全 文 ：·技术与方法·
生物技术通报
B IO TECHNOLOGY　BULL ETIN 2009年第 11期
生物工程技术在食品工业领域中的应用
孙远
(四川大学化学工程学院 ,成都 610225)
　　摘 　要 : 　据当今生物工程技术发展情况 ,综述了它在食品工业领域中的食用资源开发、食品加工及食品安全检测中
的应用。
关键词 : 　生物工程技术 食用资源开发 食品加工 食品安全检测
The Application of Biotechnology in Food Industry
Sun Yuan
( Chem ical Engineering College of S ichuan University, Chengdu 610225)
　　Abs trac t: 　According to the development of B iotechnology, this article summarized its app lications in food industry, including ed2
ible resource development, food p rocessing and food safety testing.
Key wo rds: 　B iotechnology Edible resource development Food p rocessing Food safety testing
收稿日期 : 2009208228
作者简介 :孙远 (19882) ,女 ,在读本科生 ,专业方向 :生物工程 ; E2mail: suny88@163. com
　　生物技术是应用自然科学及工程学的原理 ,依
靠微生物、动物、植物体作为反应器将物料进行加工
以提供产品来为社会服务的技术 [ 1 ]。生物工程是
生物技术的总称 ,它包含所有具备产业化条件的生
物技术。二者的着重点有所不同 ,但在有些情况下 ,
并未对它们进行明显区分。生物工程也译为生物工
艺学或生物技术 ,还可以称之为生物工程技术 [ 2 ]。
早在 1978年我国就把生物工程作为国家科技发展
八大重点之一 ,“863”高科技发展计划把生物工程
列为 7个重点发展领域的首位 [ 3 ] ,生物工程技术已
应用于并将越来越广泛地应用于食品、医药、环境保
护等诸多领域。现就生物工程技术在食品工业领域
中关于食用资源开发、食品加工及食品安全检测中
的应用作简要综述。
1　生物工程在食用资源开发中的应用
随着世界人口的不断增长 , 60多亿人所面临的
危机不仅仅只是住房紧张、交通拥挤等 ,更是食品的
不足 ,尤其是蛋白质的缺乏。“民以食为天 ”,这是
放之四海皆准的道理 ,何况现在人们的生活水平有
了显著提高 ,对食品的需求越来越趋向于营养和保
健型。就生物工程技术在食用资源开发中的应用主
要从开发新的可食用资源 ,及功能食品两方面进行
阐述。
1. 1　开发新的可食用资源
1. 1. 1　微生物食品 在未来的食品技术中 ,微生物
将会扮演非常重要的角色。1985年 ,英国农业部、渔
业部和食品部针对“真菌蛋白 ”[由丝状真菌 2禾谷
镰胞 ( Fusa rium gram inearum )生产的食品 ]的销售作
出认可 ,顾客食用 Quorn可不受限制 [ 4 ] 。这种真菌
食品成功进军市场是一个重要的里程碑 ,它证明
了在未来农业生产力不能满足不断增长的人口需
求时 ,微生物能解决蛋白质短缺的问题。而且 ,微
生物生长周期短 ,生产的食品在价格上可能会更
有竞争力。
说起微生物食品 ,不得不提单细胞蛋白 ( single
