[生物学]食品生物技术概论

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,Introduction to,Food Biotechnology,食品生物技术概论,现代生物技术是70年代未80年代初以现代生物学研究成果为基础，以基因工程为核心发展起来的一门新兴学科。现已成为解决人类面临的人口、资源、能源、食物和环境等五大危机的主要途径之一。,食品生物技术是生物技术在食品原料生产、加工和制造中的应用的一个学科。它包括了食品发酵和酿造等最古老的生物技术加工过程，也包括了应用现代生物技术来改良食品原料的加工品质的基因、生产高质量的农产品、制造食品添加剂、植物和动物细胞的培养以及与食品加工和制造相关的其他生物技术，如酶工程、蛋白质工程和酶分子的进化工程等。,本课程的教学目的,是使学生了解如下内容：, 基因工程、细胞工程、发酵工程、酶工程和蛋白质工程等生物技术的基本原理和基本方法；, 生物技术在食品等领域的应用；, 国内外生物技术各领域发展的现状、发展方向及其对社会各方面的深刻影响。,教学目的,1认识食品生物技术的概念、种类及其对经济社会发展的影响；,2熟悉食品生物技术五大工程的原理、技术和方法；,3了解生物技术在农业及其它领域的应用和成果；,4了解国内外生物技术发明创新保护与生物安全性政策法规。,教学要求,食品生物技术的基本概念、术语、基础理论和基本技术;,食品生物技术在科技教育、科学研究和生产领域中的应用;,使学生全面掌握食品生物技术的基本知识和基本技术，并与相关学科有机衔接，使其融会贯通，进一步系统化而形成完整的知识和技术体系。,课程讲授的重点,要舍得花时间，要长期投入。,扎扎实实学好每一章节，课后及时复习。,动手：上课记笔记，做作业及思考题。注意：抄一遍比看,10,遍心里更踏实。,阅读王镜岩编,生物化学,中的相关章节。绝对有好处！,善于总结所学知识，前后联系，真正学会！,重视,实验课，巩固课堂知识。,具体学习方法,课程类型：专业限选课,总学时：32学时,上课考勤：40%,课后作业：,20%,考试：,40%,考试考核方法,第一章 绪论,生物技术概述,食品生物技术概述,重点掌握,1、现代生物技术的概念 2、生物技术的发展史 3、食品生物技术概念、研究内容,克隆羊多莉,转基因延熟番茄,人类对自然界的要求,认识利用再造改造,创造,现代生物学技术的发展也为科学研究提出了新的研究思路和方法。传统生物技术是根据生物的性状，找到有关的蛋白质，再确定其基因；现在可以先分离特定蛋白推测其基因或直接分离其基因，经克隆测序、表达，再研究其功能。这一过程与传统生物学相反，故称反向生物学。,随着反向生物学的问世, 在20世纪八十年代诞生了生物技术(Biotechnology)这门新学科。,生物技术学科的地位,世界新技术革命的主角之一,生物技术,与新材料, 信息技术(包括微电子、计算机)一起已成为新产业革命三大支柱之一；,阳光技术，朝阳产业，黄金工程，,倍受世界各国重视,。,生物技术将成为21世纪高技术革命的核心内容。,生物技术的重要性,有助于解决全球的重大难题：资源（能源）、人口、粮食、生态环境、健康与疾病和战争与灾害；,促进传统产业的技术改造和新产业的形成，对人类社会生活产生深远的,革命性,影响；,生物技术这一新生事物正迅速走向老百性日常生活各个方面, 将对人类的发展做出贡献。,一、,生物技术的定义及内涵,生物技术,(Biotechnology, BT),亦称为生物工程（bioengineering),现统一称:,生物技术,。,1、定义,现代生物技术代表着高新技术，但至今还没有一个统一的定义。而从学术方面对生物技术下定义是在20世纪的事,（一）Biotechnology术语的诞生,1919年一位匈牙利农业经济学家Karl Ereky首创了,“Biotechnology”,一词,目的：表达一切用,生物转化手段进行生产的概念,，并表明,生物学,与,技术之间,的内在联系,（二）国际纯粹及应用化学联合会的定义（1982）,生物技术是将生物化学、生物学、微生物学和化学工程应用于工业生产过程及环境保护的技术。,（三）国际经济合作及发展组织的定义（1982）,生物技术是应用自然科学和工程学的原理，依靠生物催化剂(酶或活细胞)的作用对物料进行加工，以提供产品为社会服务的技术,（四）1985年Moo-Young主编的综合生物技术中的定义,生物技术是对生物作用和生物物料加以评价和应用，并进行工业产品生产的技术,生物技术,是指应用生物科学及工程学原理，依靠生物体系作反应器，将物料进行加工改造，获得人类所需产品的技术。,现代生物技术定义,：,以现代生命科学为基础, 把,生物,体系与,工程学,技术有机结合在一起,，,按照预先的,设计,，,定向,地在不同水平上,改造,生物遗传性状或加工生物原料, 产生对人类有用的,新产品,(或达到某种目的)之综合性科学技术。,2、要点:,对象,是具遗传特性有生命物质:包括病毒、细菌、植物、动物、直到人类。, 生物体系多个,不同水平,研究: 从大分子(DNA、RNA、蛋白质、酶)、亚细胞、细胞、组织、器官到整个机体。, 应用工程学原理: 经人类思维, 设计方案、定向修饰、加工制作过程等体外操作环节。, 有,目的产品,: 目的产品有三个新特征:,新遗传功能、新遗传性状、新物种,。要有合乎人类所需的工业、农业、医疗和食品产品。,高新技术,起重要作用。,3、生物技术的内容,医学生物技术药学生物技术动物生物技术农业生物技术海洋生物技术微生物生物技术,4、生物技术的上中下游,上游工程：,实验室研究和开发阶段，包括基因、细胞、干细胞、转基因生物、组织工程等获得优良菌株、细胞系或固定化的菌体等。