食品生物技术.pptx

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,二级,三级,四级,五级,Wednesday,February 12,2020,#,食品生物技术,Food Biotechnology,第一章 绪论,“我梦见我们种的水稻，长得跟高粱一样高，穗子像扫把那么长，颗粒像花生米那么大，我和助手们就坐在稻穗下面乘凉,”,我们计划在五六年内解决一亿以上人口的粮食问题,粮,食,泥腿子,科学家袁隆平永不满足的超级水稻梦,人类对自然界的要求,认识,利用,再造,改造,创造,随着反向生物学的问世,在,20,世纪八十年代诞生了生物技术,(Biotechnology),这门新学科。,生物技术学科的地位,世界新技术革命的主角之一,生物技术,与新材料,信息技术,(,包括微电子、计算机,),一起已成为新产业革命三大支柱之一；,阳光技术，朝阳产业，黄金工程，,倍受世界各国重视,。,生物技术将成为,21,世纪高技术革命的核心内容。,一、生物技术的定义,生物技术代表着,高新技术,，但至今还没有一个统一的定义。而从学术方面对生物技术下定义是在,20,世纪的事,（一）,Biotechnology,术语的诞生,1919,年一位匈牙利农业经济学家,Karl Ereky,首创了,“,Biotechnology,”,一词,目的：表达一切用,生物转化手段进行生产的概念,，并表明,生物学,与,技术之间,的内在联系,（二）国际纯粹及应用化学联合会的定义（,1982,）,生物技术是将生物化学、细胞生物学、微生物学和化学工程等应用于工业生产过程及环境保护的技术。,（三）国际经济合作及发展组织的定义（,1982,）,生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂,(,酶或活细胞,),的作用对物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术,（四）,1985,年,Moo-Young,主编的,综合生物技术,中的定义,生物技术是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术,生物技术包括：,传统生物技术,：酿造技术和发酵技术,现代生物技术,：,以重组,DNA,技术为核心，其研究内容包括：,重组,DNA,技术及其他转基因技术；,细胞和原生质融合技术；,酶和细胞固定化技术；,植物脱毒和快速繁殖技术；,动物和植物细胞大量培养技术；,动物胚胎工程技术；,现代微生物发酵技术,(,高密度发酵、连续发酵和其他新型发酵技术,),；,现代生物反应工程和分离工程；,蛋白质工程；,分子进化工程,一、传统生物技术,生物技术的发展与食品发展的历史是密不可分的，对促进人类社会的文明发展有着非常重要的意义，其发展简史如下：,BC 6000,年，古埃及人和古巴比仑人利用,微生物,发酵生产酒精；,我国也在石器时代后期，开始利用谷物酿酒；,BC 4000,年，古埃及人开始用,酵母菌,发酵生产面包；,BC 221,年，周代后期我国人民开始制作豆腐、酱油和醋,生物技术,的形成和发展,1865,年当时属奥地利的布隆（,Brunn,）基督教修道院的修士,格里高,孟德尔,（,Gregor Johann Mendel,），根据他,8,年植物杂交实验的结果，,2,月,8,日在当地的科学协会上宣读了一篇题为,“,植物杂交实验,”,的论文，,1866,年正式发表在该协会的会刊上。,但这一伟大的发现被搁置了,35,年，孟德尔临终前说：,“,等着瞧吧，我的时代总有一天要来临,”,1885,年，,巴斯德,（,Louis Pasteur),首先证实发酵是由,微生物,引起的，,并建立了,微生物纯种培养技术,；,20,世纪,20,年代，工业生产中大规模采用,纯种培养技术,发酵生产,丙酮和丁醇,；,同时代，,Alexander Fleming,爵士发现了,青霉菌,可以产生,青霉素,，,50,年代青霉素大量生产，为人类疾病治疗做出了巨大贡献，同时带动了,发酵工业,和,酶制剂,工业的发展；,以上属于传统传统意义上的生物技术，,也是近代生物技术的建立和全盛时期。,细菌的发现,我们已经知道,单个的细菌是十分微小的,它们的奥秘是怎样被发现的,?,细菌的发现者是谁,?,他为什么能发现细菌,?,细菌的发现者是谁,?,17,世纪的荷兰人列文虎克并非职业科学家，但是他十分热衷自己制造显微镜,经过几年的努力，他制造了能放大,300,倍的显微镜，是世界先进水平,他是怎样让世人知道他的发现的,?,列文,虎克把自己的发现仔细记录下来,他把观察结果寄给了当时的权威科学机构,英国皇家学会，从此名扬天下，被誉为细菌学的开创者,他的成功是偶然的吗？