现代生物技术在食品加工中的应用

北京农学院食品科学与工程系2013届在职硕士课程论文-1-现代生物技术在食品加工中的应用食品工业是国民经济的主要组成部分。建国50多年来，我国的食品工业发生了翻天覆地的变化，但由于基础薄弱，远不能适应现代人们生活水平不断提高的需求，随着生命科学的不断进步和食品工业的不断发展，现代生物技术越来越广泛地被用于食品加工，不仅被用于改善食品资源，还可以改造传统加工工艺，增加加工深度，提高食品品质，对食品加工生产链产生了重大影响。一概述生物技术，也称生物工程，是应用生物体（包括微生物、动物细胞、植物细胞）或其组成部分（细胞器和酶），在适宜条件下，生产有价值的产物或进行有益过程的技术。对食品工业而言，生物技术就是应用生物程序、生产细胞或其代谢物质来制造食品，改进传统生产过程以提高人类生活质量的科学技术。生物技术很早就被应用于食品加工。传统的食品生物技术侧重于对生物体的利用，比如啤酒业对啤酒酵母、糖化酶的利用，而现代食品生物技术侧重于对改造后的生物体的利用，即是以生命科学为基础，利用生物体的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种和新品系，再与工程原理相结合进行配套加工生产，为社会提供商品和服务的一个综合性体系。目前，发展生物技术已被许多国家列入国策。基因重组技术等遗传工程的兴起和发展为生物技术的应用与发展带来了革命性的变革。自20世纪70年代初期诞生以来，在短短几十年中已取得了许多令人振奋的成就，并且，正以强劲的势头继续向前迅猛发展。现代生物技术可在解决当今世界社会发展重大问题如粮食短缺、资源枯竭与生态环境恶化等方面发挥积极作用。食品工业领域的生物技术不仅用来制造某些具有特殊风味的食品，而且，越来越多地被用来改进食品加工工艺和提供新的食品资源，生物技术必将使食品工业的发展取得突破性进展。二现代生物技术在食品工业中的应用1基因工程技术的应用基因工程又称DNA重组技术,是指按人的意志,将某一生物体(供体)的遗传信息在体外经人工与载体相接(重组),构成重组DNA分子,然后转入另一生物体(受体)细胞中,使被引进的外源DNA片段在后者内部得以表达和遗传.将这项技术应用于动植物或微生物上即产生基因工程食品。近年来,国内外的食品科学家和生物学家已开始注重研究开发改善食品功能的新品种.如开发不含产生豆腥味的酶(无脂氧化酶)的大豆;在肠内不会产生气体的碳水化合物以及结晶胰蛋白酶的活性阻碍物质的大豆新品种.通过基因工程还可以改变酶的性质,生产食品结构改良剂.另外,通过遗传的修饰技术,可将脂酶基因导入受体而强化其分解脂肪的能力,从而可加工低脂和低胆固醇的食品,如奶酶、油、脂肪牛奶等.利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株,用以改进传统的酿酒工艺,并使之多样化.目前,已成功地选育出分解β—葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、杀啤酒酵母菌株,提高生香物质含量的啤酒酵母菌株.基因工程技术应用于氨基酸的生产已取得较大成绩,迄今为止,世界上已克隆和表达了十几种氨基酸的基因,已有5种用重组技术生产的氨基酸达到工业化水平,它们为苏氨酸(60g/L)、组氨酸(42g/L)、脯氨酸(75g/L)、氨酸(40g/L)和苯丙氨酸(60g/L),我国谷氨酸等氨基酸已投入工业化生产.目前,天然食品防腐剂的研究开发成为当前国际食品界中一个研究热北京农学院食品科学与工程系2013届在职硕士课程论文-2-点,它们也可利用基因工程技术进行异种大量生产〔3〕。此外,基因工程技术还可用于食品工业中新型蛋白质、细胞蛋白、生素、制剂、生物多糖、粉糖的生产.并且基因工程技术还可以和食品卫生分析检测结合,采用核酸探针和单克隆抗体法检查,敏感性高,大大提高食品卫检准确性和实用性。目前转基因食品涉及的领域主要有：改善粮油食品的产量、食品品质和加工功能特性，延长果蔬产品的储藏期，提高农作物的抗病虫害性能，改善动物性食品的成分比例和食用品质，改善发酵食品的风味和品质、提高产量等。