食品生物技术导论2

食品生物技术导论目录第一章绪论第二章食品与基因工程第三章食品与蛋白质工程第四章食品与酶工程第五章食品与发酵工程第六章食品与细胞工程第七章食品生物工程中的下游过程第八章食品生物技术与食品安全检测第九章生物技术与食品工业“三废”治理第一章绪论第一节食品生物技术涵义第二节食品生物技术研究内容第三节食品生物技术特点第四节食品生物技术发展简史第五节分子生物学的形成和发展第一节食品生物技术涵义一、生物技术所谓生物工程是达到特殊目的生物过程的控制性工程“操纵生物（微生物、植物、动物）的细胞、组织或酶，进行生物合成及分解转化”。二、食品生物技术食品生物技术（foodbiotechnology）是利用生物体及其细胞、亚细胞和分子组成部分，结合工程学、信息学等手段去研究及加工处理或制造食品产品的新技术。第二节食品生物技术研究内容一、食品与基因工程基因工程又称遗传工程，它是在体外将异源DNA（目的基因）与基因载体（质粒、病毒等）重组成复制子并转移至宿主细胞的过程。二、食品与酶工程酶是活细胞产生的具高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。所谓酶工程是把酶或细胞或经过修饰后直接应用于化学反应的生物催化工程，包括固定化酶、固定化细胞和固定化活细胞体系等。酶工程的应用能有效地改造传统的食品工业。三、食品与发酵工程发酵工程其涵义是采用现代发酵设备，使经基因重组技术改良的细胞或经其它现代技术改造的菌株进行放大培养和控制发酵，获得工业化生产预定的食品产品或食品的功能成分。四、食品与细胞工程应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术、细胞拆合技术以及动物、植物大量控制性培养技术，还包括染色体工程和细胞质工程等内容。细胞工程与微生物细胞培养一样，在人工控制条件下在生物反应器中大规模培养，获得人类所需要的各种食品产品及保健产品五、食品与蛋白质工程1983年美国Genex公司K·Utrner提出蛋白质工程（proteinengineering）概念，其涵义是指从蛋白质分子结构的设计入手，将待改进的蛋白质提纯为结晶，用x射线衍射等手段研究其空间构象，确定其需要改变的氨基酸残基，然后再用基因定位突变和体外定向进化等方法达到修饰蛋白质分子空间结构的目的。六、食品与后基因组学2003年随着人类基因组图谱草图绘制成功，为后基因组学（post-genomics）的诞生拉开了序幕。而现代研究认为，一个基因可以编码数个蛋白质，随之形成所谓基因组学（genomics）和蛋白质组学（proteomics），近年来，在日本、美国和德国等国又启动了营养基因组学（nutrigenomics）的研究。七、食品与食品安全生物技术的发展为食品安全的检测提供高速高效的PCR系统检测技术。为加强食品安全在食品加工过程除必须严格执行CAC、HACCP、GMP和ACP安全体系外。还必须制订切实可行的食品安全监督管理体系。第三节食品生物技术特点一、食品生物技术与食品产业化紧密相关食品生物技术对改造传统食品工业和农副产品深加工，具有革命性意义和较大的经济价值。食品生物技术即食品生物工程包括上游工程（upstreamprocess）和下游工程（downstreamprocess），整个过程有多个操作工序，一环扣一环，核心技术为生物技术和酶工程，形成较为完整的产业链，如图1-1所示。图1-1食品生物技术产业链示意图二、食品生物技术属边缘性交叉学科生物技术是研究生命的科学技术，是生物科学和工程学综合交叉的边缘学科。三、食品生物技术具有“六高”基本特征食品生物技术与其他高新技术一样，对国民经济的发展和食品工业的革新具有“六高”的基本特征：即高效益，高智力、高投入、高竞争、高风险和高潜力。四、食品生物技术属高新技术范畴根据当今世界科技发展对世界经济发展贡献情况。信息、能源、生物技术、航天、材料、汽车和环境等己被列为世界“七大”高科技领域。