,中游工程：,中游加工以生物反应器为中心，优化和放大生产工艺。,下游工程：,从反应液中提取目的产物 加工精制成合格产品。,5、,生物技术涉及的具体技术包括:,DNA,重组、细胞培养及融合、,抗体制备技术,干细胞培养及定向分化,显微注射技术,动物饲养技术,转基因技术,胚胎克隆,细胞及酶的固定化技术,发酵技术,生物反应器,蛋白质分离纯化,生物大分子,合成及纯化,生物大分子修饰,生物物理、生物信息及其他,相关领域技术。,二、生物技术的构成,基因工程,细胞工程,酶工程,蛋白质工程,发酵工程,（一）基因工程（Gene engineering）,是20世纪70年代以后兴起的一门新技术，也称DNA重组技术,主要原理：以分子遗传学为基础，利用人工方法把生物的遗传物质分离出来，在体外进行切割、拼接和重组。然后将重组的DNA导入某种宿主细胞中，从而改变它们的遗传性质。这种创造新生物并赋予新生物以特殊功能的过程称为基因工程,对象:,在核酸分子 (DNA或RNA) 或基因上操作。,定义:,在体外对DNA进行切割、拼接, 使遗传物质重新组合, 经载体转移到细胞中扩增表达, 获得人类所需产品, 或组建新生物类型的技术。,（二）细胞工程,（Cell engineering）,基本原理,体外大量培养技术、细胞融合技术(也称细胞杂交技术)、细胞拆分、染色体工程和繁殖生物学技术等,定义,:,指在体外条件下对细胞进行培养、繁殖，按人们的意愿改变细胞某些生物学特性，获得有用的产品或达到改良生物品种的技术。,对象:,细胞, 在细胞水平上实现基因转移或改变生物学性状。,细胞工程,授体基因,(大肠杆菌),(干扰素基因),受体基因,重组基因,植入受体细胞核,(大肠杆菌，酵母菌),发酵,分离,生物药剂,（干扰素、胰岛素等）,废液,（三）发酵工程,（Fermentation engineering ）,主要原理,包括微生物生长动力学，发酵条件的优化和控制，生化反应器的设计，以及产品的分离、提取和精制等技术,对象,:,微生物在常规发酵工艺上发展而成。有时也称微生物工程。,定义,:,利用微生物特定性状（生长快、培养简单和代谢过程特殊等）,通过现代化工程技术,快速、连续生产人类所需物质的技术。,要点,:,核心是提高产率,过程包括,:,菌种选育、生产、代谢产物的利用。, 所用技术包括大规模悬浮培养,细胞固定化,产物分离提取。,应用,:,药物生产,(,活性多肽、抗生素,),、单细胞蛋白生产、环境保护、微生物冶金技术。,（四）酶工程,（Enzyme engineering）,主要原理,酶固定化技术、细胞固定化技术、酶化学修饰技术和酶反应器设计等技术,对象:,酶分子修饰、生产应用和酶的固定化,定义:,利用酶、细胞器或细胞所具有的特异催化功能，或对酶进行修饰改造，并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的一项技术。,（五）蛋白质工程,（Protein engineering）,对象:,基因序列DNA分子中改造, 最终导致蛋白分子氨基酸序列改变。,定义:,蛋白质工程，是以蛋白质结构和功能的研究为基础，运用遗传工程的方法，借助计算机信息处理技术，从改变或合成基因入手，定向地改造天然蛋白质或设计全新的人工蛋白质分子，使之具有特定的结构、性质和功能，能更好地为人类服务的一种生物技术。,核心:,蛋白质空间结构, DNA重组, 人工定向改造蛋白质功能域构象, 使得功能改变。,这被称为是生物技术发展的第二浪, 如通过增加或减少人工二硫键、置换氨基酸等修饰技术, 提高或改变活性多肽 (激素、酶、细胞因子) 的稳定性。,三、生物技术各构成成分之间的关系,生物技术中的五大工程之间是相互依赖、密切联系、难于分割的。,在现代生物技术中,基因工程,是,核心技术,，但是基因工程包括蛋白质工程所提供的新的、具有特殊功能的细胞，还必须通过,发酵工程,或细胞工程来实现它的潜在的经济价值。,酶工程中固定化酶和固定化细胞技术，它本来就是从发酵工程中分离出来的一部分，也是同发酵工程密不可分的技术。,细胞工程中的动物和植物细胞大量培养技术原理类似于发酵工程。,蛋白质工程是酶工程中酶的分子修饰同基因工程相结合的产物,一、传统生物技术,生物技术的发展与食品发展的历史是密不可分的，对促进人类社会的文明发展有着非常重要的意义，其发展简史如下：,BC 6000年，古埃及人和古巴比仑人利用,微生物,发酵生产酒精；,我国也在石器时代后期，开始利用谷物酿酒；,BC 4000年，古埃及人开始用,酵母菌,发酵生产面包；,BC 221年，周代后期我国人民开始制作豆腐、酱油和醋,四、生物技术的形成和发展,1865,年当时属奥地利的布隆（,Brunn,）基督教修道院的修士,格里高,孟德尔,（,Gregor,Johann Mendel,），根据他,8,年植物杂交实验的结果，,2,月,8,日在当地的科学协会上宣读了一篇题为,“植物杂交实验”,的论文，,1866,年正式发表在该协会的会刊上。,但这一伟大的发现被搁置了35年，孟德尔临终前说：,“等着瞧吧，我的时代总有一天要来临”,1900,年，孟德尔定律的二次发现,（,1,）荷兰阿姆斯特丹大学的教授,狄夫瑞斯,（,de,Vries,）,他进行了月草杂交试验，发现,F2,的分离比为,3:1,。,1900,年,3,月,26,日其论文,“杂种分离法则”,发表在,德国植物学会杂志,。狄夫瑞斯曾从,拜莱的,植物育种,中查到孟德尔的工作。他在德文版中提到了孟德尔的工作，但在法文版中却只字未提。