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1、 食品生物技术导论 目录 第一章绪论第二章食品与基因工程第三章食品与蛋白质工程第四章食品与酶工程第五章食品与发酵工程第六章食品与细胞工程第七章食品生物工程中的下游过程第八章食品生物技术与食品安全检测第九章生物技术与食品工业 三废 治理 第一章绪论 第一节食品生物技术涵义第二节食品生物技术研究内容第三节食品生物技术特点第四节食品生物技术发展简史第五节分子生物学的形成和发展 第一节食品生物技术涵义一 生物技术 所谓生物工程是达到特殊目的生物过程的控制性工程 操纵生物 微生物 植物 动物 的细胞 组织或酶 进行生物合成及分解转化 二 食品生物技术 食品生物技术 foodbiotechnology 是
2、利用生物体及其细胞 亚细胞和分子组成部分 结合工程学 信息学等手段去研究及加工处理或制造食品产品的新技术 第二节食品生物技术研究内容 一 食品与基因工程 基因工程又称遗传工程 它是在体外将异源DNA 目的基因 与基因载体 质粒 病毒等 重组成复制子并转移至宿主细胞的过程 二 食品与酶工程 酶是活细胞产生的具高度催化活性和高度专一性的生物催化剂 所谓酶工程是把酶或细胞或经过修饰后直接应用于化学反应的生物催化工程 包括固定化酶 固定化细胞和固定化活细胞体系等 酶工程的应用能有效地改造传统的食品工业 三 食品与发酵工程 发酵工程其涵义是采用现代发酵设备 使经基因重组技术改良的细胞或经其它现代技术改造
3、的菌株进行放大培养和控制发酵 获得工业化生产预定的食品产品或食品的功能成分 四 食品与细胞工程 应用细胞生物学方法 按照人们预定的设计 有计划地改造遗传物质和细胞培养技术 包括细胞融合技术 细胞拆合技术以及动物 植物大量控制性培养技术 还包括染色体工程和细胞质工程等内容 细胞工程与微生物细胞培养一样 在人工控制条件下在生物反应器中大规模培养 获得人类所需要的各种食品产品及保健产品 五 食品与蛋白质工程 1983年美国Genex公司K Utrner提出蛋白质工程 proteinengineering 概念 其涵义是指从蛋白质分子结构的设计入手 将待改进的蛋白质提纯为结晶 用x射线衍射等手段研究其
4、空间构象 确定其需要改变的氨基酸残基 然后再用基因定位突变和体外定向进化等方法达到修饰蛋白质分子空间结构的目的 六 食品与后基因组学 2003年随着人类基因组图谱草图绘制成功 为后基因组学 post genomics 的诞生拉开了序幕 而现代研究认为 一个基因可以编码数个蛋白质 随之形成所谓基因组学 genomics 和蛋白质组学 proteomics 近年来 在日本 美国和德国等国又启动了营养基因组学 nutrigenomics 的研究 七 食品与食品安全 生物技术的发展为食品安全的检测提供高速高效的PCR系统检测技术 为加强食品安全在食品加工过程除必须严格执行CAC HACCP GMP和A
5、CP安全体系外 还必须制订切实可行的食品安全监督管理体系 第三节食品生物技术特点 一 食品生物技术与食品产业化紧密相关 食品生物技术对改造传统食品工业和农副产品深加工 具有革命性意义和较大的经济价值 食品生物技术即食品生物工程包括上游工程 upstreamprocess 和下游工程 downstreamprocess 整个过程有多个操作工序 一环扣一环 核心技术为生物技术和酶工程 形成较为完整的产业链 如图1 1所示 图1 1食品生物技术产业链示意图 二 食品生物技术属边缘性交叉学科 生物技术是研究生命的科学技术 是生物科学和工程学综合交叉的边缘学科 三 食品生物技术具有 六高 基本特征 食品