,他善于发现和提出问题,:,微小的世界是怎样的,?,制定实施实验计划,:,自制显微镜,坚持观察各种微小物体,60,年,做详细记录,善于表达和交流,:,把观察结果寄给英国皇家学会,他的做法就是一个标准的科学探究过程,他还发现了毛细血管、人类的精子、多种原生动物，成功绝非偶然遗憾：微生物从哪来？,微生物学之父：法国人路易斯,巴斯德,巴斯德以严谨的科学精神向世人揭示了细菌的许多秘密。例如，细菌不会在自然界凭空出现,著名的巴斯德鹅颈瓶实验让认为细菌是自然产生的人彻底闭嘴,鹅颈瓶实验的启示：,1,细菌可以用高温杀灭；,2,经杀菌的食物不接触细菌就不会腐败,鹅颈瓶实验原理的应用,1,、外科手术用具的消毒，挽救了许多病人的生命,鹅颈瓶实验原理的应用,2,、巴氏消毒法，这种灭菌法由巴斯德发明,因此得名。,牛奶、啤酒和葡萄酒、罐头等，加热到,70,80,维持,5,30,分钟，就能消灭绝大部分细菌，但不会影响味道和营养。,二、现代生物技术,R.Franklin,&,Wilkins,在,1952,年底拍得了,DNA,的,X-,射线衍射照片,1953,年，,沃森,（,J.D.Watson,）和,克里克,（,H.F.C.Crick,）提出,DNA,分子是双螺旋结构,（,double helix,），奠定了现代分子生物学研究的基础,。,1962,年，,Wilkins,、,Watson,和,Crick,获的诺贝尔医学和生理学奖,1965,年，法国科学家,Jacob,和,Monod,提出了著名的,乳糖操纵子学说，,开创了基因表达调控研究的先河；,1968,年，,Holly,阐明了,酵母丙氨酸,tRNA,的核苷酸序列,，,Khorana,首次合成,核酸分子,，并且人工复制了,酵母基因,；从而分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Figure The,lac,operon includes three genes,Marshall W.Nirenberg,Robert W.Holley,Har Gobind Khorana,Cornell University Ithaca,NY,USA,University of Wisconsin Madison,WI,USA,National Institutes of Health Bethesda,MD,USA,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1/3 of the prize,20,世纪,60,年代末，斯坦福大学的生物化学教授,Paul Berg,开始研究猴病毒,SV40,，于,1972,年获得了世界第一例,重组,DNA,，,1980,获得诺贝尔化学奖；,生物技术时代的新纪元,Paul Berg,Walter Gilbert,Frederick Sanger,1/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,1972,年，美国加州大学的,Boyer,教授从大肠杆菌中分离出一种新的,核酸酶,EcoR,，它可以特异性地切割,DNA,，这种新的核酸酶就是一种,限制性内切酶,生物学家有了强大的生物刀,。,随后，陆续发现了近百种内切酶，可以更加自如地对,DNA,进行操作。,Boyer,教授成为美国第一家上市生物公司,Genentech,的副总裁。,Herbert Boyer,1977,年，美国科学家,Sanger,设计出了一种,DNA,测序,的方法，即,双脱氧末端链终止法,；同年，,Maxam,和,Gilberg,也发明了一种,化学测序方法,两种方法为,DNA,序列分析提供了,有力工具,，极大地推动了,分子生物学的研究,。,Frederick Sanger,Walter Gilbert,1980,年获得了诺贝尔医学和生理学奖,1984,年，德国人,Kohler,、美国人,Milstein,和丹麦人,Jerne,由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Niels K.Jerne,Csar Milstein,Georges J.F.Khler,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1985,年，美国科学家,Mullis,发明了,聚合酶链式反应技术,（,Polymerase Chain Reaction,PCR,），为分子检测、基因突变、基因工程提供了有力的工具，因此，,1993,年获得诺贝尔化学奖。