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1、食 品 生 物 技 术Food Biotechnology,陈永胜 张继星,食 品 生 物 技 术,主要内容（共八章）： 绪论 基因工程及其在食品工业中的应用 酶工程及其在食品工业中的应用 发酵工程及其在食品工业中的应用 细胞工程及其在食品工业中的应用 生物技术在饮料工业中的应用 生物传感器及其在食品工业中的应用 生物技术在食品工业废水处理中的应用,食 品 生 物 技 术,第一章 绪论 第一节 食品生物技术研究的内容 生物工程及其研究内容 1917年匈牙利工程师Karl Ereky提出（甜菜养猪，利用生物将原料转变为产品） 生物工程：生物工程是一门应用生物科学和工程学原理，来加工生物材料或利用
2、微生物、动物植物体作为反应器及其制备物（细胞或细胞器或某些组成成分如酶）来加工原料以提供产品为社会服务的综合性科学技术。 Biotechnology or Bioengineering,生 物 技 术 的 发 展 历 史,生物技术是一个既古老又年轻的学科。 古老：具有很悠久的历史： 公元前6000年，古代萨马人和巴比伦人已经开始喝啤酒；公元前4000年埃及人烤制发酵面包；创世纪一书问世时，葡萄酒就闻名于近东。发酵乳制品的生产（乳酪、酸奶等）和各种东方食品（如酱油）的生产都具有古老的渊源。日本的香菇的栽培可以追溯到几百年前，伞菇的栽培大约有300年的历史。5000年前我国的酿酒技术已相当精湛。
3、年轻：现代生物技术开始于20世纪70年代，即基因工程诞生之后。,生 物 技 术 的 发 展 历 史,两个发展阶段： 传统生物工程和现代生物工程 前者主要通过微生物的初级发酵来生产商品，后者以DNA重组技术出现为代表。 三阶段观点： 原始生物工程（第一代生物工程），非纯种微生物发酵工艺为标记； 近代生物工程（第二代生物工程），采用纯种微生物的发酵工艺； 现代生物工程（第三代生物工程），以基因工程诞生为标志。,生 物 技 术 的 发 展 历 史,1857年Pasteur 发现发酵过程是由微生物作用的结果，并因此成为当之无愧的生物工程之父。 人类利用发酵生产是在19世纪，主要产品有乳酸、酒精、面包酵
4、母、柠檬酸和蛋白质及酶等初级产物。 20世纪40年代，以获取细菌的次生代谢物抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物工程的支柱产业。50年代氨基酸发酵工业成为生物工程的一个重要组成部分。60年代又增加了酶制剂工业这一新成员。,生 物 技 术 的 发 展 历 史,传统生物技术的三个重要步骤： 第一步：上游处理过程，是指对粗材料进行加工，作为微生物的营养和能量来源； 第二步：发酵和转化，即在大的生物反应器（100L）大量生长微生物来生产某种产品，如抗生素、氨基酸或蛋白质等； 第三步：下游处理，对所需的目的产物的分离纯化。 传统生物技术研究主要目标：最大限度提高这三个步骤的整体效率，同时寻找可以制备食品
5、和食品添加剂和药物的微生物。,生 物 技 术 的 发 展 历 史,研究内容： 生物转化环节的优化：菌种的选育和改良，包括化学突变、诱变或紫外线照射来产生突变体，通过选择来改良菌株，提高产量（例如抗生素的大量生产）。 生物反应器的设计、发酵过程的检测和反应体系的检测技术 下游产品的分离纯化技术 局限性： 提高产量的幅度有限（突变株某一组分合成太多影响其它组分的合成进而影响微生物在大规模发酵过程的生长）； 诱变和选择方法过程烦琐，耗时长，费用极高需筛选和检测大量的克隆； 只能提高已有的遗传性质不能赋予其他新的遗传性质。 传统的生物技术仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域。DNA重组技术的出现和发展
6、引发的根本性的改变，即现代生物技术的时代的到来。,DNA 重组技术的出现标志着现代生物技术的开始； 1953年，Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构，奠定了现代分子生物学的基础，给整个生物学乃至人类社会带来了一场革命。 1973年Herber Boyer和Stanley Cohen完成人类历史第一次有目的的基因重组尝试（pSC101，EcoRI, T4-DNA ligase）；并据此提出了“基因克隆”的策略。,现 代 生 物 技 术 内 容,生物转化的环节更为有效，不仅可以分离得到高产菌株，还可以人工制造高产菌株； 原核生物化和真核生物都可以表达大量的外源蛋白（胰岛素、病原抗原等）
