基因工程在食品工业中的应用教案资料.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。基因工程在食品工业中的应用-基因工程在食品工业中的应用【摘要】:阐述了基因工程的技术溯源,论述了基因工程在食品工业方面的应用,提出与生产实践相结合的实例;详细介绍了基因工程食品的由来,展望了基因工程技术在食品工业领域中的美好发展前景。【关键词】:基因工程􀀁食品工业􀀁转基因食品生物技术是当今迅速发展的一个高新技术领域,是21世纪最具有发展潜力的新兴产业,它涵盖了基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和生物化学工程,其中基因工程发展迅猛,已经成为生物科学领域最有生命力、最引

2、人注目的前沿科学。目前,生物技术已被广泛应用于食品、医药、农业、化工、环保等工业部门,而且随着对生物分子认识水平和改造生物遗传物质手段的提高,生物技术必将为有效解决长期困扰人类的粮食短缺、疑难病症、能源危机、环境污染等问题带来美好的前景。一、基因工程基因工程就是采用类似工程技术的方法,将不同生物或人工合成的DNA,按照设计方案重新组合,并在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达。基因工程主要包括两个步骤:首先是从某些生物细胞中取得所需要的DNA片段,或在人工控制下合成这种DNA片段,即获得目的基因,再取得基因的载体,使二者进行体外重组;然后将重组的DNA转化到受体的活细胞中去,改变受体细胞的

3、遗传特性。基因工程包括DNA重组、表达和克隆,是生物工程核心内容。1.发展1973年美国斯坦福大学和旧金山大学Coken和Boyer2位科学家成功地实现了DNA分子重组实验，揭开了基因工程发展的序幕3，意味着人类有能力按照自己的意愿去操作不同的基因；1982年美国一家公司成功地把细菌抗卡那霉素的基因转入向日葵。1997年2月23日，克隆羊“多利”在英国诞生，世界为之震动，这是基因工程技术上划时代的突破。利用基因工程技术将一些微生物、动物或植物的基因植入另一种微生物、动物或植物中，接受的一方面由此获得了一种它所不能自然拥有的品质。它可分为：植物性转基因食品、动物性转基因食品和基因工程菌。二、基因

4、工程在食品工业中的应用(一)改善食品原料品质与加工性能基因工程应用于植物食品原料的生产上,可进行品种改良,新品种开发与原料增产,如选育抗病植物、耐除草剂植物、抗昆虫或抗病毒植物、耐盐或耐旱植物。除增加产量外,还应用于改良农作物品种特性方面,如利用反义RNA技术可以控制转基因番茄的成熟期,并延长其储存期。基因工程还可用于改良玉米、稻米等谷类氨基酸组成及含量,提高谷类营养价值。油脂在提炼、加工及储存过程中,油脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因。目前已知豆类中的脂氧合酶催化脂肪酸氧化,在豆类制品的变味和油脂酸败过程中扮演重要角色。因此,利用生物技术改良豆类油脂品质也是未来的发展方向。传统上,畜牧从

5、业者为了使饲养的动物有更好的生长状况和品质,通常只能从饲料和生长环境上加以控制。而以基因工程的方法则可通过转入适当的外源基因或对自身的基因加以修饰,来降低结缔组织的交联度,改善品质。通过外源生长激素在受体鱼中的表达,可使转基因鱼的肌肉蛋白含量和饲料转换效率明显提高,生长速度加快。生长激素转基因猪也取得了相似的效果,且减少了脂肪,增加了瘦肉率。(二)改良食品工业用菌种食品工业如酒类、酱油、酱类、食醋、乳酸菌饮料等的发展,关键在于是否有优良的微生物菌种,应用基因工程、细胞融合及传统微生物突变育种技术从事发酵菌种的改良研究已为数不少。发酵工业的关键步骤之一是如何获取优良菌株的,除常用的诱变、杂交和原

6、生质体融合等传统方法外,与基因工程结合,大力改造菌种,给发酵工业带来生机,如能表达目的基因的基因工程菌的开发。微生物的遗传变异性及生理代谢的可塑性都是其他生物难以比拟的,故其资源的开发有很大的潜力。美国的BioTechnica公司克隆了编码黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基因,并将其植入啤酒酵母中,在发酵期间,由酵母产生的葡萄糖淀粉酶将可溶性淀粉分解为葡萄糖,这种由酵母代谢产生的低热量啤酒不需要增加酶制剂,且缩短了生产时间。（三）保健食品和食品疫苗利用基因工程技术可以研制特种保健品的有效成分。例如将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至羊或牛中,便可以在羊乳或牛乳中产生这种酶。1997年上海医

