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食品生物技术第一章绪论生物技术是一项高新技术，世界各国都很重视，它广泛应用于医药卫生、农林牧渔、轻工、食品、化工和能源等领域，促进传统产业的技术改造和新兴产业的形成，对人类社会生活将产生深远的革命性的影响。生物技术对于提高综合国力，迎接人类所面临的诸如食品短缺、健康问题、环境问题及经济问题的挑战是至关重要的；生物技术是现实生产力，也是具有巨大经济效益的潜在生产力，它将是21世纪高技术革命的核心内容。生物技术产业将是21世纪的支柱产业，许多国家都将生物技术确定为增长国力和经济实力的关键性技术之一。我国政府同样把生物技术列为高新技术之一并组织力量攻关。生物技术是一门新兴学科，它包括传统生物技术和现代生物技术两部分。传统的生物技术是指旧有的制造酱、醋、酒、面包、奶酪、酸奶及其他食品的传统工艺；现代生物技术则是指20世纪70年代末80年代初发展起来的，以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心的新兴学科。当前所称的生物技术基本上都是指现代生物技术。一、生物技术的含义1、生物技术的定义生物技术(biotechmlogy)也称生物工程(biengineering)，是指人们以现代生命科学为基础，结合其他基础学科的科学原理，采用先进的工程技术手段，按照预先的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。生物技术是一门新兴的、综合性的学科。先进的工程技术手段是指基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程等新技术。改造生物体是指获得优良品质的动物、植物或微生物品系。生物原料则指生物体的某一部分或生物生长过程产生的能利用的物质，如淀粉、糖蜜、纤维素等有机物，也包括一些无机化学品，甚至某些矿石。为人类生产出所需的产品包括粮食、医药、食品、化工原料、能源、金属等。达到某种目的则包括疾病的预防、诊断与治疗和食品的检验以及环境污染的检测和治理等。生物技术是由多学科综合而成的一门新学科。就生物科学包括了微生物学、生物化学、细胞生物学、免疫学、育种技术等几乎所有与生命科学有关的学科，特别是现代分子生物学的最新理论成就更是生物技术发展的基础。现代生命科学的发展已在分子、亚细胞、细胞、组织和个体等不同层次上，揭示了生物的结构和功能的相互关系，从而使人们得以应用其研究成就对生物体进行不同层次的设计、控制、改造或摸拟，并产生了巨大的生产能力。2、生物技术的种类及其相互关系近几十年来，科学和技术发展的一个显著特点就是人们越来越多地采用多学科的方法来解决各种问题。这将导致综合性学科的出现，并最终形成了具有独特概念和方法的新领域。生物技术就是在这种背景下产生的一门综合性的新兴学科。根据生物技术操作的对象及操作技术的不同，生物技术主要包括以下五项技术(工程)。基因工程基因工程(geneengineering)是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，其主要原理是应用人工方法把生物的遗传物质，通常是脱氧核糖核酸(DNA)分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组了的DNA导人某种宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传品性；有时还使新的遗传信息(基因)在新的宿主细胞或个体中大量表达，以获得基因产物(多肽或蛋白质)。这种通过体外DNA重组创造新生物并给予特殊功能的技术就称为基因工程，也称DNA重组技术。细胞工程细胞工程(cellengmeenng)是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖；或人为地使细胞某些生物学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种；或加速繁育动、植物个体；或获得某种有用的物质的过程。所以细胞工程应包括动、植物细胞的体外培养技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术)、细胞器移植技术、克隆技术、干细胞技术等。