食品科学中的现代生物技术

刘春

(云南大学生化学院应用化学系)

 

摘要:本文系统地阐述了食品科学中运用到的各种生物技术,以及它们的应用前景和优点。

引言:

中国是一个农业大国,长期以来一直以农业食品为主体。这些食品大多数是直接把农产品用于食品中或只进行一些简单的加工处理,它们不仅口感粗糙,品种稀少,而且营养价值不高,大量有益于人体的成分人体却无法吸收。科学家们针对这些问题,经过长期实践,采用各种生物技术对食品领域进行了改进。改进后的食品无论在口感、品类、营养上,还是在生产工艺、食品资源质量上,都有了很大提高。而且还开发了品目繁多的新型食品,使中国食品结构由农业食品逐步向工业食品过渡。

运用于食品科学上的生物技术包括酶促反应工程,发酵工程,基因工程,细胞工程和生物反应器,它们在对食品资源的改造和改良,将农副原材料加工制成商品,对生物技术产品进行二次开发,对传统食品加工工艺进行改造等方面广泛运用,降低能耗,提高了产率。总之,生物技术在食品科学中有着广阔的市场和运用前景。

1、细胞培养技术

1. 1植物细胞培养技术

在人工控制的条件下,以植物细胞培养的方法生产有用的植物次生代物。它不依赖气候和土壤条件,节省了土地,无微生物和虫害的侵袭。该技术运用于农作物的改良,使它们具有抗病,抗虫特性,使大多数植物的繁殖率大幅度提高。我国尤其在花粉培养和单倍体育种方面处于国际先列,育成的小麦、水稻品种已推广种植。[1]

1. 2动物细胞培养技术

在动物细胞培养技术运用中,现已成功地选育出"四倍体复合银鲫鱼","人工复合三倍体鲤鱼",大面积饲养试验显示出明显的快速生长特性。如雌核发育的银鲫复合杂种鱼,生长速度比异育银鲫快30~50%,人工复合三倍体鲤鱼生长速度比普通鲤鱼快65%。[2]

2、基因工程

基因工程运用于食品科学上主要是转基因和克隆技术,它们兴起于90年代中期,经过近几年的研究开发,其发展形势迅速而猛烈。它们多用于食品资源的改造上,近几年来出现了多种转基因动植物和克隆动物,在农业、医药上广泛运用。

2.1转基因技术和生物反应器

我国独立人工合成构建的苏云金芽孢杆菌(ICPS)晶体蛋白(BT)基因,已成功地转入我国棉主栽品种中,获得了抗虫能力在80%以上的转基因棉花品系13个。[3]利用细胞工程和转基因技术培育抗白粉病、赤霉病、黄矮病小麦研究,已成功地将基因导入普通小麦,而转抗肽基因的抗青枯病马铃薯已筛选到抗性提高1~3级的株系3个。[4]这些转基因植物大量的培育和推广,使农业生产提高了生产率。据报道,日本培育出一种籽粒富含铁蛋白的转基因水稻,这种水稻可为成年人提供每日13~15mg需铁量的30%~50%。

近几年来,转基因动物也开始源源不断地出现,人们将所需的目的基因直接导入哺乳动物如鼠、兔、羊、猪的体内,使这种目的基因在哺乳动物的乳腺内表达,从而可以从这些转基因动物的乳汁中获取目的基因产物,此项技术已开始应用于生物医药产业的开发。[5]这种利用转基因动物--乳腺生物反应器生产药物蛋白,不仅产量高,易提纯,表达产物经过充分修饰和加工,具有稳定的生物活性,而且投资成本低,药物开发周期短,经济效益高。1997年,利用动物生物反应器技术获得40头乳腺特异表达外源基因的转基因羊,首批转基因羊乳汁中分泌生长激素的含量已达每升400毫克。

