基因工程在食品中的应用

基因工程在食品中的应用
基因工程在食品中的应用
摘要：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。

基因工程正在使食品业发生着深刻的变革。

基因工程（genetic engineering）又称基因拼接技术和DNA重组技术，是以分子遗传学为理论基础，以分子生物学和微生物学的现代方法为手段，将不同来源的基因按预先设计的蓝图，在体外构建杂种DNA分子，然后导入活细胞，以改变生物原有的遗传特性、获得新品种、生产新产品。

基因工程技术为基因的结构和功能的研究提供了有力的手段。

一、改良食品原料品质和加工性能
在植物食品品质的改良上，基因工程技术得到了广泛的应用，并取得了丰硕成果。

主要集中于改良蛋白质、碳水化合物及油脂等食品原料的产量和质量。

1、蛋白质类食品
蛋白质是人类赖以生存的营养素之一，植物是人类的主要蛋白供应源，蛋白原料中有65%来自植物。

与动物蛋白相比，植物蛋白的生产成本低，而且便于运输和贮藏，然而其营养也较低。

谷类蛋白质中赖氨酸(Lys)和色氨酸(Trp),豆类蛋白质中蛋氨酸(Met)和半胱氨酸(Cys)等一些人类所必需的氨基酸含量较低。

通过采用基因导入技术，即通过把人工合成基因、同源基因或异源基因导入植物细胞的途径，可获得高产蛋白质的作物或高产氨基酸的作物。

植物体中有一些含量较低，但氨基酸组成却十分合理的蛋白质，如果能把编码这些蛋白质的基因分离出来，并重复导入同种植物中去使其过量表达，理论上就可以大大提高蛋白质中必需氨基酸含量及其营养价值。

异源基因是指从分类学关系较远的植物中分离获得的目的基因。

巴西豆BN2s白蛋白富含Met (18%)和Cys(8%), Altenabch在1991年把巴西豆编码BN2s白蛋白的基因转移到烟草和油菜中去，发现BN2 s基因在转基因烟草中和油莱中能很好地表达，表达水平达8%。

进一步研究还发现，构建嵌合基因的起动子的种类会影响到BN2 s基因的表达水平。

2、油脂类食品
人类日常生活及饮食所需的油脂高达70%来自植物。

高等植物体内脂肪酸的合成由脂肪合成酶(FAS)的多酶体系控制，因而改变FAS的组成就可以改变脂肪酸的链长和饱和度，
以获得高品质、安全及营养均衡的植物油。

目前，控制脂肪酸链长的几个酶的基因和控制饱和度的一些酶的基因已被克隆成功，并用于研究改善脂肪的品质。

如通过导入硬脂酸-ACP 脱氢酶的反义基因，可使转基因油菜种子中硬脂酸的含量从2%增加到40%。

而将硬脂酞CoA脱饱和酶基因导入作物后，可使转基因作物中的饱和脂肪酸(软脂酸、硬脂酸)的含量有所下降，而不饱和脂肪酸(油酸、亚油酸)的含量则明显增加，其中油酸的含量可增加7倍。

除了改变油脂分子的不饱和度外，基因工程技术在改良脂肪酸的链长上也取得了实效。

事实上，高油酸含量的转基因大豆及高月桂酸含量的转基因油料作物芥花菜(Canola)在美国已经成为商品化生产的基因工程油料作物品种。

3、碳水化合物类食品
利用基因工程来调节淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之间的比例，从而达到增加淀粉含量或获得独特性质、品质优良的新型淀粉。

高等植物体内涉及淀粉生物合成的关键性酶类主要有:ADP葡萄糖焦磷酸化酶(ADPGlcpyrophosphorylase, AGPP),淀粉合成酶(Starchsynthase,SS)和淀粉分支酶(Starchbranchingenzyme, SBE)，其中淀粉合成酶又包括颗粒凝结型淀粉合成酶(Granule-boundstarch synthase, GBSS)和可溶性淀粉合成酶(Solublestarch synthase, SSS)。

