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1、基因工程技术在食品领域的应用和安全性研究生物技术091班 汪骏 09640131摘要：综述了基因工程技术在现代食品领域的应用和其安全性的研究，最后对基因工程技术在食品中的发展前景进行展望。关键词：基因工程；转基因食品；食品安全；发展前景引言： 生物技术在食品生产中的应用已经有几个世纪，现在生物技术的蓬勃发展，极大推动了农业和食品工业朝高技术方向发展。目前,经基因工程改造的产品已在农业、医药、环保等领域占据了重要的地位，特别是在食品工业中越来越显示了它的优越性和发展前景1。主要体现在一下四个方面：首先是以基因工程技术为核心，利用基因工程、细胞工程技术对食品资源进行改造与改良；二是利用发酵工程、酶
2、工程技术将农副业原材料加工成商品，如酒类、调味品、酸奶类等发酵制品；三是利用生物技术产品进行二次开发，形成新的产品，如功能性低聚糖、食品添加剂等；四是利用酶工艺、发酵技术、生物反应器等对传统食品加工工艺进行改造，降低能耗，提高产出率，改善食品品质2。但是作为人类营养和健康的终端产品，其安全性必须经过严格的检测来得到保障。如果能充分利用好基因工程资源，那么我们人类的未来将更加美好。本文从营养性评价、毒性问题、过敏反应问题、对抗生素的抵抗作用、基因漂移问题等方面对其安全性进行阐述，并展望基因工程在食品领域的应用前景，综述不同学者在此领域的见解。 概述：本课题主要由之前上过的一门基因工程中而来，目前
3、基因工程的食品领域的研究正处于迅速发展阶段，在这方面的研究仍然存在很多未知因素。但是，在众多的科研人员的研究下，相信基因食品定将造福人类。1 基因工程技术1.1 基因工程定义基因工程(genetic engineering)技术是指按照预先设计好的蓝图，利用现代分子生物学技术，特别是酶学技术，对遗传物质DNA直接进行体外重组操作与改造，将一种生物(供体)的基因转移到另外一种生物(受体)中去，从而实现受体生物的定向改造与改良3。基因工程的基本程序4：(1)获取所需的目的基因；(2)把目的基因与选好的载体连接在一起，即重组；(3)把重组载体转入宿主细胞；(4)对重组分子进行选择；(5)表达成蛋白，
4、采用合适条件，获得高表达的产品。1.2 发展1973年美国斯坦福大学和旧金山大学Coken和Boyer两位科学家成功地进行了DNA分子重组试验，揭开了基因工程发展的序幕。1984年，Be-van5报告了从粪链球菌中提取的基因植入烟草(Nicotina plumbaginifolia)的基因组，开创了转基因生物时代。1994年，美国农业部(USDA)和美国食品与药品管理局(FDA)批准第一个转基因作物产品延熟保鲜转基因番茄进入市场之后，大量的转基因生物作为食品进入人们的生活6。2 基因工程在食品领域的应用运用基因工程技术对动物、植物、微生物的基因进行改良，不仅可以为食品工业提供营养丰富的动植物原
5、材料、性能优良的微生物菌种以及高活而价格适宜的酶制剂，而且还可以赋予食品多种功能、优化生产工艺和开发新型功能性食品7。2.1 改良食品原料品质与加工性能基因工程应用于植物食品原料的生产上,可进行品种改良,新品种开发与原料增产,如选育抗病植物、耐除草剂植物、抗昆虫或抗病毒植物8、耐盐或耐旱植物9。除增加产量外,还应用于改良农作物品种特性方面,如利用反义RNA技术可以控制转基因番茄的成熟期,并延长其储存期。基因工程还可用于改良玉米、稻米等谷类氨基酸组成及含量,提高谷类营养价值。油脂在提炼、加工及储存过程中,油脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因。目前已知豆类中的脂氧合酶催化脂肪酸氧化,在豆类制品的
