上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称：生物技术与人类课程号：BI913 班级号：F1516101 姓名：肖鉴月学号：515111910042专业： 环境科学年工程 课程小论文 题目编号 6舌尖上的生物技术 得分 生物技术在粮油食品中的应用 肖紫月 (上海交通大学和环境科学与工程学院，上海200240) 摘要：随着生物学科的发展，多种生物技术包括基因工程、细胞工程、发酵工程、 酶工程等已经运用到食品的生产过程中，极大地推动了粮油食品工业的发展。本 文主要介绍各种生物技术在粮油食品原料生产、加工和贮存等环节的应用。 关键词：生物技术；粮油食品 The Application of Biotechnology in the Grain and Oil Production Xiao Z.Y (school of environmental science and engineering, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China) Abstract:With the great progress of biology,many biotechnologies including genetic engineering,cell engineering,fermentation engineering and enzyme engineering have been applied into the process of foodstuff industry,which promotes its development. This paper introduces the application of all aspects of biotechnology in the grain and oil production from raw materials production,storage to food processing. Key Words:biotechnology;foodstuff
上海交通大学通识教育立项核心课程 课程名称： 生物技术与人类 课程号： BI913 班级号： F1516101 姓名： 肖紫月 学号： 515111910042 专业： 环境科学与工程 课程小论文 题目编号 6 舌尖上的生物技术 得分 生物技术在粮油食品中的应用 肖紫月 （上海交通大学和环境科学与工程学院，上海 200240） 摘要：随着生物学科的发展，多种生物技术包括基因工程、细胞工程、发酵工程、 酶工程等已经运用到食品的生产过程中，极大地推动了粮油食品工业的发展。本 文主要介绍各种生物技术在粮油食品原料生产、加工和贮存等环节的应用。 关键词：生物技术；粮油食品 The Application of Biotechnology in the Grain and Oil Production Xiao Z.Y. (school of environmental science and engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: With the great progress of biology, many biotechnologies including genetic engineering, cell engineering, fermentation engineering and enzyme engineering have been applied into the process of foodstuff industry, which promotes its development. This paper introduces the application of all aspects of biotechnology in the grain and oil production from raw materials production, storage to food processing. Key Words: biotechnology; foodstuff