五、食品生物技术已成为食品科学发展的重要研究方向食品生物技术作为生物技术的分支学科，在自然科学中涵盖范围广为其特征。第四节食品生物技术发展简史一、史前时期从出土文物发现，追溯至距今数千多年前的龙山文化时期。酿酒、制醋和制酱等发酵技艺已经发展到世界一流水平。二、近代时期从19世纪50年代开始，伴随着欧洲的文艺复兴带来科学和工业的繁荣。由于法国科学家巴斯德（Pasteur）对微生物学创立的贡献，德国科学家柯赫（Koch）发明了微生物的分离和纯种培养技术和法国学者布合乃尔（Buchner）兄弟俩通过实验揭示了发酵本质是细胞中酶的作用。标志着传统食品生物技术向近代食品生物技术的发展。从传统发酵食品的生产靠天然微生物作用。三、现代的发展从20世纪50年代初开始，伴随着生物化学，遗传学和化学分析技术的发展。特别是1953年“DNA双螺旋结构”的发现、1969年酶固定化技术的应用成果和1973年基因工程诞生等重大科技成就为标志的划时代发展第五节分子生物学的形成和发展一、细胞学说在19世纪中时施莱登和施旺（Schwann）两位学者经过20年的研究绘出有关细胞结构明显图象和细胞组成，从而创立了细胞学说。二、生物进化论奥地利学者格里哥尔.孟德尔（GregorMendel）研究认为，遗传性状是由一对遗传因子决定的，四、摩尔根的基因学说摩尔根提出：“物质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因”。五、基因本质的发现摩尔根提出：“物质必须由某种独立的要素组成，正是这些要素我们叫做遗传因子，或者更简单地叫做基因”。多年来研究证实这种转化物质就是DNA，这是基因本质的重大发现。六、分子生物学的诞生1953年美国遗传学家詹姆斯.沃森（JamesD.Watson）和英国生物物理学家弗朗西斯.克里克（Franciscrick）根据莫.休.弗.威尔金斯（M.H.F.wilkins）的x-射线衍射等系列图谱结构分析基础上，用标度分子模型在英国MaxPerutz教授分子生物学实验室进行研究。其研究成果，在英国《自然》杂志上发表的《DNA结构》一文，提出了“DNA双螺旋结构模型”。首次阐明了DＮＡ结构与功能，为遗传信息的贮存、传递和利用提供了科学依据，创立了现代分子生物学。这是20世纪科学史上划时代的里程碑。Watson和crick均为诺贝尔奖获得者。DNA双螺旋结构分子模型如图1-1、1-2所示其结构要点说明如下：图1-1DNA分子双螺旋结构模型图1-2DNA双螺旋结构分子模型（1）DNA是由两条极性相反并互补的多聚核苷酸链，围绕中心轴的双螺旋结构。此螺旋为右螺旋，并存在大沟和小沟。（2）两条链中碱基之间按照A配对T、G配对C的互补原则，DNA两链间的维系主要靠氢键，其中A与T之间形成二个氢键，G与C之间形成三个氢键。（3）双螺旋的直径为2nm，两个相邻碱基的间距为0.34nm，每10个碱基的间距为3.4nm，构成一段完整的螺旋结构，其相邻碱基的夹角为36°。（4）两条多聚核苷酸链间碱基配对的互补规律为：A配对T或T配对A、G配对C或C配对G，而且其分子比率为1。（1）DNA分子能自我复制根据DNA双螺结构模型，在两条多聚核苷酸链中，任何一条都可以作为另一条生物合成的模板，这一点明显地不同于其它生物大分子。经过自我复制出来的每一个DNA分子中的一条链被保留下来。这种复制，称为半保留复制（Semiconservativereplication）（如图1-3）。（2）DNA是遗传基因的载体可以从分子水平上阐明其生物学功能：图1-3半保留复制示意图（3）DNA双螺旋结构模型为遗传信息的保存、传递和利用提供了基础。同时，根据1970年Crick等人提出的分子生物学中心法则，如图1-4所示。（4）DNA的调节功能1961年，法国分子生物学家F.Jacob和J.Monod首次证实在大肠杆菌（）基因调节事实，提出了乳糖操纵子（LacOperon）假说。