生物技術的應用

劉瑾瑜

2015年7月15日 10:55

1前言

生物技術是21 世紀最具有發展前景和活力的學科, 世界各國都將生物技術視為一項高新技術,生物技術在相關領域中的應用也成為研究的熱點。據近幾年來生物技術在食品工業中的應用發展狀況，從利用生物技術改造和開辟食品資源，改善食品品質，改變傳統的食品生產工藝，開發新的食品品種及其它方面的應用總結了其主要成就，并介紹了生物技術在今后食品領域中的研究和開發重點。生物技術也稱生物工程, 是探索生命現象和生物物質規律, 利用生物體的機能或模仿生物體的機能進行物質生產的技術。生物技術包括傳統生物技術和現代生物技術, 現代生物技術是指以現代生物學研究成果為基礎, 以基因工程為核心的新興學科。現代生物技術主要包括: 基因工程、細胞工程、酶工程、發酵工程、蛋白質工程。現代生物技術可在解決當今世界發展重大問題( 如糧食短缺、資源枯竭、生態環境惡化) 中發揮積極作用[1],本文就此新技術在食品加工中的優勢及應用綜述如下。

2 現代生物技術

2.1 基因工程技術

基因工程技術是現代生物技術的核心內容, 基因工程又叫遺傳工程, 是分子遺傳學和工程技術相結合的產物, 是生物技術的主體。基因工程是指用酶學法將異源基因與載體DNA 在體外進行重組, 將形成的重組因子轉入受體細胞,使異源基因在其中復制并表達, 從而改造生物特性, 生產出目標產物的高新技術。主要包括重組DNA、基因缺失、基因加倍、導入外源基因以及改變基因位置等分子生物學技術手段。基因工程技術在食品工業中的應用, 主要涉及微生物、植物和動物, 通過對被加工材料的處理, 生產出符合人們需要的基因食品。基因工程能夠培育和創造出自然界所沒有的新的生命形態。目前, 用這種技術已培育出多種“工程細菌”, 可以用來生產諸如含有生長激素、胰島素、干擾素的功能食品和可食單細胞蛋白等, 在食品工業中具有廣闊的發展前景[2]。

2.2 細胞工程技術

細胞工程就是在細胞水平研究開發利用各類生物細胞的工程技術, 主要有細胞培養、細胞融合及細胞代謝物的生產等。細胞工程是應用細胞生物學方法, 按照人們預定的設計, 有計劃地保存、改變和創造遺傳物質的技術。包括細胞培養、細胞核移植、細胞器攝取、染色體片斷重組、細胞融合及細胞代謝物的生產等。雖然目前工業規模的細胞培養仍有一定難度, 但該技術仍然是繼微生物技術以后當代生物技術的重要發展領域。利用細胞雜交和細胞培養可生產具有獨特香味和風味的食品添加劑,如香草素、可可香素、菠蘿風味劑以及高級天然色素, 如咖喱黃、紫色素、花色苷素、辣椒素、靛藍等, 而且培養的色素含量高, 色調和穩定性好[3]。

2.3 酶工程技術

酶工程是生物技術的一個重要組成部分，酶工程是指在一定的生物反應器內，利用酶催化作用，將相應的原料轉化成有用物質，其應用領域已經遍及農業、食品、醫藥、環境保護、能源開發和生命科學理論研究等各個方面。酶工程包括各種酶的開發和生產、酶的分離和純化技術、酶或細胞的固定化技術、固定化酶反應器的研制以及酶的應用等方面。隨著基因工程、細胞工程等高新技術應用于酶工程領域，不斷研究開發出更多的新品種、新用途、高活力的酶類，同時酶的固定化技術，酶分子修飾技術及模擬酶技術也得到更快發展[4]。