,（2）德国土宾根大学的教授,科伦斯,（）,他于1900年4月21日阅读了狄夫瑞斯法文版的论文，发现其结论和自己的实验结果相同，尽管文中未提到孟德尔，但科伦斯已从老师,未格里,处知道了孟德尔的工作，于是他撰写了“,杂种后代表现方式的孟德尔法则”,一文，1900,4,24日发表在德国植物学会杂志(18)158-168。,这对重新发现孟德尔法则起了重要的作用。,（3）奥地利维也纳农业大学的讲师,切尔迈克,(Tschermak),他也作了,豌豆杂交试验,，发现了,分离现象,，撰写了,“关于豌豆的人工杂交”,的讲师就职论文，清样出来后他读到了狄夫瑞和斯科伦斯的论文，于是急忙投寄论文摘要，于1900，6,24日也发表在德国植物学会杂志。三个人的工作都发表在德国植物学会杂志，都证实了,孟德尔法则,。,以上3位植物学家几乎同时证明了孟德尔遗传规律，从此揭开了遗传学研究的新纪元。,Hugo de Vries (1848-1935),狄夫瑞斯,Carl Erich Correns (1864-1933),科伦斯,Erich von Tschermak(1871-1962),切尔迈克,1885,年，,巴斯德,（,Louis Pasteur),首先证实发酵是由,微生物,引起的，,并建立了,微生物纯种培养技术,；,20,世纪,20,年代，工业生产中大规模采用,纯种培养技术,发酵生产,丙酮和丁醇,；,同时代，,Alexander Fleming,爵士发现了,青霉菌,可以产生,青霉素,，,50,年代青霉素大量生产，为人类疾病治疗做出了巨大贡献，同时带动了,发酵工业,和,酶制剂,工业的发展；,以上属于传统传统意义上的食品生物技术，,也是近代生物技术的建立和全盛时期。,细菌的发现,我们已经知道,单个的细菌是十分微小的,它们的奥秘是怎样被发现的?,细菌的发现者是谁?,他为什么能发现细菌?,细菌的发现者是谁?,17世纪的荷兰人列文虎克并非职业科学家，但是他十分热衷自己制造显微镜,经过几年的努力，他制造了能放大300倍的显微镜，是世界先进水平,列文虎克用自制的显微镜观察河水、人的精液、人的牙垢等，发现了一个新的世界,他为什么能发现细菌?,他是怎样让世人知道他的发现的?,列文虎克把自己的发现仔细记录下来,他把观察结果寄给了当时的权威科学机构英国皇家学会，从此名扬天下，被誉为细菌学的开创者,他的成功是偶然的吗？,他善于发现和提出问题,:,微小的世界是怎样的,?,制定实施实验计划,:,自制显微镜,坚持观察各种微小物体,60,年,做详细记录,善于表达和交流,:,把观察结果寄给英国皇家学会,他的做法就是一个标准的科学探究过程,他还发现了毛细血管、人类的精子、多种原生动物，成功绝非偶然遗憾：微生物从哪来？,自然发生说,微生物学之父：法国人路易斯巴斯德,巴斯德以严谨的科学精神向世人揭示了细菌的许多秘密。例如，细菌不会在自然界凭空出现,著名的巴斯德鹅颈瓶实验让认为细菌是自然产生的人彻底闭嘴,鹅颈瓶实验的启示：,1细菌可以用高温杀灭；,2经杀菌的食物不接触细菌就不会腐败,鹅颈瓶实验原理的应用,1、外科手术用具的消毒，挽救了许多病人的生命,鹅颈瓶实验原理的应用,2、巴氏消毒法，这种灭菌法由巴斯德发明,因此得名。,牛奶、啤酒和葡萄酒、罐头等，加热到 7080维持5 30分钟，就能消灭绝大部分细菌，但不会影响味道和营养。,传统生物技术有如下特点：, 主要通过微生物初级发酵获得产品，仅仅局限在 微生物发酵和化学工程领域。, 没有改变微生物的遗传物质，也没有出现新的微生物遗传性状。,生产过程简单，上游主要是培养大量的微生,物、对粗材料进行加工即进行发酵和转化，,通过诱变选育良种，下游主要对产品进行纯化。, 生产周期长，费用高，产量低，效率差。,二、 现代生物技术,自1953年起，分子遗传学的兴起与发展，,DNA转移和重组工程,转基因技术：,细胞工程,转基因药物,转基因动植物,无性繁殖，克隆技术,改变生物的遗传性状,使分离高产量的工程菌变的容易,简化了生产过程；,扩大了反应器范围，,从发酵罐发展到细胞、植物及动物个,体天然生物反应器。,特别是DNA重组技术可以,20世纪80年代，现代生物技术的,发展日新月异，一跃成为代表21世,纪新技术的发展方向，并成为具有,广阔应用前景的新兴学科与产业。,传统生物技术已被现代生物技术,所取代，当前生物技术一词实质上,已成为,现代生物技术,的简称。,现代食品生物技术的发展,&,Wilkins,（,富兰克林及威尔金斯）,在,1952,年底拍得了,DNA,的,X-,射线衍射照片,1953,年，,沃森,（,）和,克里克,（,）提出,DNA,分子是双螺旋结构,（,double helix,），奠定了现代分子生物学研究的基础,。,1962年，Wilkins、 Watson和Crick获的诺贝尔医学和生理学奖,1965,年，法国科学家,雅各布,（,F,Jacob,）和,莫诺德,（,J,Mon,od,）,提出了著名的,乳糖操纵子学说，,开创了基因表达调控研究的先河；,1968,年，美国遗传学家,马歇尔,尼伦伯格,（,Marshall W.,Nirenberg,）,破译了,DNA,的密码,，,霍利,（,Holly,）,阐明了,酵母丙氨酸,tRNA,的核苷酸序列,，,科兰纳,（,Khorana,）,首次合成,核酸分子,，并且人工复制了,酵母基因,；从而三人分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Figure The,lac,operon includes three genes,Marshall W. Nirenberg,Robert W. Holley,Har Gobind Khorana,Cornell