现代生物技术在食品工业中的应用研究进展.docx

1、现代生物技术在食品工业中的应用研究进展江西农业学报2009,21(5:134136Acta Agriculturae J iangxi现代生物技术在食品工业中的应用研究进展华宝珍,马成杰,罗玲泉收稿日期:2009-02-25作者简介:华宝珍(1972-,女,湖北武汉人,工程师,主要从事食品生物技术研究与开发工作。(光明乳业技术中心华中地区研究所,湖北武汉430040摘要:生物技术在其自身发展过程中始终与食品的加工和制造密不可分,现代生物技术的进步对食品工业的发展产生了巨大的影响。根据国内外食品工程领域中生物技术的研究应用现状,阐述了现代生物技术在食品工业中的应用研究进展。关键词:生物技术;食品

2、工业;应用;基因工程;研究进展中图分类号:Q81文献标识码:A 文章编号:1001-8581(200905-0134-03Research Progress i n Appli ca ti on of M odern B i otechnology i n Food I ndustryHUA Bao -zhen ,MA Cheng -jie ,LUO L ing -quan(Central China A rea Research I nstitute,Technol ogy Centre of Guang m ingM ilk I ndustry,W uhan 430040,China Ab

3、stract:B i otechnol ogy has al w ays been inseparable with the food p r ocessing and manufacturing in its o wn devel opmental course,and the p r ogress of modern bi otechnol ogy has made a notable influence on the i m p r ove ment of f ood engineering .This paper revie wed the research p r ogress in

4、 the app licati on of modern bi otechnol ogy in f ood engineering according t o the research and app licati on status of bi otechnol ogy in f ood industry in the world .Key words :B i otechnol ogy;Food industry;App licati on;Gene engineering;Research p r ogress随着生命科学日新月异的进步和食品工业的发展,现代生物技术对食品工业的发展发挥着

5、越来越重要的作用。不同于以发酵为支撑的传统生物技术,现代生物技术在食品工业中的应用以现代分子生物学和基因工程技术为基础,包括了细胞生物学、微生物学、生物化学、免疫学等几乎所有生物学科的次级学科,构成了相互联系、密不可分的有机整体,具有强大的发展潜力和良好的发展前景,现代生物技术已经渗透到食品科学与工程的方方面面。现代生物技术是以生命科学为基础,利用生物或生物组织、细胞及其他组成部分的特性和功能,设计、构建具有预期性能的新物质或新品系,并与工程原理相结合,加工生产生物制品的综合性技术。现代生物技术包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等五个领域,其在食品工业的应用有着广阔的市场和发

6、展前景。1基因工程基因工程是指在分子水平上将异源基因与载体DNA 在体外进行重组,然后将重组子引入到受体细胞中,进行复制和表达,从而改造生物特性,生产出符合人类需要的产品或创造生物新性状的一种技术。利用基因工程技术将一些植物、动物或微生物的基因植入另一种植物、动物或微生物中,接受的一方由此获得了在自然条件下所没有的品质,按植入的基因类型可将食品可分为植物性转基因食品、动物性转基因食品和基因工程菌1。1.1优化食品生物资源及食品品质基因工程应用于植物食品原料的生产上,可进行品种改良、新品种开发与原料增产,如选育抗病植物、耐除草剂植物、抗虫性或抗病毒植物、耐盐或耐旱植物等,使食品原料的供应更加多样

7、。同时,在改善食品品质方面,可以利用转基因工程以及反义RNA 技术,使转基因番茄具有抑制聚半乳糖醛酸酶活性,番茄的成熟即可被控制,能延长番茄的储存期;或者改良玉米、稻米等作物氨基酸组成及含量,提高谷类作物的营养价值。在畜产品的生产上,利用基因工程技术可大量生产牛生长激素,并应用于乳牛,以增加牛乳的产量、饲料利用率,并加速肉牛的生长速度。猪生长激素也被应用于控制生猪总重与瘦肉的比率,减少肥肉,以迎合消费者的需求2。1.2改良食品工业菌种食品工业如酒类、酱油、食醋、发酵乳制品等的发展,关键在于是否有优良的微生物菌种,将基因工程应用于微生物育种,从事发酵菌种的改良研究,已经成为改良食品工业菌种的一个

