当前位置：首页>行业聚焦

生物技术在粮油食品工业的研究进展

    生物技术又叫生物工程，以分子生物学、细胞生物学、微生物学、免疫学、遗传学、生理学、系统生物学等学科为支撑，结合了化学、化工、计算机、微电子等学科，从而形成了一门多学科互相渗透的综合性学科，它的技术范畴包括基因工程、酶工程、细胞工程、发酵工程等，以基因工程为核心和关键内容，其应用领域可分为农业生物技术、植物生物技术、医学生物技术、动物生物技术、食品生物技术、环境生物技术等。现代的生物技术则是按照人们的意愿和需要创造全新的生物类型和生物机能，或者改造现有的生物类型和生物机能，包括改造人类自身，从而造福于人类。
    1· 生物技术与粮食生产与储藏
    1.1 生物技术在粮食生产中的应用
    生物技术在粮食生产中的应用主要有以下几个方面：利用转基因技术培育高产、抗逆、抗病虫害的作物品种；利用转基因技术培育品质好、营养价值高的作物品种；利用细胞工程技术对作物优良品种进行大量的快速无性繁殖，实现工厂化生产；利用生物技术开发生物农药，生产绿色食品；利用生物技术开发生物肥料，减少化肥使用量。
    利用生物技术培育的转基因作物的可以分为三代，第一代转基因作物以增加农作物抗性为主，主要有抗虫、抗除草剂作物和抗逆（抗旱、抗盐碱）作物。目前，世界上抗除草剂的农作物种植面积最多，其次为抗虫农作物，在抗逆作物方面，美国将仙人掌基因转入小麦、大豆等作物，育成抗旱新品种；我国已克隆耐盐碱相关基因，并获得了耐盐烟草和水稻。第二代转基因作物以改善作物品质、增加食品营养为主要特征。所谓的品质改良内容包括：水果蔬菜的延熟保鲜；有益于健康的植物油（如不饱和脂肪酸）；增加营养价值（如维生素）；富含抗癌蛋白质的大豆；高营养的饲料（如高赖氨酸、表达植酸酶的玉米）等等方面。例如：利用基因工程技术改良作物使作物新增营养因子，2000年，瑞士Ye等将β-胡萝卜素（维他命A）合成途径基因引入水稻胚乳，提高了水稻的营养价值。由于这种富含VA的转基因水稻种子呈金黄色，故称为“金米（Golden rice）”。此外，利用基因工程改造小麦中高分子谷物蛋白，可改良小麦的烘烤特性，有助于面包质量的改善，如：高面筋蛋白转基因小麦。第三代转基因作物以增加食品中的功能因子和增加食品的免疫功能为主要特征，即利用转基因作物生产功能性食品和药物。如：植物生物反应器（番茄、马铃薯和烟草）生产疫苗（乙肝疫苗、结核病疫苗和狂犬病疫苗）等。
    目前主要利用RNAi主要应用在植物的功能基因研究和植物的品种改良，RNAi即RNA干扰是指双链RNA导入细胞后并被切割成21～23个核苷酸长度的短核苷酸双链，在其它作用因子的参与下能够特异地与其同源的mRNA结合并导致其降解，从而使得内源基因不能表达，导致内源基因的沉默。RNAi所具有的特异性、稳定性、高效、快速以及不改变基因组的遗传组成等特性为人们研究未知功能的基因提供了新的反向遗传学手段。Waterhouse等[2]认为RNAi可有效地用于植物的全基因组基因的高通量分析。RNAi可以加快人们对水稻、拟南芥、小麦、棉花等的一些基因在植物体内所起的作用的注释和认识的速度。已经有很多关于利用RNAi在水稻、油菜以及烟草的一些基因功能研究的相关报道。Liu等[3]利用RNAi技术改良棉籽油的成份，提高了棉花籽油中硬脂酸与油酸的比例。Shinjiro Ogita等[4]利用RNAi对可可碱合成酶进行抑制，使植株中的咖啡因含量减少了70%。Byzova等[5]利用RNAi技术成功地改造拟南芥和油菜的花器官，创造出没有花瓣但其它功能完整的花。RNAi作为一种新的技术方法，现在已经在各个不同的生物研究领域内广泛应用并取得了很多重要成果，因此随着RNAi技术的不断完善和在各个生物领域内的应用，人们会在生物学研究及应用中开辟一片新天地[1]。
