基因工程及其在食品工業(yè)中的應(yīng)用.doc

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基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展前景 學(xué)生姓名： 王繼宇 學(xué) 號(hào)： 201172136 班 級(jí)： 作物(zyxw)S111 學(xué) 院： 農(nóng)學(xué)院 課 程： 現(xiàn)代生物學(xué) 指導(dǎo)教師： 李志新、王曉玲 二○一二年六月 基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展前景 摘要：隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中越來越顯示出其重要性和優(yōu)越性。本文首先簡(jiǎn)要介紹了基因工程的定義及基本程序，然后綜述了基因工程在食品工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，包括 然后探討了轉(zhuǎn)基因食品的安全性問題，最后對(duì)基因工程技術(shù)在食品中的發(fā)展前景進(jìn)行展望。 關(guān)鍵詞：基因工程 食品工業(yè) 轉(zhuǎn)基因食品 應(yīng)用 發(fā)展前景 以DNA重組為核心內(nèi)容的基因工程技術(shù)是一種新興的現(xiàn)代生物技術(shù)，它作為生命科學(xué)領(lǐng)域的前沿科學(xué)，在近幾十年得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。目前，經(jīng)基因工程改造的產(chǎn)品已在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域占據(jù)了重要的地位，特別是在食品工業(yè)中越來越顯示了它的優(yōu)越性和發(fā)展前景?；蚬こ虘?yīng)用于食品之中不僅能使食品質(zhì)量得以提高，還能為世界面臨的糧食危機(jī)、能源環(huán)保等問題提供新的解決思路和方法。二十一世紀(jì)，基因工程在食品工業(yè)中將得到更為廣泛的應(yīng)用。 1、 基因工程技術(shù)與轉(zhuǎn)基因食品 1.1基因工程定義 基因工程(genetic engineering)又稱分子克隆或重組DNA技術(shù)，其定義為：按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的藍(lán)圖，利用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，特別是酶學(xué)技術(shù)，對(duì)遺傳物質(zhì)DNA直接進(jìn)行體外重組操作與改造，將一種生物(供體)的基因轉(zhuǎn)移到另外一種生物(受體)中去，從而實(shí)現(xiàn)受體生物的定向改造與改良。它主要包括DNA重組技術(shù)、基因缺失、基因加倍、外源性基因?qū)侨爰案淖兓蛭恢玫确肿由飳W(xué)技術(shù)手段。 基因工程的基本程序：(1)獲取所需的目的基因；(2)把目的基因與選好的載體連接在一起，即重組；(3)把重組載體轉(zhuǎn)入宿主細(xì)胞；(4)對(duì)重組分子進(jìn)行選擇；(5)表達(dá)成蛋白，采用合適條件，獲得高表達(dá)的產(chǎn)品。 1.2轉(zhuǎn)基因食品及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1轉(zhuǎn)基因食品的定義 轉(zhuǎn)基因食品(genetically modified food，GMF)是指以轉(zhuǎn)基因生物為原料加工生產(chǎn)的食品，利用分子生物學(xué)手段，將某些生物基因轉(zhuǎn)移至其他生物上，使其出現(xiàn)原物種不具備的性狀或產(chǎn)物，針對(duì)某一或某些特性，以植入異源基因或改變基因表現(xiàn)等生物技術(shù)方式，進(jìn)行遺傳因子的修飾，使動(dòng)植物或微生物具備或增加特性，進(jìn)而達(dá)到降低生產(chǎn)成本，增加食品或食品原料價(jià)值的目的。 