基因工程在食品科学中的应用

第三节基因工程在食品产业中的应用利用基因工程改善食品原料的品质利用基因工程改进食品生产工艺利用基因工程生产食品添加剂及功能性食品一、利用基因工程改善食品原料的品质（一）改良动物食品性状（二）改造植物性食品原料（三）改造食品微生物（四）培育高抗的新品种（一）改良动物食品性状为了提高乳牛的产奶量，可将利用大肠杆菌基因工程技术大量生产牛生长激素(BST)，之后注射到母牛体内，既可达到提高母牛产奶量的目的，又不影响奶的质量。为了改良牛奶品质：（1）提高牛奶中k-酪蛋白的含量：奶酪的产率与牛奶中k-酪蛋白的含量成正比，应用基因工程将k-酪蛋白基因在奶牛乳腺中表达。（2）生产无乳糖牛奶：乳糖是牛奶中的主要糖分。对牛奶过敏的人群就是由于体内缺乏能够消化乳糖的乳糖酶的缘故。将乳糖酶基因在牛乳腺细胞中表达能产生无乳糖牛奶。为了提高抗病能力：2004年，日美联手利用基因工程手段培育出对疯牛病(牛海绵状脑病，BSE)具有免疫力的牛，这种牛不携带普里昂蛋白或其他传染蛋白。将编码溶葡萄糖球菌酶的基因转入奶牛基因组中，可以有效预防由葡萄球菌引起的乳房炎。同样，为了提高猪的瘦肉含量或降低猪脂肪含量，可将采用基因重组技术生产的猪生长激素，注射至猪体内，便可使猪瘦肉型化，有利于改善肉食品质。在猪的基因组中转入人的生长素基因，猪的生长速度增加了一倍，猪肉质量大大提高，现在这样的猪肉已在澳大利亚被请上了餐桌。将草鱼的生长激素基因注入鲤鱼的受精卵，培育出一种带有草鱼生长激素基因的鲤鱼和另一种具有草鱼生长激素基因的三倍体鲤鱼“吉鲤”。带有草鱼生长激素基因的鲤鱼，它150天可长至1200克，最大可达2000克；两年可达5000克。它的生长速度比普通鲤鱼快140%以上。吉鲤具有草鱼的生长快优点，又具有鲫鱼的味道。由于它不能生育，因而在推广过程中不存在与其它鱼类杂交引起生态危机之忧。荧光斑马鱼（二）改造植物性食品原料1、提高植物性食品氨基酸含量可以对赖氨酸代谢途径中的各种酶进行修饰或加工，从而使细胞积累更大量的Lys。Asp天冬氨酸激酶(AK)二氢吡啶二羧酸合成酶(DHDPS)Lys…..还可针对性地将富含某种特异性的氨基酸的蛋白基因转入目的植物，以提高相应植物中的特定氨基酸的含量。例如通过分析发现，玉米β-phaseolin富含Met，将此蛋白基因转入豆科植物，就可以大大提高豆科植物种子贮存蛋白的Met含量，而Met正是豆科植物种子贮存蛋白所缺少的成分。2.增加食品的甜味传统的和替代的甜味剂的甜度比较产品相对甜度蔗糖55%高果糖浆Cyclamate安赛蜜(AcesulfameK)阿斯巴甜(Aspartame)糖精天丙甲酯Thaumatin蛋白1.01.450150200300~65020003000天然应乐果蛋白咀嚼时比蔗糖大约甜1.0万倍，是有两条链通过弱的非共价键相互作用而形成的二聚体。A链由45个氨基酸残基组成，B链由50个氨基酸残基组成。研究表明，天冬氨酸AspB7可能是其甜味活性中心。Cys41、Ca2+等对其甜味也产生影响。但由于是由两条多肽链组成，烹调过程中遇到的加热、遇酸(例如醋酸、柠檬酸)等情况很容易使之解离，失去甜味。局限了它作为甜味剂的用途。研究人员通过一段连接序列将A链和B链连接起来，制备了一条应乐果甜蛋白的单链类似物SCM，并在大肠杆菌中表达成功，使通过基因重组技术来生产应乐果甜蛋白成为可能。人们采用化学方法合成出应乐果蛋白基因，它可以编码同时包括A、B两条链的单链肽段。此融合蛋白在转基因番茄和莴苣中进行了表达，得到了具甜味、稳定性和耐受力强的表达产物。还可用基因工程的方法获得新的糖类。例如环化糊精(CD)就是一种新的糖类物质。这种物质有可能作为一种新型甜味剂用于食品工业，研究表明，环化糊精除了具有甜味外还有分解食物中的咖啡因和胆固醇等有害物质的功能。将环化糊精糖基转移酶(CGT)的基因转入植物，可以在转基因植物中获得环化糊精。