生物技术导论论文.pdf

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1、生物技术导论论文基因工程在食晶中的应用张银江（百北民族大学生命科学与工程学院甘肃兰州730030)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，详细介绍了基因工程食品的由来，最近转基因食品的应用，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：应用：转基因食品1基因工程的定义基因工程是采用类似工程技术的方法，将不同生物或人工合成的DNA，按照设计方案重新合，并在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表达。关于基因工程所使用的术语也还没有好地统一，常用的还有遗传工程、基因操作、重组DNA技术、基因克隆和分子克隆等1。DNA重组、表达和克隆是生物工

2、程核心内容。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目的基因，并与载体进行体外重组；然后将重组的DNA转化到受体的活细胞中去，改变受体细胞的遗传特性。1.1基因工程的技术溯源1857年至1864年，孟德尔通过豌豆杂交试验，提出生物体的性状是由遗传因子控制的。1909年，丹麦生物学家约翰生首先提出用基因一词代替孟德尔的遗传因子。1910年至1915年，美国遗传学家摩尔根通过果蝇试验，首次将代表某一性状的基因同特定的染色体联系起来，创立了基因学说2。20世纪50年代初开始，由于分子生物学和生物化学的发展，对生物细胞核中存在的脱氧核糖核酸（DNA）结

3、构和功能有了比较清晰的阐述。70年代初实现了DNA重组技术或称为克隆技术，逐步形成了以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天，正在形成产业化并成为世界领先专业技术领域之一，广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等许多部门，并日益显示出其巨大的潜力，将为全球面临的蛋白质缺乏、能源、环保和癌症治疗等问题的解决提供广阔的应用前景。1973年美国斯坦福大学和旧金山大学医学院Coke和Boyer两位科学家成功地实现了DNA分子重组试验，揭开了基因工程发展序幕。1982年转基因超级鼠。的构建成功，1985年转基因鱼的问世，标志基因工程在食品工业应用的开

4、端，基因工程食品由此走上了历史舞台3）。基因工程问世近30年，无论是基础理论研究领域，还是在生产实际应用方面，都己取得了惊人的成绩，给国民经济的发展和人类社会的进步带来了深刻而广泛的影响。2基因工程在食品工业中的应用2.1改造食品原料基因工程在改造食品原料方面的运用，可以根据原料的来源不同分为两方面，即转基因植物源食品跟转基因动物源食品2.1.1转基因植物源食品转基因植物可被改革而具有抗病虫害的能力，这具有深远的经济意义（4）。转基因植物的研究主要在于改进植物的品质，改变生长周期或花期等提高其经济价值或观赏价值：作为某些蛋白质和次生代谢产物的生物反应器，进行大规模生产；研究基因在植物个体发育中

5、，以及正常生理代谢过程中的功能。植物基因转化方法包括四类，即农杆菌介导法、直接转入法、原生质体融合、花粉管通道法。模生产：研究基因在植物个体发育中，以及正常生理代谢过程中的功能。植物基因转化方法包括四类，即农杆菌介导法、直接转入法、原生质体融合、花粉管通道法。我国及菲律宾培育出超级水稻0和超超级水稻0，为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线光明闷。2.1.2转基因动物源食品通过转基因技术改良新的动物品种是一项发展迅速的生物技术。其主要技术是：从目的供体物种体内获得带有特定优良遗传性状的DNA片段，即目的基因，直接或通过载体导入被改造物种即受体物种的胚胎内，从而培养出优良的新品种。现如今，较

6、为成熟的并可以稳定生产转基因动物的方法只有两种，即显微注射DNA的方法和镜子街道的基因转移法。虽然，生产转基因动物的研究自20世纪90年代以来日趋活跃，但是目前，转基因动物尚未达到高等转基因植物的发展水平。尽管如此，人们仍然设法用它来表达高价值蛋白。现如今，转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成效。1994年中科院科学家在国际率先提出与开展禽类输卵管生物反应器研发，1998年2月中国科学家又获得了在所分泌的乳汁中含有蛋白凝血因子X的转基因山羊。中科院水生生物研究所，成功地将人生长激素基因和鱼生长的激素基因导人鲤鱼，育成当代转基因鱼，其生长速度比对照快，并从子代测得生长激素基因的表达。中国农业大学生

7、物学院瘦肉型猪基因工程育种取得初步成果，获得第二、三、四代转基因猪215头。2.2.3开发和生产新一代食品经过脱色、除臭和精制处理的烹饪用豆泊常需要被还原处理，以延长其储藏时间及提高其在烹调时的稳定性。但是，这种还原作用却导致豆泊中富含反式脂肪酸，而反式脂肪酸摄入人体后，会增加人患冠心病的可能性。作为精制豆油的色拉油，虽然没有经过还原作用，但其中却富含软脂酸，而软脂酸的摄入也能导致冠心病的发生。因此，选择合适的目的基因和启动子，通过重组DNA技术来改造豆泊的组分构成，转基因豆油己投放市场。其中，有的豆泊不含有软脂酸，可用作色拉油；有的豆泊富含80%泊酸，可用于烹饪；有的豆油含30%以上的硬脂酸

