生物技術(shù)在環(huán)境問題中的應(yīng)用

生物技術(shù)在環(huán)境問題中的應(yīng)用

生物技術(shù)在食品生產(chǎn)中的應(yīng)用已經(jīng)使用了幾個世紀。主要采用微生物發(fā)酵法生產(chǎn)了許多傳統(tǒng)的食品，如面包、奶裙、奶裙、啤酒、鑒于人類生活，它們總是與人類生活密切相關(guān)。作為21世紀高新技術(shù),生物技術(shù)對解決人類面臨的食物、資源、健康、環(huán)境等重大問題將發(fā)揮越來越大的作用。近10多年是世界生物技術(shù)迅速發(fā)展時期,無論在基礎(chǔ)研究方面還是在應(yīng)用開發(fā)方面,都取得了令人矚目的成就,其研究成果越來越廣泛地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、輕工食品、海洋開發(fā)及環(huán)境保護等多個領(lǐng)域。根據(jù)國內(nèi)外食品工業(yè)領(lǐng)域中生物技術(shù)的研究應(yīng)用狀況,對生物技術(shù)在功能食品、食品疫苗、新食物資源、海洋資源開發(fā)利用和啤酒工業(yè)等方面的研究進展作了闡述。1生物調(diào)控技術(shù)在其他方面的應(yīng)用功能食品是指具有與生物防御、生物節(jié)律調(diào)整、防止疾病、恢復(fù)健康等有關(guān)的功能因素,經(jīng)設(shè)計加工,對生物體有明顯調(diào)整功能的食品。從本質(zhì)上講,功能食品是能夠刺激和活化處于誘病態(tài)的人體潛在的生理調(diào)節(jié)機能,促進人體向健康態(tài)轉(zhuǎn)變的食品。從廣義上來看,功能食品包括一些膳食添加劑、蔗糖代用品、脂肪代用品、營養(yǎng)強化食品、果蔬類、低脂肉、低脂牛奶、低熱量食物,以及其他各種各樣有藥用功能的食品,有的更制成片狀或膠囊狀,趨向于藥物形態(tài)。功能食品具有以下作用:①具有食品的形態(tài),可按通常的方法取食;②具有明確的生理調(diào)節(jié)功能目標;③含有功能因子成分,在人體內(nèi)的生化、生理機理明確;④攝食后體現(xiàn)具體功能。隨著人們生活水平的提高和對疾病研究的發(fā)展,人們不僅希望長壽,更希望是健康的長壽。生物技術(shù)在改善食品營養(yǎng)組分、防止營養(yǎng)成分損失、生產(chǎn)特定營養(yǎng)補充劑等方面具有重要作用。首先,在改善原料營養(yǎng)組分上,生物技術(shù)可充分發(fā)揮其功能和效率。如利用基因工程去除大豆脹氣因子,提高馬鈴薯固形物含量、大豆異黃酮含量、谷物賴氨酸含量和水稻的胡蘿卜素含量以及植物油組成中不飽和脂肪酸的比例等,生產(chǎn)高異黃酮大豆、無腥味大豆、高胡蘿卜素稻米、高蛋白甜馬鈴薯和稻米、強化維生素A的植物油、強抗氧化性的水果和蔬菜等,滿足人類對各種營養(yǎng)的需求。其次,在防止食品營養(yǎng)成分損失及改善食品的營養(yǎng)品質(zhì)上,生物技術(shù)具有常規(guī)食品加工技術(shù)所不具備的優(yōu)勢。在加工過程中可采用酶技術(shù)對食品的品質(zhì)進行改良,如利用谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶處理大豆蛋白,提高大豆蛋白的凝膠性、降低寡肽的苦味等。