现代生物技术在食品工业中的应用

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现代生物技术在食品工业中的应用

现代生物技术的迅猛发展，成就非凡，推动着科学的进步，促进着经济的发展，改变着人类的生活与思维，影响着人类社会的发展进程。现代生物技术的成果越来越广泛地应用于医药、食品、能源、化工、轻工和环境保护等诸多领域。生物技术是21世纪高新技术革命的核心内容，具有巨大的经济效益及潜在的生产力。专家预测，到2010～2020年，生物技术产业将逐步成为世界经济体系的支柱产业之一。生物技术是以生命科学为基础,利用生物机体、生物系统创造新物种,并与工程原理相结合加工生产生物制品的综合性科学技术。现代生物技术则包括基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程等领域。在我国的食品工业中，生物技术工业化产品占有相当大的比重；近年，酒类和新型发酵产品以及酿造产品的产值占食品工业总产值的17%。本文主要就现代生物技术的五个主要方面即基因工程、细胞工程、蛋白质工程、酶工程、发酵工程技术在食品工业中的应用进行综述。 在食品发酵中的应用

For personal use only in study and research; not for commercial use

（一）改良面包酵母菌的性能 面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。将优良酶基因转入面包酵母菌中后，其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高，面包加工中产生二氧化碳气体量提高，应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包。

（二）改良酿酒酵母菌的性能 利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株，用以改进传统的酿酒工艺，并使之多样化。采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后，即可直接利用淀粉发酵，使生产流程缩短，工序简化，革新啤酒生产工艺。目前，已成功地选育出分解β－葡聚糖和分解糊精的啤酒酵母菌株、嗜杀啤酒酵母菌株，提高生香物质含量的啤酒酵母菌株。

（三） 改良乳酸菌发酵剂的性能 乳酸菌是一类能代谢产生乳酸，降低发酵产品pH值的一类微生物。乳酸菌基因表达系统分为组成型表达和受控表达两种类型，其中受控表达系统包括糖诱导系统、Nisin诱导系统、pH 诱导系统和噬菌体衍生系统。相对于乳酸乳球菌和嗜热链球菌而言，德氏乳杆菌的基因研究比较缺乏，但是已经发现质粒pN42和PJBL2用于构建德氏乳杆菌的克隆载体。有研究发现乳酸菌基因突变有2种方法：第一种方法涉及(同源或异源的)可独立复制

的转座子，第二种方法是依赖于克隆的基因组DNA 片断和染色体上的同源部位的重组整合而获得。通过基因工程得到的乳酸菌发酵剂具有优良的发酵性能，产双乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的稳定形成能力、抗杂菌和病原菌的能力较强。

蛋白质工程技术在食品工业中的应用

1；改善凝乳酶性质

在干酪加工中, 凝乳酶作为重要的凝结剂而被广泛应用。在动物凝乳酶供应紧缺的情况下, 市场上开发出了多种微生物凝乳酶。但由于其它酶类在特异性、凝结活性、蛋白分解活性、最适pH 值、热稳定性等性质上与天然凝乳酶有一定的差异, 因此在食品加工中易引起产量降低和成熟中出现不良风味的缺点。通过凝乳酶蛋白质工程技术的研究, 目前已经在解释酶的某些结构与功能性质、基团与功能性质、酶的翻译和激活等方面取得了一定进展, 在改变酶的某些性质方面取得了一定效果。这项工程可以潜在地增强和优化凝乳酶的各项酶学性质, 为凝乳酶资源的开发和在食品加工中的合理利用带来了光明的前景。 2；研究和优化纤维素酶的性质

纤维素酶是糖苷水解酶的一种, 它可以将纤维素水解成单糖, 进而发酵成乙醇, 从而解决农业、再生能源以及环境污染等问题。为了更好地利用纤维素, 愈来愈多的国内外学者开始关注纤维素酶的研究。蛋白质工程作为一种工具用来研究纤维素酶的催化机制, 主要包括对潜在活性中心氨基酸残基进行基因定点突变、体外分子定向进化和对定点突变酶进行动力学分析。通常采用基因定点突变技术对典型纤维素酶家族序列不变残基和三维构像进行确认, 并通过设计新的三维复合体来对酶进行修整和探索。