cell p rotein, SCP)。单细胞蛋白是指从纯培养的微
生物细胞中提取的总蛋白 ,可作为食物供人类食用 ,
为动物或人类补充蛋白质 [ 5 ] ;可以利用能源物质、
工农业废弃物及藻类生产 SCP [ 6 ]。其中 ,利用藻类
生产 SCP越来越受到人们的关注。1974年世界粮
食会议上 ,螺旋藻被确定为食用蛋白质的重要来
源 [ 5 ] ,它具有蛋白质含量高、碳水化合物含量丰富、
2009年第 11期 孙远 :生物工程技术在食品工业领域中的应用
脂肪和胆固醇含量低的优点 ,并含有多种维生素和
微量元素等营养物质 ,有着极其重要的营养、药理及
开发利用价值 ,称为“21世纪的食品 ”[ 7 ]。我国已将
螺旋藻研发列入国家“星火计划 ”[ 8 ]。
1. 1. 2　昆虫类高蛋白食品 昆虫蛋白质也是优质
的新食物源。例如 ,苍蝇的幼虫 —蝇蛆含有 62%左
右的蛋白质及各种必需氨基酸 ,称得上优质动物性
高蛋白 ,而且可从蛆壳中索取纯度很高的几丁质 ,以
此为原料提取有人体第六生命元素之称的壳聚糖 [ 8 ] ;
中华稻蝗的蛋白质含量占虫体干重的 7315% ,其氨
基酸组成与鸡蛋蛋白相似而被称为完全蛋白 ;地鳖
虫蛋白质含量超过 23% ,氨基酸种类齐全 ,至少含
有 17种 ,还含有大量脂溶性物质 ,具有很好的食用
和药用价值 [ 9 ]。此外 ,蟋蟀、蝉、蝴蝶和蚂蚁的蛋白
质含量也分别占干重的 75%、72%、72%和 67% ,都
具有食用价值 [ 6 ]。
昆虫食品是人类较为理想的高营养食品 ,利用生
物工程技术开发昆虫类高蛋白食品具有广阔前景。
1. 2　功能食品
为了满足人们对食品越来越高的要求 ,增强食
品的营养和功能 ,功能性保健食品的研究工作正进
行得如火如荼。功能食品又称保健食品 ,适宜于特
定人群食用 ,不以治疗疾病为目的 ,具有调节机体功
能 ,并且对人体不会产生任何急性、亚急性或者慢性
危害 [ 10 ]。这类食品既具有普通食品的营养功能和
感官功能 ,还具备调节人体生理活动的功能 [ 11 ]。
功能性食品起源于中国食疗 ,在国外具有高速
增长势头 ,而国内却相对较弱。若要将功能食品的
研究与开发搞上去 ,须加强基础理论的研究 ,并积极
应用高新技术。袁隆平院士给《功能性食品生物技
术 》一书作序时写道 ,利用生物技术开发生产功能
性食品 ,任重而道远 ,但前景十分光明。生物技术可
代替传统的提取分离技术或化学合成技术 ,在生产
各种具有特定生理功效的配料上发挥重要作用 [ 12 ]。
古老而又年轻的功能性食品工业 ,由于生物技术等
高新技术的注入 ,而呈现一派勃勃生机的景象。
2　生物工程技术在食品加工中的应用
食品加工就是把原材料或成分转变成可供消费
的食品的过程。在 Connor ( 1988年 )的书中有一个
更完整的定义 ,即“商业食品加工 ”是制造业的一个
分支 ,从动物、蔬菜或海产品的原料开始 ,利用劳动
力、机器、能量及科学知识 ,把它们转化成半成品或
可食用的产品 [ 13 ]。近年来 ,食品加工业的发展 ,科
技创新发挥着十分重要的作用。目前 ,生物技术已
在不同层次上推动着食品加工业的技术创新和产业
升级 ,提高产品的综合利用率及附加产值 [ 14 ]。
2. 1　基因工程在食品加工中的应用
20世纪 70年代初诞生的基因工程 ,经过几十
年的发展 ,现在已经成为生物技术的核心 ,并已转化
为巨大的生产力 ,对人类生活产生了重要的影响。
基因工程是指外源基因通过体外重组后导入到受体
细胞内 ,使这个基因能在受体内复制、转录、翻译、表
达的操作过程 [ 15 ]。在改造食品原材料方面 ,基因工
