基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用

以dna重組為核心的互補(bǔ)基因工程技術(shù)是一種新興的現(xiàn)代生物技術(shù)。利用基因工程技術(shù)不但可以提高食品的營養(yǎng)價(jià)值,去除食物原料中的有害成分,同時(shí)還可以通過對農(nóng)作物品種改良,減少種植過程中農(nóng)藥、化肥等化學(xué)品的使用量。目前,經(jīng)基因工程改造的產(chǎn)品已在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位,特別是在食品工業(yè)中越來越顯示了它的優(yōu)越性和發(fā)展前景。基因工程技術(shù)在食品領(lǐng)域中的作用目前涉及到對食品資源的改造、對食品品質(zhì)的改造、新產(chǎn)品的開發(fā)、食品添加劑的生產(chǎn)以及食品衛(wèi)生檢測等方面。基因工程問世30多年來,無論是基礎(chǔ)理論研究領(lǐng)域,還是在生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用方面,都取得了驚人的成績,給國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人類社會的進(jìn)步帶來了深刻而廣泛的影響,同時(shí)為食品工業(yè)開拓了廣闊的發(fā)展空間。1工程互補(bǔ)技術(shù)1.1遺傳物質(zhì)基因重組基因工程(geneticengineering)技術(shù)是指按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖,利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù),特別是酶學(xué)技術(shù),對遺傳物質(zhì)DNA直接進(jìn)行體外重組操作與改造,將一種生物(供體)的基因轉(zhuǎn)移到另外一種生物(受體)中去,從而實(shí)現(xiàn)受體生物的定向改造與改良?；蚬こ痰幕境绦?(1)獲取所需的目的基因;(2)把目的基因與選好的載體連接在一起,即重組;(3)把重組載體轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞;(4)對重組分子進(jìn)行選擇;(5)表達(dá)成蛋白,采用合適條件,獲得高表達(dá)的產(chǎn)品。1.2基因植入煙草1973年美國斯坦福大學(xué)和舊金山大學(xué)Coken和Boyer兩位科學(xué)家成功地進(jìn)行了DNA分子重組試驗(yàn),揭開了基因工程發(fā)展的序幕。1984年,Bevan報(bào)告了從糞鏈球菌中提取的基因植入煙草(Nicotinaplumbaginifolia)的基因組,開創(chuàng)了轉(zhuǎn)基因生物時(shí)代。1994年,美國農(nóng)業(yè)部(USDA)和美國食品與藥品管理局(FDA)批準(zhǔn)第一個(gè)轉(zhuǎn)基因作物產(chǎn)品——延熟保鮮轉(zhuǎn)基因番茄進(jìn)入市場之后,大量的轉(zhuǎn)基因生物作為食品進(jìn)入人們的生活。21食品產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用2.1其他普通型的轉(zhuǎn)化培養(yǎng)基因工程應(yīng)用于植物食品原料的生產(chǎn)上,可進(jìn)行品種改良,新品種開發(fā)與原料增產(chǎn),如選育抗病植物、耐除草劑植物、抗昆蟲或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物。除增加產(chǎn)量外,還應(yīng)用于改良農(nóng)作物品種特性方面,例如,豆類植物中蛋氨酸的含量普遍較低,但賴氨酸的含量很高;而谷類作物中的兩者含量正好相反,通過基因工程技術(shù),可將谷類植物基因?qū)攵诡愔参?開發(fā)蛋氨酸含量高的轉(zhuǎn)基因大豆。維生素A(VA)缺乏在發(fā)展中國家是一種常見的營養(yǎng)缺乏癥,通過基因改造的黃金米(goldenrice),可以產(chǎn)生VA的前體物質(zhì)β-胡蘿卜素,為防治VA缺乏癥提供了解決辦法,但其使用的有效性和安全性一直以來未作深入研究。