,for his invention of the polymerase chain reaction(PCR)method,Kary B.Mullis,1/2 of the prize,当然，以上内容只是促进生物技术发展的几个重要研究成果和里程碑！,其实，还有许多重要的研究成果：,如，,1928,年,格里菲斯,（,Frederick Griffith,）的,细菌转化实验,；,Avery,的,离体转化实验,等证明,DNA,是遗传物质,Meselson,和,Stahl,关于,DNA,的,半保留复制,等为现代基因工程技术奠定了坚实的基础。与此同时，,细胞培养技术,、,细胞融合技术,、,现代发酵工程,、,现代酶工程,、,生物工程下游技术,和,现代分子检测技术,等也取得了长足的发展。,三、现代生物技术的前景,21,世纪是以生物技术为主的一个世纪，原因在于：,现代生物技术发展迅速，在工业、农业、医药、环境等方面用途广泛,现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展,21,世纪生物技术会取得更大的发展，主要表现在：,（一）现代生物技术对人类生活的影响,疾病诊断、预防；提高作物产量和质量；开发药物；食品添加剂；创造优良家畜；净化环境；增加食物营养；解决能源危机等,（二）现代生物技术对经济社会发展及环境的影响,生物技术的重要性,有助于解决全球的重大难题：资源（能源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害；,促进传统产业的技术改造和新产业的形成，对人类社会生活产生深远的,革命性,影响；,生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面,将对人类的发展做出贡献。,1.1,食品生物技术的基本概念,食品生物技术,(food biotechnology),：是以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其它学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料的技术。是现代生物技术在食品领域中的应用。,食品生物技术在经历了数千年的发展，特别是,20,世纪,60,年代以后的发展后，它已成为现代生物技术的重要组成部分,。,食品生物技术它以包括分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、生理学、生物化学、生物物理学、遗传学、食品营养与毒理学等几乎所有生物学科的次级学科为支撑，同时又结合信息学、电子学、化学工程、食品工艺学、社会伦理学等非生物学科，从而形成一门多学科相互渗透的综合性学科。,目前研究内容主要集中在基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等技术领域。,1.2,食品生物技术在食品工业发展中的地位和作用,食品生物技术研究的内容涉及食品工业的方方面面,从原料到加工,从产品到食品安全,基因工程,是,20,世纪,70,年代以后兴起的一门新技术，也称,DNA,重组技术,主要,原理：以分子遗传学为基础，利用人工方法把生物的遗传物质分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组的,DNA,导入某种宿主细胞中，从而改变它们的遗传性质。这种创造新生物并赋予新生物以特殊功能的过程称为基因工程,基因工程,基因工程技术为人类带来前所未有的改造生物的技术，利用基因工程技术可以根据人类的需要,按意愿设计新型的食品及食品原料,这些食品不再是传统意义上的食品，因为这些食品,可以是具有免疫功能的食品,可以是增加人所需维生素、微量元素的食品,可以是调节人体代谢、增加人体免疫能力的功能性食品,可以是满足时尚的休闲食品等,基因工程还可以为发酵工程提供更优良的工程菌株，促进食品发酵工业,的发展,可以肯定，基因工程将处在,21,世纪食品工业发展的核心位置,细胞工程,基本原理,体外大量培养技术、细胞融合技术,(,也称细胞杂交技术,),、细胞拆分、染色体工程和繁殖生物学技术等,发酵工程,主要原理,包括微生物生长动,力学，发酵条件的优化和控制，生化反应器的设计，以及产品的分离、提取和精制等技术,发酵工程,发酵技术很早就被人们利用于生产食品。