6、生物技术与其他高新技术一样 对国民经济的发展和食品工业的革新具有 六高 的基本特征 即高效益 高智力 高投入 高竞争 高风险和高潜力 四 食品生物技术属高新技术范畴 根据当今世界科技发展对世界经济发展贡献情况 信息 能源 生物技术 航天 材料 汽车和环境等己被列为世界 七大 高科技领域 五 食品生物技术已成为食品科学发展的重要研究方向 食品生物技术作为生物技术的分支学科 在自然科学中涵盖范围广为其特征 第四节食品生物技术发展简史 一 史前时期 从出土文物发现 追溯至距今数千多年前的龙山文化时期 酿酒 制醋和制酱等发酵技艺已经发展到世界一流水平 二 近代时期 从19世纪50年代开始 伴随着欧洲的
7、文艺复兴带来科学和工业的繁荣 由于法国科学家巴斯德 Pasteur 对微生物学创立的贡献 德国科学家柯赫 Koch 发明了微生物的分离和纯种培养技术和法国学者布合乃尔 Buchner 兄弟俩通过实验揭示了发酵本质是细胞中酶的作用 标志着传统食品生物技术向近代食品生物技术的发展 从传统发酵食品的生产靠天然微生物作用 三 现代的发展 从20世纪50年代初开始 伴随着生物化学 遗传学和化学分析技术的发展 特别是1953年 DNA双螺旋结构 的发现 1969年酶固定化技术的应用成果和1973年基因工程诞生等重大科技成就为标志的划时代发展 第五节分子生物学的形成和发展 一 细胞学说 在19世纪中时施莱登
8、和施旺 Schwann 两位学者经过20年的研究绘出有关细胞结构明显图象和细胞组成 从而创立了细胞学说 二 生物进化论 奥地利学者格里哥尔 孟德尔 GregorMendel 研究认为 遗传性状是由一对遗传因子决定的 四 摩尔根的基因学说 摩尔根提出 物质必须由某种独立的要素组成 正是这些要素我们叫做遗传因子 或者更简单地叫做基因 五 基因本质的发现 摩尔根提出 物质必须由某种独立的要素组成 正是这些要素我们叫做遗传因子 或者更简单地叫做基因 多年来研究证实这种转化物质就是DNA 这是基因本质的重大发现 六 分子生物学的诞生 1953年美国遗传学家詹姆斯 沃森 JamesD Watson 和英国
9、生物物理学家弗朗西斯 克里克 Franciscrick 根据莫 休 弗 威尔金斯 M H F wilkins 的x 射线衍射等系列图谱结构分析基础上 用标度分子模型在英国MaxPerutz教授分子生物学实验室进行研究 其研究成果 在英国 自然 杂志上发表的 DNA结构 一文 提出了 DNA双螺旋结构模型 首次阐明了D 结构与功能 为遗传信息的贮存 传递和利用提供了科学依据 创立了现代分子生物学 这是20世纪科学史上划时代的里程碑 Watson和crick均为诺贝尔奖获得者 DNA双螺旋结构分子模型如图1 1 1 2所示其结构要点说明如下 图1 1DNA分子双螺旋结构模型 图1 2DNA双螺旋结
10、构分子模型 1 DNA是由两条极性相反并互补的多聚核苷酸链 围绕中心轴的双螺旋结构 此螺旋为右螺旋 并存在大沟和小沟 2 两条链中碱基之间按照A配对T G配对C的互补原则 DNA两链间的维系主要靠氢键 其中A与T之间形成二个氢键 G与C之间形成三个氢键 3 双螺旋的直径为2nm 两个相邻碱基的间距为0 34nm 每10个碱基的间距为3 4nm 构成一段完整的螺旋结构 其相邻碱基的夹角为36 4 两条多聚核苷酸链间碱基配对的互补规律为 A配对T或T配对A G配对C或C配对G 而且其分子比率为1 1 DNA分子能自我复制根据DNA双螺结构模型 在两条多聚核苷酸链中 任何一条都可以作为另一条生物合成
11、的模板 这一点明显地不同于其它生物大分子 经过自我复制出来的每一个DNA分子中的一条链被保留下来 这种复制 称为半保留复制 Semiconservativereplication 如图1 3 2 DNA是遗传基因的载体 可以从分子水平上阐明其生物学功能 图1 3半保留复制示意图 3 DNA双螺旋结构模型为遗传信息的保存 传递和利用提供了基础 同时 根据1970年Crick等人提出的分子生物学中心法则 如图1 4所示 4 DNA的调节功能1961年 法国分子生物学家F Jacob和J Monod首次证实在大肠杆菌 基因调节事实 提出了乳糖操纵子 LacOperon 假说 图1 4分子生物学中心法
