基因工程与食品工程菌种改良

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基因工程与食品工程菌种改良

摘要：生物技术在食品生产中的应用已经有几个世纪，现在生物技术的蓬勃发展，极大推动了农业和食品工业朝高技术方向发展[1]。当代发酵食品工业是食品工业的重要组成部分，发酵工业的关键是优良菌株的获取，基因工程的出现，使得人工定向改造菌种成为可能，这给发酵工业带来生机[2]。本文综述了近年基因工程在改造食品工程菌方面的应用，并对转基因工程菌食品的安全性进行了探讨。

关键词：基因工程微生物食品应用安全

以DNA重组为核心内容的基因工程技术是一种新兴的现代生物技术。利用基因工程技术不但可以提高食品的营养价值，去除食物原料中的有害成分，同时还可以通过对农作物品种改良，减少种植过程中农药、化肥等化学品的使用量。目前，经基因工程改造的产品已经在农业、医药、环保等领域据了重要的地位，特别是在食品工业中越来越显示发展前景[1]。基因工程技术在食品领域的应用也取得了丰硕的成果, 并使食品的概念从农业食品、工业食品发展到了基因工程或微生物食品可以预言, 在二十一世纪, 以基因工程为核心的生物技术必将给食品工业带来深刻的革命[2]。

1基因工程的定义及其发展史

1.1基因工程的定义

基因工程是在分子水平上对基因进行操作的技术体系，是将某一种生物细胞的基因提出或者人工合成的基因，在体外进行酶切或连接到另一种生物的DNA 分子中。由此获得的DNA称为重组DNA，将重组DNA导入到自身细胞或其他生物细胞中进行复制和表达等实验手段，使之产生符合人类需要的遗传新特征，或制造出新的生物类型[3]。

1.2基因工程的发展史

基因工程是在分子生物学和分子遗传学综合发展的基础上逐步发展起来的，

现代分子生物学领域理论上的三大发现和技术上的系列发明对基因工程的诞生起了决定性的作用。

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，美国遗传学家莫尔根通过果蝇试验，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。直到1944年，美国微生物学家埃坲利等通过细菌转化研究，证明基因的载体是DNA而不是蛋白质，从而确立了遗传的物质基础。1953年，美国遗传学家华生和英国生物学家克里克揭示DNA分子双螺旋模型和半保留复制机理，解决了基因的自我复制和传递问题，开辟了分子生物学研究的时代。之后，1958年克里克确立的中心法则、1961年雅各和莫诺德提出的操纵子学说以及所有64种密码子的破译，成功揭示了遗传信息的流向和表达问题，为基因工程的发展奠定了坚实的基础。

DNA分子的切除与连接、基因的转化技术，还有诸如核酸分子杂交、凝胶电泳、DNA序列结构分析等分子生物学实验方法的进步为基因工程创立和发展奠定了强有力的技术基础。

1972年，美国斯坦福大学的Berg构建了世界第一个重组分子，发展了DNA 重组技术，并因此而获得1980年度诺贝尔奖。1973年，美国斯坦福大学S. Cohen 等人也成功地进行了另一个体外DNA重组实验并实现细菌间性状的转移。这是基因工程发展史上第一次实现重组转化成功的例子，基因工程从此诞生[3]。

基因工程问世近30年，无论是基因理论研究领域，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[4]。

2基因工程在改良微生物上的应用

发酵工业关键是优良菌株的获取，除选用常用的诱变、杂交和原生质体融合等传统方法外，还与基因工程结合，大力改造菌种，给发酵工业带来生机。食品工业如酒类、酱油、酱类、食醋、乳酸菌饮料[5]等的发展，关键在于是否有优良的微生物菌种，应用基因工程、细胞融合及传统微生物突变育种技术从事发酵菌种的改良研究已为数不少。

2.1 乳酸菌的改良和应用

乳酸菌(Lactic acid bacteria)常被用于食品发酵加工上，不但富含营养且

具有降低胆固醇、低热量等优点。Rugter等人将噬菌体中的LytA及LytH基因和NisA启动子连接后，转移至1 Lacbis（ACBIS就是经由粒状陶瓷球流动相互碰撞之后产生微弱的电子能量，并且依流动电解法的原理,使水的渗透力,表面张力,氧化还原电位等物性改变的活水装置）中，得到一株安定的转性株。当乳酸链球菌素(乳链菌肽)加入后，就会启动NisA启动子，使之产生溶菌酶LytA及穿孔素蛋白质LytH。LytH会使细胞膜形成孔洞，而LytA由这些孔洞渗透出来后即可行使分解细胞壁的功能，最后导致细胞壁快速有效分解[6]。将此基因与形成风味剂的基因(如肽酶、酯酶及氨基酸转化酶)合用，在食品工业应用上具有很大的吸引力，其商业化指日可待。