,如：通过微生物对发酵底物水果和谷类发酵产生酒精,酿酒,利用乳酸菌发酵的奶制品,-,酸奶、奶酪,利用酵母发酵面粉,-,面包生产,豆类发酵生产酱油,用水果发酵生产的醋,各种食用有机酸,(,如柠檬酸,),、氨基酸,(,如赖氨酸,),、维生素,(,如,VBl),、调味剂,(,如味精,),生产,发酵工程,食品发酵技术不仅成为人类制造食品最重要的技术手段之一，而且在生产食品添加剂等食品原料方面更是其它技术无法替代的。,由此可见，发酵工程在食品工业中占有举足轻重的作用,酶工程,主要原理,酶固定化技术,、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等技术,食品与酶的关系密切，食品生产离不开酶的处理,。,淀粉酶在食品生产中可以用于淀粉糖类的生产，为食品生产提供必不可少的原料,。,凝乳酶应用于奶酪的生产,酶应用于澄清果汁和啤酒；,酶工程技术,转谷氨酰胺酶广泛应用于肉制品、乳制品、植物蛋白制品、焙烤制品可以提高食品加工过程中的溶解性、酸碱稳定性、乳化性、凝胶性，改变食品的组织结构，增加食品的风味、口感和营养价值；,溶菌酶用于食品保鲜,。,利用酶解法生产新型低聚糖,（如菊糖），为人类增添了可食用的具有保健功能的糖源。,随着酶工程技术,的发展，将对新型酶的开发和对酶加工性能的改善有很大的促进作用。可以预见，酶工程在食品工业中所占比重将会更大。,生物工程下游技术,生物工程下游技术是指生物产品分离、纯化技术,是高新技术在食品生物工程中的应用,是与食品加工工艺密切相关的技术，特别在生产功能性食品中，对功能因子的提取将会使生物工程下游技术得到充分的发挥,功能因子大多是一些理化性质不稳定的物质，用常规的提取技术，不仅提取效率低而且提取产物容易被氧化或被酸碱破坏。,现代分离技术可以很好地克服这些缺点，在提取效率、纯度和活性方面都远好于传统的提取方法。,因此生物工程下游技术作为现代食品工业不可缺少的部分，将对食品工业的发展起到强有力的推动作用。,从以上的论述中可以发现，食品生物技术已经渗透到食品工业许多方面，特别是基因工程技术、酶工程技术、发酵工程技术等现代生物技术，将在,21,世纪的食品工业中充当重要角色。,可以说,21,世纪的食品工业，将是建立在现代食品生物技术和现代食品工程技术两大支柱上的一个全新的朝阳产业。,1.3,食品生物技术的发展趋势,食品生物技术,食品添加剂新品种,微生物保健食品,螺旋藻类藻类食品,虫类高蛋白食品,病原菌的检测,食品安全检测,农副产品深加工,推动食品工业可持续发展,食品组分改性及加工,1.3.1,开发食品添加剂新品质,目前国际上对食品添加剂品质要求是：,使食品更加天然、新鲜；,追求食品的低脂肪、低胆固醇、低热量；,增强食品贮藏过程中品质的稳定性；,不用或少用化学合成的添加剂。,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法合成食品添加剂：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、调整肠胃功能性等组分。,1.3.2,发展微生物保健食品,微生物食品有着悠久的历史，酱油、食醋、饮料酒、蘑菇都等属于这个领域，它们与双歧杆菌饮料、酵母片剂、乳制品等微生物医疗保健品一样，有着巨大的发展潜力。,采用微生物生产食品有着独有的特点：,繁殖过程快，在一定的设备条件下可以大规模生产；,要求的营养物质简单；,投入与产出比高；,易于实现产业化；,可采用固体培养，也可实行液体培养，还可混菌培养；,得到的菌体既可研制成产品，还可提取有效成分，用途极其广泛。,1.3.3,发展螺旋藻等藻类食品,螺旋藻是一类古老的单细胞水生藻类，其蛋白质优于植物性蛋白。螺旋藻内含有,10,20,的藻兰素，具有多种酶和激素的功能，已用于食品和化妆品着色剂，还可用于癌症治疗，是一种新的抗癌药,。,科学家认为，螺旋藻是人和动物理想的纯天然的优质蛋白食品，,联合国粮农组织已将螺旋藻正式列入,21,世纪人类食品资源开发计划，我国也已将螺旋藻的研发列为工作重点。,目前我国的养殖条件为每平方米水面每天可产螺旋藻,10,20,克，总体而言，我国螺旋藻的研发已位居世界先进水平。,1.3.4,应用生物技术大力开发某些虫类,高蛋白食品,如：苍蝇的幼虫（蛆）,富含,62,左右的蛋白质及各种氨基酸，从蛆壳中还可提取纯度很高的几丁质。