生物技术在食品或医药领域的应用

在过去20年间，现代生物技术已形成一个快速发展的产业。传统的生物技术，也可称为第一代生物技术，是基于醋酸、乙醇和乳酸发酵为基础，经过长期的发展而建立起来的。现代生物技术，或称为第二代生物技术主要是基于基因修饰（gm）的理论、利用重组dna技术，目前已经为人类提供了大量产业化的商品、改进和提高农作物的质量和产量、用于食品加工过程、环境保护和维持生态平衡等各方面，成为发展最快、最活跃的高技术领域之一。■世界生物技术产业概况 一般来说，生物技术包括了发酵工程、遗传工程、细胞工程、酶工程、组织培养、生物反应器等处理生物性材料和物质的方法。生物技术产业已在农牧业、医药保健业等方面取得了巨大的成就，而且不断地和快速地向食品行业渗透和发展。从上世纪70年代以来，由于dna重组和转基因等一系列基因工程技术的建立，生物技术产业的发展很快。近20年来，基因工程技术，尤其是基因克隆和基因重组技术的诞生和发展，为定向改变生物性状提供了理论和技术基础。1982年转基因“超级鼠”的构建成功、1985年转基因鱼的出现，揭开了基因工程技术在食品行业中应用的序幕。从此，基因工程食品诞生了，受到了全人类的关注，并在人们的日常生活中占有越来越大的比重。据报道，目前国际市场上以生物工程为基础的食品工业产值已达2500亿美元左右。 生物技术创造了巨大的生物技术产业。生物技术应用的领域以生物制药为第一，约占生物产业产值的75％，食品领域其次。目前，生物技术产业已生产出许多种产品，如通过生物催化反应生产生物制品原料；利用转基因技术获得转基因细菌、霉菌、植物、动物和昆虫等；加速和控制新陈代谢过程；从实验室到工业生产的放大；终端产品的分离和纯化；高效益的生产和过程控制等。北美咨询公司的研究报告指出，目前世界范围内已有3000多个生物公司。据报道，美国1990年利用生物技术生产的药物为65亿美元，1995年为130亿美元，估计到2005年要超过1000亿美元。1999年，美国政府已批准了29种新的生物药物产品的生产，同时有300多个新药正在进行临床试验。1997年，欧洲生物技术产业较上年收入增加了17％，在研究和开发方面的投入则增加了20％。在欧洲，生物技术产业的发展速度也是非常快的，尤其是在英国和德国。■食品生物资源 现代生物技术在食品行业中的应用主要体现在四个方面。首先是利用基因工程、细胞工程技术对食品资源的改造和改良；第二是利用发酵工程、酶工程技术将农副产品加工成食品，如酒类、有机酸、氨基酸以及发酵食品等；第三是利用综合的生物技术，将这些产品进行二次开发生产出新的产品，如功能性食品、食品添加剂等；第四是利用生物技术对传统食品加工工艺进行技术更新和改造，降低能耗、提高效益、改善食品品质等。此外，在食品检测、食品包装等方面，生物技术也得到广泛的应用。 随着生物技术的发展，食品工业已发生了巨大的变化。随着转基因技术在食品领域的突破和应用，食品工业快速地发生了相应的变化，出现了转基因食品。所谓转基因食品是指利用分子生物学手段，将某些生物的基因转移到其他生物物种中，使其出现原物种不具有的性状或产物。以转基因生物为原料加工生产的食品为转基因食品。通过这种技术，人类可以获得更符合人们需求的食品，它具有产量高、营养丰富、品质好、抗病力强等优势。根据原料来源可分为植物源、动物源和微生物源转基因食品。其中植物源食品发展速度最快。 1．植物源食品—农产品 食品工业的原料相当大的比例来自农产品，许多地区消费者60％的能量来源于植物源食品。