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食品中微生物学技术的应用研究进展
专业：食品加工与安全 姓名:徐晓辉 学号：1216392011
摘要：生物技术是一门新兴的，综合性的学科，在食品工业发展中具有重要的作用。本文简要介绍了应用于食品工业中的主要生物技术及其应用，并分析了生物技术在食品工业中应用的发展前景及问题。
关键词：生物技术；食品；应用
Abstract：Biotechnology is a new and comprehensive subject which has an important role in the development of the food industry. This paper introduces the main biotechnology applied in food industry and the applications, and analysis the prospects and problems of biotechnology application in food industry development.
Keywords: Biotechnology; food; application

生物技术是对生命有机体进行加工改造和利用的技术， 它是21世纪高新技术的核心之一。目前，生物技术已被应用于工农业、食品加工医疗保健等众多领域中[1]。而食品生物技术是生物技术的重要分支学科，主要指生物技术在食品工业中的应用，其作用主要体现在四个方面，一是利用基因工程、细胞工程技术对食品资源的改造和改良；二是利用发酵工程、酶工程技术将农副原材料加工制成商品，如调味品、酒类、酸奶等发酵制品；三是利用这些生物技术产品进行二次开发，形成新的产品，如高果糖浆，食用添加剂等；四是利用酶工艺、发酵技术、生物反应器等对传统食品加工工艺进行改造，降低能耗、提高产率、改善食品品质等。另外，在食品生产相关领域如食品包装、食品检测等方面，食品生物技术也得到越来越广泛的应用。所以生物技术在食品领域的应用有着广阔的市场和发展前景。
生物技术包括基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程5个方面。该技术是应用生物体（微生物、动物细胞、植物细胞）或其组成部分（细胞器、酶）在最适宜条件下，生产有价值的产物或进行有益过程的技术。
生物技术的大体过程如下：

基因工程
微生物
蛋白质或酶
动植物个体或细胞
发酵工程
蛋白质或酶工程
优良品系
细胞工程
工程菌
特定产品

1. 基因工程
基因工程是以分子遗传学为基础，以DNA重组技术（克隆技术）为手段，用人工的方法把不同生物的遗传物质（基因）分离出来，在体外进行剪切、组合、拼装，形成基因重组体，然后把重组体引入宿主细胞内或个体中以得到高效表达，最终获得人们所需要的基因产物，实现动物、植物、微生物等物种之间的基因转移，或DNA重组，达到食品原料或微生物的改良 [2]。
1.1. 优化食品生物资源及食品品质
基因工程应用于植物食品原料的生产上，可进行品种改良、新品种开发与原料增产，如选育抗病植物、耐除草剂植物、抗虫性或抗病毒植物、耐盐或耐旱植物等，使食品原料的供应更加多样[3]。
同时，在改善食品品质方面，可以通过基因工程改变酶的性质，生产食品结构改良剂；可以将基因工程技术应用于氨基酸的生产，进行氨基酸的工业化生产；可以利用基因工程技术进行天然食品防腐剂的大量生产，主要包括杀菌肽、防御素等；基因工程技术还可用于食品工业中新型蛋白质、单细胞蛋白、维生素酶制剂、微生物多糖、淀粉糖的生产[4]。
1.2. 改良食品工业菌种
食品工业如酒类、酱油、食醋、发酵乳制品等的发展，关键在于是否有优良的微生物菌种，将基因工程应用于微生物育种，从事发酵菌种的改良研究，已经成为改良食品工业菌种的一个重要途径[5]。例如，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，在啤酒酵母的改良中，将α-乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达，可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味[6]；选育出分解β-葡萄糖和糊精的啤酒酵母，能够明显提高麦芽汁的分解率并改善啤酒质量；构建具有优良嗜杀其他茵类活性的嗜杀啤酒酵母已成为纯种发酵的重要措施。
此外，基因工程技术还可以与食品卫生分析检测结合[7]。例如，采用基因探针技术检测有害微生物具有特异性强、灵敏度高和操作简便、省时等优点，通过考查待测样品与标记性DNA探针能否形成杂交分子，即可判断样品中是否含有此种微生物，并且还可以通过测定放射性强度以考查样品中微生物数量 [8]。
2. 蛋白质工程
蛋白质工程是利用X-射线衍射和电子计算机图像显示计算，确定天然蛋白质的三维构象和活性部位，分析设计需要改造的氨基酸残基，然后采用基因定位突变的方法，修饰或人工合成基因，按照设计改造天然蛋白质或酶，提高其应用价值[9]。蛋白质工程可以按照人类的需求创造出原来不曾有过、具有不同功能的蛋白质及其新产品，或生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质，可以定向改造酶的性能，生产新型功能性食品。
2.1. 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[9]。
2.2. 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[10]。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。
3. 细胞工程
细胞工程是在细胞水平上改造生物遗传特性和生产性能，以获得特定的细胞、细胞产品或新生物体的技术，包括细胞融合、细胞培养及细胞核移植等。利用细胞杂交、 细胞培养等技术可获得遗传性状有所改良的新菌株或动植物细胞、生产食品添加剂与酶制剂等。
3.1. 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[11]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114~204.81%，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，实现远缘杂交，为难以人工栽培的食用菌育种提供了新方法。
3.2. 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） [11]。典型的应用是用于味精生产的优良谷氨酸生产菌的育种，继而出现的必需氨基酸生产菌株的育种都应用到细胞融合技术。如L-苏氨酸和L-赖氨酸均已用于生产；酱油曲霉菌经细胞融合技术选育后，酱油的品质明显提高。另外，酒精酵母、酶制剂生产菌的育种多采用细胞工程技术，均得到了很好的成果，在食用酒精和食品专用酶的生产中发挥了巨大的功效 [12]。
在实验室利用细胞工程技术生产天然食品或添加剂已取得了很好的成果，为工业生产开辟了很好的前景。

