食品生物技術導論第1章緒論

1、1,食品生物技術導論,主講人：李斌,2,第一章 緒論,1食品生物技術發(fā)展歷史事件與基本概念 1.1重大歷史事件 公元前6000,微生物發(fā)酵生產(chǎn)酒精,釀造啤酒 公元前4000,酵母發(fā)酵生產(chǎn)面包 公元前221,制作豆腐、醬油和醋 1865，孟德爾遺傳規(guī)律學說 1885，巴斯德微生物純培養(yǎng)技術 1909，摩爾根基因?qū)W說,3,1953，Waston and Crick,DNA雙螺旋結構 1965，Jacob and Monod, 乳糖操縱子學說 1969，破譯DNA密碼 20世紀60年代， DNA重組 1972，限制性內(nèi)切酶的發(fā)現(xiàn) 1977， DNA分子內(nèi)核苷酸序列測定 1984，單克隆抗體 1986

2、，PCR技術,4,1.2什么是生物技術？,從應用在食品上來講，生物技術通常包含以下幾個方面內(nèi)容： （1）對用于食品加工中的植物、動物和微生物的DNA進行直接修飾； （2）把微生物及其產(chǎn)物作為食品或食品添加劑； （3）用DNA或蛋白質(zhì)的檢測方法監(jiān)測或鑒定食品中的微生物或其產(chǎn)物；,5,美國政府技術顧問委員會(OAT)定義 “應用生物或來自生物體的物質(zhì)制造或改進一種商品的技術，其還包括改良有重要經(jīng)濟價值的植物與動物和利用微生物改良環(huán)境的技術”。 該定義強調(diào)了生物技術的商品屬性 生物技術顯著特點高技術（精細和密集的復雜技術）高投入（尤其是前期科研投入高）高利潤,6,1.3 食品生物技術基本概念,以現(xiàn)代

3、生命科學的研究成果為基礎，結合現(xiàn)代工程技術手段和其他學科的研究成果，用全新的方法和手段設計新型的食品和食品原料。,7,2食品生物技術包含的內(nèi)容,食品生物技術,基因工程,細胞工程,酶工程,發(fā)酵工程,蛋白質(zhì)工程,下游工程,8,2.1基因工程 基因工程（genetic engineering），也叫基因操作、遺傳工程，或重組體DNA技術。 2.1.1基因克隆 重組體DNA技術發(fā)展中的主要突破就是克隆基因的能力。主要是從生物的染色體上分離特殊基因，通過把它插入到一個載體（vector）中進行克隆。,9,10,基因工程流程模式圖,11,2.2細胞工程（cell engineering）,2.2.1細胞是

4、生物體的結構單位和功能單位。細胞工程就是利用細胞的全能性，采用組織與細胞培養(yǎng)技術對動、植物進行修飾，為人類提供優(yōu)良品種、產(chǎn)品和保存珍貴物種。細胞工程主要包括體細胞融合，核移植，細胞器攝取和染色體片段的重組等。,12,2.2.2體細胞融合是指兩個不同種類的細胞，加上融合劑，在一定條件下，彼此融合成雜交細胞，使來自兩個親本細胞的基因有可能都被表達。 2.2.3目前動物的雜交細胞還只停留在分裂傳代的水平，不能分化發(fā)育成完整的個體，但在理論研究和基因定位上都有重大意義。 2.2.4而植物間的體細胞融合所得到的雜交細胞，已達到了完整的植株水平，獲得了新的雜交植物。,13,2.2.5細胞核移植：將一個物種

5、的細胞核與另一個物種的細胞質(zhì)進行融合后，生殖發(fā)育形成子代。 這一技術對動物優(yōu)良雜交種的無性繁殖具有重大意義。 2.2.6細胞器的移植主要是指中綠體和線粒體的移植。 2.2.7染色體工程則是利用染色體替換來改變生物遺傳特性，如利用染色體的易位、缺體、三體等方法，獲得新的染色體組合。,14,2.3蛋白質(zhì)工程(protein engineering),2.3.1蛋白質(zhì)工程就是通過對蛋白質(zhì)化學、蛋白質(zhì)晶體學和動力學的研究，獲得有關蛋白質(zhì)理化特性和分子特性的信息，在此基礎上對編碼蛋白的基因進行有目的的設計改造，通過基因工程技術獲得可以表達蛋白質(zhì)的轉基因生物系統(tǒng)。,15,主要包含以下幾個方面的內(nèi)容： 通過