引言 生物技术在食品行业的应用历史悠久，传统的食品生物技术侧重于对生物体 的应用，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵被称 为“答代谢控制发酵“，比如啤酒业对于啤酒酵母、糖化酶的利用。随着生物学科的 进步，现代食品生物技术得到了更多的发展，基因工程、细胞工程技术、发酵工 程、酶工程技术等生物技术在食品行业已经得到了广泛的应用：利用生物技术进 行食品资源的改造和改良、新材料的合成及新食品的开发，食品分析及微生物检 测。粮油食品工业在食品原料生产、加工、储存等环节应用各种生物技术，促进 了自身的发展。 1生物技术在粮油食品原料生产中的应用 在粮油生产工业中主要应用基因工程技术对食品资源进行改造。基因是遗传 物质，控制着蛋白质合成表达，而蛋白质表征着性状。所以要想从根本上改变生 物体的某些性状就必须通过其基因结构的改变才能实现。基因工程技术就是采用 自然条件下或过程中不可发生的方法来改变生物体的分子或细胞生物学性状，最 终得到转基因食品山。 转基因技术的主要步骤包括：目的基因的识别、DNA分离，基因纯合、扩大 培养及嫁入寄主细胞、引入标记基因、基因表达的控制，转基因宿主细胞的筛选 和繁殖等。 经过基因工程技术改造得到了在抗病、抗虫、抗除草剂和抗旱性性能得到了 提升，速生高产生物以及具有特殊品质的基因工程生物。 例如利用DNA重组技术近年来利用DNA重组技术、细胞融台技术等基因工 程技术将多种抗病毒、抗虫基因导人小麦、水稻等植物体，并获得了稳定的转基 因新品系：孙越等人通过农杆菌介导法，将BtcrylAcM抗虫基因和抗抗草甘膦基 因epsps一同转入玉米，使玉米同时具有抗亚洲玉米螟和抗草甘膦的特性培育抗虫 特性和抗除草特性性状叠加的自交系]；在水稻中HMW-GS基因的改善可以提高 水稻中淀粉的品质、优化蛋白质成分，提高稻米中F、Zn和Va的含量，培育出 高营养价值和药用价值的功能性稻米]。 但是，基因工程在食品的应用上存在很大的争议。有关转基因食品的安全性 问题主要涉及五个方面：(1)转基因食品中所导入的外源基因本身或外源基因所表 达的蛋白是否含有致毒或过敏性，给消费者造成健康危害；(2)导入的外源基因可 能导致原有的其他基因突变或促成一些有害基因的表达；(3)转基因食品中的外源
引言 生物技术在食品行业的应用历史悠久，传统的食品生物技术侧重于对生物体 的应用，有意识地改变微生物的代谢途径，最大限度地积累产物，这种发酵被称 为“答代谢控制发酵“，比如啤酒业对于啤酒酵母、糖化酶的利用。随着生物学科的 进步，现代食品生物技术得到了更多的发展，基因工程、细胞工程技术、发酵工 程、酶工程技术等生物技术在食品行业已经得到了广泛的应用：利用生物技术进 行食品资源的改造和改良、新材料的合成及新食品的开发，食品分析及微生物检 测。粮油食品工业在食品原料生产、加工、储存等环节应用各种生物技术，促进 了自身的发展。 1 生物技术在粮油食品原料生产中的应用 在粮油生产工业中主要应用基因工程技术对食品资源进行改造。基因是遗传 物质，控制着蛋白质合成表达，而蛋白质表征着性状。所以要想从根本上改变生 物体的某些性状就必须通过其基因结构的改变才能实现。基因工程技术就是采用 自然条件下或过程中不可发生的方法来改变生物体的分子或细胞生物学性状，最 终得到转基因食品[1]。 转基因技术的主要步骤包括：目的基因的识别、DNA 分离，基因纯合、扩大 培养及嫁入寄主细胞、引入标记基因、基因表达的控制，转基因宿主细胞的筛选 和繁殖等。 