2酶技术的应用酶是细胞原生质合成的一类具有高度催化活性的特殊蛋白质，是生物催化剂。酶普遍存在于动、植物和微生物中，将酶从生物组织或细胞以及发酵液中提取出来，加工成具有一定纯度标准的生化制品，称为酶制剂。酶具有以下的独特优点：1.催化效率高，如1gα—淀粉酶晶体可以在65℃条件下，只需15min时间，可使2吨淀粉转化为糊精；2.专一性强，例如啤酒中的蛋白质可用蛋白酶去除，桔汁中的苦味成分柚甙可用柚甙酶分解而不影响风味；3.作用条件温和，例如用酸作催化剂催化水解淀粉成葡萄糖，需要在0.25～0.3MPa的蒸气压力135～145℃的高温下才能进行，而用α—淀粉酶，在pH6.0～6.5条件下，85～93℃便可把淀粉水解成糊精，再用糖化酶在pH4.5～5.0，55～65℃下便可把糊精水解成葡萄糖。酶在食品工业中的应用范围很广，酶技术在果蔬加工中的应用也很广泛。酶制剂在果汁加工业中的应用已有60年历史，但多年来，其应用仅限于果汁的澄清，直到1975年，Pilnik等人发现果胶酶与纤维素酶活性之间有最佳的协同作用，1983年瑞士NovoNordisk公司率先开发出商品名为PectinexUltraSP-L，PectinexMash，PectinexSuperpress的果浆酶，从而使苹果汁的出汁率首次突破90%。其它如猕猴桃、草莓、山楂、黑加仑用PectinexMash酶进行果浆处理，也得到了最大产率、最好色泽和香味的果汁。近年来在果蔬加工上，还开发出酶浸渍法处理果蔬以改变表面及内部组织的特性，增加风味及其它感官香味及口感。现在此技术已广泛应用于柑桔的去皮、去苦及保持桃子的硬度等，所生产的产品有更好的新鲜度和组织外观。目前欧美各地的食品厂已使用此技术制造罐头类食品、玻璃瓶装制品及新鲜冷藏水果。在果蔬汁生产中应用的最主要的酶是果胶酶,它普遍用于以下工艺：(1)果浆处理：可制得部分或全部液化的果肉，以便生产果浆和混浊果汁；提高果汁产量，改进对色素和风味物质等果汁成分的提取；(2)果蔬汁处理：可降低粘度,利于浓缩，改善透明度、可溶性和稳定性。其次是纤维素酶，可促进果汁的提取与澄清，提高可溶性固形物含量，并可综合利用果皮渣。目前已成功地将柑橘皮渣酶解制取含果饮料，其中的粗纤维经纤维素酶的降汁后，50%转化为可溶性糖，另50%降解为短链低聚糖，构成含果饮料的膳食纤维，具有一定的保健医疗价值。利用纤维素酶适当处理，使用纤维素酶处理水果、蔬菜可使细胞壁膨胀、转化，使纤维素类物质降解，提高可消化性和改进口感。现代水果汁加工技术(AFP技术)在80年代开发的新一代果浆处理酶制剂，用于生产澄清汁，不仅用于贮藏过的难榨汁的水果，还可用于新鲜水果的加工,并形成了新的工艺，即所谓“最佳果浆酶解工艺”(OME工艺),其优点是明显提高榨汁率,分别为鲜果(8/9月)5%～6%,贮藏水果(10月起)15%～18%,使压榨机生产能力提高30%～100%,果渣量减少30%～50%。90年代的果浆酶解技术称之为现代水果加工技术(AFP技术)，其工艺流程为：水果+液化酶制剂→破碎→果浆加热→带搅拌罐→振动筛或离心分离→澄清/超滤→浓缩→成品北京农学院食品科学与工程系2013届在职硕士课程论文-3-AFP技术采用了全果液化工艺，大大提高了生产能力，如一次榨汁进行液化，ＢｕｃｈｅｒHP5000压榨机的能力几乎可达原来的3倍，汁液可溶性固形物的利用率可达100%,出汁率达92%～95%(体积比),果渣体积最多只有原料体积的2%～5%,且可以转为纤维物质用于疗效食品，减少了果汁工厂废物来源，缩短压榨时间，降低了能耗，而且还可以明显提高液化终点的可溶性固形物含量和含酸量(生成半乳糖醛酸),改善果汁口感。3生物传感器和生物反应器的应用生物传感器是利用生命物质如酶、抗体等作敏感材料，与电子技术相结合，通过换能器件构成自动化分析系统，用以从多种化合物的复杂样品中选样地测定某一特定成分。其特点是精确、快速、灵敏。其方法包括核酸探针、聚合酶链反应、免疫分析等，在食品上应用于成分分析、病菌毒素检测、残留农药检测等品质管理。模拟生命过程的生物反应器在生产酶制剂和发酵产品中应用广泛。