基因工程技术的基本原理与步骤

基因工程技术在食品中的应用 前言前言 基因工程技术是现代生物技术的基因工程技术是现代生物技术的核心内容。自从二十世纪七十年代诞核心内容。自从二十世纪七十年代诞生以来生以来,在短短的几十年间已得到了迅在短短的几十年间已得到了迅速的发展和广泛的应用。它具有从本速的发展和广泛的应用。它具有从本质上改变生物及食品性能的特性质上改变生物及食品性能的特性,越来越来越受到食品科技工作者的重视越受到食品科技工作者的重视,并使食并使食品的概念从农业食品品的概念从农业食品,工业食品发展到工业食品发展到了基因工程或生物技术食品。在二十了基因工程或生物技术食品。在二十一世纪一世纪,以基因工程为核心的生物技术以基因工程为核心的生物技术必将给食品工业带来一场革命。必将给食品工业带来一场革命。1 基因工程的基本概念基因工程的基本概念1.1 基基因因工工程程主主要要是是DAN重重组组技技术术是是指指在在体体外外把把不不同同基基因因进进行行人人工工“剪剪切切”、“组组合合”和和“拼拼接接”使使基基因因得得以以重重新新组组合合，然然后后通通过过载载体体（微微生生物物或或动动植植物物细细胞胞）进进行行无无性性繁繁殖殖（即即所所谓谓克克隆隆），要要使使新新的的基基因因在在受受体体细细胞胞的的表表达达，产产生生人人类类所所需需要要的的物物质质，或或组组建建新新的的生生物物类类型。型。1.2 基因工程技术的基本原理与步骤基因工程技术的基本原理与步骤基因工程研究的主要内容包括以下基因工程研究的主要内容包括以下6 个步骤个步骤:(1)从生物有机体复杂的基因组中从生物有机体复杂的基因组中,分离出带有目的基分离出带有目的基因的因的DNA片段。片段。(2)在体外在体外,将带有目的基因的将带有目的基因的DNA 片段连接到能够片段连接到能够自我复制并具有选择标记的载体分子上自我复制并具有选择标记的载体分子上,形成重组形成重组DNA分子。分子。(3)将重组将重组DNA 分子引入到受体细胞分子引入到受体细胞(亦称宿主细胞或亦称宿主细胞或寄主细胞寄主细胞)。http:/(4)带有重组体的细胞扩增带有重组体的细胞扩增,获得大量的细胞繁殖体。获得大量的细胞繁殖体。(5)从大量的细胞繁殖群体中从大量的细胞繁殖群体中,筛选出具有重组筛选出具有重组DNA 分分子的细胞克隆。子的细胞克隆。(6)将选出的细胞克隆的目的基因进一步研究分析将选出的细胞克隆的目的基因进一步研究分析,并并设法使之实现功能蛋白的表达。设法使之实现功能蛋白的表达。电泳电泳 层析层析 离心离心 分光光度分光光度 基因操作基因操作 其它其它 分（离目的基因）分（离目的基因）切（割目的基因和载体）切（割目的基因和载体）接（连目的基因和载体）接（连目的基因和载体）转（化宿主细胞）转（化宿主细胞）筛（选阳性克隆）筛（选阳性克隆）表（达目的基因）表（达目的基因）基本模式“纵向”体系“横向”体系 生化技术生化技术 电泳电泳 层析层析 离心离心 分光光度分光光度 基因操作基因操作 其它其它基因工程基因工程 分 切 接 转 筛 表2 基因工程在食品工业中的应用基因工程在食品工业中的应用2.1 酶制剂方面应用酶制剂方面应用2.2 改造食品原材料改造食品原材料2.3 提高食品品质和改善食品风味提高食品品质和改善食品风味2.4 生产保健食品及特殊食品生产保健食品及特殊食品2.1 酶制剂方面应用酶制剂方面应用 酶的传统来源是动物脏器和植物种子，后酶的传统来源是动物脏器和植物种子，后来随着发酵工程的发展，逐渐出现了以来随着发酵工程的发展，逐渐出现了以微微生物为主要酶源生物为主要酶源的格局。近年来，由于基的格局。近年来，由于基因工程技术的发展，更使我们可以按照需因工程技术的发展，更使我们可以按照需要来定向改造酶，甚至创造出自然界从未要来定向改造酶，甚至创造出自然界从未发现的发现的新酶种新酶种，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技术糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技术进行生产。