4. 酶工程
酶工程是指利用酶、细胞或细胞器等具有的特异催化功能，借助生物反应装置和通过一定的工艺手段生产出人类所需要产品[13]。酶工程在食品工程中的应用技术已经比较成熟，包括各种酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶或细胞的固定化技术、固定化酶反应器的研制以及酶的应用等[14]。
4.1. 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 [15]。
例如，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。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β-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。
4.2. 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。
4.3. 食品分析和检测中的应用
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。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。
5. 发酵工程
发酵工程是指采用工程技术手段，利用微生物和有活性离体酶的某些功能，为人类生产有用的生物产品，或者直接用微生物参与控制某些生产的一种技术[16]。现代发酵工程包括微生物资源的开发利用、微生物菌种的选育固定化细胞技术、生物反应器设计、发酵条件的利用及自动化控制、发酵产品的分离与提纯等技术。发酵工程技术涉及到新食品配料、食品加工催化剂、饮料稳定剂、D-氨基酸及其衍生物制造等诸多食品工业领域。
5.1. 改造传统食品加工工艺
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Vc、VB12、VB2、甜味剂、增香剂和色素等 [17]。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。
5.2. 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 [18]；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[19]。

6. 生物技术在食品生产相关领域的应用
1. 在食品包装贮藏中的应用：用生物技术能开发出新型的保鲜和包装材料，替代传统的防腐剂和包装材料。
2. 生物技术在食品检测中的应用：现代生物技术使食品检测实现了快速、准确、成本低的愿望。在食品卫生检验中应用的几种典型的生物技术主要包括基因探针技术、PCR技术、生物传感器技术和免疫法[20]。
3. 应用生物技术解决食品工业生产中的环保问题：在控制水污染、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、环境友好材料的合成、污染环境的修复以及清洁生产等与食品工业可持续发展密切相关的各个方面生物技术均发挥着极其重要的作用[21]。
4. 利用生物技术手段生产保健食品功能成分。如L-肉碱、活性多肽、抗体等。为保健食品工业发展提供充足的原材料。
5. 按照需要的目的构建工程菌。
7. 展望
生物技术是一门新兴的高新技术。对解决人类面临的食物、资源、健康、环境等重大问题发挥着越来越重要的作用。随着研究的不断深入，生物技术正在深刻地改变着经济、生活以及应用科学的发展进程。各国也将此作为重点发展的领域。相信不久的将来。生物技术必能克服种种技术困难和经济因素，为食品工业的上、中、下游，即食品资源改造、食品生产工艺改良及加工品的包装、贮运、检测等方面的发展开拓更为广阔的前景。

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