    1.2 生物技术在粮食储藏中的应用
    我国粮食储藏主要存在3大问题：虫霉造成的破坏、品质下降、卫生安全，生物技术在解决这3大问题中发挥重要的作用。虫害是导致储粮数量损耗，引起粮食霉变，降低粮食品质的主要因素。生物防治技术具有对环境和其他生物安全的突出优点，是很有前景的“绿色”储粮害虫防治技术。美国农业部农业研究服务署（USDA-ARS）的研究人员从鸡蛋中分离出了能抗22种仓储害虫的鸡蛋清蛋白，他们将这种蛋白的基因转入玉米中，用这种转基因玉米磨成的粉也能抗22种害虫。微生物杀虫剂，包括细菌杀虫剂、杀虫抗生素及转微生物杀虫基因抗虫植物等，将在未来的害虫生物防治中占主导地位。
    微生物在作物生长期、成熟期、收割期、晾晒期和贮藏期间都可以产生污染，而后在适宜的条件下可产生真菌毒素，它是危害粮食储备安全最重要的生物因素。孙长坡等[6]报道生物技术在毒素消减方面的应用，通过微生物吸收、转化降解和酶制剂的专一性降解真菌毒素，利用微生物防治产毒真菌和利用生物技术培育拮抗真菌、分解毒素新品种。
    生物脱毒是指不用有害的化学药品，不会造成营养价值的丢失，也不会降低适口性，安全地使真菌毒素脱毒。真菌毒素的生物脱毒主要是微生物脱毒技术，一些微生物能将真菌毒素分解为毒性降低或无毒的物质。还可以利用生物技术将粮食中脂肪氧化酶去掉，可以减轻谷物的氧化变质，增加稻谷的耐贮藏性，保持谷物的清新气味[6]。   2· 现代生物技术与粮油食品加工
    2.1 现代生物技术在粮油加工中的应用
    我国粮油加工仍以初级产品加工为主，精深加工和综合利用技术相对落后，资源转化利用率低。利用生物技术可将农副产品原料加工成产品并产业化，进行二次开发形成新的产业，同时借助生物技术还可以改造传统加工工艺提高产品质量。例如：玉米是重要的工业原料，应用发酵工程和酶工程进行玉米深加工可生产3 000多种产品。包括利用玉米淀粉发酵生产氨基酸、柠檬酸、抗生素、多元醇、味精、酒精和可降解塑料等产品。因此，运用生物技术可以迅速提高粮油加工能力和水平，使我国粮油产品加工技术在整体上实现跨越式发展，甚至能在一些重大关键技术领域达到世界先进水平。彭元怀等[7]报道了生物技术在油料育种、油料预处理、油脂加工和油脂工业废弃物处理等油脂工业中的各方面的应用，例如利用基因工程可以培育抗除草剂型、抗虫性、抗病型、高油型、脂肪酸成分改良、蛋白质成分改良的品种；在油料预处理过程中可以加入酶制剂提高出油率；水酶法提油是在机械破碎的基础上，采用酶（如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、葡聚糖酶等）处理油料，从而提高出油率；还有目前研究热点微生物油脂，微生物在一定条件下，利用碳水化合物、碳氢化合物和普通油脂作为碳源，在菌体内产生的油脂。2.2 现代生物技术在食品加工中的应用现代生物技术已经渗透到食品科学与工程的方方面面。现代生物技术包括的5个领域：基因工程、蛋白质工程、细胞工程、酶工程和发酵工程，都在食品工业的应用有着广阔的市场和发展前景。
    利用基因工程可以改良发酵工业与酶制剂工业中的微生物菌种；改造食品加工原料，提高食品氨基酸的含量；改良蛋白质品质；增加食品的甜味；以及改造油料作物等。此外，运用基因工程还可改进食品生产工艺；改良小麦种子贮藏蛋白的烘烤特性；改良啤酒的加工工艺等；利用转基因工程以及反义ＲＮＡ技术改善食品品质。例如使转基因番茄具有抑制聚半乳糖醛酸酶活性，番茄的成熟即可被控制，能延长番茄的储存期；或者改良玉米、稻米等作物氨基酸组成及含量，提高谷类作物的营养价值[20]。蛋白质工程可以按照人类的需求创造出原来不曾有过、具有不同功能的蛋白质及其新产品，或生产具有特定氨基酸顺序、高级结构、理化性质和生理功能的新型蛋白质，可以定向改造酶的性能，生产新型功能性食品[20]。应用蛋白质工程对一些粮油加工中重要酶或蛋白质的性质加以改造，可提高现有酶或蛋白质的工业实用性。如：改善酶的热稳定性，改变酶的最适pH条件，提高酶的催化活性，修饰酶的催化特异性等。
