生物加工技术正文

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1、1 摘要：生物技术（ Biotechnology ）是以生命科学为基础，利用生物（或生物组织、细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合，加工生产产品或提供服务的综合性技术。生物技术的显著应用不仅在健康行业，生物技术在其它产业中的研发投入也十分突出。依靠生物技术，农业上用更少的土地生产更多的健康食品；制造业可以减少环境污染、节省能耗；工业可以利用再生资源生产原料，以保护环境。在 21 世纪的第一年，科学家们完成了人类基因的测序。这一成就对生物技术产业发展影响将是难以估量的。 在探索人类基因的奥秘过程，发现一些新的药物，成为生物技术关注的热点。

2、生物技术 （ Biotechnology ）也译成生物工程， 生物学 研究与应用的技术方面，包括， 基因 工程、细胞工程、发酵工程和酶工程，现代生物技术发展到高通量组学（ omics） 芯片 技术、基因与 基因组 人工设计与 合成生物学 等系统生物技术。生物技术概念图正文：现代生物技术的兴起始于本世纪 70 年代，如今已经成为高技术群体中一支绚丽的奇葩。这门技术具有鲜明的军、民两用性，应用潜力十分广泛。它既可以为解决人类面临的食品、健康、能源、环境等问题提供新的手段，又可以为大幅度提高部队的作战效能和生存能力开辟新的途径。 现代生物技术的深入发展和广泛应用、 是本世纪继计算机技术革命之后又一次

3、重要的技术革命， 是现代军事技术革命的生力军。现代生物技术是以生命科学为基础， 利用生物 （或生物组织、 细胞及其他组成部分）的特性和功能，设计、构建具有预期性能的新物质或新品系，以及与工程原理相结合， 加工生产产品或提供服务的综合性技术。 这门技术内涵十分丰2 富它涉及到：对生物的遗传基因进行改造或重组，并使重组基因在细胞内表达，产生人类需要的新物质的基因技术 （如“克隆技术”） ； 从简单普通的原料出发，设计最佳路线， 选择适当的酶， 合成所需功能产品的生物分子工程技术： 利用生物细胞大量加工、制造产品的生物生产技术（如发酵）；将生物分子与电子、光学或机械系统连接起来，并把生物分子捕获的信

4、息放大、传递。转换成为光。电或机械信息的生物耦合技术； 在纳米 （即百万分之一毫米） 尺度上研究生物大分子精细结构及其与功能的关系。 并对其结构进行改造利用它们组装分子设备的纳米生物技术：模拟生物或生物系统。组织、器官功能结构的仿生技术等等。可以说现代生物技术是在分子生物学发展基础上成长起来的。 1953年，美国科学家沃森和英国科学家克里克用衍射法搞清了遗传的物质基础核酸的结构，从而使揭开生命秘密的探索从细胞水平进入了分子水平，对于生物规律的研究也从定性走向了定量。在现代物理学和化学的影响和渗透下，一门新的科学分子生物学诞生了。在以后的十多年内，分子生物学发展迅速，取得许多重要成果，特别是科学

5、家们破译了生命遗传密码，并在 1966 年编制了一本地球生物通用的遗传密码 辞典 。遗传密码辞典将分子生物学的研究迅速推进到实用阶段。 1970 年，科拉纳等科学家完成了对酵母丙氨酸转移 RNA的基因的人工全合成。 1971 年美国保罗伯格用一种限制性内切酶，打开一种环状 DNA分子，第一次把两种不同 DNA联结在一起。 1973 年，以美国科学家科恩为首的研究小组，应用前人大量的研究成果，在斯坦福大学用大肠杆菌进行了现代生物技术中最有代表性的技术基因工程的第一个成功的实验。他们在试管中将大肠杆菌里的两种不同质粒（抗四环素和抗链霉素）重组到一起，然后将此质粒引进到大肠杆菌中去， 结果发现它在那

6、里复制并表现出双亲质粒的遗传信息。 1974 年，他们又将非洲爪蛙的一种基因与一种大肠杆菌的质粒组合在一起，并引入到另一种大肠杆菌中去。结果，非洲爪蛙的基因居然在大肠杆菌中得到了表达（“表达”是指该基因在大肠杆菌内能合成生长激素抑制因子），并能随着大肠杆菌的繁衍一代一代地传下去。科学家们从科恩的实验中看出了基因工程的突出特点：（）能打破物种之间的界限。在传统遗传育种的概念中，亲缘关系远一点的物种，要想杂交成功几乎是不可能的，更不用说动物与植物之间、细菌与动物之间、细菌与植物之间的杂交了。但基因工程技术却可越过交配屏障，使这一切有了实现的可能。（）可以根据人们的意愿、目的，定向地改造生物遗传特性

