8发酵工程与人类健康

1第八讲发酵工程与人类健康主要内容•生物制药•抗生素•功能性发酵食品一、生物制药（一）生物技术药物的概念利用生物技术生产的在生物体内存在的天然活性物质。生物技术：包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程、微生物发酵工程、生物电子工程、生物信息技术与生物芯片、生物材料、生物反应器、大规模蛋白纯化制备技术等;天然活性物质：即生物技术药物的来源是细菌、酵母、昆虫、植物和哺乳动物细胞等各种生物内的特征细胞产物。•来源:包括细菌、酵母、昆虫、植物和哺乳动物细胞等各种表达系统得到的特征细胞产物。•适应性:包括人体内诊断药物、治疗药物或预防药物。•活性物质:包括蛋白质或多肽,蛋白多肽类似物或衍生物,由蛋白多肽组成的药物产品。•主要生产技术包括:基因工程技术,抗体工程技术或细胞工程技术。生物技术药物特征：（1）产品来源（2）适应性（3）活性物质（4）主要生产技术2•基因工程技术是指将编码目的蛋白外源转染至宿主细菌或细胞(如大肠杆菌、酵母或哺乳动物细胞)中,通过培养基因工程菌株或细胞株来生产蛋白；•抗体工程技术也称细胞融合技术或杂交瘤技术,主要用于非基因重组的治疗性抗体药物的生产；•细胞工程技术主要是指动物细胞的大规模培养技术,主要用于用哺乳动物细胞表达的基因工程产品或杂交瘤细胞分泌的单克隆抗体的生产,也是细胞治疗/组织工程产品的主要生产技术,还是生产基因治疗病毒载体或灭活或减毒病毒疫苗的主要生产技术。•基因工程产品：所有的基因重组蛋白•抗体工程产品：有通过杂交瘤技术生产的治疗性抗体,主要是鼠源抗体•细胞工程产品：所有的细胞治疗和组织工程产品以及细胞培养生产的疫苗（二）生物技术药物的分类（1）重组蛋白（2）疫苗（3）治疗性抗体（4）核酸类产品（5）细胞治疗/组织工程类产品3(1)重组蛋白,是生物技术药物最主要的一类,狭义的生物技术药物专指基因重组蛋白,如基因重组的胰岛素、干扰素、促红细胞生成素(EPO)、组织型纤溶酶原激活剂(t-PA),融合蛋白Enbrel、基因工程乙肝疫苗、基因重组的治疗性抗体等。(2)疫苗：基因重组疫苗,有许多病毒疫苗是通过细胞培养来生产的。(3)治疗性抗体,目前FDA批准的治疗性抗体大多是通过基因重组技术生产的嵌合抗体(chimericantibody)如Remicade、人源化抗体(humanizedantibody)如Herceptin和人源抗体(humanantibody)如Humira,只有OK-T3、Zevalin、Bexxar等鼠源抗体是通过杂交瘤技术来生产的。（4）核酸类产品,如反义寡核苷酸(antisenseoligonucleotide)和基因治疗。反义寡核苷酸药物是通过干扰基因的复制、转录等抑制导致疾病的蛋白质的合成,它主要由化学合成的方法来生产,严格意义来讲,不属于狭义的生物技术药物,目前只有一种反义寡核苷酸药物上市,即用于治疗AIDS病人巨细胞病毒性视网膜炎的Vitravene。我国今年批准了第一个基因治疗药物———重组人p53腺病毒注射液。(5)细胞治疗/组织工程类产品。目前FDA批准了6种组织工程皮肤,如Apligraf、Dermagraft、OrCell等,和1种组织工程软骨Carticel。还有多种组织工程产品正在临床试验中,如人造肝、人造血管等。（三）生物技术药物的市场2003年6月到2004年6月，全球生物制药产业（基因重组产品）销售额超过400亿美元，从1998年到2003年，年销售额增长率15～33％（传统药物7～10％）。图1全球生物制药的年销售额的增长曲线图2全球2002年生物制药市场份额分布图4（四）中国生物制药产业起步晚，20世纪80年代后期。1996年销售额2.2亿元，200年70亿元，2002年150亿元，2005年预计300亿元。在发展中国家处于领先地位。