生物工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用

齊曉巍

（天津二商集團(tuán)有限公司，天津300041）

生物工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用

齊曉巍

（天津二商集團(tuán)有限公司，天津300041）

綜述生物工程技術(shù)在食品工業(yè)中應(yīng)用的歷史、現(xiàn)狀，并對其前景作一展望。

生物工程；微生物；食品安全

Abstract：Review bioengineering applications in food industry history,current situation,and the prospects were discussed.

Key words:bioenginering;microbiology;food safety

生物工程就是運(yùn)用現(xiàn)代生物科學(xué)、工程學(xué)和其他基礎(chǔ)科學(xué)知識，按照預(yù)先的設(shè)計，對生物進(jìn)行控制、改造或模擬生物及其功能，用來發(fā)展商品生產(chǎn)和社會服務(wù)的新興技術(shù)領(lǐng)域。生物工程的利用包括生物體生產(chǎn)：如食品、糧食、纖維等；生物機(jī)能利用：如凈化污水、處理垃圾等；生物代謝產(chǎn)物的利用：如氨基酸、抗生素等。生物工程與傳統(tǒng)技術(shù)相比較有如下特點：一是在分子水平上對基因和蛋白質(zhì)進(jìn)行再設(shè)計、創(chuàng)造自然界不存在的基因、蛋白質(zhì)和新的生物種，短期內(nèi)完成自然界幾百萬年進(jìn)化才能完成的過程；二是精確控制生物成長、發(fā)育和代謝，提高生產(chǎn)力；三是在不同層次上對生物結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆合、重組，將不同生物的優(yōu)良性狀集合在一起[1]。

1 生物工程概述

目前生物工程有三大技術(shù)：即基因重組技術(shù)（即基因工程、基因組換）、細(xì)胞融合技術(shù)和組織培養(yǎng)技術(shù)。

1.1 基因重組技術(shù)

生物的遺傳物質(zhì)是核酸，核酸是由脫氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）組成，基因是與遺傳性狀相應(yīng)的一段DNA分子。基因重組技術(shù)是生物工程的核心，程序是：分離DNA，在體外用酶剪切和拼接→插入載體（病毒微生物質(zhì)粒等）→轉(zhuǎn)入微生物或培養(yǎng)的動植物細(xì)胞內(nèi)→無性繁殖（復(fù)制）—基因克隆→控制適當(dāng)條件，使轉(zhuǎn)入基因在細(xì)胞內(nèi)表達(dá)→產(chǎn)生需要的產(chǎn)品[2]。

1.2 細(xì)胞融合技術(shù)

以植物細(xì)胞為例進(jìn)行細(xì)胞培養(yǎng)，取植物根、莖、花、葉、花粉等一部分（外植體）→用次氯酸鈉、升汞、酒精進(jìn)行表面消毒→建立無菌培養(yǎng)系，嚴(yán)格控制無菌條件→形成療傷組織和器官、分化出芽，并可誘導(dǎo)形成根的小植株→生成大植株。

細(xì)胞融合的過程首先要制備原生質(zhì)體：以纖維素酶等組成混合液，消化細(xì)胞壁，經(jīng)過濾、離心洗滌制成原生質(zhì)體懸浮液；再將兩親本原生質(zhì)懸浮液以1∶1混合后加入融合誘導(dǎo)劑（聚乙二醇PEG）融合成原生質(zhì)體導(dǎo)核體；最后經(jīng)數(shù)天培養(yǎng)原生質(zhì)體再生出細(xì)胞壁，細(xì)胞在分裂過程中完成核的融合，這種細(xì)胞即雜交種細(xì)胞，選擇、誘導(dǎo)、分化獲得雜種植株。

細(xì)胞誘導(dǎo)融合的方法一般有三種：化學(xué)法，用化學(xué)藥物聚乙二醇（PEG）高鈣、高pH法；離子誘導(dǎo)法：常用鹽類有硝酸鈉、硝酸鈣等；物理誘導(dǎo)法：電融合最好，還有離心、振蕩等誘導(dǎo)法。