3、改造油料作物通过表达外源ACC基因，正向提高脂肪酸合成限速酶ACCase（乙酰-CoA羧化酶）的表达；通过导入酵母溶血磷脂酸酰基转移酶（SLC1-1）基因，提高脂肪酸合成脂类的速度，消除脂肪酸合成中的反馈抑制；EPA、DHA、AA及亚麻酸在油料作物中不能合成或只能微量合成，导入所缺乏的Δ5-脂肪酸脱饱和酶、Δ4-脂肪酸脱饱和酶和延伸酶等基因，以植物油脂中的脂肪酸为底物，合成AA（C20：4）、EPA（C20：5）、DHA（C22：6），实现生物合成。相关知识：格陵兰岛位于北冰洋，是一个冰天雪地的银色世界，岛上居住的土著民族爱斯基摩人以捕鱼为生，他们极难吃到新鲜的蔬菜和水果。就医学常识来说，常吃动物脂肪而少食蔬菜水果易患心脑血管疾病。但事实上恰恰相反，爱斯基摩人不但身体非常健康，而且在他们当中很难发现高血压、冠心病、脑中风、糖尿病、风湿性关节炎、癌症等疾病。这种不可思议的现象，同样出现在日本一个岛的渔民身上，这难道仅仅是巧合吗？其中有没有必然的联系呢？科学家们对此产生了浓厚的兴趣，历经十余年的潜心研究，谜底终于找到了，原来与他们每天吃的海鱼中所含的物质有关，那就是EPA、DHA。这两种物质的发现给医学和营养学带来了重大的突破。用基因工程技术可以提高油脂中抗氧化剂的含量。已成功地从拟南芥中克隆甲基转移酶基因并转导到了大豆中，甲基转移酶是γ-生育酚形成生育酚的关键酶。转这种酶基因的大豆能在不降低总生育酚的前提下，使α-生育酚的含量提高80％以上。4、改良植物食品的蛋白质品质（1）外源基因的直接转化与表达为了提高Lys缺乏作物的营养品质，构建了两个含高Lys蛋白质基因cDNA的表达载体，用基因枪法将其导入玉米不同杂交组合的胚性愈伤组织，经PCR扩增、点杂交及Southern杂交表明该基因已整合进玉米基因组中。测定13株T1代种子中Lys的含量，其中有3株Lys含量提高10%以上。通过基因工程提高作物铁蛋白含量可改善饮食中铁含量的不足。Goto等将大豆铁蛋白基因与水稻贮藏蛋白谷蛋白的启动子（GluB-1）相连，通过农杆菌导入水稻。免疫组织印记法证实大豆铁蛋白在转基因植株中特异性积累，其含量比对照提高了3倍。（2）导入经修饰过的外源基因由于大多数作物种子都含有丰富的贮藏蛋白，如通过密码子修饰或插入相应的基因序列来改变特定蛋白的氨基酸组成，也可以提高作物必需氨基酸的含量。（3）导入人工合成基因DNA合成技术的不断完善使合成能编码含有特定必需氨基酸组份蛋白的基因成为可能。如秘鲁“国际马铃薯培育中心”培育出一种蛋白质含量与肉类相当的薯类；转移扁豆蛋白基因可获得具有较高贮存蛋白质的转基因向日葵。我国在此方面也培育出了一批作物新品种，有的已经在生产上推广应用。如山东农业大学将小牛胸腺DNA导入小麦系814527，在第二代出现了蛋白质含量高达16.51％的小麦变异株；中国农业科学院作物研究所将大米草DNA引入水稻品种早丰，出现了籽粒蛋白质含量高达12.74％的受体变异类型。如小麦、玉米等谷物种子缺乏赖氨酸，豆类作物种子缺乏蛋氨酸，将富含赖氨酸和蛋氨酸的种子基因进行分离鉴定，并转入相应的作物中，可得到营养品质较为完全的蛋白质。如将巴西坚果或豌豆蛋白基因转入大豆中，获得含有较高含硫氨基酸的转基因大豆。5、改善园艺产品的采后品质（1）多聚半乳糖醛酸酶（PG）PG在果实成熟过程中合成。利用转基因技术得到的反义PG番茄，果实采后的贮藏期可延长1倍，可以减少因过熟和腐烂所造成的损失；果实抗裂、抗机械损伤、便于运输；抗真菌感染；由于果胶水解受到抑制，用其加工果酱可提高出品率。目前已经从桃、猕猴桃、苹果、西洋梨、砂梨、鳄梨、番茄、黄瓜、甜瓜、马铃薯、玉米、水稻、大豆、烟草、甜菜、油菜、拟南芥等植物中克隆得到PG的编码基因。(2)乙烯合成相关酶基因采用基因工程手段可控制乙烯生成，如导入反义ACC（1-氨基环丙烷-1-羧酸）合成酶基因；导入反义ACC氧化酶基因。􀂾ACC合成酶(简称ACS)基因：ACC合成酶是乙烯生物合成的关键酶，由一个多基因家族所编码。