基因工程技术在食品品质改良中的应用

基因工程技术在食品品质改良中的应用
吴青　孙远明
(华南农业大学食品科学系　广州510642)
摘　要:　概述了用基因工程技术改良食品的食用品质,提高食品加工性能的研究和应用现状。

关键词:　基因工程技术　食品品质　改良
Application of G enetic E ngineering T echnology in Modif ication of
Edible Q u ality and Processing Properties of Food
Wu Qing Sun Yuanming
(Food Science Depart ment ,South Chi na A gricult ural U niversity ,Guangz hou ,510642)
Abstract :　Using genetic engineering technology to modify edible quality andprocessing properties of food were reviewed.
K ey words :　genetic engineering technology food quality modification
基因工程技术在改良食品的食用品质,提高其
加工性能,开发具有特定营养成分和功能的新型食品方面取得了很大的成绩,现综述如下。

1　油脂改良
植物油是世界上最重要的油脂之一,目前世界年产量为6500万吨左右。

在美国90%以上的食用油为植物油[1]。

食用油有三个重要的质量指标:营养价值、氧化稳定性和功能性,但这三个指标之间存在着矛盾,即含较多的高不饱和脂肪酸的食用油对人的健康是有益的,但存在着氧化稳定性差的缺点;制造人造奶油和起酥油等需要高熔点的植物油,但这种油通常含高比例的饱和脂肪酸成分。

为了获得氧化稳定、饱和程度高的煎炸油和烹调油以及为制造人造奶油和起酥油等提供高熔点的植物油,食品工业采用的方法是对植物油进行氢化处理,但在氢化过程中不可避免地会产生反式构型脂肪酸。

反式构型脂肪酸是顺式脂肪酸的同分异构体,与顺式构型比,键角减小,熔点升高。

研究表明,摄入反式脂肪酸会增加血液中低密度脂胆固醇的水平;最新的流行病学研究还表明,反式脂肪酸与心脏病的发病有线形关系[2]。

基因工程技术与传统的育种方法
结合为人们提供了改善植物油质量的新途径,它不仅可增加植物油脂肪酸的饱和度,而且不会带来反式脂肪酸问题;还可降低脂肪酸的饱和度,提供对人体健康有益的植物油,这是氢化手段做不到的。

有两种主要的分子技术用于油脂的改良:提高一种主要脂肪酸的含量和制造非常见脂肪酸。

1.1　提高植物油中主要脂肪酸含量
植物油中主要的脂肪酸是C16∶0,C18∶0,C18∶1,C18∶2和C18∶3。

通过抑制或增加油脂生物合成的特定的关键酶,已能制造1～2个主要脂肪酸含量减少或占优势的植物油,例如,美国DuPont 公司通过反义抑制和/或共同抑制油酸酯脱氢酶,开发成功高油酸含量的大豆油。

这种新型油含有80%以上的油酸,而普通大豆油只含24%的油酸;这种新油有良好的氧化稳定性,很适合用作煎炸油和烹调油[3,4]。

另外,美国Calgene 公司用同样的分子技术正在开发高硬脂酸含量的大豆油和芥花菜(canola )油,新的大豆油和芥花菜油将含30%以上的硬脂酸,而普通大豆油和芥花菜油分别只含4%和2%左右的硬脂酸;这些新油可取代氢化油用于制造人造奶油、液体起酥油和可可脂替代品,而不含氢化油中
作者简介:吴青,女,1965年1月生,讲师,硕士,现从事食品品质控制研究。

生物技术通报
・综述与专论・ B IO TEC HNOL O G Y BULL ETIN
2001年第5期
含有的反式脂肪酸产物[4,5]。

1.2　生产非常见的特殊脂肪酸
非常见脂肪酸包括短链、中链和超长链脂肪酸以及在非常见位置有双键或那些含羟基或环氧基的脂肪酸。

含这类脂肪酸的油主要是工业用油,这类油若用化学方法生产成本很高,但是应用生物技术可将这些非常见脂肪酸引入到普通油料种子作物中,这可大大降低制造这些特殊脂肪酸的成本并提高油料作物的价值。