8、重要途径。例如,在啤酒酵母的改良中,将-乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达,可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味;选育出分解-葡萄糖和糊精的啤酒酵母,能够明显提高麦芽汁的分解率并改善啤酒质量;构建具有优良嗜杀其他菌类活性的嗜杀啤酒酵母已成为纯种发酵的重要措施3。再如,乳杆菌中超氧化物歧化酶(S OD 活性越高越有利于该菌在有氧条件下的存活4,诸多研究也证实了S OD 具有抗肿瘤、抗衰老、对抗细胞凋亡等生物活性与功能5,6,克隆大肠杆菌锰超氧化物歧化酶基因(S ODA 并在保加利亚乳杆菌中成功表达,使S OD 与益生菌相结合制备发酵乳,将出现功能更强大的保健食品7。此外,基因工程技术还可以

9、与食品卫生分析检测结合。例如,采用基因探针技术检测有害微生物具有特异性强、灵敏度高和操作简便、省时等优点,通过考查待测样品与标记性DNA探针能否形成杂交分子,即可判断样品中是否含有此种微生物,并且还可以通过测定放射性强度以考查样品中微生物数量8。2蛋白质工程蛋白质工程是在基因重组技术、生物化学、分子生物学、分子遗传学等学科的基础之上,融合了蛋白质晶体学、蛋白质动力学、蛋白质化学和计算机辅助设计等多学科而发展起来的新兴研究领域。蛋白质工程可以按照人类的需求创造出原来不曾有过、具有不同功能的蛋白质及其新产品,或生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质,可以定向改造酶的性能,

10、生产新型功能性食品。2.1改善凝乳酶性质在干酪加工中,凝乳酶作为重要的凝结剂而被广泛应用。在动物凝乳酶供应紧缺的情况下,市场上开发出了多种微生物凝乳酶。但由于其它酶类在特异性、凝结活性、蛋白分解活性、最适pH值、热稳定性等性质上与天然凝乳酶有一定的差异,因此在食品加工中易引起产量降低和成熟中出现不良风味的缺点。通过凝乳酶蛋白质工程技术的研究,目前已经在解释酶的某些结构与功能性质、基团与功能性质、酶的翻译和激活等方面取得了一定进展,在改变酶的某些性质方面取得了一定效果。这项工程可以潜在地增强和优化凝乳酶的各项酶学性质,为凝乳酶资源的开发和在食品加工中的合理利用带来了光明的前景9。2.2研究和优化

11、纤维素酶的性质纤维素酶是糖苷水解酶的一种,它可以将纤维素水解成单糖,进而发酵成乙醇,从而解决农业、再生能源以及环境污染等问题。为了更好地利用纤维素,愈来愈多的国内外学者开始关注纤维素酶的研究。蛋白质工程作为一种工具用来研究纤维素酶的催化机制,主要包括对潜在活性中心氨基酸残基进行基因定点突变、体外分子定向进化和对定点突变酶进行动力学分析。通常采用基因定点突变技术对典型纤维素酶家族序列不变残基和三维构像进行确认,并通过设计新的三维复合体来对酶进行修整和探索10。3细胞工程细胞工程是在细胞水平上改造生物遗传特性和生产性能,以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的技术,包括细胞融合、细胞培养及细胞核移植

12、等。利用细胞杂交、细胞培养等技术可获得遗传性状有所改良的新菌株或动植物细胞、生产食品添加剂与酶制剂等。3.1细胞工程育种在细胞水平上的原生质体制备与融合有利于实现远缘遗传物质的直接交换,促进遗传资源的创新。王建华等利用曲霉种间的原生质体融合获得了比亲本菌株淀粉酶产量提高114.00%204.81%,且耐高温性能也有所提高的新菌株11。再如,大多数难以栽培的食用菌都与植物有共生或寄生关系,人工栽培出菇问题一直无法解决,原生质体融合技术则可以去除细胞壁的屏障,实现了远缘杂交,为难以人工栽培的食用菌育种提供了新方法12。3.2细胞培养利用细胞工程技术生产生物来源的天然食品或天然食品添加剂,是细胞工程

