食品生物技术概论

IntroductiontoFoodBiotechnology食品生物技术概论现代生物技术是70年代未80年代初以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心发展起来的一门新兴学科。现已成为解决人类面临的人口、资源、能源、食物和环境等五大危机的主要途径之一。食品生物技术是生物技术在食品原料生产、加工和制造中的应用的一个学科。它包括了食品发酵和酿造等最古老的生物技术加工过程，也包括了应用现代生物技术来改良食品原料的加工品质的基因、生产高质量的农产品、制造食品添加剂、植物和动物细胞的培养以及与食品加工和制造相关的其他生物技术，如酶工程、蛋白质工程和酶分子的进化工程等。本课程的教学目的是使学生了解如下内容：①基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程等生物技术的基本原理和基本方法；②生物技术在食品等领域的应用；③国内外生物技术各领域发展的现状、发展方向及其对社会各方面的深刻影响。教学目的1．认识食品生物技术的概念、种类及其对经济社会发展的影响；2．熟悉食品生物技术五大工程的原理、技术和方法；3．了解生物技术在农业及其它领域的应用和成果；4．了解国内外生物技术发明创新保护与生物安全性政策法规。教学要求①食品生物技术的基本概念、术语、基础理论和基本技术;②食品生物技术在科技教育、科学研究和生产领域中的应用;③使学生全面掌握食品生物技术的基本知识和基本技术，并与相关学科有机衔接，使其融会贯通，进一步系统化而形成完整的知识和技术体系。课程讲授的重点要舍得花时间，要长期投入。扎扎实实学好每一章节，课后及时复习。动手：上课记笔记，做作业及思考题。注意：抄一遍比看10遍心里更踏实。阅读王镜岩编《生物化学》中的相关章节。绝对有好处！善于总结所学知识，前后联系，真正学会！重视实验课，巩固课堂知识。具体学习方法课程类型：专业限选课总学时：32学时上课考勤：40%课后作业：20%考试：40%考试考核方法第一章绪论生物技术概述食品生物技术概述重点掌握1、现代生物技术的概念2、生物技术的发展史3、食品生物技术概念、研究内容克隆羊多莉转基因延熟番茄人类对自然界的要求认识——利用——再造——改造——创造现代生物学技术的发展也为科学研究提出了新的研究思路和方法。传统生物技术是根据生物的性状，找到有关的蛋白质，再确定其基因；现在可以先分离特定蛋白推测其基因或直接分离其基因，经克隆测序、表达，再研究其功能。这一过程与传统生物学相反，故称反向生物学。随着反向生物学的问世,在20世纪八十年代诞生了生物技术(Biotechnology)这门新学科。生物技术学科的地位世界新技术革命的主角之一,生物技术与新材料,信息技术(包括微电子、计算机)一起已成为新产业革命三大支柱之一；阳光技术，朝阳产业，黄金工程，倍受世界各国重视。生物技术将成为21世纪高技术革命的核心内容。生物技术的重要性有助于解决全球的重大难题：资源（能源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害；促进传统产业的技术改造和新产业的形成，对人类社会生活产生深远的革命性影响；生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面,将对人类的发展做出贡献。一、生物技术的定义及内涵生物技术(Biotechnology,BT),亦称为生物工程（bioengineering),现统一称:生物技术。1、定义现代生物技术代表着高新技术，但至今还没有一个统一的定义。而从学术方面对生物技术下定义是在20世纪的事（一）Biotechnology术语的诞生1919年一位匈牙利农业经济学家KarlEreky首创了“Biotechnology”一词目的：表达一切用生物转化手段进行生产的概念，并表明生物学与技术之间的内在联系（二）国际纯粹及应用化学联合会的定义（1982）生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环境保护的技术。（三）国际经济合作及发展组织的定义（1982）生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂(酶或活细胞)的作用对物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术（四）1985年Moo-Young主编的《综合生物技术》中的定义生物技术是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术生物技术是指应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作反应器，将物料进行加工改造，获得人类所需产品的技术。现代生物技术定义：以现代生命科学为基础,把生物体系与工程学技术有机结合在一起，按照预先的设计，定向地在不同水平上改造生物遗传性状或加工生物原料,产生对人类有用的新产品(或达到某种目的)之综合性科学技术。2、要点:①对象是具遗传特性有生命物质:包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。②生物体系多个不同水平研究:从大分子(DNA、RNA、蛋白质、酶)、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。③应用工程学原理:经人类思维,设计方案、定向修饰、加工制作过程等体外操作环节。④有目的产品:目的产品有三个新特征:新遗传功能、新遗传性状、新物种。要有合乎人类所需的工业、农业、医疗和食品产品。⑤高新技术起重要作用。3、生物技术的内容医学生物技术药学生物技术动物生物技术农业生物技术海洋生物技术微生物生物技术4、生物技术的上中下游上游工程：实验室研究和开发阶段，包括基因、细胞、干细胞、转基因生物、组织工程等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。中游工程：中游加工以生物反应器为中心，优化和放大生产工艺。下游工程：从反应液中提取目的产物加工精制成合格产品。5、生物技术涉及的具体技术包括:DNA重组、细胞培养及融合、抗体制备技术,干细胞培养及定向分化,显微注射技术,动物饲养技术,转基因技术,胚胎克隆,细胞及酶的固定化技术,发酵技术,生物反应器,蛋白质分离纯化,生物大分子合成及纯化,生物大分子修饰,生物物理、生物信息及其他相关领域技术。二、生物技术的构成基因工程细胞工程酶工程蛋白质工程发酵工程（一）基因工程（Geneengineering）是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，也称DNA重组技术主要原理：以分子遗传学为基础，利用人工方法把生物的遗传物质分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组的DNA导入某种宿主细胞中，从而改变它们的遗传性质。