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1、现代生物技术在食品工业中的主要应用摘要: 现代生物技术是以生命科学为基础，利用生物的特性和功能，设计构建具有预期性状的新物种或新品系，以及与工程原理和技术相结合进行社会生产或为社会服务的结合性科学技术。它涵盖了基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等学科,是研究生物学、医学、农业与食品科学的基础工具，广泛应用于医药、农业、食品、化工、环境保护等各个行业。生物技术是当今迅速发展的高新技术领域，是21世纪最具有发展潜力的新兴产业之一。随着科学技术与经济的发展，工业食品在人们生活中的重要性越来越突出，而生物技术这项高新技术的发展为食品工业的技术进步注入了新的血液。本文详细阐述生物技术在食品发酵工业、食
2、品资源改造、食品添加剂和风味物质生产、保健食品的功能性基料生产、食品分析检测以及食品包装上的应用。 传统生物技术包括酿造、酶的使用、抗菌素发酵、味精和氨基酸工业等,被广泛应用于生产多种食品如面包、奶酪、啤酒、葡萄酒以及酱油、米酒和发酵乳制品。它和新的生物技术之间既有联系,又有质的区别。现代生物技术是20世纪70年代初在分子生物学、生物化学、生化工程、微生物学、细胞生物学和电子计算机技术基础上形成的综合性技术。关键词：生物技术；食品工业；应用(一)食品原料和食品微生物的改良,提高食品的营养价值及加工性能利用现代发酵技术改造传统发酵食品最典型的是使用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺1，用于味精
3、生产，可提高原料利用率10%左右。在啤酒生产中，国外采用固定化酵母的连续发酵工艺进行啤酒酿造，可将啤酒的发酵时间缩短至ld，甚至90 min。我国对传统酿造制品，如黄酒、酱类、豆腐乳等利用优选的菌种发酵，提高了原料的利用率，缩短了发酵周期，改良了风味品质。此外，利用发酵工程生产天然色素、天然新型香味剂等食品添加剂，逐步取代人工合成的色素和香精，这也是当前食品添加剂研究的方向。食用工业如酒类、酱类、食醋、乳酸菌饮料的发展，关键在于是否有优良的微生物菌种。利用基因工程对传统发酵微生物进行改良，目前已成为改良食品工业菌种的一个重要途径。如在啤酒酵母的改良中，利用转基因技术将外源Or-乙酰乳酸脱羧酶基
4、因导入啤酒酵母细胞进行表达，可有效降低啤酒中双乙酰含量而改善啤酒风味。利用基因工程、细胞工程改造动物、植物、微生物资源向人类提供各种转基因食品和食品添加剂,一方面提高了农作物产量、改善农作物抗虫、抗病、抗除草剂和抗寒能力,另一方面使食品的营养价值、风味品质得到改善,食品储藏和保存时间有所延长。我国利用基因工程技术培育的转基因抗病番茄、抗病甜椒,目前累计种植3,000多亩,耐贮番茄在室温下储藏56天,好果率达70%以上。利用细胞工程技术培育出含水量大大降低的西红柿、洋葱、马铃薯新品种2,培育出带咸味和奶味的适宜膨化加工的玉米新品种,获得了出油率高、不饱和脂肪酸含量较高的油料作物,以及我国已在田间
5、试验中的超级水稻、转基因鲤鱼、高产奶量的转基因试管牛3,等等。 改善食品原材料品质和加工性能 动、植物是食品加工的基本原料。基因工程运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、耐盐或耐旱植物等。既丰富了食品原料的的多样性，也改善和提高了食品资源的品质特性4，增加了食用与营养价值。如利用反义RNA技术将几种不同的基因结构转移至番茄植株上，可以明显延缓番茄的后熟和老化，延长其货架期。利用基因工程可以改变谷类蛋白质中氨基酸的比例，使其具有完全蛋白质的来源，营养价值大大提高。大豆经基因工程改造后可使其植物油中含有较高比例的不饱和脂肪酸