酶工程酶工程(enzymeengineenng)是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，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。它包括酶的固定化技术、细胞的固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等技术。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等特点，在合适条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物的某种特定功能生产出人类所需的产品称为发酵工程(fermentationenganeenng)，也称微生物工程。蛋白质工程蛋白质工程(protemengmeenng)是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多学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而达到对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质的技术。上述五项技术并不是各自独立的，它们彼此之间是互相联系、互相渗透的。其中的基因工程技术是核心技术，它能带动其他技术的发展：比如通过基因工程对细菌或细胞改造后获得的“工程菌”或“工程细胞”，都必须分别通过发酵工程或细胞工程来生产有用的物质；又如，通过基因工程技术对酶进行改造以增加酶的产量、酶的稳定性以及提高酶的催化效率等。3、生物技术涉及的学科现代生物技术是所有自然科学领域中涵盖范围最广的学科之一。它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫生物学、人体生理学、动物生理学、植物生理学、微生物生理学、生物化学、生物物理学、遗传学等几乎所有生物科学的次级学科为支撑，又结合了诸如化学、化学工程学、数学、微电子技术、计算机科学、信息学等生物学领域之外的尖端基础学科，从而形成一门多学科互相渗透的综合性学科。其中又以生命科学领域的重大理论和技术的突破为基础。例如，没有Watson和Crick的DNA双螺旋结构及阐明DNA半保留复制模式，没有遗传密码的破译以及DNA与蛋白质的关系等理论上的突破，没有发现DNA限制性内切酶、DNA连接酶等工具酶，就不可能有基因工程高技术的出现；没有动植物细胞培养方法以及细胞融合方法的建立，就不可能有细胞工程的出现；没有蛋白质结晶技术及蛋白质三维结构的深入研究以及化工技术的进步，就不可能有酶工程和蛋白质工程的产生；没有生物反应器及传感器以及自动化控制技术的应用，就不可能有现代发酵工程的出现。另外，所有生物技术领域还使用了大量的现代化高精尖仪器，如超速离心机、电子显微镜、高效液相色谱仪、DNA合成仪、DNA序列分析仪等。这些仪器全部都是由微机控制的、全自动化的。这就是现代微电子学和计算机技术与生物技术的结合和渗透。没有这些结合和渗透，生物技术的研究就不可能深入到分子水平，也就不会有今天的现代生物技术。人类已进入知识经济时代，知识经济的基本特征就是知识不断创新，高新技术迅速产业化。作为高技术领域重要组成部分的生物技术，必然在知识经济的发展过程中大显身手并做出特殊的贡献。我国是发展中国家，农业经济、工业经济、知识经济二元并存，面临着新的机遇和挑战。在这种形势下，大力发展高新技术及其产业，加大知识经济在经济结构中的比重具有特别重要的意义。生物技术与其他高新技术一样具有“六高”的基本特征：高效益，可带来高额利润；高智力，具有创造性和突破性；高投入，前期研究及开发需要大量的资金投人；高竞争，时效性的竞争非常激烈；高风险，由于竞争的激烈，必然带来高风险；高势能，对国家的政治、经济、文化和社会发展有很大的影响，具有很强的渗透性和扩散性，有着很高的态势和潜在的能量。生物技术的应用前景广阔，高额的利润也促使生物技术的快速发展。生物技术的应用领域非常广泛，它包括医药、农业、畜牧业、食品、化工、林业、环境保护、采矿冶金、材料、能源等领域(图1—2)。这些领域的广泛应用必然带来经济上的巨大利益，所以各种与生物技术相关的企业如雨后春笋般地涌现。