,国内外对苍蝇的工业化开发兴趣浓厚，因为除了能为人类提供高蛋白质源和壳聚糖生命要素外，苍蝇还可用于研制医药产品等。,如中华稻蝗：蛋白质含量占虫体干重的,73.5,，其氮基酸组成与鸡蛋蛋白相似，称之为完全蛋白,。,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，完全可以开发利用,。,中华稻蝗、蝉、柞蚕等的氨基酸含量分别占总氨基酸的,47.73,、,44.63,和,46,，仅次于鸡蛋，高于猪、牛、鸡、鱼和大豆。,可以说昆虫食物是人类较为理想的高营养食品，有望成为人类的重要保健食物来源。,转基因技术,转基因技术的开发可以加速农业、林业和渔业的发展，提高农作物产量，进而通过未来基因食品解决发展中国家人民的饥饿以及营养不良等问题,。,但人们对于转基因生物技术的发展也存在争议，如对人类健康、环境及社会经济的影响等,1.3.5,生物技术用于,食品中病原菌的检测,食品安全是所有食品工业研究发展与制造上最重要的一个前提,。,生物技术以及检测手段对食品安全的检验更为精确与快速。如：,传统对食品中病原菌的检定，须先经扩大培养,一系列生化试验，既费时又不精确,用酶或放射免疫分析法，可大大提高灵敏度,（针对病原菌的特殊蛋白质或毒素做为抗原，让抗体抗原专一结合后，经由抗体上所连结的酶造成的反应或放射物质表现出来,）,美国国家标准分析化学会（,AOAC,），也已正式将这种方法列入食品病原菌的检验方法之中。,免疫分析法是针对蛋白质做检验，因为食品安全中对病原菌的要求极为严格，即使在大量（,25,克）的食物中有一株沙门氏菌也必须检验出来，因此免疫分析法仍需先将样品扩大培养，故并不比传统方法节省时间。,生物技术在这方面的另一项突破是在核酸分子检测技术上，最重要也是最广泛使用的是聚合酶链式反应（,polymerase chain reaction;PCR,技术）。,利用,PCR,技术检测肉毒梭菌、沙门菌、李斯特菌、大肠杆菌,(Ecoli 0157),比传统的检测方法所用的时间短、准确、操作简单。检测可以在一个工作日里完成。,利用,PCR,技术对转基因食品进行检测是目前最行之有效的方法。,标签制是对转基因食品进行管理的内容之一，,PCR,检测技术为实施这一法规提供了技术上的支持。,1.3.6,生物技术用于,食品安全检测,研究开发检测鉴定食品和原料中重组,DNA,及其表达产物的实际应用方法，是各国对转基因食品进行标签管理的基础,。,欧盟于,1996,年联合,20,多个实验室成立了,Bgw,研究转基因作物的检测方法，德国和,Bgw,合作检测香肠中的转基因成分，许多国家由政府相关部门或委托学术机构进行这一工作，如英国（,The Institute for Food Research in Norwich,）和日本,(National Food Research Institute),。,目前实验室研究的检测技术可分为三大类：免疫学方法、核酸探针法和分子标记法，主要是检测食品或原料中重组,DNA,或其表达产物（如蛋白质）。,蛋白质分子检测技术是以蛋白质分子为基础的检测技术，最具代表性的是以免疫学为基础的酶联免疫吸附,(enzyme linked immunosorbent assay,，,ELISA),检测技术和单克隆抗体,(monoclonal antibody,，,McAb),技术。,ELISA,技术已经广泛用于许多检测领域，在食品安全检测中,ELISA,检测技术可以对农药残留、重金属残留、毒性物质、转基因食品等方面进行快速检测，是一项非常有发展前途的检测技术。,物芯片,(biochip),技术是,20,世纪,90,年代初期发展起来的一门新兴技术。通过微加工技术制作的生物芯片，是把成千上万个乃至几十万个生命信息集成在一个很小的芯片上，以对基因、抗原和活体细胞等进行分析和检测,。,用这些生物芯片制作的各种生化分析仪器和传统仪器相比较具有体积小、质量轻、便于携带、无污染、分析过程自动化、分析速度快、所需样品和试剂少等许多优点。,这类仪器的出现将给生命科学研究、疾病诊断、新药品的开发、生物武器战争、司法鉴定、食品卫生监督、航空航天技术等领域带来一场革命。,生物传感器,(biosensor),是指将具有化学识别功能的生物分子固定在特定材料上，再由换能器、信号放大器、信号转换器等组成的分析检测系统。,该系统具有分析速度快、操作简单、价格低等优点，可以进行连续检测和在线分析,在食品领域中，生物传感器已在食品新鲜度、食品口感、食品分析和食品卫生检测等方面得到了应用。