第四章 基因工程在食品工业中的应用

第四章基因工程在食品工业中的应用第一节基础性食品原料第二节发酵食品第三节食品添加剂转基因食品主要有以下6大优点：1、解决粮食短缺问题。2、减少农药使用，避免环境污染。3、节省生产成本，降低食物售价。4、增加食物营养，提高附加价值。5、增加食物种类，提升食物品质。6、促进生产效率，带动相关产业发展。生物技术在食品领域的应用主要应用在食品生物资源的改造、提高食品品质和改善食品风味、油脂生产以及食品卫生检测等。不是仅仅解决粮食问题，更重要的是，满足人们对食物感官舒适、营养丰富、功能全面的完美要求。食品级壳聚糖：用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等应用现状主要技术基因工程细胞工程酶工程应用领域发酵工程食品添加剂:用生物法代替化学合成，要大力开发功能性食品添加剂等。生物技术与食品业在食品加工过程的应用工程菌改良食品微生物的生产性能改变合成途径，改善风味氨基酸生产生产食品酶制剂，提高活性、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类进行食品组分的改性）食品保鲜：乳酸菌肽防腐农副产品深加工和综合利用生物技术与食品业第一节基础性食品原料一、利用基因工程改造食品微生物（一）改良酵母菌种1.面包酵母：1990年英国允许使用，把具有优良特性的酶基因转至该酵母中，使其麦芽糖透性酶和麦芽糖酶大大提高。2.啤酒酵母：将大麦中α－淀粉酶基因转入啤酒酵母并表达，它能利用淀粉发酵，无需麦芽产生该酶，缩短生产流程。3.酵母：将霉菌的淀粉酶基因转入酵母中，使之直接利用淀粉生产酒精。（二）改良乳酸菌的遗传特性1.抗药基因：利用基因工程技术可以选育无抗药基因的菌株，也可除去已应用菌株中含有的耐药质粒，从而保证食品中菌株的安全性。2.风味物质基因：通过基因工程选育风味物质产量高的菌株。此外，黏多糖对产品风味和硬度也起重要作用。3.产酶基因有些乳酸菌可产生特殊的酶，如产生有机酸的酶，产生多糖的酶等，将此基因导入生产干酪、酸奶的乳酸菌中，会促进这些产品的成熟。4.耐氧基因可转入外源SOD基因和过氧化氢酶基因。5.产细菌素基因将产细菌素（如Nisin）的结构基因转入生产菌株中。二、动物性食品原料（一）转基因家畜1.转基因牛：集中于研究转基因奶牛，目的是改变牛奶的成分和提高产奶量。研究项目有以下三项：（1）提高牛奶中k－酪蛋白的含量，将k－酪蛋白转基因在奶牛中表达，可提高k－酪蛋白的比率，从而有益于提高奶酪的产量。（2）无乳糖牛奶的生产将乳糖酶基因在牛乳腺中表达能产生无乳糖牛奶，这种牛奶深受乳糖过敏或消化不良的人群欢迎（体内缺乳糖酶）。（3）提高牛的产奶量将采用基因工程技术生产的牛生长激素注射到母牛体内，可提高母牛产奶量。2.转基因兔、猪和羊可将人的生长激素基因转入动物体内。2008年8月，全国首批转基因保健猪在武汉培育成功，食用这些猪的肉，可以预防心血管疾病。这批转基因保健猪共有10头，尽管与普通猪外表无异，但他们体内被转入了一种特殊基因——ω-3脂肪酸去饱和酶基因，这种基因能在猪体内合成大量的ω-3脂肪酸。ω-3脂肪酸是一种不饱和脂肪酸，是人们熟知的“深海鱼油”的重要成分之一。这种脂肪酸，可降低胆固醇和血压，有助于预防人类的心血管疾病。（二）转基因家禽提高肉鸡和蛋鸡的抗病能力和生产能力是其研究目标。（三）转基因鱼转基因鱼的研究主要集中在观察各种动物来源的生长激素对其生长速度的影响，可使转基因鱼的肌肉蛋白含量和饲料转换效率明显提高，此外，将抗病、耐环境压力等基因引入温热带鱼种体内。三、植物性食品原料（一）抗虫害的转基因植物1.对苏云金芽孢杆菌进行改良，扩大杀虫谱，延长有效期，预防害虫产生抗药性，对发挥Bt应用潜力有重要意义。2.蛋白酶抑制剂基因是仅次于Bt毒蛋白基因而广泛使用的抗虫基因。如：丝氨酸蛋白酶抑制剂。（二）高营养品质的转基因植物1.高蛋白品质的转基因作物（1）利用基因工程提高农作物蛋白质品质。（2）同源基因的过量表达。2.提高植物性食品的氨基酸含量提高种子中某种氨基酸的合成能力，从而提高相应氨基酸在贮存蛋白中的含量。3.高能量品质的转基因作物改变食品中碳水化合物、油脂的组成及含量。4.富含维生素、微量元素5.低过敏原或毒素的转基因作物（三）改善产品的采后品质1.乙烯合成酶相关基因抑制乙烯合成的两个关键性酶的活性，可减少果实中乙烯的生成量。2.多聚半乳糖醛酸酶基因（PG）该酶是在果实成熟过程中特异表达的细胞壁水解酶，能水解果胶而溶解植物细胞壁，随着果实的成熟而积累。降低细胞中PG的合成速度能有效防止果实过早腐烂。（四）改造油料作物构建的大豆油酸含量多，饱和脂肪酸含量低，此外，可提高油脂中抗氧化剂的含量。（五）增加食品甜味应乐果蛋白，环化糊精。（六）抗病毒的转基因植物（七）抗除草剂的转基因植物（八）抗环境压力的转基因植物四、利用基因工程改进食品生产工艺1.利用基因工程改进果糖和乙醇的生产方法。（1）利用微生物培养技术生产所需的酶。（2）利用α-淀粉酶的高温突变体，进行高温生产。2.改良啤酒大麦的加工工艺降低大麦醇溶蛋白的含量，防止过高影响发酵。