L）人免疫球蛋白提高免疫力10轉(zhuǎn)基因牛（0.5-2.5g/L）Gelagen人乳清過(guò)氧化酶提高免疫力等3人分泌性抗體尿道感染、蛀牙等5轉(zhuǎn)基因牛（3g/L）（劉謙，朱鑫泉，2001）微生物源基因工程食品是最早的轉(zhuǎn)基因食品，在1988年瑞士當(dāng)局通過(guò)了重組DNA基因工程菌生產(chǎn)凝乳酶的安全性評(píng)價(jià)，允許在奶酪工業(yè)中使用。1990年3月，美國(guó)FDA討論了凝乳酶的管理，F(xiàn)DA認(rèn)為：引入基因所表達(dá)的蛋白具有和動(dòng)物凝乳酶相同的結(jié)構(gòu)和功能，生產(chǎn)菌在加工過(guò)程中被除去或消滅，并且本身不具備毒性和致病性，任何抗生素抗性標(biāo)記基因在加工過(guò)程中已被除去，故認(rèn)為該酶符合GRAS（GenerallyRecognizedasSafe）。在美國(guó)已有超過(guò)60%的硬干酪生產(chǎn)使用該酶。另外，通過(guò)重組牛生長(zhǎng)素基因的基因工程菌生產(chǎn)的牛生長(zhǎng)激素，目前已大量應(yīng)用于肉牛和奶牛的飼養(yǎng)，這對(duì)于提高牛的飼料轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)奶率作用非常明顯。傳統(tǒng)的酵母菌只能發(fā)酵加糖的生面團(tuán)，而重組DNA酵母菌除可以發(fā)酵加糖的面團(tuán)外，還可以發(fā)酵未加糖的面團(tuán)。經(jīng)過(guò)改造的重組DNA酵母菌在發(fā)酵加工的初期分泌的發(fā)酵麥芽糖酶的水平增加了，如麥芽糖酶和麥芽糖透性酶。這種重組DNA酵母比原來(lái)未改造的菌株有較高的代謝活力和在發(fā)酵初期釋放高CO2的能力，這樣可以減少發(fā)酵的時(shí)間。目前，轉(zhuǎn)基因微生物主要生產(chǎn)用于食品加工的酶和食品添加劑。從轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展階段來(lái)看，轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展可以分為三代：第一代轉(zhuǎn)基因食品，是以增加農(nóng)作物抗性和耐貯性的轉(zhuǎn)基因植物源食品，這一代的轉(zhuǎn)基因食品研究起始于20世紀(jì)70年代末80年代初，是以轉(zhuǎn)入抗除草劑基因、抗蟲(chóng)基因增加農(nóng)作物的抗逆性以及延遲成熟基因等為主要特點(diǎn)。抗除草劑農(nóng)作物轉(zhuǎn)入的基因有耐受孟山都公司的生產(chǎn)的除草劑草甘膦（RoundupReady）的CP4-EPSPS基因和耐受除草劑草胺膦的Bar、Pat、GOX基因。這類轉(zhuǎn)基因植物源食品有玉米、棉花、油菜、甜菜、大豆、水稻等；抗蟲(chóng)農(nóng)作物轉(zhuǎn)入的基因主要有蘇云金桿菌的Bt系列基因，包括Cry1Ab、Cry1Ac、Cry3A、Cry9C等。這類轉(zhuǎn)基因植物源有玉米、棉花、番茄、馬鈴薯等。目前，這類基因研究的還有豇豆蛋白酶抑制劑基因CpTⅠ、馬鈴薯蛋白酶抑制劑基因PinⅡ、豌豆凝集素基因P-lec、雪花蓮凝集素基因GNA、半夏凝集素基因PTA等；延遲成熟的轉(zhuǎn)基因植物源食品主要有①利用轉(zhuǎn)入反義多聚半乳糖醛酸酶（PG）基因抑制PG酶的產(chǎn)生，使新鮮果蔬能保持一定的硬度，從而延長(zhǎng)貯藏期；②轉(zhuǎn)入S-腺苷蛋氨酸水解酶（S-adenosylmethioninehydrolase）基因，減少乙烯生物合成前體S-腺苷蛋氨酸；③轉(zhuǎn)入1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸（1-amino-cyclopropane-1-carboxylicacid）脫氨酶基因，生成的酶可以脫去乙烯合成的直接前體ACC，減少乙烯的生物合成；④轉(zhuǎn)入有缺陷的ACC合成酶基因，通過(guò)合成有缺陷的ACC合成酶競(jìng)爭(zhēng)性的抑制ACC的合成，減少乙烯的生物合成。