近10多年来，在农作物培育过程中利用生物技术大大提高了农产品的质量和产量，使人们获得了巨大的财富。如基因修饰技术已经提高了马铃薯碳水化合物的含量，改变了葡萄籽和花生的脂肪酸成分，降低了木薯中氰化葡萄糖苷含量等。近来又发现在“金色大米”中诱导合成出va前体物质。转基因农作物的发展速度是非常快的。自1983年世界上第一例转基因植物获得成功后，1986年就有5例转基因植物获准进入田间试验。到1998年仅美国就批准了1077例。2000年，全世界已有45个国家25000例转基因植物进行了田间试验。美国是世界上转基因作物种植面积最大的国家，其次是加拿大、阿根廷和中国。目前涉及食品原料的转基因农产品有大豆、玉米、油菜、马铃薯、番茄、甜椒、番木瓜、西葫芦等。西方国家在1990年以前还没有在田间大规模种植转基因作物，到1996年已发展为170万公顷，2000年全世界的种植面积已达4420万公顷；产值已由1995年的7500万美元增加到2000年的30亿美元。预计今后每年将以16．3％的速率增长，到2010年将达到250亿美元。1999年，中国已成为世界上转基因作物种植面积位居第四的国家。我国有13亿人口，农业问题是一个头等重要的大事，我国“863计划”中有近半数的资金用于发展高科技农业，包括转基因农作物的开发。我国自1996年11月正式公布实施《农业生物基因工程安全管理实施办法》以来，已批准6件转基因植物商业化生产，其中5件是我国自己开发的。已商品化生产的有在常温条件下可贮存6080天的耐贮存番茄、对鳞翅目害虫抗性高达80％的抗虫棉、作为观赏植物的牵牛花、抗黄瓜花叶病毒的甜椒和番茄。此外，我国还有水稻、小麦、玉米、大豆、番木瓜、烟草、杨树、马铃薯等10余种转基因植物已获准进入田间试验或中间试验，预计5年内可商品化。 转基因农作物首先要考虑的是改进它们对病虫害的抵抗性，用于开发控制特殊虫害、病菌和寄生虫（菌）的作物。转基因植物合成的某些物质可以使侵害它们的敌人受到毒害而对作物不会产生危害。此外生物杀虫剂也是农业生物技术产业中的一个重要行业。生物杀虫剂可以是活的微生物如细菌、霉菌等，或是生物的新陈代谢产物，或是细胞培养的提取物等。它们产生的物质对特殊的植物虫害有毒性，抑制它们的繁殖或致死。 国际水稻研究所执行了一项水稻生物技术项目，利用转基因技术改造了水稻品种，选育的水稻品种对严重危害的昆虫有很强的抵抗性，以及对不良的生态环境条件有很强的忍耐性。在试验中，首先要使野生水稻的基因转移到培育的水稻中，可选择利用细菌和活性载体、细胞融合、体细胞杂交电脉冲等技术。目前，转基因技术已扩展到没有关系的生物体之间，如农作物和花卉等。转基因植物（统称遗传修饰体，gmo）还可以改进作物对于干燥的忍耐性、强化对氮的固定化和其他生物学特性，是目前农业生产中正在进一步研究和开发的领域。 2．微生物资源 由于微生物菌体的蛋白质含量高，同时还含多种维生素，因此它是一种理想的蛋白质资源，也是解决全球蛋白质资源紧缺的重要途径之一。从上世纪70年代起，世界各国除了利用淀粉和糖质原料生产单细胞蛋白（scp）外，还研究利用石油或石油副产品生产scp。前苏联利用发酵法大量生产酵母，最高产量曾达到60万吨／年，成为世界上最大的单细胞蛋白生产大国。英国科学家通过能将甲醇作为碳源的基因工程菌生产scp，但成本较高。目前世界上仍以农副产品和食品工业的废料生产scp为主。近来有数家单位都在进行以乙醇为原料生产scp的研究。经试验，如以乙醇蛋白计，其价格比牛肉便宜。