,在检测农药残留的研究中，已有对食品中农药残留物如甲基马拉松、乙基马拉松、敌百虫、二乙丙基磷酸、久效磷、百治磷、敌敌畏、速灭磷、二嗪农、涕灭威等的检测,的专用设备。,1.2.7,生物技术对农副产品,深加工的影响,食品工业总产值与农业总产值之比是衡量一个国家食品工业发展水平的重要标志。我国食品工业产值与农业总产值之比为,0.3,0.41,，远低于发达国家,2,31,的水平。,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。其在农副产品深加工和综合利用方面的应用，主要包括以下几个方面。,1.,适宜贮藏加工品种的选育推广,：主要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。,2.,玉,米深加工综合利用：,生产新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料,3.,肉、奶、水产品加工利用,肉类方面重点是提高综合品质以及瘦肉、嫩肉和肥肉的综合利用；,奶制品的研究重点是发酵乳制品；,鱼类产品的研究主要是从淡水鱼内脏、鱼眼、精卵巢中分离提取有效成分，开发生产保健和药物制品。,4.,优质植物蛋白加工利用及新植物蛋白资源的开发,主要,是植物蛋白的营养健康功能的开发利用，如酶解法生产多肽及氨基酸等,。,5.,植物纤维素资源的开发,麦穗,、稻草、豆秸、木屑、枝叶、玉米秸杆、花生壳、薯蔓等通过生物转化，可生产一些重要的生物产品（酒精）,1.2.8,生物技术推动食品工业,的可持续发展,生物技术是保证食品工业可持续发展应用范围最广，最为重要的单项技术。,控制水污染,治理大气污染,有毒有害物质的降解,可再生资源的开发,环境监测,污染环境的修复,清洁生产等,与食品工业可持续发展密切相关的各个方面，均发挥着极其重要的作用，其内容包括以下几个方面。,1.,生物技术在处理污染物时，最终产物大都是无毒无害且性质稳定的物质，如二氧化碳、水、氮气、甲烷等。,因此，它是一种安全而彻底的消除污染的方法。,2.,由于大部分食品工业污染物有机物质含量较高，本身无毒性，适用于生物反应的底物,如一些有机污染物经生物处理后可转化为沼气、酒精、生物柴油、生物蛋白质等有用物质,用生物过程代替化学过程可以降低生产活动的污染水平，有利于实现工艺过程生态化或无废生产，真正实现清洁生产的目的,3.,生物过程是以酶促反应为基础的，作为催化剂的酶是一种活性蛋白，而且酶对底物有高度的特异性，因此生物反应过程通常是在常温、常压下进行，生物转化的效率高、副产物少。,与需要高温、高压条件下的生产过程相比，反应条件大为简化，而且投资小、费用少、消耗低，且效果好、过程稳定、操作简便。,4.,用生物制品取代化学药物、人工合成物等，有助于把人类活动产生的环境污染降至最低水平，使经济发展进入可持续发展的轨道。,当前最具代表性的是生物可降解的食品包装材料、薄膜，还有生物农药、农用化学品等,1.2.9,在食品组,分的改性及加工中的应用,食品组分的功能性质对其食用价值具有重要的影响。,酶制剂可用于食品中的蛋白质、碳水化合物和脂肪的改性。,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，通过适当、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，来改善这些食品的营养和消化利用性能等。,食品生物技术对人类的作用可以归结为,：,（,1,）解决食品短缺，缓解由于人口增长带来的压力；,（,2,）丰富食品种类，满足不同层次消费人群的需求；,（,3,）开发新型功能性食品，保障人类健康；,（,4,）生产环保型食品，保护环境；,（,5,）开发新资源食品，拓宽人类食物来源。,加强遗传育种研究，加强基因改造生物为主的应用研究，培育更适合食品加工的优良品种，开发现代生物技术新产品。,提取番茄红素用的番茄品种。,食品工业用新酶种开发。,纤维素酶、木聚糖酶等。,酶或细胞的固定化技术和酶催化反应装置的结构优化等。,果葡糖浆的生产。,继续名优白酒传统酿造技术的改造。,酒类呈香成分的剖析和主体香气成分确定、名优白酒微量成分与风味关系的解析等。,我国应重点开发的食品生物技术,第二章,基因工程,与食品产业,第一节,基因工程概述,一、基因,工程的定义,1.,基因（,gene,）,DNA,分子中含有特定遗传信息的一段核苷酸序列，是遗传物质最小功能单位。,2.,基因组（,geneome,）,一个生物体的全部基因序列,。,3.,基因表达（,gene expression,）,遗传信息转录和翻译的过程。