6、改變酶促反應的Km和Vmax來提高催化效率 改變蛋白質(zhì)對酸堿和溫度穩(wěn)定的適應范圍，拓寬應用 改變酶在非水溶劑中的反應性，使蛋白在非生理條件下使用 減少酶對輔助因子的需求，簡化持續(xù)生產(chǎn)過程 增加酶對底物的親和力，增加酶的專一性，減少副反應,16,提高對蛋白酶的抗性，簡化純化過程，提高產(chǎn)率 改變酶的別構調(diào)節(jié)位置，減少反饋抑制，提高產(chǎn)物產(chǎn)率 提高蛋白的抗氧化能力 改變酶對底物的專一性 改變蛋白發(fā)生作用的種屬特異性,17,2.4酶工程(enzyme engineering),2.4.1酶是一種在生物體內(nèi)具有新陳代謝催化劑作用的蛋白質(zhì)。 酶工程就是利用酶催化的作用，在一定的生物反應器中，將相應的原料轉化

7、成所需要的產(chǎn)品。它是酶學理論與化工技術相結合而形成的一種新技術。,18,2.4.2酶工程的應用主要集中于食品工業(yè)、輕工業(yè)以及醫(yī)藥工業(yè)中。如我們?nèi)粘Ｉ钪兴姷降募用赶匆路?、嫩肉粉等，就是酶工程最直接的體現(xiàn)。,19,2.4.3生物酶工程是酶學原理和以基因重組技術為主的現(xiàn)代分子生物學技術相結合的產(chǎn)物，主要任務是：(1)采用基因重組技術大量生產(chǎn)酶(克隆酶)，目前已成功地生產(chǎn)了 100多種酶基因。(2)通過基因工程技術，使酶基因發(fā)生定位突變，產(chǎn)生遺傳性修飾酶(突變酶)。(3)設計新酶基因合成自然界不曾有的酶(新酶)。,20,2.4.4在當今日新月異的生物技術中，酶工程的主要任務在于： (1)分解天然大

8、分子如纖維素、木質(zhì)素等，使低分子有機物聚合、檢測與分解有毒物質(zhì)及廢物綜合利用等的新酶開發(fā)： (2)利用基因工程技術開發(fā)新酶種和提高酶產(chǎn)量： (3)固定化酶和細胞、固定化多酶體系及輔因子再生，特定生物反應器的研究和應用：,21,(4)利用生物細胞(組織)研究酶傳感器： (5)酶的非水相催化技術，酶分子修飾與改造以及酶型高效催化劑的人工合成的研究與應用。,22,2.5發(fā)酵工程(fermentation engineering),2.5.1發(fā)酵工程是生物技術的重要組成部分，是生物技術產(chǎn)業(yè)化的重要環(huán)節(jié)。 發(fā)酵(fermentation)最初來源于拉丁語“發(fā)泡(fervere)”是指酵母作用于果汁或發(fā)芽

9、谷物產(chǎn)生CO2的現(xiàn)象。 發(fā)酵（fermentation）從狹義上講是酵母在無氧條件下的呼吸過程，利用有機化合物分解代謝釋放能量的過程。,23,2.5.2發(fā)酵工業(yè)就是利用生物的生命活動產(chǎn)生的酶，對無機或有機原料進行酶加工（生物化學反應過程），獲得產(chǎn)品的工業(yè)。 它包括：傳統(tǒng)發(fā)酵（釀造），如酒類和一些食品的生產(chǎn)； 近代發(fā)酵工業(yè)，酒精、乳酸、丙酮-丁醇等； 新興發(fā)酵工業(yè)，如抗生素、有機酸、氨基酸、生理活性物質(zhì)、單細胞蛋白等的生產(chǎn)。,24,2.5.3現(xiàn)代發(fā)酵工程不但生產(chǎn)酒精類飲料、醋酸和面包，而且生產(chǎn)胰島素、干擾素、生長激素、抗生素和疫苗等多種醫(yī)療保健藥物，生產(chǎn)天然殺蟲劑、細菌肥料和微生物除草劑等農(nóng)用生