2.2 克隆技术

克隆技术也是当今生物技术的一个热门课题。体细胞动物克隆技术大量运用在畜牧业生产中。通过该项技术,人们可获得优良个体的复制品,从而扩大优良个体的数量,提高生产水平。据报道,美国华裔科学家杨向忠领导的课题组从一头13岁高龄母牛耳部取得细胞,最后成功获得核移植后代。另外,克隆技术的建立,突破了转基因技动物制作的传统,大大降低了转基因动物制作技术的难度和投入成本。[6]而且,克隆植物也已兴起。美国North Carolina州立大学利用微繁殖技术开发了一项产生抗黄褐色裂纹病的甘薯技术,可以从甘薯的"完美"样本繁殖出大量植株。[7]

3.发酵工程

食品科学中大量应用到发酵技术的主要有三个方面:一、将农副产品原材料加工制成商品,如酒类、调味品、酸奶类等发酵制品;二、对生产门类品种丰富多样的食品添加剂;三、对食品加工工艺的改进。

现在,各种各样的制品已进入我们的生活。酒类、酸奶等自不必说,此外,乳酸发酵海藻钠果冻现已上市,它不仅具有海藻酸钠的保健功能,同时也具有乳酸菌的保健功能。用酶法水解淀粉,选取啤酒酵母和戴氏牙孢杆菌为发酵剂进行发酵。对发酵液进行巴氏杀菌、冷藏,制成的红薯格瓦斯饮料营养丰富,酸甜爽口,滋味独特。[8]

在食品的贮藏中,食品极易受微生物侵袭而导致腐败,传统手法是利用低温,真空或加入化学防腐剂的方法来延缓腐败。但低温,真空的方法对运输、包装的要求比较高,而化学防腐剂的大多数物质又会影响人体健康,因此,人们把眼光投向天然防腐剂的研究与开发上。1999年,王陆玲等教授就生物制剂型防腐剂在牛乳保鲜中的效果进行了比较实验,他们选择三种生物型防腐剂:Nisin,溶菌酶,枯草杆菌素,同时选择目前常用的化学防腐剂苯钾酸钠一起用于牛乳保鲜比较,结果生物防腐剂Nisin的防腐保鲜效果与苯钾酸钠相同,而且Nisin对人体完全无毒。[9]正是因为生物防腐剂有如此效果和优点,所以生物型防腐剂必将逐步完全取代化学防腐剂。用发酵法生产的乳酸、抗坏血酸、酒石酸等有机酸用于肉品防腐,能使产品的PH值下降,从而抑制产品中腐败菌和致病菌的生长,达到保护产品和延长货架期的目的。Reddy报道,在牛肉中添加10%的嗜橙均乳杆菌细胞,在7℃下贮存7天,其中的需氧腐败菌也没有生长。[10]在谷氨酸废液中接入酵母菌种,通气培养获得酵母菌体;再采用酶工程等技术,经自溶等工序制成的酵母抽提物,不仅含有多种氨基酸、多肽类、维生素、呈味核甘酸及微量元素等,具有强烈的增鲜效应及醇厚浓郁的肉香味,而且大大提高了产品的附加值,可以为企业带来较好的效益,变废为宝。[11]

发酵技术也为大量运用于传统食品的改造上。在鲜牛奶生产酸性饮料工艺中,运用加入添加剂和高压均质乳化的方法解决了酪蛋白在酸性条件下产生沉淀分离的技术问题,为牛乳深加工创出一条新路。[12]用微生物发酵对破壁花粉液的风味、色泽进行了改善。而在此方面应用最典型的是用双酶法糖化工艺取代传统的酸法水解工艺,用于生产味精,可提高原料利用率10%左右。[17]以上等等方面,无不为我们展示了发酵技术在食品科学中的诱人前景。

4.酶工程

酶工程也是食品科学中运用最为广泛的一项生物技术之一。目前已有几十种酶成功地运用于食品加工,涉及到淀粉的深度加工,果汁、肉蛋制品,乳制品等加工制造,在改进食品技术,提高食品质量,改善食品风味等方面发挥了重要作用,运用广泛。