细胞工程技术在食品工业中的应用

1 细胞工程育种

在细胞水平上的原生质体制备与融合有利于实现远缘遗传物质的直接交换, 促进遗传资源的创新。王建华等利用曲霉种间的原生质体融合获得了比亲本菌株淀粉酶产量提高114.00%-204.81%, 且耐高温性能也有所提高的新菌株。再如, 大多数难以栽培的食用菌都与植物有共生或寄生关系, 人工栽培出菇问题一直无法解决, 原生质体融合技术则可以去除细胞壁的屏障, 实现了远缘杂交, 为难以人工栽培的食用菌育种提供了新方法。 .2 细胞培养

利用细胞工程技术生产生物来源的天然食品或天然食品添加剂, 是细胞工程的一个重要领域,应用范围包括生产天然药物(人参皂苷、紫杉醇、长春碱等)、食品添加剂(花青素、胡萝卜素、紫草色素、天然香料等)和酶制剂( SOD酶、木

瓜蛋白酶等)等。SOD是一种颇受关注的酶, 目前SOD主要从动物血液中分离和纯化获得, 由于血液中含有大量的杂蛋白, 分离纯化工艺复杂, 难以达到要求; 天然植物中分离和纯化SOD, 又受到地理环境和气候条件等影响, 难以满足需求。李志勇等研究了大蒜细胞在发酵罐培养过程中SOD合成及培养基中各种基质的消耗规律, 获得的最大生物量和SOD总酶活分别为163 g DW/L和7. 72 @104 U/L, 取得了较好的放大效果, 为植物细胞培养SOD的工业化生产奠定了基础[12]。袁丽红等对细胞培养生产的紫草色素与天然紫草色素进行了理化性质的比较研究, 结果表明, 两者的组成成分基本一致, 耐热性、耐氧化性及不同pH 值条件下颜色的变化无明显差异, 这表明工业化生产天然色素、天然香料等具有较好的发展前景。 3 在食品发酵中的应用

细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。细胞融合是在外力（诱导剂或促融剂）作用下，使两个或两个以上的异源（种、属间）细胞或原生质体相互接触，从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。

细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法，主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合，使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性。例如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交，获得比原产量高3 倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交，分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。日本国税厅酿造试验所用该技术获得了优良的高性能谢利酵母来酿制西班牙谢利白葡萄酒获得了成功。目前，微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间以至属间，不断培育出用于各种领域的新菌种。

酶工程技术在食品工业中的应用

1 开发新型食品添加剂

近年来在发达国家, 酶工程加快了新酶源的开发, 使功能性食品添加剂, 如营养强化剂、低热量的甜味剂、食用纤维和脂肪替代品等得到迅速发展[14]。

甜菊苷是一种非营养型功能性甜味剂。甜菊苷具有轻微的苦涩味, 通过酶法改质后可除去苦涩味, 从而改善了其风味。酶处理方法是在甜菊苷溶液中加入葡萄糖基化合物, 采用葡萄糖基转移酶处理, 生成葡萄基甜菊苷。甘草中所含的甜味物质甘草苷是一种功能性甜味剂, 具有补脾益气、解毒保肝、润肺止咳的功效。甘草苷经B- 葡糖苷酸酶处理, 生成单葡糖苷酶基甘草酸, 其甜度为甘草甜素的5倍, 是高甜度的甜味剂和解毒剂。 2 酶工程在食品保鲜中的应用

酶制剂保鲜技术是利用酶的催化作用, 防止或消除外界因素对食品的不良影响, 从而保持食品原有的优良品质与特性的技术。例如葡萄糖氧化酶加在瓶装饮料中, 吸去瓶颈空隙中氧而延长保鲜期; 溶菌酶对革兰氏阳性菌有较强的溶菌作用, 可用于肉制品、干酪、水产品、乳制品、水果等的保鲜, 且具无毒性、底物专一、高度催化、作用条件温和等优点。 3 食品分析与检测方面的应用