10、產(chǎn)資料，在化學工業(yè)上生產(chǎn)氨基酸、香料、生物高分子、酶、維生素和單細胞蛋白等。,25,2.5.4從廣義上講，發(fā)酵工程由三部分組成：上游工程，發(fā)酵工程和下游工程。其中上游工程包括優(yōu)良種株的選育，最適發(fā)酵條件（pH、溫度、溶氧和營養(yǎng)組成）的確定，營養(yǎng)物的準備等。 2.5.5發(fā)酵工程主要指在最適發(fā)酵條件下，發(fā)酵罐中大量培養(yǎng)細胞和生產(chǎn)代謝產(chǎn)物的工藝技術。,26,2.5.6根據(jù)不同的需要，發(fā)酵工藝上還分類批量發(fā)酵：即一次投料發(fā)酵； 流加批量發(fā)酵：即在一次投料發(fā)酵的基礎上，流加一定量的營養(yǎng)，使細胞進一步的生長，或得到更多的代謝產(chǎn)物； 連續(xù)發(fā)酵：不斷地流加營養(yǎng)，并不斷地取出發(fā)酵液。 2.5.7下游工程指從發(fā)酵

11、液中分離和純化產(chǎn)品的技術：包括固液分離技術，細胞破壁技術，蛋白質(zhì)純化技術，最后還有產(chǎn)品的包裝處理技術。,27,2.6生物工程下游技術(biotechnique downstream processing),2.6.1生物工程下游技術是指將發(fā)酵工程、酶工程、蛋白質(zhì)工程和細胞工程生產(chǎn)的生物原料，經(jīng)過提取、分離、純化、加工等步驟，最終形成產(chǎn)品的技術。,28,生物工程下游技術的發(fā)展： 19世紀60年代以前的早期生物工程下游技術 19世紀60年代20世紀70年代，以過濾、蒸餾、精餾等為代表的近代分離技術 20世紀70年代以后，這個時期生物工程下游技術發(fā)展迅速，形成了全新的產(chǎn)業(yè),29,2.7現(xiàn)代分子檢測技

12、術,2.7.1現(xiàn)代分子檢測技術是應現(xiàn)代生物技術的發(fā)展以及其他如醫(yī)學、食品、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護等產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需要而發(fā)展起來的一門新技術。 2.7.2主要包括：核酸分子檢測技術、蛋白質(zhì)分子檢測技術、生物芯片和生物傳感器技術,30,核酸分子檢測技術,建立在核酸（DNA和RNA）基礎上的檢測技術。 由于DNA在生物體中是最穩(wěn)定的物質(zhì)之一，故對其的檢測結果在重復性、準確性和檢測靈敏度上都要優(yōu)于其它檢測方法。 在核酸分子檢測技術上，應用最廣泛的是聚合酶鏈式反應技術（PCR）。,31,在食品安全方面， PCR技術在檢測產(chǎn)毒微生物、以食品為載體的病原微生物等方面提供了一個快速、準確的檢測手段 利用PCR技術對轉基因

13、食品進行檢測是目前最行之有效的辦法，,32,蛋白質(zhì)分子檢測技術是以蛋白質(zhì)分子以寄出的檢測技術，最具有代表性的是酶聯(lián)免疫吸附檢測技術（ELISA）和單克隆抗體技術（McAb） ELISA是以免疫學反應為基礎，將抗原、抗體的特異性反應與酶對底物的高效催化作用相結合起來的一種敏感性很高的試驗技術。 ELISA已廣泛用于許多檢測領域。比如此次的“非典”病毒 ，以及“艾滋病”病毒，都應用了此種檢測技術,33,生物芯片技術是近年來興起的一項綜合性的高新技術。 它以微機電系統(tǒng)技術和生物技術為依托，將生命科學研究中的許多不連續(xù)過程（如樣品制備、生化反應、檢測等步驟）集成并移植到一塊普通郵票大小的芯片上去，并使

14、這些分散的過程連續(xù)化、微型化，以實現(xiàn)對大量生物信息進行快速、并行處理的要求。,34,生物傳感器技術 用固定化生物成分或生物體作為敏感元件的傳感器稱為生物傳感器（biosensor）。生物傳感器并不專指用于生物技術領域的傳感器，它的應用領域還包括環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生和食品檢驗等。,35,生物傳感器的研究現(xiàn)狀和發(fā)展方向,我們研究和開發(fā)生物傳感器是為了向社會提供采用生物傳感器原理的新儀器和分析 控制方法 ,使之可以廣泛地應用于臨床診斷和監(jiān)護、食品分析、工業(yè)控制和環(huán)境狀態(tài)的監(jiān) 測。,36,生物傳感器的開發(fā)和應用進展,在生物技術領域迫切需要建立的各種快速分析和優(yōu)化控制方法中，生物傳感器是目前最受到人們重視