用于生产scp的微生物以酵母和藻类为主，也有采用细菌、丝状菌和放线菌等。 当前scp的用途主要是作动物饲料，并且在价格上还不足以与鱼粉、豆粕相比，有待于生产工艺的改进以降低成本。目前也有将scp作为食品如将单细胞蛋白掺入饼干、点心等食品中，以增加营养价值的试验，但仍处于研究开发阶段。因此对于scp的生产者来说，目前不会将scp作为食品供人类直接食用。但从长远的观点来看，随着人口的增加和地球资源的消耗，scp的生产必将领先现代生物技术的进步为人类做出新贡献。 3．动物源食品 转基因动物源食品目前尚未商业化，但是各国都在积极开展这方面的研究和试验。通过转基因技术可使动物获得某些重要的优良性状，如生长快、抗病率强、肉质好等优点。美国某研究所正利用能调节骨骼发育的基因开发新的商品化家畜品种。科学家也试图利用生物技术改变乳的成分，如生产酪蛋白含量高的奶，生产含改良蛋白（酪蛋白和α－乳清蛋白）的牛奶，减少乳中乳糖和β－乳球蛋白的含量等。 目前应用基因工程技术生产某些畜用激素已投入批量生产，如增加产奶的重组激素rbts。在不增加饲料的情况下，该生长激素可提高奶牛的平均产奶量1520％，提高奶羊的平均产奶量810％。此外，生长激素可使禽畜每日增加重量15％左右，而且瘦肉的比例增加。 4．食品加工 食品工业用转基因微生物及其酶制剂也是各国科学家竞相研究的重要领域。在转基因技术中，主要是通过对微生物特殊代谢产物的编码基因的鉴定和转移，达到强化食品的营养，并获得特殊的功能特性。如在人类已知的7000多种酶类中，能在自然界中存在并已商业化生产的仅有50多种。更多的酶制剂可通过利用gm微生物生产。目前已有多种酶制剂成功地利用基因工程菌进行了商业化生产。从小牛胃提取的用于奶酪生产的凝乳酶现在已利用基因工程生产。 利用基因工程技术可使许多酶和蛋白质的基因克隆和表达，比较成功的有牛凝乳蛋白酶、α－淀粉酶、乳糖酶、脂酶、β－葡聚糖酶以及一些蛋白酶都得到了克隆和表达，其中α－淀粉酶、蛋白酶、葡糖异构酶等已大量生产。此外，欧洲某生物公司已用重组技术得到的工程菌生产只含单一成分的纤维素酶、木聚糖酶，并且已进入商业化生产，其应用效果大为提高，生产成本相应降低。由于多种细菌和霉菌生产的耐高温淀粉酶制剂已广泛用于食品加工，因此，转基因生物正在大大改变酶制剂的利用价值。 又如谷氨酰转氨酶是一种催化蛋白质中酰氨基转移反应的酶，使蛋白质之间产生共价交联，从而大大改善蛋白质的性质。在食品加工中，用于食品蛋白质的改性和食品质地的改良，增加弹性、韧性，易于产品成型、定型加工，提高食品的营养价值创造出新类型的食品。日本味之素公司已成功利用微生物发酵直接生产出该酶制剂，并投入市场获得巨大成功，1999年产值达30亿日元，成为单一酶种类利润最高的商品酶制剂。乳化是食品加工中一个重要的技术。乳化剂的种类、使用量及乳化方法直接影响食品的构造、食感、外观质量和性能稳定性。目前食品加工中使用的乳化剂大部分是化学合成的，在欧美等发达国家大都使用来源于植物的天然乳化剂。与化学合成的乳化剂相比，微生物生产的生物乳化剂具有很多优点，如可对不同食品进行特异性的乳化，适合各种食品的加工需求，还具有潜在性的生理机能活性。国内外都在开展这方面的研究和开发。 5．食品添加剂 利用微生物生产食品添加剂主要有维生素、抗氧化剂、防腐剂、增鲜剂、甜味剂和微生物色素等。目前维生素类vc、vb2和vb12可用发酵法生产，而且vc、vb2已能用基因工程菌生产。食用糖醇类甜味剂可用发酵法生产，如阿拉伯糖醇、木糖醇、甘露糖醇和赤藓糖醇等。