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HenanUniversityofTechnologySchoolofFoodScienceandTechnologyChapterOneIntroduction第一节食品生物技术研究的内容：（一）TheDefinitionofBiotechnology生物技术是指以现代分子生物学为基础，采用基因工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程和细胞工程等新技术手段，按照预先设计改造生物体或加工生物原料，为人类生产出所需产品或达到某种目的高新技术。（信息、能源、生物技术、航天、材料、汽车和环境）食品生物技术是指生物技术在食品中的应用。DNA双螺旋的结构特征染色体→DNA→基因人的染色体免疫球蛋白部分分子的空间结构将人们需要的基因从DNA或染色体上切割下来或人工合成，在细胞体外将该基因连接到载体上，通过转化或转导将重组子送入受体细胞，使后者获得复制该基因的能力，从而达到定向地改变生物遗传特性或创造新物种的目的。这种DNA重组技术（Recombinanttechnology）一般含四个步骤：（1）DNA片段的形成；（2）DNA和载体的连接；（3）载体进入受体细胞；（4）筛选、增殖和基因表达。1、基因工程（GeneEngineering）转基因食品：利用基因工程技术改变基因组构成的动物、植物和微生物生产的食品和食品添加剂。---《转基因食品卫生管理办法》1983—世界上第一例转基因植物问世（转抗虫基因的烟草）1994—美国FDA批准延熟保鲜的转基因番茄上市2、蛋白质工程(ProteinEngineering)蛋白质工程：以蛋白质的结构及其功能为基础，通过基因修饰、蛋白质修饰等分子设计，对现有蛋白质加以改造，组建新型蛋白质的现代生物技术。---第二代基因工程理性分子设计：基因定位突变非理性分子设计：定向进化、随机突变定位突变技术在酶结构改造中的应用淀粉酶突变淀粉酶在90℃时的半衰期比正常酶增加了9倍蛋白酶在枯草杆菌蛋白酶的活力位点内有一个Met残基，利用定位诱变用Cys代替Met可以增加酶的活力用含不可氧化氨基酸构造的突变酶可抗氧化食物蛋白质改性技术化学改性酶法水解改性酶法聚合改性物理改性3、酶工程(EnzymeEngineering)酶工程的主要技术包括各类酶的开发和生产酶的分离、纯化及鉴定技术酶的固定化技术酶的非水相催化酶的应用4、发酵工程(FermentationEngineering)鼻祖：法国科学家巴斯德发酵工程：利用微生物的生长与代谢活动、通过现代工程技术手段，大量生产人们所需产品过程的理论和工程技术。举例：?发酵工程的主要内容包括工业化大生产菌种的选育最佳发酵条件的选择和控制生化反应器的设计产品的分离、提取和精制第二节食品生物技术的发展简史TheHistoryofFoodBiotechnology史前时期数千年前，以天然微生物发酵酿制食品的传统食品生物技术率先在我国形成。制曲技术是我国酿酒史上的一大发明（日本科学家将之与古代中国四大发明媲美）对霉菌的充分利用反映我国古代劳动人民的智慧第二节食品生物技术的发展简史TheHistoryofFoodBiotechnology近代时期19世纪50年代开始，伴随欧洲文艺复兴带来科学和工业的繁荣。----法国科学家巴斯德（Pasteur）创立微生物学----德国科学家柯赫（Koch）发明微生物的分离和纯种培养技术----法国科学家布合乃尔（Buchner）兄弟通过实验揭示发酵本质是细胞中酶的作用从传统发酵食品的生产靠天然微生物作用，发展为人工分离筛选和物理化学育种新阶段。第二节食品生物技术的发展简史TheHistoryofFoodBiotechnology现代时期----1953年“DNA双螺旋结构”的发现----1969年酶固定化技术的应用----1973年基因工程诞生逐步形成以分子生物学为基础，以基因工程为核心手段，包括酶工程、发酵工程、细胞工程和蛋白质工程的现代生物技术。