全 文 ：·综述与专论·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 7期
基因工程在食品工业中的应用
邵学良　刘志伟
(武汉工业学院食品科学与工程学院 ,武汉 430023)
　　摘 　要 : 　阐述了基因工程的技术溯源 ,论述了基因工程在食品工业方面的应用 ,提出与生产实践相结合的实例 ;详细介
绍了基因工程食品的由来 ,展望了基因工程技术在食品工业领域中的美好发展前景。
关键词 : 　基因工程 　食品工业 　转基因食品
The Application of the Genetic Engineer ing in Food Industry
Shao Xueliang　L iu Zhiwei
( College of Food Science and Engineering, W uhan Poly technic University, W uhan 430023)
　　Abs trac t: 　 In this overview, the development of the genetic engineering technology was outlined, and app lications in the food in2
dustry were reviewed, including several examp les involved in p roduction p ractice1 A lso, it p rospected the further development and as2
sociated app lications of genetic engineering detailed in food industry1
Key wo rds: 　Genetic engineering　Food industry　Genetically modified food
收稿日期 : 2009205225
基金项目 :武汉经济技术开发区科技创新基金项目 (2008023)
作者简介 :邵学良 (19842) ,男 ,山东泰安人 ,武汉工业学院在读硕士生 ,主要从事食品化学研究
通讯作者 :刘志伟 (19652) ,男 ,湖北孝感人 ,博士 ,硕士导师 ,主要从事功能食品研究
1　基因工程的技术溯源
111　基因工程的定义
基因工程是采用类似工程技术的方法 ,将不同
生物或人工合成的 DNA ,按照设计方案重新组合 ,
并在特定的受体细胞中与载体一起得到复制与表
达。关于基因工程所使用的术语也还没有很好地统
一 ,常用的还有遗传工程、基因操作、重组 DNA 技
术、基因克隆和分子克隆等 [ 1 ]。DNA重组、表达和
克隆是生物工程核心内容。
基因工程主要包括两个步骤 :首先是从某些生
物细胞中取得所需要的 DNA片段 ,或在人工控制下
合成目的基因 ,并与载体进行体外重组 ;然后将重组
的 DNA转化到受体的活细胞中去 ,改变受体细胞的
遗传特性。
112　基因工程的技术溯源
1857年至 1864年 ,孟德尔通过豌豆杂交试验 ,
提出生物体的性状是由遗传因子控制的。1909年 ,
丹麦生物学家约翰生首先提出用基因一词代替孟德
尔的遗传因子。1910年至 1915年 ,美国遗传学家
摩尔根通过果蝇试验 ,首次将代表某一性状的基因
同特定的染色体联系起来 ,创立了基因学说 [ 2 ]。
20世纪 50年代初开始 ,由于分子生物学和生
物化学的发展 ,对生物细胞核中存在的脱氧核糖核
酸 (DNA )结构和功能有了比较清晰的阐述。70年
代初实现了 DNA重组技术或称为克隆技术 ,逐步形
成了以基因工程为核心内容 ,包括细胞工程、酶工
程、发酵工程的生物技术。这一技术发展到今天 ,正
在形成产业化并成为世界领先专业技术领域之一 ,
广泛应用于食品、医药、化工、农业、环保、能源和国
防等许多部门 ,并日益显示出其巨大的潜力 ,将为全
球面临的蛋白质缺乏、能源、环保和癌症治疗等问题
的解决提供广阔的应用前景。
1973年美国斯坦福大学和旧金山大学医学院
Coken和 Boyer两位科学家成功地实现了 DNA分子
重组试验 ,揭开了基因工程发展序幕。1982年转基
因“超级鼠 ”的构建成功 , 1985年转基因鱼的问世 ,
标志基因工程在食品工业应用的开端 ,基因工程食
品由此走上了历史舞台 [ 3 ]。
