基因工程及其在食品工業(yè)中的應用.doc

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基因工程在食品工業(yè)中的應用與發(fā)展前景 學生姓名： 王繼宇 學 號： 201172136 班 級： 作物(zyxw)S111 學 院： 農學院 課 程： 現(xiàn)代生物學 指導教師： 李志新、王曉玲 二○一二年六月 基因工程在食品工業(yè)中的應用與發(fā)展前景 摘要：隨著生物技術的不斷發(fā)展，基因工程技術在食品工業(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)中的應用現(xiàn)狀，包括 然后探討了轉基因食品的安全性問題，最后對基因工程技術在食品中的發(fā)展前景進行展望。 關鍵詞：基因工程 食品工業(yè) 轉基因食品 應用 發(fā)展前景 以DNA重組為核心內容的基因工程技術是一種新興的現(xiàn)代生物技術，它作為生命科學領域的前沿科學，在近幾十年得到了迅速的發(fā)展和廣泛的應用。目前，經基因工程改造的產品已在農業(yè)、醫(yī)藥、環(huán)保等領域占據(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。基因工程應用于食品之中不僅能使食品質量得以提高，還能為世界面臨的糧食危機、能源環(huán)保等問題提供新的解決思路和方法。二十一世紀，基因工程在食品工業(yè)中將得到更為廣泛的應用。 1、 基因工程技術與轉基因食品 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，其定義為：按照預先設計好的藍圖，利用現(xiàn)代分子生物學技術，特別是酶學技術，對遺傳物質DNA直接進行體外重組操作與改造，將一種生物(供體)的基因轉移到另外一種生物(受體)中去，從而實現(xiàn)受體生物的定向改造與改良。它主要包括DNA重組技術、基因缺失、基因加倍、外源性基因導是入及改變基因位置等分子生物學技術手段。 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)把重組載體轉入宿主細胞；(4)對重組分子進行選擇；(5)表達成蛋白，采用合適條件，獲得高表達的產品。 1.2轉基因食品及其發(fā)展現(xiàn)狀 1.2.1轉基因食品的定義 轉基因食品(genetically modified food，GMF)是指以轉基因生物為原料加工生產的食品，利用分子生物學手段，將某些生物基因轉移至其他生物上，使其出現(xiàn)原物種不具備的性狀或產物，針對某一或某些特性，以植入異源基因或改變基因表現(xiàn)等生物技術方式，進行遺傳因子的修飾，使動植物或微生物具備或增加特性，進而達到降低生產成本，增加食品或食品原料價值的目的。 轉基因食品包括轉基因植物性食品、轉基因動物性食品和轉基因微生物性食品。轉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。轉基因動物性食品主要以提高動物的生長速度、抗病性、瘦肉率、飼料轉化率，增加動物的產奶量和改善奶的組成成分為主要目標，主要應用于兔、魚類、豬、牛、雞等。轉基因微生物性食品主要改造有益微生物，生產食用酶，提高酶產量和活性，主要有轉基因酵母、食品發(fā)酵用酶等。利用轉基因技術生產的食品是現(xiàn)代生物技術和當代科學成功和進步的標志。 1.2.2轉基因食品的發(fā)展現(xiàn)狀 1973年美國斯坦福大學和舊金山大學Coken和Boyer兩位科學家成功地進行了DNA分子重組試驗，揭開了基因工程發(fā)展的序幕。1983年世界上第一例轉基因植物構建成功，1985年第一尾轉基因魚問世，從此揭開了轉基因食品生產的序幕。1986年，首例轉基因作物獲準進行田間試驗，1993年延熟保鮮番茄(Calgene公司生產)在美國獲準上市，開創(chuàng)了轉基因植物商業(yè)應用的先例。從此大量的轉基因生物作為食品開始進入人們的生活。據(jù)有關國際組織統(tǒng)計，1998年全球轉基因作物種植面積達2780萬hm2，1999年增至3990萬hm2，增長44％。1995～1998年全球轉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50種轉基因植物產品商業(yè)化，1／4的耕地種植的是轉基因作物，其中轉基因抗除草劑大豆占美國大豆總面積的55％，轉基因玉米占總面積的30％。