Stein等結(jié)合健康和營養(yǎng)以及社會經(jīng)濟(jì)政策等因素,通過對黃金米進(jìn)行的以試驗(yàn)為依據(jù)的研究表明黃金米有望極大地減少VA缺乏癥的發(fā)生。此外,通過外源生長激素在受體魚中的表達(dá),可使轉(zhuǎn)基因魚的肌肉蛋白含量和飼料轉(zhuǎn)換效率明顯提高,生長速度加快。生長激素轉(zhuǎn)基因豬也取得了相似的效果,且減少了脂肪,增加了瘦肉率。在不影響奶質(zhì)量的前提下,美國康乃爾大學(xué)利用基因工程技術(shù)研究了一種牛生長激素(bovinesometotropin,BST),將它注射到乳牛體內(nèi),便可提高乳牛的產(chǎn)奶量?；ㄉ^敏源是一種嚴(yán)重的食品過敏源,也是最常見的可能威脅到生命的致敏反應(yīng)。盡管普遍的引發(fā)過敏反應(yīng)的閾值范圍在1個(gè)花生仁左右,但痕量(0.1-10mg)也可能觸發(fā)對花生的過敏反應(yīng)。研究認(rèn)為Arah1、Arah2和Arah3是花生中3種很重要的蛋白質(zhì)過敏源。Dodo等研究發(fā)現(xiàn),通過RNA干涉技術(shù)可以使花生中Arah2的表達(dá)受到抑制,從而生產(chǎn)出低致敏源的花生。2.2糖酶含量的影響最早成功應(yīng)用的基因工程菌是面包酵母菌。人們把編碼麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的基因轉(zhuǎn)移至該食品微生物中,通過表達(dá)使該酵母含有的麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的含量大大提高,從而在面包發(fā)酵過程中產(chǎn)生較多的CO2氣體,使面包膨發(fā)性能良好、松軟可口。另據(jù)Meyer報(bào)道,由于絲狀真菌具有獨(dú)特的高容量表達(dá)和分泌蛋白的能力,可利用其生產(chǎn)真菌或非真菌來源的酶類,通過基因工程技術(shù)可以有效地提高產(chǎn)率及減少非需要的副產(chǎn)物的形成,為此建立一種有效的轉(zhuǎn)化方法至關(guān)重要,目前可以應(yīng)用在真菌上的轉(zhuǎn)化方法有原生質(zhì)體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(PMT)、電穿孔轉(zhuǎn)化法、基因槍轉(zhuǎn)化法以及農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(AMT)。2.3修改型凝乳酶基因的研究進(jìn)展酶的傳統(tǒng)來源是動物肝臟和植物種子,后來因發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展,使得利用微生物生產(chǎn)各類酶成為可能,20世紀(jì)50年代初開始,分子生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展使基因工程技術(shù)在酶制劑方面的應(yīng)用越來越廣泛。凝乳酶是第一次應(yīng)用基因工程技術(shù)把小牛胃中的凝乳酶基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌或真核微生物生產(chǎn)的酶,利用基因工程菌生產(chǎn)凝乳酶是解決凝乳酶供不應(yīng)求的理想途徑。Geoffrog等將編碼牛凝乳酶的基因克隆到乳酸克魯維酵母中發(fā)現(xiàn),乳酸克魯維酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培養(yǎng)基質(zhì),并成功地進(jìn)行了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。2.4提高牛乳的熱穩(wěn)定性啤酒制造中對大麥醇溶蛋白含量有一定要求,如果大麥中醇溶蛋白含量過高就會影響發(fā)酵,容易使啤酒產(chǎn)生混濁,也會使其過濾困難。采用基因工程技術(shù),使另一蛋白基因克隆到大麥中,便可相應(yīng)地使大麥中醇溶蛋白含量降低,以適應(yīng)生產(chǎn)的要求。