由于酶具有特异性,因此, 也适合于动植物化学组分的定性和定量分析。例如, 采用柠檬酸裂解酶测定柠檬酸的含量, 采用乙醇脱氢酶测定食品中的乙醇含量。NiculescuM等也报道了一种基于乙醇脱氢酶的传感器, 它可以灵活自动地进行白酒分析, 能够对白酒发酵过程进行实时监控, 具有选择性好、灵敏度高、测量简便、快速等优点。此外, 在食品中加入一种或几种酶, 根据它们作用于食品中某些组分的结果, 可以评价食品的质量, 这是一种十分简便的方法。 4 在食品发酵中的应用

酶工程技术在发酵生产中主要用于两个方面，一是用酶技术处理发酵原料，有利于发酵过程的进行。如啤酒酿制过程，主要原料麦芽的质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时，会造成淀粉酶、一葡聚糖酶、纤维素酶的活力不足，使糖化不充分、蛋白质降解不足，从而减慢发酵速度，影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、一葡聚糖酶等制剂，可补充麦芽中酶活力不足的缺陷，提高麦汁的可发酵度和麦汁糖化的组分，缩短糖化时间，减少麦皮中色素、单宁等不良杂质在糖化过程中浸出，从而降低麦汁色泽。二是用酶来处理发酵菌种的代谢产物，缩短发酵过程，促进发酵风味的形成。啤酒中的双乙酰是影响啤酒风味的主要因素，是判断啤酒成熟的主要指标。当啤酒中双乙酰的浓度超过阈值时，就会产生一种不愉快的馊酸味。双乙酰是由酵母繁殖时生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羟基丁酸氧化脱羧而成的，一般在啤酒发酵后期还原双乙酰需要约5～10d 的时间。崔进梅等报道，发酵罐中加入α-乙酰乳酸脱羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮，可缩短发酵周期，减少双乙酰含量。

发酵工程在食品工业中的应用

1 改造传统的食品加工工艺

从植物中萃取食品添加剂不仅成本高, 而且来源有限。化学合成法生产食品添加剂虽然成本低, 但是化学合成率低、周期长, 而且可能危害人体健康。因此, 生物技术, 尤其是发酵工程技术成为食品添加剂生产的首选方法。目前, 利用微生物发酵生产的食品添加剂主要有维生素C、维生素B12、维生素B2、甜味剂、增香剂和色素等产品。发酵工程生产的天然色素、天然新型香味剂正在逐步取代人工合成的色素和香精。

2 开发大型真菌

一些药用真菌, 如灵芝、冬虫夏草、茯苓等, 含有调节机体免疫功能、抗癌、防衰老的有效成分, 是发展功能性食品的一个重要原料来源。对于这些名贵的药用真菌, 一方面可通过野外采摘和人工种植相结合的方式进行资源收集, 但是这种方式的产量低, 易受天气和季节的影响; 另一方面, 则可以通过发酵途径实现工业化生产, 例如河北省科学院微生物研究所等筛选出了繁殖快、生物量高的优良灵芝菌株, 应用于深层液体发酵研究并取得了成功, 建立了一整套发酵和提取新工艺,为研制功能性食品提供更为广阔的药材原料。发酵培养虫草菌也在中国医学科学院药物研究所实现, 分析其产品的化学成分和药理功效, 与天然冬虫夏草基本一致。