這類轉(zhuǎn)基因植物源食品有番茄和甜瓜。此外，還有抗病毒的植物源轉(zhuǎn)基因食品，主要是轉(zhuǎn)入病毒的外殼蛋白基因，干擾病毒的產(chǎn)生以達(dá)到抗病毒。這類轉(zhuǎn)基因植物源食品主要有番木瓜、西葫蘆和馬鈴薯。第二代的轉(zhuǎn)基因食品是以改善食品的品質(zhì)、增加食品的營(yíng)養(yǎng)為主要特征。目前，轉(zhuǎn)基因食品的研究正在朝這方面轉(zhuǎn)移，最早的研究是在提高月桂酸、肉豆蔻和油酸的含量方面展開(kāi)，商品化的轉(zhuǎn)基因作物有油菜和大豆。這方面的研究已在植物、動(dòng)物和微生物全面展開(kāi)，并已取得了許多研究成果，有些成果顯示了良好的應(yīng)用前景。主要表現(xiàn)為：①食品中新增營(yíng)養(yǎng)因子，如Science在2000年1月14日?qǐng)?bào)道了瑞士公立研究所成功開(kāi)發(fā)了富含VitaminA前體的基因重組水稻，被稱之為Goldenrice，這種水稻的開(kāi)發(fā)成功將有望解決世界許多發(fā)展中國(guó)家兒童因缺乏VitaminA而導(dǎo)致的致盲現(xiàn)象；②油脂的改良，Dupont公司通過(guò)反義RNA技術(shù)抑制油酸脂脫氫酶，獲得含80%油酸的高油酸含量大豆油，Calgene公司則開(kāi)發(fā)出可替代氫化油制造人造奶油、酥油的含30%硬脂酸的大豆油和芥子油；③蛋白質(zhì)的改良，通過(guò)基因重組技術(shù)獲得高賴氨酸轉(zhuǎn)基因玉米、高面筋蛋白小麥等也取得了可喜的成果；④果蔬品質(zhì)的改良，除增加果蔬的貯藏期外，目前的研究已開(kāi)始在提高營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)和加工特性上展開(kāi)。如轉(zhuǎn)入酵母異戊烯腺嘌呤焦磷酸（IPP）異構(gòu)酶基因的番茄，其胡蘿卜素和番茄紅素的含量增加了2-3倍；利用反義技術(shù)將馬鈴薯多酚氧化酶（PPO）基因的POT32片段插入馬鈴薯中，獲得抗加工褐變的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。此外，還有改良碳水化合物的轉(zhuǎn)基因食品等。第三階段的轉(zhuǎn)基因食品是以研究增加食品中的功能因子和增加食品的免疫功能。1990年，Curtiss等首次報(bào)道了植物中抗原的表達(dá),他們使變異鏈球菌(Streptococcusmutants)表面蛋白抗原Ａ在煙草中表達(dá),在把這種煙草喂給老鼠吃后,粘膜免疫反應(yīng)導(dǎo)致了老鼠中SpaA的出現(xiàn)。此后,又有肝炎抗原在煙草和萵苣中、狂犬病抗原在番茄中、霍亂抗原在煙草和馬鈴薯中和人類細(xì)胞巨化病毒抗原在煙草中的表達(dá)成功，這些研究成果掀起了世界范圍的轉(zhuǎn)基因食用疫苗的研究熱潮。目前的研究主要集中在①乙肝疫苗，乙肝病毒表面抗原（HBVsurfaceantigen，HBsAg）是乙肝疫苗的主體成分，HBsAg基因已在番茄、馬鈴薯、煙草、羽扇豆和萵苣中表達(dá)。乙肝病毒表面蛋白M基因也在馬鈴薯和番茄中成功表達(dá)；②大腸桿菌腸毒素疫苗，到目前為止,在轉(zhuǎn)基因植物中表達(dá)用于疫苗研究的病原基因主要是大腸桿菌熱敏腸毒素B亞單位(LT-B)基因，用LT-B基因轉(zhuǎn)化的煙草和土豆,其外源基因均能獲得表達(dá),并有較好的免疫原性。