经过基因工程技术改造得到了在抗病、抗虫、抗除草剂和抗旱性性能得到了 提升，速生高产生物以及具有特殊品质的基因工程生物。 例如利用 DNA 重组技术近年来利用 DNA 重组技术、细胞融台技术等基因工 程技术将多种抗病毒、抗虫基因导入小麦、水稻等植物体，并获得了稳定的转基 因新品系：孙越等人通过农杆菌介导法，将 BtcryIAcM 抗虫基因和抗抗草甘膦基 因 epsps 一同转入玉米，使玉米同时具有抗亚洲玉米螟和抗草甘膦的特性培育抗虫 特性和抗除草特性性状叠加的自交系[2]；在水稻中 HMW-GS 基因的改善可以提高 水稻中淀粉的品质、优化蛋白质成分，提高稻米中 Fe、Zn 和 VA的含量，培育出 高营养价值和药用价值的功能性稻米[3]。 但是，基因工程在食品的应用上存在很大的争议。有关转基因食品的安全性 问题主要涉及五个方面：(1)转基因食品中所导入的外源基因本身或外源基因所表 达的蛋白是否含有致毒或过敏性，给消费者造成健康危害；(2)导入的外源基因可 能导致原有的其他基因突变或促成一些有害基因的表达；(3)转基因食品中的外源
基因通过食物链其他环节可能会无意中造成不良后果；(4)生态安全性。转基因食 品是否会干扰自然生态系统的种群结构和演替过程，是否会破坏自然生态系统的 生物多样性和遗传稳定性。科学家目前还无法证实转基因农作物是否对人们的健 康造成影响，或者对自然生态系统造成的影响，所以对于基因工程我们要保持谨 慎的态度，合理的应用4。 2生物技术在粮油食品加工中的应用 酶工程、发酵工程、细胞工程、组织培养和基因工程技术已经广泛地应用于 粮油食品加工的许多领域，生物技术已经成为粮油食品工业中的重要组成部分。 2.1食品添加剂的生产 食品添加剂是指用于改善食品品质、延长食品保存期、便于食品加工和增加食 品营养成分的一类化学合成或天然物质。食品添加剂是为改善食品色、香、味等 品质，以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化合物质或者天然物质。从 植物中萃取食品添加剂来源有限、成本昂贵。利用生物技术生产食品添加剂已经 成为首选的方式。 2.1.1基因工程在食品添加剂中的应用 利用基因工程技术不仅可以大幅度提高现有的酶活力，而且还可将生物酶基 因克隆到微生物体中，构建新的基因菌，使许多酶基因得以克隆和表达，近年来 在这些方面取得很大的进展，成功克隆出许多新型的食品工业等应用的酶。且转 基因酶制剂价值高、品质均匀、稳定性好、价格低廉等优点。 2.1.2细胞工程的应用 自1975年原生质体融合技术运用于微生物中，匈牙利的Ferenczy首先报道 PEG促进真菌融合，以后的成功报道涉及酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生 物的种间直至属间。以此获得了许多优良的应用于食品添加剂的新型微生物菌种 和代谢产物。比如利用人参细胞培养生产人参皂昔及其它活性成分已实现工业化。 2.1.3酶工程的应用 酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂，可应用于 食品生产过程中物质的转化。如纤维素酶在果汁生产、蔬菜汁生产、速溶茶生产、 酱油酿造、制酒等食品工业中应用广泛；利用蔗糖加水溶解之后通过装有固定果 糖基转移酶的生物反应器（控制温度、pH、通风）制造低聚果糖。 2.2高果糖浆的生产 淀粉（玉米、薯类、土豆或小麦淀粉）用蒸馏水调制成淀粉乳，淀粉乳经过酶的
