生物技术与食品安全检测与品质控制

课程作业学位类型：科学学位学科、领域：农产品加工与贮藏研究方向：农产品加工技术导师姓名：任国谱学生姓名：李小帅学号：22010238入学时间：2010.9授课教师：刘芳教授课程名称：食品生物技术水溶性生物技术与食品安全检测与品质控制摘要：生物技术为一门新兴的高新技术。简要概述了基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等生物技术在食品检测与品质控制领域的应用。商业实践表明，应用生物技术能改善健康、服务农业以及提高食品品质。关键词：生物技术，食品安全，检测，品质控制Abstract:Biotechnologyisarisingtechnology.Thispaperisabriefoverviewofgeneticengineering,cellengineering,enzymeengineering,fermentationengineering,intheapplicationoffoodsafetyandqualitycontrol.Throughcommercialapplication,biotechnologymayimprovehealth,agriculture,andthequalityoffoods.Keywords:biotechnology,foodsafety,detection,qualitycontrol1前言生物技术在食品生产中的应用已有十几个世纪，主要为采用微生物发酵生产许多传统食品，比如面包、酸奶、奶酪及啤酒等，始终与人类生活息息相关。近年来，随着许多新兴的生物技术应用于食品生产与开发，促进了食品工业的飞速发展。适应和满足消费者需求的安全、方便、特别是功能性食品正不断进入市场。为满足消费者的需求，维持或扩大市场份额，食品工业正致力于开发高附加值的新型或改良食品。同时加强对生物技术创新策略的研究，将有利于食品功能性的开发[1]。同时现代生物技术以其灵敏、准确、迅速等独特优点，在食品安全检测及品质控制领域发挥着重要作用。2食品生物技术的基本概念生物技术（Biotechnology）又称生物工程(Bioengineering)，是以现代生命科学为基础，利用生物的特性和功能，结合先进的科学技术手段及其他基础科学的原理，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的新技术。广泛应用于食品、农业、化工、医药、环境保护等行业平[2]。食品生物技术（FoodBiotechnology）是现代生物技术在食品领域中的应用，是指以现代生命科学为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。以现代分子生物学为基础的基因工程技术是食品生物技术的核心和基础，它贯穿于细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程、生物工程下游技术和现代分子检测技术之中[3]。基因工程（Geneticengineering）又称分子克隆（Molecularcloning）或DNA重组技术（RecombinantDNAtechnology），即对不同生物遗传物质（基因），在体外进行人工的“剪切”“组合”和“拼接”，将异源基因与载体DNA进行重组，通过微生物质粒、噬菌体、病毒等载体，将形成的重组子转入受体细胞，时异源基因在其中复制表达，从而改造生物特性，大量生产人类所需要的产物或创建新的生物类型[4]。细胞工程（CellEngineering）就是应用细胞生物学方法根据人们预定的设计，有计划地保存、改变和创造遗传物质的技术，也就是在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的工程[5]。主要包括：动植物组织和细胞的培养技术、细胞融合技术、细胞器移植和细胞重组等技术。酶工程（EnzymeEngineering）是利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。