7、，甚至创造出地球上还不存在的新的生命物种。同时，这种技术对人类自身的进化过程也可能产生影响。（）由于这种技术是直接在遗传物质核酸上动手术，因而创造新的生物类型的速度可以大大加快。这些特点，引起了世界科学家的极大关注，短短几年内，基因工程研究便在许多国家发展起来，并取得一批成果，基因工程已成为 20 世纪最重要的技术成就之一。生物技术产业是新经济的主要推动力。 尽管最近生物技术产业的股值也缩水很大，但其过去所得多于现在所失。在过去的一年中，纳斯达克生物技术指数下降了 20， 但与前三年相比， 该指数的增长仍接近 100。3 在目前的熊市状态下，该指数的表现优于纳斯达克综合指数和道琼工业指数。很多

8、分析家认为， 2002 年生物和医药股将表现平平但健康发展，在今后的 12 至 24 个月中，生物股将再次起飞，新的生物技术产品将开始进入市场。近 10 多年来，美国、日本、俄罗斯和欧洲的一些国家十分重视生物技术的发展，并积极推进它的军事应用，其中以美国的研究最为活跃。美国很多州政府支持生物技术产业的发展，陆续推出了不少经济发展计划以吸引生物技术企业。例如，密西根州是美国十大生物技术州之一，州政府承诺要在生物技术产业领域进入全美前 5 名，拟投入 10 亿美元，建成密西根生命科学走廊。目前该走廊已有 300 多家生物公司。从 1989 年开始，美国国防部每年都把它列入国防关键技术计划。 为了加

9、强军事生物技术的研究， 美国国防部还成立了国防生物技术指导委员会。 美军对生物技术研究的范围很广， 现阶段主要集中在军事生物医学、生物传感器、生物材料、军事环境的生物处理、生物分子电子技术及仿生学等领域。在信息探测方面：利用酶、抗体、细胞等制造具有识别功能的生物传感器， 不仅能准确地识别各种生、 化战剂， 通过与计算机配合及时提出最佳防护和治疗方案、 而且还可用于探测炸药、 火箭推进剂的挥发降解情况，确定敌方库存地雷。炮弹、炸弹、导弹等的数量和位置。利用仿生技术制造的各种信息收集系统， 可以大幅度提高探测、 监视和导航能力。 仿视觉探测器的电子蛙眼雷达能快速识别不同形状的飞机。 舰艇。 导弹等

10、运动物体， 并能根据飞行特点，识别真假导弹；“蝇眼”相机一次能拍下 1000 多张照片，分辨率高达每厘米 4000 线， 成为有效的侦察工具； 模拟狗、 猫头鹰等动物夜视功能的装置，能搜索到微光下地面或空中目标。 科学家们根据“蛇眼”红外线定位原理研制了红外制导的空空导弹， 现在人们又根据蝙蝠抗干扰能力强的原理研制出新颖的蝙蝠式抗干扰超精密全敏雷达。根据狗鼻子机理制成的仿嗅觉传感器“电子犬”，能测定仅千万分之一的过氧乙烯毒气； 根据苍蝇的触角上非常灵敏的嗅觉感觉器，制造出了嗅觉敏感的探测装置。 值得重视的是， 上面所例举的一些已制造出来的仿生探测器大都还是被动的仿生装置。 随着生物技术的发展，

11、 在彻底弄清生物系统的工作原理后， 通过基因技术、 生物分子工程技术对生物分子的改造， 运用生物分子电子技术等主动仿生学方法， 一定能制出功能优于生物结构更紧凑， 体积更小的各种信息探测装置。新生物技术对发展中国家提高农业产量、 减少饥饿、 增加国民收入和保护环境具有重要意义， 因此发展中国家应在注重食品安全的基础上， 大力发展适合自己的农业生物技术。1 生物技术在食品工业中的应用1 1 对食品资源的改造1 1 1 生产转基因食品应用现代生物技术， 特别是重组 DNA技术， 可将生物的特定性状转移到植物、动物和微生物中；与此同时，人们采用细胞生物学方法，建立了细胞融合技术，并进行动物、 植物细