轉(zhuǎn)基因食品包括轉(zhuǎn)基因植物性食品、轉(zhuǎn)基因動(dòng)物性食品和轉(zhuǎn)基因微生物性食品。轉(zhuǎn)基因植物性食品主要培育延緩成熟、耐極端環(huán)境、抗病毒、抗枯萎等性能的作物，提高生存能力；培育不同脂肪酸組成的油料作物、多蛋白的糧食作物等以提高作物的營(yíng)養(yǎng)成分，主要品種有小麥、玉米、大豆、蔬菜、水稻、土豆和番茄等。轉(zhuǎn)基因動(dòng)物性食品主要以提高動(dòng)物的生長(zhǎng)速度、抗病性、瘦肉率、飼料轉(zhuǎn)化率，增加動(dòng)物的產(chǎn)奶量和改善奶的組成成分為主要目標(biāo)，主要應(yīng)用于兔、魚類、豬、牛、雞等。轉(zhuǎn)基因微生物性食品主要改造有益微生物，生產(chǎn)食用酶，提高酶產(chǎn)量和活性，主要有轉(zhuǎn)基因酵母、食品發(fā)酵用酶等。利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)生產(chǎn)的食品是現(xiàn)代生物技術(shù)和當(dāng)代科學(xué)成功和進(jìn)步的標(biāo)志。 1.2.2轉(zhuǎn)基因食品的發(fā)展現(xiàn)狀 1973年美國斯坦福大學(xué)和舊金山大學(xué)Coken和Boyer兩位科學(xué)家成功地進(jìn)行了DNA分子重組試驗(yàn)，揭開了基因工程發(fā)展的序幕。1983年世界上第一例轉(zhuǎn)基因植物構(gòu)建成功，1985年第一尾轉(zhuǎn)基因魚問世，從此揭開了轉(zhuǎn)基因食品生產(chǎn)的序幕。1986年，首例轉(zhuǎn)基因作物獲準(zhǔn)進(jìn)行田間試驗(yàn)，1993年延熟保鮮番茄(Calgene公司生產(chǎn))在美國獲準(zhǔn)上市，開創(chuàng)了轉(zhuǎn)基因植物商業(yè)應(yīng)用的先例。從此大量的轉(zhuǎn)基因生物作為食品開始進(jìn)入人們的生活。據(jù)有關(guān)國際組織統(tǒng)計(jì)，1998年全球轉(zhuǎn)基因作物種植面積達(dá)2780萬hm2，1999年增至3990萬hm2，增長(zhǎng)44％。1995～1998年全球轉(zhuǎn)基因作物的銷售額由0.75億美元猛增至12億～15億美元。迄今，美國已批準(zhǔn)50種轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)品商業(yè)化，1／4的耕地種植的是轉(zhuǎn)基因作物，其中轉(zhuǎn)基因抗除草劑大豆占美國大豆總面積的55％，轉(zhuǎn)基因玉米占總面積的30％。美國市場(chǎng)上已有近4000種食品來自轉(zhuǎn)基因生物。除了轉(zhuǎn)基因植物性食品外，在食品領(lǐng)域應(yīng)用的轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品還包括轉(zhuǎn)基因動(dòng)物性食品如乳制品、肉制品及海產(chǎn)品等，和基因工程菌株在發(fā)酵食品工業(yè)的應(yīng)用。 我國在八十年代末開始發(fā)展農(nóng)業(yè)基因工程研究，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，對(duì)轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品的研究有了突破性的進(jìn)展。如北京農(nóng)業(yè)大學(xué)的耐貯轉(zhuǎn)基因蕃茄，中國農(nóng)科院的轉(zhuǎn)基因棉花一抗蟲棉，中國水稻所的轉(zhuǎn)基因雜交水稻，北京大學(xué)的抗病蟲害蕃茄、甜辣等。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國已有蓍茄、甜椒、抗蟲棉等6個(gè)品種獲準(zhǔn)投入商業(yè)化生產(chǎn)，1999年我國種植了30萬hm2的轉(zhuǎn)基因農(nóng)作物，品種以蔬菜和棉花為主，轉(zhuǎn)基因農(nóng)產(chǎn)品的種植面積僅次于美國、加拿大、阿根廷，居世界第四位。此外，我國還有15種食用農(nóng)產(chǎn)品的近百個(gè)品種正處于實(shí)驗(yàn)階段。 