推动了传统食品工业的革新。生物化学重大发展年代表1897年Buchner发现酵母细胞裂解液能使糖发酵1902年Fischer肽键理论1926年Sumner结晶得到了脲酶,证明酶是蛋白质1935年Schneider将同位素应用于代谢的研究1944年Avery等人证明遗传信息是核酸1953年Sanger胰岛素氨基酸的序列测定（第一个蛋白质分子）Waston-Crick提出DNA双螺旋模型1958年Perutz等解明肌红蛋白的立体结构1954-1965年遗传密码的破译1965年人工合成胰岛素1970年发现了DNA限制性内切酶1972年DNA重组技术的建立1978年DNA双脱氧测序法的建立…1990年人类基因组计划的实施,2003年完成第二章酶工程及其在食品工业中的应用TheApplicationofEnzymeEngineeringinFoodIndustry前言1第一节酶法应用于水解纤维素2第二节酶法应用于淀粉糖类的生产3第三节酶法生产低聚糖4第四节酶法生产活性肽5主要内容第五节酶法应用于干酪制品的生产6第六节酶在其他食品加工中的应用7前言:酶的发现1773年，意大利科学家让鹰吞肉块，推断胃液中有东西1836年，德国科学家从胃液中提取出了消化蛋白质的物质；1894年，日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶1911年，美国科学家从木瓜中提取出木瓜蛋白酶，用与啤酒除浑浊；1926年，从刀豆种子中提取出脲酶的结晶酶是一类具有生物催化作用的蛋白质20世纪30年代，提取出多种酶的蛋白质结晶20世纪80年代，美国科学家发现少数RNA也具有生物催化作用食品酶制剂•由动物或植物的可食或非可食部分直接提取，或由传统或通过基因修饰的微生物（包括但不限于细菌、放线菌、真菌菌种）发酵、提取制得，用于食品加工，具有特殊催化功能的生物制品。-----食品安全国家标准食品添加剂使用标准前言：酶简介生物细胞产生蛋白质组成（少数RNA)高效催化促进生物体代谢常见的酶胃蛋白酶胰蛋白酶胰凝乳蛋白酶脂肪酶淀粉酶酶催化化学反应的能力叫酶活力概念水解酶氧化还原酶异构酶转移酶前言：酶工程的概念酶和细胞的固定酶分子的修饰改造酶的生产与纯化酶工程又称酶反应技术，将酶或微生物细胞，动植物细胞，细胞器等在一定的生物反应装置中，利用酶所具有的生物催化功能，借助工程手段将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术酶反应器；酶的应用酶的生产方法•提取分离法最早用于酶生产的方法。生产成本高，目前适用于难以实现生物合成或化学合成的酶类。•生物合成法包括微生物发酵产酶（目前最主要的酶生产方法）和细胞培养产酶。•化学合成法1965年，我国人工合成出胰岛素。1969年，美国人首次成功合成核糖核酸酶。生产成本高，只能合成化学结构已经清楚的酶。前言：酶的来源菠萝蛋白酶木瓜蛋白酶花青素酶从前是从猪的胰脏里提取α-淀粉酶来分解淀粉,提取胰蛋白酶来软化皮革等。牧民把牛奶制成奶酪，以便於贮存．使用少量小牛犊的胃液．用现代的眼光看那就是在使用凝乳酶．1949年，人们开始用芽孢杆菌来生产α-淀粉酶．从１立方米的芽孢杆菌培养液里获取的α-淀粉酶，相当于几千头猪的胰脏的含量。---揭开了近代酶工业的序幕基因工程技术应用于酶生产•用基因工程的手段,将这种芽孢杆菌的合成α-淀粉酶的基因转移到一种繁殖更快、生产性能更好的枯草杆菌的DNA里，转而用这种枯草杆菌生产α-淀粉酶，使产量提高了数千倍．基因工程菌基因工程技术应用于酶生产•凝乳酶是第一个应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移至细菌或真核微生物生产的一种酶。目前世界上已有17个国家采用基因工程菌生产凝乳酶并应用于干酪的生产。•目前世界食品用酶的60%是Novo公司提供的，这些酶制剂中有60%是基因工程菌生产的。酶发酵生产的过程和优势产酶菌或细胞的获得控制发酵分离提取6.微生物基因组较小，进行基因操作相对容易。1.