7、，动植物也可以作为天然的生物反应器； 大大简化新药的开发和监测系统；,现 代 生 物 技 术 内 容,基因工程（Gene Engineering） 细胞工程（Cell Engineering ） 酶工程（Enzyme Engineering ） 发酵工程（Fermentation Engineering ） 蛋白质工程（Protein Engineering ）,现 代 生 物 技 术 内 容,基因工程：把生物体的遗传物质（通常为DNA）分离出来在体外切割、拼接和重组。然后把重组DNA导入宿主细胞或个体，从而改变它们的遗传性质或使新的遗传信息大量表达以获取基因产物。也称DNA重组技术。 细胞工
8、程：指以细胞为单位，在体外进行培养和繁殖或使细胞某些生物学特性按人们的意志发生改变，从而改良生物品种和创新品种，加快繁殖个体或获得某种有用物质的过程。 细胞工程应包括动植物细胞的体外培养、细胞融合技术（细胞杂交技术）、核移植技术等,现 代 生 物 技 术 内 容,酶工程：利用酶、细胞器或细胞特有的催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。 包括酶的固定化技术、细胞固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等。 发酵工程：利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊的特点，在合适的条件下，通过现代化工程技术手段，由微生物（或动植物细胞）的某种特定功
9、能生产人类所需的产品。过去也称微生物工程。,现 代 生 物 技 术 内 容,蛋白质工程：指在基因工程的基础上，结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等学科的基础知识，通过对基因的人工定向改造等手段，从而对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。 基因工程和细胞工程特别是基因工程现代生物技术的核心，它们给传统的酶工程和发酵工程注入了新的活力。,现 代 生 物 技 术 内 容,基因工程,微生物,动植物个体或细胞,工程菌,蛋白质或酶,发酵过程,蛋白质工程或酶工程,细胞工程,优良的动植物品系,产品,现代生物技术内容之间的关系,现 代 生 物 技 术 内 容,基因工程是基础，而
10、所以基因工程的结果都要通过生物体本身或其细胞（生命活动的基本结构和功能单位）内的酶（或发酵）作用而表现出来。因此，细胞工程是最基本的生物工程技术。 蛋白质工程与基因工程关系密不可分。不同的是基因工程操作单位是整个基因，而蛋白质工程的操作是一个或一些碱基。,现 代 生 物 技 术 与 其 它 学 科 的关 系,现代生物技术是生物学与工程学原理综合交叉的边缘学科，亦为知识和技术密集型学科。本学科既是应用生命活动的基本原理，则必需掌握生物体结构、功能、代谢活动及其规律等有关知识，因此与细胞生物学、分子遗传学、微生物学、生理学、生物化学、生物物理学，甚至与物理学、化学及数学等基础学科均有密切关系。同时
11、工程化要求掌握生物反应器的构造原理、生物反应工程原理、物质传递规律、设备运转及其控制条件等基本知识，故与化学工程原理、发酵工程、生物化学工程、电子工程、材料科学、计算机科学及信息科学等密切相关。,现 代 生 物 技 术 的 特 点,高效和经济 清洁、低耗和可持续发展 可遗传、易扩散与自主扩展 对人类伦理和人性尊严有直接影响（如克隆人.）,现 代 生 物 技 术 内 容,根据研究领域和内容： 农业生物工程 食品生物工程 医药生物工程 海洋生物工程. .,现 代 生 物 技 术 的 发 展 趋 势,基因操作技术日新月异，不断完善，从发明到应用时间不断缩短； 基因工程药物和疫苗研发（R延缓疏果成熟，