3.改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性。4.改善牛乳加工特性。提高牛乳的热稳定性。一、面包基因工程第一个改造的食品微生物是面包酵母。把优良特性的酶基因转至该菌中，使该酵母含有更多的麦芽糖透性酶及麦芽糖酶。1990年，英国批准使用。第二节发酵食品二、酱油酱油的优劣与酿造中生成氨基酸的数量密切相关，而氨基酸的生成与多种酶的活性有关。1.羧肽酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并成功转化。2.用高纤维素酶活力的转基因米曲霉生产，使酱油产率明显提高。3.抑制米曲霉中木聚糖酶活性基因，可降低木糖生成，防止木糖和酱油中的氨基酸产生褐色物质，从而影响风味。三、啤酒1.将外源α－乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母细胞，可除去双乙酰。2.将大麦中的α－淀粉酶基因转入啤酒酵母中并表达，可使酵母利用淀粉进行发酵，缩短生产流程。3.将糖化酶基因引入啤酒酵母中表达和分泌，生产干酒。四、乳制品1.乳酸菌对人体健康有促进作用。2.食用乳杆菌的基因工程包括：（1）提高生产菌在食品发酵过程中的稳定性。（2）改善发酵食品的品质。控制蛋白酶基因的表达程度，可优化发酵乳制品的组成。（3）缩短生产周期。第三节食品添加剂一、酶制剂的生产食品酶制剂：就是催化食品加工过程中的各种化学反应，它可以提高生产效率、降低成本，并生产出更优质的产品。生物酶工程主要包括三方面的内容：（1）用基因工程技术大量生产酶；（2）修饰酶基因，产生遗传修饰；（3）设计出新酶基因，合成新酶。近20年来用基因工程菌发酵生产的食品酶制剂主要有：凝乳酶、α－淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、普鲁蓝多糖酶（茁霉多糖酶）、脂肪酶、α－半乳糖苷酶、β－半乳糖苷酶、α－乙酰乳酸脱羧酶、溶菌酶、碱性蛋白酶等。在食品加工过程中，通过添加一些酶类，可以改善产品的色泽、风味和质构。例如，蛋白酶可以改善蛋白质的溶解性；转谷氨酰胺酶可以使蛋白质分子间发生交联，可用于增加大豆蛋白的胶凝性能，使肉制品等添加大豆蛋白后具有更好的品质。如用葡萄糖氧化酶可以去除蛋液中的葡萄糖，改善蛋制品的色泽；用脂酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟；葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香；木瓜蛋白酶可分解胶原蛋白，用于肉的嫩化。1.凝乳酶凝乳酶是第一个应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移至细菌或真核微生物生产的一种酶。1990年美国FDA已批准在干酪生产中使用。转基因凝乳酶成分单一，纯度高，生产的乳酪在风味上也与从小牛胃中提取的酶相同。重组DNA技术生产小牛凝乳酶，首先从小牛胃中分离出对凝乳酶原专一的mRNA（内含子已被切除），然后借助反转录酶、DNA聚合酶和St核苷酸酶的作用获得编码该酶原的双链DNA。再以质粒或噬菌体为运载体导入大肠杆菌。2.耐热α－淀粉酶；3.耐热β－淀粉酶；4.糖化酶；5.β－环状糊精葡基转移酶；6.其他酶制剂二、氨基酸氨基酸工程菌的构建集中在以下几方面：将氨基酸生物合成途径中限速酶编码基因导入生产菌中，强化其在受体菌中的表达。强化表达氨基酸输出系统的关键基因，或降低某些基因产物的表达速度，解除中间产物对合成途径可能造成的反馈抑制。构建能同时合成两种甚至多种氨基酸的工程菌。（一）苏氨酸苏氨酸是一种重要的营养强化剂，可以强化谷物、糕点、乳制品，有恢复人体疲劳，促进生长发育的效果。（二）异亮氨酸（三）芳香族氨基酸三、甜味剂1.转基因方法可提高糖的含量。2.在植物体内表达糖蛋白，是低热量甜味剂。因其甜味极高，只需少量蛋白质即可，所以产生很少的热量。如：应乐果甜蛋白，奇异果甜蛋白，马槟榔甜蛋白。3.用基因工程的方法获得新的糖类。如：环化糊精。非洲有一种植物叫应乐果，研究人员在其果实中发现了一种叫做应乐果蛋白的蛋白质，咀嚼时比蔗糖大约甜1万倍，而它所含的蛋白质却又不会在新陈代谢中具有与蔗糖相同的作用，它的这种特性使之成为蔗糖的理想替代品。研究人员把应乐果甜蛋白的单链类似物相继转入大肠杆菌、土豆、莴苣和酵母中,得到了具甜味、稳定性和耐受力强的表达产物。四、香料天然香料的萃取成本昂贵，产率低，所以生物法生产也逐渐成为香料开发的主流。例如：我国所有磨科，察属兽类都已被国家列为二级保护野生动物进行严格的保护，除了严禁对它们进行猎捕外，其产品也受到极其严格的控制。当然，它们所生产的察香也不例外。因而靠猎捕野生察来取得察香是不可行的。五、保健品食品疫苗：将某些致病微生物的有关蛋白基因通过转基因技术导入某些受体细胞中，并使其在受体植物中表达，从而使受体植物成为具有抵抗相关疾病的疫苗。1、超氧化物歧化酶的基因工程2、生产保健食品的有效成分