15、的一種。 生物傳感器能對許多過去難于測定的生化物質(zhì)進行定量分析。已經(jīng)在實踐中開始應用的生物傳感器都是固定化酶電極，包括葡萄糖、谷氨酸、乳酸、乙醇等多種,37,生物傳感器與國家標準中的食品分析方法,1996年12月開始實施新國家標準“食品中葡萄糖測定方法酶比色法酶電極法”，這是在國家標準中第一次出現(xiàn)的生物分析方法的法規(guī)， 該標準不僅僅采用了常規(guī)的酶法分析方法，還同時采用了比常規(guī)酶法分析更進步的生物傳感器分析法(固定化酶和酶電極法)，這說明了我國的生物傳感器已發(fā)展到進入國家標準的時代。,38,現(xiàn)代食品生物技術的安全性問題,現(xiàn)代食品生物技術為人類解決食品短缺和環(huán)境的農(nóng)藥污染帶來了希望，同時用這些技術

16、生產(chǎn)的食品是否存在安全性問題，也是人們所關注的，其中主要是轉基因食品的安全性問題。,39,轉基因食品的安全主要為以下幾個方面： 轉基因食品中外源基因?qū)θ私】档臐撛谖ｋU 轉基因作物中的新基因在無意中對食物鏈其他環(huán)節(jié)造成的不良后果 轉基因植物對生物多樣性的影響,40,食品生物技術的地位和作用,基因工程技術的作用： 根據(jù)人類需要人為地設計新型的食品與食品原料。 為發(fā)酵工程提供更優(yōu)良的工程菌株，促進食品發(fā)酵工業(yè)的發(fā)展。,41,發(fā)酵工程的的地位與作用,用來生產(chǎn)各種食品，如酒、發(fā)酵奶制品、面包、泡菜等 生產(chǎn)食品添加劑，如食用有機酸（檸檬酸）、氨基酸、維生素、調(diào)味品（味精）等,42,蛋白質(zhì)工程和酶工程的地位

17、與作用,食品與酶的關系密切，酶在食品生產(chǎn)過程中起著很大的作用，如淀粉糖類生產(chǎn)中需要用到淀粉酶、糖化酶等。 同時在食品加工過程中添加各種風味酶類，可以改善食品的風味、口感等。 蛋白質(zhì)工程技術的發(fā)展，又促進了新型酶的開發(fā)和酶加工性能的改善。,43,生物工程下游技術的地位與作用,生物工程下游技術與食品加工工藝有著密切的聯(lián)系，特別是在生產(chǎn)功能性食品中，功能因子的提取更是離不開下游技術的發(fā)展。因為功能因子一般都是理化性質(zhì)不穩(wěn)定的物質(zhì)，常規(guī)方法提取效率低下而且提取產(chǎn)物易被破壞。而用現(xiàn)代生物分離技術能很好的克服這些缺點。,44,4食品生物技術研究和應用進展與展望,4.1生物技術研究和應用進展 一、食品生產(chǎn)方

18、面 生物技術能夠極大地影響食品原料的生產(chǎn)、保藏以及改變食品的營養(yǎng)和功能特性。利用生物技術生產(chǎn)加工助劑和添加劑(如酶、調(diào)味劑、多糖、色素和抗氧化劑)也能夠改進食品原科的整個利用狀況。,45,(一)原料生產(chǎn) 在食品原料生產(chǎn)中，生物技術在以下領域中發(fā)揮作用： (1)通過提高營養(yǎng)成分的利用率相轉比率來提高生產(chǎn)率： (2)通過增強植物耐性來提高生產(chǎn)率： (3)對具所需特征的食品新資源的鑒定。,46,(二)原料修飾及改良 可用生物技術來改良原料、增加耐應力及改進其功能持性和營養(yǎng)價值。在食品原料的加工中，大分子的碳水化合物被分離出來，或作為膳食纖維、或水解成糖等產(chǎn)品。 而這些多糖轉化和原料特殊結構改變的能力

19、會導致食品中碳水化合物功能特性的改進并提高產(chǎn)量。,47,(三)原料保藏 用生物技術保藏原料對農(nóng)業(yè)和食品加工業(yè)是至關重要的。青飼料、可可豆和咖啡豆的發(fā)酵、茶葉的發(fā)酵(氧化作用)和原料轉化為SCP等都說明了各種微生物發(fā)酵法已廣泛地應用于原料保藏和質(zhì)量改進中。,48,(四)添加劑和加工助劑的生產(chǎn) 添加劑相加工助劑已用于原料的生產(chǎn)中，如在動物飼養(yǎng)中的疫苗和生長調(diào)節(jié)劑以及植物生長中的微生物殺蟲劑和除草劑。許多食品添加劑(如，脂肪酸和其他的有機酸、香蘭素、vB2、vBl2、vc、vD)都是利用生物技術生產(chǎn)的。,49,(五)生產(chǎn)方法 隨著高效生物反應器在大型發(fā)酵過程中的使用，目前利用計算機控制生產(chǎn)已成為研究

