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食品生物技术FoodBiotechnology邓志瑞上海大学生命科学学院2012年10月食品生物技术主要内容（共八章）：绪论基因工程及其在食品工业中的应用酶工程及其在食品工业中的应用发酵工程及其在食品工业中的应用细胞工程及其在食品工业中的应用生物技术在饮料工业中的应用生物传感器及其在食品工业中的应用生物技术在食品工业废水处理中的应用食品生物技术第一章绪论第一节食品生物技术研究的内容生物工程及其研究内容1917年匈牙利工程师KarlEreky提出（甜菜养猪，利用生物将原料转变为产品）生物工程：生物工程是一门应用生物科学和工程学原理，来加工生物材料或利用微生物、动物植物体作为反应器及其制备物（细胞或细胞器或某些组成成分如酶）来加工原料以提供产品为社会服务的综合性科学技术。BiotechnologyorBioengineering生物技术的发展历史生物技术是一个既古老又年轻的学科。古老：具有很悠久的历史：公元前6000年，古代萨马人和巴比伦人已经开始喝啤酒；公元前4000年埃及人烤制发酵面包；《创世纪》一书问世时，葡萄酒就闻名于近东。发酵乳制品的生产（乳酪、酸奶等）和各种东方食品（如酱油）的生产都具有古老的渊源。日本的香菇的栽培可以追溯到几百年前，伞菇的栽培大约有300年的历史。5000年前我国的酿酒技术已相当精湛。年轻：现代生物技术开始于20世纪70年代，即基因工程诞生之后。生物技术的发展历史两个发展阶段：传统生物工程和现代生物工程前者主要通过微生物的初级发酵来生产商品，后者以DNA重组技术出现为代表。三阶段观点：原始生物工程（第一代生物工程），非纯种微生物发酵工艺为标记；近代生物工程（第二代生物工程），采用纯种微生物的发酵工艺；现代生物工程（第三代生物工程），以基因工程诞生为标志。生物技术的发展历史1857年Pasteur发现发酵过程是由微生物作用的结果，并因此成为当之无愧的生物工程之父。人类利用发酵生产是在19世纪，主要产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白质及酶等初级产物。20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢物－－抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物工程的支柱产业。50年代氨基酸发酵工业成为生物工程的一个重要组成部分。60年代又增加了酶制剂工业这一新成员。生物技术的发展历史传统生物技术的三个重要步骤：第一步：上游处理过程，是指对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源；第二步：发酵和转化，即在大的生物反应器（＞100L）大量生长微生物来生产某种产品，如抗生素、氨基酸或蛋白质等；第三步：下游处理，对所需的目的产物的分离纯化。传统生物技术研究主要目标：最大限度提高这三个步骤的整体效率，同时寻找可以制备食品和食品添加剂和药物的微生物。生物技术的发展历史研究内容：生物转化环节的优化：菌种的选育和改良，包括化学突变、诱变或紫外线照射来产生突变体，通过选择来改良菌株，提高产量（例如抗生素的大量生产）。生物反应器的设计、发酵过程的检测和反应体系的检测技术下游产品的分离纯化技术局限性：提高产量的幅度有限（突变株某一组分合成太多影响其它组分的合成进而影响微生物在大规模发酵过程的生长）；诱变和选择方法过程烦琐，耗时长，费用极高需筛选和检测大量的克隆；只能提高已有的遗传性质不能赋予其他新的遗传性质。传统的生物技术仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域。DNA重组技术的出现和发展引发的根本性的改变，即现代生物技术的时代的到来。DNA重组技术的出现标志着现代生物技术的开始；1953年，Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础，给整个生物学乃至人类社会带来了一场革命。