生物技术在食品工业中的其他应用 1 食品资源及食品品质的改良

利用基因工程, 对用于食品资源的动植物,利用基因转移或DNA 重组, 使其蛋白质、脂肪、淀粉等营养要素的含量、性质、结构朝着有益人们身体健康的方向转移和发展。如提高水稻胡萝卜素含量、谷物赖氨酸含量、马铃薯固形物含量、改变植物油组成中不饱和脂肪酸比例。应用基因工程技术, 可以将任何生物的性状转移到植物、动物和微生物中, 这项技术已用于改造或转化当今用作食品的植物、动物和微生物。采用基因工程改造的面包酵母可使得面粉的膨发性提高, 所得面包更松软可口。Brigitte Ronnow 等通过替代面包酵母或啤酒酵母中的Gall80 或MIGI 基因, 解除了糖蜜发酵过程中的随着蜜二糖分解形成的葡萄糖对该基因编码的酶蛋白的抑制作用,从而最终提高酒精产率。用现代发酵工程改造传统发酵食品, 最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺, 用于生产味精。利用优选的微生物菌群发酵, 缩短发酵周期, 提高原料利用率, 改良风味和品质。在蛋白质食品加工中, 用磷脂酶A 进行活性面筋的改性; 用肽链内切酶、醛脱氢酶等方法除去蛋白臭; 用肽链内切酶方法生产人造肉和粉末蛋白质也取得了成功。在啤酒的生产中采用基因工程和蛋白质技术将α- 乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达, 可明显降低啤酒中双乙酰含量, 从而改善啤酒风味。利用基因工程技术不但可以成倍地提高酶活力, 而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中, 构建基因工程菌来生产酶制剂, 生产出的酶制剂不仅催化活性、稳定性得到提高, 而且用于食品中可使蛋白质、碳水化合物和脂肪发生改性。例如, 蛋白酶可以改善蛋白质的溶解性；新型食品酶制剂转谷氨酰胺酶可以使蛋白质分子间发生交联, 因而可用于增加大豆蛋白的胶凝性能, 使其具有更好的加工品质。在食品加工过程中, 适量地添加一些酶类, 可以改善产品的色泽、风味和质构, 如用葡萄糖氧化酶可去除蛋液中的葡萄糖, 改善蛋制品

的色泽; 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, 用于肉制品的嫩化。对于含有难消化成分的食品, 可以通过添加一些酶类, 改善这些食品的营养和消化利用性能。

2 在食品检测中的应用

生物技术检测方法具有特异的生物识别功能、极强的选择性, 与现代的物理化学方法相结合, 产生一些简单、结果精确、灵敏、专一、微量和快速的检测方法。生物技术检测方法的应用几乎涉及到了食品检验的各个方面, 包括食品品质评价、质量监督、生产过程的质量监控及食品科学研究。目前常用的检测方法主要有: 酶联免疫吸附测定(ELISA) 、聚合酶链式反应(PCR) 、DNA 探针。

3 在农副产品深加工方面的应用

生物技术可以迅速提高农副产品加工能力和水平, 使我国农副产品加工技术在整体上实现跨越式发展, 甚至能在一些重大关键技术领域达到世界先进水平。利用遗传工程技术选择培育对乙烯敏感性低的新品种, 从基因工程角度解决农副产品的保鲜问题, 以便向食品行业、医药行业提供更多的易于贮藏的工业原料。肉类保鲜方面,重点在于提高综合品质以及瘦肉、嫩肉和肥肉的综合利用; 奶制品方面重点是发酵乳制品、双歧杆菌发酵乳等; 鱼类产品方面重点是从淡水鱼内脏、鱼眼、精卵巢中分离提取有效成分, 不断推出保健制品和药物制品; 将以前废弃不用的农副产品下脚料如麦秸、稻草、豆秸、木屑、枝叶、玉米秆、薯蔓等植物纤维素资源, 通过生物转化, 生产一些重要的生物产品。

4 生产功能食品及新型食品

用酵母或细菌等微生物菌体发酵得到的单细胞蛋白(SCP) , 含有丰富的蛋白质、碳水化合物、维生素、矿物质等, 营养价值极高。而富硒酵母的生产开辟了发酵工艺应用于微量元素生产的新途径。利用转基因手段从目的供体物种体内获得带有特定优良遗传性状的DNA 片段, 直接或通过载体导入被改造物种即“ 受体物种” 的胚胎内, 培育出优良的新品种, 如生长速度快、抗病力强、肉质好的转基因兔、猪、鸡, 这将大力推动畜牧业的发展, 为改善人们的膳食结构提供一条新的思路和方法。利用发酵技术和酶技术可生产双歧杆菌增殖因子, 如低聚果糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖、低聚木糖等; 利用酶技术, 如木聚糖酶、β- 葡聚糖酶、α- 淀粉酶及其他降解细胞壁的酶类可生产膳食纤维素; 还可生产各种活性肽, 如降压肽、抗氧化肽、减肥肽、预防肝性脑病肽和心血管疾病肽等, 提高人类的营养水平和健康状况。

