第八章生物技术与食品工业

第八章生物技术与食品工业•【学习指南】•掌握食品生物技术的基本概念及内涵；•重点掌握基因工程、酶工程、以及发酵工程在食品领域的应用；•认识研究食品生物技术的目的与意义；•了解现代生物技术在食品领域的应用前景。第一节食品生物技术概述•一、食品生物技术的基本概念•是指一现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。•二、食品生物技术研究的内容•1、基因工程•以分子遗传学为基础，以DNA重组技术为手段，通过一系列的技术操作过程，完成动物、植物、微生物等种之间的基因转移，以达到获取或改良食品原料以及食品微生物的目的。•2、细胞工程•运用细胞生物学的方法，以人们的需求为目标，设计改造细胞的遗传基础，通过细胞融合，细胞培养技术，改良生物品种，创造新品种，生产各种新型食品，食品添加剂，以及保健食品的有效成分。•3、蛋白质工程•在食品生物技术的领域中，利用蛋白质工程主要目的是生产出人类需要的更高生物活性或独特性质的蛋白质，多用于生产实践。•4、酶工程•酶在食品制造，食品添加剂的生产等过程中均起重要作用，利用酶的催化作用可将原料转化为人们需求的有用物质及食品。•5、发酵工程•将经优选的细胞或经现代生物技术改造的菌株，利用现代发酵设备进行放大培养和控制性发酵，以获得工业化生产预订的食品或保健食品的功能成分。第二节基因工程在食品工业中的应用•一、改良食品加工原料的性状•1、利用基因工程改良动物性食品性状•为了提高乳牛的产奶量，可将采用基因工程技术生产激素（BST）注射到母牛体内，既可达到提高母牛产奶量的目的，又不影响奶的质量。同样，为了提高猪的瘦肉含量或降低猪脂肪含量，可将采用基因重组技术生产的猪生长激素，注射至猪体内，便可使猪瘦肉型化，有利于改善肉食品质。•瘦肉型的猪•一是活体调控钙激活酶系统•另一个是调控脂肪在畜体内沉积顺序•2、利用基因工程改良植物性食品性状•（1）改良植物食品蛋白质的品质•提高植物性食品氨基酸含量，可以对赖氨酸代谢途径中的各种酶进行修饰或加工，从而使细胞积累更大量的Lys。在植物细胞中Lys作用的酶，天冬氨酸酶（AK）和二氢吡啶二羧酸合成酶（DHDPS）。在抑制作用不敏感在DHDPS在基因，并正在对转入此基因的植物进行检测。•还可针对性地将富含某种特异性的氨基酸的蛋白基因转入目的植物，以提高相应植物中的特定氨基酸的含量。例如通过分析发现，玉米β-phaseolin富含Met,将此蛋白基因转入豆科植物，就可以大大提高豆科植物种子贮存蛋白的Met含量，而Met正是豆科植物种子贮存蛋白所缺少的成分。•增加食品的甜味，非洲有一种植物叫应乐果，研究人员在其果实中发现了一种叫做应乐果蛋白的蛋白质，咀嚼时比蔗糖大约甜1.0万倍，而它所含的蛋白质却又不会在新陈代谢中具有与蔗糖相同的作用，它的这种特性使之成为蔗糖的理想替代品。•还可以用基因工程的方法获得新的糖类。例如环化糊精（CD）就是一种新的糖类物质。这种物质有可能作为一种新型甜味剂用于食品工业，研究表明，环化糊精除了具有甜味外还有分解食物中的咖啡因和胆固醇等有害物质的功能。将环化糊精基转移酶（CGT）的基因转入植物，可以在转基因植物中获得环化糊精。•（2）改良油料作物的品质•最易用基因工程方法进行改造的油料作物是油菜，迄今为止，在世界范围内种植的良种油菜有31％是转基因品种。•用基因工程技术可以提高油脂中抗氧化剂的含量。•已成功地从拟南芥中克隆甲基转移酶基因并转导到了大豆中，甲基转移酶是γ一生育酚形成降低总生育酚的关键酶。转这种酶基因的大豆能在不降低总生育酶的前提下，使α一生生育酚的含量提高80％以上。•利用反义基因技术构建的基因大豆、亚油酸含量从8％下降到了2％以下。•（3）改良果蔬采摘后的品质•果蔬采摘后的品质直接影响食品的保藏性、加工性以及感官性。•利用基因工程方法延缓蔬果成熟衰老、控制果实软化、提高抗病虫和抗冷还能力等方面均有关阔的应用前景。•多聚半乳糖醛酸酶（简称PG）是一种在果实成熟过程中合成的酶，在果实的软化中起着重要作用。