1.3 組織培養(yǎng)技術(shù)

利用組織培養(yǎng)技術(shù)進(jìn)行微繁殖，將植物某一部分組織小塊，進(jìn)行培養(yǎng)并誘導(dǎo)分化大量的小植株，達(dá)到快速無性繁殖的目的，也稱之為試管繁殖技術(shù)。這種繁殖技術(shù)速度快、周期短，并可實現(xiàn)工廠化生產(chǎn)。

2 生物工程在食品工業(yè)中應(yīng)用的歷史

食品工業(yè)中涉及的生物工程多與微生物有關(guān)，無論基因重組、細(xì)胞融合、組織培養(yǎng)都是通過微生物來實現(xiàn)的。大腸桿菌、酵母菌被稱為工程菌、這是因為微生物在實現(xiàn)現(xiàn)代化的生物工程生產(chǎn)中有其特殊的優(yōu)越性，最容易轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，微生物是很小的，1000個桿菌連接起來才有一粒米大，微生物以比表面積（表面積與體積之比）、轉(zhuǎn)化能力、繁殖速度、變異與適應(yīng)性、分布范圍五大特殊本領(lǐng)，亦即五大特殊優(yōu)點而著稱。五大本領(lǐng)中最基本的是微生物的比表面積比其他生物大得多，生物體比表面積越大其代謝性越強(qiáng)，微生物24 h所合成的營養(yǎng)物質(zhì)相當(dāng)原來體重的30倍~40倍，而一頭500 kg的乳牛一晝夜只能合成0.5 kg蛋白質(zhì)，相差1000倍。細(xì)菌在適宜的條件下20 min繁殖一代，經(jīng)24 h培養(yǎng)，一個細(xì)胞可繁殖成4萬億個細(xì)胞，細(xì)菌比植物繁殖快500倍，比動物繁殖快2000倍。大腸桿菌、酵母菌等細(xì)胞結(jié)構(gòu)和繁殖方式簡單，遺傳背景清楚，經(jīng)過生物工程構(gòu)成“工程菌”，每一個“工程菌”等于一個小工廠，而這個小工廠是在常溫、常壓條件下進(jìn)行，消耗很少的能源，很少污染環(huán)境。這就是生物工程為什么要以微生物為手段取得生產(chǎn)優(yōu)勢和較大經(jīng)濟(jì)效益的理由。

食品工業(yè)利用生物工程成功的首例是1988年瑞士用基因重組酵母（工程菌）制成凝乳酶，并在市場出售，用于奶酪的制造。上世紀(jì)90年代初美國的菲扎公司也用基因重組的大腸菌生產(chǎn)凝乳酶，從而大幅度降低奶酪的生產(chǎn)成本。

我國食品科研項目轉(zhuǎn)讓中取得高經(jīng)濟(jì)效益的成果，如啤酒酵母、檸檬酸發(fā)酵工藝、白酒香型菌（已酸菌、甲烷菌）等都具有一定的高科技因素，而這些高科技或多或少都含有生物工程的技術(shù)。因此食品科研取得好的效益和回報，食品工業(yè)求得現(xiàn)代化的發(fā)展就必須重視生物工程的研究和開發(fā)。