美國市場上已有近4000種食品來自轉基因生物。除了轉基因植物性食品外，在食品領域應用的轉基因產品還包括轉基因動物性食品如乳制品、肉制品及海產品等，和基因工程菌株在發(fā)酵食品工業(yè)的應用。 我國在八十年代末開始發(fā)展農業(yè)基因工程研究，經過幾十年的發(fā)展，對轉基因產品的研究有了突破性的進展。如北京農業(yè)大學的耐貯轉基因蕃茄，中國農科院的轉基因棉花一抗蟲棉，中國水稻所的轉基因雜交水稻，北京大學的抗病蟲害蕃茄、甜辣等。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已有蓍茄、甜椒、抗蟲棉等6個品種獲準投入商業(yè)化生產，1999年我國種植了30萬hm2的轉基因農作物，品種以蔬菜和棉花為主，轉基因農產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種食用農產品的近百個品種正處于實驗階段。 2、 基因工程技術在食品工業(yè)中的應用 2.1改造食品原材料，改善食品品質 基因工程應用于植物食品原料的生產上，可對植物的油脂的改良、碳水化合物的改良以及蛋白質的改良，從而得到我們想要的食物品質。 2.1.1油脂的改良 基因工程對油脂品質的改善主要集中在兩個方面：控制脂肪酸的鏈長和飽和度。油脂的酸敗是導致油脂品質下降的主要原因。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油。導入硬脂酸—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％的轉基因馬鈴薯。這種新馬鈴薯使油炸后的產品具有更強的馬鈴薯風味，更好的結構，較低的吸油量和較少的油昧。 2.1.3蛋白質的改良 蛋白質改良的目標主要有兩個：一是提高必需氨基酸的含量，二是改善蛋白質的加工性能。例如，豆類植物的主要貯存蛋白質——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正好相反，通過基因工程技術，可將谷物類植物基因導入豆類植物，開發(fā)蛋氨酸酸含量提高的轉基因大豆。另外，我國學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，導入馬鈴薯中，使轉基因馬鈴薯塊莖中的必需氨基酸提高了10％以上。 2.1.4提高對微量元素的吸收 食物中的植酸會影響人們對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物試驗中發(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提高農作物的抗病蟲害性能 病蟲害是造成糧、棉、油、果蔬等農作物減產、絕收的主要原因之一，植物基因工程技術的迅速發(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、細胞融臺技術等基因工程技術將多種抗病毒、抗蟲基因導入棉花、小麥、水稻、蕃茄、辣椒等植物體，井獲得了穩(wěn)定的轉基因新品系，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，太大減少了農藥所造成的環(huán)境污染、人畜傷亡等事故，同時也降低了生產成本，提高了產量。 2.3生產食品酶制劑 酶的傳統(tǒng)來源是動物肝臟和植物種子，后來因發(fā)酵工程技術的發(fā)展，使得利用微生物生產各類酶成為可能，20世紀50年代初開始，分子生物學和生物化學的發(fā)展使基因工程技術在酶制劑方面的應用越來越廣泛。凝乳酶是第一次應用基因工程技術把小牛胃中的凝乳酶基因轉移到細菌或真核微生物生產的酶，利用基因工程菌生產凝乳酶是解決凝乳酶供不應求的理想途徑。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，并成功地進行了大規(guī)模的工業(yè)生產。目前，人類已經利用基因工程技術創(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移至該食品微生物中，通過表達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副報道，由于絲狀真菌具有獨特的高容量表達和分泌蛋白的能力，可利用其生產真菌或非真菌來源的酶類，通過基因工程技術可以有效地提高產率及減少非需要的副產物的形成，為此建立一種有效的轉化方法至關重要，目前可以應用在真菌上的轉化方法有原生質體介導轉化法(PMT)、電穿孑L轉化法、基因槍轉化法以及農桿菌介導轉化法(AMT)。 