主要包括没得酶的固定化技术、细胞固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计技术等。发酵工程（FermentationEngineering）是指给微生物提供最适宜的生长条件，利用微生物的特定功能，通过现代技术手段生产出人类需要的产品的工程，又称为微生物工程。它主要包括菌种生产，发酵条件的优化与控制，反应器的设计及产物的分离、提取与精制等[6]。蛋白质工程（ProteinEngineering）是指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、动力学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，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目的。蛋白质工程的基本途径是从预期功能出发，设计期望的结构，合成目的基因且有效地克隆表达或通过诱变、定向修饰和改造等一系列工序，合成优良蛋白质。由于蛋白质工程是在基因工程的基础上发展起来的，在技术方面有诸多同基因工程相似的操作，因此蛋白质工程又称为第二代基因工程。生物工程下游技术（BiotechniqueDownstreamProcessing）是指将发酵工程、酶工程、蛋白质工程和细胞工程生产的生物原料，经过提取、分离、纯化、加工等步骤，最终生成产品的技术。现代分子检测技术是应现代生物技术的发展以及其他诸如医疗、食品、农业、环境保护等产业发展的需要而发展起来的一门新技术。主要包括：核酸分子检测技术、蛋白质分子检测技术、生物芯片和生物传感器技术。3生物技术在食品安全检测中的应用传统食品安全检测方法，一般来说成本高、速度慢、效率低。而且，许多有害微生物和毒素还不能检出。随着现代生物技术的发展，新型食品不断出现，传统食品安全检测方法已不能满足食品安全检测的需要。生物技术发展很快，种类很多，其中大多数可以用于食品安全检测。常用的主要包括分离培养法、免疫学方法、分子生物技术、生物传感器技术和生物芯片等[7]。3.1分离培养法分离培养法，是传统而有效的生物分析方法，是针对食品中的病原微生物（如细菌、真菌和病毒等）以及其他有害微生物（如寄生虫等）的主要分析方法。其主要过程是通过分离培养，得到目的培养物，然后利用形态学、生化特性加以鉴定，并可以用光学显微镜或电子显微镜等加以确证。分离培养法的劳动强度大、耗时长，对于某些培养或分离困难的污染生物难于检测，但是它具有操作简便、无需昂贵的仪器设备、检测结果直观等优点，所以仍然是当今食品中染污等主要检测方法。3.2免疫学方法免疫学方法，是利用抗体与抗原的特异性结合特性来实现食品中污染物检测的方法。由于抗原抗体反应的特异性，所以该方法具有专一性（即抗杂质干扰的能力强），灵敏度高等优点。免疫学方法的种类非常多，目前用于食品安全检测的主要包括免疫凝集反应、沉淀反应、酶联免疫吸附测定法、单克隆抗体等方法。免疫学方法主要用于食品中生物性污染物（如病原菌和寄生虫）以及他们的代谢产物（如生物毒素等）的检测和分析。另外食品中的化学污染物，例如农药、抗生素和激素等的残留也可以采用免疫学方法进行分析，首先必须制备特异性抗体，而对于一些小分子物质，例如生物毒素和农药残留等，由于本身没有免疫原性，所以首先必须对其进行改造，其过程复杂、繁琐。另外，抗体的制备过程也比较麻烦，且不宜与工业化生产。3.3分子生物技术分子生物技术就是通过蛋白质、核酸在分子水平上的研究，掌握其性质，利用其性质在分子结构水平上操作从而达到人们对生物的改造获得人们所需要的产物。其种类很多，发展迅猛，概括起来主要有核酸分子杂交技术、PCR技术和重组DNA技术等几大类。其中前两类技术近年来在食品安全检测和分析中得到了较好的应用，是当今发展最快的食品安全检测技术。它主要用于食品生物性污染（病源微生物和寄生虫等）的检测和分析，具有特异和灵敏等优点。3.4生物传感器生物传感器（Biosensor）是由固定化的并有化学分子识别功能的生物材料、换能器件及信号放大装置等构成的分析工具或系统。