通过转移编码关键生物合成酶的基因到油料种子中,可使非常见脂肪酸在种子油中积累[6]。

Cal2 gene公司开发的Laurical TM芥花菜油就是用这种方法获得的。

传统的芥花菜油不含月桂酸(C12∶0)。

将从加利福尼亚月桂树上克隆得到的硫醚酶的基因,转入到芥花菜种子中,使之高效表达,就可以获得一种含量达38%的月桂酸,甚至含量更多的新型芥花菜油。

这种油可为制造肥皂、清洁剂和可可脂替代品提供价格便宜,且质量优良的原料[7]。

2　蛋白质改良
蛋白质改良的目标主要有两个:一是提高必需氨基酸的含量;二是改善蛋白质的加工性能。

2.1　提高必需氨基酸含量
豆类植物的主要贮存蛋白质———球蛋白中的蛋氨酸含量很低,它是豆类植物的第一限制性必需氨基酸,但豆类蛋白中赖氨酸含量却较高,与谷物作物中的蛋白质正好相反,因此豆类植物与谷物在蛋白质营养价值上可以互补。

通过转基因工程技术,可以将谷物类植物的基因导入豆类植物中,美国DuPont公司正在研究将来自玉米的富含蛋氨酸的醇溶蛋白基因导入大豆中,拟开发蛋氨酸含量提高80%～100%的转基因大豆[4]。

另外,我国学者把从玉米种子中克隆得到的富含必需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因,导入马铃薯中,使转基因马铃薯块茎中的必需氨基酸提高了10%以上,硫氨基酸的增加尤为显著[8]。

2.2　改善蛋白质的功能特性
应用基因工程技术改良蛋白质功能特性的例子是小麦蛋白质的改良。

制作品质优良的面包,要求小麦面粉的面筋蛋白中含较多高分子量的蛋白质亚基,这样的小麦面筋蛋白才有良好的延伸性和弹性。

对某些质量差的小麦品种,用传统的育种方法不能解决其高分子量蛋白质亚基的缺乏问题,但利用转基因技术可得到解决。

美国Florida%G ainesville大学的科学家将外来的高分子量面筋蛋白基因导入一种普通小麦“Bob White”中,获得了含量更多的高分子量面筋蛋白质的小麦[9]。

另外,植物蛋白与动物蛋白相比,由于缺乏合适的功能特性(包括感官特性)从而限制了植物蛋白在食品体系中广泛的使用。

随着生物技术和其它科学的进展以及对植物蛋白需求的增加,通过基因调控来改善植物蛋白的功能特性在未来将成为焦点,研究的结果将扩大植物蛋白在各种食品体系中的应用并提高许多作物的价值。

3　碳水化合物改良
负责淀粉合成的酶有三种:腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶(ADP GPP)、淀粉合成酶和分支酶。

淀粉改良的一个分子技术是由大肠杆菌的突变体克隆的不受反馈抑制的ADP GPP基因,用马铃薯块茎贮藏蛋白基因的启动子启动,转入马铃薯后可使块茎的淀粉含量明显增加[3]。

Monsanto公司应用此技术开发了淀粉含量平均提高了20%～30%的转基因马铃薯。

这种新的马铃薯给油炸马铃薯的加工带来很大的好处,由于固形物含量提高,水分含量减少,可使油炸后的产品具有更强的马铃薯风味,更好的质构,较低的吸油量和较少的油味[10]。

4　水果和蔬菜品质改良
4.1　控制番茄成熟过程,提高其风味和货架期
普通番茄为使其在运输过程中不被碰伤,都是在绿而硬的状态下采摘的。

通过喷洒乙烯,番茄可转成红色,但这样的番茄缺少光泽,并有未成熟的味道。

为了改变这种情况,Calgene公司开发了Flavr2 Savr TM番茄。

他们利用反义基因技术,通过抑制细胞壁降解酶———聚半乳糖醛酸酶(P G)的合成,使FlavrSavr TM番茄的成熟期显著地推迟,从而增强了番茄的风味,并延长了货架期[10]。

4.2　改善番茄的加工性能和提高营养成分
通过生物技术处理,可使番茄中果胶含量和粘度提高,这些提高了固形物含量的番茄有利于加工者制造番茄酱。

在这方面,Seminis公司[11]和英国Zeneca公司[10]都做得很成功。

另外,Zeneca公司和
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生物技术通报Biotechnology　B ulletin 2001年第5期
London大学的研究小组,利用基因重组技术将来自细菌的番茄红素和β-胡萝卜素等类胡萝卜素的生物合成基因以及类胡萝卜素合成原料的异戊烯腺嘌呤焦磷酸(IPP)的合成途径酶———酵母的IPP异构酶(IPPI)基因导入番茄中,使番茄总胡萝卜素含量和番茄红素含量提高了2～3倍[12]。