淀粉含量的增加或减少，对作物而言，都有其利用价值。

增加淀粉含量，就可能增加干物质，使其具有更高的商业价值。

减少淀粉含
量，减少淀粉合成的碳流，可生成其它贮存物质，如贮存蛋白的积累增加。

淀粉由直链淀粉和支链淀粉组成。

直链淀粉和支链淀粉的比例决定了淀粉粒的结构，进而影响着淀粉的质量、功能和应用领域。

改变淀粉结构有着很多潜在的应用价值。

高支链，低支链或低直链，高直链的淀粉都有着广泛的工农业用途。

基因工程改变淀粉质量集中于对GBSS, SSS和SBE三种酶的操作上。

Visse:等人利用反义RNA技术，向马铃薯中导入反向连接的GBSS基因，导致GBSS基因含量和活性下降，进而导致马铃薯块茎中直链淀粉含量减少70%-100%。

相反，在无直链淀粉的马铃薯块茎中导入GBSS基因，成功地弥补了直链淀粉的缺乏。

同样地利用反义RNA技术，在木薯、水稻等植物中，也获得了低(或无)直链淀粉的转化体。

可以说，对GBSS的操作是控制直链淀粉的可靠途径。

对动物类食品原料的基因改造研究远不如植物类那样普及，但也取得了很大的进展。

其研究内容主要集中在改良家畜、家禽的经济性状和通过转基因动物进行药物或蛋白的生产等几个方面。

继1980年Cordon等人用显微注射法育成带有人胸腺游酶基因片断的转基因小鼠,1982年Palmiter等人将人的生长素基因导入小鼠受精卵育成超级转基因“硕鼠”，新型“硕
鼠”比普通小鼠生长速度快2.4倍，体型大1倍。

现已获得转基因兔、转基因羊，转基因猪、转基因牛和转基因鸡等多种转基因动物。

如美国伊利诺斯大学研究出一种带有牛基因的猪，这种转基因猪生长快，个体大，瘦肉率高，饲料利用率高，可望给养猪业带来丰厚的经济效益;梁利群等克隆子大马哈鱼的生长激素因子，在体外经过和鲤鱼的MT启动子基因重组，导入黑龙江野鲤，选育出了“超级鲤”。

另外，在提高奶牛产奶量和食用动物的脂肪与瘦肉的构成都取得了一定的成绩。

二、改良果蔬采收后品质增加其贮藏保鲜性能
随着对番茄、香蕉、苹果、菠菜等果蔬成熟及软化机理的深入研究和基因工程技术的迅速发展，使通过基因工程的方法直接生产耐储
藏果蔬成为可能。

事实上，现在无论在国外还是国内都已经有了商品化的转基因番茄。

促进果实和器官衰老是乙烯最主要的生理功能。

在果实中乙烯生物合成的关键酶主要是乙烯的直接前体—l-氨基环丙烷一1-梭酸合成酶(ACC 合成酶)和ACC氧化酶。

在果实成熟中这两种酶的活力明显增加，导致乙烯产生急剧上升，促进果实成熟。

在对这两种酶基因克隆成功的基础上，可以利用反义基因技术抑制这两种基因的表达，从而达到延缓果实成熟，延长保质期的目的。

利用反义RNA 技术抑制酶活力已有许多成功的例子，其中最为成功的就是延缓成熟和软化的反义RNA转基因番茄。

Hamilton 等于1990年首次构建了ACC氧化酶反义RNA转基因番茄，在纯合的转基因番茄果实中，乙烯的合成被抑制了97%，从而使果实的成熟延迟，储藏期延长。

导入ACC合成酶反义基因的番茄也得到了类似的结果。

转基因番茄的乙烯合成也被抑制了99.5%,果实中不出现呼吸跃变，叶绿素降解和番茄红素合成也都被抑制。

果实不能自然成熟，不变红，不变软，只有用外源乙烯处理6d后才能使转基因番茄恢复正常成熟。

因此，利用反义基因技术可以成功的培育耐储藏果蔬。

目前，有关的研究正在继续进行，并已扩大到了草莓、梨、香蕉、芒果、甜瓜、桃、西瓜、河套蜜瓜等，所用的目的基因还包括与细胞壁代谢有关的多聚半乳糖醛酸酶(PG)、纤维素酶和果胶甲脂酶基因。

反义PG转基因番茄还具有更强的抗机械损伤和真菌侵染能力，且有更高的果酱产率。

三、改善酶及发酵制品的品质并降低成本
酱油风味的优劣与酱油在酿造过程中所生成氨基酸的量密切相关，而参与此反应的梭肤酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并转化成功，在新构建的基因工程菌株中碱性质白酶的活力可提高5倍，梭肤酶的活力可大幅提高13倍。

酱油制造中和压榨性有关的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纤维素酶、果胶酶等的基因均已被克隆，当用高纤维素酶活力的转基因米曲霉生产酱油时，可使酱油的产率明显提高。

