生物工程在食品工业中的应用

齐晓巍

（天津二商集团有限公司，天津300041）

生物工程在食品工业中的应用

齐晓巍

（天津二商集团有限公司，天津300041）

综述生物工程技术在食品工业中应用的历史、现状，并对其前景作一展望。

生物工程；微生物；食品安全

Abstract：Review bioengineering applications in food industry history,current situation,and the prospects were discussed.

Key words:bioenginering;microbiology;food safety

生物工程就是运用现代生物科学、工程学和其他基础科学知识，按照预先的设计，对生物进行控制、改造或模拟生物及其功能，用来发展商品生产和社会服务的新兴技术领域。生物工程的利用包括生物体生产：如食品、粮食、纤维等；生物机能利用：如净化污水、处理垃圾等；生物代谢产物的利用：如氨基酸、抗生素等。生物工程与传统技术相比较有如下特点：一是在分子水平上对基因和蛋白质进行再设计、创造自然界不存在的基因、蛋白质和新的生物种，短期内完成自然界几百万年进化才能完成的过程；二是精确控制生物成长、发育和代谢，提高生产力；三是在不同层次上对生物结构进行拆合、重组，将不同生物的优良性状集合在一起[1]。

1 生物工程概述

目前生物工程有三大技术：即基因重组技术（即基因工程、基因组换）、细胞融合技术和组织培养技术。

1.1 基因重组技术

生物的遗传物质是核酸，核酸是由脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA）组成，基因是与遗传性状相应的一段DNA分子。基因重组技术是生物工程的核心，程序是：分离DNA，在体外用酶剪切和拼接→插入载体（病毒微生物质粒等）→转入微生物或培养的动植物细胞内→无性繁殖（复制）—基因克隆→控制适当条件，使转入基因在细胞内表达→产生需要的产品[2]。

1.2 细胞融合技术

以植物细胞为例进行细胞培养，取植物根、茎、花、叶、花粉等一部分（外植体）→用次氯酸钠、升汞、酒精进行表面消毒→建立无菌培养系，严格控制无菌条件→形成疗伤组织和器官、分化出芽，并可诱导形成根的小植株→生成大植株。

细胞融合的过程首先要制备原生质体：以纤维素酶等组成混合液，消化细胞壁，经过滤、离心洗涤制成原生质体悬浮液；再将两亲本原生质悬浮液以1∶1混合后加入融合诱导剂（聚乙二醇PEG）融合成原生质体导核体；最后经数天培养原生质体再生出细胞壁，细胞在分裂过程中完成核的融合，这种细胞即杂交种细胞，选择、诱导、分化获得杂种植株。

细胞诱导融合的方法一般有三种：化学法，用化学药物聚乙二醇（PEG）高钙、高pH法；离子诱导法：常用盐类有硝酸钠、硝酸钙等；物理诱导法：电融合最好，还有离心、振荡等诱导法。

1.3 组织培养技术

利用组织培养技术进行微繁殖，将植物某一部分组织小块，进行培养并诱导分化大量的小植株，达到快速无性繁殖的目的，也称之为试管繁殖技术。这种繁殖技术速度快、周期短，并可实现工厂化生产。

2 生物工程在食品工业中应用的历史

食品工业中涉及的生物工程多与微生物有关，无论基因重组、细胞融合、组织培养都是通过微生物来实现的。大肠杆菌、酵母菌被称为工程菌、这是因为微生物在实现现代化的生物工程生产中有其特殊的优越性，最容易转化为生产力，微生物是很小的，1000个杆菌连接起来才有一粒米大，微生物以比表面积（表面积与体积之比）、转化能力、繁殖速度、变异与适应性、分布范围五大特殊本领，亦即五大特殊优点而著称。五大本领中最基本的是微生物的比表面积比其他生物大得多，生物体比表面积越大其代谢性越强，微生物24 h所合成的营养物质相当原来体重的30倍~40倍，而一头500 kg的乳牛一昼夜只能合成0.5 kg蛋白质，相差1000倍。细菌在适宜的条件下20 min繁殖一代，经24 h培养，一个细胞可繁殖成4万亿个细胞，细菌比植物繁殖快500倍，比动物繁殖快2000倍。大肠杆菌、酵母菌等细胞结构和繁殖方式简单，遗传背景清楚，经过生物工程构成“工程菌”，每一个“工程菌”等于一个小工厂，而这个小工厂是在常温、常压条件下进行，消耗很少的能源，很少污染环境。这就是生物工程为什么要以微生物为手段取得生产优势和较大经济效益的理由。