現(xiàn)代生物工程首先在農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)大放光彩。從20世紀(jì)80年代世界農(nóng)業(yè)進(jìn)入技術(shù)密集型，并且取得空前未有的成效，如荷蘭，國土僅有4萬平方公里，其中半數(shù)為沙地，但農(nóng)業(yè)出口額位居世界第二位，僅次于美國。荷蘭一個農(nóng)業(yè)勞動力供養(yǎng)112人，是英、法、德等先進(jìn)工業(yè)國的10倍，其之所以取得如此大的成果，利用生物工程是一個重要原因，世界第一頭轉(zhuǎn)基因牛犢（取名前程）就是在荷蘭誕生的；以色列土地面積只有230萬公頃，可耕地只占1/5、全年無雨期達(dá)7個月，農(nóng)業(yè)灌溉是大問題，20世紀(jì)60年代研究出滴灌溉技術(shù)，用膠管把水肥輸送到作物的根部，由此減少了水分蒸發(fā)的損失，使產(chǎn)量成倍增加。這種技術(shù)已出口到世界100多個國家。以色列利用生物工程培育了許多蔬菜水果品種，其中僅西紅柿就有40多個品種，以色列鄂梨味道甜美，大量出口到歐洲市場，柿子遠(yuǎn)銷東南亞；我國水稻專家袁隆平教授利用生物工程技術(shù)使水稻與高粱雜交成功。擴(kuò)大了產(chǎn)量滿足了市場的需求。

3 生物工程在食品領(lǐng)域應(yīng)用

3.1 微生物蛋白質(zhì)

通過基因工程，即基因重組技術(shù)，設(shè)計分泌蛋白質(zhì)的微生物、由工程菌、大腸菌、酵母生產(chǎn)蛋氨酸、大豆球蛋白、雞卵清蛋白成功（美國）。

用微生物發(fā)酵生產(chǎn)的真菌蛋白（禾殺鐮刀菌）、蛋白質(zhì)含量44%，無膽固醇，低脂肪，深受消費(fèi)者歡迎。

過去氨基酸的生產(chǎn)采用植物蛋白提取和化學(xué)合成法生產(chǎn)，成本高，產(chǎn)量低，現(xiàn)采用基因重組和細(xì)胞融合技術(shù)的工程菌生產(chǎn)，成本降低、產(chǎn)量增加。

3.2 新糖源

國外以淀粉為原料生產(chǎn)果葡糖漿。美國將吡喃環(huán)糖氧化酶固定在載體上并與化學(xué)催化劑相結(jié)合生產(chǎn)純果糖。新的甜味劑多用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)甜度高，低熱量的產(chǎn)品，如天冬精（門冬酰苯丙氨酸甲酯）甜度是砂糖的2400倍，用酶法或發(fā)酵法生產(chǎn)的氯化砂糖是砂糖甜度的600倍。國外也在進(jìn)行某些植物含有天然蛋白質(zhì)甜味劑的研究，將這種植物蛋白質(zhì)甜味劑的基因用基因轉(zhuǎn)換技術(shù)移植到微生物，就可用發(fā)酵法大量生產(chǎn)。我國也找到一些酵母菌可在常溫、常壓、正常通氣條件下生產(chǎn)新的糖源。

3.3 新的食品添加劑

某些食品添加劑、食用色素、食用香精是化學(xué)合成品，對人體有副作用。應(yīng)用發(fā)酵法已經(jīng)生產(chǎn)出對人體健康無害的食品添加劑，作為生物工程產(chǎn)品新的食品添加劑，將逐步代替對人體有害的化學(xué)合成品。

4 討論

應(yīng)用生物工程技術(shù)制成的食品也有安全性的問題。如用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)的蛋白質(zhì)，菌體除含蛋白質(zhì)外還含有核酸脂肪和碳水化物等成分，其中核酸不被人體完全分解，長期大量食用就會引起痛風(fēng)癥。許多國家對待直接食用生物工程生產(chǎn)的食品是小心翼翼的，多數(shù)產(chǎn)品是二次加工的原料，這些問題有待于今后繼續(xù)研究解決。

[1]王弘.國內(nèi)外食品生物技術(shù)發(fā)展概況[J].廣州化工，2005(5)

[2]王向東，趙良忠.食品生物技術(shù)[M].2007:71-80

Bioengineering Applications in Food Industry

QI Xiao-wei
（Tianjin Second Commerial Group Co.,LTD.,Tianjin 300041,China）

2010-06-03

齊曉巍（1963—），男（漢），工程師，碩士，研究方向：食品管理及工程。