6、变味和油脂酸败过程中扮演重要角色。因此,利用生物技术改良豆类油脂品质也是未来的发展方向。传统上,畜牧从业者为了使饲养的动物有更好的生长状况和品质,通常只能从饲料和生长环境上加以控制。而以基因工程的方法则可通过转入适当的外源基因或对自身的基因加以修饰,来降低结缔组织的交联度,改善品质。通过外源生长激素在受体鱼中的表达,可使转基因鱼的肌肉蛋白含量和饲料转换效率明显提高,生长速度加快。生长激素转基因猪也取得了相似的效果,且减少了脂肪,增加了瘦肉率10。啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求,如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵,容易使啤酒产生混浊,也会使其过滤困难。采用基因工程技术,使另一蛋白基因
7、克隆到大麦中,便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低,以适应生产的要求。在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题,牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸,它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。现在采用基因操作,增加k-酪蛋白编码基因的拷贝数和置换, k-酪蛋白分子中Ala-53被丝氨酸所置换,便可提高其磷酸化,使k-酪蛋白分子间斥力增加,以提高牛乳的稳定性,这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。在烘烤工业中,将含有地丝菌属LIPZ基因的质粒转化到面包酵母中,可以使面包蓬松,内部结构较均匀,优化了加工工艺11。2.2 改良食品工业用菌种食品工业如酒类、酱油、酱类、食醋、乳酸菌饮料等的发展,关键在于是否有优良的微
8、生物菌种,应用基因工程、细胞融合及传统微生物突变育种技术从事发酵菌种的改良研究已为数不少。例如:乳酸菌(Lactic acid bacteria)常被用于食品发酵加工上,不但富含营养且具整肠、降低胆固醇、低热量等优点。Rugter等人将噬菌体中U S3的LyHt a基因和NisA启动子连接后,转形至1 Lacbis,得到一株安定的转性株。当乳酸链球菌素(乳链菌肽)加入后,就会启动NisA启动子,使之产生溶菌酶LytA及Holin蛋白质LytH12。LytH会使细胞膜形成孔洞,而LytA由这些孔洞渗透出来后即可行使分解细胞壁的功能,最后导致细胞壁快速有效分解。将此基因与形成风味剂的基因(如肽酶、
9、酯酶及氨基酸转化酶)合用,在食品工业应用上具有很大的吸引力,其商业化指日可待。2.3 生产酶制剂 酶的传统来源是动物肝脏和植物种子,后来因发酵工程技术的发展,使得利用微生物生产各类酶成为可能, 20世纪50年代初开始,分子生物学和生物化学的发展使基因工程技术在酶制剂方面的应用越来越广泛。凝乳酶是第一次应用基因工程技术把小牛胃中的凝乳酶基因转移到细菌或真核微生物生产的酶,利用基因工程菌生产凝乳酶是解决凝乳酶供不应求的理想途径13。Geoffrog等14将编码牛凝乳酶的基因克隆到乳酸克鲁维酵母中发现,乳酸克鲁维酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培养基质,并成功地进行了大规模的工业生产。2.4 保健食品和
10、食品疫苗利用基因工程技术可以研制特种保健品的有效成分。例如将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至羊或牛中,便可以在羊乳或牛乳中产生这种酶。1997年上海医学遗传所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中就含有人的凝血因子,为通过动物大量廉价生产人类所需的新型功能性食品和药品迈出了重大的一步7。除了研究利用动物生产新型功能性食品外,目前利用转基因植物生产食品疫苗已成为食品生物技术研究的热点之一。如2002年,中国农科院生物技术研究所通过重组DNA技术选育出具有抗肝炎功能的番茄,这种番茄被人食用后,可以产生类似乙肝疫苗的预防效果7。此外,基因工程技术还可以用于提高食品中矿物质和天然存在的抗氧