    利用细胞工程的细胞杂交、细胞培养等技术可获得遗传性状有所改良的新菌株或动植物细胞、生产食品添加剂与酶制剂等。例如，原生质体融合技术则可以去除细胞壁的屏障，实现远缘杂交，为食用菌育种提供了新方法[19]。
    酶工程在食品工程中的应用技术已经比较成熟，包括各种酶的开发和生产、酶的分离和纯化、酶或细胞的固定化技术、固定化酶反应器的研制以及酶的应用等。例如酶制剂现在已经广泛的应用在粮油食品生产和加工的过程中，主要包括酿造酶、乳品酶、淀粉酶、蛋白酶、油脂酶、风味酶、果品酶等。中国已批准使用于食品工业的酶制剂有α-淀粉酶、糖化酶、固定化葡萄糖异构酶、木瓜蛋白酶、果胶酶、β-葡聚糖酶、葡萄氧化酶等，主要应用于果蔬加工、焙烤、乳制品加工等方面。新型酶制剂正应用于针剂葡萄糖、液体葡萄糖浆、高麦芽糖浆、果葡糖浆以及各种低聚糖的生产中。淀粉糖替代蔗糖已应用于食品加工、糖果、啤酒及饮料生产中、功能性低聚糖已被人们所接受[8]。木聚糖酶和戊聚糖酶长期以来被用作面粉调理剂，适合于面包、馒头以及饼干制作；麦芽糖淀粉酶可用于面包或速冻食品中抗老化；脂肪酶用于面粉调理，防止面包、馒头的老化；脂肪乳化酶作为革命性的乳化剂替代物；葡萄糖氧化酶可作为面粉品质改良剂，替代化学氧化剂溴酸钾。水酶法提油是在机械破碎的基础上，采用酶（如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、果胶酶、淀粉酶、葡聚糖酶等）处理油料，从而提高出油率。它具有以下优势：避免有机溶剂残留，提高我国的食品安全水平；保护环境；提高资源利用率和企业经济效益；节约能源。水酶法提油得到的另一产品肽或低聚糖，它的应用范围、营养价值与售价远高于传统制油得到的油料饼粕。
    3· 现代生物技术与食品安全
    3.1 生物技术是解决国家粮食安全重要出路
    2010年中国工程院院士、“杂交水稻之父”袁隆平接受新华社记者采访时说：“虽然我国杂交水稻技术目前在国际上领先，但如果不加强分子育种技术研究，短则5年，长则10年，我国的杂交水稻技术就要落后国际水平了!”目前，袁隆平领衔研究的超级杂交水稻已经完成了每平方百米10 500 kg的一期目标和每平方百米产12 000 kg的二期目标，正在攻关每平方百米产13 500 kg的三期目标。袁隆平说，前两期目标靠的都是常规技术，但要进一步提高产量，就必须运用分子技术手段，从理论上讲，只要把常规技术和分子技术结合运用，水稻单产的潜力还是很大的。袁隆平认为，今后利用生物技术开展农作物育种是农业科技的发展方向和必然趋势，转基因技术是分子技术中的一类，因此必须加强转基因技术的研究和应用，没有技术就没有地位[9]。
    3.2 转基因与食品安全