7、学遗传所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中就含有人的凝血因子,为通过动物大量廉价生产人类所需的新型功能性食品和药品迈出了重大的一步。除了研究利用动物生产新型功能性食品外,目前利用转基因植物生产食品疫苗已成为食品生物技术研究的热点之一。食品疫苗就是将某些致病微生物的有关蛋白质(抗原)基因,通过转基因技术导入某些植物受体细胞中,并使其在受体植物细胞中得以表达,从而使受体植物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。用转基因植物生产的疫苗保持了重组蛋白的理化特征和生物活性,有的须提纯后作疫苗使用,有的则不经提纯即可直接食用。如2002年,中国农业科学院生物技术研究所通过重组DNA技术选育出具有抗肝炎功能的番茄,

8、食用这些番茄后即可产生类似乙肝疫苗的预防效果。目前,已获成功的还有狂犬病病毒、不耐热肠毒素、链球菌突变株表面蛋白等十多种转基因马铃薯、香蕉的食用疫苗。由于这些重组蛋白基因可以长期地储存于转基因植物的种子中,十分有利于疫苗的保存、生产、运输和推广。因此转基因植物作为廉价的疫苗生产系统,虽然才刚刚起步,却具有很好的发展潜力。（四）改良果蔬采收后品质增加其贮藏保鲜性能随着对番茄、香蕉、苹果、菠菜等果蔬成熟及软化机理的深入研究和基因工程技术的迅速发展,使通过基因工程的方法直接生产耐储藏果蔬成为可能。事实上,现在无论在国外还是国内都已经有了商品化的转基因番茄。促进果实和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。在

9、果实中乙烯生物合成的关键酶主要是乙烯的直接前体l一氨基环丙烷一1一梭酸合成酶(ACC合成酶)和ACC氧化酶。在果实成熟中这两种酶的活力明显增加,导致乙烯产生急剧上升,促进果实成熟。在对这两种酶基因克隆成功的基础上,可以利用反义基因技术抑制这两种基因的表达,从而达到延缓果实成熟,延长保质期的目的。利用反义RNA技术抑制酶活力已有许多成功的例子,其中最为成功的就是延缓成熟和软化的反义RNA转基因番茄。Hamilton等于1990年首次构建了ACC氧化酶反义RNA转基因番茄,在纯合的转基因番茄果实中,乙烯的合成被抑制了97%,从而使果实的成熟延迟,储藏期延长。导入ACC合成酶反义基因的番茄也得到了类

10、似的结果。转基因番茄的乙烯合成也被抑制了9.5%,果实中不出现呼吸跃变,叶绿素降解和番茄红素合成也都被抑制。果实不能自然成熟,不变红,不变软,只有用外源乙烯处理6d后才能使转基因番茄恢复正常成熟。因此,利用反义基因技术可以成功的培育耐储藏果蔬。目前,有关的研究正在继续进行,并已扩大到了草苟、梨、香蕉、芒果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等,所用的目的基因还包括与细胞壁代谢有关的多聚半乳糖醛酸酶(PG)、纤维素酶和果胶甲脂酶基因。反义PG转基因番茄还具有更强的抗机械损伤和真菌侵染能力,且有更高的果酱产率。（五）保鲜性能用基因工程的方法将ACC还原酶和ACC氧化酶的反义基因和外源的ACC脱氨酶基因导入正

11、常植株中，获得乙烯缺陷型植株，达到控制果实成熟的目的，已在番茄中实现。把鱼中抗冻蛋白基因整合植入蔬菜和水果中时，可明显改善果蔬食品冷冻后的品质。（六）食品检测基因工程用于食品检测主要有两方面：1.食品微生物的检测，采用核酸探针（基因探针）和多聚酶链反应技术检测食品中的致病菌。2.用于食品中转基因成分的检测。DNA探针食品检测中的应用；用DNA探针检测食品中微生物的关键是DNA探针的构建。为保证检测结果的高度特异性，必须根据具体的检测目标，构建不同的DNA探针。构建用于检测食品中微生物的DNA探针的原则是，以待检微生物中特异性保守基因序列为目标DNA，以该序列的互补DNA作为杂交探针，对一般微生

12、物而言，可以用决定该微生物特有的生理、生化特征的基因序列构建特异性的DNA探针。单核细胞增生利斯特氏菌是一种病原菌，kerdahi等用非放射性DNA探针和酶联免疫测定相结合，来检测食品中的单核细胞增生利斯特氏菌，结果表明该方法不受伊氏利斯特氏菌等其它利斯特氏菌的影响，具有高度的专一性，可以将单核细胞增生利斯特氏菌和其它利斯特氏菌区分开，并可节省分析时间.OConnor等用PCR结合DNA探针来检测和鉴定食品中的利斯特氏菌和单核细胞增生利斯特氏菌，根据16SrRNA和23SrRNA基因间的间隔区序列设计PCR引物，将PCR产物和利斯特氏菌以及单核细胞增生利斯特氏菌的特定寡核苷酸探针进行杂交，通过