12、提高抗病抗逆能力及加工性能等. 二、改良微生物菌种性能 转基因改良的面包酵母，啤酒酵母和转基因的大肠杆菌，以及用于生产食品添加剂和加工助剂的改良菌株 三、应用于酶制剂的生产 重组DNA技术生产小牛凝乳酶；耐热的-淀粉酶；糖化酶基因在酵母中表达和SOD在酵母和大肠杆菌中的高效表达等 四、改良食品加工工艺 克隆基因降低大麦中的醇溶蛋白，利于啤酒的生产；提高牛奶的热稳定性。 五、生产保健品的有效成分 鹿茸、牛黄的人工培养和人参细胞的培养；人的血红素基因转到猪中，用猪生产人血的替代品等。,食 品 生 物 技 术第二章 基因工程及其在食品工业中应用,第七节 蛋白质工程 一、 基因修饰改造蛋白质结构 定位
13、突变（P35和图2-3） 盒式突变 二、蛋白质工程的应用 溶菌酶稳定性的改造，葡萄糖异构酶最适pH的改变；单克隆抗体的“人类化”,食 品 生 物 技 术第二章 基因工程及其在食品工业中应用,第八节 基因工程食品卫生安全管理规范 美国提供给消费者基因工程食品有三种：动物用药、完整的食物和食品添加剂。 英国基因工程食品四类标准： 采用基因工程菌生产的与传统食品质量和成分相同； 食品内容含有与自身同种基因的基因工程菌生产的食品； 食品中含有别的基因工程菌的成分； 食品含有别的基因工程菌，而这种菌含有别的物种基因。 * 前两种无需标示，后两类则需要标示出来。,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在
14、食品工业中应用,酶是一类生物催化剂，其催化活性是由其特定的空间结构决定的。酶分子具有活性中心（对催化作用特别重要的极小的空间和区域，往往由几个氨基酸组成），包括结合部位和催化部位。前者处于底物结合部位，决定酶的专一性，后者决定酶的催化类型和性质。具有调节作用的酶还有“别构部位”。这是酶的抑制剂或活化剂的结合部位。 酶作用具有高度专一性、催化效率高、活性调节控制机制复杂、在常温常压和生理条件下行使功能。,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在食品工业中应用,酶工程：应用酶的特异的催化功能并通过工程化为人类生产有用产品和提供有益服务的技术。 从动植物体及微生物发酵物中制取的酶称为第一代酶(已形
15、成一定的产业规模)。固定化酶称为第二代酶（已得到推广应用）；固定化生长态细胞和多酶体系及固定化辅酶称为第三代酶（已实现工业化）。后二者称为现代酶工程。 酶工程是研究酶的生成和应用的一门技术性学科，包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰改造及酶反应器等方面的内容。,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在食品工业中应用,酶的来源：生物界有3000多种酶，来源有动植物组织（如来自动物的胰蛋白酶和来自植物的木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶）， 大多数来自微生物及其发酵液（葡萄糖异构酶、枯草杆菌蛋白酶等）。微生物包括细菌、真菌、放线菌、霉菌、酵母等。,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在食品工业中应用,
16、固定化酶及其特性 固定化酶：限定或位于特定空间的酶，又称固着酶（Immobilized enzyme）。固定化酶属于修饰酶（与天然酶对应），修饰酶还包括蛋白质工程技术改良的酶。 固定化酶有包埋型及结合型（酶结合在载体上）。包埋型有凝胶包埋及微囊化包埋两类；结合型又分为吸附与共价两种。,固定化酶,包埋型,结合型,凝胶包埋,微囊化包埋,吸附结合型,共价结合型,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在食品工业中应用,固定化酶的优点（可溶性的酶变为不溶于水的酶）： 稳定性高于天然酶 反应后酶与底物易于分开，并可长期反复利用 反应液中无残留酶，产物易于纯化，产品质量高 可实现转化反应连续化和管道化和自动控制生产 酶的利用率高，降低了生产成本 转化过程基本上无三废排出（被称为 “无公害酶” ）,食 品 生 物 技 术第三章 酶工程及其在食品工业中应用,固定化细胞及其特性 固定化细胞：被限制或定位于特定空间位置的细胞（与固定化酶一起统称固定化生物催化剂）。此技术已扩展至动植物细胞甚至线粒体和叶绿体等细胞器的固定化。其应用比固定化酶更为