微生物种类繁多，可满足不同生产需要2.微生物极易诱变、筛选，为优良菌株选育提供捷径3.容易培养，生产成本低4.产酶活力高，繁殖快，周期短5.利用现代发酵技术，可实现自动化、连续化、规模化生产通过各种方法改变酶分子的结构，从而使酶的某些特性和功能发生改变的技术称为酶分子修饰。•化学修饰大分子结合修饰、分子交联、氨基酸置换、金属离子置换等•物理修饰高压处理、变性剂处理酶的分子修饰蛋白质工程中的定位突变技术酶的缺点(游离酶)稳定性差使用寿命短使用效率低不能反复使用难实现连续化前言：固定化酶工程的概念和优点概念：将水溶性的酶，用物理或化学方法处理使其变成不溶于水的酶的技术称为固定化酶技术。优点：1.一般固定化酶热稳定性较游离酶热稳定性高（因为介质的保护），因此可以利用温度的提高来加速反应的速率；2.可反复使用多次，效率高，专一性强；3.易与产物分离，有利于精制，提高产品质量；4.具有一定的机械强度，可以置于专门的反应器中进行连续的催化反应，便于连续化和自动化的操作；前言：酶固定化的发展•1953年，Grubohofer等人将羧肽酶、淀粉酶等固定在聚胺苯乙烯树脂重氮化载体上。•1969年，日本科学家将固定氨基酰化酶用于D,L型氨基酸的拆分•1973年，日本科学家又采用固定化微生物细胞连续化生产L-天冬氨酸，固定化活细胞的发展使固定化酶更进一步，省去了酶的分离、纯化工序，又有更强的代谢能力，生产效率高，又能连续化、管道化和自动化固定化细胞的限制因素：细胞中酶很多，可能产生副反应，使产物不纯；细胞壁和细胞膜对底物和产物的扩散产生限制，反应速率降低；细胞内蛋白酶可能会分解反应所需酶；如细胞发生自溶，将影响产品纯度。I、吸附法：◆利用各种固体吸附剂将酶或含酶菌体吸附在其表面上，而使酶固定化的方法称为物理吸附法，简称吸附法。◆物理吸附法常用的固体吸附剂有活性炭、氧化铝、硅藻土、多孔陶瓷、多孔玻璃、硅胶、羟基磷灰石等。◆靠物理吸附作用，结合力较弱，酶与载体结合不牢固而容易脱落，所以使用受到一定限制。固定化酶（细胞）的方法II、包埋法◆将酶或含酶菌体包埋在各种多孔载体中，使酶固定化的方法称为包埋法。◆包埋法使用的多孔载体主要有：琼脂、琼脂糖、海藻酸钠、角叉菜胶、明胶、聚丙烯酰胺、光交联树脂、聚酰胺、火棉胶等。◆包埋法制备固定化酶或固定化菌体时，根据载体材料和方法的不同，可分为凝胶包埋法和半透膜包埋法两大类。凝胶包埋法：凝胶包埋法是将酶或含酶菌体包埋在各种凝胶内部的微孔中，制成一定形状的固定化酶或固定化含酶菌体。大多数为球状或片状，也可按需要制成其他形状。常用的凝胶有琼脂凝胶、海藻酸钙凝胶、角叉菜胶、明胶等天然凝胶以及聚丙烯酰胺凝胶、光交联树脂等合成凝胶。半透膜包埋法：半透膜包埋法是将酶包埋在由各种高分子聚合物制成的小球内，制成固定化酶。常用于制备固定化酶的半透膜有聚酰胺膜、火棉胶膜等。III、结合法◆选择适宜的载体，使之通过共价键或离子键与酶结合在一起的固定化方法称为结合法。◆根据酶与载体结合的化学键不同，结合法可分为离子键结合法和共价键结合法。•◇离子键结合法：通过离子键使酶与载体结合的固定化方法称为离子键结合法。•离子键结合法所使用的载体是某些不溶于水的离子交换剂。常用的有DEAE-纤维素、TEAE-纤维素、DEAE-葡聚糖凝胶等。•◇共价键结合法：通过共价键将酶与载体结合的固定化方法称为共价键结合法。•载体有：纤维素、琼脂糖凝胶、葡聚糖凝胶、氨基酸共聚物、甲基丙稀醇共聚物等。IV、交联法◆借助双功能试剂使酶分子之间发生交联作用，制成网状结构的固定化酶的方法称为交联法。交联法也可用于含酶菌体或菌体碎片的固定化。◆常用的双功能试剂有戊二醛、己二胺、顺丁烯二酸酐、双偶氮苯等。其中应用最广泛的是戊二醛。V、热处理法◆将含酶细胞在一定温度下加热处理一段时间，使酶固定在菌体内，而制备得到固定化菌体。◆热处理法只适用于那些热稳定性较好的酶的固定化，在加热处理时，要严格控制好加热温度和时间，以免引起酶的变性失活。饲料洗涤剂纺织品造纸有机酸医药食品酶的应用45%32%11%7%4%第一节酶法应用于水解纤维素ApplyEnzymetohydr