13、比色法测定杂交体，结果表明最低检测限度为1-10cfu/25ml样品，可以用于食品的检测。（七）转基因食品商业化的转基因食品按照其来源可分为植物、动物和微生物转基因食品。植物转基因食品从来源上看，涉及的食品或食品原料主要包括大豆、玉米、番茄、甜椒、西葫芦等；动物转基因食品主要是利用胚胎移植技术培养生长速率快、抗病能力强、肉质好的动物或动物制品,但由于技术方面的原因，转基因动物的产业化进程远远落后于转基因植物的产业化进程，至今还没有商品化的转基因动物养殖品种；转基因微生物食品主要是利用微生物的相互作用，培养一系列对人类有利的新物种。转基因食品大致可分为两大类；一类是改造原有基因,使一些性状不表现

14、出来，如保鲜西红柿，就是通过阻止其中腐烂基因表达来延长它的保存期；另一类是导入其他基因，从而使其产生新的性状，如在乳酸菌中导入低聚糖基因，能起到预防心血管疾病的作用。（八）蛋白质蛋白质是人类不可缺少的营养素之一，虽然有许多食物中富含蛋白质，但真正高品质的蛋白质很少。如植物蛋白和动物蛋白各有利弊，由于其含量不高或比例不恰当，可能导致蛋白营养不良。采用转基因的方法，生产具有合理营养价值的食品，让人们只需吃较少的食品，就可以满足营养需求。例如，豆类植物中蛋氨酸的含量很低，但赖氨酸的含量很高；而谷类作物中的蛋白质含量正相反，通过基因工程技术，可将谷类植物基因导入豆类植物，开发蛋氨酸含量高的转基因大豆4

15、。我国学者把玉米种子中克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因导入马铃薯中，使转基因马铃薯块茎中的必需氨基酸提高了10以上，硫氨基酸尤为显著5。美国FloridaGainesville大学的科学家将外来的高分子量面筋蛋白基因导入一普通小麦中，获得了含量更多的高分子量面筋蛋白质的小麦，这样的小麦面筋蛋白具有良好的延伸性和弹性6。（九）油脂食物中各种脂肪酸对人体起不同作用，可以通过对链长短的控制以及饱和度的调节来改变脂肪的含量，同时可以减少脂肪氧化和酸败，去除不好的气味，让人们可以接受一些原来有着不好气味的食品。食用油有3个重要的质量指标：营养价值、氧化稳定性和功能性6。对油脂品质的改善主要集中

16、在2个方面：控制脂肪酸的链长和控制脂肪酸的饱和度。油脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因。目前已知豆类中的脂氧合酶在酸败过程中扮演重要角色。美国DuPont公司通过反义抑制或/和共同抑制油酸酯脱氢酶，开发成功高油酸含量的大豆油。这种新型油含有良好的氧化稳定性，很适合用作煎炸油和烹调油7。导入硬脂酸-ACP脱氢酶的反义基因，油菜种子中硬脂酸的含量从2增加到40；硬脂酸-COA可使转基因作物中的饱和脂肪酸（软脂酸、硬脂酸）的含量下降，不饱和脂肪酸（油酸、亚油酸）的含量增加，其中油酸的含量可增加7倍8。（十）碳水化合物对碳水化合物的改进，只有通过对其酶的改变来调节其含量。高等植物体中涉及淀粉合成的酶

17、类主要有：ADPP葡萄糖焦磷酸酶（ADP-GPP）、淀粉合成酶（SS）和分枝酶（BE）9。通过反义基因抑制淀粉分枝酶可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯。Monsanto公司开发了淀粉含量平均提高了2030的转基因马铃薯。油炸后的产品更具马铃薯风味、更好的构质、较低的吸油量和较少的油味。的特殊作用。三、基因工程食品及其安全性基因工程应用于食品工业已给人们带来了巨大的社会经济效益,但基因工程体(Gmos)及基因工程食品的环境释放安全性及食用安全性也越来越受到广泛的关注。基因工程食品除应有较高的营养价值和可消化性,它必须对人体无毒副作用,必须安全;其次,它的口味、气味与颜色,均应为食用者所接受。转