,（,1,）转录。在,DNA,分子上合成出与其核苷酸顺序相对应的,RNA,的过程。,（,2,）,翻译。在,RNA,的控制下，根据核苷酸链上每三个核苷酸决定一个氨基酸的三联体密码规则，合成出具有特定氨基酸顺序的蛋白质肽链过程。,（,3,）逆转录。以,RNA,为模板，按照,RNA,中的核苷酸顺序合成,DNA,的过程。,4.,重组,DNA,技术（,recombinant DNA technique,）,利用限制性内切核酸酶、连接酶等酶类将不同的,DNA,进行体外切割、连接构成新的,DNA,分子的技术。,5,.,基因工程（,gene engineering,）,运用限制性内切核酸酶、连接酶等酶类将不同,DNA,进行体外切割、连接构成重组,DNA,，再将重组,DNA,经生物介导或直接导入等转移方法引入受体细胞进行克隆、表达，从而改变生物遗传性以创造生物新种质，或通过大量扩增为人类提供有用产品等的技术。,6,.,食品基因工程,利用基因工程的技术和手段，在分子水平上定向重组遗传物质，以改良食品的品质和性状，提高食品的营养价值、贮藏价格性状以及感官性状的技术。,二、基因工程的发展简史,（一）遗传物质的研究,（二）基因工程的诞生和发展,（一）遗传物质的研究,（二）基因工程的诞生和发展,基因工程的三大理论和三大技术基础,1.,三大理论基础,（,1,）,1940,年代,Avery,等人的肺炎球菌的转化试验证明了生物的遗传物质是,DNA,。,（,2,）,1950,年代,Watson,和,Crick,发现了,DNA,分子的双螺旋结构及,DNA,半保留复制机理。,（,3,）,1960,年代,Crick,关于遗传中心法则的确立，即生物体中遗传信息是按,DNARNA,蛋白质方向进行传递。,2.,三大技术基础,（,1,）如何从生物体庞大的双链,DNA,分子中将所需要的基因片段切割下来（限制性内切核酸酶）。,（,2,）如何将获得的基因片段进行连接（,DNA,连接酶）。,（,3,）如何将切割下来的基因片段进行繁殖扩增（基因载体）。,基因工程的主要内容,切,在供体细胞内用限制性内切酶切割基因，以分离出含有特定的基因片段或人工合成目的基因并制备运载体,接,把获得的目的基因与制备好的运载体（质粒、病毒或噬菌体）用,DNA,连接酶连接组成重组体。,贴,把重组体引入宿主细胞,检查,修复,筛选、鉴定出含有外源目的基因的菌体或个体,第二节,基因工程工具酶,一、限制性内切核酸酶,二、,DNA,甲基化酶,三、连接酶,四、,DNA,聚合酶,五、碱性磷酸酯酶,六、,T,4,多聚核苷酸激酶,七、,S1,核酸酶,八、反向转录酶,一、限制性内切核酸酶,（一）限制性内切酶的命名,（二）限制性内切酶种类,（三）限制性内切酶的基本特性,限,制作用,（,restriction,）：指一定类型的细菌可以通过其限制性内切核酸酶的作用，切割降解入侵的外源,DNA,，使得外源,DNA,的入侵受到限制的现象。,修饰作用,（,modification,）：指在,DNA,甲基化酶作用下，生物体自身,DNA,分子在,特定碱基,的特定位置上发生甲基化而得到修饰，从而免遭自身限制性内切核酸酶降解的现象。,（一）限制性内切酶的命名,（二）限制性内切酶种类,1.,类限制性内切酶,2.,类限制性内切酶,3.,类限制性内切酶,1.,类限制性内切酶,2.,类限制性内切酶,3.,类限制性内切酶,（三）限制性内切酶的基本特性,1.,识别特定序列,2.,切割方式,1.,识别特定序列,2.,切割方式,限制酶的主要用途,（,1,）在特异位点上切割,DNA,，产生特异的限制酶切割的,DNA,片段,。,（,2,）建立,DNA,分子的限制酶图谱。,限制酶图谱,（,restriction map,）,:,指一系列限制酶的特异识别序列在,DNA,链上的出现频率和它们之间的相对位置,。,（,3,）构建基因文库。,基因工程中，将某种生物的全部基因组的遗传信息，贮存在可以长期保存的稳定的重组体中，以备需要时能够随时应用它分离所需要的目的基因，这种保存基因组遗传信息的材料，称为,基因文库,（,gene library,）,（,4,）用限制酶切出相同的黏性末端，以便重组,DNA,。,二、,DNA,甲基化酶,限制性内切核酸酶没有种属特异性,，即限制性内切核酸酶识别、切割特定序列的能力同底物,DNA,的来源无关，它可识别、切割各种来源的,DNA,。,DNA,甲基化酶具有种属特异性,，生物体的,DNA,甲基化酶只修饰保护自己的,DNA,，而不修饰保护非己的,DNA,。