5 在食品包装方面的应用

现代生物技术在食品包装上的应用主要是制造一种有利于食品保质的环境，

如葡萄糖氧化酶能除O2，延长食品的保鲜期，保持食品色、香、味的稳定性，被应用于茶叶、冰淇淋、奶粉、罐头等产品的除氧包装；溶菌酶能消除有害微物生的繁殖，而让某些有益菌得以繁殖，被广泛应用于清酒、乳制品、水产品、香肠、奶油、生面条等食品中以延长保鲜期。利用生物技术制造有特殊功能的包装材料如包装纸、包装膜中加入生物酶,使其具有抗氧化、杀菌、延长食品反应速度等。利用生物技术改变食物贮藏方式和贮藏期，如利用基因工程技术生产耐贮番茄等，延长货架期。

利用生物技术还可生产生物可降解的食品包装材料，建立食品的质量检测方法，处理食品工业废水等，如用固定化酶技术制备酶电极、酶试纸，可以快速简便地检测食品中的化学成分。利用基因工程的DNA指纹技术可以鉴定食品原料和终端产品是否掺假，检测谷物、坚果、牛奶中是否含有微量毒素；利用PCR技术可迅速检测是否为转基因食品，利用生物转化、厌氧发酵等方法处理食品工业废水，使BOD、COD大大降低，达标排放。

展望

现代生物技术在食品工业中的应用越来越广泛，它不仅用来制造某些特殊风味的食品；还用于改进食品加工工艺和提供新的食品资源。食品生物技术已成为食品工业的支柱，是未来发展最快的食品工业技术之一，具有广阔的发展前景和美好的未来。

作为一项极富潜力和发展空间的新兴技术，现代生物技术在食品工业中的应用将会呈现以下四个热点： （1）大力开发食品添加剂新品种

根据国际上对食品添加剂的要求，今后要从两个方面加大开发的力度，一是用生物法代替化学合成的食品添加剂，迫切需要开发的有保鲜剂、香精香料、防腐剂、天然色素等；二是要大力开发功能性食品添加剂，如具有免疫调节、延缓衰老、抗疲劳、耐缺氧、抗辐射、调节血脂、调整肠胃功能性组分。 （2）发展微生物的保健食品

微生物食品有着悠久的历史，酱油、食醋、饮料、酒、蘑菇等属于这个领域，它们与双歧杆菌饮料、酵母片剂、发酵乳制品等微生物医疗保健品一样，有着巨大的发展潜力。利用微生物生产食品具有独特的特点，繁殖过程快，在一定条件下可大规模生产，要求营养物质简单。食用菌的投入与产出比高于其它经济作物，食用菌不仅营养丰富，还含有许多保健功能成分，应大力发展食用菌保健食品。 （3）螺旋藻食品

螺旋藻是世界是最早的海洋天然藻类生物，富含人体所需18种氨基酸，54种微量元素，多种维生素及亚麻酸、亚油酸和多种天然藻类蛋白质，是人和动物

理想的纯天然的优质蛋白质食品。联合国粮农组织已将螺旋藻列入为21世纪人类食品资源开发计划，我国也将螺旋藻的研发列为工作重点。 （4）开发某些虫类高蛋白食品

昆虫蛋白质也是优质的新食物源，如中华稻蝗的蛋白质含量占虫体干重的73.5％，其氨基酸组成与鸡蛋蛋白相似被称为完全蛋白。还有蟋蟀、蝉、蝴蝶、蚂蚁的蛋白质分别占干重的75%、72％、71%和67％，都具有食用价值，完全可以开发。苍蝇的幼虫（蛆）富含62％左右的蛋白质及各种氨基酸，从蛆壳中还可以提取纯度很高的几丁质。可以说，昆虫食物是人类较为理想的高营养食品，有望成为人类重要的保健食物来源，利用生物技术开发昆虫类高蛋白食品具有广阔的前景。

随着生命科学和生物技术日新月异的发展, 代谢组学、蛋白质组学、生物芯片、生物信息学等重大技术相继问世并取得了快速发展, 大大扩展了生物技术的涵盖范围, 也为现代生物技术在食品工业中的应用奠定了更加坚实的基础。在现代生物技术快速发展的带动下,食品工业必将会有更加广阔的前景。

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