程技术得到了广泛应用 ,主要集中在改良蛋白质、碳
水化合物等食品原料的产量和质量上。
2. 1. 1　蛋白质类食品 　通过采用基因导入技术 ,可
获得高产蛋白质或高产氨基酸的作物。 1990 年
Clercq等用 Met密码子序列取代了拟南芥 2S白蛋
白的非保守序列 ,所获得的转基因拟南芥可生产富
含 Met的 2S白蛋白。
2. 1. 2　碳水化合物类食品 　利用基因工程来调节
淀粉合成过程中特定酶的含量或几种酶之间的比
例 ,从而达到增加淀粉含量或获得特性独特、品质优
良的新型淀粉 [ 14 ]。
发酵食品的品质、风味及产率是影响发酵食品
工业经济效益的关键因素 ,而这些又都取决于所使
用的微生物菌株品种 ,但传统的微生物育种方法难
以有效地达到定向改造微生物性状的目的 ,而利用
基因工程技术构造所需的基因工程菌是解决这一问
题的方便、快捷的途径 [ 14 ]。天然的酿酒酵母由于酵
母菌缺乏分解淀粉的酶类 ,用作发酵原料的淀粉需
经液化、糖化等复杂步骤变成葡萄糖后才能被利用。
构建具有较高的水解淀粉和产生酒精能力的酵母工
程菌 ,有利于简化发酵工序 ,降低生产成本 [ 16 ]。此
外 ,基因工程菌株在酱油酿造、奶酪工业、面包焙烤
等过程中均得到应用。
2. 2　酶工程在食品加工中的应用
酶工程是从应用的目的出发研究酶 ,在一定生
物反应装置中利用酶的催化性质 ,将相应原料转化
成有用物质的技术 [ 17 ]。生物技术在食品工业中应
94
生物技术通报 B iotechnology　B u lle tin 2009年第 11期
用的代表就是酶的应用 [ 14 ]。酶在乳化加工、肉制品
工业、焙烤工业、饮料果汁生产、淀粉和糖工业等领
域均有所应用。例如 ,用蛋白酶强化的面粉制作的
面包松软、体积大、风味更佳。
2. 3　细胞工程在食品加工中的应用
细胞工程是应用细胞生物学方法 ,按照人们预
先的设计 ,有计划地保存、改变和创造遗传物质的技
术 ,也就是在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的
工程 [ 18 ]。在食品工业中应用较广泛的细胞工程技
术主要是细胞培养技术、细胞融合技术、细胞重建技
术及细胞代谢物的生产技术等 [ 18 ]。
除通过各种物理、化学方法诱变育种及基因工
程育种可得到优质高产的产品外 ,采用细胞融合技
术或原生质体融合技术也是有效的方法。例如 ,利
用曲霉生产的酱油 ,其品质与曲霉菌所产的蛋白酶
息息相关。据《日本农芸化学会志 》报道 ,采用原生
质体细胞融合技术 ,在产黄曲霉、总状毛霉等菌的同
一种内或种间进行细胞融合 ,选育出蛋白酶分泌能
力强、繁殖速度快的优良菌株 [ 14 ]。
2. 4　发酵工程在食品加工中的应用
发酵工程系指利用生物细胞 (或酶 )的某种特
性 ,通过现代化工程技术手段进行工业规模化生产
的技术 ,它既是现代生物技术的重要分支学科 ,又是
食品工程的重要组成部分 [ 19 ]。发酵工程技术是一
项比较古老的生物技术 ,它在食品加工业上得到广
泛应用。众所周知的制作面包用的酵母菌便是应用
发酵工程技术得到的 ,还有分别用于啤酒、果汁生产
的淀粉酶、果胶酶等。一些由微生物代谢产生的初
级代谢产物 ,如氨基酸、核苷酸等可利用微生物发酵
得到。前面提及的单细胞蛋白 ( SCP)也是发酵工程
应用于食品工业的产物。
3　生物工程技术在食品安全检测中的应用
病从口入 ,国民经济的增长丰富了食品的数量
与种类 ,但食品安全问题去随之日益突出。英国发
生的“疯牛病事件 ”、比利时的“二噁英事件 ”、日本
的“大肠杆菌 O157暴发流行事件 ”、口蹄疫事件、