2.2 改善酱油的品质与风味

酱油风味的优劣与酱油在酿造过程中所生成氨基酸的量密切相关, 而参与此反应的羧肽酶和碱性蛋白酶的基因已克隆并转化成功, 在新构建的基因工程菌株中碱性蛋白酶的活力可提高5倍, 羧肽酶的活力可大幅提高13倍[7]。酱油制造中和压榨性有关的多聚半乳糖醛酸酶、葡聚糖酶和纤维素酶、果胶酶等的基因均已被克隆,当用高纤维素酶活力的转基因米曲霉生产酱油时, 可使酱油的产率明显提高。

另外, 在酱油酿造过程中, 木糖可与酱油中的氨基酸反应产生褐色物质, 从而影响酱油的风味。而木糖的生成与制造酱油用曲霉中木聚糖酶的含量与活力密切相关。现在, 米曲霉中的木聚糖酶基因已被成功克隆。用反义RNA 技术抑制该酶的表达所构建的工程菌株酿造酱油, 可大大地降低这种不良反应的进行, 从而酿造出颜色浅、口味淡的酱油, 以适应特殊食品制造的需要。

2.3 啤酒的风味品质改造

啤酒制造中对大麦醇溶蛋白含量有一定要求,如果大麦中醇溶蛋白含量过高就会影响发酵, 容易使啤酒产生混浊, 也会使其过滤困难。采用基因工程技术, 使另一蛋白基因克隆到大麦中, 便可相应地使大麦中醇溶蛋白含量降低, 以适应生产的要求。

双乙酰是影响啤酒风味的重要物质, 当啤酒中双乙酰的含量超过阈值时, 就会产生一种令人不愉快的馊酸味, 严重破坏啤酒的风味与品质。双乙酰的产生与还原贯穿整个啤酒发酵过程,在正常的发酵过程中, 双乙酰是由啤酒酵母细胞产生的A2乙酰乳酸经非酶促的氧化脱羧反应自发产生的[8]。去除啤酒中双乙酰

的有效措施之一就是利用A2乙酰乳酸脱羧酶。但由于酵母细胞本身没有该酶活性, 因此, 利用转基因技术将外源A2乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母细胞, 并使

其表达, 是降低啤酒中双乙酰含量的有效途径。

Sone等用乙醇脱氢酶的启动子和穿梭质粒载体Yep 13 将产气肠杆菌A2乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母, 并使其表达。当用此转基因菌株进行啤酒酿造时, 可使啤酒中的双乙酰含量明显降低, 且不影响其他的发酵性能和啤酒中的正常

风味物质。但由于用此法所构建的基因工程菌株中A2乙酰乳酸脱羧酶基因是存在于酵母的质粒而不是染色体上, 因而使该基因易于随着细胞分裂代数的增加而

发生丢失, 造成性能的不稳定。因此, Yam ano 等将外源的A2乙酰乳酸脱羧酶整合入啤酒酵母的染色体中, 从而构建了能稳定遗传的转基因啤酒酵母。使用这种转基因酵母酿制啤酒, 也能明显地降低啤酒中的双乙酰含量, 而且不会对啤酒

酿造过程中的其他发酵性能造成不良影响[9]。

3 基因工程食品的安全性问题

食品中的DNA及其降解产物对人体无毒害作用。任何基因都由4种碱基组成，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3．3×10-4—10×10-4μg/d，可见通过食用转基因食品而摄人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[10]。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。

4 基因工程食品的安全性管理

对转基因食品的安全性进行正确的评估和科学的管理，是生物技术发展所必须的。2001年1月29日《生物多样性公约》缔约国通过了《卡塔赫纳生物安全协定书》，将严格的知情同意程序即审批制度用于有意引入环境的转基因农产品。2001年5月9日，我国国务院第38次常务会议通过了《农业转基因生物安全管理条例》，同年5月23日，朱镕基总理签发了中华人民共和国国务院令(第304号)，对该条例予以公布，从公布之日起施行[11]。条例在1993年12月原国家科委颁布的《基因工程安全管理办法)的基础上，进一步给出了农业转基因生物的范围，对农业转基因生物的研究试验、生产加工、经营、进口出口以及监督检查都做出了详细的规定[12]。这保证了在以后对农业转基因生物的生产和管理上有法可依、

有据可循。

5 展望

随着生物化学和分子生物学的进一步发展，基因工程技术在食品工业中的应用日益广泛，这极大促进食品工业的发展，也为人类最终解决食物短缺、消除饥饿带来了希望，在食品工业上的应用具有极为广阔的前景和美好的未来。但对于发展基因工程技术必须持有谨慎的态度，因为这一高新技术的发展也有可能给人类带来潜在的负面影响。对于基因工程食品来讲，在进人市场之前必须经过充分的毒理学鉴定及安全性评价，向消费者确保它们的质量和安全，同时也需要考虑伦理道德方面的因素，充分尊重消费者的生活习惯。

参考文献

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