2.4 發酵工程技術

發酵工程是生物工程技術的重要組成部分，是古老而又大有潛力的工業技術，是生物技術產業的重要環節，是一門利用微生物的生長和代謝活動來生產各種有用物質的工程技術。發酵工程是利用微生物的某些特定功能, 通過現代工程技術手段生產有用物質或直接把微生物應用于工業生產的方法和過程，包括培育優良菌種、發酵生產某些代謝產物、生產微生物菌體、改造某些天然物質等。發酵工程可用于工業化生產預定的食品或食品功能成分。利用發酵工程技術所取得的成就涉及到新食品配料、食品加工的催化劑、飲料穩定劑、D-氨基酸及其衍生物制造以及廢棄物利用和食品品質的檢測等[5]。

2.5蛋白質工程技術

隨著蛋白質晶體學、計算機學與基因工程手段相結合，便出現了蛋白質工程，又稱為“第二代基因工程”，即按照人們的意愿創造出適合人類需求的。具有不同功能的蛋白質，創造出世界上原來不曾有過的新蛋白質及其新產品[6]。

蛋白質工程的基礎是蛋白質晶體學和動力學，主要技術手段是所謂的計算機定位突變和盒式突變——即對編碼蛋白質基因定位改造，來造成人為的蛋白突變，在通過發酵或細胞培養生產足夠的這種蛋白質。利用蛋白質工程將可以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，可以定向改造酶的功能，生產新型營養功能食品，以全新的思路發展食品工業。

3 生物技術在食品加工中的應用

3.1 食品資源及食品品質的改良

利用基因工程, 對用于食品資源的動植物，利用基因轉移或DNA 重組，使其蛋白質、脂肪、淀粉等營養要素的含量、性質、結構朝著有益人們身體健康的方向轉移和發展。如提高水稻胡蘿卜素含量、谷物賴氨酸含量、馬鈴薯固形物含量、改變植物油組成中不飽和脂肪酸比例。應用基因工程技術，可以將任何生物的性狀轉移到植物、動物和微生物中，這項技術已用于改造或轉化當今用作食品的植物、動物和微生物。采用基因工程改造的面包酵母可使得面粉的膨發性提高, 所得面包更松軟可口。通過替代面包酵母或啤酒酵母中的Gall80 或MIGI基因, 解除了糖蜜發酵過程中的隨著蜜二糖分解形成的葡萄糖對該基因編碼的酶蛋白的抑制作用，從而最終提高酒精產率。用現代發酵工程改造傳統發酵食品，最典型的是使用雙酶法糖化工藝取代傳統的酸法水解工藝，用于生產味精。利用優選的微生物菌群發酵，縮短發酵周期，提高原料利用率，改良風味和品質。在蛋白質食品加工中，用磷脂酶A進行活性面筋的改性；用肽鏈內切酶、醛脫氫酶等方法除去蛋白臭；用肽鏈內切酶方法生產人造肉和粉末蛋白質也取得了成功。在啤酒的生產中采用基因工程和蛋白質技術將α-乙酰乳酸脫羧酶基因克隆到啤酒酵母中進行表達，可明顯降低啤酒中雙乙酰含量，從而改善啤酒風味。利用基因工程技術不但可以成倍地提高酶活力，而且還可以將生物酶基因克隆到微生物中，構建基因工程菌來生產酶制劑，生產出的酶制劑不僅催化活性、穩定性得到提高，而且用于食品中可使蛋白質、碳水化合物和脂肪發生改性。例如，蛋白酶可以改善蛋白質的溶解性;新型食品酶制劑轉谷氨酰胺酶可以使蛋白質分子間發生交聯，因而可用于增加大豆蛋白的膠凝性能，使其具有更好的加工品質。在食品加工過程中，適量地添加一些酶類，可以改善產品的色澤、風味和質構，如用葡萄糖氧化酶可去除蛋液中的葡萄糖，改善蛋制品的色澤；葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香；木瓜蛋白酶可分解膠原蛋白，用于肉制品的嫩化。對于含有難消化成分的食品，可以通過添加一些酶類，改善這些食品的營養和消化利用性能[7]。