1973年HerberBoyer和StanleyCohen完成人类历史第一次有目的的基因重组尝试（pSC101，EcoRI,T4-DNAligase）；并据此提出了“基因克隆”的策略。现代生物技术内容生物转化的环节更为有效，不仅可以分离得到高产菌株，还可以人工制造高产菌株；原核生物化和真核生物都可以表达大量的外源蛋白（胰岛素、病原抗原等），动植物也可以作为天然的生物反应器；大大简化新药的开发和监测系统；现代生物技术内容基因工程（GeneEngineering）细胞工程（CellEngineering）酶工程（EnzymeEngineering）发酵工程（FermentationEngineering）蛋白质工程（ProteinEngineering）现代生物技术内容基因工程：把生物体的遗传物质（通常为DNA）分离出来在体外切割、拼接和重组。然后把重组DNA导入宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传性质或使新的遗传信息大量表达以获取基因产物。也称DNA重组技术。细胞工程：指以细胞为单位，在体外进行培养和繁殖或使细胞某些生物学特性按人们的意志发生改变，从而改良生物品种和创新品种，加快繁殖个体或获得某种有用物质的过程。细胞工程应包括动植物细胞的体外培养、细胞融合技术（细胞杂交技术）、核移植技术等现代生物技术内容酶工程：利用酶、细胞器或细胞特有的催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。包括酶的固定化技术、细胞固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等。发酵工程：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊的特点，在合适的条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物（或动植物细胞）的某种特定功能生产人类所需的产品。过去也称微生物工程。现代生物技术内容蛋白质工程：指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。基因工程和细胞工程特别是基因工程现代生物技术的核心，它们给传统的酶工程和发酵工程注入了新的活力。现代生物技术内容基因工程微生物动植物个体或细胞工程菌蛋白质或酶发酵过程蛋白质工程或酶工程细胞工程优良的动植物品系产品现代生物技术内容之间的关系现代生物技术内容基因工程是基础，而所以基因工程的结果都要通过生物体本身或其细胞（生命活动的基本结构和功能单位）内的酶（或发酵）作用而表现出来。因此，细胞工程是最基本的生物工程技术。蛋白质工程与基因工程关系密不可分。不同的是基因工程操作单位是整个基因，而蛋白质工程的操作是一个或一些碱基。现代生物技术与其它学科的关系现代生物技术是生物学与工程学原理综合交叉的边缘学科，亦为知识和技术密集型学科。本学科既是应用生命活动的基本原理，则必需掌握生物体结构、功能、代谢活动及其规律等有关知识，因此与细胞生物学、分子遗传学、微生物学、生理学、生物化学、生物物理学，甚至与物理学、化学及数学等基础学科均有密切关系。同时工程化要求掌握生物反应器的构造原理、生物反应工程原理、物质传递规律、设备运转及其控制条件等基本知识，故与化学工程原理、发酵工程、生物化学工程、电子工程、材料科学、计算机科学及信息科学等密切相关。现代生物技术的特点高效和经济清洁、低耗和可持续发展可遗传、易扩散与自主扩展对人类伦理和人性尊严有直接影响（如克隆人…..）现代生物技术内容根据研究领域和内容：农业生物工程食品生物工程医药生物工程海洋生物工程.……………..现代生物技术的发展趋势基因操作技术日新月异，不断完善，从发明到应用时间不断缩短；基因工程药物和疫苗研发（R&D）突飞猛进，将全面更新21世纪的医药工业；转基因植物和动物取得重大突破，在21世纪将给农业畜牧业带来新的飞跃；诠释生命的本质阐明生物体（如人类、水稻、拟南芥等）基因组及其编码的蛋白质的结构与功能是生物科学发展的一个主流方向，与人类重大疾病和农作物产量、质量、抗性等有关的基因结构与功能的研究是今后一个时期的热点和重点；基因治疗取得重大进展，有望革新整个疾病的预防和治疗领域，21世纪可能在恶性肿瘤、艾滋病等方面有所突破；蛋白质工程形成了一门高度综合的学科（分子生物学、结构生物学、计算机技术等）。