概括地说，生物技术相关的行业可分为八大类型。二、生物技术发展简史生物技术可分为传统生物技术和现代生物技术。现代生物技术是从传统生物技术发展而来的。1、传统生物技术的产生传统生物技术应该说从史前时代起就一直为人们所开发和利用，以造福人类。在石器时代后期，我国人民就会利用谷物造酒，这是最早的发酵技术。在公兀前221年，周代后期，我国人民就能制作豆腐、酱和醋，并一直沿用至今。公元10世纪，我国就有了预防天花的活疫苗；到了明代，就已经广泛地种植痘苗以预防天花。16世纪，我国的医生已经知道被疯狗咬伤可传播狂犬病。在西方，苏美尔人和巴比伦人在公元前6000年就已开始啤酒发酵。埃及人则在公元前4000年就开始制作面包。1676年荷兰人LeeuwenHoek(1632—1723)制成了能放大170～300倍的显微镜并首先观察到了微生物。19世纪60年代法国科学家Pasteur(1822—1895)首先证实发酵是由微生物引起的，并首先建立了微生物的纯种培养技术，从而为发酵技术的发展提供了理论基础，使发酵技术纳入了科学的轨道。到了20世纪20年代，工业生产中开始采用大规模的纯种培养技术发酵化工原料丙酮、丁醇。20世纪50年代，在青霉素大规模发酵生产的带动下，发酵工业和酶制剂工业大量涌现。发酵技术和酶技术被广泛应用于医药、食品、化工、制革和农产品加工等部门。20世纪初，遗传学的建立及其应用，产生了遗传育种学，并于20世纪60年代取得了辉煌的成就，被誉为“第一次绿色革命”。细胞学的理论被应用于生产而产生了细胞工程。在今天看来，上述诸方面的发展，还只能被视为传统的生物技术，因为它们还不具备高技术的诸要素。2、现代生物技术的发展现代生物技术是以20世纪70年代DNA重组技术的建立为标志的。1944年Avery等阐明了DNA是遗传信息的携带者。1953年Watson和Crick提出了DNA的双螺旋结构模型，阐明了DNA的半保留复制模式，从而开辟了分子生物学研究的新纪元。由于一切生命活动都是由包括酶和非酶蛋白质行使其功能的结果，所以遗传信息与蛋白质的关系就成了研究生命活动的关键问题。1961年Khorana和Nirenberg破译了遗传密码，揭开了DNA编码的遗传信息是如何传递给蛋白质这一秘密。基于上述基础理论的发展，1972年Berg首先实现了DNA体外重组技术，标志着生物技术的核心技术——基因工程技术的开始。它向人们提供了一种全新的技术手段，使人们可以按照意愿在试管内切割DNA、分离基因并经重组后导人其他生物或细胞，藉以改造农作物或畜牧品种；也可以导人细菌这种简单的生物体，由细菌生产大量有用的蛋白质，或作为药物，或作为疫苗；也可以直接导人人体内进行基因治疗。显然，这是一项技术上的革命。以基因工程为核心，带动了现代发酵工程、现代酶工程、现代细胞工程以及蛋白质工程的发展，形成了具有划时代意义和战略价值的现代生物技术。三、生物技术对经济社会发展的影响重大的科学发现和技术创新，都使人们对客观世界的认识产生一次飞跃；每一次技术革命浪潮的兴起，都使人们改造自然的能力和推动社会发展的力量提高到一个新的水平。生物技术的发展也不例外，它的发展将越来越深刻地影响着世界经济、军事和社会发展的进程。1、改善农业生产、解决食品短缺“民以食为天”，粮食问题是一个国家经济健康发展的基础。目前，世界人口已达60亿，而耕地面积不但不会增加，反而有减少的趋势。所以在今后几十年的发展中如何满足人们对食品增加的需求，将是各国政府首先要解决的问题。2.提高农作物产量及其品质(1)培育抗逆的作物优良品系通过基因工程技术对生物进行基因转移，使生物体获得新的优良品性，称之为转基因技术。通过转基因技术获得的生物体称为转基因生物，例如转基因植物，就是对植物进行基因转移，其目的是培育出具有抗寒、抗旱、抗盐、抗病虫害等抗逆特性及品质优良的作物新品系。至1996年，全世界推广转基因作物的种植面积为250万公顷，到了2000年已达4420万公顷。据预测2010年全世界转基因植物的交易额将达280亿美元。涉及的作物种类包括马铃薯、油菜、烟草、玉米、水稻、番茄、甜菜、棉花、大豆、苜蓿等。转基因性能包括抗除草剂、抗病毒、抗盐碱、抗旱、抗虫、抗病以及作物品质改良等。我国是人口大国，人多地少，粮食问题更是我国经济发展、社会稳定的关键。我国政府对农业生物技术极为重视，投入了大量的人力、物力并取得了举世瞩目的成就，已培育了包括水稻、棉花、小麦、油菜、甘蔗、橡胶