在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題,牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸,它能結(jié)合鈣離子而使酪蛋白沉淀?，F(xiàn)在采用基因操作,增加k-酪蛋白編碼基因的拷貝數(shù)和置換,k-酪蛋白分子中Ala-53被絲氨酸所置換,便可提高其磷酸化,使k-酪蛋白分子間斥力增加,以提高牛乳的穩(wěn)定性,這對防止消毒奶沉淀和煉乳凝結(jié)起重要作用。在烘烤工業(yè)中,將含有地絲菌屬LIPZ基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到面包酵母中,可以使面包蓬松,內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻,優(yōu)化了加工工藝。2.5增加了針對乙肝疫苗的新知識目前,保健食品的開發(fā)可采用轉(zhuǎn)基因手段,在動、植物細(xì)胞中得到基因表達(dá)而制造有益于人類健康的保健成分或保健因子。例如,2002年,中國農(nóng)科院生物技術(shù)研究所通過重組DNA技術(shù)選育出具有抗肝炎功能的番茄,這種番茄被人食用后,可以產(chǎn)生類似乙肝疫苗的預(yù)防效果。此外,基因工程技術(shù)還可以用于提高食品中礦物質(zhì)和天然存在的抗氧化維生素(VA、VC、VE)等保健因子水平,這些物質(zhì)可以減慢和阻止氧化作用,如在番茄和甜椒中大量存在的番茄紅素已經(jīng)用轉(zhuǎn)基因技術(shù)得到生產(chǎn)。2.6可檢測致病菌近年來DNA探針雜交技術(shù)在食品微生物檢測中的應(yīng)用研究十分活躍,DNA探針雜交技術(shù)具有特異性強(qiáng)、靈敏度高及操作簡便快速等特點(diǎn),將是今后食品微生物檢測技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。目前該技術(shù)已用于多種食品中致病菌的檢測。蠟質(zhì)芽孢桿菌(Bacilluscereus)是一種很重要的經(jīng)食物攜帶,能引起人體疾病的微生物,其產(chǎn)生的腸毒素可能會引起腹瀉、嘔吐等癥狀。為此,檢測這類致病菌顯得極其重要。傳統(tǒng)的檢測方法如平板接種、生化特征描述等方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力,近年來人們通過利用PCR和DNA探針技術(shù)來檢測此類病原菌。Subramanian等通過用限制性內(nèi)切酶BglII從蠟質(zhì)芽孢桿菌質(zhì)粒中獲得了一段大小為3kb的DNA片段為探針,研究發(fā)現(xiàn),此DNA探針對鑒定蠟質(zhì)芽孢桿菌有高度專一性。3轉(zhuǎn)餐食品及其安全性3.1以生物為原料的食品的生產(chǎn)轉(zhuǎn)基因食品(geneticallymodifiedfood,GMF)是指以轉(zhuǎn)基因生物為原料加工生產(chǎn)的食品,利用分子生物學(xué)手段,將某些生物基因轉(zhuǎn)移至其他生物上,使其出現(xiàn)原物種不具備的性狀或產(chǎn)物,針對某一或某些特性,以植入異源基因或改變基因表現(xiàn)等生物技術(shù)方式,進(jìn)行遺傳因子的修飾,使動植物或微生物具備或增加特性,進(jìn)而達(dá)到降低生產(chǎn)成本,增加食品或食品原料價(jià)值的目的。轉(zhuǎn)基因食品包括轉(zhuǎn)基因動物性食品、轉(zhuǎn)基因植物性食品和轉(zhuǎn)基因微生物性食品。轉(zhuǎn)基因動物性食品主要以提高動物的生長速度、瘦肉率、飼料轉(zhuǎn)化率,增加動物的產(chǎn)奶量和改善奶的組成成分為主要目標(biāo),主要應(yīng)用于魚類、豬、牛等。轉(zhuǎn)基因植物性食品主要培育延緩成熟、耐極端環(huán)境、抗病毒、抗枯萎等性能的作物,提高生存能力;培育不同脂肪酸組成的油料作物、多蛋白的糧食作物等以提高作物的營養(yǎng)成分,主要品種有小麥、玉米、大豆、蔬菜、水稻、土豆和番茄等。轉(zhuǎn)基因微生物性食品主要改造有益微生物,生產(chǎn)食用酶,提高酶產(chǎn)量和活性,主要有轉(zhuǎn)基因酵母、食品發(fā)酵用酶等。