    在生物技术育种20多年的发展过程中，关于转基因食品安全性的科学研究报告数不胜数， 其中仅有10个所谓的“转基因食品安全性问题”事例报道，它们常常被人利用作为反对转基因的佐证。然而， 事实是这10个所谓的研究或是因为试验设计不合理，或是因为对实验数据的错误解释，已经分别被国际上不同的权威学术结构或科学家小组完全否定。任何物种（包括植物在内）在漫长的进化过程中都经历了人工选择或自然选择，它们的存在是这两种选择的结果。人工或自然选择究其实质是遗传变异选择。因此，变异是物种进化的基础，变异是绝对的，而稳定是相对的。换言之，没有任何一个生物体与其亲本祖先是完全相同的，而常规育种就是一个对遗传变异进行人工选择的过程，转基因育种和常规育种没有本质上的不同。转基因安全问题同其他新技术一样，只是一个在人类科技进步和发展过程中出现的一个新的科学问题而已。我们应该以科学的态度加以重视、深入研究和探讨， 而不应把转基因安全性问题和地震、SARS一类问题混为一谈，谈“转基因”色变。转基因技术作为当今最具活力、发展最为迅速的新兴技术，正在对人类生产和生活的方方面面产生着巨大影响。生活在21世纪的我们，应该能够科学理性地认识和对待转基因技术[10]。
    3.3 生物技术与食品安全检测
    近几年，人们对食品安全的关注越来越多，食品安全已经成为牵动人心的焦点问题，促使了食品安全检测技术研究的快速发展，生物技术在此过程中发挥了较大推动作用。传统的方法已经与现代社会发展需求完全脱轨，当前在食品检测中广泛应用的是PCR技术、生物芯片、基因探针法、生物传感器技术、免疫技术等生物技术，这些食品检测方法具有简便快捷、特异性强、灵敏度高等特点。丁辰报道采用柠檬酸裂解酶测定柠檬酸的含量[11]，胡云良报道采用乙醇脱氢酶测定食品中的乙醇含量[12]。Niculesc.M等报道了一种基于乙醇脱氢酶的传感器，它可以灵活自动地进行白酒分析，能够对白酒发酵过程进行实时监控，具有选择性好、灵敏度高、测量简便、快速等优点[13]。此外，在食品中加入一种或几种酶，根据它们作用于食品中某些组分的结果，可以评价食品的质量，这是一种十分简便的方法。近日PLoS ONE上有一篇文章，美国《公共科学图书馆-综合》在线报道了乙酰胆碱酯酶酵母表面展示系统的构建及其在有机磷和氨基甲酸酯类农药残留快速检测中的应用。该成果由中科院上海生科院营养所王慧研究组完成，系统核心技术已获中国发明专利授权，研发的检测试剂盒即将在上海开展示范应用。有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂是我国使用的主要农药品种之一，也是造成农产品污染最严重的农药品种之一。酶抑制法是有机磷和氨基甲酸酯类杀虫剂最常用的快检方法。目前主要使用的检测酶类为乙酰胆碱酯酶，但其稳定性不足且价格昂贵。王慧研究组构建了乙酰胆碱酯酶的酵母表面展示系统。表达在酵母表面的重组乙酰胆碱酯酶表现出高活性，在酶抑制法检测分析中较市售乙酰胆碱酯酶的灵敏度更高。同时，用酵母细胞作为酶固定化载体，避免了游离酶性质不稳定、极易失活等缺点，也可使后续酶的分离纯化过程更为简易，显著降低成本。
    4· 现代生物技术与饲料工业
    利用生物技术开发饲料资源，扩大蛋白质饲料来源，提高粗饲料营养价值，是解决我国饲料资源不足，促进畜牧业发展的重要途径[14]。生物饲料一般是指以饲料和饲料添加剂为对象，以基因工程、蛋白质工程、发酵工程等高新技术为手段，在人工控制条件下，利用乳酸菌、酵母菌和芽孢杆菌等有益微生物自身的生长代谢活动，将原料中的抗营养因子分解或转化，产生更能被畜禽采食、消化、吸收，养分更高且无毒害作用的饲料[15]。生物饲料的范围宽泛，人们普遍认为其包含有饲料酶制剂、饲用氨基酸和维生素、益生素（直接饲喂微生物）、饲料用寡聚糖、植物天然提取物、生物活性寡肽、饲料用生物色素、新型饲料蛋白、生物药物饲料添加剂等[15]。例如单细胞蛋白饲料是新型绿色蛋白质饲料资源，充分利用工农业下脚料进行生产，不仅可以得到价格低廉、营养丰富的优质蛋白饲料以缓解蛋白质资源的紧缺，而且还可以减轻和消除工农业废弃物造成的环境污染问题；酶制剂是一种具有酶特性的高效生物活性物质，是畜禽生理机能的激活剂，对畜禽营养物质的消化吸收和转化有强烈的促进作用；饲用微生态制剂能维持动物肠道的菌群平衡、提高动物生产性能、减少肠道病原微生物和净化畜舍环境的积极作用；初生仔猪消化道内的菌群数量相对较少，接种益生菌能在肠道起到“先入为主”的作用，从而抑制有害菌的入侵和繁殖[14]。