利用细胞融合技术和基因工程技术，选育出了生产用高产菌株，如谷氨酸、苏氨酸、苯丙氨酸、色氨酸等优良菌种，不仅产量高，而且发酵周期大大缩短。 利用细胞工程技术和基因工程技术还可以生产具有特殊风味的香味剂和风味剂，如香草素、菠萝风味剂、可可香素。利用重组微生物可生产来自自然界、提取成本较高的色素，如辣椒素、类胡萝卜素、花色苷素、紫色素等。而且，这些色素色调和稳定性好，生产成本较低。已有报道，用转基因大肠杆菌生产玉米黄素的最高产量可达到289μg／g菌体。目前通过基因工程技术生产的高效乳链球菌素已经成功。正在进行研究和开发的有风味物质和芳香物质等，预计不久投入产业化的品种将大量增加。 除了在农业生产中利用转基因技术选育优良的抗性油料作物外，采用特殊的脂肪酶定向水解天然油脂，改变脂肪酸的组成，提高油的营养价值；利用酶反应使一种酯与另一种脂肪酸或酯进行酰基交换生成新的酯，改变油脂内脂及酸和甘油酯的组成，使油脂性质发生改变，制备高附加值油脂；选育特殊的微生物，生产微生物功能性油脂，作为动植物油脂的必要补充以促进人类的健康。 6．其他 在传统的酒精发酵中，酿酒酵母只能将葡萄糖发酵为酒精。为了对自然界的纤维质原料加以利用，长期以来各国科学家对此进行了大量的研究，例如美国pudue大学再生能源实验室，经过长期的研究已将3个能发酵木糖的基因转入酿酒酵母细胞内，因此它可以同时发酵葡萄糖和木糖为酒精。该试验成果已在美国amoco公司的下属单位进行了较大规模的试验，证明了该酵母能有效地将纤维质原料中的葡萄糖和木糖同时发酵为酒精。这为以后的商业化利用纤维质原料打下了基础。 有报道称，日本科学家将根霉的葡萄糖淀粉酶基因导入酿酒酵母细胞内，使酵母可直接利用淀粉生产酒精成为可能。试验结果用该酵母发酵淀粉，发酵液中酒精含量可达13％，有希望在短期内投入工业化生产。 与食品加工行业有密切关系的领域如能源供应、水的利用等，都在利用生物技术开辟新的道路，以降低生产成本、对环境友好、减少对环境的污染等。如国外已开展用酶法将废植物油或动物油（地沟油、油炸油等）水解，将生成的脂肪酸单酯作为清洁燃料，减少对大气的污染。国内也已开始这方面的研究。 随着全球经济的快速发展，导致环境问题日趋严重。虽然在地球上有丰富的水资源，但仅有1／3的地球水是新鲜的，2／3的水资源在地球的两极地成为冰河或冰块。在所有的新鲜水中，70％用于农业灌溉，20％用于各种工业生产，其余则用于人类生活或其他方面。食品工业在欧洲和北美等国家，以及在我国都是产值最大的工业。在食品加工过程中，新鲜水主要用作食品成分；以冰和水流状态用于加工、清洗原材料、设备和厂房等。对于食品领域，尤其是发酵企业废水的处理是必不可少的，处理方法有一定的难度，投资也比较高。目前一般采用的废水处理方法是厌氧／好氧发酵工艺。为了提高去除废水中cod值和bod值的速率和效率，已有科学家研究利用转基因微生物替代现有的活性污泥中的微生物。减少对新鲜水的消耗，不仅有利用于降低成本，而更重要的是可以保护生态环境。 7．结束语 21世纪的食品工业将是一个继续快速发展的行业，随着现代生物技术的进一步发展和应用，食品行业发生变革是必然的趋势。但是，为人类提供安全、富有营养、品质高、稳定性能好、价格合理以及方便食用等是必须考虑的众多因素，尤其是转基因食品的安全性。虽然目前各国都有法规和条例用于规范转基因食品的试验和生产，但是加强转基因食品的安全问题，保障人体的健康，保护生态环境的任务任重而道远，必须在大力发展生物技术的同时加以严格管理。