2、 基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用 2.1改造食品原材料，改善食品品質(zhì) 基因工程應(yīng)用于植物食品原料的生產(chǎn)上，可對(duì)植物的油脂的改良、碳水化合物的改良以及蛋白質(zhì)的改良，從而得到我們想要的食物品質(zhì)。 2.1.1油脂的改良 基因工程對(duì)油脂品質(zhì)的改善主要集中在兩個(gè)方面：控制脂肪酸的鏈長(zhǎng)和飽和度。油脂的酸敗是導(dǎo)致油脂品質(zhì)下降的主要原因。目前已知豆類中的脂氧合酶在酸敗過程中扮演重要角色。美國DuPont公司通過反義抑制/共同抑制油酸酯脫氫酶，開發(fā)成功高油酸含量的人豆油。這種新型油含有良好的氧化穩(wěn)定性，很適合用作煎炸油和烹調(diào)油。導(dǎo)入硬脂酸—ACP脫氫酶的反義基因，油菜種子中硬脂酸的含量從2％增加到40％硬脂酸—COA可使轉(zhuǎn)基因作物中的飽和脂肪酸(軟脂酸、硬脂酸)的含量下降，不飽和脂肪酸(油酸、亞油酸)的含量增加，其中油酸的含量可增加7倍。 2.1.2碳水化合物的改良 通過基因工程技術(shù)可以改變植物食品中淀粉組成及含量，通過反義基因抑制淀粉分枝酶基因則可獲得完全只含直鏈淀粉的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯，Monsanto公司開發(fā)了淀粉含量平均提高了20～30％的轉(zhuǎn)基因馬鈴薯。這種新馬鈴薯使油炸后的產(chǎn)品具有更強(qiáng)的馬鈴薯風(fēng)味，更好的結(jié)構(gòu)，較低的吸油量和較少的油昧。 2.1.3蛋白質(zhì)的改良 蛋白質(zhì)改良的目標(biāo)主要有兩個(gè)：一是提高必需氨基酸的含量，二是改善蛋白質(zhì)的加工性能。例如，豆類植物的主要貯存蛋白質(zhì)——球蛋白中的蛋氨酸含量很低，但賴氨酸含量卻較高，而谷物作物中的蛋白質(zhì)正好相反，通過基因工程技術(shù)，可將谷物類植物基因?qū)攵诡愔参?，開發(fā)蛋氨酸酸含量提高的轉(zhuǎn)基因大豆。另外，我國學(xué)者把從玉米種子中克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因，導(dǎo)入馬鈴薯中，使轉(zhuǎn)基因馬鈴薯塊莖中的必需氨基酸提高了10％以上。 2.1.4提高對(duì)微量元素的吸收 食物中的植酸會(huì)影響人們對(duì)微量元素的吸收和利用，利用基因工程方法改造的低植酸玉米在動(dòng)物試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)比普通玉米喂養(yǎng)鐵的吸收率要提高50％，磷的吸收率提高了7倍。 2.2提高農(nóng)作物的抗病蟲害性能 病蟲害是造成糧、棉、油、果蔬等農(nóng)作物減產(chǎn)、絕收的主要原因之一，植物基因工程技術(shù)的迅速發(fā)展為防治病蟲害提供了一條全新的有效的途徑近年來利DNA重組技術(shù)、細(xì)胞融臺(tái)技術(shù)等基因工程技術(shù)將多種抗病毒、抗蟲基因?qū)朊藁?、小麥、水稻、蕃茄、辣椒等植物體，井獲得了穩(wěn)定的轉(zhuǎn)基因新品系，其中最成功的倒于是我國近兩年來廣泛種植的抗蟲棉．解決了困擾廣大棉區(qū)數(shù)年的棉蛉蟲問題，太大減少了農(nóng)藥所造成的環(huán)境污染、人畜傷亡等事故，同時(shí)也降低了生產(chǎn)成本，提高了產(chǎn)量。 2.3生產(chǎn)食品酶制劑 酶的傳統(tǒng)來源是動(dòng)物肝臟和植物種子，后來因發(fā)酵工程技術(shù)的發(fā)展，使得利用微生物生產(chǎn)各類酶成為可能，20世紀(jì)50年代初開始，分子生物學(xué)和生物化學(xué)的發(fā)展使基因工程技術(shù)在酶制劑方面的應(yīng)用越來越廣泛。凝乳酶是第一次應(yīng)用基因工程技術(shù)把小牛胃中的凝乳酶基因轉(zhuǎn)移到細(xì)菌或真核微生物生產(chǎn)的酶，利用基因工程菌生產(chǎn)凝乳酶是解決凝乳酶供不應(yīng)求的理想途徑。Geoffrog等將編碼牛凝乳 酶的基因克隆到乳酸克魯維酵母中發(fā)現(xiàn)，乳酸克魯維酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培養(yǎng)基質(zhì)，并成功地進(jìn)行了大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)。