生物信息学广泛深入发展，信息技术渗透到生命科学领域之中。生物技术对社会发展的影响1改善农业生产、解决粮食短缺）2提高生命质量，延长人类寿命3解决能源危机、治理环境污染4制造工业原料、生产贵重金属人口、资源（包括能源）、粮食、环境是人类面临的最重大的问题生物技术对社会发展的影响1改善农业生产、解决粮食短缺（民以食为天）1.1提高农作物的产量和品种培育抗逆的作物优良品系植物种苗的工厂化生产提高粮食品质生物固氮，减少化肥使用量（减少了能耗和环境污染）1.2发展畜牧业生产（丰富人们的饮食生活）动物的大量快速繁殖英国的Roslin研究所培育出“多莉”（1997年2月绵羊乳腺细胞）培育动物的优良品系很多转基因动物，羊、猪、鱼…,转基因鼠（1983，美国大鼠的生长素基因导入小鼠的受精卵）生物技术对社会发展的影响2提高生命质量，延长人类寿命（医药生物技术发展最迅速、效益最显著）开发生产奇特又贵重的药品疾病的预防和诊断基因治疗人类基因组计划生物技术对社会发展的影响3解决能源危机、治理环境污染解决能源危机杂草木屑植物秸秆等生产乙醇；微生物发酵产生沼气或氢气提高石油开采率环境保护利用苏云杆菌生产毒蛋白代替农药微生物降解各种污染物4制造工业原料、生产贵重金属氨基酸类，酸味剂，甜味剂和化学工业原料如乙醇丙酮、丁醇等及重要原料如癸二酸（尼龙、香料）、丙烯酰胺（石油开采）、以康酸（合成树脂、纤维、塑料）2,3-丁二醇（橡胶）和长链二羧酸（工程塑料、树脂）生物技术的商业化的特点属于典型的技术密集型产业市场迅速扩张世界各国都投入了巨额资金有关产品不断增加，且增加速度在加快有关经营公司竞争激烈每一个公司研究目标日趋集中，产品更加专一医学生物技术产业化进程最快中国面临的现代生物技术R&D的挑战过多的仿制低水平的重复专业和管理人才短缺食品生物技术第一节食品生物技术研究的内容为什么学习食品生物技术？21世纪为生物工程的世纪生物工程与电子信息和新材料技术被列为当今极为重要的三大高新技术。与食品科技的关系十分密切（从传统生物技术和现代生物技术来看都是如此，从油盐酱醋，到转基因动物和植物及它们的安全性）食品生物技术第一节食品生物技术研究的内容食品生物技术：主要是指生物技术在食品工业上的应用。基因工程：以DNA重组技术为手段，改良食品原料和食品微生物。或者对蛋白质分子定位突变，提高食品的营养价值。（转基因植物与动物）细胞工程：应用细胞生物学原理，有目的地改造遗传物质和细胞培养技术，通过细胞融合技术和动植物细胞（一般不包括微生物细胞）大量培养，来生产各种原来含量少和全新的保健食品有效成分、新型食品和食品添加剂。（鹿茸细胞和人参细胞的培养）食品生物技术第一节食品生物技术研究的内容酶工程：利用酶与细胞的固定化技术和酶的催化活性提高食品生产过程中的物质转化，以提高效率和降低成本。（葡萄糖果糖异构酶，酸奶）发酵工程：采用现代化发酵设备和控制技术对改造后的菌株进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预订的食品和食品的功能成分。（如味精即谷氨酸钠盐）食品生物技术主要参考书：1，现代生物技术导论，瞿礼嘉等编，高等教育出版社，19982，生物技术概论，宋思扬，楼士林主编，科学出版社，20013，生物工程与生命，罗琛主编，科学出版社，20004,食品生物技术导论，罗云波，生吉萍。化学工业出版社，2006食品生物技术第二节分子生物学研究进展一、基因的本质分子遗传的功能单位，DNA分子上的一个片断。二、DNA的结构与功能A（腺嘌呤）,G（鸟嘌呤）,C（胞嘧啶）,T（胸腺嘧啶）脱氧核糖+碱基+磷酸基=核苷酸，核苷酸聚合核酸1953年，Watson&Crick,双螺旋模型3，5磷酸二酯键，氢键，配对原则：A与T，C与G遗传基因载体（携带遗传信息）半保留复制遗传信息保存和传递的基础（DNA转录合成RNA，mRNA翻译蛋白质）。三、RNA的结构与功能核糖，A,G,C,U,单链三类：rRNA：存在于核糖体(大肠杆菌中占2％，稳定)tRNA：在蛋白质的合成中运转氨基酸(大肠杆菌中占16％，稳