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基因工程在食品工业中的应用与发展前景

学生姓名: 王继宇
学 号: 72136
班 级: 作物(zyxw)S111
学 院: 农学院
课 程: 现代生物学
指导教师: 李志新、 王晓玲

二○一二年六月

基因工程在食品工业中的应用与发展前景
摘要: 随着生物技术的不断发展, 基因工程技术在食品工业中越来越显示出其重要性和优越性。本文首先简要介绍了基因工程的定义及基本程序, 然后综述了基因工程在食品工业中的应用现状, 包括
然后探讨了转基因食品的安全性问题, 最后对基因工程技术在食品中的发展前景进行展望。
关键词: 基因工程 食品工业 转基因食品 应用 发展前景
以DNA重组为核心内容的基因工程技术是一种新兴的现代生物技术, 它作为生命科学领域的前沿科学, 在近几十年得到了迅速的发展和广泛的应用。当前, 经基因工程改造的产品已在农业、 医药、 环保等领域占据了重要的地位, 特别是在食品工业中越来越显示了它的优越性和发展前景。基因工程应用于食品之中不但能使食品质量得以提高, 还能为世界面临的粮食危机、 能源环保等问题提供新的解决思路和方法。二十一世纪, 基因工程在食品工业中将得到更为广泛的应用。
1、 基因工程技术与转基因食品
1.1基因工程定义
基因工程(genetic engineering)又称分子克隆或重组DNA技术, 其定义为: 按照预先设计好的蓝图, 利用现代分子生物学技术, 特别是酶学技术, 对遗传物质DNA直接进行体外重组操作与改造, 将一种生物(供体)的基因转移到另外一种生物(受体)中去, 从而实现受体生物的定向改造与改良。它主要包括DNA重组技术、 基因缺失、 基因加倍、 外源性基因导是入及改变基因位置等分子生物学技术手段。
基因工程的基本程序: (1)获取所需的目的基因; (2)把目的基因与选好的载体连接在一起, 即重组; (3)把重组载体转入宿主细胞; (4)对重组分子进行选择; (5)表示成蛋白, 采用合适条件, 获得高表示的产品。
1.2转基因食品及其发展现状
1.2.1转基因食品的定义
转基因食品(genetically modified food, GMF)是指以转基因生物为原料加工生产的食品, 利用分子生物学手段, 将某些生物基因转移至其它生物上, 使其出现原物种不具备的性状或产物, 针对某一或某些特性, 以植入异源基因或改变基因表现等生物技术方式, 进行遗传因子的修饰, 使动植物或微生物具备或增加特性, 进而达到降低生产成本, 增加食品或食品原料价值的目的。
转基因食品包括转基因植物性食品、 转基因动物性食品和转基因微生物性食品。转基因植物性食品主要培育延缓成熟、 耐极端环境、 抗病毒、 抗枯萎等性能的作物, 提高生存能力; 培育不同脂肪酸组成的油料作物、 多蛋白的粮食作物等以提高作物的营养成分, 主要品种有小麦、 玉米、 大豆、 蔬菜、 水稻、 土豆和番茄等。转基因动物性食品主要以提高动物的生长速度、 抗病性、 瘦肉率、 饲料转化率, 增加动物的产奶量和改进奶的组成成分为主要目标, 主要应用于兔、 鱼类、 猪、 牛、 鸡等。转基因微生物性食品主要改造有益微生物, 生产食用酶, 提高酶产量和活性, 主要有转基因酵母、 食品发酵用酶等。利用转基因技术生产的食品是现代生物技术和当代科学成功和进步的标志。
1.2.2转基因食品的发展现状
1973年美国斯坦福大学和旧金山大学Coken和Boyer两位科学家成功地进行了DNA分子重组试验, 揭开了基因工程发展的序幕。1983年世界上第一例转基因植物构建成功, 1985年第一尾转基因鱼问世, 从此揭开了转基因食品生产的序幕。1986年, 首例转基因作物获准进行田间试验, 1993年延熟保鲜番茄(Calgene公司生产)在美国获准上市, 开创了转基因植物商业应用的先例。从此大量的转基因生物作为食品开始进入人们的生活。据有关国际组织统计, 1998年全球转基因作物种植面积达2780万hm2, 1999年增至3990万hm2, 增长44％。1995～1998年全球转基因作物的销售额由0.75亿美元猛增至12亿～15亿美元。迄今, 美国已批准50种转基因植物产品商业化, 1／4的耕地种植的是转基因作物, 其中转基因抗除草剂大豆占美国大豆总面积的55％, 转基因玉米占总面积的30％。美国市场上已有近4000种食品来自转基因生物。除了转基因植物性食品外, 在食品领域应用的转基因产品还包括转基因动物性食品如乳制品、 肉制品及海产品等, 和基因工程菌株在发酵食品工业的应用。
中国在八十年代末开始发展农业基因工程研究, 经过几十年的发展, 对转基因产品的研究有了突破性的进展。如北京农业大学的耐贮转基因蕃茄, 中国农科院的转基因棉花一抗虫棉, 中国水稻所的转基因杂交水稻, 北京大学的抗病虫害蕃茄、 甜辣等。据不完全统计, 中国已有蓍茄、 甜椒、 抗虫棉等6个品种获准投入商业化生产, 1999年中国种植了30万hm2的转基因农作物, 品种以蔬菜和棉花为主, 转基因农产品的种植面积仅次于美国、 加拿大、 阿根廷, 居世界第四位。另外, 中国还有15种食用农产品的近百个品种正处于实验阶段。