目前，人類已經(jīng)利用基因工程技術(shù)創(chuàng)造出了許多自然界從未發(fā)現(xiàn)的新酶種，例如蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶等。 2.4改良食品工業(yè)用菌數(shù)及其性能 最早成功應(yīng)用的基因工程菌是面包酵母菌。人們把編碼麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的基因轉(zhuǎn)移至該食品微生物中，通過表達(dá)使該酵母含有的麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的含量大大提高，從而在面包發(fā)酵過程中產(chǎn)生較多的CO：氣體，使面包膨發(fā)性能良好、松軟可口。另據(jù)Meyer副報(bào)道，由于絲狀真菌具有獨(dú)特的高容量表達(dá)和分泌蛋白的能力，可利用其生產(chǎn)真菌或非真菌來源的酶類，通過基因工程技術(shù)可以有效地提高產(chǎn)率及減少非需要的副產(chǎn)物的形成，為此建立一種有效的轉(zhuǎn)化方法至關(guān)重要，目前可以應(yīng)用在真菌上的轉(zhuǎn)化方法有原生質(zhì)體介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(PMT)、電穿孑L轉(zhuǎn)化法、基因槍轉(zhuǎn)化法以及農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化法(AMT)。 2.5改良食品加工性能 啤酒制造中對(duì)大麥醇溶蛋白含量有一定要求，如果大麥中醇溶蛋白含量過高就會(huì)影響發(fā)酵，容易使啤酒產(chǎn)生混濁，也會(huì)使其過濾困難。采用基因工程技術(shù)，使另一蛋白基因克隆到大麥中，便可相應(yīng)地使大麥中醇溶蛋白含量降低，以適應(yīng)生產(chǎn)的要求。在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關(guān)鍵問題，牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸，它能結(jié)合鈣離子而使酪蛋白沉淀?，F(xiàn)在采用基因操作，增加k—酪蛋白編碼基因的拷貝數(shù)和置換，k—酪蛋白分子中Ala—53被絲氨酸所置換，便可提高其磷酸化，使k—酪蛋白分子間斥力增加，以提高牛乳的穩(wěn)定性，這對(duì)防止消毒奶沉淀和煉乳凝結(jié)起重要作用。在烘烤工業(yè)中，將含有地絲菌屬LIPZ基因的質(zhì)粒轉(zhuǎn)化到面包酵母中，可以使面包蓬松，內(nèi)部結(jié)構(gòu)較均勻，優(yōu)化了加工工藝。 2.6生產(chǎn)保健品及特殊食品 保健食品及特殊食品的生產(chǎn)及發(fā)展有賴于基因工程技術(shù)，例如將一種有助于心臟病患者血液凝結(jié)溶血作用的酶基因克隆至牛或羊中，便可在牛乳或羊乳中產(chǎn)生這種酶。用轉(zhuǎn)基因植物生產(chǎn)基因工程疫苗——食品疫苗是當(dāng)前食品生物技術(shù)研究的熱點(diǎn)，食品疫苗就是將某些致病微生物的有關(guān)蛋白質(zhì)(抗原)基因，通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入某些植物受體細(xì)胞中，并使其在受體細(xì)胞中得以表達(dá)，從而使受體植物直接成為具有抵抗相關(guān)疾病的疫苗。目前，已獲成功的有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、鏈球菌突變株表面蛋白等十多種轉(zhuǎn)基因馬鈴薯、香蕉、番茄的食用疫苗，由于這些重組蛋白基因可以長(zhǎng)期地儲(chǔ)存于轉(zhuǎn)基因植物的種子中，十分有利于疫苗的保存、生產(chǎn)、運(yùn)輸和推廣。 3、 轉(zhuǎn)基因食品的安全性 隨著轉(zhuǎn)基因技術(shù)的發(fā)展，轉(zhuǎn)基因食品的安全性越來越受到人們的關(guān)注。