8、，适用于人造黄油以及使糕饼松脆的油。利用基因工程改造的豆泊的品质和商品价值显然是大大提高了。2.2.4改造传统的发酵工业的菌种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Bio-Technica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

9、了生产时间。2.2改良食品的营养品质改变食品的营养品质包括三部分，分别是蛋白质的改良、油脂的改良、碳水化合物的改良。2.2.1蛋白质的改良食品中动植物蛋白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，通过基因工程技术，可将谷类植物基因导入豆类植物，获得蛋氨酸含量高的转基因大豆5。谷类蛋白质中赖氨酸和色氨酸，豆类蛋白质中蛋氨酸和半光氨酸等一些人类所必需的氨基酸含量较低。通过采用基因导入技术，即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径，可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物。我国学

10、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人马铃薯中，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。2.2.2油脂的改良人类日常生活及饮食所需的油脂高达70%来自植物。高等植物体内脂肪酸的合成由脂肪合成酶(FAS）的多酶体系控制，因而改变FAS的组成就可以改变脂肪酸的链长和饱和度，以获得高品质、安全及营养均衡的植物油。目前，控制脂肪酸链长的几个酶的基因和控制饱和度的一些酶的基因已被克隆成功，并用于研究改善脂肪的品质。如通过导入硬脂酸ACP脱氢酶的反义基因，可使转基因油菜种子中硬脂酸的含量从2%增加到40%。而将硬脂itCoA脱饱和酶基因导入作物后，可使转基

11、因作物中的饱和脂肪酸（软脂酸、硬脂酸）的含量有所下降，而不饱和脂肪酸（泊酸、亚泊酸）的含量则明显增加，其中油酸的含量可增加7倍的。除了改变油脂分子的不饱和度外，基因工程技术在改良脂肪酸的链长上也取得了实效。事实上，高油酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物芥花莱（Canola）在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物品种。2.2.3碳水化合物的改良谷类蛋白质中赖氨酸和色氨酸，豆类蛋白质中蛋氨酸和半光氨酸等一些人类所必需的氨基酸含量较低。通过采用基因导入技术，即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径，可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物阴。对碳水化合物的改进可以

12、通过对其酶的改变来实现。高等植物体中淀粉合成的酶类主要有ADPP葡萄糖焦磷酸酶(ADP-GPP）、淀粉合成酶（SS）和分枝酶（BE）。通过反义基因抑制淀粉分枝酶可获得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20%30%的转基因马铃薯。泊炸后的产品更具马铃薯风味、且吸油量较低8。3改善食品风昧食品添加剂主要有防腐剂、抗氧化剂、增鲜剂、酸味剂和甜味剂、食品强化剂等。国外采用基因工程和细胞融合技术，培育出生产谷氨酸、苏氨酸、精氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸等的优良菌种，在提高产量和缩短发酵周期方面己取得显著成就。目前通过基因工程技术生产的高效乳酸链球菌素就是一个极好

13、的例子。利用基因工程技术还可以生产独特的食品香味剂和风味剂（如：香草素、可可香素、菠萝风味剂以及高级的天然色素（如：类胡萝卡素、花色昔素、咖喔黄、紫色素、辣椒素和献蓝等），并且通过杂种选育的色素含量高、色调和稳定性好。例如转基因的Ecoli的玉米黄素最高产量达289txgI g。通过把风味前体转变为风味物质的酶基因的克隆或通过发酵产生风味物质都可使食品芳香风味得以增强。另外VB2和vc也都有已经商品化的基因工程产品。4生产保健食品及食品疫苗2002年，中国农科院生物技术研究所己通过重组DNA技术选育出具有抗肝炎功能的西红柿。这种西红柿被人食用后，可以产生类似乙肝疫苗的预防效果。将一种有助于心脏

14、病患者血液凝结溶血的酶基因克隆至牛或羊中，牛乳或羊乳中就含有这种酶。保健食品疫苗就是将致病微生物的有关蛋白（抗原）基因，通过转基因技术导入植物受体中，得以表达，成为具有抵抗相关疾病的疫苗。己获成功的有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、链球菌突变株表面蛋白等10多种转基因马铃薯、香蕉、番茄的保健食品疫苗。口服不耐热肠毒素转基因马铃薯后即可产生相应抗体。在国外，成功克隆了“多莉”羊的英国科学家则宣布，未来几年内，他们将培养一种新型生物鸡，这种鸡所产的鸡蛋里具有抗肿瘤因子，癌症患者食用鸡蛋后体内癌细胞的扩散就会受到抑制。英国科学家宣布，未来几年内，他们将培养一种新型生物鸡，这种鸡所产的鸡蛋里具有抗肿瘤因子，