University Ithaca, NY, USA,University of Wisconsin Madison, WI, USA,National Institutes of Health Bethesda, MD, USA,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1/3 of the prize,20,世纪,60,年代末，斯坦福大学的生物化学教授,伯格,(,paul,berg),开始研究猴病毒,SV40,，于,1972,年获得了世界第一例,重组,DNA,，,1980,获得诺贝尔化学奖；,生物技术时代的新纪元,Paul Berg,Walter Gilbert,吉尔伯特,Frederick Sanger,桑格,1/2 of the prize,1/4 of the prize,1/4 of the prize,1972,年，美国加州大学的,赫伯,玻伊尔,（,Herbert Boyer,）,教授从大肠杆菌中分离出一种新的,核酸酶,EcoR,，它可以特异性地切割,DNA,，这种新的核酸酶就是,限制性内切酶,生物学家有了强大的生物刀,。,随后，陆续发现了近百种内切酶，可以更加自如地对,DNA,进行操作。,Boyer,教授成为美国第一家上市生物公司,美国生物技术公司,（,Genentech,）,的副总裁。,Herbert Boyer,1977,年，美国科学家,Sanger,设计出了一种,DNA,测序,的方法，即,双脱氧法,；同年，,Maxam,（,马克萨姆）,和,Gilberg,也发明了一种,化学测序方法,两种方法为,DNA,序列分析提供了,有力工具,，极大地推动了,分子生物学的研究,。,Frederick Sanger,桑格,Walter Gilbert,吉尔伯特,1980年获得了诺贝尔医学和生理学奖,1984,年，德国人,Kohler,、美国人,Milstein,和丹麦人,Jerne,由于发展了单克隆抗体技术，完善了极微量蛋白质的检测技术而分享了诺贝尔医学和生理学奖。,Niels K. Jerne,杰尼,Csar Milstein,米尔斯坦,Georges J.F. Khler,柯勒,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1/3 of the prize,1986,年，美国科学家,穆利斯,（,Mullis,）,发明了,聚合酶链式反应技术,（,Polymerase Chain Reaction, PCR,），为分子检测、基因突变、基因工程提供了有力的工具，因此，,1993,年获得诺贝尔化学奖。,for his invention of the polymerase chain reaction (PCR) method,Kary B. Mullis,1/2 of the prize,“如果你的研究能力一般，那么，改革本研究领域中大家习以为常的最基本的技术，你就有可能获诺贝尔奖。”,当然，以上内容只是促进现代生物技术发展的几个重要研究成果和里程碑！,其实，还有许多重要的研究成果：,如，1928年,格里菲斯,（Frederick Griffith）的,细菌转化实验,；Avery的,离体转化实验,等证明DNA是遗传物质,米西尔森,（Meselson）,和,斯坦尔,（Stahl）,关于DNA的,半保留复制,等为现代基因工程技术奠定了坚实的基础。与此同时，,细胞培养技术,、,细胞融合技术,、,现代发酵工程,、,现代酶工程,、,生物工程下游技术,和,现代分子检测技术,等也取得了长足的发展。,三、现代生物技术的前景,现代生物技术以重组DNA技术为核心，其研究内容包括：,重组DNA技术及其他转基因技术；细胞和原生质融合技术；酶和细胞固定化技术；植物脱毒和快速繁殖技术；动物和植物细胞大量培养技术；动物胚胎工程技术；现代微生物发酵技术(高密度发酵、连续发酵和其他新型发酵技术)；现代生物反应工程和分离工程；蛋白质工程；分子进化工程,21世纪是以生物技术为主的一个世纪，原因在于：,现代生物技术发展迅速，在工业、农业、医药、环境等方面用途广泛,现代生物技术具有其他技术所无法比拟的优越性，即可持续发展,21世纪生物技术会取得更大的发展，主要表现在：,（一）现代生物技术对人类生活的影响,疾病诊断、预防；提高作物产量和质量；开发药物；食品添加剂；创造优良家畜；净化环境；增加食物营养；解决能源危机等,（二）现代生物技术对经济社会发展及环境的影响,以上内容与社会发展与环境息息相关,1、生物技术与粮食,提高产量、品质,普通大米实际上不是“健康食品”,大米中含有一种叫做肌醇六磷酸的小分子，它能与铁紧紧地结合，使得小肠难以吸收食物中的铁,以大米为主食的人，易患铁缺乏症而导致贫血,哪种大米更有益身体健康？,转基因水稻,“,金大米,” ：转入胡萝卜素合成相关基因提高大米中维生素A前体的含量，以减少亚洲人普遍存在的维生素A缺乏症,解决铁吸收的问题，往“金大米”中再转入三种基因：,一种是来自真菌的酶基因，这种酶能够把肌醇六磷酸降解掉；,一种是来自菜豆的铁蛋白基因，铁蛋白能够储存铁；,还有一种是来自印度香米的基因，它生产的蛋白质有助于人的肠道吸收铁,低过敏性转基因水稻,低蛋白转基因水稻,哪种大米更有益身体健康？,超级杂交稻,2005年5月13日，位于三亚市田独镇新村田洋的中国超级杂交稻第一块“百亩片试种示范田”正式通过了海南省级验收。