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: 201172136 班 級: 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(zhuǎn)化率,增加動物的產(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 基因工程對油脂品質(zhì)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(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: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)攵诡愔参铮_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(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(chǎn)生混濁,也會使其過濾困難。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。現(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(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?;蜓蛑?,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期地儲存于轉(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效應(yīng),對人類健康可能有潛在的危害。目前人們對轉(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)基因作物的生存競爭性,對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。這就需要對其主要營養(yǎng)成分、微量營養(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。另外是人們對“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(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(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,對心血管有利。因此,發(fā)展轉(zhuǎn)基因食品對我國是有利的。 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:自然科學(xué),2002,24(4):60-63. 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