第三,在生產(chǎn)特定營養(yǎng)補充劑方面,生物技術(shù)潛力巨大。利用發(fā)酵技術(shù)和酶技術(shù)可生產(chǎn)雙歧桿菌增殖因子,如低聚果糖、低聚半乳糖、低聚甘露糖、低聚木糖等;利用酶技術(shù),如木聚糖酶、β-葡聚糖酶、α-淀粉酶及其它降解細胞壁的酶類可生產(chǎn)膳食纖維素;利用酶技術(shù)可生產(chǎn)各種活性肽,如降壓肽、抗氧化肽、減肥肽、預(yù)防肝性腦病肽和心血管疾病肽等,提高人類的營養(yǎng)水平和健康狀況。在美國,功能食品的年銷量為2500億美元,占美國食品市場的50%;在歐洲,其功能食品市場跟美國相同,年銷量也為2500億美元;日本則為600億美元;中國功能食品的發(fā)展也十分迅速,每年的銷售額大約為2000億元人民幣。2種動物疫苗的研究與開發(fā)在科技高速發(fā)展的今天,一種集飲食與防病治病為一體的疫苗食品正在國內(nèi)外悄然興起。食品疫苗是將某些致病微生物的有關(guān)蛋白質(zhì)(抗原)基因,通過轉(zhuǎn)基因技術(shù)導(dǎo)入某些植物或動物受體細胞中,并使其在受體細胞中得以表達,從而使受體植物或動物直接成為具有抵抗相關(guān)疾病的疫苗。食品疫苗對增進人類健康和長壽具有積極的意義。食品疫苗與傳統(tǒng)的注射疫苗相比,有更大的優(yōu)越性,如成本低、安全性好,易推廣等。現(xiàn)在這一研究已取得了令人鼓舞的成果。英國一位生物遺傳學(xué)家應(yīng)用植物細胞嫁接抗原基因的技術(shù),已培育出一種可以預(yù)防霍亂的苜蓿苗,通過對小白鼠喂養(yǎng)實驗證實,其免疫功能令人滿意;美國的研究人員已成功地培育出攜帶白喉抗原的蘿卜及預(yù)防其他一些疾病的馬鈴薯、甘藍、番茄等,人們食用后免疫效果都很理想;美國康奈爾大學(xué)最近又培育成功一種香蕉,人只要吃上一支,就可以像注射疫苗一樣,避免乙肝、霍亂和細菌性痢疾等傳染病的侵襲。此外,開發(fā)動物疫苗食品是一個新興的領(lǐng)域,其開發(fā)技術(shù)是將制造疫苗、醫(yī)藥品和激素等的抗原目的基因轉(zhuǎn)移到動物體內(nèi),當(dāng)動物生長發(fā)育后,獲得的乳品、肉類食品,也含有珍貴的人體蛋白基因,經(jīng)常食用可以預(yù)防、治療各種疾病。美國科學(xué)家利用基因重組技術(shù),讓奶羊的乳汁中含有TPA,對預(yù)防心臟病、溶血栓,效果極佳;美國一家飲食公司,還培育出乳汁富含人體蛋白的母山羊,其乳汁中含有的抗蛋白酶可防治肺氣腫。美國的疫苗食品開發(fā)技術(shù)在世界居于領(lǐng)先水平,目前已成功地將外源疫苗基因植入大麥、玉米及綿羊體內(nèi)。我國也已通過花粉管通道使外源疫苗導(dǎo)入植物細胞的方法,在多種農(nóng)作物上進行疫苗食品的試驗。此外,我國科學(xué)家也致力于動物食品疫苗的研究與開發(fā)工作,以肽類食品疫苗最為引人注目。已推出了含有治療心肌梗塞和血栓的組織纖維蛋白溶酶原活化劑,治療嚴重貧血的肽類生長素等食品疫苗已成為新一代高檔次營養(yǎng)品。目前,疫苗食品的研制開發(fā)還有許多技術(shù)性障礙難以克服,但這一技術(shù)一旦被突破,人們將為自身的健康長壽創(chuàng)造出更多、更豐富的疫苗食品,開創(chuàng)一類嶄新食源。