2004年波及多各国家和地区的“禽流感事件 ”、2008
年我国发生的“三聚氰胺事件 ”等食品安全事件无
不向人们敲响警钟。与此同时 ,食品安全检测技术
近年来发展很快 ,尤其以现代生物工程技术为基础
的食品安全检测技术 ,主要包括生物传感器技术、免
疫学方法、分子生物学技术和生物芯片等。
3. 1　生物传感器技术
生物传感器由生物识别元件和信号转换器组
成 ,能够选择性地对样品中的待测物发生响应 ,通过
生物识别系统和电化学或其他传感器把待测物质的
浓度转为电信号 ,根据电信号大小定量测出待测物
质的浓度 [ 20 ]。
依据分子识别元件的敏感性物质 ,生物传感器
可分为酶传感器、微生物传感器、细胞传感器、组织
传感器、免疫传感器等 ;信号转换器 ,生物传感器可
分为电化学生物传感器、光学生物传感器、半导体生
物传感器、介体生物传感器、压电生物传感器等 [ 21 ]。
生物传感器具有简单、专一性强、准确度高等优
点 ,应用生物传感器可对食品的新鲜度、食品中的细
菌和病原菌、食品毒素以及食品添加剂等进行检测。
3. 2　免疫学方法
抗原是一类能刺激机体免疫系统产生特异应
答 ,并能与相应免疫应答产物 (即抗体和致敏淋巴
细胞 )在体内或体外发生特异性结合的物质。抗体
是机体在抗原刺激下所产生的特异性球蛋白 ,抗体
是免疫分析的核心试剂 [ 22 ]。免疫学方法是以抗原
抗体特异性结合为基础发展起来的。抗原抗体的特
异性结合可发生在生物体内 ,也可发生在体外 ,用于
食品卫生和安全检测的免疫学方法都是抗原抗体的
体外反应 ,在抗原抗体的体外反应中通常都需要使
用含有特异性抗体的血清 ,因此这些方法又称为血
清学反应或血清学方法 [ 11 ]。
免疫学方法具有分析速度快、分析成本低、检测
限低、待测物种多等优点 ,利用免疫学检测技术已经
达到了 ng, pg级的水平 [ 21 ]。免疫技术在食品污染
细菌及其毒素检测、污染真菌及其毒素检测、农药残
留检测和食品掺假识别等食品安全检测和分析中都
得到了应用 [ 11 ]。
免疫学方法的分类方法有很多种 ,根据免疫反
应过程中的现象和特征等 ,免疫学方法可分为凝集
反应、沉淀反应等。其中 ,凝集反应是经典的血清学
方法 [ 20 ]。
3. 3　分子生物学技术
分子生物学是在分子水平上研究生物的结构、
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2009年第 11期 孙远 :生物工程技术在食品工业领域中的应用
组织和功能的学科 [ 11 ]。分子生物学技术被广泛应
用到生物科学的各个领域 ,近些年来核酸分子生物
学技术 ,特别是核酸分子杂交和 PCR技术在食品安
全检测方面得到了很好的应用 [ 20 ]。
PCR全称多聚酶链式反应 ,是一项体外扩增特
异性 DNA片段的技术。PCR技术自从 1985年问世
以来 ,经过几十年的发展 ,已成为实验室的常规技
术 [ 22 ]。PCR技术是通过热变性 2退火 2引物延伸 3
个步骤不断循环来实现 DNA扩增 [ 23 ]。具体地说 ,
首先将已加入与待扩增的 DNA片段两条链两段已
知序列分别互补的引物、适量缓冲液、微量 DNA模
板、dNTP溶液、耐热 DNA 聚合酶 ( Taq DNA 聚合
酶 )、Mg2 +等的溶液加热 ,模板 DNA在高温下变性 ,
双链解开为单链状态 ;然后降低溶液温度 ,使合成引
物在低温下与其靶序列特异配对 (复性 ) ,形成部分
双链 ;此时 ,在合适的条件下以 dNTP为原料 ,由 Taq
DNA聚合酶催化引导引物沿 5′→3′方向延伸 ,形成