12、则 5 应用乳糖操纵子假说 从分子水平上阐明基因控制蛋白质的诱导合成另一种酶合成调节与酶的诱导合成机制不同 称为酶的反馈阻遏 第一节概述第二节工具酶第三节目的基因制备第四节基因载体第五节基因重组第六节转化 增殖和表达第七节基因工程在食品工业中应用第八节后基因组学及其应用研究 第二章食品与基因工程 第一节概述 一 基因工程的诞生 1973年S N Cohen等在美国科学院学报 PNAS 上发表了题为 ConstructionofBiologicalFunctionalBacterialPlasmidinVitro 阐明了体外构建的细菌质粒能够在细胞中进行表达 标志着基因工程的诞生 二 基因工程涵
13、义 特点及其操作步骤 基因工程 geneengineering 又称为分子克隆 molecularcloning 或重组DNA技术 recombinantDNATechnology 其涵义为 用酶学方法 将异源基因与载体DNA在体外进行重组 将形成的重组子DNA导入宿体细胞 使异源基因在宿体细胞中复制表达 从而达到改造生物品种或性状 大量生产出人类所需要生物品种和产物 基因工程操作过程如图2 1所示 图2 1基因工程操作过程示意图 2 三 基因工程的发展 1977年英国分子生物学家F Sanger发明了快速DNA测序技术并首先完成的全长5387bp的 174噬菌体基因组全序列的测定 1982年
14、第一个由基因工程菌生产的药物胰岛素已在美国和英国获准使用 1983年第一个转基因植物培育成功 1992年第一个转基因玉米及转基因小麦植株诞生 1994年转基因番茄上市 1996年完成了酵母基因组DNA 125 105bp 的全序列测定 2003年 人类基因组计划 经过20多年努力已宣布草图描绘成功 为后基因组时代的诞生拉开了序幕 第二节工具酶 在基因工程中应用的酶统称为工具酶 enzymeoftools 一 限制性内切酶种类 限制性内切酶有三种类型 I型酶 II型酶和III型酶 II型酶分子量较小 大约20 100kD 是一种简单的单功能酶 作用时无需辅助因子或只需Mg2 能识别双链DNA上特
15、异的核苷酸序列 同时专一性强 而且其识别序列与切割序列相一致 这类酶特别适合于基因工程操作 二 限制性内切酶命名 1973年 H O Smith和Nathaus提出限制性内切酶的命名原则 一 限制性内切酶 限制性内切酶 restrictionendonuclease简称RE 是一类专一性很强的核酸内切酶 三 限制性内切酶的作用机制和作用方式 如图2 2所示 图2 2限制性核酸内切酶作用机制 其作用方式及识别位点有如下几种 1 识别不同的特异核苷酸序列EcoRI识别HaeI识别 AsuI识别EcoRII识别MboI识别注 表示切割5 磷酸二酯键位置 2 识别序列皆具有回文结构3 切割后形成各种粘
16、性末端或平整末端 按其切割双链的方式可分两种 粘性末端和平整末端 限制性内切酶错位切割DNA双链而形成彼此互补的单链末端 称为粘性末端 Cohesionends 另一种是在同一位点平齐切割DNA两条链而形成的双链末端 称为平整末端 Flushends 如AluI的识别序列为 4 切割后形成异源二聚体 四 限制性内切酶识别序列及反应系统 限制性核酸内切酶在双链DNA上能够识别的特殊核苷酸序列称为识别序列 稀切酶 rarecutingenzymes 如表2 1所示 同裂酶 isoschizomer 如表2 2所示 同尾酶 isocaudamer 如表2 3所示 表2 1部分限制性内切稀切酶 2 表2 2具有相同切割位点的同裂酶 表2 3部分限制性核酸内切同尾酶 2 二 基因工程操作中的其他酶 一 DNA连接酶 二 DNA聚合酶I 三 碱性磷酸酯酶 四 T4多聚核核苷酸激酶 五 S1核酸酶 六 反向转录酶 第三节目的基因制备 原核生物基因的分离多采用前法 而真核细胞基因的分离则采用后两种方法 一 生物学方法 原核生物中常用鸟枪射击法或滔弹散射法 shotguncloning 来克隆分离基因