2.5改良食品加工性能 啤酒制造中對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影響發(fā)酵，容易使啤酒產生混濁，也會使其過濾困難。采用基因工程技術，使另一蛋白基因克隆到大麥中，便可相應地使大麥中醇溶蛋白含量降低，以適應生產的要求。在牛乳加工中如何提高其熱穩(wěn)定性是關鍵問題，牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸，它能結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，這對防止消毒奶沉淀和煉乳凝結起重要作用。在烘烤工業(yè)中，將含有地絲菌屬LIPZ基因的質粒轉化到面包酵母中，可以使面包蓬松，內部結構較均勻，優(yōu)化了加工工藝。 2.6生產保健品及特殊食品 保健食品及特殊食品的生產及發(fā)展有賴于基因工程技術，例如將一種有助于心臟病患者血液凝結溶血作用的酶基因克隆至?；蜓蛑校憧稍谂Ｈ榛蜓蛉橹挟a生這種酶。用轉基因植物生產基因工程疫苗——食品疫苗是當前食品生物技術研究的熱點，食品疫苗就是將某些致病微生物的有關蛋白質(抗原)基因，通過轉基因技術導入某些植物受體細胞中，并使其在受體細胞中得以表達，從而使受體植物直接成為具有抵抗相關疾病的疫苗。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期地儲存于轉基因植物的種子中，十分有利于疫苗的保存、生產、運輸和推廣。 3、 轉基因食品的安全性 隨著轉基因技術的發(fā)展，轉基因食品的安全性越來越受到人們的關注。轉基因食品與傳統(tǒng)食品相比，區(qū)別在于：首先它含有利用轉基因技術導入的外源基因；其次可能存在外源基因在受體內的表達產物。由于這兩種成分的不確定性以及由此引起的次級效應，對人類健康可能有潛在的危害。目前人們對轉基因食品生物的擔憂基本上可以歸納為3類：(1)轉基因食品里加入的新基因無意中對消費者造成的健康危害；(2)轉基因作物中的新基因對食物鏈其他環(huán)節(jié)無意中造成的不良后果；(3)人為強化轉基因作物的生存競爭性，對自然界生物多樣性的影響。其中人們最為擔心的是轉基因食品對人體健康是否安全，轉基因食品與常規(guī)食品比較有無不安全的成分。這就需要對其主要營養(yǎng)成分、微量營養(yǎng)成分、抗營養(yǎng)因子的變化、有無毒性物質、有無過敏性蛋白以及轉入基因的穩(wěn)定性和插入突變進行檢測。另外是人們對“基因逃逸”的擔心。所謂“基因逃逸”，就是指微生物之間可以通過轉導、轉化、接合進行基因轉移。人們主要是擔心轉基因作物及基因 食品的有害基因是否會逃逸到人體或環(huán)境中，加快抗藥性問題。如野生植物種通過受粉可能會完成抗除草劑的基因改良，會變成“超級雜草”，由此形成的具有非自然抗逆性的植物對那些以其為生的動物們來說，可能會導致生物鏈的斷裂。 盡管轉基因技術有不少安全上的疑點，但它對我國有極其重要的意義。我國人口眾多，土地資源相對缺乏，糧食生產壓力很大，轉基因作物能改變食品品質、 抗蟲、增產、增加作物對真菌的抵抗力、減少水土流失、減少農藥使用量從而帶來顯著的經濟效益。轉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，中國農科院研究培育出抗乙肝的轉基因番茄，已經順利通過測試；美國普遍種植的轉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，轉基因油菜不飽和脂肪酸的含量大增，對心血管有利。因此，發(fā)展轉基因食品對我國是有利的。 4、 展望 21世紀是生物技術蓬勃發(fā)展的時代，轉基因食品的興起是生物技術革命的必然結果。盡管轉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，尤其對我國有極其重要的意義。隨著生物技術的不斷發(fā)展，現(xiàn)代基因工程技術將為農業(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，基因工程技術在食品工業(yè)的應用具有極其廣闊的前景和美好的未來。 參考文獻: [1]詹太華，杜榮茂. 基因工程技術在食品工業(yè)中的應用[J].宜春學院學報：自然科學，2002，24(4)：60-63. 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