15、癌症患者食用鸡蛋后体内癌细胞的扩散就会受到抑制。5改良微生物菌种5.1改良面包酵母菌的性能面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。Lancashine将优良酶基因转入面包酵母菌中后，其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母高，面包加工中产生二氧化碳气体量提高，最终可生产出膨发性良好和松软可口的面包。5.2改良啤酒酵母菌的性能Lancashine采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后，即可直接利用淀粉发酵，使生产流程缩短，工序简化，啤酒生产方式革新。Lancashing根据同源重组的原理，通过自克隆技术改造啤酒酵母工业菌株G03，工程菌的谷脱甘肤含量比受体菌株提高161

16、6%，啤酒的抗老化能力得到了显著提高，而常规指标没有发生显著变化。5.3改良酿酒酵母菌的性能应用基因克隆技术将黑曲霉产糖化酶基因cDNA转入经优化的受体菌（酿酒酵母京龙江108号），再经反复筛分、驯化获得JL1(Yip128D117陀，经包埋制得具有糖化酒化双功能0的固定化酵母，载体产酶能力在lOu/g#h以上酒精发酵廖液中酶活达20u/mL 以上坷。6开发保健食品和食品疫苗以获得高品质、安全及营养均衡的植物油。目前，控制脂肪酸链长的几个酶的基因和控制饱和度的一些酶的基因己被克隆成功，并用于研究改善脂肪的品质。如通过导入硬脂酸ACP脱氢酶的反义基因，可使转基因油菜种子中硬脂酸的含量从2%增加到

17、40%。而将硬脂litCoA脱饱和酶基因导入作物后，可使转基因作物中的饱和脂肪酸（软脂酸、硬脂酸）的含量有所下降，而不饱和脂肪酸（油酸、亚泊酸）的含量则明显增加，其中泊酸的含量可增加7倍。除了改变油脂分子的不饱和度外，基因工程技术在改良脂肪酸的链长上也取得了实效。事实上，高油酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物芥花菜(Canola）在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物品种。7转基因食品7.1所谓转基因食品，就是通过基因工程技术将一种或几种外源性基因转移到某种特定的生物体中，并使其有效地表达出相应的产物多肤或蛋白质），此过程叫转基因。以转基因生物为原料加工生产的食品就是转基因食

18、品。7.2转基因生物体是指利用基因工程技术而获得的生物体，包括转基因动物、转基因植物和转基因微生物。转基因生物体与普通生物体的主要区别之处在于它的遗传物质中含有其他生物体的基因（也叫“外源性基因”，而且这些外源性基因能够在转基因生物体中发挥作用或表达出特定产物。通过这种技术人类可以获得更符合要求的食品品质，它具有产量高、营养丰富、抗病力强等优势，但它可能造成的遗传基因污染也是它的明显缺陷。生活中最常见的几种转基因食品包括：西红柿，大豆，玉米，大米，土豆等10）。7.3发展前景转基因食品的发展前景在利弊的争论中扑朔迷离，这并不是转基因食品独有的现象。历史上技术产品的形成和发展过程中，任何技术产品

19、的形成与发展方向都不可避免地要受到社会因素的影响。社会需求引导了它的出现，它在社会生产、生活中的应用推动了它的发展，不同社会群体之间相互争论的结果决定了它的演变方向，随着科学技术的发展，科学技术越来越明显地成为社会大系统的有机组成部分，它与整个社会大系统及其子系统之间的复杂联系与相互作用也变得越来越突出。8基因工程在食品应用中展望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

20、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z1吴乃虎基因工程原理阳I北京：科学出版社，19992周如金，郭华，彭志英1粮食与油脂，却02,4:331 3杨淑芳l农业工程技术农产品加工，2007,(12):11-131 4杨其光，陈静娴I珍稀特植物微繁殖技术阳l安徽科学技术出版社12003,194-195 5 vma,i ALCH,Arauj。如lM,Baldasso JG,et all Radiation Physicsand Chemistry,2004,71:489-4921 6郑铁松，何回庆，应铁进1食品工业科技，2000,21(4):70-72 7李淑侠 齐凤兰等.J食品科学，2000,3:6-8.8陈宗道，赵国华，李洪笨，等1中国食物与营养，2000,4:14-161 9吴淑魁，罗逃贤，陈海it.等1固定化双功能0酵母基因工程商在洒满工业生产中的应用口l酿酒科技，2004,2:61-64 10（基因工程E楼士林等编著，科学出版社，2002.7