11、化维生素(VA、VC、VE)等保健因子水平,这些物质可以减慢和阻止氧化作用,如在番茄和甜椒中大量存在的番茄红素已经用转基因技术得到生产13。3 基因工程技术食品的安全性1998年,英国阿伯丁罗特研究所普庇泰教授研究报道,幼鼠食用转基因马铃薯后,会使内脏和免疫系统受损,这是对转基因食品最早提出的有科学证据的质疑15。虽然1999年5月英国皇家学会宣布此项研究没有任何有利的证据,但它还是在全世界范围内引发了对转基因食品安全性的讨论。3.1 转基因食品及其安全性3.1.1 转基因食品定义转基因食品(geneticallymodified food,GMF)是指以转基因生物为原料加工生产的食品,利用分
12、子生物学手段,将某些生物基因转移至其他生物上,使其出现原物种不具备的性状或产物,针对某一或某些特性,以植入异源基因或改变基因表现等生物技术方式,进行遗传因子的修饰,使动植物或微生物具备或增加特性,进而达到降低生产成本,增加食品或食品原料价值的目的11。主要包括转基因动物性食品、转基因植物性食品和转基因微生物性食品。 3.1.2 转基因食品营养学评价3.1.2.1蛋白质评价GMF的蛋白质评价是转基因食品营养素评价的内容之一。Shireen等16对GST大豆中的EPSPS基因的表达作了营养评价。科学家用大肠杆菌表达的CP4EPSPS蛋白做了小鼠口服急性毒性试验,结果表明,不同剂量组之间在体重、累积
13、体重和摄食方面没有统计学差异,解剖未发现异常。3.1.2.2脂类的评价Robert17研究发现,把海藻中的omega-3长链多不饱和脂肪酸(LC-PUFA)基因转入陆地油料作物中,从大西洋鲑鱼提取的omega-3-LC-PUFA和转基因油料作物生产的omega-3-LC-PUFA的营养效果一致。3.1.2.3矿物质的评价Drakakaki18发现转基因玉米表达曲霉的植酸酶后,能够帮助小鼠高效吸收铁。有关GMF中主要营养素评价的文献资料表明转基因食品的营养素变化不大。3.1.3 转基因食品的安全性问题3.1.3.1毒性问题关于转基因食品的毒性问题,目前只有一些相关的试验报道,尚无人体的研究报告。
14、1998年,英国Rowett研究院的Putsai博士19用转雪花莲凝集素基因的马铃薯喂大鼠,声称大鼠食用后体重和器官重量减轻,免疫系统受到破坏。而据Poulsen等20的研究,通过用表达雪花莲凝集素基因的大米喂养大鼠,采用90 d喂养试验发现,虽然喂养转基因大米组与正常对照组存在明显的统计学差异,但并没有数据能说明转基因米对大鼠的生长产生有害的影响。3.1.3.2过敏反应问题第一次与转基因食品有关的过敏问题的提出是在1996年,当时研究人员发现,在从巴西坚果向大豆转移一个主要过敏原的过程中,同样也转移了它引发过敏的能力,它能够在本来对巴西坚果过敏的个体中引发过敏反应。被讨论的这个基因编码是2S
15、白蛋白,用于提高饲用大豆的营养状况21。这一发现促使人们对转基因食物潜在过敏性进行更加全面的测试。3.1.3.3对抗生素的抵抗作用抗生素抗性基因是目前转基因植物食品中常用的标记基因,但抗生素标记基因对人体的健康是否会造成不利的影响,例如,是否会水平转移到肠道微生物或上皮细胞,从而降低抗生素在临床治疗中的有效性,一直受到人们的关注22。虽然目前人们倾向于认为这种可能性比较小,但在评估潜在健康问题时,仍应考虑人体和动物抗生素的使用以及肠道微生物对抗生素的抗性。3.1.3.4基因漂移问题基因漂移指的是一种生物的目标基因向附近野生近缘种的自发转移,导致附近野生近缘种发生内在的基因变化,具有目标基因的一
16、些优势特征,形成新的物种,以致整个生态环境发生结构性的变化。最常见的如水平基因转移(HGT)或基因横向迁移(LGT),它是指一种有机体将遗传物质转移到另外一个有机体而不是其后代体内,这种进程很容易在原核生物体内发生,从而严重影响细菌基因组的进化及其它细菌的物种多样性23。研究表明,油菜、甘蔗、莴苣、草莓、向日葵、马铃薯以及禾本科作物均有向其近缘野生种的自发基因转移,甚至不同属间的基因漂移也有可能发生24。当发生基因漂移时,可能产生一些难以预料的后果,如产生超级杂草、超级害虫、危害生物多样性、诱发新病毒、对非靶标有益生物的影响,即所谓的“基因污染”问题。3.2 基因工程食品的安全性管理对转基因食品的安全性进行正确的评估和科学的管理，是生