米糠、麥麩、酒糟等農(nóng)副產(chǎn)品進行精深加工后制成的各類強化膳食纖維食品添加劑和以蔬菜為原料精制而成的纖維香菜,不僅為“現(xiàn)代文明病”的防治帶來福音,而且節(jié)約資源,提高了農(nóng)副產(chǎn)品附加工值,保護了環(huán)境,其開發(fā)前景廣闊。3海洋生物技術(shù)的利用海洋中有豐富的資源。目前,人類開發(fā)利用的海洋資源,主要有海洋化學(xué)資源、海洋生物資源、海底礦產(chǎn)資源和海洋能源4類。海洋中有20多萬種生物,其中動物18萬種,包括16000多種魚類。海洋生物是十分重要的食品資源,傳統(tǒng)的海洋食品產(chǎn)業(yè)處于一種粗加工的狀態(tài),不但產(chǎn)品附加值低,而且資源得不到充分利用,使得許多海洋食品資源處于自生自滅的狀態(tài)。近10年來,隨著生物技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用于海洋食品加工業(yè),海洋食品資源的綜合利用進入一個全新的歷史時期。概括起來有以下幾個方面。3.1闡明海洋生物的特殊功能,探索有價值的海洋生物。海洋生物在多年的進化過程中獲得了不同于陸地動植物的生存能力,如耐鹽性、耐寒性、耐高壓及高滲透性、光合成、固氮、發(fā)光、吸磁性等。海洋生物技術(shù)為揭示這些獨特生存能力的奧秘提供了新的工具,也為發(fā)現(xiàn)極端條件下具有特殊能力的有價值的新的海洋生物提供有力的技術(shù)支撐。3.2利用海洋生物技術(shù)發(fā)展海水養(yǎng)殖業(yè),培育各種海洋魚類、貝類、蝦類、蟹類和海洋藻類等,達到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn),增加海產(chǎn)食品資源的有效供給,降低生產(chǎn)成本,提高海水養(yǎng)殖效益。這方面主要包括組織培育及細胞工程育苗研究,蝦、貝類三倍體育種技術(shù)的研究,海洋生物基因工程育種研究;海水養(yǎng)殖動物雌核發(fā)育和性別控制研究。目前,我國已經(jīng)建立了大型海藻良種克隆純培養(yǎng)及保存技術(shù)、海藻生物反應(yīng)器育苗技術(shù)、對蝦、牡蠣、扇貝、珠母貝等的多倍體誘導(dǎo)培育技術(shù)等,已建成國家級紫菜種質(zhì)和國家科技興海寧波轉(zhuǎn)移中心,及其下屬的南北3個紫菜種苗生產(chǎn)基地。另外,對蝦性控技術(shù)、全雌牙鲆種苗培育、名貴的石斑魚性控研究方面也取得重要進展。3.3利用酶技術(shù)將低值魚加工成調(diào)味水解蛋白和復(fù)合氨基酸營養(yǎng)液等,不但資源得到充分利用,而且產(chǎn)值成倍、甚至10幾倍的增長。3.4利用海洋生物技術(shù)發(fā)展海洋保健食品業(yè)。用分離純化技術(shù)從海洋生物中分離純化出功能保健因子,加工成功效明確的海洋保健品。使海洋資源向高附加值、低資源成本方向發(fā)展。如利用現(xiàn)代分離技術(shù)從魚骨及魚翅骨中分離出軟骨素、粘多糖等具有功能保健因子的物質(zhì),加工成高附加值的功能食品。海洋生物技術(shù)作為海洋生物資源開發(fā)和利用的關(guān)鍵技術(shù),近20年來取得了長足的發(fā)展,顯示了強大的生命力和十分廣闊的前景。盡管我國海洋食品生物技術(shù)起步較晚,與先進國家相比技術(shù)相對落后,但它對傳統(tǒng)的水產(chǎn)品加工業(yè)產(chǎn)生了重大影響。