浅谈生命科学的应用

浅谈生命科学的应用

生工121

徐娜

2012121104

这学期选修了生命科学导论这门课，了解到生命科学是通过分子遗传学为主的研究生命活动规律、生命的本质、生命的发育规律，以及各种生物之间和生物与环境之间相互关系的科学。最终能够达到治疗诊断遗传病、提高农作物产量、改善人类生活、保护环境等目的。今天就来谈谈生命科学与我所学专业的联系，我的专业是生物工程，方向主要的是食品发酵，那么生命科学在食品发酵方面有哪些应用呢？

一、基因工程技术在食品发酵生产中的应用

基因工程技术是现代生物技术的核心内容,采用类似工程设计的方法,按照人类的特殊需要将具有遗传性的目的基因在离体条件下进行剪切、组合、拼接,再将人工重组的基因通过载体导入受体细胞,进行无性繁殖,并使目的基因在受体细胞中高速表达,产生出人类所需要的产品或组建成新的生物类型。

(一)改良面包酵母菌的性能

面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。将优良酶基因转入面包酵母菌中后,其含有的麦芽糖透性酶及麦芽糖的含量比普通面包酵母显著提高,面包加工中产生二氧化碳气体量提高,应用改良后的酵母菌种可生产出膨润松软的面包。

(二)改良酿酒酵母菌的性能

利用基因工程技术培育出新的酿酒酵母菌株,用以改进传统的酿酒工艺,并使之多样化。采用基因工程技术将大麦中的淀粉酶基因转入啤酒酵母中后,即可直接利用淀粉发酵,使生产流程缩短,工序简化,革新啤酒生产工艺。

(三) 改良乳酸菌发酵剂的性能

乳酸菌是一类能代谢产生乳酸,降低发酵产品pH值的一类微生物。乳酸菌基因表达系统分为组成型表达和受控表达两种类型。通过基因工程得到的乳酸菌发酵剂具有优良的发酵性能,产双乙酰能力、蛋白水解能力、胞外多糖的稳定形成能力、抗杂菌和病原菌的能力较强。

二、细胞工程技术在食品发酵生产中的应用

细胞工程是生物工程主要组成之一,是在细胞水平上改变细胞的遗传特性或通过大规模细胞培养以获得人们所需物质的技术过程。细胞工程主要有细胞培养、细胞融合及细胞代谢物的生产等。细胞融合是在诱导剂作用下,使两个或两个以上的异源细胞或原生质体相互接触,从而发生膜融合、胞质融合和核融合并形成杂种细胞的现象。细胞融合技术是一种改良微生物发酵菌种的有效方法,主要用于改良微生物菌种特性、提高目的产物的产量、使菌种获得新的性状、合成新产物等。与基因工程技术结合,使对遗传物质进一步修饰提供了多样的可能性。例如日本味之素公司应用细胞融合技术使产生氨基酸的短杆菌杂交,获得比原产量高3倍的赖氨酸产生菌和苏氨酸高产新菌株。酿酒酵母和糖化酵母的种间杂交,分离子后代中个别菌株具有糖化和发酵的双重能力。日本国税厅酿造试验所用该技术获得了优良的高性能谢利酵母来酿制西班牙谢利白葡萄酒获得了成功。

在细胞培养方面最典型的例子是人参细胞培养成功，还有香料与色素的生产。日本利用培养草莓细胞生产红色素的技术已成功应用于葡萄酒及食品加工之中。利用香草细胞培养技术可大量生产香草香精。当今，白酒、果酒、酱类等食品发酵行业以使用酵母为主，曲菌也适于酒类和酱油生产。这些行业的微生物育种目标是培养出耐乙醇酵母、耐盐酵母、耐高糖酵母、无泡酵母、耐温酵母及谷酰胺酶与蛋白质分解酶活性高的曲菌。具有重要意

义的成就是嗜杀其它菌类活性的嗜杀酵母新菌株的培育成功，日本协和发酵公司已完全使用嗜杀性葡萄酒酵母酿制新酒，目前，正研究运用细胞融合技术取得其它菌株，应用于食品发酵工业之中，微生物细胞融合的对象已扩展到酵母、霉菌、细菌、放线菌等多种微生物的种间。