经由全国多位农业专家共同检测，这批超级杂交稻的亩产高达公斤,功能稻米,基尔米：拥有降血压、改善睡眠、减肥美容等功能的大米，售价最高的一种达元钱斤,生物技术与农业科学,2、抗性基因工程育种,基因工程为培育抗病虫的作物提供了新的手段,目前，已经获得的转基因抗虫农作物包括烟草、番茄、马铃薯、棉花、玉米等,在抗逆境育种上的应用为克服干旱、盐碱等提供新思路,美国斯坦福大学把仙人掌基因导入小麦、大豆等作物，育成抗旱、抗逆的新品种。,我国已克隆了耐盐碱相关基因，,通过遗传转化已获得了耐盐烟草、,水稻、西红柿、草莓等。,生物技术与农业科学,转基因抗虫棉,我国是世界上最大的棉花生产国和消费国，约占世界产棉总量的,25%,以上,自,90,年代以来，由于棉铃虫在我国大部分棉区持续性大发生或暴发，给我国棉花生产带来了巨大的威胁，棉农谈虫色变，面积、单产、总产一直处于低谷的徘徊阶段,我国现已有18个国产抗虫棉品种通过了审定 ，目前种植的转基因品种中约有一半是国产品种。在全国各棉区正在大面积推广。,1990,年，美国利用生物技术，合成,苏云金,芽孢杆菌（,）杀虫基因，导入棉花获得抗虫转基因棉花,抗植物虫害的基因有多种，日前经常使用的主要有三种：,Bt,基因,从植物中分离出的昆虫的蛋白酶抑制剂，其中应用最广泛的是豇豆胰蛋白酶抑制剂基因,(,CpTI,),植物凝集素基因,(,lectin,gene),生物技术与农业科学,3、花卉基因工程,花色工程,花卉香味工程,通过合成酶的引入，增强单萜的合成,花卉保鲜,通过导入反义ACC合成酶基因及反义ACC氧化酶基因可阻止乙烯生化合成，延长花期和鲜切花寿命,花卉抗性基因工程,圆个缤纷的梦,花色工程,花色素主要由类黄酮、类胡萝卜素、生物碱三类物质决定,影响花色的因子还有,共色作用、液泡的酸碱值及细胞的形状等,生物技术与农业科学,基因工程改变花色的途径,通过引入外源基因来补充某些品种缺乏合成某些颜色的能力,利用反义RNA和共抑制技术抑制基因的活性，造成无色底物的积累，使花的颜色变浅或变成无色,星条、网状：共抑制法、反义RNA 技术,黄色：直接导入外源结构基因,花卉基因转移结果常无法获得预期效果,由于育成蓝色月季需要同时具备三个条件，即翠雀素的合成、黄酮醇共染剂和较高的PH值，其中关键是改变植物细胞液泡液的PH值,生物技术与农业科学,运用基因工程技术，不但可以培养优质、高产、抗性好的畜、禽新品种，还可以培养出具有特殊用途的动物,4、 在畜牧业中的应用,生物技术与农业科学,中国科学院水生生物研究所朱作言首次用人的生长激素基因,(,hGH,),构建了转基因鱼，制作的主要目的是提高生长速度、增加抗逆性以及为发育生物学和插入突变提供研究的材料。,使用鱼类自身的基因元件构建转基因鱼，可以解决基因表达强度问题和推广转基因鱼的环境和伦理道德问题。,自,1984,年以来先后进行了泥鳅、鲤鱼、鲫鱼等的转基因研究。,5、生物技术与农药,绿色农药包括微生物杀虫剂、微生物杀菌剂、农畜抗菌素、植物源农药等,植物源生物水剂农药,（,松脂酸钠和茶皂素的复合制剂、,苦楝油）,生物农药菌种资源（苏云金杆菌）,特点,环保，良好的环境相容性,先天弱势：药效慢、击倒慢、适应力差,综合防治,生物技术与农业科学,农业领域的拓展,拓展领域,向食品轻工领域发展：酶工程、L-乳酸发酵工程,向能源：燃料：石油（黑金） 作物（绿金）,向材料环保：,全淀粉乳酸聚合塑料、生物全降解塑料,生物农药及生物防治技术,发展趋势,生物资源创新工程专业、区域、企业、市场化,传统农业 “高投入、低产出” “低投入、高产出”,投身生命科学,生物技术与农业科学,生物技术在食品领域的应用,主要应用,在食品生物,资源的改造,、,提高食品品质,和,改善食品风味,、,油脂生产,以及,食品卫生检测等,不是仅仅解决粮食问题, 更重要的是，满足人们,对食物感官舒适、营养丰富、功能全面的完美要求,食品级壳聚糖,：,用于功能性食品，保健品，胶粘剂，人体补铁剂，可降解性食品包装袋等,一、,应用现状,主要技术,基因工程,细胞工程,酶工程,应用领域,发酵工程,食品添加剂:,用生物法代替化学合成，要大力开发功能性食品添加剂等,生物技术与食品业,二、在食品加工过程的应用,工程菌,改良食品微生物的生产性能,改变合成途径，改善风味,氨基酸生产,生产食品酶制剂，提高活性、稳定性（淀粉酶、纤维素酶、蛋白酶等，添加酶类进行食品组分的改性）,食品保鲜：乳酸菌肽防腐,生物技术与食品业,三、农副产品深加工和综合利用,玉米等深加工,作为新型糖源、变性淀粉、玉米油、发酵酒精、环状糊精以及工业用材料提供优质充足的原料,肉、奶、水产品加工,植物纤维素资源,生物技术与食品业,在食品检测中的应用,食源性病原菌快速检测,转基因食品检测,我国农业转基因生物安全管理,2004年10月，我国制定农业转基因生物安全管理条例,一般应经过中间试验、,环境释放和生产性试验,四、生物技术与食品安全性检测,生物技术与食品业,生物技术在能源开发上的应用,能源分类,不可再生能源：煤、天然气和石油（包括核能）等化石原料,可再生能源：太阳能、风能、地热能、生物能、海洋能和水能,生物能源是从太阳能转化而来的,绿色植物就是光能转换器和能源之源，碳水化合物是光能储藏库。,我国拥有丰富的生物质资源,每年7亿多吨作物桔秆、2亿多万吨林地废弃物、25亿多吨畜禽粪便及大量有机废弃物,生物能源制煤气：柴草桔杆气化炉,（一）沼气,沼气是微生物发酵秸秆、禽畜粪等有机物产生的混合气体，主要成分是可燃的甲烷。,生产沼气的设备简单，方法简易，适合在农村推广使用。,目前，沼气的规模化生产需要解决的是设备及提高甲烷含量等技术问题。,生物技术与能源,（二）氢气,氢气的燃烧产物只有水，因此氢气是最清洁的能源。,可利用生物质通过微生物发酵得到，这一过程被称为生物制氢。,实现生物制氢的产业化，还有许多技术和经济问题需要解决。