基因通过食物链其他环节可能会无意中造成不良后果；(4)生态安全性。转基因食 品是否会干扰自然生态系统的种群结构和演替过程，是否会破坏自然生态系统的 生物多样性和遗传稳定性。科学家目前还无法证实转基因农作物是否对人们的健 康造成影响，或者对自然生态系统造成的影响，所以对于基因工程我们要保持谨 慎的态度，合理的应用[4]。 2 生物技术在粮油食品加工中的应用 酶工程、发酵工程、细胞工程、组织培养和基因工程技术已经广泛地应用于 粮油食品加工的许多领域，生物技术已经成为粮油食品工业中的重要组成部分。 2.1 食品添加剂的生产 食品添加剂是指用于改善食品品质、延长食品保存期、便于食品加工和增加食 品营养成分的一类化学合成或天然物质。食品添加剂是为改善食品色、香、味等 品质，以及为防腐和加工工艺的需要而加入食品中的化合物质或者天然物质。从 植物中萃取食品添加剂来源有限、成本昂贵。利用生物技术生产食品添加剂已经 成为首选的方式。 2.1.1 基因工程在食品添加剂中的应用 利用基因工程技术不仅可以大幅度提高现有的酶活力，而且还可将生物酶基 因克隆到微生物体中，构建新的基因菌，使许多酶基因得以克隆和表达，近年来 在这些方面取得很大的进展，成功克隆出许多新型的食品工业等应用的酶。且转 基因酶制剂价值高、品质均匀、稳定性好、价格低廉等优点。 2.1.2 细胞工程的应用 自 1975 年原生质体融合技术运用于微生物中，匈牙利的 Ferenczy 首先报道 PEG 促进真菌融合，以后的成功报道涉及酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生 物的种间直至属间。以此获得了许多优良的应用于食品添加剂的新型微生物菌种 和代谢产物。比如利用人参细胞培养生产人参皂昔及其它活性成分已实现工业化。 2.1.3 酶工程的应用 酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂，可应用于 食品生产过程中物质的转化。如纤维素酶在果汁生产、蔬菜汁生产、速溶茶生产、 酱油酿造、制酒等食品工业中应用广泛；利用蔗糖加水溶解之后通过装有固定果 糖基转移酶的生物反应器（控制温度、pH、通风）制造低聚果糖[5]。 2.2 高果糖浆的生产 淀粉(玉米、薯类、土豆或小麦淀粉)用蒸馏水调制成淀粉乳，淀粉乳经过酶的
液化和糖化得到糖化液，再经过活性炭脱色和离子交换树脂精制得到质量分数为 0.35-0.45葡萄糖液，为有利于后序异构化反应进行，要求糖化液纯度越高越好。 葡萄糖干基含量在质量分数为95%以上，用Na2CO3溶液调整pH值至7.5-8.0，并 在糖化液中加入MgSO47H20(比例为0.55-0.68gL),因镁离子对异构酶有激活作 用，可提高酶的活力，延长酶半衰期和提高得率。将糖化液加热至55~60℃后由 异构化酶柱的顶部进入，慢慢渗透到酶柱颗粒内部，糖化液经异构化反应后由底 部出料而得异构化糖浆，所得异构化糖浆尚含有呈色物质及灰分等，需再次经过 活性炭脱色和离子交换树脂精制，最后浓缩至浓度为70%左右，即得到无色澄清 的高果糖浆，其甜度为蔗糖的13倍，且甜味纯正、柔和，具有保湿功能，可完全 替代蔗糖应用于饮料、焙烤食品和乳制品中阿。 2.3某些具有特殊加工性能的粮油食品 我国粮油加工呈现出小型、分散的特点，且主要以初级加工为主，与国际先 进水平相比，对粮油产品的精加工和综合利用技术相对落后。生物技术的应用可 以改造食品原料，改善原料本身的品质，使之成为易加工、高营养的原料；可以 改造传统工艺，降低成本，提高产量，可以二次开发食品，形成新的产品，提高综 合利用率。刘玉环等报道，利用基因工程将马铃薯花粉赖氨酸蛋白质基因和玉米 醇溶蛋白基因整合到水稻基因中，明显地提高了水稻中赖氨酸和苏氨酸的含量， 培育出了口感更好、关键营养成分提升、膳食纤维改性的糙米品种可。 3生物技术在粮油食品贮存中的应用 粮油食物在贮存过程中受到害虫的侵扰。通过基因工程技术改造得到的具有 更好抗虫性能的粮油作物在储存过程中也显示出了对害虫更好的抵抗能力。随着 科学技术发展，新的方法也得到了应用和推广，比如害虫天敌利用、昆虫激素及 类似物利用、昆虫信息素与食物引诱剂利用、植物源农药杀虫等。