这种创造新生物并赋予新生物以特殊功能的过程称为基因工程对象:在核酸分子(DNA或RNA)或基因上操作。定义:在体外对DNA进行切割、拼接,使遗传物质重新组合,经载体转移到细胞中扩增表达,获得人类所需产品,或组建新生物类型的技术。（二）细胞工程（Cellengineering）基本原理体外大量培养技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术)、细胞拆分、染色体工程和繁殖生物学技术等定义:指在体外条件下对细胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞某些生物学特性，获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。对象:细胞,在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。细胞工程授体基因(大肠杆菌)(干扰素基因)受体基因重组基因植入受体细胞核(大肠杆菌，酵母菌)发酵分离生物药剂（干扰素、胰岛素等）废液（三）发酵工程（Fermentationengineering）主要原理包括微生物生长动力学，发酵条件的优化和控制，生化反应器的设计，以及产品的分离、提取和精制等技术对象:微生物在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。定义:利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）,通过现代化工程技术,快速、连续生产人类所需物质的技术。要点:①核心是提高产率,②过程包括:菌种选育、生产、代谢产物的利用。③所用技术包括大规模悬浮培养,细胞固定化,产物分离提取。应用:药物生产(活性多肽、抗生素)、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。（四）酶工程（Enzymeengineering）主要原理酶固定化技术、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等技术对象:酶分子修饰、生产应用和酶的固定化定义:利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，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一项技术。（五）蛋白质工程（Proteinengineering）对象:基因序列——DNA分子中改造,最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。定义:蛋白质工程，是以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方法，借助计算机信息处理技术，从改变或合成基因入手，定向地改造天然蛋白质或设计全新的人工蛋白质分子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好地为人类服务的一种生物技术。核心:蛋白质空间结构,DNA重组,人工定向改造蛋白质功能域构象,使得功能改变。这被称为是生物技术发展的第二浪,如通过增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修饰技术,提高或改变活性多肽(激素、酶、细胞因子)的稳定性。三、生物技术各构成成分之间的关系生物技术中的五大工程之间是相互依赖、密切联系、难于分割的。在现代生物技术中基因工程是核心技术，但是基因工程包括蛋白质工程所提供的新的、具有特殊功能的细胞，还必须通过发酵工程或细胞工程来实现它的潜在的经济价值。酶工程中固定化酶和固定化细胞技术，它本来就是从发酵工程中分离出来的一部分，也是同发酵工程密不可分的技术。细胞工程中的动物和植物细胞大量培养技术原理类似于发酵工程。蛋白质工程是酶工程中酶的分子修饰同基因工程相结合的产物一、传统生物技术生物技术的发展与食品发展的历史是密不可分的，对促进人类社会的文明发展有着非常重要的意义，其发展简史如下：BC6000年，古埃及人和古巴比仑人利用微生物发酵生产酒精；我国也在石器时代后期，开始利用谷物酿酒；BC4000年，古埃及人开始用酵母菌发酵生产面包；BC221年，周代后期我国人民开始制作豆腐、酱油和醋四、生物技术的形成和发展1865年当时属奥地利的布隆（Brunn）基督教修道院的修士格里高·孟德尔（GregorJohannMendel），根据他8年植物杂交实验的结果，2月8日在当地的科学协会上宣读了一篇题为“植物杂交实验”的论文，1866年正式发表在该协会的会刊上。但这一伟大的发现被搁置了35年，孟德尔临终前说：“等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”1900年，孟德尔定律的二次发现（1）荷兰阿姆斯特丹大学的教授狄夫瑞斯（deVries）他进行了月草杂交试验，发现F2的分离比为3:1。1900年3月26日其论文“杂种分离法则”发表在《德国植物学会杂志》。狄夫瑞斯曾从L.H拜莱的《植物育种》中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。（2）德国土宾根大学的教授科伦斯（Correns,C.E）他于1900年4月21日阅读了狄夫瑞斯法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但科伦斯已从老师未格里处知道了孟德尔的工作，于是他撰写了“杂种后代表现方式的孟德尔法则”一文，1900,4,24日发表在《德国植物学会杂志》(18)158-168。这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用。（3）奥地利维也纳农业大学的讲师切尔迈克(Tschermak)他也作了豌豆杂交试验，发现了分离现象，撰写了“关于豌豆的人工杂交”的讲师就职论文，清样出来后他读到了狄夫瑞和斯科伦斯的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900，6,24日也发表在《德国植物学会杂志》。三个人的工作都发表在《德国植物学会杂志》，都证实了孟德尔法则。以上3位植物学家几乎同时证明了孟德尔遗传规律，从此揭开了遗传学研究的新纪元。HugodeVries(1848-1935)狄夫瑞斯CarlErichCorrens(1864-1933)科伦斯ErichvonTschermak(1871-1962)切尔迈克1885年，巴斯德（LouisPasteur)首先证实发酵是由微生物引起的，并建立了微生物纯种培养技术；20世纪20年代，工业生产中大规模采用纯种培养技术发酵生产丙酮和丁醇；同时代，AlexanderFleming爵士发现了青霉菌可以产生青霉素，50年