在煙草中最大表達(dá)量為每克可溶性蛋白5μg,土豆塊莖為每克可溶性蛋白30μg；③霍亂病毒疫苗，在馬鈴薯中轉(zhuǎn)入霍亂弧菌毒素B亞單位(CTB)基因，在塊莖和葉片中CTB的最高表達(dá)量可達(dá)30μg/g；④輪狀病毒疫苗，該病毒是病毒性腹瀉的主要病原物，將輪狀病毒表面抗原蛋白轉(zhuǎn)入番木瓜等中以期獲得可食用疫苗的研究正在進(jìn)行；⑤諾瓦克病毒疫苗，諾瓦克病毒是引起急性腸胃炎的病毒，在用煙草和馬鈴薯作為受體轉(zhuǎn)入諾瓦克病毒衣殼蛋白基因，已經(jīng)得到了具有免疫原性的表達(dá)產(chǎn)物；⑥結(jié)合病疫苗，結(jié)合病是結(jié)合桿菌引起的嚴(yán)重呼吸道疾病，每年造成數(shù)十萬(wàn)人的死亡。將結(jié)合桿菌的分泌性蛋白MPT-64和ESTA基因轉(zhuǎn)入煙草、黃瓜、番茄和胡蘿卜的研究正在進(jìn)行中；⑦狂犬病疫苗，狂犬病是由狂犬病病毒引起的致命傳染病，目前已經(jīng)將RV糖蛋白基因轉(zhuǎn)入番茄中，并得到了轉(zhuǎn)基因番茄，但RV糖蛋白表達(dá)量還很低，如何提高表達(dá)量的研究正在進(jìn)行。基因食物疫苗與常規(guī)疫苗及其他新技術(shù)疫苗相比,具有以下獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①生產(chǎn)簡(jiǎn)單：轉(zhuǎn)基因植物的種植不需特殊技術(shù),更不需要復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備和設(shè)施,只要有土地,就可以大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；②沒(méi)有其他病原污染：常規(guī)疫苗及其他新技術(shù)疫苗在大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)或繁殖過(guò)程中,很容易發(fā)生病原性或非病原性細(xì)菌、病毒等污染,特別是細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中,霉形體的污染極其普遍,而轉(zhuǎn)基因植物疫苗則不存在這個(gè)問(wèn)題；③可以食用：轉(zhuǎn)基因植物疫苗可以通過(guò)直接食用而進(jìn)行免疫。國(guó)外已在自愿者人身上進(jìn)行了生食轉(zhuǎn)基因土豆的免疫試驗(yàn),現(xiàn)正在研究轉(zhuǎn)基因香蕉,但目前還未找到香蕉果實(shí)特異表達(dá)的啟動(dòng)子；④貯存簡(jiǎn)單：不需要特殊容器分裝,不需要低溫保存。土豆于4℃存放3個(gè)月,其重組LT-B活性幾乎無(wú)變化。另外,運(yùn)輸也方便；⑤使用安全：免疫原在植物組織中,作為食物而吃進(jìn)胃腸,不會(huì)引起任何負(fù)反應(yīng)；⑥不污染環(huán)境：疫苗生產(chǎn)過(guò)程綠化、美化環(huán)境,不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生任何污染。蛋白質(zhì)工程與酶工程在近年來(lái)取得了較大的進(jìn)展，利用蛋白質(zhì)工程改善酶的穩(wěn)定性和催化效率是研究的熱點(diǎn)之一。例如，酵母磷酸丙糖異構(gòu)酶在14位和78位有兩個(gè)天門(mén)冬酰氨（Asn），Asn在高溫條件下容易脫氨形成天門(mén)冬氨酸，使肽鏈局部構(gòu)象發(fā)生變化，從而使蛋白失活。通過(guò)定點(diǎn)誘變技術(shù)將這兩個(gè)氨基酸突變?yōu)樘K氨酸和異亮氨酸，增加了酶的熱穩(wěn)定性和對(duì)蛋白