引起储藏物昆 虫疾病的微生物很多，主要有细菌、真菌、病毒以及原生动物等。最成功用来防 治储粮害虫的细菌是苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis,.Bt),它能有效控制印度谷 螟、米蛾、粉斑螟、地中海粉螟、粉螟、米黑虫等，但对粮粒中取食的鞘翅目的 幼虫防治效果不太理想。现在已知的全世界至少有20种的Bt商品制剂。1980年 美国环境保护局同意将Bt制剂用于储粮害虫的防治，并已在美国粮仓中得到应用， 防治蛾类害虫非常有效，可以减少小麦中印度谷螟的种群50%~60%，在大麦中 减少超过8O%。随着越来越多的储粮害虫对B抗性的产生，使得这种杀虫剂的广 泛使用受到了影响。目前有关储粮害虫对Bt的抗性特点、机理等需要进一步研究
液化和糖化得到糖化液，再经过活性炭脱色和离子交换树脂精制得到质量分数为 0.35-0.45 葡萄糖液，为有利于后序异构化反应进行，要求糖化液纯度越高越好。 葡萄糖干基含量在质量分数为 95%以上，用 Na2CO3溶液调整 pH 值至 7.5-8.0，并 在糖化液中加入 MgSO4·7H2O (比例为 0.55-0.68g/L)，因镁离子对异构酶有激活作 用，可提高酶的活力，延长酶半衰期和提高得率。将糖化液加热至 55～60℃后由 异构化酶柱的顶部进入，慢慢渗透到酶柱颗粒内部，糖化液经异构化反应后由底 部出料而得异构化糖浆，所得异构化糖浆尚含有呈色物质及灰分等，需再次经过 活性炭脱色和离子交换树脂精制，最后浓缩至浓度为 70％左右，即得到无色澄清 的高果糖浆，其甜度为蔗糖的 1.3 倍，且甜味纯正、柔和，具有保湿功能，可完全 替代蔗糖应用于饮料、焙烤食品和乳制品中[6]。 2.3 某些具有特殊加工性能的粮油食品 我国粮油加工呈现出小型、分散的特点，且主要以初级加工为主，与国际先 进水平相比，对粮油产品的精加工和综合利用技术相对落后。生物技术的应用可 以改造食品原料，改善原料本身的品质，使之成为易加工、高营养的原料；可以 改造传统工艺，降低成本，提高产量; 可以二次开发食品，形成新的产品，提高综 合利用率。刘玉环等报道，利用基因工程将马铃薯花粉赖氨酸蛋白质基因和玉米 醇溶蛋白基因整合到水稻基因中，明显地提高了水稻中赖氨酸和苏氨酸的含量， 培育出了口感更好、关键营养成分提升、膳食纤维改性的糙米品种[7]。 3 生物技术在粮油食品贮存中的应用 粮油食物在贮存过程中受到害虫的侵扰。通过基因工程技术改造得到的具有 更好抗虫性能的粮油作物在储存过程中也显示出了对害虫更好的抵抗能力。随着 科学技术发展，新的方法也得到了应用和推广，比如害虫天敌利用、昆虫激素及 类似物利用、昆虫信息素与食物引诱剂利用、植物源农药杀虫等。引起储藏物 昆 虫疾病的微生物很多，主要有细菌、真菌、病毒以及原生动物等。最成功用来防 治储粮害虫的细菌是苏云金杆菌(Bacillus thuringiensis，Bt)，它能有效控制印度谷 螟、米蛾、粉斑螟、地中海粉螟、粉螟、米黑虫等，但对粮粒中取食的鞘翅目的 幼虫防治效果不太理想。现在已知的全世界至少有 20 种的 Bt 商品制剂。1980 年 美国环境保护局同意将 Bt 制剂用于储粮害虫的防治，并已在美国粮仓中得到应用， 防治蛾类害虫非常有效，可以减少小麦中印度谷螟的种群 50％～60％，在大麦中 减少超过 8O％。随着越来越多的储粮害虫对 Bt 抗性的产生，使得这种杀虫剂的广 泛使用受到了影响。目前有关储粮害虫对 Bt 的抗性特点、机理等需要进一步研究