另外，在酱油酿造过程中，木糖可与酱油中的氨基酸
反应产生褐色物质，从而影响酱油的风味。

而木糖的生成与制造酱油用曲霉中木聚糖酶的含量与活力密切相关。

现在，米曲霉中的木
聚糖酶基因已被成功克隆。

用反义RNA技术抑制该酶的表达所构建的工程菌株酿造酱油，可大大地降低这种不良反应的进行，从而酿造出颜色浅、口味淡的酱油，以适应特殊食品制造的需要。

在正常的啤酒发酵过程中，由啤酒酵母细胞产生的二-乙酞乳酸经非酶促的氧化脱梭反应会产生双乙酞。

当啤酒中双乙酞的含量超过阈值((0.02-0.10 mg/L)时，就会产生一种令人不愉快的馊酸味，严重破坏啤酒的风味与品质。

去除啤酒中双乙酞的有效措施之一就是利用α-乙酞乳酸脱梭酶。

但由于酵母细胞本身没有该酶活性，因此，利用转基因技术将外源α-乙酞乳酸脱梭酶基因导入啤酒酵母细胞，并使其表达，是降低啤酒中双乙酞含量的有效途径。

Y aman等将外源的oa-乙酞乳酸脱梭酶整合入啤酒酵母的染色体中，从而构建了能稳定遗传的转基因啤酒酵母。

使用这种转基因酵母酿制啤酒，也能明显地降低啤酒中的双乙酚含量，而且不会对啤酒酿造过程中的其他发酵性能造成不良影响。

把糖化酶基因引入酿酒酵母，构建能直接利用淀粉的酵母工程菌用于酒精工业，能革除传统酒精工业生产中的液化和糖化步骤，实现淀粉质原料的直接发酵，达到简化工艺，节约能源和降低成本的效果。

另外，利用基因工程技术可生产出高效能高质量的酶产品，目前能利用遗传技术生产大多数常用的酶产品，并投放市场。

世界上第一个应用在食品上的基因工程酶为凝乳酶。

将牛胃蛋白酶的基因克隆入微生物体内，由细菌生产这种动物来源的酶类，解决了奶酪工业受制于牛胃蛋白酶来源不足的问题，并降低了生产成本。

四、开发新型功能性食品
利用基因工程技术可以研制特种保健食品的有效成份。

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9月上海医学遗传所与复旦大学合作的转基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，为通过动物大量廉价生产人类的新型功能性食品和药品迈出了重大的一步。

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。

食品疫苗就是将
某些致病微生物的有关蛋白质(抗原)基因，通过转基因技术导入某些植物受体细胞中，并使其在受体植物细胞中得以表达，从而使受体植物直接成为具有抵抗相关疾病的疫苗。

用转基因植物生产的疫苗保持了重组蛋白的理化特征和生物活性。

有的须提纯后作疫苗使用，有的则不经提纯即可直接食用。

如口服不耐热肠毒素转基因马铃薯后即可产生相应抗体。

目前，已获成功的还有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、链球菌突变株表面蛋白等十多种转基因马铃薯、香蕉、蕃茄的食用疫苗。

由于这些重组蛋白基因可以长期地储存于转基因植物的种子中，十分有利于疫苗的保存、生产、运输和推广。

因此转基因植物作为廉价的疫苗生产系统，虽然才刚刚起步，却具有很好的发展潜力。

五、总结：
从技术的应用角度讲，基因工程已经给人类带来了巨大的社会效益和经济效益。

但由于基因工程技术打破了物种间难以杂交的天然屏障，这种转移对生态环境和人类健康可能带来什么样的后果难以预料，至少现在的科学还难以回答人们对基因工程提出的各种各样的安全性问题，因而基因工程食品的安全性一直成为人们关注的焦点。

对此，采取科学、认真、务实的态度，并吸收国际组织的研究结果与标准，制定相关法规加强管理，以保证转基因产品在农业生态环境、人类食物的安全与健康等方面的安全性。

六、基因工程在食品应用中展望
从技术发展与开发角度看，世界各国都把生物技术特别是基因工程技术确定为21世纪经济和科技发展的关键技术，基因工程必将面临更大的发展。

目前的基因转殖主要是针对单基因控制的性状，对多基因性状的研究还尚未起步。

但随着分子生物学各领域研究的不断深入，实现多基因转殖为期不远，那时转基因产品在食品等领域的应用将更加广泛。

而且，随着分子标示技术的日益发展和完善，转基因过程的可操作性越来越好，基因工程必将给人们带来更丰富、更有利健康、更富有营养的基因食品。

参考文献：
1、《基因工程》楼士林等编著，科学出版社，2002.7
2、《基础分子生物学教程》赵亚华等编著，科学出版社，2006
3、《质量技术监督研究》冯志强，2010年02期
4、《基因工程在食品工业中的应用进展》伊国等，食品科技，2001年02期
5、万能百度。