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 7期
基因工程问世近 30年 ,无论是基础理论研究领
域 ,还是在生产实际应用方面 ,都已取得了惊人的成
绩 ,给国民经济的发展和人类社会的进步带来了深
刻而广泛的影响。
2　基因工程在食品工业中的应用
211　酶制剂方面的应用
酶的传统来源是动物脏器和植物种子 ,随着发
酵工程的发展 ,逐渐出现了以微生物为主要酶源的
格局。近年来 ,基因工程技术的发展 ,使人们可以按
照需要来定向改造酶 ,甚至创造出自然界从未发现
的新酶种。目前 ,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进行生产 (表 1)。
表 1　应用于食品工业的酶制剂 [ 3]
酶 用途
蛋白酶 乳酪生产 ,啤酒去浊 ,浓缩鱼胨 ,制酱油 ,制蛋白胨
脂肪酶 鱼片脱脂 ,毛皮脱脂等
淀粉酶 麦芽糖生产 ,醇生产等
纤维素酶和半
纤维素酶
用于乙醇生产 ,植物抽提物的澄清和将纤维素
转化为糖
糖化酶 酶法制糖
果胶酶 用于葡萄酒和果汁的澄清及减少其粘度
植酸酶 可将饲料中的植酸盐降解成无机磷类物质
葡萄糖异构酶 制造高果糖浆
212　改造食品原料
21211　转基因植物源食品 　转基因技术可使植物
具有抗病虫害的能力 ,具有深远的经济意义。土豆
原产地在南美 ,但由于气候和病虫害以及灌溉、肥
料、农药等原因 ,其产量和美国相差很多 ,利用基因
工程技术可以减少这种差距。我国及菲律宾培育出
“超级水稻”和“超超级水稻 ”,为人口日益增长、粮
食日益短缺的世界带来一线光明 [ 4 ]。DNA重组技
术和细胞融合技术相结合 ,培育出高产、抗病、抗虫、
生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物 ,对食品工业
具有重要意义。
21212　转基因动物源食品 　转基因动物尚未达到
高等转基因植物的发展水平 ,但人们仍设法用它来
表达高价值蛋白。转基因技术在家畜及鱼类育种上
初见成效。中科院水生生物研究所在世界上率先进
行转基因鱼的研究 ,成功地将人生长激素基因和鱼
生长的激素基因导人鲤鱼 ,育成当代转基因鱼 ,其生
长速度比对照快 ,并从子代测得生长激素基因的表
达。中国农大生物学院瘦肉型猪基因工程育种取得
初步成果 ,获得第二、三、四代转基因猪 215头。我
国已生产出生长速度快、节约饵料的转基因鱼上万
尾 ,为转基因鱼的实用化打下基础。1997年 9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 ,既可以食用 ,又可以药用 ,
使人类药物研究迈出了重大的一步。
21213　改造传统的发酵工业的菌种 　发酵工业的
关键步骤之一是如何获取优良菌株的 ,除常用的诱
变、杂交和原生质体融合等传统方法外 ,与基因工程
结合 ,大力改造菌种 ,给发酵工业带来生机 ,如能表
达目的基因的“基因工程菌 ”的开发。微生物的遗
传变异性及生理代谢的可塑性都是其他生物难以比
拟的 ,故其资源的开发有很大的潜力。美国的 B io2
Technica公司克隆了编码黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基
因 ,并将其植入啤酒酵母中 ,在发酵期间 ,由酵母产
生的葡萄糖淀粉酶将可溶性淀粉分解为葡萄糖 ,这
种由酵母代谢产生的低热量啤酒不需要增加酶制
剂 ,且缩短了生产时间。
21214　提高牛乳的稳定性 　在牛乳加工中如何提
高其热稳定性是关键问题。牛乳中的酪蛋白分子含
有丝氨酸磷酸 ,它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。
现在可以采用基因操作 ,增加 K2酪蛋白编码基因的
拷贝数和置换 , K2酪蛋白分子中 A IJa253被丝氨酸
所置换 ,可提高其磷酸化 ,使 K2酪蛋白分子间斥力
增加 ,以提高牛奶的热稳定性 ,这对防止消毒奶沉淀
和炼乳凝结起重要作用。
21215　开发和生产新一代食品 　经过脱色、除臭和
精制处理的烹饪用豆油常需要被还原处理 ,以延长
其储藏时间及提高其在烹调时的稳定性。但是 ,这
种还原作用却导致豆油中富含反式脂肪酸 ,而反式
脂肪酸摄入人体后 ,会增加人患冠心病的可能性。