进行生产。2.2 改造食品原材料改造食品原材料 2.2.1 转基因植物源食品转基因植物源食品转基因植物可被改革而具有抗病虫害转基因植物可被改革而具有抗病虫害的能力，这具有深远的经济意义。的能力，这具有深远的经济意义。1986年首次获得能够抗烟草花叶病毒年首次获得能够抗烟草花叶病毒的转基因烟草植株，对烟草花叶病毒的转基因烟草植株，对烟草花叶病毒的预防效果可达的预防效果可达70%。目前利用基因工程不断获得了各种抗病毒目前利用基因工程不断获得了各种抗病毒植株，黄瓜花叶病毒、马铃薯病毒和植株，黄瓜花叶病毒、马铃薯病毒和Y病病毒，抗病虫害长颈南瓜和抗虫害转基因土毒，抗病虫害长颈南瓜和抗虫害转基因土豆。我国及菲律宾培育出豆。我国及菲律宾培育出“超级水稻超级水稻”和和“超超级水稻超超级水稻”，为人口日益增长、粮食，为人口日益增长、粮食日益短缺的世界带来一线。利用重组技术日益短缺的世界带来一线。利用重组技术和细胞融合技术相结合，培育出高产、抗和细胞融合技术相结合，培育出高产、抗病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物，改良植物，对食品工业具有重要意义。对食品工业具有重要意义。2.2.2 转基因动物源食品转基因动物源食品转基因技术对动物性资源改造原理：转基因技术对动物性资源改造原理：通过转基因技术改良新的动物品种是一项通过转基因技术改良新的动物品种是一项发展迅速的生物技术。发展迅速的生物技术。其主要技术是：从目的供体物种体内获得其主要技术是：从目的供体物种体内获得带有特定优良遗传性状的带有特定优良遗传性状的DNA 片段，即片段，即目的基因目的基因，直接或通过，直接或通过载体载体导入被改造物导入被改造物种即种即受体物种的胚胎内受体物种的胚胎内，从而培养出优良，从而培养出优良的的新品种新品种。目的基因目的基因基因载体基因载体受体物种的胚胎受体物种的胚胎分导入培育新物种总总体体技技术术路路线线转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成转基因技术在家畜及鱼类育种上初见成效：效：1982年转基因年转基因“超级鼠超级鼠”的构建成功。的构建成功。1985年转基因鱼的出现，揭开了基因工程技术年转基因鱼的出现，揭开了基因工程技术在食品领域中应用的序幕。在食品领域中应用的序幕。1997年年_月，上海医学遗传研究所与复旦大月，上海医学遗传研究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，学合作的转基因羊的乳汁中含有人的凝血因子，既可以食用，又可以药用，为通过动物廉价生既可以食用，又可以药用，为通过动物廉价生产人类的珍贵药物迈出了重大的一步。产人类的珍贵药物迈出了重大的一步。1999年年_月诞生的我国首例转基因试管牛月诞生的我国首例转基因试管牛“陶陶陶陶”，产奶量可望高达，产奶量可望高达10000Kg，比山羊，比山羊高高20多倍。多倍。2.3 提高食品品质和改善食品风味提高食品品质和改善食品风味2.3.1 食品添加剂食品添加剂食品添加剂主要有防腐剂、抗氧化剂、增鲜剂、酸食品添加剂主要有防腐剂、抗氧化剂、增鲜剂、酸味剂和甜味剂、食品强化剂等。国外采用基因工程味剂和甜味剂、食品强化剂等。国外采用基因工程和细胞融合技术，培育出生产谷氨酸、苏氨酸、精和细胞融合技术，培育出生产谷氨酸、苏氨酸、精氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸等的优良菌种，氨酸、色氨酸、苯丙氨酸、异亮氨酸等的优良菌种，在提高产量和缩短发酵周期方面已取得显著成就。在提高产量和缩短发酵周期方面已取得显著成就。目前通过基因工程技术生产的高效乳酸链球菌素就目前通过基因工程技术生产的高效乳酸链球菌素就是一个极好的例子。是一个极好的例子。