三、酶工程技术在食品发酵生产中的应用

酶是活细胞产生的具有高效催化功能、高度专一性和高度受控性的一类特殊生物催化剂。酶工程是现代生物技术的一个重要组成部分,是在一定的生物反应器内,利用生物酶作为催化剂,使某些物质定向转化的工艺技术,包括酶的研制与生产,酶和细胞或细胞器的固定化技术,酶分子的修饰改造,以及生物传感器等。酶工程技术在发酵生产中主要用于两个方面,一是用酶技术处理发酵原料,有利于发酵过程的进行。如啤酒酿制过程,主要原料麦芽的质量欠佳或大麦、大米等辅助原料使用量较大时,会造成淀粉酶、纤维素酶的活力不足,使糖化不充分、蛋白质降解不足,从而减慢发酵速度,影响啤酒的风味和收率。使用微生物淀粉酶、蛋白酶、葡聚糖酶等制剂,可补充麦芽中酶活力不足的缺陷,提高麦汁的可发酵度和麦汁糖化的组分,缩短糖化时间,减少麦皮中色素、单宁等不良杂质在糖化过程中浸出,从而降低麦汁色泽。二是用酶来处理发酵菌种的代谢产物,缩短发酵过程,促进发酵风味的形成。啤酒中的双乙酰是影响啤酒风味的主要因素,是判断啤酒成熟的主要指标。当啤酒中双乙酰的浓度超过阈值时,就会产生一种不愉快的馊酸味。双乙酰是由酵母繁殖时生成的α-乙酰乳酸和α-乙酰羟基丁酸氧化脱羧而成的,一般在啤酒发酵后期还原双乙酰需要约5～10d 的时间。发酵罐中加入α-乙酰乳酸脱羧酶能催化α-乙酰乳酸直接形成羧基丁酮,可缩短发酵周期,减少双乙酰含量。

四、 食品发酵技术研究与产业化存在的问题

在我国食品工业中，生命科学技术工业化产品占有一定的比重，有了良好的开端。但是，与世界上发达国家相比，差距还很大，开发应用尚不够，目前，存在的主要问题表现在以下几个方面，值得重视和努力解决。

1、安全性

目前，食用安全性已成为阻碍生物技术在食品工业中应用的最大问题。日本于1991年4月出台了《基因重组食品食品添加剂安全性评价指针》，该指针明确指出凡是通过重组DNA技术改造微生物，其产生的各种酶、多肽及其它生物因子必须经过安全性评价才能上市。随后，由于欧美各国已有大量经重组DNA技术改良的农作物出现在国际市场上，该指针又于1996年将种子植物转基因后的食用安全性纳入评价范围。尽管到目前为止仅有食用转基因玉米出现过蛋白质过敏的报道，但由于基因表达的时序性以及人体本身免疫调节系统的存在，使人们对转基因食品的安全性仍然不能完全放心，更何况，由于缺乏对蛋白质空间结构的精确分析手段，根本无法鉴定基因异体表达的蛋白质与目标蛋白质的一致性，因此，转基因食品的安全性问题会在较长的时期里困扰着人们。2001年6月我国正式颁布实施《农业作物基因工程安全管理实施办法》，该办法对基因技术食品研究、开发、利用的安全性管理做了严格的规定。目前，通过农业部生物工程安全委员会批准，能够商业化的转基因作物只有6例，涉及食品的有3例，包括两种西红柿和一种甜椒。但是，由于到目前为止我国尚未出台国外转基因食品进口的相关安全性限制法规，市场上国外的转基因食品会越来越多，转基因食品与人们身体健康关系也将越来越密切。

另外，消费心理在一定程度上影响转基因食品的发展。由于生物技术育种一定程度上打破了传统的遗传规律和自然界的食物链秩序，可能对生态平衡产生影响，并且在一定程度上混淆了物种之间的亲缘关系。因此，由于观念、文化等因素的影响，公众对生物技术本身难以接受，即便是确定安全的食品，也往往会引起部分消费者心理上的反感。这种消费习惯或者信仰方面的观念虽然在短期内无法改变，但是加强转基因安全性的研究会提高人们对转基因食品的科学认识。

2、科学技术总体水平不高、范围较窄

目前，生命科学技术在食品工业中的应用主要以发酵工程为主，而基因工程和酶工程尚未得到广泛应用，并且，生命科学技术的应用也主要集中在发酵食品工业中，而在营养食品、绿色食品、有机食品和保健食品等新型食品的研究与开发方面未得到充分的应用。 生命科学技术水平方面存在的问题主要集中在：食品发酵技术基础研究薄弱、技术落后；微生物制剂工业化生产程度较低；基因工程产品研究开发力度不够。

五、生命科学技术在食品工业中应用展望

基因工程的应用已涉及到工业生产的许多领域，毫无疑问，现代基因工程技术将为农业带来新的绿色生命，给人们带来更加丰富、更有利于健康、更富有营养的食品，将为人类的衣食住行和褒奖发挥无穷无尽的力量。生命科学技术在食品工业上的应用具有极为广阔前景和美好的未来。