6、5，极大提高了食用油的品质。在畜产品生产中，应用基因工程生产某些畜用激素已投入批量生产，如增加产奶量和瘦肉型化的重组生长激素等。在不影响奶的质量前提下，美国康奈尔大学利用基因工程技术研究了一种牛生长激素（bovine somatotropin，BST），给母牛注射能提高乳牛的产奶量。利用生物技术还可改变乳的成分，如生产酪蛋白含量高的奶，生产含改良蛋白（酪蛋白和仪一乳清蛋白）的牛奶，减少乳中乳糖和B一乳球蛋白的含量等。采用常规的诱变、杂交方法与细胞融合、基因工程技术结合进行菌种改造和采用基因工程和蛋白质工程技术构建“基因工程菌”,改良食品微生物的生产性能。生物技术已应用于啤酒酵母的改造,如将a-
7、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b-葡萄糖和糊精的啤酒酵母,能够明显提高麦芽汁的分解率并改善啤酒质量;构建具有优良嗜杀其它菌类活性的嗜杀啤酒酵母已成为纯种发酵的重要措施。应用现代生物技术，特别是对DNA进行操作，将DNA从一个生物转化至另一个生物(重组DNA技术)6，这样可以将任何生物的性状转移到植物、动物和微生物中。这项技术现已用于改造或转化当今用作食品的植物、动物和微生物。与此同时，人们采用细胞生物学的方法，建立了细胞融合技术和动物、植物细胞大量控制性培养技术，按照预定的设计改造遗传物质和进行细胞培养。基因工程和细胞工程技术的应用，
8、一方面提高了农作物产量和改善农作物的抗虫、抗病、抗除草剂和抗寒等能力；另一方面，使食品的营养价值、风味品质得到改善，食品储藏和保存时间得以延长。利用基因工程技术，不但可以成倍地提高酶的活力，而且还可以将生物酶基因克隆到微生物中，构建生物工程菌来生产酶。例如，在奶酪工业中需要大量的凝乳酶，传统来源是从小牛的皱胃液中提取，随着干酪工业的发展，全世界每年大约要宰杀5000万头小牛，造成酶成本不断提高。现将小牛凝乳酶基因导入酵母或大肠杆菌中，构建基因工程菌，并已实现了工业化生产，为奶酪工业提供了廉价而充足的凝乳酶。据1995年统计，已有50的工业用酶是用转基因微生物生产的。食品加工方面酶4工程的应用能
9、有效地改造传统的食品工业7。如将玉米经酶法液化、糖化和葡萄糖异构化，可生产果葡糖浆，代替蔗糖用作饮料和食品的甜味剂。应用酶法生产果葡糖浆是现代酶工程在食品工业上最成功、规模最大的应用。在果蔬加工中，利用果胶酶可以明显降低果汁澄清度，增加果汁出汁率，降低果汁粘度，提高果汁过滤效果。在食品烘焙加工时，酶制剂可以增大面包体积，改善表皮色泽，改良面粉质量，延缓陈变，提高柔软度，延长保存期限。在乳制品加工方面，凝乳酶作为重要的凝结剂被广泛适用。在肉制品加工中，添加少量的木瓜蛋白酶可以分解胶原蛋白，软化肉品。(二)生产各种功能食品的有效成分、新型食品和食品添加剂随着科学和经济的发展，生物催化技术在发酵调味
10、品和发酵食品的生产中发挥着越来越大的作用8。微生物与酶已被证实在食品风味剂生产中有着不可替代的影响，同样，从改善食品风味的目的出发，外加风味酶处理也逐渐受到人们的重视。生物技术在肉类香精中的应用主要体现在：酶技术被应用于肉蛋白质的水解中，产生高质量的肉蛋白酶水解物9，进而生产出肉味更逼真、强度更高的天然肉类香精通过转基因技术制造有利于人类健康的食品或有效因子,如低胆固醇肉猪、低胆固醇蛋和高特种微量元素蛋、人类血液代用品、高异黄酮大豆、高胡萝卜素稻米,等等。 利用生物技术,特别是发酵工程技术生产食品添加剂10。目前国内外重点研究开发的食品添加剂有甜味剂中的木糖醇,甘露糖醇,阿拉伯糖醇,甜味多肽,
11、等等;酸味剂中的L-苹果酸,L-琥珀酸,等等;氨基酸中各种必需氨基酸;增稠剂中的黄原胶,普鱼兰,茁霉多糖,热凝性多糖,等等;风味剂中的多种核苷酸,琥珀酸钠,香茅醇,双乙酰;芳香剂中的脂肪酸酯,异丁醇,等等;色素中的类胡萝卜素,红曲色素,虾青素,番茄红素,等等;维生素中的维生素C,维生素B12,核黄素,肉碱;生物活性添加剂中的各种保键活菌,活性多肽,等等;防腐剂中的乳链菌肽,杀菌肽,瓜蟾抗菌肽,防御素,等等。可直接应用于食品生产过程的物质转化利用发酵技术、酶技术对农副产品进行加工,直接生产各种发酵食品如饮料、酒、酱、酱油、醋、乳酸、酸奶和啤酒。利用基因工程和酶工程,构建“生物工程菌”来生产酶制剂