3.2 在食品檢測中的應用

生物技術檢測方法具有特異的生物識別功能、極強的選擇性, 與現代的物理化學方法相結合, 產生一些簡單、結果精確、靈敏、專一、微量和快速的檢測方法。生物技術檢測方法的應用幾乎涉及到了食品檢驗的各個方面, 包括食品品質評價、質量監督、生產過程的質量監控及食品科學研究。目前常用的檢測方法主要有：酶聯免疫吸附測定( ELISA)、聚合酶鏈式反應( PCR)、DNA探針。

3.3 在農副產品深加工方面的應用

生物技術可以迅速提高農副產品加工能力和水平，使我國農副產品加工技術在整體上實現跨越式發展，甚至能在一些重大關鍵技術領域達到世界先進水平。利用遺傳工程技術選擇培育對乙烯敏感性低的新品種，從基因工程角度解決農副產品的保鮮問題，以便向食品行業、醫藥行業提供更多的易于貯藏的工業原料。肉類保鮮方面，重點在于提高綜合品質以及瘦肉、嫩肉和肥肉的綜合利用；奶制品方面重點是發酵乳制品、雙歧桿菌發酵乳等；魚類產品方面重點是從淡水魚內臟、魚眼、精卵巢中分離提取有效成分，不斷推出保健制品和藥物制品；將以前廢棄不用的農副產品下腳料如麥秸、稻草、豆秸、木屑、枝葉、玉米稈、薯蔓等植物纖維素資源，通過生物轉化，生產一些重要的生物產品[8]。

3.4 生產功能食品及新型食品

用酵母或細菌等微生物菌體發酵得到的單細胞蛋白( SCP)，含有豐富的蛋白質、碳水化合物、維生素、礦物質等，營養價值極高。而富硒酵母的生產開辟了發酵工藝應用于微量元素生產的新途徑。利用轉基因手段從目的供體物種體內獲得帶有特定優良遺傳性狀的DNA 片段，直接或通過載體導入被改造物種即“ 受體物種”的胚胎內，培育出優良的新品種，如生長速度快、抗病力強、肉質好的轉基因兔、豬、雞，這將大力推動畜牧業的發展，為改善人們的膳食結構提供一條新的思路和方法。利用發酵技術和酶技術可生產雙歧桿菌增殖因子，如低聚果糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖、低聚木糖等; 利用酶技術, 如木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-淀粉酶及其他降解細胞壁的酶類可生產膳食纖維素；還可生產各種活性肽，如降壓肽、抗氧化肽、減肥肽、預防肝性腦病肽和心血管疾病肽等，提高人類的營養水平和健康狀況[9]。

3.5 在食品添加劑中的應用

通過轉基因技術制造有利于人類健康的食品或有效因子，如低膽固醇肉豬、低膽固醇蛋和高特種微量元素蛋、人類血液代用品，高異胡蘿卜素稻米等；利用細胞工程技術生產各種功能性成分，如對人參、西洋參、長春花、紫草和黃連等植物細胞進行培養生產活性細胞干粉、L-蘇氨酸、免疫球蛋白、生長激素等；利用現代生物技術，特別是發酵工程技術生產食品添加劑[10]。目前國內外重點研究開發的食品添加劑有甜味劑中的木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等；酸味劑中的L-蘋果酸、L-琥珀酸等；氨基酸中的各種必須氨基酸；增稠劑中的黃原膠、茁霉多糖、熱凝性多糖等；風味劑中的多種的多種核苷酸、琥珀酸鈉、香茅醇、雙已酰；芳香劑中的脂肪酸、異丁醇等；色素中的類胡蘿卜素、紅曲色素、蝦青素、番茄紅素等；維生素中的維生素C、維生素B12 、核黃素、肉堿；生活活性添加劑中的各種保健活菌、活性多肽等；防腐劑中的乳鏈菌肽、殺菌肽、防御素等[11]。