[。 此外，在粮食贮存过程中还易受到真菌毒素的污染，酶工程技术的应用能够 高效降解产生的真菌毒素。比如在利用酶制剂催化、降解大米贮存过程中产生的 黄曲霉毒素为无毒物质，黄曲霉毒素可经肝脏的微粒体氧化酶生物解毒，同时可 添加促进酶活性的物质来增强其解毒效果，酶降解毒素形成的代谢产物毒性小、 易排出9。用酶促使毒素分解，一些酶可使F2和T-2毒素失活。在单端孢霉烯族 毒素中，12环氧环和13环氧环是主要的致毒基团，去掉这个环可以大大地减少毒 性。内酯酶可断裂F2的内酯环，而环氧化酶能降解单端孢霉毒素2和3环氧组10。 通过分裂霉菌毒素的功能性原子团，酶可把这些毒素降解成可被消化系统排出的 非毒性代谢物，而不引起副作用。 参考文献 [1]李书国，陈辉等基因工程在食品工业中的应用)粮食与油脂2001，(2)：7-9 [2]孙越，刘秀霞等康亚洲玉米螟、抗草甘膦转基因玉米的培育[刀农业生物技术 学报.2015,23(1)：52-60 [3]李琴，武丽敏等.HMW-GS基因的遗传转化与小麦品质改良[U.四川农业大学学 报，2005,23(1)：104-108 [4]周青龙.基因工程的伦理分析J价值工程.2013，(10)：309-310 [5]姚继承.现代生物技术在食品添加剂及配料产业中的应用[)，中国食品添加 剂.2007，(G00):184-197 [6]徐剑宏，祭芳等谷物真菌毒素的控制策略江苏农业学报，2007,23(6)： 642-646. [)张娟，李宗军等大米中的真菌毒素及其生物脱毒技术的研究[)农产品加 工.2009，(11)：4-7 [8]李兴奎，侯金丽等生物技术在储藏物害虫综合治理中的应用[)粮食科技与经 济.2014,392)：51-54 [9]高大威.粮食和饲料中的黄曲霉毒素J.黑龙江粮食，2003(2)：45-46. [10]刘晓庚，徐明生等.高新技术在粮油食品中的应用[J食品科学.2002,23(8)： 335-342 [11]刘玉环，阮榕生.生物技术在糙米食品开发中的应用研究J食品科学2008， 29(8):640-642
[8]。 此外，在粮食贮存过程中还易受到真菌毒素的污染，酶工程技术的应用能够 高效降解产生的真菌毒素。比如在利用酶制剂催化、降解大米贮存过程中产生的 黄曲霉毒素为无毒物质，黄曲霉毒素可经肝脏的微粒体氧化酶生物解毒，同时可 添加促进酶活性的物质来增强其解毒效果，酶降解毒素形成的代谢产物毒性小、 易排出[9]。用酶促使毒素分解，一些酶可使 F2 和 T-2 毒素失活。在单端孢霉烯族 毒素中，12 环氧环和 13 环氧环是主要的致毒基团，去掉这个环可以大大地减少毒 性。内酯酶可断裂 F2 的内酯环，而环氧化酶能降解单端孢霉毒素 l2 和 l3 环氧组[10]。 通过分裂霉菌毒素的功能性原子团，酶可把这些毒素降解成可被消化系统排出的 非毒性代谢物，而不引起副作用[11]。 参考文献 [1]李书国,陈辉等.基因工程在食品工业中的应用[J].粮食与油脂.2001,(2):7-9 [2]孙越,刘秀霞等.康亚洲玉米螟、抗草甘膦转基因玉米的培育[J].农业生物技术 学报.2015，23（1）：52-60 [3]李琴,武丽敏等.HMW-GS 基因的遗传转化与小麦品质改良[J].四川农业大学学 报,2005，23（1）：104-108 [4]周青龙.基因工程的伦理分析[J].价值工程.2013,(10):309-310 [5]姚继承.现代生物技术在食品添加剂及配料产业中的应用[J].中国食品添加 剂.2007,(G00):184-197 [6]徐剑宏,祭芳等.谷物真菌毒素的控制策略[J].江苏农业学报,2007,23(6)： 642-646． [7]张娟,李宗军等.大米中的真菌毒素及其生物脱毒技术的研究[J].农产品加 工.2009,(11):4-7 [8]李兴奎,侯金丽等.生物技术在储藏物害虫综合治理中的应用[J]粮食科技与经 济.2014,39(2)：51-54 [9]高大威.粮食和饲料中的黄曲霉毒素[J].黑龙江粮食,2003(2):45-46． [10]刘晓庚,徐明生等.高新技术在粮油食品中的应用[J].食品科学. 2002，23(8)： 335-342 [11]刘玉环,阮榕生.生物技术在糙米食品开发中的应用研究[J].食品科学.2008， 29(8):640-642