新的 DNA 片段 , 该片段又可作下一轮反应的
模板 [ 23 ]。
PCR技术具有特异性强、灵敏度高、简便快速、
对标本的纯度要求低的特点 [ 22 ]。利用 PCR技术可
进行食品原料的种类的鉴定、食品微生物的检验。
此外 ,利用 PCR技术还可对转基因食品进行检验 ,
且技术较为成熟。
3. 4　生物芯片
生物芯片的概念源自于计算机芯片。狭义的生
物芯片是指包被在固相载体 (如硅片、玻璃、塑料和
尼龙膜等 )上的高密度 DNA、蛋白质、细胞等生物活
性物质的微阵列 ,主要包括 cDNA、微阵列、寡核苷
酸微阵列和蛋白质微阵列 ,这些微阵列是由生物活
性物质以点阵的形式有序地固定在固相载体上形成
的 ,在一定条件下进行生化反应、反应结果用化学荧
光法、酶标法、同位素法显示 ,再用扫描仪等光学仪
器进行数据采集 ,最后通过专门的计算机软件进行
数据分析 [ 23 ]。广义的生物芯片 ,除了上述被动式微
阵列芯片之外 ,还包括利用光刻技术和微加工技术
在固体基片表面构建微流体分析单元和系统 ,以实
现对生物分子进行快速、大信息量并行处理和分析
的微型固体薄型器件 [ 23 ]。
生物芯片类型可以从不同的角度来划分。当前
人们常常提到的基因芯片、蛋白质芯片和芯片实验
室 ,就是从芯片的检测对象和使用目的区分的 [ 20 ]。
此外 ,还有组织芯片、细胞芯片等。与传统的研究方
法相比 ,生物芯片技术具有信息获取量大、效率高、
生产成本低、所需样本和试剂少、容易实现自动化分
析的优点 [ 23, 24 ]。生物芯片应用于营养与食品化学、
生物安全性检测领域 ,并将发挥十分重要的作用。
4　展望
20世纪的生物技术已经开始影响人类的生活 ,
而 21世纪的生物技术将全面改善人类生活的各个
方面。生物技术的时代即将到来 [ 25 ]。目前 ,采用生
物工程技术培育或改造的食品正逐渐步入市场 ,随
着人们对生物工程技术的了解及对身体健康关注程
度的加深 ,这些食品开始进入寻常百姓家 ,并且越来
越受到人们的好评。21世纪是生物学的世纪已是
不争的事实 [ 26 ] ,生物工程技术会得到蓬勃发展 ,当
然 ,食品生物工程技术也会随其飞快发展、进步。传
统的食品要依靠农牧渔业提供原料 ,而这些原料供
给要受时间、空间等因素制约 ,而且在数量、质量方
面不能满足人类日益增长的要求 [ 3 ]。应用生物工
程技术不仅能够保质保量地完成食品的生产 ,还可
以得到合乎营养保健要求的食品 ,从而切实有效地
改善人们膳食结构 ,提高人们健康水平。
参 考 文 献
1　瞿礼嘉 ,顾红雅 ,胡苹 ,陈章良 ,现代生物技术导论. 北京 :高等
教育出版社 , 2004, 1.
2　孙毅. 科技情报开发与经济 , 2007, 17 (11) : 171～172.
3　孙毅 ,郭桐. 科技情报开发与经济 , 2006, 16 (3) : 148～150.
4　 [美 ]格拉泽 ( Glazer AN ) , [美 ]二介堂弘 (N ikaido H )著 ;陈守
文 ,喻子牛 ,等译 ,微生物生物技术—应用微生物学基础原理.
北京 :科学出版社 , 2002.
5　吕虎 ,现代生物技术导论. 北京 :科学出版社 , 2005, 221～225.
6　宋思扬 ,楼士林 ,生物技术概论. 北京 :科学出版社 , 2007, 185
～205.
7　贺小贤 ,现代生物工程技术导论. 北京 :科学出版社 , 2005, 279.
8　罗明典 ,现代生物技术及其产业化. 上海 :复旦大学出版社 ,
2001, 112～118.
9　张安宁 ,桂仲争. 生物学杂志 , 2008, 25 (2) : 59～61.