轉(zhuǎn)基因食品與傳統(tǒng)食品相比，區(qū)別在于：首先它含有利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入的外源基因；其次可能存在外源基因在受體內(nèi)的表達(dá)產(chǎn)物。由于這兩種成分的不確定性以及由此引起的次級(jí)效應(yīng)，對(duì)人類健康可能有潛在的危害。目前人們對(duì)轉(zhuǎn)基因食品生物的擔(dān)憂基本上可以歸納為3類：(1)轉(zhuǎn)基因食品里加入的新基因無意中對(duì)消費(fèi)者造成的健康危害；(2)轉(zhuǎn)基因作物中的新基因?qū)κ澄镦溒渌h(huán)節(jié)無意中造成的不良后果；(3)人為強(qiáng)化轉(zhuǎn)基因作物的生存競(jìng)爭(zhēng)性，對(duì)自然界生物多樣性的影響。其中人們最為擔(dān)心的是轉(zhuǎn)基因食品對(duì)人體健康是否安全，轉(zhuǎn)基因食品與常規(guī)食品比較有無不安全的成分。這就需要對(duì)其主要營(yíng)養(yǎng)成分、微量營(yíng)養(yǎng)成分、抗?fàn)I養(yǎng)因子的變化、有無毒性物質(zhì)、有無過敏性蛋白以及轉(zhuǎn)入基因的穩(wěn)定性和插入突變進(jìn)行檢測(cè)。另外是人們對(duì)“基因逃逸”的擔(dān)心。所謂“基因逃逸”，就是指微生物之間可以通過轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化、接合進(jìn)行基因轉(zhuǎn)移。人們主要是擔(dān)心轉(zhuǎn)基因作物及基因 食品的有害基因是否會(huì)逃逸到人體或環(huán)境中，加快抗藥性問題。如野生植物種通過受粉可能會(huì)完成抗除草劑的基因改良，會(huì)變成“超級(jí)雜草”，由此形成的具有非自然抗逆性的植物對(duì)那些以其為生的動(dòng)物們來說，可能會(huì)導(dǎo)致生物鏈的斷裂。 盡管轉(zhuǎn)基因技術(shù)有不少安全上的疑點(diǎn)，但它對(duì)我國有極其重要的意義。我國人口眾多，土地資源相對(duì)缺乏，糧食生產(chǎn)壓力很大，轉(zhuǎn)基因作物能改變食品品質(zhì)、 抗蟲、增產(chǎn)、增加作物對(duì)真菌的抵抗力、減少水土流失、減少農(nóng)藥使用量從而帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。轉(zhuǎn)基因作物還有可能改善人民的健康狀況。例如，瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院正在培育一種富含維生物A的大米，它可以有效防治失明，中國農(nóng)科院研究培育出抗乙肝的轉(zhuǎn)基因番茄，已經(jīng)順利通過測(cè)試；美國普遍種植的轉(zhuǎn)基因玉米中色氨酸含量提高了20％，而一般植物食品中含量很低，轉(zhuǎn)基因油菜不飽和脂肪酸的含量大增，對(duì)心血管有利。因此，發(fā)展轉(zhuǎn)基因食品對(duì)我國是有利的。 4、 展望 21世紀(jì)是生物技術(shù)蓬勃發(fā)展的時(shí)代，轉(zhuǎn)基因食品的興起是生物技術(shù)革命的必然結(jié)果。盡管轉(zhuǎn)基因食品的安全性眾說紛紜，但其給人帶來的好處是顯而易見的，尤其對(duì)我國有極其重要的意義。隨著生物技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代基因工程技術(shù)將為農(nóng)業(yè)帶來新的綠色革命，給人們帶來更加豐富、更有利于健康、更富于營(yíng)養(yǎng)的食品，將為人類的衣食住行和保健發(fā)揮無窮無盡的力量，基因工程技術(shù)在食品工業(yè)的應(yīng)用具有極其廣闊的前景和美好的未來。 參考文獻(xiàn): [1]詹太華，杜榮茂. 基因工程技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[J].宜春學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)，2002，24(4)：60-63. 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