,生物制氢产业化示范基地业已初具规模,生物技术与能源,（三）生物柴油,利用生物酶将植物油或其它油脂分解后得到的液体燃料，作为柴油的替代品更加环保,欧洲、美国已专门种植油料作物用来生产生物柴油,一些微生物也能合成油脂，可以为克服生物柴油的原料问题,（四）燃料乙醇,目前世界上生产规模最大的生物能源,燃料乙醇是以玉米等为原料，经过粉碎、液化、糖化、发酵、蒸馏、脱水等一系列精密工艺流程而制成的，在汽油中混配10%的燃料乙醇即成为乙醇汽油,排放的尾气更清洁,我国的燃料乙醇生产已形成规模，主要是以玉米为原料，同时正在积极开发甜高粱、薯类、秸秆等其他原料生产乙醇，目前产量居世界第三,生物技术与能源,微生物与生物能源,微生物将在生物能源领域扮演重要的角色，生物能源的制备离不开微生物,利用生物技术尤其是基因工程改良相关微生物，势必能够提高生物能源的开发利用。,（一）燃料乙醇发酵微生物,（二）产氢细菌,生物技术与能源,生物技术在环境科学方面的应用,一、什么是环境生物技术,是生物技术在环境治理和,环境保护中的应用而衍生,出的一门新学科和新技术,二、生物技术在环境保护中的应用,生物传感器为代表的环境污染监控技术,工业和生活污染物的微生物降解技术,生态环境生物防治和生物修复技术,环境友好可再生材料和能源的生物合成技术等,生物传感器,利用固定化生物层与目标污染物之间的专一性作用进行检测。,根据所用敏感物质可将生物传感器分为,生物催化和免疫,(,酶、微生物等,),利用核酸做探针的,DNA,传感器,生物技术与环境,1、环境污染监控技术,水污染监测,在水质评价过程中最常用、最重要的指标之一是生化需氧量(BOD),常规BOD测定方法是:在(20 1) 培养5d ,分别测定样品培养前后的溶解氧,二者之差即为5d 的生化需氧量,并以BOD,5,表示,生物传感器测定BOD 只涉及到初始氧化速率,两者之间的相关性可以通过对标准溶液的测定获得, 将测定时间缩短到1h以内。,生物技术与环境,基因工程做成的DNA探针能够十分灵敏地检测环境中的病毒、细菌等污染,生物技术与环境,2、环境污染治理,：,生物降解：,基因工程做成的“超级细菌”能吞食和分解油（烷烃类）、有机农药等多种污染环境的物质。,生物技术与环境,空气污染治理技术,二氧化硫排放，酸雨污染严重,生物技术解决方法：微生物脱去煤中的硫,无机硫脱除：利用微生物的氧化作用将,黄铁矿,氧化分解成铁离子和硫酸，硫酸溶于水后将其从煤炭中排除的脱疏方法,微生物降解,DBT,（煤中有机硫）4s途径：由亚枫(sufoxide)枫(sulfone)磺酸盐(sulfoMte)硫酸盐(sMlfaM)，在这一途径中，微生物只将DBT分子中的S特异性地氧化成H,2,SO,4,，而不引起碳的损失,生物技术与环境,3、生态环境生物防治和生物修复技术,生物修复是指利用生物的代谢活动减少环境(包括土壤、地表及地下水或海洋)中有毒有害化合物的工程技术系统,应用土壤植物和微生物修复,生物技术与环境,4、环境友好可再生生物材料和能源开发技术,生物技术与环境,生物降解塑料,“,天然产品聚交酯”,微生物在不平衡生长（如氮或磷不足）条件下，以颗粒状态在细胞内储存各种,生物高分子聚合物,统称为聚羟基脂肪酸酯,第二节 食品生物技术的基本特征和研究内容,一、食品生物技术的基本特征,食品生物技术,(food biotechnology) 是生物技术在,食品原料生产,、,加工,和,制造中,应用的一个学科。它包括了,食品发酵,和,酿造,等最古老的生物技术加工过程，也包括了应用,现代生物技术,来改良,食品原料的加工品质的基因,、,生产高质量的农产品,、,制造食品添加剂,、,植物,和,动物细胞的培养,以及与,食品加工,和,制造相关,的其他生物技术，如酶工程、蛋白质工程和酶分子的进化工程等。,因此，,现代食品生物技术,是,现代生物技术,与,食品科学技术,相互渗透而形成的一门,交叉学科,二、食品生物技术的定义 ：,是现代生物技术在食品领域中的应用。是以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。,三、,食品生物技术在食品工业发展中的地位和作用,利用基因工程技术设计新型食品及食品原料,发酵技术应用于食品生产以及食品添加剂的生产。,酶在食品中应用广泛,生物工程下游技术是食品形成产品的必须手段,转基因番茄/普通番茄,SOLID-STATE FERMENTATION PRODUCTION,抗生素、生物制药、氨基酸、核苷酸、,有机酸、饲料添加剂、微生态制剂、,生物农药、生物肥料等,基因工程药物、疫苗及抗体产品,加强遗传育种研究，加强基因改造生物为主的应用研究，培育更适合食品加工的优良品种，开发现代生物技术新产品。,提取番茄红素用的番茄品种。,食品工业用新酶种开发。,纤维素酶、木聚糖酶等。,酶或细胞的固定化技术和酶催化反应装置的结构优化等。,果葡糖浆的生产。,继续名优白酒传统酿造技术的改造。,酒类呈香成分的剖析和主体香气成分确定、名优白酒微量成分与风味关系的解析等。