13、的一个重要领域,应用范围包括生产天然药物(人参皂苷、紫杉醇、长春碱等、食品添加剂(花青素、胡萝卜素、紫草色素、天然香料等和酶制剂(S OD酶、木瓜蛋白酶等等。S OD是一种颇受关注的酶,目前S OD主要从动物血液中分离和纯化获得,由于血液中含有大量的杂蛋白,分离纯化工艺复杂,难以达到要求;天然植物中分离和纯化S OD,又受到地理环境和气候条件等影响,难以满足需求。李志勇等研究了大蒜细胞在发酵罐培养过程中S OD合成及培养基中各种基质的消耗规律,获得的最大生物量和S OD总酶活分别为163g D W/L和7.72104U/L,取得了较好的放大效果,为植物细胞培养S OD的工业化生产奠定了基础13

14、。袁丽红等对细胞培养生产的紫草色素与天然紫草色素进行了理化性质的比较研究,结果表明,两者的组成成分基本一致,耐热性、耐氧化性及不同pH值条件下颜色的变化无明显差异,这表明工业化生产天然色素、天然香料等具有较好的发展前景14。4酶工程酶工程是指利用酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功能,借助生物反应装置和通过一定的工艺手段生产出人类所需要产品。酶工程在食品工程中的应用技术已经比较成熟,包括各种酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶或细胞的固定化技术15、固定化酶反应器的研制以及酶的应用等。4.1开发新型食品添加剂近年来在发达国家,酶工程加快了新酶源的开发,使功能性食品添加剂,如营养强化剂、低热量的甜味

15、剂、食用纤维和脂肪替代品等得到迅速发展16。甜菊苷是一种非营养型功能性甜味剂。甜菊苷具有轻微的苦涩味,通过酶法改质后可除去苦涩味,从而改善了其风味。酶处理方法是在甜菊苷溶液中加入葡萄糖基化合物,采用葡萄糖基转移酶处理,生成葡萄基甜菊苷。甘草中所含的甜味物质甘草苷是一种功能性甜味剂,具有补脾益气、解毒保肝、润肺止咳的功效。甘草苷经-葡糖苷酸酶处理,生成单葡糖苷酶基甘草酸,其甜度为甘草甜素的5倍,是高甜度的甜味剂和解毒剂。4.2酶工程在食品保鲜中的应用酶制剂保鲜技术是利用酶的催化作用,防止或消除外界因素对食品的不良影响,从而保持食品原有的优良品质与特性的技术。例如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中,吸去瓶

16、颈空隙中氧而延长保鲜期;溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用,可用于肉制品、干酪、水产品、乳制品、水果等的保鲜,且具无毒5315期华宝珍等:现代生物技术在食品工业中的应用研究进展性、底物专一、高度催化、作用条件温和等优点17。4.3食品分析与检测方面的应用由于酶具有特异性,因此,也适合于动植物化学组分的定性和定量分析。例如,采用柠檬酸裂解酶测定柠檬酸的含量18,采用乙醇脱氢酶测定食品中的乙醇含量19。Niculescu M等也报道了一种基于乙醇脱氢酶的传感器,它可以灵活自动地进行白酒分析,能够对白酒发酵过程进行实时监控,具有选择性好、灵敏度高、测量简便、快速等优点20。此外,在食品中加入一种或

17、几种酶,根据它们作用于食品中某些组分的结果,可以评价食品的质量,这是一种十分简便的方法。5发酵工程发酵工程是指采用工程技术手段,利用微生物和有活性离体酶的某些功能,为人类生产有用的生物产品,或者直接用微生物参与控制某些生产的一种技术。现代发酵工程包括微生物资源的开发利用、微生物菌种的选育、固定化细胞技术、生物反应器设计、发酵条件的利用及自动化控制、发酵产品的分离与提纯等技术。发酵工程技术涉及到新食品配料、食品加工催化剂、饮料稳定剂、D -氨基酸及其衍生物制造等诸多食品工业领域20。5.1改造传统的食品加工工艺从植物中萃取食品添加剂不仅成本高,而且来源有限。化学合成法生产食品添加剂虽然成本低,但