用酶法制取功能性低聚糖,其原料可以是蔗糖、玉米、薯类、玉米芯、蔗渣等农副产品,价格低廉,产地集中,产量大,可以大大提高农业生产的经济效益。[13]在花生水剂法制油工艺中,利用以纤维素酶为主体包含胶酶的复合酶系处理碾磨后的油料,能显著提高花生油收率及花生蛋白得率。[14]利用碱性蛋白酶Alca-lase水解丝素肽的效果好,无沉淀生成,解决了传统工艺生产丝素肽的疑难问题。

在食品生产工艺中,往往会碰到饮料、酒等浑浊的问题,从而影响其质量,解决此问题最常用的方法就是添加些适当的酶。果汁澄清时,添加果胶酶可降低果汁粘度,并使浑浊液澄清。在水果和蔬菜的浆料提取出汁液后,可采用果胶酶和纤维素酶将其液化。在葡萄酒酿造中,加入果胶酶不仅可以加快葡萄浆和酒汁的澄清,提高酒液过滤效率,而且它还可以水解葡萄汁中的单萜配糖体,得到易挥发的单萜风味物质,增加了葡萄汁的芳香风味。[15]在啤酒中加入单宁酶,蛋白酶等可提高啤酒的非生物稳定性,起到澄清作用。

百合营养丰富,蛋白质含量比一般蔬菜高3~5倍,含糖量高5~10倍,并含有较丰富的Vb1,Vb2,Vc,β-胡萝卜素,各种生物碱及钙、铁等矿物质。新型工艺流程以α-淀粉酶为主要试剂进行酶处理,得到风味、色泽、质地、口感俱佳的产品。[16]所制成的饮料不仅营养丰富,而且具有保健作用,可以作为一种新型保健饮料开发。

5.生物杂交及染色体工程

所谓染色体工程,就是通过个别染色体或染色体片断的增减以达到改造生物,创造优质高产品种的目的。我国通过此发已人工合成小麦近缘物种双倍体有20多种,还有多倍体梗稻,三倍体西瓜,三倍体甜菜等,增加了农业的产量,对食品的来源进行了改进。

结束语:生物技术在食品领域中不仅广泛运用于上述的几个方面,对于食品相关领域如食品包装,食品检测等方面的运用也初露端倪,并有星星之火、可以燎原的趋势。随着现代科学技术的飞速发展,生物技术必将渗透整个食品工业,相信在不久的将来,生物技术一定会克服种种技术困难和经济因素,为食品工业的发展开拓更加广阔的前景。

参考文献:

[1] 黄永松 《生物学通报》1999,(34)3,14~15

[2] 徐庆毅 《生物工程进展》1996,(16),1,1~5

[3] 张宏宇,李中奎,喻子牛 《生物技术通报》1997,3,13~15

[4] 徐新来 《生物工程进展》1996,(16),3,2~3

[5] 曾益滔 《生物学通报》1999,(34),4,1~3

[6] 候健,陈学进,安晓荣 《生物技术通报》1999,5,16~19

[7] 于同 摘译自《Biotech Reporter》1997,(14),6

[8] 刘虎成 《食品科技》2000,1,43~44

[9] 王陆玲,刘松毅,张作明 《食品工业科技》1999,(20),4,22~23

[10] 熊瑜 《食品科技》2000,1,32~34

[11] 彭小平,陈萍 《食品与发酵工业》2000,(26),1,45~47

[12] 景玉璞,王淑芳 《食品研究与开发》1996,(17),1,21~22

[13] 蒋世琼,马丽,杨海 《食品工业科技》1999,(20),3,64~65

[14] 刘志强 《食品科技》1996,6,10~12

[15] 黄海丹 《食品研究与开发》1996,(17)1,29~31

[16] 杨天保,王晔 《食品科技》2000,1,48

[17] 许新德,徐尔尼,高荫榆 《食品工业科技》1999,(20),4,68~70


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