,四、我国应重点开发的食品生物技术,五、食品生物技术的研究内容, 通过,基因工程,和,细胞工程,改善食品原料农产品的,品质,和,提高,产量, 利用,基因工程,、,发酵工程,生产用于农产品保鲜的“绿色”,抗氧化剂,、,防腐剂,等, 通过,基因工程、发酵工程、酶工程、蛋白质工程和分子进化工程,使食品加工工艺,高效化,，提高食品的,附加值,，提高农产品的,利用率,，以及提高食品的,保健功能,利用,基因工程,、,酶工程,和,发酵工程,减少食品的,损失,、提高食品质量管理的,效率,和保证食品,质量,和,安全性,通过,发酵工程和酶工程,处理,废弃物,，提高资源的,利用率,并减少,环境污染,六、现代食品生物技术的作用,主要表现在两方面：,（一）现代食品生物技术对人类健康和营养的影响,营养水平,；,健康水平,；,提高水果和蔬菜的货架期,；,预防疾病,；,增加农产品的附加值,等,（二）现代食品生物技术对经济发展和环境的影响,缓解粮食短缺问题,；,提高农产品质量和产量,；,改进作物抗逆性特性,；,增加农产品的附加值，促进经济发展,；,污水处理，改善环境等,食品生物技术对人类的作用可以归结为,：,（1）解决食品短缺，缓解由于人口增长带来的压力；,（2）丰富食品种类，满足不同层次消费人群的需求；,（3）开发新型功能性食品，保障人类健康；,（4）生产环保型食品，保护环境；,（5）开发新资源食品，拓宽人类食物来源。,七、食品生物技术的发展趋势,食品生物技术,食品添加剂新品种,微生物保健食品,螺旋藻类藻类食品,虫类高蛋白食品,病原菌的检测,食品安全检测,农副产品深加工,推动食品工业可持续发展,食品组分改性及加工,转基因食品,什么是转基因生物(GMO)?,就是将某一个原生的物种，以人工的方法，转殖接入其它物种的基因，或者是将该物种的基因做修饰改造后，所产生的新的物种。这个新物种就具备新的基因型，也因此会有新的性状。,转基因食品？,就是以基因改造生物本身作为食品，或者是成份中含有基因改造生物的食品。一个物种的某一种性状通常是因为它具备了某个（些）基因，而因为这个基因表现，合成这个基因工的蛋白质，再由这个蛋白质来具体呈现该性状。,目前主要的转基因食品有哪些？世界上哪一个国家生产最多？,根据统计，基因改造大豆、玉米、油菜、棉花是目前全球的四大基因改造作物。,美国是生产基因改造作物最多的国家，基因改造作物已是近年来的种植主流。此外，加拿大、阿根廷、巴西、中国、印度、南非、西班牙、澳洲等国家也种植基因改造农作物。,2010美国依然是世界上最大的转基因作物种植国家，去年共使用6680万公顷土地种植大豆、玉米、棉花、油菜籽、菜瓜、木瓜、苜蓿和甜菜。巴西则居第二位，在2540万公顷土地上大量种植转基因大豆、玉米和棉花，去年的种植面积比2009年增加了19%。,基因食品的类型,抗逆境型：,耐除草剂、抗逆境、抗虫害,控熟型：,使作物熟期提前或延迟，错开盛产期。,营养型：,转入作物中所缺乏的营养素产生基因，而生产高营养价值的作物，以避免营养素缺乏症。如黄金米。,保健型:,转入病体抗原基因或毒素基因至粮食作物或果树中，借由植物的摄取而获得疫苗。由将预防疾病（动脉硬化或骨质疏松症）的食物理成分相关基因转入植物，以获得保健上的功效。例如，无咖啡因茶和咖啡。,新品种：,利用基因重组技术形成新品种，改,善原产品的品质、质地、风味等，以适应或开拓市场。,加工型：,为从事食品加工是所需的而研发的基因改造食品。,增产型：,转入与产量相关的基因。,转基因食品有以下优点：,增强农作物的抵抗力,如对虫害的抵抗力，从而减少使用杀虫剂（防虫）。占美国玉米产量三分之二的抗虫玉米，可使一年的玉米产量增加一千万吨。,适应恶劣环境,使农作物更能适应不利的生长环境，如干旱（抗旱）、含高盐分土壤或特别湿润的环境。例如，改变作物的亚麻油酸含量，使其可以忍受低温及霜害。,转基因食品有以下优点：,增加农作物的产量,全球自1996年2010年为止，基因改造作物栽培面积已经从170万公,頃,，迅速窜升到,亿,公,頃,，增加87倍。根据联合国世界粮农组织统计，2030年世界人口将由03年60亿人增加到81亿人，其中8亿1500万人可能将处于饥饿状态。2010年全球转基因作物的种植面积比上一年增加10% .,改良农作物的营养状态,增加稻米的蛋白质含量，或是降低作中的脂肪含量等等。至于维生素A、碘和锌等世界性营养缺乏的问题，更可能经由基因重组的技术，使作物成为营养强化的自然食品。,转基因食品有以下优点：,改良食品的外观、味道和口感,经基因重组技术改良过的番茄，可以延缓成熟，使采收到的运送到市场的时间可以延长，而消费者在拿到产品的有最佳的色泽和香味。,改良农作物的特性,使其易于加工，减少浪费和降低生产成本，如经基因重组技术改良过的马铃薯，淀粉含量较高，油炸时吸油量较少。,除去食物中某些可引致过敏的成分,转基因生物的缺点：,可能对昆虫造成伤害,可能影响周边植物的生长,可能在昆虫或病菌在演化中增加抵抗力,或产生新的物种之后一样有可能会伤害作物。,一些转基因作物的例子：,一种北极鱼的基因产物（蛋白质）有防冻的功能，将其分离抽出，转入番茄内，育成耐寒番茄。,利用植物生产人类血清蛋白。,第二章 基因工程及其在食品工业中的应用,现代生物技术定义：,以现代生命科学为基础, 把,生物,体系与工程学技术有机结合在一起，按照预先的,设计,，,定向,地在不同水平上,改造,生物遗传性状或加工生物原料, 产生对人类有用的,新产品,(或达到某种目的)之综合性科学技术。,二、食品生物技术的定义 ：,是现代生物技术在食品领域中的应用。是以现代生命科学的研究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手段设计新型的食品和食品原料。,本章，我们讨论4个问题：,1. 什么是基因工程,基因工程的概念。,2. 为什么能进行基因工程,基因工程的原理和技术。（包括3大理论和3大技术准备）,3.怎样进行基因工程,3大步骤（DNA体外重组，重组DNA导入宿主细胞后扩增和表达，基因工程后处理）,4.基因工程的应用和前景,对于食品学来说即生产基因工程产品等。,第一节 基因与基因工程,异想天开,一、孟德尔遗传因子与基因,1.