18、基因食品是在生物物种之间进行基因重组，有可能会引入不相容或毒性物质，这也是一些人对转基因食品采取保守态度的原因之一。据报道现有以下几种可能存在情况。（一）毒性苏格兰Rowett研究所资深营养学家ApradRusztai博士研究表明：转雪花莲凝集素基因的马铃薯能够对大鼠的内脏器管和免疫系统损害，类似的情况，对人来说，可能导致癌症发病率升高和死亡率大幅度升高。1998年，英国阿伯丁罗研究所普庇泰教授的研究报道，幼鼠食用转基因土豆后，会使内脏和免疫系统受损。抗生素标记基因转基因食品可能影响人的抗病能力，由于转基因食品中90以上使用卡那霉素作为标志基因，转基因食品中的标志基因表达蛋白可能对人体肠道的正

19、常菌群有不利影响，肠道中的有害菌可能吸收卡那霉素，使肠道内大量滋生具有抗性基因的有害菌。（二）过敏性所转基因编码为已知的过敏蛋白；基因源含有过敏蛋白；转入蛋白与已知过敏蛋白的氨基酸序列在免疫学上有明显的同源性；转入的蛋白属某类蛋白的成员，而这类蛋白家族中的有些成员是过敏蛋白。Nebraska大学证明，表达巴西坚果2S清蛋白的大豆有过敏性，这是迄今为止转基因植物未被批准商业化的唯一例子。（三）抗药性一些昆虫吃了抗病虫的转基因农作物也不死亡，因为它们已经对转基因作物产生的毒素具备了抵抗力。与一般的大豆相比，在耐除草剂的转基因大豆中，含有防癌成分的大豆异黄酮也减少了。另外，将耐除草剂的转基因菜籽和杂

20、草一起培育，结果产生了耐除草剂的杂草。（四）环境污染抗害虫病的基因转入作物一段时期后，可能使害虫产生免疫并遗传，使其携带免疫基因逃到相近的野生生物种群中去，以致改变自然的生物群系，使自然界的生态环境遭受破坏。四、相关法规国际食品生物技术委员会（IFBC）于1988年提出采用判定的原则与方法对该类食品进行安全性评价；1990年，联合粮农组织（FAO）和世界卫生组织（WHO）召开第一次有关生物技术食品安全性分析会议，并制定生物技术食品安全性评价原则和相关政策；经济发展合作组织（OECD）1993年提出了食品安全性分析原则实质等同性原则，即生物技术生产的食品及食品成分与目前市场上销售的食品具有实质等

21、同性。我国对转基因食品有严格的控制机制。1993年国家科委颁布了基因工程安全管理办法，指导全国性的基因工程开发和研究；1996年农业部颁布农业生物基因工程安全管理实施办法，并实施严格的安全管理和审批制度。五、展望从技术的应用角度讲,基因工程已经给人类带来了巨大的社会效益和经济效益。但由于基因工程技术打破了物种间难以杂交的天然屏障,这种转移对生态环境和人类健康可能带来什么样的后果难以预料,至少现在的科学还难以回答人们对基因工程提出的各种各样的安全性问题,因而基因工程食品的安全性一直成为人们关注的焦点。对此,采取科学、认真、务实的态度,并吸收国际组织的研究结果与标准,制定相关法规加强管理,以保证转

22、基因产品在农业生态环境、人类食物的安全与健康等方面的安全性。从技术发展与开发角度看,世界各国都把生物技术特别是基因工程技术确定为21世纪经济和科技发展的关键技术,基因工程必将面临更大的发展。目前的基因转殖主要是针对单基因控制的性状,对多基因性状的研究还尚未起步。但随着分子生物学各领域研究的不断深入,实现多基因转殖为期不远,那时转基因产品在食品等领域的应用将更加广泛。而且,随着分子标示技术的日益发展和完善,转基因过程的可操作性越来越好,基因工程必将给人们带来更丰富、更有利健康、更富有营养的基因食品。参考文献：1吴青，孙远明.基因工程技术在食品品质改良中的应用J.生物技术通报.200l.5：131

23、5.2Uzogara,stellaG.Theimpactofgeneticmodificationofhumanfoodsinthe2lstcentury:AreviewJ.BiotechnologyAdvances,2000,18(3):179一206.3郑铁松，何国庆，应铁进.基因工程在食品品种良中的应用J.食品工业科技.2000,21(4):70.4陈有荣，王华.基因工程和转基因食品的安全性问题J食品科学.2002,23(12):145-149.5周桂，邓光辉，覃永军.基因工程在食品工业中的应用进展.广西蔗糖.2002.2：29-3l.6李志军，薛长湖，李八方等.基因工程技术在食品工业中的应用J食品科技.2002.6:1-3.-