20、重點。這對于生產(chǎn)新型生物催化劑以及過程放大用于動、植物細胞培養(yǎng)系統(tǒng)非常重要。 目前對固定化技術、反應器的設計相細胞膜通透性進行了大量的研究工作這將有助于解決目前在動、植物細胞連續(xù)培養(yǎng)中存在納問題，如剪切敏感性、生長速度慢和代謝產(chǎn)物積累問題。,50,二、食品加工方面 在食品加工中，生物技術對食品的組成、質(zhì)量和功能性質(zhì)有極其重要的影響。它為產(chǎn)品的改進、保藏、穩(wěn)定性以及安全性、特征化和質(zhì)量控制提供了工具。此外，一些加工方法，尤其是分離方法、發(fā)酵工藝以及廢物的利用都有助于產(chǎn)品的改進。 ,51,(一)產(chǎn)品的修飾 我國在改進食品某些成分(如，蛋白質(zhì)、多糖、脂肪和油)方面已有許多重大的進展。 目前正在探京將

21、晶體結構理論和蛋白質(zhì)化學的人工基因合成理論相結合來改變蛋白質(zhì)的性質(zhì)。用木瓜蛋白酶嫩化肉就是大規(guī)模應用酶的水解來改進產(chǎn)品功能性質(zhì)的實例之一。,52,(二)產(chǎn)品保藏 微生物的新陳代謝已廣泛地應用于食品保藏和提高其穩(wěn)定性上，尤其是對子乳品、肉類、魚類、水果和蔬菜制品。目前，利用遺傳操作技術改造菌種可以提高發(fā)酵工業(yè)中微生物的利用率。,53,(三)產(chǎn)品的安全性、特征性和質(zhì)量控制 除了使用標難方法來檢測食品的質(zhì)雖和安全性以及食品成分外，最近開發(fā)了三種與食品的安全性、持征性和質(zhì)量控制有關的方法： (1)應用單克隆抗體確定作物的最佳收獲期和產(chǎn)品的新鮮度；(2)應用生物傳感器和DNA雜交技術控制產(chǎn)品質(zhì)量；(3)

22、用組織培養(yǎng)和基因方法評估營養(yǎng)性和毒理性。,54,(四)加工方法 用于回收和純化產(chǎn)品的單元操作包括沉淀、離心和過濾，以及透析、浮選和超濾。 菌體的分離通常采用生物絮凝法或合成的多聚電解質(zhì)絮凝。近來正研究用天然多聚電解質(zhì)如幾丁質(zhì)和脫乙酰幾丁質(zhì)代替合成的多聚電解質(zhì)的方法。利用液一液萃取進行酶的提純相超臨界萃取提取食品中的成分越來越受到重視。,55,(五)加工廢料的處理和利用 食品生產(chǎn)和加工中會產(chǎn)生大量的廢料，這些廢料不僅會造成處理和污染等問題，而且還能造成必需營養(yǎng)物質(zhì)大量損失。 在食品工業(yè)中，回收菌體及分離有價值的蛋白質(zhì)副產(chǎn)品已有長期曲實踐經(jīng)驗。在過去10多年中，已將超濾技術用于食品加工中，尤其是用于從奶酪業(yè)、家庭奶酪業(yè)和工業(yè)酪蛋白加工廢料中回收乳清蛋白。,56,總之，生物技術正在或即將對食品的生產(chǎn)及加工產(chǎn)生直接或間接的影響，改變著食品工業(yè)的面貌。,57,58,59,60,61,62,63,5.食品生物技術的產(chǎn)業(yè)化概況,一、主要產(chǎn)品的產(chǎn)量 生物技術在食品產(chǎn)業(yè)中的應用是其最早開發(fā)應用的領域。含醇飲料(酒類)、發(fā)酵調(diào)味品(醬油、臘等)和發(fā)酵乳制品(如奶酪、酸奶)等的制造均屬于傳統(tǒng)食品生物技術，用近代發(fā)酵或酶反應技