作为精制豆油的色拉油 ,虽然没有经过还原作用 ,但
其中却富含软脂酸 ,而软脂酸的摄入也能导致冠心
病的发生。因此 ,选择合适的目的基因和启动子 ,通
过重组 DNA技术来改造豆油的组分构成 ,转基因豆
油已投放市场。其中 ,有的豆油不含有软脂酸 ,可用
作色拉油 ;有的豆油富含 80%油酸 ,可用于烹饪 ;有
的豆油含 30%以上的硬脂酸 ,适用于人造黄油以及
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2009年第 7期 邵学良等 :基因工程在食品工业中的应用
使糕饼松脆的油。利用基因工程改造的豆油的品质
和商品价值显然是大大提高了。
213　改良食品营养品质
21311　蛋白质的改良 　食品中动植物蛋白由于其
含量不高或比例不恰当 ,可能导致蛋白营养不良。
采用转基因的方法 ,生产具有合理营养价值的食品 ,
使人们只需吃较少的食品就可以满足营养需求成为
可能。例如 ,通过基因工程技术 ,可将谷类植物基因
导入豆类植物 , 获得蛋氨酸含量高的转基因大
豆 [ 5 ]。我国学者把玉米种子中克隆得到的富含必
需氨基酸的玉米醇溶蛋白基因导人马铃薯中 ,使转
基因马铃薯块茎中的必需氨基酸提高了 10%以上 ,
硫氨基酸尤为显著 [ 6 ]。
21312　油脂的改良 　对油脂品质的改善主要集中
在两个方面 ,包括控制脂肪酸的链长和饱和度。油
脂的酸败是导致油脂品质下降的主要原因 ,目前已
知豆类中的脂氧合酶在酸败过程中扮演重要角色。
美国 DuPont公司通过反义抑制和共同抑制油酸酯
脱氢酶 ,成功开发了高油酸含量的大豆油 ,这种新型
油具有良好的氧化稳定性 ,很适合用作煎炸油和烹
调油。导人硬脂酸 2ACP脱氢酶的反义基因油菜种
子中 ,硬脂酸的含量从 2%增加到 40% ,硬脂酸 2
COA可使转基因作物中的饱和脂肪酸 (软脂酸、硬
脂酸 )的含量下降 ,不饱和脂肪酸 (油酸、亚油酸 )的
含量增加 ,其中油酸的含量可增加 7倍 [ 7 ]。
21313　碳水化合物的改良 　对碳水化合物的改进
可以通过对其酶的改变来实现。高等植物体中淀粉
合成的酶类主要有 ADPP葡萄糖焦磷酸酶 (ADP2
GPP)、淀粉合成酶 ( SS)和分枝酶 (BE)。通过反义
基因抑制淀粉分枝酶可获得只含直链淀粉的转基因
马铃薯。Monsanto公司开发了淀粉含量平均提高了
20% ～30%的转基因马铃薯。油炸后的产品更具马
铃薯风味、且吸油量较低 [ 8 ]。
214　微生物基因工程与生产实践
利用基因工程手段克隆生长因子基因 ,把运载
这一基因载体导入合适的微生物细胞 ,便能进行目
标产品 ,如动物生长激素、蜘蛛丝蛋白等的发酵
生产。
应用微生物发酵生产基因工程产品除了必须取
得所需要的基因以外 ,还得选择合适的微生物。所
谓合适的微生物必须是不致病的 ,此外还应该便于
培养 ,产品能分泌到培养液中以便于提取、转化 ,而
且最好是对它有充分的了解等。
美国食品和药品管理局已批准用基因工程菌生
产凝乳酶用来制造奶酪 ;英国的农业、渔业与粮食部
已批准用基因工程面包酵母生产面包 ;芬兰的一家
酒精生产公司首先用基因工程芽孢杆菌生产 a2淀粉
酶 ;日本也有不少关于应用基因工程菌于食品添加
剂的报道。
用生物技术手段可以生产动、植物的新品种 ,从
而获得新食品。例如 ,人类应用遗传工程手段已经
培育出高赖氨酸的玉米、高蛋白的小麦、无毒素的棉
籽等 ,改善了日常食品的质量 ,丰富了食品资源 ,各
种细菌和酵母菌的发酵藻类为人类提供了新型的营
养来源。
3　基因工程食品及其安全性
基因工程应用于食品工业已给人们带来了巨大
的社会和经济效益 ,但移基因工程体 ( GMO s)及基
因工程食品的环境释放安全性及食用安全性也越来
越受到广泛的关注。基因工程食品除应有较高的营
养价值和可消化性 ,它必须对人体无毒副作用 ;其
次 ,它的口味、气味与颜色 ,均应为食用者所接受。
目前转基因食品中所使用的外源基因 ,不管其
来源如何 ,其组成与普通 DNA并无差异。此外 ,外
源基因在转基因食品中的含量很少 ,例如通过食用
转基因番茄而被摄入人体内的外源基因的数量不超
过 313 ×10 - 4 ～10 ×10 - 4 μg/d,可见通过食用转基
因食品而摄入体内的外源基因的数量与消化道中持
续存在的来源于其它食品中的 DNA数量相比是微