其工作原理是：生物识别元件中的生物材料（例如酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等）特异性的识别待检测的物质，产生相应的信号，转换器将信号转换成电信号，并经过检测器进行分析，电信号的大小和待测物质之间存在相关性，所以可以通过电信号大小测定待检测物质的含量。生物传感器在检测中应用广泛，可检测食品的新鲜度，食品中细菌和病原菌，食品中的毒素，食品中添加剂等。生物传感器采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，且具有灵敏度高、专一性强、可微型化，测定简便迅速、检测成本较低，准确性较高等优点。在食品安全检测及品质控制中发挥着重要的作用。3.5生物芯片生物芯片（Biochip）即借助微加工和微电子技术。将大量已知序列的核酸或蛋白质片段有序地组合在一个微小基片表面,通过与标记的核酸或蛋白质分子进行反应，分析待检标本的相应成分。目前生物芯片主要用于人类疾病的诊断、人类基因组的研究、药物筛选、DNA测序、农作物优育优选等。由于生物芯片可以在很小的基片上固定大量的生物识别分子，如DNA片段、RNA片段、抗原或抗体分子、蛋白质等，所以在食品检测中有望实现同时检测多个指标。因此，生物芯片在食品安全与营养方面会有广阔的应用前景4生物技术与食品品质食品生物技术经历了一系列的发展过程后，已不再是传统意义上的食品生物技术，它已经成为现代生物技术的重要组成部分。生物技术研究内容主要包括，基因工程、细胞工程、发酵工程和酶工程等方面。4.1基因工程在食品加工中的应用基因工程可以改造食品原材料，改善食品品质及加工特性。在植物食品品质的改良上，基因工程技术得到广泛应用，并取得了丰硕成果，其中主要集中于改良蛋白质、碳水化合物及油脂等食品原料的产量和质量。如豆类植物的第一限制氨基酸为蛋氨酸，但赖氨酸含量较高，与谷物中的蛋白质正好相反，通过基因工程技术，将谷物类植物基因导入豆类植物，研发蛋氨酸含量提高的转基因大豆[8]。利用基因工程菌株改善发酵食品品质和风味。发酵食品的品质风味及产率是影响发酵食品工业经济效益的关键因素，而这些又取决于所使用的微生物菌株品种，但传统的为生物育种方法又难以达到定向改造微生物形状的母的，而利用DNA重组技术、反义RNA技术及基因缺失等基因工程技术构造所需的基因工程菌株是解决该问题的方便、快捷的途径。如在烘焙工业中，将含有丝菌属LIPZ基因的质粒转化到酵母中，利用转基因酵母发酵生面团生产的面包较蓬松，内部结构较均匀。此外还可以用于改善啤酒酵母、酱油酵母、乳酸菌，酶制剂等。4.2细胞工程在食品加工中的应用在食品生物技术领域中，可利用各种微生物发酵生产蛋白质、酶制剂、氨基酸、维生素多糖、低聚糖、及食品添加剂等产品。为了使其高产优质，除使用各种化学、物理方法有变育种及基因工程育种外，采用细胞融合技术或原生质体融合技术也为一种有效的方法。采用动植物细胞大量增殖生产各种保健食品的有效成分及天然食用色素等，在食品、医药及化工等领域得到广泛应用。其中最具影响力的事件如杂交水稻，克隆羊多莉。近年来，细胞工程在食品工业领域的应用主要集中在细胞杂交，快速无性繁殖和细胞育种等方面。利用细胞工程技术进行作物育种，是迄今人类受益最多的一个方面。我国在这一领域已达到世界先进水平，以花药单倍体育种途径，培育出的水稻品种或品系有近百个，小麦有30个左右。其中河南省农科院培育的小麦新品种，具有抗倒伏、抗锈病、抗白粉病等优良性状。利用细胞杂交和细胞培养可生产独特的食品香味和风味的添加剂；如香草素，可可香素等。采用细胞分离法分离出香草植物细胞，然后进行人工培养大量繁殖，提取出香味物质极大提高了香草香料的产量。利用细胞工程已出许多具备特殊抗性和耐性的优质植物新品种。4.3发酵工程在食品加工中的应用发酵工程技术是一项古老的生物技术，传统的厌氧发酵技术已发展成为现代化的深层通气搅拌培养，包括菌种的分离、选育、发酵器设计、空气净化、发酵条件、以及产品分离、提纯等技术。发酵工程在食品工业上的应用：主要有三大类产品，一是生产传统的发酵产品，如啤酒、果酒、食醋等；二是生产食品添加剂；三是帮助解决粮食问题。在啤酒生产中，国外采用固定化酵母的连续发酵工艺进行酿造，可以明显缩短发酵时间。日本利用纯种曲霉进