12、。近20年来,利用“基因工程菌”11生产的食品酶制剂主要有凝乳酶、a-淀粉酶、葡萄糖氧化酶、葡萄糖异构酶、转化酶、脂肪酶、溶菌酶等。凝乳酶是制造干酪过程中起凝乳作用的关键酶;蛋白酶可改善蛋白质的溶解性。在食品加工过程中添加一些酶类可以改善产品的色泽、风味和质构。如用葡萄糖氧化酶可以除去蛋液中的葡萄糖,改善制品的色泽;用脂酶和蛋白酶可加速奶酪的成熟;葡萄糖苷酶可用于果汁和果酒的增香;木瓜蛋白酶可分解胶原蛋白,用于肉的嫩化。现代生物技术在肉、奶、水产品加工中有广泛的应用,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产品的花色品种等。乳品方面
13、有利用外源激素提高乳的产量,增强乳的免疫功能,改善乳的组成成分;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。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,开发研制保健食品和药品。食品添加剂在现代食品工业中占有重要的位置，不仅保证了食品的色、香、味、外形、新鲜度，延长了保质期，同时也改善了食品品质，提高了加工效率等。利用生物技术能够生产多种食品添加剂。如：抗氧化剂(VC、异VC钠、VE)、增稠剂(黄原胶)、鲜味剂(味精、IG、5鸟苷酸)、甜味剂(阿斯巴甜、风味修饰蛋白(TMR）、果葡糖浆等)、色素(红曲色素、类胡萝卜素等)、木糖醇、肌醇等。(三)工业化生产预
14、定食品或食品功能成分开发功能性食品 所谓功能性食品是指对人体具有增强机体防御机能、调节生理节律、预防疾病和促进康复等有关生理调节功能的加工食品。它代表了当代食品发展的新潮流。研究表明，一些药用真菌，如灵芝、冬虫夏草、茯苓和猴头菇等真菌中的多糖成分，能明显提高人体免疫力，且大部分还具有抗肿瘤和抗衰老功效。这是发展功能性食品的一个重要原料来源。传统的生产方法是从野外采摘或人工种植的真菌实体直接提取，不仅规模小、产量低，且易受天气和季节的影响，难以满足功能性食品的发展需求。现在，通过发酵途径则可实现真菌多糖的工业化连续生产。例如河北省科学院微生物研究所等筛选出了繁殖快、生物量高的优良灵芝菌株，应用于
15、深层液体发酵并取得成功，建立了一整套发酵和提取新工艺，为研制功能性食品提供了更为广阔的药材原料。此外，许多功能性食品或功能性成分，如低聚糖、糖醇、EPA、DHA、Y一亚麻酸、超氧化物歧化酶(SOD)、有益菌等都可通过发酵工程获得12，其中许多已实现大规模生产。功能性保健食品的兴起是食品工业的新发展，食品的功能研究与基料的开发是21世纪的重大课题。目前开发的有酶法生产低聚糖、糖醇、多价不饱和脂肪酸、肽类，基因工程生产乳酸菌类如双歧杆菌、德氏乳杆菌等，发酵法生产细菌的糖如葡聚糖及真菌多糖等。此外，还有V-亚麻酸、花生四烯酸、单细胞蛋白等。 利用发酵工程生产功能食品或功能性成分13,如低聚糖、糖醇、
16、单细胞蛋白、EPA、DHA、r-亚麻酸、有益菌。利用酶工程制取高蛋白富含多种氨基酸和微量元素的功能食品,如以动植物、微生物蛋白为原料,利用酶技术将蛋白质分解成多肽和氨基酸,可作为功能食品或营养强化食品的原料。利用乳糖酶水解乳糖,加工出低乳糖食品作为乳糖缺乏者的保健饮品。利用现代生物技术进行玉米的综合利用14,为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精等产品的开发提供充足的原料。如从玉米黄浆水中提取玉米黄色素,可用于人造黄油、人造奶油、糖果、冰淇淋等食品中取代人工合成色素;从玉米皮制取膳食纤维;用玉米淀粉制取高纯度低聚异麦芽糖900型第二代功能性保健食品生物糖。 (四)食品保鲜与贮藏方面的应用现代食品工业的发展和人们生活及生产模式的变化，用已有的包装