利用基因技术和细胞工程技术还可以生产独特的利用基因技术和细胞工程技术还可以生产独特的食品香味剂和风味剂，如香草素、可可香素、菠食品香味剂和风味剂，如香草素、可可香素、菠萝风味剂，以及高级的天然色素，如类胡萝卜素、萝风味剂，以及高级的天然色素，如类胡萝卜素、花色素、咖喱黄、紫色素、辣椒素和靛蓝等，并花色素、咖喱黄、紫色素、辣椒素和靛蓝等，并且通过这杂种选育的色素含量高、色调和稳定性且通过这杂种选育的色素含量高、色调和稳定性好转基因的好转基因的E.coli的玉米黄素最高产量达的玉米黄素最高产量达289ug/g。通过把风味前体转变为风味物质的酶。通过把风味前体转变为风味物质的酶基因的克隆或通过发酵产生风味物质都可使食品基因的克隆或通过发酵产生风味物质都可使食品芳香风味得以增强。另外芳香风味得以增强。另外VB2 和和VC 也都有已化的也都有已化的基因工程产品基因工程产品。2.3.2 用于食品工业中的酶用于食品工业中的酶 工业化酶制剂的品质改良及新品种开发是工业化酶制剂的品质改良及新品种开发是现代生物技术介入最多的一个领域，并已现代生物技术介入最多的一个领域，并已取得令人瞩目的成果。取得令人瞩目的成果。DNA重组技术对酶重组技术对酶工业的渗透，导致了酶工业质的飞跃。例工业的渗透，导致了酶工业质的飞跃。例如：日本利用基因技术，使淀粉酶发酵产如：日本利用基因技术，使淀粉酶发酵产率提高近率提高近200 倍，而且有极强的热稳定性。倍，而且有极强的热稳定性。目前，已经商品化的基因工程酶还有目前，已经商品化的基因工程酶还有枯草枯草杆菌蛋白酶、水解酶、脂酶、凝乳酶杆菌蛋白酶、水解酶、脂酶、凝乳酶等。等。2.4 应用于生产保健食品及特殊食品应用于生产保健食品及特殊食品 当今，保健食品的发展有赖基因工程这个当今，保健食品的发展有赖基因工程这个新技术。新技术。可以采用转基因手段，在动、植可以采用转基因手段，在动、植物细胞中，得到基因表达而制造有益于人物细胞中，得到基因表达而制造有益于人类健康的保健成分或有效因子类健康的保健成分或有效因子。例如，把。例如，把人的血红素基因克隆至猪中，最后，猪的人的血红素基因克隆至猪中，最后，猪的血可以用做人类血液的代用品。又例如，血可以用做人类血液的代用品。又例如，将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作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牛或羊中，便可以在牛用的酶基因克隆至牛或羊中，便可以在牛乳或羊乳中产生这种酶。乳或羊乳中产生这种酶。3 基因食品的安全性基因食品的安全性 基因工程应用于食品工业已给人们带来了基因工程应用于食品工业已给人们带来了巨大的社会经济效益，但基因工程体巨大的社会经济效益，但基因工程体（Gemos）及基因工程食品的环境释放）及基因工程食品的环境释放安全性及食用安全生也越来越受到广泛的安全性及食用安全生也越来越受到广泛的关注。食品与人类生命健康直接相关，开关注。食品与人类生命健康直接相关，开发基因食品除了要解决技术问题，还要使发基因食品除了要解决技术问题，还要使之被社会所接受。之被社会所接受。人们对基因食品的顾虑人们对基因食品的顾虑 归结为三个方面：归结为三个方面：一是一是：基因食品中加进的新基因在无意中给：基因食品中加进的新基因在无意中给人们带来的危害；人们带来的危害；http:/二是二是：基因食品中的新基因通过食物链其他：基因食品中的新基因通过食物链其他环节无意中造成的后果；环节无意中造成的后果；三是三是：对自然界生物多样性的影响。：对自然界生物多样性的影响。新的基因工程食品将不断问世。从长新的基因工程食品将不断问世。从长远来看，基因工程食品的安全性评价远来看，基因工程食品的安全性评价体系的构建及基因食品的安全性评价体系的构建及基因食品的安全性评价将是今后食品安全性研究的热点课题。将是今后食品安全性研究的热点课题。4 展望展望 随着基因工程技术提供越来随着基因工程技术提供越来越多的好处越多的好处,以及基因改良作物以及基因改良作物商品化的不断成功商品化的不断成功,基因工程技基因工程技术将给人们带来更加丰富术将给人们带来更加丰富,更有更有利于健康、更富有营养的食品利于健康、更富有营养的食品,为人类的衣食住行和保健发挥无为人类的衣食住行和保健发挥无穷无尽的力量。穷无尽的力量。