食品工业利用生物工程成功的首例是1988年瑞士用基因重组酵母（工程菌）制成凝乳酶，并在市场出售，用于奶酪的制造。上世纪90年代初美国的菲扎公司也用基因重组的大肠菌生产凝乳酶，从而大幅度降低奶酪的生产成本。

我国食品科研项目转让中取得高经济效益的成果，如啤酒酵母、柠檬酸发酵工艺、白酒香型菌（已酸菌、甲烷菌）等都具有一定的高科技因素，而这些高科技或多或少都含有生物工程的技术。因此食品科研取得好的效益和回报，食品工业求得现代化的发展就必须重视生物工程的研究和开发。

现代生物工程首先在农业、养殖业大放光彩。从20世纪80年代世界农业进入技术密集型，并且取得空前未有的成效，如荷兰，国土仅有4万平方公里，其中半数为沙地，但农业出口额位居世界第二位，仅次于美国。荷兰一个农业劳动力供养112人，是英、法、德等先进工业国的10倍，其之所以取得如此大的成果，利用生物工程是一个重要原因，世界第一头转基因牛犊（取名前程）就是在荷兰诞生的；以色列土地面积只有230万公顷，可耕地只占1/5、全年无雨期达7个月，农业灌溉是大问题，20世纪60年代研究出滴灌溉技术，用胶管把水肥输送到作物的根部，由此减少了水分蒸发的损失，使产量成倍增加。这种技术已出口到世界100多个国家。以色列利用生物工程培育了许多蔬菜水果品种，其中仅西红柿就有40多个品种，以色列鄂梨味道甜美，大量出口到欧洲市场，柿子远销东南亚；我国水稻专家袁隆平教授利用生物工程技术使水稻与高粱杂交成功。扩大了产量满足了市场的需求。

3 生物工程在食品领域应用

3.1 微生物蛋白质

通过基因工程，即基因重组技术，设计分泌蛋白质的微生物、由工程菌、大肠菌、酵母生产蛋氨酸、大豆球蛋白、鸡卵清蛋白成功（美国）。

用微生物发酵生产的真菌蛋白（禾杀镰刀菌）、蛋白质含量44%，无胆固醇，低脂肪，深受消费者欢迎。

过去氨基酸的生产采用植物蛋白提取和化学合成法生产，成本高，产量低，现采用基因重组和细胞融合技术的工程菌生产，成本降低、产量增加。

3.2 新糖源

国外以淀粉为原料生产果葡糖浆。美国将吡喃环糖氧化酶固定在载体上并与化学催化剂相结合生产纯果糖。新的甜味剂多用微生物发酵法生产甜度高，低热量的产品，如天冬精（门冬酰苯丙氨酸甲酯）甜度是砂糖的2400倍，用酶法或发酵法生产的氯化砂糖是砂糖甜度的600倍。国外也在进行某些植物含有天然蛋白质甜味剂的研究，将这种植物蛋白质甜味剂的基因用基因转换技术移植到微生物，就可用发酵法大量生产。我国也找到一些酵母菌可在常温、常压、正常通气条件下生产新的糖源。

3.3 新的食品添加剂

某些食品添加剂、食用色素、食用香精是化学合成品，对人体有副作用。应用发酵法已经生产出对人体健康无害的食品添加剂，作为生物工程产品新的食品添加剂，将逐步代替对人体有害的化学合成品。

4 讨论

应用生物工程技术制成的食品也有安全性的问题。如用微生物发酵法生产的蛋白质，菌体除含蛋白质外还含有核酸脂肪和碳水化物等成分，其中核酸不被人体完全分解，长期大量食用就会引起痛风症。许多国家对待直接食用生物工程生产的食品是小心翼翼的，多数产品是二次加工的原料，这些问题有待于今后继续研究解决。

[1]王弘.国内外食品生物技术发展概况[J].广州化工，2005(5)

[2]王向东，赵良忠.食品生物技术[M].2007:71-80

Bioengineering Applications in Food Industry

QI Xiao-wei
（Tianjin Second Commerial Group Co.,LTD.,Tianjin 300041,China）

2010-06-03

齐晓巍（1963—），男（汉），工程师，硕士，研究方向：食品管理及工程。