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