    5· 生物技术与粮油农副产物
    粮油加工副产物含有丰富的膳食纤维、低聚糖、活性肽、多元糖醇、功能性油脂、抗氧化剂等功能性成分 ，因此对粮油加工副产物的综合利用可获得较高的经济效益和社会效益。利用发酵工程、酶工程技术和生物物质分离技术可以制备多种具有功能活性的成分并应用于食品和医药中[16]。例如谷物碾磨加工成粉时，麸皮和胚芽从胚乳上被分离，利用生物酶法把分离出的麸皮制备成膳食纤维，可应用在生产高纤维食品中。利用小麦加工主要的副产物小麦胚芽生产谷胱甘肽[17]。利用玉米蛋白粉，通过酶解能制备谷氨酰胺肽、高F值低聚肽、降血压肽和玉米蛋白肽、疏水性肽等多种具有生理功能的活性肽[18]。利用粮食植物纤维废料为原料，如玉米芯、稻壳以及其他禾秆、种子皮壳等制备木糖醇，木糖醇作为蔗糖的替代物可以生产功能性糖果，能够有效的预防龋齿的发生，木糖醇还可以作为甜味剂添加到糖尿病人食品中[16]。
    6· 粮油深加工生物技术的研究热点和进展
    美国在粮油加工业中主要利用酶工程和发酵工程开发和充分利用粮油资源，进行米、面、油的精深加工，使粮油资源增值。同时，美国还利用基因工程技术对作物的品质和特性进行改良，改善营养成分（如蛋白质、淀粉、脂肪酸组成等）和加工品质，提高产品附加值。生物技术在粮油深加工及副产品综合利用中的主要研究热点主要有以下几方面：首先在提高产量同时寻找更加有利于环境的农业技术；利用改进的传统育种方式和新的生物技术，改良作物品质；利用农作物、农业废弃物和加工副产物生产工业制品，包括生物能源、生物材料等。美国为了减少对外国石油的依赖，科学家们正在积极地寻求利用可再生资源生产生物能源的方法。生物质能源，作为清洁能源的生物质能的研发已成为世界重大热门课题之一。利用含有纤维素的农业废弃物和加工副产物如秸秆、稻壳等生产生物燃料是美国当前的重点研究方向。2014年1月12日，国际著名杂志《Nature Communications》报道了：可生物降解的高能糖电池问世。据物理学家组织网1月21日报道，美国弗吉尼亚理工大学研究小组开发出一种电池，以糖为能源提供电力，能量密度达到前所未有的水平，继续发展有望替代传统电池成为一种廉价的、可充电而且可生物降解的电池。其次是关于谷物蛋白和生物活性肽的研制，目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、大米蛋白、小麦蛋白等谷物蛋白中开发出多种具有保健功能的生物活性肽，具有广阔应用前景和经济效益。最后是关于谷物细胞壁活性多糖谷物细胞多糖如米糠多糖、米糠脂多糖、燕麦和大麦葡聚糖、小麦戊聚糖、玉米脂多糖等在抗肿瘤、免疫增强、抗细菌感染及降血糖等方面具有与中草药多糖同等的生物活性，而谷物资源丰富而廉价是其他资源无法相比的，所以谷物细胞壁活性多糖的研究与开发已成为热点。
    7·结语
    综上所述，生物技术在粮油食品领域，在粮食生产、粮食储藏、粮油食品加工、粮油食品检测、粮油副产物利用、饲料工业等各方面都有着广阔的应用和发展潜力。国内外科学家纷纷预言，21世纪将是生物技术的世纪。随着重要农作物基因组计划的成功实施和功能基因组研究的深入开展，将引发新的农业技术革命。因此，我们应充分认识现代生物技术及其相关产业在我国粮食领域的重要意义和作用，加大投入，注重生物技术在粮食储藏、加工和检测中的应用基础研究和开发[21]。

附件：            

用户名：
密　码：
验证码：