生物反应器如同一根能进行生物体内反应的大试管，将生物细胞或酶等加入其中，设置一定的环境条件，使之发生某些生化反应而大量产生我们所需的产物。生物反应器较之发酵器有着生化反应简单明确，可控程度高，生物性材料可重复使用的特点。4细胞工程在食品工业中的应用细胞工程就是应用细胞生物学方法,按照人们预定的设计,有计划地保存、变和创造遗传物质的技术.近年来细胞工程的开发和应用主要集中在细胞杂交,快速无性繁殖和细胞育种等方面.利用细胞杂交和细胞培养可生产独特的食品香味和风味的添加剂,如香草素、可香素、萝风味剂以及高级的天然色素.细胞工程技术应用于食品工业是随着细胞培养和细胞融合技术的发展而发展起来的.在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功,还有香料与色素的生产.当今,白酒、酒、类等食品发酵行业以使用酵母为主,曲菌也适于酒类和酱油生产.这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、盐酵母、高糖酵母、泡酵母、温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌.具有重要意义的成就是嗜杀其它菌类活性的嗜杀酵母新菌株的培育成功,日本协和发酵公司已完全使用嗜杀性葡萄酒酵母配制新酒,目前,正研究运用细胞融合技术取得其它菌株,应用于食品发酵工业之中〔5〕.总之细胞工程在新技术革命的浪潮中对食品工业革新方面有着很大的潜力.5微生物发酵技术的应用应用微生物发酵方法生产的发酵产品，有传统的酿制品、还有酒精、有机酸、氨基酸、单细胞蛋白等。发酵工程是利用微生物的特殊功能生产有用的物质，或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系。这项现代技术包括菌种选育、菌种生产、代谢产物的发酵、以及微生物的利用技术。利用发酵工程技术所取得的成就涉及到新食品配料，食品加工的催化剂，饮料稳定剂，Ｄ-氨基酸及其衍生物制造，以及废弃物利用和食品品质的检测等。三我国生物技术在食品工业中所面临的问题及应用前景1食品生物技术研究与产业化存在的问题在我国食品工业中，生物技术工业化产品占有一定的比重，有了良好的开端。但是，与世界上发达国家相比，差距还很大，开发应用尚不够，目前，存在的主要问题表现在以下几个方面，值得重视和努力解决。（1）安全性目前，食用安全性已成为阻碍生物技术在食品工业中应用的最大问题。日本于1991年4月出台了《基因重组食品食品添加剂安全性评价指针》，该指针明确指出凡是通过重组DNA技术改造微生物，其产生的各种酶、多肽及其它生物因子必须经过安全性评价才能上市。随后，由于欧美各国已有大量经重组DNA技术改良的农作物出现在国际市场上，该指针又于1996年将种子植物转基因后的食用安全性纳入评价范围。尽管到目前为止仅有食用转基因玉北京农学院食品科学与工程系2013届在职硕士课程论文-4-米出现过蛋白质过敏的报道，但由于基因表达的时序性以及人体本身免疫调节系统的存在，使人们对转基因食品的安全性仍然不能完全放心，更何况，由于缺乏对蛋白质空间结构的精确分析手段，根本无法鉴定基因异体表达的蛋白质与目标蛋白质的一致性，因此，转基因食品的安全性问题会在较长的时期里困扰着人们。2001年6月我国正式颁布实施《农业作物基因工程安全管理实施办法》，该办法对基因技术食品研究、开发、利用的安全性管理做了严格的规定。目前，通过农业部生物工程安全委员会批准，能够商业化的转基因作物只有6例，涉及食品的有3例，包括两种西红柿和一种甜椒。但是，由于到目前为止我国尚未出台国外转基因食品进口的相关安全性限制法规，市场上国外的转基因食品会越来越多，转基因食品与人们身体健康关系也将越来越密切。另外，消费心理在一定程度上影响转基因食品的发展。由于生物技术育种一定程度上打破了传统的遗传规律和自然界的食物链秩序，可能对生态平衡产生影响，并且在一定程度上混淆了物种之间的亲缘关系。因此，由于观念、文化等因素的影响，公众对生物技术本身难以接受，即便是确定安全的食品，也往往会引起部分消费者心理上的反感。这种消费习惯或者信仰方面的观念虽然在短期内无法