存在问题：（1）研究资金不足，自主研发较弱（2）低水平重复，引发恶性竞争（3）中试薄弱，成果产业化低（4）管理差距二、抗生素（一）抗生素定义1942年，SelmanA.Waksiman将抗生素定义为：微生物在新陈代谢中产生的具有在低浓度下抑制它种微生物生命活动或杀灭它种微生物的化学物质。现在抗生素定义扩展为：是生物在其生命活动过程中产生或用其他方法获得的一种能在低微浓度下选择性地抑制或影响它种生物生命活动的次级代谢产物或人工衍生物。（二）抗生素的应用（1）抗生素在医疗上的应用（2）抗生素在农业上的应用（3）抗生素在畜牧业上的应用（4）抗生素在食品保藏方面的应用（5）抗生素在其他方面的应用（三）抗生素的分类5（四）抗生素产生菌1、放线菌微生物抗生素60％以上由放线菌产生，主要是链霉菌属（Streptomyces），还有小单胞菌属（Micromonospora）和诺卡氏菌属（Nocardia）。2、细菌芽孢杆菌属（Bacillus）如环状芽孢杆菌（B.circulans）、枯草芽孢杆菌（B.subtilis）。3、真菌如青霉属（Penicillium）、头孢菌属（Cephalosportium）、曲霉属（Aspergillus）,还有担子菌如灵芝（Canodermalucidum）、蜜环菌（Armillariallameuea）等。（五）国内外改造抗生素产生菌种的新技术（1）克隆生物合成途径中的限速步骤(rate—limitedsted)酶的基因，解除瓶颈效应；（2）阻断支路代谢途径，增加主要产物合成的物流量而提高产量；（3）克隆外源相关基因，改善发酵过程中氧的利用率或增加新的代谢途径，以降低生产成本、提高产量或产生新的抗生素；（4）从难培养的微生物中克隆完整的生物合成基因，导人易培养的微生物生产所需的抗生素。从技术而言，除基因克隆技术外，组合生物合成技术、DNA改组技术、代谢工程、核糖体工程等新技术已逐渐应用于微生物菌种的改良，取得了较好的效果。（六）主要抗生素生产现状1、青霉素世界青霉素工业盐、半合成青霉素主要品种氨苄西林和阿莫西林的产销量呈总体供过于求的态势，但各地区发展很不平衡。1999年世界青霉素工业盐生产能力为40000t，实际产量近三年内稍有降低，基本维持在30000t左右的水平。阿莫西林（羟氨苄青霉素）产品由1992年的4500t提升到1999年的12000t左右，年均增长25.18％，预计仍将以较高的幅度提升。氨苄西林近几年增速较慢，1999年为6600t，较1992年增加900t。中国青霉素工业盐的生产能力为16000t，占世界生产能力40000t的40％。中国青霉素工业盐产量1999年为8140t，较1989年翻了两番。占全世界实际生产量34000t的23.94％。2000年为9779.808t。1999年注射用青霉素钾、钠盐合计产量达3988t，约是全世界产量的2／3。近年来，中国青霉素的生产技术水平正在逐步与国际接轨，竞争能力大大增强。张家口制药总厂青霉素的发酵单位达到了70000U／mL，产率达到了1.4t／（年·m3），列国际先进水平。62、头孢菌素类头孢菌素是一类广谱半合成抗生素。第一个头孢菌素在20世纪60年代问世，目前上市品种已达60余种。产量占世界上抗生素产量的60％以上。目前经国家批准临床应用的头孢类抗生素制剂品种有22种，其中只有8种中国可以生产原料药。（1）7—ADCA的生产情况7—ADCA是一种重要的头孢类抗菌素半合成的中间体，在医药工业上用于合成头孢氨苄、头孢拉定和头孢羟氨苄等。7—ADCA中国的总需求量在550t左右，总产量每年约为200t。（2）7—ACA的生产情况鲁抗医药是国内第一家形成头孢菌素C及7—ACA产业化生产能力的公司，目前已形成年产头孢菌素C245t、7—ACAl20t的生产能力。国内原料药的产量远不能满足制剂生产的需要，市场缺口在50％以上。三、功能性发酵食品（一）功能食品的基本概念功能食品（FunctionalFood）也称保健功能食品（FunctionalHealthFood），系指具有调节人体生理功能，适宜特定人群食用，不以治疗疾病为目的的一类食。