2、 基因工程技术在食品工业中的应用
2.1改造食品原材料, 改进食品品质
基因工程应用于植物食品原料的生产上, 可对植物的油脂的改良、 碳水化合物的改良以及蛋白质的改良, 从而得到我们想要的食物品质。
2.1.1油脂的改良
基因工程对油脂品质的改进主要集中在两个方面: 控制脂肪酸的链长和饱和度。油脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因。当前已知豆类中的脂氧合酶在酸败过程中扮演重要角色。美国DuPont公司经过反义抑制/共同抑制油酸酯脱氢酶, 开发成功高油酸含量的人豆油。这种新型油含有良好的氧化稳定性, 很适合用作煎炸油和烹调油。导入硬脂酸—ACP脱氢酶的反义基因, 油菜种子中硬脂酸的含量从2％增加到40％硬脂酸—COA可使转基因作物中的饱和脂肪酸(软脂酸、 硬脂酸)的含量下降, 不饱和脂肪酸(油酸、 亚油酸)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
经过基因工程技术能够改变植物食品中淀粉组成及含量, 经过反义基因抑制淀粉分枝酶基因则可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯, Monsanto公司开发了淀粉含量平均提高了20～30％的转基因马铃薯。这种新马铃薯使油炸后的产品具有更强的马铃薯风味, 更好的结构, 较低的吸油量和较少的油昧。
2.1.3蛋白质的改良
蛋白质改良的目标主要有两个: 一是提高必须氨基酸的含量, 二是改进蛋白质的加工性能。例如, 豆类植物的主要贮存蛋白质——球蛋白中的蛋氨酸含量很低, 但赖氨酸含量却较高, 而谷物作物中的蛋白质正好相反, 经过基因工程技术, 可将谷物类植物基因导入豆类植物, 开发蛋氨酸酸含量提高的转基因大豆。另外, 中国学者把从玉米种子中克隆得到的富含必须氨基酸的玉米醇溶蛋白基因, 导入马铃薯中, 使转基因马铃薯块茎中的必须氨基酸提高了10％以上。
2.1.4提高对微量元素的吸收
食物中的植酸会影响人们对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动物试验中发现比普通玉米喂养铁的吸收率要提高50％, 磷的吸收率提高了7倍。
2.2提高农作物的抗病虫害性能
病虫害是造成粮、 棉、 油、 果蔬等农作物减产、 绝收的主要原因之一, 植物基因工程技术的迅速发展为防治病虫害提供了一条全新的有效的途径近年来利DNA重组技术、 细胞融台技术等基因工程技术将多种抗病毒、 抗虫基因导入棉花、 小麦、 水稻、 蕃茄、 辣椒等植物体, 井获得了稳定的转基因新品系, 其中最成功的倒于是中国近两年来广泛种植的抗虫棉．解决了困扰广大棉区数年的棉蛉虫问题, 太大减少了农药所造成的环境污染、 人畜伤亡等事故, 同时也降低了生产成本, 提高了产量。
2.3生产食品酶制剂
酶的传统来源是动物肝脏和植物种子, 后来因发酵工程技术的发展, 使得利用微生物生产各类酶成为可能, 20世纪50年代初开始, 分子生物学和生物化学的发展使基因工程技术在酶制剂方面的应用越来越广泛。凝乳酶是第一次应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶, 利用基因工程菌生产凝乳酶是解决凝乳酶供不应求的理想途径。Geoffrog等将编码牛凝乳
酶的基因克隆到乳酸克鲁维酵母中发现, 乳酸克鲁维酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培养基质, 并成功地进行了大规模的工业生产。当前, 人类已经利用基因工程技术创造出了许多自然界从未发现的新酶种, 例如蛋白酶、 淀粉酶、 脂肪酶、 糖化酶等。
2.4改良食品工业用菌数及其性能
最早成功应用的基因工程菌是面包酵母菌。人们把编码麦芽糖透性酶及麦芽糖酶的基因转移至该食品微生物中, 经过表示使该酵母含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖酶的含量大大提高, 从而在面包发酵过程中产生较多的CO: 气体, 使面包膨发性能良好、 松软可口。另据Meyer副报道, 由于丝状真菌具有独特的高容量表示和分泌蛋白的能力, 可利用其生产真菌或非真菌来源的酶类, 经过基因工程技术能够有效地提高产率及减少非需要的副产物的形成, 为此建立一种有效的转化方法至关重要, 当前能够应用在真菌上的转化方法有原生质体介导转化法(PMT)、 电穿孑L转化法、 基因枪转化法以及农杆菌介导转化法(AMT)。
2.5改良食品加工性能
啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求, 如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵, 容易使啤酒产生混浊, 也会使其过滤困难。采用基因工程技术, 使另一蛋白基因克隆到大麦中, 便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低, 以适应生产的要求。在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题, 牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸, 它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。现在采用基因操作, 增加k—酪蛋白编码基因的拷贝数和置换, k—酪蛋白分子中Ala—53被丝氨酸所置换, 便可提高其磷酸化, 使k—酪蛋白分子间斥力增加, 以提高牛乳的稳定性, 这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。在烘烤工业中, 将含有地丝菌属LIPZ基因的质粒转化到面包酵母中, 能够使面包蓬松, 内部结构较均匀, 优化了加工工艺。
2.6生产保健品及特殊食品
保健食品及特殊食品的生产及发展有赖于基因工程技术, 例如将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至牛或羊中, 便可在牛乳或羊乳中产生这种酶。用转基因植物生产基因工程疫苗——食品疫苗是当前食品生物技术研究的热点, 食品疫苗就是将某些致病微生物的有关蛋白质(抗原)基因, 经过转基因技术导入某些植物受体细胞中, 并使其在受体细胞中得以表示, 从而使受体植物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。当前, 已获成功的有狂犬病病毒、 乙肝表面抗原、 链球菌突变株表面蛋白等十多种转基因马铃薯、 香蕉、 番茄的食用疫苗, 由于这些重组蛋白基因能够长期地储存于转基因植物的种子中, 十分有利于疫苗的保存、 生产、 运输和推广。
3、 转基因食品的安全性
随着转基因技术的发展, 转基因食品的安全性越来越受到人们的关注。转基因食品与传统食品相比, 区别在于: 首先它含有利用转基因技术导入的外源基因; 其次可能存在外源基因在受体内的表示产物。由于这两种成分的不确定性以及由此引起的次级效应, 对人类健康可能有潜在的危害。当前人们对转基因食品生物的担忧基本上能够归纳为3类: (1)转基因食品里加入的新基因无意中对消费者造成的健康危害; (2)转基因作物中的新基因对食物链其它环节无意中造成的不良后果; (3)人为强化转基因作物的生存竞争性, 对自然界生物多样性的影响。其中人们最为担心的是转基因食品对人体健康是否安全, 转基因食品与常规食品比较有无不安全的成分。这就需要对其主要营养成分、 微量营养成分、 抗营养因子的变化、 有无毒性物质、 有无过敏性蛋白以及转入基因的稳定性和插入突变进行检测。另外是人们对”基因逃逸”的担心。所谓”基因逃逸”, 就是指微生物之间能够经过转导、 转化、 接合进行基因转移。人们主要是担心转基因作物及基因
食品的有害基因是否会逃逸到人体或环境中, 加快抗药性问题。如野生植物种经过受粉可能会完成抗除草剂的基因改良, 会变成”超级杂草”, 由此形成的具有非自然抗逆性的植物对那些以其为生的动物们来说, 可能会导致生物链的断裂。
尽管转基因技术有不少安全上的疑点, 但它对中国有极其重要的意义。中国人口众多, 土地资源相对缺乏, 粮食生产压力很大, 转基因作物能改变食品品质、
抗虫、 增产、 增加作物对真菌的抵抗力、 减少水土流失、 减少农药使用量从而带来显著的经济效益。转基因作物还有可能改进人民的健康状况。例如, 瑞士联邦理工学院正在培育一种富含维生物A的大米, 它能够有效防治失明, 中国农科院研究培育出抗乙肝的转基因番茄, 已经顺利经过测试; 美国普遍种植的转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, 转基因油菜不饱和脂肪酸的含量大增, 对心血管有利。因此, 发展转基因食品对中国是有利的。
4、 展望
21世纪是生物技术蓬勃发展的时代, 转基因食品的兴起是生物技术革命的必然结果。尽管转基因食品的安全性众说纷纭, 但其给人带来的好处是显而易见的, 特别对中国有极其重要的意义。随着生物技术的不断发展, 现代基因工程技术将为农业带来新的绿色革命, 给人们带来更加丰富、 更有利于健康、 更富于营养的食品, 将为人类的衣食住行和保健发挥无穷无尽的力量, 基因工程技术在食品工业的应用具有极其广阔的前景和美好的未来。

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