PG在果实成熟过程中合成，利用转基因技术得到的反义PG番茄，果实采后贮藏期可延长1倍，可以减少因过熟和腐烂所造成的损失；果实抗裂、抗机械损伤、便于运输；抗真菌感染；由于果胶水解受到抑制，用其加工果酱可提高出品率。•目前已经从桃、猕猴桃、苹果、西洋梨、沙梨鳄梨、番茄、黄瓜、甜瓜、马铃薯、玉米、水稻、大豆、烟草、油菜等植物中克隆得到PG的编码基因。•乙烯生物合成也直接影响果实采摘后的品质。采用基因工程手段可控制乙烯生成，如导入反义ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）合成酶基因，导入反义ACC氧化酶基因。•ACC合成酶（简称ACS）基因：•ACC合成酶是乙烯生物合成的关键酶，由一个多基因家族所编码。•目前，已经从番茄、苹果、康乃馨、绿豆、夏南瓜、笋瓜等植物中得到了ACC合成酶基因。1995年中国农大罗云波等培育出转反义ACC的转基因番茄，在室温下课贮存3个月。•（4）改良植物性食品原料的加工品质•利用基因工程技术，增加小麦储藏蛋白含量，增强加工特性；•SOD新品番茄•（5）利用基因工程生产带疫苗的食品•利用基因工程使食品转变成疫苗方面取得了可喜的成果。含乙肝疫苗的转基因马铃薯、含霍乱疫苗的香蕉、含麻疹疫苗的莴笋等，方法简单，且成本低廉。•二、改造食品微生物菌种•1、改善微生物菌种性能•▲最早成功应用的基因工程菌是面板酵母菌•▲利用转基因技术将外源a-乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母细胞，并使其表达，是降低啤酒中乙酰含量的有效途径。•2、改善乳酸菌遗传特性•利用基因工程筛选无耐药性基因的乳酸菌菌株。•基因工程选育风味物质产量高的乳酸菌菌株。•3、利用基因工程菌生产酶制剂•改变编码a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的基因•使它们具有同样最适温度和最适pH值，使液化、糖化在同一条件下进行，减少生产步骤，降低生产成本。•利用DNA重组技术获得能够直接分解粗淀粉的酶•可降低能量消耗，提高效率，降低成本。•寻找或人工“创造”一种分泌葡萄糖淀粉酶发酵微生物•葡萄糖淀粉酶能将淀粉全部水解成葡萄糖，在发酵过程中可不再添加淀粉酶，直接生产果糖或乙醇。•三、利用基因工程改进食品生产工艺•食品和饮料的发酵是通过微生物或酶对农产品原料的作用发生的化学反应，使最终产品口味、色泽等发生感官上的改变，产物通常更有营养，更易消化，口味更好，并且无病原微生物、无毒害。•发酵食物包括面包乳酪、泡菜、酱油等；发酵的饮料包括啤酒、葡萄酒、茶、咖啡等。•发展发酵技术的一个重要作用是防止有机物的腐坏。另一个重要作用是使口味平淡的原料发生感观的、物理的和营养方面的变化，改善风味和维生素成分。•1、改善牛奶加工特性采用基因操作技术，将酪蛋白编码基因进行置换和增加拷贝数，酪蛋白稳定性就提高。•2、改善啤酒大麦的加工特性利用基因工程技术降低大麦中醇溶蛋白含量，适应生产要求。啤酒的制作•3、改进果糖和乙醇生产方法（1）利用微生物培养技术，大量生产所需的酶。（2）利用a-淀粉酶的高温突变体。（3）改变编码a-淀粉酶和葡萄糖粉酶的基因。（4）寻找人工：创造一种发酵微生物。•改变编码a-淀粉酶和葡萄糖淀粉酶的基因•使它们具有同样最适温度和最适pH值，使液化、糖化在同一条件下进行，减少生产步骤，降低生产成本。•利用DNA重组技术获得能够直接分解粗淀粉的酶•可降低能量消耗，提高效率，降低成本。•寻找或人工“创造”一种分泌葡萄糖淀粉酶发酵微生物•葡萄糖淀粉酶能将淀粉全部水解成葡萄糖，在发酵过程中可不再添加淀粉酶，直接生产果糖或乙醇。葡萄酒的制作红葡萄酒酿造过程白葡萄酒的酿造过程•4、改良酒精生产工艺•将枯草菌淀粉水解酶的基因克隆到啤酒酵母中，变成能利用淀粉进行酒精发酵。•四、生产食品添加剂及功能性食品的有效成分•1、生产氨基酸•2、生产黄原胶•3、生产功能性食品的有效成分•如：醋、食用有机酸、低聚糖、调味剂或调味增强剂等第三节酶工程在食品工业中的应用•酶的应用是生物技术在食品工业中应用的典型代表，它不仅改善了食品的色、香、味，以及富有营养的新产品。