这种转基因番茄的番茄红素及类胡萝卜素含量很高,对预防癌症有良好作用。

4.3　提高马铃薯的加工性能
马铃薯去皮后极易在多酚氧化酶(PPO)的作用下发生褐变。

因此,在加工中需将去皮的马铃薯浸泡在含抗氧化剂的溶液中并随后采用漂烫工艺使PPO失活。

应用反义基因技术可培养出抗褐变的马铃薯品种。

澳大利亚的Robinson用PPO的cD2 NA库中一段名为“PO T32”的DNA片断,通过农杆菌介导,反向插入澳大利亚的马铃薯主栽品种“Norchip”中,成功地培养出抗褐变的马铃薯品种。

该品种的马铃薯切开或碰撞后仍然保持白色而不变成褐色[13]。

另外,马铃薯易遭受碰伤、机械擦伤和引起内伤,受伤组织对微生物的抗性大为降低,易被霉菌感染,形成黑色、褐色等色素。

在几年前由于对产生蔗糖合酶(sucrose synthase,该酶有助于改变植物的结构)的基因结构的了解,研究者们找到了另一条改良马铃薯加工性能的途径。

根据最新出版的国际应用专利报道,Monsanto公司的研究者们发现增加了蔗糖合酶的马铃薯有较好的低温耐受性和不易碰伤性,这种可冷藏的、不易碰伤的马铃薯将给油炸马铃薯加工带来极大的好处[9]。

5　生产功能性食物因子和营养增补剂
在过去的10年间,试验和流行病学研究的数据均积极地显示出水果、蔬菜、谷物和大豆中含有大量潜在的化学预防物质,称之为“植物化学成分”。

随着对“植物化学成分”结构的确认以及对制造其酶与基因关系的了解,应用生物技术将使植物获得更高含量的“植物化学成分”,使植物成为疗效食品的制造者。

这方面已有一些结果证明是可行的,如Zeneca公司和London大学的研究小组开发成功提高番茄红素的基因重组番茄[12]。

综上所述,基因工程技术在食品品质改良中的好处有:①提供新的制造原材料和辅料的途径;②提供更益于健康的产品;③提供更优功能特性的产品;
④提供更益于加工的产品;⑤提供更具风味、色泽和味道的产品;⑥提供具有更长货架寿命的产品;⑦提高作物的利用价值。

由于改良了品质的作物在进入餐桌之前需要通过食品加工来实现,因此食品工业将在未来的农业与食品贸易中发挥更重要的作用。

为了使改良品质的作物取得商业上的成功,食品加工者应认识任何来自品质改良的价值;更重要的是,食品科学研究者应提供什么品质是有价值的,什么是值得改良的。

尽管人们对基因改良食品(G eneti2 cally Modified Food)的安全性担忧,但是在过去几年,利用基因工程技术生产的基因食品还是不断问世。

就美国而言,基因改良食品的销售额,在该国生物技术产品中位居第三位,销售增长速度最快。

1996年销售额为2.85亿美元,到2006年可望超过17亿美元[14]。

可以想象,随着基因工程技术提供越来越多的好处,以及基因改良作物商品化的不断成功,基因工程技术将在21世纪的食品品质改良中具有更大的应用前景,为农业带来新的绿色革命和给人们带来更丰富、更有利于健康、更富有营养的基因改良食品。

参考文献
1　Liu K,Brown EA.Food Technology,1996,50(11):67～71.
2　Watkins BA.Food Technology,1998,52(3):120.
3　Fader GM,K inney AJ,Hitz rm,1995,6:167～169.
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5　Anonymous.Achievements in plant biotechnology.Monsanto,St.
Louis,Mo.1997.
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7　Del Vecchio rm,1996,7:230～240.
8　许智宏.植物生物技术,上海科学技术出版社,1998,pp357.
9　Katz F.Food Technology,1996,50(11):63～65.
10　Liu K.Food Technology,1999,53(5):42～49.
11　Tricoli D,Ann.Mtg.Inst.of Food Technologists,Atlanta,G a, 1998,6:20～24.
12　孙国凤.生物技术通报,1999,1:61.
13　张勇飞等.食品科学,1999,2:52～54.
14　李淑侠,齐凤兰,李柏林等.食品科学,2000,3:6～8.
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2001年第5期 吴青等:基因工程技术在食品品质改良中的应用 。