3.6 可直接應用于食品生產過程的物質轉化

利用發酵技術、酶技術對農副產品進行加工，直接生產各種發酵食品如飲料、酒、醬、醬油、醋、乳酸、酸奶和啤酒；利用基因工程和酶工程，構建“生物工程菌”來生產酶制劑。近20年來，利用“基因工程菌”生產的食品酶制劑主要有凝乳酶、ɑ-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖異構酶、轉化酶、脂肪酶、溶菌酶等。凝乳酶是制造干酪過程中起凝乳作用的關鍵酶，蛋白酶可改善蛋白質的溶解性。在食品加工過程中添加一些酶類可以改善產品的色澤、風味和質構。如用葡萄糖氧化酶可以除去蛋液中的葡萄糖，改善制品的色澤；用酯酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟；葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香；木瓜蛋白酶可分解膠原蛋白酶，用于肉的嫩化[12]。

3.7在食品包裝上的應用

現代生物技術的食品包裝上的應用主要是制造一種又有利于食品保質的環境，如葡萄糖氧化酶能除O2,延長食品保鮮期，保持食品色、香、味的穩定性，被應用于茶葉、冰淇淋、奶粉、罐頭等產品的除氧包裝；溶氧菌能消除有害微生物的繁殖，而讓某些有益菌得以繁殖，被廣泛應用于清酒、乳制品、水產品、香腸、奶油、生面條等食品中以延長保鮮期；利用生物技術制造有特殊功能的包裝材料如包裝紙、包裝膜，使其有抗氧化、殺菌作用等[13]。

4 現代生物技術在應用過程中存在的問題

現代生物技術如同其他新出現的科學一樣，是一把雙刃劍，有其對人類有利的一面，同時，也有對人類不利的一面，如果對其不加以管理，就會對人類產生災難性后果這些后果有短期的，也有長期的。隨著現代生物技術的快速發展，越來越多的技術趨于成熟，越來越多的基因得到克隆和應用，其中一些基因及其產物對人類健康和環境安全存在潛在的風險，這就需要建立科學合理的轉基因食品風險評估體系和有效的管理機制，來消除生物技術可能給人類帶來的不利影響，可喜的是，生物技術對人類潛在的危害再其發展初期就被科學家們認識到了，在發展轉基因食品的同時，相應的管理和安全評估在世界各國展開[1４]。

5 展望

隨著人們生活水平的提高和消費觀念的改變，人們更關注食品的內在營養和食品的衛生安全，同時提倡綠色消費，這就對食品生產提出了更高的要求。現代生物技術在食品領域所起的作用是傳統技術無法比擬的，他在食品工業中的地位越來越重要。目前，現代生物技術在食品領域的應用涉及到基因工程、細胞工程、酶工程和微生物(發酵)工程等當今公認的四大生物技術體系[15]。重點開發的幾個領域為：開發新酶品種以及酶的固定化和細胞工業化應用；加強高產菌株和耐特殊環境微生物的遺傳育種；用生物法代替化學合成生產食品添加劑；綜合利用技術，進行原料的深度加工，采用清潔閉路生產工藝，將廢棄物資源化，達到節糧、節能、減少污染的目的；工業化生產中生物技術產物的分離提取水平低一直是阻礙產業發展的“瓶頸”問題，因此，生物技術產品的大規模生產及高收率的提取技術是今后發展的重要方面；研究開發多功能、多指標的生物傳感器，有效監控生產過程，利用生物技術建立高特異性、高靈敏度、快速簡便的食品衛生檢測方法是確保食品安全的重要手段。

從以上的綜述中可以發現，現代生物技術已經滲透到食品工業的方方面面，特別是基因工程技術、蛋白質工程技術、酶工程技術、發酵工程技術，將在21世紀的食品工業中充當重要角色，可以說，21世紀的食品工業是將建立在現代食品生物技術和現代食品工程技術兩大支柱是的一個全新朝陽產業。

參考文獻

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