世界沿海各國都認識到海洋生物技術(shù)在開發(fā)和利用海洋生物資源中的重要作用,紛紛加大投資力度,研究和開發(fā)海洋生物技術(shù)和海洋生物資源。4啤酒釀酒工業(yè)自身的問題啤酒行業(yè)的基礎(chǔ)是傳統(tǒng)生物技術(shù)的延續(xù)和完善,在長期發(fā)展過程中,其生產(chǎn)規(guī)模不斷擴大。啤酒產(chǎn)量的急劇增長滿足了人們生活所需的同時,也面臨著一些啤酒工業(yè)自身無法克服的難題,比如:糧食需求越來越大、能源消耗越來越多、環(huán)保問題越來越突出等,因此,從某種意義上講,啤酒釀造業(yè)的快速發(fā)展,也加速了對人類生存資源的掠奪。21世紀的啤酒工業(yè)如何實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,現(xiàn)代生物技術(shù)或許可以給我們一個滿意的答案。4.1啤酒酵母菌種啤酒消費的高峰期是夏季,而啤酒酵母菌最佳發(fā)酵溫度卻要求低溫,這需要大量的能源,節(jié)約能源也是啤酒業(yè)的一個現(xiàn)實課題。今后啤酒工業(yè)在開發(fā)新的酵母菌資源方面,重點是研究開發(fā)各種極端條件下的酵母菌,比如:耐高溫啤酒酵母,即可在常溫下進行正常發(fā)酵的啤酒酵母;嗜殺活性廣泛的啤酒酵母,即可在發(fā)酵過程中淘汰野生的酵母,防止污染,實行純種定向發(fā)酵的啤酒酵母。另外,還可通過基因工程改良、創(chuàng)造、選育啤酒酵母新菌株。4.1.1高發(fā)酵度的酵母菌株從許旺氏酵母屬將編碼糖化酶的基因轉(zhuǎn)化到啤酒酵母中,主要是提高酵母分解麥芽三糖的能力,提高啤酒的發(fā)酵度,此類菌株主要用來做干啤和高濃稀釋酒(淡爽型啤酒)。4.1.2具有β-葡聚糖酶的酵母菌種將木霉或枯草芽孢桿菌編碼β-葡聚糖酶的基因轉(zhuǎn)移到啤酒酵母中,使啤酒中的高分子β-葡聚糖得以分解,降低啤酒粘度,加快啤酒過濾速度。4.1.3改善酵母凝聚性的菌種將控制凝聚性的基因轉(zhuǎn)移到非凝聚性酵母中,改善其凝聚性,發(fā)酵后便于收集酵母,啤酒過濾快。4.1.4產(chǎn)生胞外蛋白酶的菌種將野生酵母中編碼胞外蛋白酶的基因克隆到啤酒酵母中,發(fā)酵時蛋白酶分泌到細胞外,將高分子蛋白質(zhì)分解,有利于提高啤酒的非生物穩(wěn)定性。4.1.5具有α-乙酰乳酸脫羧酶的酵母菌株啤酒酵母本身不含α-乙酰乳酸脫羧酶,將枯草芽孢桿菌編碼α-乙酰乳酸脫羧酶的基因克隆或整合到啤酒酵母中,可大大減少雙乙酰的形成。4.1.6能消除自由基的酵母菌株將桑蠶的這一基因克隆到啤酒酵母中,能有效消除啤酒中的自由基,提高啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性。4.1.7增加SO2含量的菌株酵母的MET10基因編碼一種亞硫酸鹽還原酶所必需的多肽,此酶使SO2及其化合物斷裂,阻止其在細胞中聚集。通過基因工程將酵母菌株的MET10基因失活,使其失去了亞硫酸鹽還原酶活性,在發(fā)酵中產(chǎn)生較多的亞硫酸鹽及SO2,SO2及亞硫酸鹽作為一種抗氧化劑,在啤酒中含量增加對啤酒的穩(wěn)定性有利,用此種酵母生產(chǎn)的啤酒的風(fēng)味穩(wěn)定性比用常規(guī)酵母高得多。