生物体的限制性内切核酸酶不能降解自身被修饰保护的,DNA,，而只能降解外源的,DNA,。,三、连接酶,四、,DNA,聚合酶,（一）大肠杆菌,DNA,聚合酶,（二）大肠杆菌,Klenow,片段,（一）大肠杆菌,DNA,聚合酶,（二）大肠杆菌,Klenow,片段,五、碱性磷酸酯酶,六、,T,4,多聚核苷酸激酶,七、,S1,核酸酶,八、反向转录酶,第三节,基因工程载体及其选择,载体,（,vector,）：携带外源基因进入受体细胞的运载工具。,基因工程载体的特性,:,（,1,）能在宿主细胞内进行独立和稳定的,DNA,自我复制。在插入外源基因后，仍然保持着稳定的复制状态和遗传特性。,（,2,）易于从宿主细胞中分离，并进行纯化。,（,3,）,DNA,序列中有适当的限制性内切酶位点，最好是单一酶切位点，并位于,DNA,复制的非必需区内，可以在这些位点上插入外源,DNA,，但不影响载体自身,DNA,的复制。,（,4,）具有能够观察到的表型特征，在插入外源,DNA,后，这些特征可以作为重组,DNA,选择的标志。,按照介导的作用目的，可将基因工程载体主要分为,克隆载体,和,表达载体,。,克隆载体,：有一个松弛性复制系统，能使外源,DNA,在受体生物细胞中扩增复制。（例如，细菌质粒载体、,噬菌体载体、柯氏质粒载体）,表达载体,：有一个受体生物细胞所要求的包括启动子序列在内的调控系统，能使外源基因在受体生物细胞中进行功能表达。（例如，,Ti,质粒、,SV,40,猴状病毒）,按照导入的受体生物，一般可将基因工程载体分为,大肠杆菌（原核细胞）载体,、,酵母载体,、,植物载体,、,动物载体,等,（一）大肠杆菌载体,1.,质粒载体,质粒,:,指细菌等生物细胞内一类独立于染色体外而能自我复制的遗传物质。,质粒拷贝数,（,plasmid copy number,）：一种质粒在一个细胞中存在的数目。,（,1,）质粒的生物学特性,一般为,双链,的,共价闭合环状,DNA,（,ccc DNA,），质粒分子的长度一般为,1,200 kb,。不同质粒的分子质量差异显著，小质粒的分子质量约为,10,3,KDa,，仅能编码,2,3,种中等大小的蛋白质；而大质粒的分子质量可达,10,5,KDa,。,（,2,）质粒的分类,根据复制控制类型：一般可将大肠杆菌质粒分为,严紧型复制控制质粒,和,松弛型复制控制质粒,。,严紧型复制控制质粒,:,复制与宿主染色体的复制同步，并与宿主蛋白质的合成有关，而与,DNA,聚合酶,的活性无关。如果宿主蛋白质的合成终止，质粒与宿主染色体的复制也停止。每个宿主细胞中只能达到,1,至数个拷贝。,松弛型复制控制质粒,:,复制与宿主染色体的复制不同步，其与,DNA,聚合酶,的活性有关，而与蛋白质的合成无关。当宿主蛋白质的合成终止时，质粒仍可复制。每个宿主细胞中的质粒拷贝数可达,10,200,个。,（,3,）质粒克隆载体的条件,分子结构中具有多个单一限制酶切位点，具有易被检测的选择标记基因，且切点位于选择标记基因上。,能插入、运载一定大小的外源基因。,在携带外源基因前后在宿主细胞内均能自主复制。,在与外源基因构建重组质粒后具有,转化功能,。,分子质量小，易于操作，一般为,松弛型复制控制,。,容易控制，安全可靠。,现已通过,DNA,重组技术构建了许多质粒克隆载体供基因工程应用，例如，,pBR322,、,pUC,系列等。,（,4,）质粒,pBR322,组成,氨苄青霉素抗性基因（,amp,r,）,四环素抗性基因（,tet,r,）,DNA,复制起始点（,ori,）,优点,分子质量小。,具有两种抗菌素抗性基因可供作,转化子,的选择标记。,较高的拷贝数。,（,5,）,pUC,质粒载体,组成,来自,pBR322,的复制起始点（,ori,）,大肠杆菌,-,半乳糖苷酶基因（,lacZ,）的启动子及其编码,-,肽链的,DNA,序列，此结构称为,lacZ,基因。,氨苄青霉素抗性基因（,amp,r,），但其核苷酸序列有变化，不含原来内切限制酶的单位识别位点。,位于,lacZ,基因中的靠近,5,端的一段,多克隆位点,（,MCS,）区，但它并不破坏该基因的功能。,优点,更小的分子质量和更高的拷贝数。,适用于组织化学方法检测重组体。,有多克隆区位点。,2.,噬菌体载体,（,1,）噬菌体的生物学特性,不同种类的噬菌体（颗粒）在外形上差别很大。大多数噬菌体颗粒由呈,20,面体的头部及尾部构成，例如，,噬菌体；还有一些噬菌体颗粒为线状体形，例如，,M,13,。在结构上，噬菌体颗粒比质粒复杂。,噬菌体颗粒的外壳是蛋白质，内部是核酸。该核酸最常见的构型是,线状双链,DNA,，此外，还有