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)的食品是現(xiàn)代生物技術(shù)和當(dāng)代科學(xué)成功和進(jìn)步的標(biāo)志。3.2認(rèn)同較高的消費(fèi)者的轉(zhuǎn)向意愿人們對轉(zhuǎn)基因食品的接受度取決于他們對基因工程總的看法。許多研究表明,人們對轉(zhuǎn)基因技術(shù)在食品中的應(yīng)用持懷疑態(tài)度,但是也有研究發(fā)現(xiàn),盡管人們對轉(zhuǎn)基因技術(shù)本身有負(fù)面的看法,但在評價(jià)一個(gè)具體的產(chǎn)品時(shí)并不是無條件的和整個(gè)技術(shù)聯(lián)系在一起。例如,消費(fèi)者在轉(zhuǎn)基因技術(shù)涉及植物時(shí)比其涉及動物更容易被接受。葛立群等對遼寧省10個(gè)城市消費(fèi)者進(jìn)行問卷調(diào)查,調(diào)查分析結(jié)果表明,有64.8%的受訪者聽說過轉(zhuǎn)基因食品,在轉(zhuǎn)基因食品與同類普通食品價(jià)格相同的情況下,約占55.5%的受訪者表示愿意購買轉(zhuǎn)基因食品。若是受訪者得知該轉(zhuǎn)基因食品有益于人身體健康,表示愿意購買的比例增加到了57.9%。遼寧省消費(fèi)者愿意購買轉(zhuǎn)基因食品的比例相比于國內(nèi)其他城市處于較高水平。2004年對南京市的消費(fèi)者調(diào)查表明,僅有27.3%的人愿意在價(jià)格相同的條件下購買轉(zhuǎn)基因食品。此外,消費(fèi)者的購買意愿會受其個(gè)體特征、社會經(jīng)濟(jì)因素、初始態(tài)度及認(rèn)知水平的影響。Chen等對臺灣消費(fèi)者進(jìn)行調(diào)查后發(fā)現(xiàn)人們普遍對轉(zhuǎn)基因技術(shù)應(yīng)用在科學(xué)研究方面持積極態(tài)度,而對其在食品中的應(yīng)用持否定態(tài)度。3.3第二、轉(zhuǎn)食動物的養(yǎng)殖成分分析是食品原料營養(yǎng)評價(jià)的基礎(chǔ),轉(zhuǎn)基因作物組成分析評價(jià)要考慮原作物的自然變異情況,轉(zhuǎn)基因食品的營養(yǎng)評價(jià)應(yīng)包括:營養(yǎng)組成,食品中營養(yǎng)成分的生物效能,膳食攝入量和營養(yǎng)性作用。1997年以來,德國的聯(lián)邦農(nóng)業(yè)研究中心進(jìn)行了18項(xiàng)轉(zhuǎn)基因植物喂養(yǎng)動物試驗(yàn),包括乳牛、公牛、乳豬和成年豬、母雞、肉雞和鵪鶉等動物。大部分試驗(yàn)(16項(xiàng))喂養(yǎng)的是第一代轉(zhuǎn)基因植物諸如Bt-玉米,Pat-玉米,Gt-大豆,Gt-馬鈴薯等。有兩項(xiàng)研究是使用第二代轉(zhuǎn)基因植物(如改變了脂肪酸的油菜籽或是菊粉馬鈴薯),結(jié)果發(fā)現(xiàn),在營養(yǎng)價(jià)值方面第一代轉(zhuǎn)基因植物與非轉(zhuǎn)基因品種沒有明顯的差異,也沒有從被喂養(yǎng)的動物組織或器官發(fā)現(xiàn)重組DNA片段。3.3.1gst大豆中的使用問題GMF的蛋白質(zhì)評價(jià)是轉(zhuǎn)基因食品營養(yǎng)素評價(jià)的內(nèi)容之一。Shireen等對GST大豆中的EPSPS基因的表達(dá)作了營養(yǎng)評價(jià)?？茖W(xué)家用大腸桿菌表達(dá)的CP4EPSPS蛋白做了小鼠口服急性毒性試驗(yàn),結(jié)果表明,不同劑量組之間在體重、累積體重和攝食方面沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,解剖未發(fā)現(xiàn)異常。3.3.2飽和脂肪酸基因法Robert研究發(fā)現(xiàn),把海藻中的omega-3長鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFA)基因轉(zhuǎn)入陸地油料作物中,從大西洋鮭魚提取的omega-3-LC-PUFA和轉(zhuǎn)基因油料作物生產(chǎn)的omega-3-LC-PUFA的營養(yǎng)效果一致。