12、胞大量控制性培养， 按照预定的设计改造遗传物质， 从而得到转基因动植物。 如应用基因工程和细胞工程对各类植物进行改良， 发展了植物抗病抗虫害品种； 改良蔬菜、 水果采收后的品质； 改良植物原料加工特性。 目前，4 生长速度快、抗病力强、肉质好的转基因兔、 猪、 鸡已经问世， 为改善人们的膳食结构提供了一条新的思路和方法。据统计，美国农业部现已批准生产的转基因农作物有 7 大类， 35 种。我国现已批准可商业化生产的有 6 项，涉及食品的有 3 项，包括转基因耐储藏番茄，抗黄瓜花叶病毒甜椒， 抗花叶病毒番茄。 处于中试阶段的与食品有关的转基因植物有抗除草剂水稻、抗虫水稻、抗病毒大白菜、抗病毒番茄

13、、转 Bt 基因抗虫棉花、抗青枯叶病马铃薯、抗旱马铃薯、高氨基酸马铃薯等。1 1 2 改良食品原料发酵微生物食品原料加工中，一个非常重要的方面就是应用发酵技术进行微生物转化。持续创新使发酵食品不断得以改善并日趋多样化， 但是许多创新只是局限于为现有产品选择新的可改变产品特性的生产菌。 用于发酵的微生物基因序列的揭示和高产量后基因组技术的出现使我们对传统加工方法的认识发生了巨大的变化。 现在，有 10 种真菌基因组序列已被公开，而且通过公开的基因序列数据库，更多的真菌基因序列将被阐明。 Jewett 等以黑匣子代谢组学方法为例进行了综述，为真菌基因组序列非依赖性的代谢作用多样性功能分析提供了可能

14、。 根据它们高度的特异性和多样性，通过这些方法，通常可以确定其次级代谢产物。 后基因组技术为开发发酵生物体的天然生物活性提供了新的可能， 对改变微生物在相关生产条件下的性能有重要意义， 这将为选择最佳的微生物菌种并利用这些微生物生产出有特色或新型的发酵产品提供新的方法。 Van Hyckama Vlieg 等以乳酸乳球菌属微生物为例，对这些技术及其应用潜能进行了综述。1 2 对食品加工工艺的改进1 2 1 延长食品保鲜期一方面， 选育并推广适宜贮藏加工的品种， 为食品生产提供更多易于贮藏的原料。 主要是利用遗传工程技术选择培育对乙烯敏感性低的新品种， 从基因工程角度解决农副产品的保鲜问题。 另

15、一方面， 应用酶工程技术， 利用生物酶制造一种有利于食品保质的环境， 吸去瓶颈空隙中的氧而延长保鲜期； 溶菌酶对革兰氏阳性菌有很强的溶菌作用，用于肉制品、干酪、水产品等的保鲜。1 2 2 改进肉、奶、水产品的加工肉的加工保鲜方面主要是提高肉的综合品质以及瘦肉、 肥肉、 嫩肉的综合利用， 如肉的嫩化、 发酵香肠的生产和增加畜产品的花色品种等。 乳品方面可利用外源激素提高乳品的产量， 增强乳品的免疫功能， 改善乳品的组成成分； 利用酶工程技术开发乳蛋白生物活性肽、发酵乳制品、双岐杆菌发酵乳，等等。从水产品如人工淡水鱼、内脏、鱼眼、精卵巢中分离提取有效成分，可开发研制保健食品。1 2 3 改良传统发

16、酵工艺发酵工程是利用微生物的特殊功能生产有用的物质， 或直接将微生物应用于工业生产的一种技术体系， 它包括菌种选育、 菌种生产、 代谢产物的发酵以及微生物的利用技术。 其对食品工业的优化作用主要有： 提高发酵食品质量并使加5 工过程更合理化。 生物技术已应用于啤酒酵母的改造， 探明了双乙酰是影响啤酒风味成熟的主体成分及其生长和消长的原理， 如将 乙酰乳酸脱羧酶基因克隆到啤酒酵母中进行表达， 可降低啤酒双乙酰含量而改善啤酒风味； 选育出分解 葡聚糖和糊精的啤酒酵母， 能够明显提高麦汁的分解率并改善啤酒质量； 构建具有优良嗜杀其他菌类活性的嗜杀啤酒酵母， 成为实现纯种发酵的重要措施。 白酒生产， 通过对大曲及窖系微生物的剖析及其作用机制的研究， 开发出人工窖泥和特定微生物培养液的添加等技术， 使浓香型大曲酒的生产趋于稳定， 优质酒率大为提高。 各种不同风格白酒的生产和品质得到定型， 使传统的技艺操作趋向科学化和工业化。 优化发酵产业。 如运用固定化醋酸菌酿制食醋， 可缩短发育迟缓期，