图1-4分子生物学中心法则[5]应用乳糖操纵子假说，从分子水平上阐明基因控制蛋白质的诱导合成另一种酶合成调节与酶的诱导合成机制不同，称为酶的反馈阻遏。第一节概述第二节工具酶第三节目的基因制备第四节基因载体第五节基因重组第六节转化、增殖和表达第七节基因工程在食品工业中应用第八节后基因组学及其应用研究第二章食品与基因工程第一节概述一、基因工程的诞生1973年S.N.Cohen等在美国科学院学报（PNAS）上发表了题为“ConstructionofBiologicalFunctionalBacterialPlasmidinVitro”，阐明了体外构建的细菌质粒能够在细胞中进行表达，标志着基因工程的诞生二、基因工程涵义、特点及其操作步骤基因工程（geneengineering）又称为分子克隆（molecularcloning）或重组DNA技术（recombinantDNATechnology），其涵义为：用酶学方法，将异源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组子DNA导入宿体细胞，使异源基因在宿体细胞中复制表达，从而达到改造生物品种或性状，大量生产出人类所需要生物品种和产物。基因工程操作过程如图2-1所示。生物材料mRNADNADNAeDNA文库基因组文库人工合成目的基因克隆载体重组DNA受体细胞克隆子转基因生物图2-1基因工程操作过程示意图[2]三、基因工程的发展1977年英国分子生物学家F.Sanger发明了快速DNA测序技术并首先完成的全长5387bp的φ×174噬菌体基因组全序列的测定。1982年第一个由基因工程菌生产的药物胰岛素已在美国和英国获准使用。1983年第一个转基因植物培育成功，1992年第一个转基因玉米及转基因小麦植株诞生，1994年转基因番茄上市。1996年完成了酵母基因组DNA（125×105bp）的全序列测定。2003年《人类基因组计划》经过20多年努力已宣布草图描绘成功。为后基因组时代的诞生拉开了序幕。第二节工具酶在基因工程中应用的酶统称为工具酶（enzymeoftools）。一、限制性内切酶种类限制性内切酶有三种类型：I型酶、II型酶和III型酶。II型酶分子量较小，大约20-100kD，是一种简单的单功能酶，作用时无需辅助因子或只需Mg2+，能识别双链DNA上特异的核苷酸序列，同时专一性强，而且其识别序列与切割序列相一致。这类酶特别适合于基因工程操作。二、限制性内切酶命名1973年，H.O.Smith和Nathaus提出限制性内切酶的命名原则一、限制性内切酶限制性内切酶（restrictionendonuclease简称RE）是一类专一性很强的核酸内切酶三、限制性内切酶的作用机制和作用方式如图2-2所示图2-2限制性核酸内切酶作用机制其作用方式及识别位点有如下几种：1.识别不同的特异核苷酸序列EcoRI识别HaeI识别▲53GAATTC▲5'()()3'ATGGCCTAAsuI识别EcoRII识别MboI识别注：↑表示切割5’-磷酸二酯键位置。2.识别序列皆具有回文结构3.切割后形成各种粘性末端或平整末端，按其切割双链的方式可分两种：粘性末端和平整末端。▲5'3'GGACC▲5'()3'ACCGGT▲5'3'GATC5'33'5GGATCCGGATCCCCTAGGGGATCC正读时为反读时为▼▲限制性内切酶错位切割DNA双链而形成彼此互补的单链末端，称为粘性末端（Cohesionends）。另一种是在同一位点平齐切割DNA两条链而形成的双链末端，称为平整末端（Flushends）。如AluI的识别序列为：4.切割后形成异源二聚体四、限制性内切酶识别序列及反应系统限制性核酸内切酶在双链DNA上能够识别的特殊核苷酸序列称为识别序列。稀切酶（rarecutingenzymes），如表2-1所示，同裂酶（isoschizomer）如表2-2所示。同尾酶（isocaudame