孟德尔生平简介,1822年7月22日生于奥地利莫拉维亚省的海因岑多夫村一个贫苦农民家庭；,1828年，6岁的孟德尔开始接受系统的小学和中学教育；,1840年，以优异的成绩高中毕业，进入厄尔姆兹哲学学院进行了两年的大学预科学习；,1843年秋，进入布隆市的奥古斯汀基督教修道院当一名修道士，取教名格里高，时年21岁；,1847年，被任命为神父；,1849年，被委派到中学任希腊文和数学代课教师；,1851年，在修道院的资助下，进入维也纳大学深造；,1854年夏天，大学毕业，回到奥古斯汀修道院，开始了人生的新篇章；,1856年，开始长达8年之久的豌豆杂交实验；（修道院后花园）,1865年，在布隆市自然科学研究协会的年会上，公布了他的研究结果和理论解释；,1866年，发表著名论文植物杂交实验，首次提出了遗传因子、显性性状和隐性性状等遗传学概念；,1868年，当选奥古斯汀修道院院长，此后再也无力从事研究；,1884年1月6日去世！,2. 豌豆的生物学特性,后人在分析孟德尔成功发现遗传第一定律和第二定律的原因时，一致认为选择豌豆为实验材料具有决定性的意义。,那么豌豆具有什么样的生物学特性呢？, 不同的豌豆品系之间，通常存在着差异明显、易于区别而又稳定遗传的相对性状特征；（开紫花的豌豆植株）, 豌豆花的结构比较特殊，具有雄配子的花药和具有雌配子的胚珠是由花瓣包裹着。因此它是一种严格的自花授粉植物；（豌豆花的结构）, 豌豆具有较大型的花器官（即生殖器官），便于去雄，进行人工授粉实验。（豌豆人工授粉）,3. 孟德尔的单因子豌豆杂交实验,遗传因子分离定律,1856年至1863年，孟德尔在奥古斯汀修道院的后花园进行了长达8年的豌豆杂交实验。他首先选择了七对区别分明而又能稳定遗传的性状作仔细的观察。这七对性状是：,花着生的部位 腋生和顶生,种子的形状 圆形和皱形,种子内部颜色 黄色和绿色,花朵的颜色 紫色和白色,植株茎杆长度 长茎和短茎,成熟豆荚外形 饱满和节缩,未成熟豆荚颜色 绿色和黄色,孟德尔选择具有一种相对性状，例如圆形种子和皱形种子的两个豌豆品系植株进行杂交实验。我们称这种只涉及一对性状的杂交实验为,单因子杂交实验,。,孟德尔观察到，不论何者为父本，何者为母本，杂交得到的数百粒杂交子一代（F1）的种子，全部都是具有圆形的性状特征。,第二年，他种了253粒F1代圆形种子，并让其自交，结果在得到的7324粒子二代（F2）种子中，有5474粒是圆形的，1850粒是皱形的种子，两者的比例为2.96:1，极为接近3:1。,下表例举了孟德尔当年进行的7对单因子豌豆杂交实验的结果。,从中可以看到在所有的显、隐性杂交实验组合中，,所产生的子二代植株中，具显性性状的植株与隐性性状植株的比例，总是稳定地接近3:1这样严格简单的整数比。,后来人们称这种比例为,孟德尔3:1单因子杂交比例,。,显性性状,在杂交子一代（F1）中表现出来的性状（例如紫花对白花而言），为显性性状。,隐性性状,在杂交子一代（F1）中没有表现出来的性状（例如白花对紫花而言），为隐性性状。,4. 孟德尔单因子杂交实验的理论解释 遗传因子假说,为了解释一对显隐性性状在杂交子二代有规律的分离现象，孟德尔提出了,遗传因子假说,：,a.生物个体的所有性状都是由遗传因子控制的；,b.遗传因子有显性和隐性之分，决定一对相对性状的显性因子和隐性因子，叫作等位因子；孟德尔用大写的英文字母代表显性因子，用小写字母代表相应的隐性因子；,c.在体细胞中，遗传因子是成对存在的，其中一个来自父本，一个来自母本；,d. 在形成配子时，成对的遗传因子彼此分开，因此在性细胞中，它们则是成单存在的；,e. 在杂交子一代（F1）细胞中，成对的遗传因子各自独立，彼此保持纯一的状态；,f. 由杂种形成的不同类型的配子数目相等；,g. 雌雄配子的结合是随机，有同等的结合机会。,开紫花与开白花豌豆纯系植株,的单因子杂交图释,5. 孟德尔双因子豌豆杂交实验,遗传因子的自由组合定律,在孟德尔的豌豆杂交实验中，还进行了同时具有两对显隐性相关性状的2个豌豆品系的杂交实验，我们称这种涉及2对等位因子的杂交，为双因子杂交。,将产生黄色圆形种子的豌豆品系，同产生绿色皱形种子的豌豆品系进行杂交。结果发现，无论何者为父本，何者为母本，产生的子一代（F1）的种子全是黄色圆形的；,同时孟德尔还选用产生黄色皱形种子的豌豆品系，同产生绿色圆形种子的豌豆品系杂交。结果发现，无论何者为父本，何者为母本，所产生的杂种子一代也全是黄色圆形的。,这说明就种子颜色这一对性状而言，黄色是显性，绿色是隐性；而就种子性状这一对性状而言，圆形是显性，皱形是隐性。,孟德尔注意到，由具黄圆表型的杂种子一代（F1）植株自交产生的总数556粒的子二代（F2）种子中，不但存在两种亲代表型，而且还出现了两种新表型。其中黄圆种子315粒，黄皱种子101粒，绿圆种子108粒，绿皱种子32粒。这4种表型的比例接近9:3:3:1。,根据上述实验结果，孟德尔推想：由两对等位因子杂交产生的杂种F1代植株，在形成配子过程中，两对等位因子的分离是彼此独立互不相关的，而在形成合子的过程中，不同因子之间又是自由组合的。这就是所谓的,遗传因子独立分配律，或叫自由组合律，亦即是孟德尔第二定律。,孟德尔还进行了多因子豌豆杂交实验，其结果虽然比较复杂，但它同样遵循遗传因子的独立分离和自由组合的原则。,遗传因子的自由组合定律：,6. 孟德尔遗传定律的再发现,令人遗憾的是，孟德尔的科学发现和学术见解，并没有引起同时代科学界的重视。在他的生前，既没有受到些许的学术褒奖，也没有获得任何荣誉头衔。然而他坚信自己的科学发现终有一天会得到社会的公认，并预言“,我的时代一定会到来,”。,果不其然，孟德尔学说在湮没了三十五年之后，即1900年被荷兰的德弗里