18、是化学合成率低、周期长,而且可能危害人体健康。因此,生物技术,尤其是发酵工程技术成为食品添加剂生产的首选方法。目前,利用微生物发酵生产的食品添加剂主要有维生素C、维生素B12、维生素B2、甜味剂、增香剂和色素等产品。发酵工程生产的天然色素、天然新型香味剂正在逐步取代人工合成的色素和香精。5.2开发大型真菌一些药用真菌,如灵芝、冬虫夏草、茯苓等,含有调节机体免疫功能、抗癌、防衰老的有效成分,是发展功能性食品的一个重要原料来源。对于这些名贵的药用真菌,一方面可通过野外采摘和人工种植相结合的方式进行资源收集,但是这种方式的产量低,易受天气和季节的影响;另一方面,则可以通过发酵途径实现工业化生产,例如

19、河北省科学院微生物研究所等筛选出了繁殖快、生物量高的优良灵芝菌株,应用于深层液体发酵研究并取得了成功,建立了一整套发酵和提取新工艺,为研制功能性食品提供更为广阔的药材原料。发酵培养虫草菌也在中国医学科学院药物研究所实现,分析其产品的化学成分和药理功效,与天然冬虫夏草基本一致。6前景展望随着生命科学和生物技术日新月异的发展,代谢组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术相继问世并取得了快速发展,大大扩展了生物技术的涵盖范围,也为现代生物技术在食品工业中的应用奠定了更加坚实的基础21,22。在现代生物技术快速发展的带动下,食品工业必将会有更加广阔的前景。参考文献:1孙建全,张倩,马建军,等.

20、基因工程技术在食品工业中的应用J.山东农业科学,2008,(2:106108.2汪秋安.基因工程食品J.广西轻工业,2003,(6:56.3冯婷,何聪芬,吕琳,等.现代生物技术在食品工业中的应用J.生物技术通报,2004,(3:3640.4Amanatidou A,Bennik M H,Gorris L G,et al.Superoxi Dedis2mutase Plays an I m portant Role in the Survival of Lactobacillus Sake upon Exposure to Elevated OxygenJ.A rch.M icrobiol.,

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22、v.Genet.,2002,32(2: 119125.7黄勇,张德纯.锰超氧化物歧化酶基因的克隆和在保加利亚乳杆菌中的表达J.食品科学,2005,26(5:9295.8徐茂军.基因探针技术及其在食品卫生检测中的应用J.食品与发酵工业,2001,27(2:6671.9杨宝进,罗军.凝乳酶蛋白质工程的研究J.中国乳品工业,2005,33(12:3643.10张晓勇,陈秀霞,高向阳.纤维素酶的蛋白质工程J.纤维素科学与技术,2006,14(2:5559.11王建华,赵学慧.曲霉种间原生质体融合改良产淀粉酶能力的研究J.华中农业大学学报,2007,26(5:642645. 12邹莉,孟雪,李绍鹏.难栽

23、培食用菌原生质体融合技术研究进展J.黑龙江农业科学,2006,(2:6769.13李志勇,王菊芳,郭勇.大蒜细胞悬浮培养生产S OD的初步放大J.生物技术,2002,12(3:3233.14袁丽红,罗雪梅.细胞培养生产的紫草色素与天然紫草色素理化性质比较J.南京化工大学学报,1996,18(2:4550.15吕微,伍季,付有利.固定化细胞技术及其在食品工业中的应用J.江西农业学报,2008,20(2:7678.16范伟平,欧阳平凯,吴月.酶工程技术在食品添加剂生产中的应用J.食品工业科技,1997,(6:8184.17张远.酶制剂及其在食品保鲜中的应用J.安徽农业科学,2005,33(3:46

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