4.1.8將大麥的α-淀粉酶基因轉(zhuǎn)入啤酒酵母,利用這種酵母生產(chǎn)啤酒的過程中,就不需要再添加α-淀粉酶液化谷物淀粉,省去了液化工序。4.1.9將霉菌的淀粉酶基因轉(zhuǎn)入大腸桿菌,并進一步轉(zhuǎn)入酵母中,利用這種酵母可直接發(fā)酵淀粉生產(chǎn)酒精,省掉了高壓蒸煮工序,縮短了生產(chǎn)周期,節(jié)能60%左右。通過這些工作的進一步展開,使我們能夠科學(xué)地控制啤酒酵母的遺傳特性,使其變得符合要求,使啤酒釀造技術(shù)更為合理,便于控制。4.2糧食替代培養(yǎng)基我國是一個人口大國,同時又是一個可耕土地相對貧乏的國家,節(jié)約糧食在我國經(jīng)濟發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略意義。研究利用糧食的替代品釀酒是啤酒工業(yè)面臨的一個有重大意義的課題。利用糧食替代品釀造啤酒當(dāng)首選纖維素。纖維素是自然界存量最多的有機物,僅就谷物秸稈一項,我國每年就有3億噸以上。某些真菌,如:平菇、香菇、金針菇、黃曲霉、紅曲霉、米曲霉等等對纖維素有很強的轉(zhuǎn)化功能。如果利用現(xiàn)代基因工程技術(shù)將這些真菌中控制纖維素酶合成的基因分離出來,并將它轉(zhuǎn)移到啤酒酵母中去,使啤酒酵母也具備利用纖維素產(chǎn)酒精的能力,這樣就可以利用了纖維素原料代替麥芽、大米等來釀造啤酒了。4.3生物酶水不溶酶一提到啤酒廠,人們首先聯(lián)想到的是熱氣騰騰的糖化爐、一排排高聳入云的發(fā)酵罐。隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的應(yīng)用,將來的啤酒廠或許見不到這些設(shè)備了。而這一切要得益于固定化酶和固定化細胞技術(shù)的日益成熟及大規(guī)模應(yīng)用。固定化酶的含義有兩個方面:一是由水溶性酶與不溶性載體結(jié)合,形成不溶于水的酶的衍生物,故也稱為“水不溶酶”;二是可溶性酶置于具有半滲透超濾膜的反應(yīng)器中,高分子底物與酶在超濾膜一邊,而被酶分解的小分子可透過膜分離出來,酶本身仍是可溶性的,只不過被固定在一個限定的空間不能自由移動。固定化細胞是將微生物細胞限制于一個特定空間區(qū)域內(nèi),保持其催化活性,并能被重復(fù)或連續(xù)使用的完整細胞,根據(jù)細胞的活力可分為死的、休眠態(tài)的和生長中的3類。固定化酶和細胞的制備方法大體相似,我國在實驗室研究頗多,但大規(guī)模工業(yè)制備工業(yè)應(yīng)用尚不多,由于工業(yè)生產(chǎn)上應(yīng)用的固定化酶和細胞要具有穩(wěn)定性、安全性和經(jīng)濟性以及反應(yīng)的長持續(xù)性。固定化技術(shù)應(yīng)用在改造啤酒中,就是把糖化酶及啤酒酵母細胞通過物理或化學(xué)方法束縛在一些經(jīng)過處理,疏松并具有微小孔隙的固體物質(zhì)上,如:陶瓷、玻璃、木炭、纖維等等,制成可使用方便、十分經(jīng)濟、幾乎不占空間的啤酒生物反應(yīng)器。原料從生物反應(yīng)器的一邊流進來,從另一邊流出的則是啤酒。啤酒生產(chǎn)周期將縮短,產(chǎn)品質(zhì)量、理化指標、衛(wèi)生指標將提高,能源消耗將大幅度減少。4.4廢:用現(xiàn)代生物技術(shù)解決啤酒“三廢”問題21世紀的人類同樣面臨著兩大問題:一個是生存