3.3.3小鼠鐵、糖等的吸收Drakakaki發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)基因玉米表達(dá)曲霉的植酸酶后,能夠幫助小鼠高效吸收鐵。有關(guān)GMF中主要營養(yǎng)素評價(jià)的文獻(xiàn)資料表明轉(zhuǎn)基因食品的營養(yǎng)素變化不大。3.4非典型食品的安全3.4.1對玉米的養(yǎng)殖和食品的加工發(fā)生的爭議引起質(zhì)疑1998年8月,英國的Pusztai用轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素(GNA)基因的馬鈴薯飼養(yǎng)大鼠,發(fā)現(xiàn)大鼠出現(xiàn)了器官生長異常、體重減輕等癥狀,免疫系統(tǒng)也遭到破壞,對于人類而言,類似結(jié)果可能導(dǎo)致癌癥發(fā)病率和死亡率大幅上升。這一試驗(yàn)結(jié)果引起世界范圍對轉(zhuǎn)基因食品安全性的質(zhì)疑。1999年,美國康乃爾大學(xué)Losey等報(bào)道,用拌有轉(zhuǎn)Bt基因抗蟲玉米花粉的馬利筋草喂養(yǎng)大斑蝶幼蟲,以喂正?；ǚ刍虿患踊ǚ鄣淖鳛閷φ战M,4d后喂Bt花粉的幼蟲死亡率達(dá)44%,從而引發(fā)了“轉(zhuǎn)基因植物對生態(tài)環(huán)境是否安全”的爭議。2000年,美國Aventiscropscienc公司生產(chǎn)的“里聯(lián)”轉(zhuǎn)基因玉米因可能導(dǎo)致部分人皮疹、腹瀉或呼吸系統(tǒng)的過敏反應(yīng),只準(zhǔn)予作動物飼料,但檢測發(fā)現(xiàn)該轉(zhuǎn)基因玉米被混入加工食品中,從而引起全球300多種含玉米產(chǎn)品的回收潮。此后,美國政府于2001年1月出臺了轉(zhuǎn)基因食品管理草案;2005年5月英國《獨(dú)立報(bào)》報(bào)道,MonSant公司的研究表明,食用了轉(zhuǎn)基因玉米的老鼠腎臟變小,血液的構(gòu)成發(fā)生變化。由于轉(zhuǎn)基因大豆在我國國內(nèi)油料市場占有舉足輕重的地位,由此引發(fā)了中國消費(fèi)者對食用轉(zhuǎn)基因大豆油安全性的擔(dān)憂。3.4.2轉(zhuǎn)餐的潛在安全3.4.2.動物的營養(yǎng)和品質(zhì)關(guān)于轉(zhuǎn)基因食品的毒性問題,目前只有一些相關(guān)的試驗(yàn)報(bào)道,尚無人體的研究報(bào)告。1998年,英國Rowett研究院的Putsai博士用轉(zhuǎn)雪花蓮凝集素基因的馬鈴薯喂大鼠,聲稱大鼠食用后體重和器官重量減輕,免疫系統(tǒng)受到破壞。而據(jù)Poulsen等的研究,通過用表達(dá)雪花蓮凝集素基因的大米喂養(yǎng)大鼠,采用90d喂養(yǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),雖然喂養(yǎng)轉(zhuǎn)基因大米組與正常對照組存在明顯的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異,但并沒有數(shù)據(jù)能說明轉(zhuǎn)基因米對大鼠的生長產(chǎn)生有害的影響。3.4.2.雙向大豆的基因編碼第一次與轉(zhuǎn)基因食品有關(guān)的過敏問題的提出是在1996年,當(dāng)時(shí)研究人員發(fā)現(xiàn),在從巴西堅(jiān)果向大豆轉(zhuǎn)移一個(gè)主要過敏原的過程中,同樣也轉(zhuǎn)移了它引發(fā)過敏的能力,它能夠在本來對巴西堅(jiān)果過敏的個(gè)體中引發(fā)過敏反應(yīng)。被討論的這個(gè)基因編碼是2S白蛋白,用于提高飼用大豆的營養(yǎng)狀況。這一發(fā)現(xiàn)促使人們對轉(zhuǎn)基因食物潛在過敏性進(jìn)行更加全面的測試。3.4.2.是否會造成不利的影響抗生素抗性基因是目前轉(zhuǎn)基因植物食品中常用的標(biāo)記基因,但抗生素標(biāo)記基因?qū)θ梭w的健康是否會造成不利的影響,例如,是否會水平轉(zhuǎn)移到腸道微生物或上皮細(xì)胞,從而降低抗生素在臨床治療中的有效性,一直受到人們的關(guān)注。雖然目前人們傾向于認(rèn)