这类食品严除了具有一般食品具备的营养功能和感官功能（色、香、味、形）外，还具有一般食品所没有或不强调的调节人体生理活动的功能。我国经卫生部功能评价审定的产品称之为“保健食品”（HealthFood）。7功能食品必须具备六项基本条件：①具有明确保健功能②含有已被阐明化学结构的功能因子③功能因子在食品中稳定存在，并有特定存在的形态和含量④经口服摄取有效⑤安全性高⑥作为食品为消费者所接受。（二）国内外功能性食品发展•世界上最大功能食品市场是日本。•日本2003年销售额117亿美元•美国105亿美元•英国、德国15亿美元•意大利、法国15亿美元•巴西10亿美元中国开发具有防病抗病的功能性食品添加剂有历史基础；“天然、营养、功能性的食品添加剂”列入国家“十五”新产品开发指南。功能食品的来源广泛，可分别取自于植物、动物以及微生物。现在发酵食品已经成为食品工业中的重要分支，就广义而言，凡是利用微生物的作用制取的食品都可称为发酵食品。功能性发酵食品主要是采用微生物高新生物技术(发酵法、酶法等)制取功能性因子，生产出能调节机体生理功能的食品。目前利用微生物制取的功能食品主要有功能性低聚糖、真菌多糖、活性多肽、微生态制剂、红曲、功能性油脂、L－肉碱等七大类。（三）主要功能性发酵食品1、低聚糖低聚糖的主要生理功能如下：（1）肠道腐败细菌受到抑制，腐败产物显著减少。（2）双歧杆菌发酵食物中的碳水化物，产生醋酸、丙酸、丁酸和乳酸，促进肠道蠕动，解除便秘，粪便臭味减少。（3）血清中低密度脂蛋白降低，高密度脂蛋升高，有利于防止心脑血管病。（4）不被口腔龋齿病原菌突变链球菌利用，不会引起蛀牙。（5）改善食物中钙的吸收。（6）热值低，不会引起血糖升高。（7）提高人体免疫力，防止癌变发生。8•寡糖在日本发展很快。•预计日本寡糖市场2005年将增长到10万吨.•年增长率达13.2％，销售额约为120亿美元。•中国已实现产业化的寡糖主要有异麦芽寡糖、果寡糖、大豆寡糖等。•1999年产量为1.12万吨，销售额约为3.86亿元。•2001年总产量已增长到1.84万吨，销售额约为6.42亿元，年均增长率为29％。•预计2005年中国寡糖市场将增长到5.64万吨以上，与2001年相比，年增长率为32.3％；销售额约为22.1亿元，年增长率为36.2％。2、真菌多糖•真菌多糖分结构多糖和活性多糖。•结构多糖：如几丁质，是氨基葡萄糖。•活性多糖：真菌贮藏能量的物质。•活性多糖分纯多糖和杂多糖。•主要多糖产品：虫草多糖、灵芝多糖、香菇多糖等。真菌多糖的主要功能：（1）免疫调节功能（2）抗肿瘤功能（3）延缓衰老功能（4）降血脂、抗血栓功能（5）降血糖功能（6）抗辐射、增强骨髓造血功能（7）抗感染、抗损伤功能93、活性肽类•活性肽指的是蛋白质酶解获得的活性肽，是功能食品中研究最活跃的品种。•小肽由2～3个氨基酸构成，可以有几百种、上千种。•一些功能性肽并不是由必需氨基酸组成。例如谷胱甘肽，它是由谷氨酸、半胱氨酸、甘氨酸组成。•人们在食物中摄入的必需氨基酸，如赖氨酸、蛋氨酸等并不缺少了，但一些肽却有可能缺乏。•将一些廉价的蛋白质源，经酶法降解得到相应的，这样就能大幅度地提高产品的价值，并为人类健康做出贡献。•“九五”期间国家科委已列入若干功能性肽类的攻关课题。生物活性肽的生理功能•抗菌、抗病毒•降血压、降血脂•消除疲劳•抗爱滋病、抗癌•镇痛•延缓衰老•调节免疫、调节内分泌•抑制血小板聚集和血管收缩•防治糖尿病•抗氧化、抗风湿作用•促进钙、铁吸收•调节食品风味、口味、硬度主要活性肽类产品：（1）从酵母中提取谷胱甘肽谷胱甘肽(GSH)在机体的生化防御体系中起着重要的作用，是体内的自由基清除剂；保护红细胞免受外源性和内源性氧化剂的损害，除去氧化剂毒性；也能清除脂类过氧化物。另外，谷胱甘肽能抑制黑色素生成酶的活性，防止皮肤老化及色素沉着，改善皮肤抗氧化能力并使皮肤产生光泽。酪蛋白磷酸肽，促钙吸收肽(CPP)，CPP分子通过丝氨酸残基上磷酸化结构与钙结合