•一、酶在制糖工业的应用•1、酶法生产葡萄糖•葡萄糖氧化酶（glucoseoxidase,简写GOX），系统名称为β-D-葡萄糖：是一种典型的氧化还原酶。分子量约160000道尔顿的蛋白质，有二个（或四个）多肽链构成，酶反应的最适PH5-7，最适温度是30-40℃，催化时需要黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）作为辅酶参与作用。反应时葡萄糖先进行脱氧形成葡萄糖酸内酯，使FAD还原为还原型FAD，葡萄糖酸内酯进一步水解为葡萄糖酸。还原型FAD与空气中的氧反应形成过氧化氢。为此起到转化葡萄糖和去除氧的功用。该方法是以淀粉为原料，先经a-淀粉酶的作用将淀粉液化成糊精，再经糖化酶催化生成葡萄糖。•2、果葡糖浆的生产果葡糖浆是一种以果糖和葡萄糖为主要成分的混合糖浆。工艺流程包括淀粉液化、糖化、葡萄糖异构、果糖与葡萄糖的分离等工序。3、生产功能性食品的有效成分功能性食品是指除能满足人体营养与感官外，还具有各种治疗、免疫作用基因的功能性食品。•二、酶法应用于蛋白制品的生产•蛋白质是一类人体所需的重要营养素，以蛋白质为主要成分的制品称为蛋白制品，主要有蛋制品、鱼制品和乳制品等•三、酶在啤酒工业中的应用•1、固定化酶技术•2、添加蛋白酶和葡萄糖氧化酶，提高啤酒的稳定性•3、降低啤酒中双乙酰含量•4、改进工艺，生产干啤•四、酶在果蔬加工中的应用•◆使用果胶获得澄清果汁•◆葡萄糖氧化酶延长食品保质期•◆黑曲霉改善成品的感官性能•◆纤维素酶提高可溶性固形物的含量•五、酶在烘烤食品加工中的应用•1、脂肪酶用于改良面包的质地、风味、进行漂白。提高面制品的烘培品质，改善面包质地，延长制品的货架期。•2、葡萄糖氧化酶延长保存期，又能改善面粉中的面筋强度和弹性•3、淀粉酶改善产品加工性能•4、蛋白酶缩短调粉时间•5、半纤维素酶提高面团稳定性，操作性•六、酶法用于食品保鲜•1、利用葡萄糖氧化酶保鲜•（1）食品的除氧保鲜•（2）蛋类制品的脱糖保鲜•2、利用溶菌酶保鲜溶菌酶只对革兰氏阳性菌有作用第四节发酵工程在食品工业中的应用•一、发酵工程在单细胞蛋白生产中的应用•1、单细胞蛋白的概念单细胞蛋白（SCP），它是指细菌、真菌和某类低等藻类生物发酵生产的高营养价值的单细胞或丝状微生物个体而获得的菌体蛋白。菌体蛋白•2、发酵工程生产单细胞蛋白的优势•用微生物生产SCP的优点：在最佳条件下，微生物以惊人的速度生长，有些微生物的生产量每隔0.5-1h增加一倍微生物相当高的蛋白质含量，蛋白质的营养价值高微生物能在相对小的连接发酵反应器中大量培养，占地小，不依赖气候微生物的培养基来源广泛、低廉，特别是利用废料，如有些微生物能利用植物的“残渣”——纤维素作原料微生物比植物和动物更容易进行遗传操作，它们更适宜于大规模筛选高生长的个体，更容易实施转基因技术•3、生产单细胞蛋白的菌种•（1）能源物质生产SCP细菌和酵母可利用甲醇、乙醇、甲烷和多链烷烃生产单细胞蛋白•（2）工农业废弃物生产SCP•稻秸、蔗渣、柠檬酸、糖蜜、动物粪便和其他有机废物回收并加以利用•（3）从藻类中生产SCP螺旋藻•二、发酵工程在食品添加剂生产中的应用•1、发酵发生产氨基酸中的应用•谷氨酸钠——味精•2、发酵法在黄原胶生产中的应用•黄原胶是食品工业的稳定剂，乳化剂，增稠剂•三、发酵工程在调味品生产中的应用•四、发酵工程在功能性食品工业中的应用••功能性食品是指含有某些有效成分的食品，它们具有对人体生理作用成熟功能性影响及调节功效，实施医食同源，具有良好的营养性保险性和治疗性•1、营养发酵工程生产大型食用或药用真菌•2、应用发酵工程生产功能性油脂用豆粕玉米粉麸皮等作为培养物，液体深层发酵制备r-亚麻酸油脂•3、应用发酵工程生产生产超氧化物歧化酶SOD•五、发酵工程在饮料生产中的应用•1、酒精饮料的生产糖类物质（果汁蜂蜜）淀粉类物质（谷类等）发酵而来•2、乳制品的生产酸乳、乳酪、酸奶酒•酸奶的制作•制作方法：选