不足道的。因此 ,转基因食品中的外源基因本身不
会对人体产生直接毒害作用。
外源蛋白质的安全性需考虑其直接毒性、过敏
性、因蛋白的催化功能而产生的副作用 [ 9 ]。引起食
品过敏症的大多数转基因食品中都引入一种或几种
蛋白质 ,它们在加工、烹调和食用过程中相对稳定 ,
这些异种蛋白有可能引起食品过敏 ,特别是对儿童
和过敏体质的成人。有报道 ,对巴西坚果过敏的人
食用转入巴西坚果基因的大豆后过敏。目前被批准
商业化生产的转基因食品中的外源基因都必须通过
相关的试验 ,分析基因表达蛋白的化学组成、含量、
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生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 7期
每天摄入量以及在消化道的稳定性。例如 ,转基因延
熟番茄 Flavrsavrtm中外源基因编码产生的外源蛋白
质经与有关的毒性蛋白质进行同源性比较 ,未发现与
已知的毒性蛋白质具有同源性 [ 10 ]。由于外源基因含
量很低 ,其编码的蛋白质数量也很小 ,只占番茄果实
中总蛋白含量的 0108% ,因此人体每天摄入的外源蛋
白质的数量不超过 25～74μg/ ( kg·d)。用该外源
蛋白质进行小白鼠急性毒性试验的结果表明 ,饲喂量
达 500 mg/kg体重时未产生不利影响。所以从外源
蛋白质的毒性方面看 ,食用转基因番茄 Flavrsavrtm不
会产生安全问题。此外 ,体外模拟试验证明 , Flavr2
savrtm中外源蛋白质的稳定性较差 ,在模拟胃的条件
下 (pH112的胃蛋白酶溶液 , 37℃) ,该蛋白在 10 s内
即被降解 ,目前亦无证据说明该蛋白降解产生的多肽
比其它蛋白降解后的多肽毒性大 [ 11 ]。
4　展望
尽管在世界范围内对基因食品有很多争议 ,但
这并不影响基因食品技术的迅速发展 ,新的基因食
品还是在不断的问世 ,而且发展速度也越来越快。
可以预计 ,基因食品在新世纪将很快成为人类食品
的主要来源。我国对转基因技术和基因食品的研究
和应用采取了积极扶持的政策 ,在转基因水稻、小
麦、番茄、甜椒等方面的研究和应用已达到国际同类
研究领先水平。只有培育出高产的粮食作物及基因
工程食品 ,才能满足日益增多的人口对食物的巨大
需求 ,这也是发展基因工程食品的最重要的驱动力。
尽管目前还难以让人们从观念上完全接受基因工程
对食品工业的改造 ,但是 ,在过去几年里利用分子生
物学技术生产的基因食品不断问世 ,从牛奶、奶酪到
水果、蔬菜、牲畜以及玉米、大豆等主要农作物范围
广泛 ,其销售量也在稳步上升。基因工程的应用已
经渗透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革命 ,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
人类的衣食住行和保健发挥无穷无尽的力量。
参 考 文 献
1　吴乃虎 ,基因工程原理 [M ]1北京 :科学出版社 , 19991
2　周如金 ,郭华 ,彭志英 1粮食与油脂 , 2002, 4: 331
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4　江梅 1生物学通报 , 1996, 6: 4～81
5　 V illavi ALCH, A raujO MM, Baldasso JG, et al1 Radiation Physics
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6　许智宏 ,植物生物技术 [M ]1上海 :上海科学技术出版社 , 19981
7　郑铁松 ,何国庆 ,应铁进 1食品工业科技 , 2000, 21 (4) : 70～721
8　陈宗道 ,赵国华 ,李洪军 ,等 1中国食物与营养 , 2000, 4: 14～161
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10　Uzogara SG1 B iotechnology Advances, 2000, 18 (3) : 179～2061
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