(下转第 55页 )
15
2009年第 11期 　　吴建明等 : cDNA2AFLP和 cDNA2SRAP技术在植物基因差异表达上的应用及其分析比较
子标记技术间相互结合使用将会在植物不同生长发
育时期的基因差异表达、新基因发现、抗逆性分子机
理等研究领域发挥更大更好的作用。在大规模测序
计划下的今天 ,使得应用 cDNA2AFLP和 cDNA2SRAP
技术进行新转录本的大规模获得成为可能 ,结合 RT2
PCR及 RACE技术可以对得到的新候选基因转录本
进行时空表达研究和全长序列克隆 ,从而为后续的深
入研究奠定基础。
参 考 文 献
1　于虹 ,丁国华. 中国农学通报 , 2007, 23 (12) : 77～80.
2　 Becham C, Oomen R, Kuyt S, et al. PlantMolB iol, 2000, 443: 473～
482.
3　 SuarezMC,Bernal A, Gutierrez J, et al. Genome, 2000, 43: 62～67.
4　 W ang YQ, Cao JS, Fu QG, et al. Agricultural Sciences in China,
2003, 2 (2) : 195～199.
5　潘玉欣 ,马骏 ,张桂 ,等. 2007, 52 (12) : 1425～1429.
6　马小定 ,邢朝柱 ,郭立平 ,等.遗传学报 , 2007, 34 (6) : 536～543.
7　张莉 ,江昌俊 ,胥振国 ,等. 安微农业大学学报 , 2008, 35 ( 3) : 319
～323.
8　 Polesani M, DesarioF, Ferrarini A, et al. BMC Genom ics, 2008, 146:
236～249.
9　 Subhash KR, Gaurab G, Kaushik G, et al. Current Science, 2008, 94
(3) : 381～384.
10　刘磊 ,郭兆奎 ,万秀清 ,等 . 分子植物育种 , 2009 , 7 ( 3 ) : 583
～585.
11　L i G, Quiros CF. Theoretical and App lied Genetics, 2001, 103: 455
～161.
12　卢泳全 ,吴为人. 作物学报 , 2006, 5: 511～514.
13　马爱芬 ,李加纳 ,谌利 ,等. 作物学报 , 2008, 34 (3) : 526～529.
14　Gui Q,Wang J, Xu Y, et al. Mol Biol(Mosk) , 2009, 43 (1) : 3～9.
(上接第 51页 )
10　范青生 , 保健食品研制与开发技术. 北京 : 化学工业出版
社 , 2006.
11　陆兆新 ,现代食品生物技术. 北京 :中国农业出版社 , 2002, 133
～373.
12　郑建仙 ,功能性食品生物技术. 北京 :中国轻工业出版社 , 2004.
13　[美 ]海德曼 (Heldman DR) ,哈特尔 ( Hartel RW )著 ;夏文水 ,等
译 ,食品加工原理. 北京 :中国轻工业出版社 , 2001.
14　张柏林 ,杜为民 ,郑彩霞 ,等 ,生物技术与食品加工. 北京 :化学工
业出版社 , 2005, 3～32.
15　利容千 ,生物工程概论. 武汉 :华中师范大学出版社 , 2007, 12.
16　孙明 ,基因工程. 北京 :高等教育出版社 , 2006, 288.
17　袁勤生 ,赵健 ,酶与酶工程. 上海 :华东理工大学出版社 , 2005, 5.
18　邬敏辰 ,食品工业生物技术. 北京 :化学工业出版社 , 2005, 255
～256.
19　罗云波 ,生吉萍 ,食品生物技术导论. 北京 :化学工业出版社 ,
2006, 184.
20　陈福生 ,高志贤 ,王建华 ,食品安全检测与现代生物技术. 北京 :
化学工业出版社 , 2004, 55～261.
21　罗云波 ,食品生物技术导论. 北京 :中国农业大学出版社 , 2002,
353～373.
22　唐英章 ,现代食品安全检测技术. 北京 :科学出版社 , 2004, 355
～388.
23　赵杰文 ,等 ,现代食品检测技术. 北京 :中国轻工业出版社 , 2005,
238～286.
24　邓平建 ,转基因食品安全性和营养质量评价及验证. 北京 :人民
卫生出版社 , 2003, 133.
25　邱苗苗 ,张伟玉 ,等. 生物技术通报 , 2007, (1) : 74～77.
26　刘燕华. 中国生物工程杂志 , 2007, 27 (7) : 4～6.
55