目前，已经从番茄、苹果、康乃馨、绿豆、夏南瓜、笋瓜等植物中得到了ACC合成酶基因。1995年中国农大罗云波等培育出转反义ACS的转基因的番茄，在室温下可贮存3个月。ACC氧化酶基因：又叫乙烯形成酶(EFE)，也是乙烯生物合成途径中的关键酶。在细胞中的含量比ACC合成酶还少，也是由一个多基因家族编码。目前已经从番茄、甜瓜、苹果、鳄梨、猕猴桃以及衰老的麝香石竹花、豌豆、甜瓜等分离出ACC氧化酶基因。利用基因工程方法延缓蔬果成熟衰老、控制果实软化，提高抗病虫和抗冷害能力等方面均有广阔的应用前景。（三）改造食品微生物1.改良微生物菌种2.改良乳酸菌遗传特性3.酶制剂的生产1.改良微生物菌种最早成功应用的基因工程菌(采用基因工程改造的微生物)是面包酵母菌。啤酒生产中要使用啤酒酵母，但由于普通啤酒酵母菌种中不含α-淀粉酶，所以需要利用大麦芽产生的α-淀粉酶使谷物淀粉液化成糊精，生产过程比较复杂。采用基因工程技术，将大麦中α-淀粉酶基因转入啤酒酵母中并实现高速表达。这种酵母便可直接利用淀粉进行发酵，无需麦芽生产α-淀粉酶的过程，可缩短生产流程，简化工序，推动啤酒生产的技术革新。利用基因工程技术还可将霉菌的淀粉酶基因转入大肠杆菌，并将此基因进一步转入单细胞酵母中，使之直接利用淀粉生产酒精。这样，可以省掉酒精生产中的高压蒸煮工序，可节约能源60％，并且生产周期大大缩短。此外，食品生产中所应用的食品添加剂或加工助剂，如氨基酸、有机酸、维生素、增稠剂、乳化剂、表面活性剂、食用色素，食用香精及调味料等，也可以采用基因工程菌发酵生产而得到，基因工程对微生物菌种改良前景广阔。基因工程应用于发酵菌种的改良发酵食品菌种及其特性目的乳制品抗病毒的乳酸菌分泌蛋白酶的乳酸菌分泌胆固醇还原6的乳酸菌避免因病毒感染所造成的损失缩短乳酪熟成所需时间降低乳酪胆固醇含量肉类生产抗菌素的乳酸菌抑制致病菌或腐败菌的生长减低肉品中胆固醇含量改变肉中饱和与不饱和脂肪酸比啤酒生产α-淀粉酶的酵母菌生产β-葡聚糖酶的酵母菌生产双乙酰还原酶或乙酰乳酸脱羧酶的酵母菌生产低热量啤酒改良啤酒过滤效率缩短啤酒的熟成时间酒类耐高浓度酒精酒精的酵母菌生产高浓度乙酸异戊醇的酵母菌提高酒精产量改良酒类风味麦面包耐冷冻的酵母菌改良冷冻面团品质2.改良乳酸菌遗传特性（1）抗药基因目前，利用乳酸菌发酵得到的产品很多，如酸奶、干酪、酸奶油、酸乳酒等，已应用的乳酸菌基本上为野生菌株。有的野生菌株本身就抗多种抗生素，因而在其使用过程中，抗药基因将有可能以结合、转导和转化等形式在微生物菌群之间相互传递而发生扩散。利用基因工程技术可选育无耐药基因的菌株，当然也可去除生产中已应用菌株中含有的耐药质粒，从而保证食品用乳酸菌和活菌制剂中菌株的安全性。（2）风味物质基因乳酸菌发酵产物中与风味有关的物质主要有乳酸、乙醛、丁二酮、3-羟基-2-丁酮、丙酮和丁酮等。可以通过基因工程选育风味物质含量高的乳酸菌菌株。（3）产酶基因乳酸菌不仅具有一般微生物所产生的酶系，而且还可以产生一些特殊的酶系，如产生有机酸的酶系、合成多糖的酶系、降低胆固醇的酶系、控制内毒素的酶系、分解脂肪的酶系、合成各种维生素的酶系和分解胆酸的酶系等，从而赋予乳酸菌特殊的生理功能。若通过基因工程克隆这些酶系，然后导入到生产干酪、酸奶等发酵乳制品生产用乳酸菌菌株中，将会促进和加速这些产品的成熟。另外，把胆固醇氧化酶基因转到乳酸杆菌中，可降低乳中胆固醇含量。（4）耐氧相关基因乳酸菌大多数属于厌氧菌，这给实验和生产带来诸多不便。从遗传学和生化角度看，厌氧菌或兼性厌氧菌几乎没有超氧化物歧化酶基因和过氧化氢酶基因或者说其活性很小。若通过生物工程改变超氧化物歧化酶的调控基因则有可能提高其耐氧活性。当然将外源SOD基因和过氧化氢酶基因转入厌氧菌中，也可以起到提高厌氧菌和兼性厌氧菌对氧的抵抗能力。（5）产细菌素基因乳酸菌代谢不仅可以产生有机酸等产物，还可以产生多种细菌素，然而并不是所有的乳