植物生理学通讯 38 卷第 3 期 , 2002 年 6 月第

296植物生理学通讯　第38卷第3期,2002年6

月

基因工程与食品工业

裴凌鹏　黄勤妮

(首都师范大学生物系,北京100037)

GeneticEngineeringandFoodIndustry

PEILing2Peng,HUANGQin2Ni(DepartmentofBiology,

CapitalNormalUniversity,Beijing100037)

提要　就基因工程在食品工业中某些方面的应用及其安全性作了简要介绍。

关键词　基因工程　基因食品　性状改良

　　基因是生物遗传和变异的基本单位。随着分子生物学的兴起和发展,人们对基因的结构和功能的研究日益深入,对基因的认识也从理论上的研究发展到可以用人工分离、合成和重建基因,从而建立基因工程学这一门高新技术学科。

所谓基因工程(geneticengineering)即用酶学方法将异源基因与载体DNA在体外重组后,再将形成的重组子转入受体细胞,制表达,1　　　品原料的加工、微生物菌种性能的改良、酶制剂生产、食品加工工艺、保健食品有效成分和农作物改良6个方面。1.1　食品原料的加工和改良　植物性食品原料的品质与食品质量关系极大,采用基因工程技术可改良原料的品质,提高食品质量。例如:改良的马铃薯比一般马铃薯固形物含量高[1];大豆或芥菜花经过改良后,其植物油中含不饱和脂肪酸较高,因而食用油的品质提高[1];谷物蛋白质中的氨基酸比例也可用基因工程方法加以改良,增加完全蛋白质的来源,提高其营养价值[1]。又如将玉米体内编码分子量为10000的醇溶蛋白基因导入马铃薯中,可提高后者茎中含硫氨基醇含量[2]。另外,用转基因方法还可控制果实软化、延缓蔬果成熟。例

[3]

如,美国Calgene公司Sheeg等将构建了含35SCaMV(cauliflowermosaicvirus)和反义PGDNA基因,先导入农杆菌中,再以这种菌感染子叶,基因转至番茄染色体中,转基因后的再生植株能产生反义PGRNA,其纤维素酶的活性降低70%～90%,而且易于保存,无需冷藏,货架期延长,风味增加,并有抗虫害能力。1.2　农作物性状的改良　20世纪末,人类采用基因工程技术能初步对农作物进行基因水平的改造。

其中对影响农作物营养的因子如:病毒、细菌、真菌、虫害、低温、干旱、高盐碱等的研究较为注意,目的在于想通过抗性基因结构、功能及进化、抗病及抗逆性的分子生物学过程的研究,能最终达到应用,增加产量,:方法分析转和、高盐、低温基因仅在低温,而DREB2可在干旱和高盐条件下诱导表达[4]。由于转录因子可以调控几个功能基因的表达,因而比采用逐个改良或导入基因获得抗性的传统方法更有效[4]。将两个转录因子通过转基因技术导入其它抗逆性差的植株中,即可提高其抗逆能力[4]。表1列举的是一些植物耐旱性基因工程的例子[5]。此外,用基因工程技术研究农作物的抗虫性,也已有报道(表2)[6]。1.3　微生物菌种性能的改良　面包酵母是最早采用基因工程改造的食品微生物。Lancashine[7]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高,面包加工中产生二氧化碳气体量提高,最终可生产出膨发性良好和松软可口的面包。又如,一般啤酒发酵生产是采用啤酒酵母,Lancashine[8]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,啤酒生产方式革新。　　此外,微生物界日益关注对特殊环境(高温、高寒、强酸、强碱等)条件下的极端菌种生理特征、物化特性以及基因功能的研究。对此已有报道[9]。　　研究者采用基因工程技术将极端微生物特性基因导入大肠杆菌中,使后者具有前者的特性功能。例如,Feller[10]将南极海洋耐冷型莫拉氏菌(moraxella)TA144的脂酶基因克隆至嗜温性大肠

收稿　2000212219　　　　修定　2001212203

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杆菌中,后者即具有脂解能力。

表1　植物耐旱性的基因工程[5]

基因

P5csP5csCodAMltdTPS1SacBHVA1Mn2SOD

基因产物

吡咯琳252羧基合成酶

吡咯琳252羧基合成酶胆碱氧化酶

甘露糖醇212磷酸酯脱氢酶海藻糖262磷酸酯合成酶果聚糖蔗糖酶Lea蛋白超氧歧化酶

供体乌头叶豆乌头叶豆球形节杆菌大肠杆菌酵母枯草杆菌大麦烟草

受体烟草拟南芥拟南芥烟草烟草烟草水稻苜宿

效果渗透调节渗透调节渗透调节渗透调节渗透调节渗透调节蛋白质保护抗氧化防御

表2　已经获得的抗虫转基因植物[6]

基因

Kurstaki修饰过的CryIA(b)

BtCryIA(b)3′末端切去646aaTi质粒35S

转基因植物玉米番茄水稻

效果

对照组和实验组每株接玉米螟(Ostrinianubilalis)幼虫300头后,转基因叶片极轻微斑点,无明显钻孔,而对照组叶片布满钻孔,甚至叶片消失。人工接种:转基因组有8.果受害;对照组有大田实验:4.1%(:,,;对照组:严重落叶,几乎是毁灭性的。

启动子

Actinpr/CpTI直接转化BtCryA

表3　基因工程改良的基因工程菌

乳杆菌属(Lactobacillus)乳球菌属(Lactococcus)

酿酒酵母(Saccharomycescerevisiae)

改良之处

提高细菌素合成

提高蛋白酶活性;避免噬菌体感染提高溶菌酶合成提高麦芽糖发酵

用途

提高乳制品生产,无污染物

乳制品生产中加速干酪熟化;同时使菌种稳定性提高可用于干酪生产,预防杂菌感染可用于啤酒生产,缩短发酵期

1.4　酶制剂生产的改良　随着基因工程技术的发

展,我们已可以按照需要定向改造酶,甚至创造新的酶[11]。目前,蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植酸酶等工业用酶均可采用基因工程技术进行生产和改良。例如Henahan[12]从地衣袍杆菌(Bacil2lus)中分离纯化的高产的淀粉酶基因,用限制性内切酶EcoRI降解DNA,克隆到质粒并将其转移到枯草杆菌淀粉酶的突变株中,用碘色反应在含淀粉的培养基上检测产酶的菌落。枯草芽孢杆菌重组体的基因又以同样方式引入生产菌株中,淀粉酶产量提高7～10倍,这在食品和酿酒工业中已广泛应用。又如翁丽星等[13]将类产碱假单胞菌(Pseu2domonaspseudoalcaloenes)的脂肪酶基因导入大肠杆菌HB101中,获得一株阳性PHZ1408,其产脂肪酶的水平可提高10倍。1.5　食品加工工艺的改良　如何提高加工中的牛乳热稳定性非常重要。一般牛乳的酪蛋白分子含有丝氨酸,易被磷酸化从而使酪蛋白表面带有大量阴离子,易结合钙离子而沉淀。Golman[14]用基因

工程技术,以丙氨酸代替丝氨酸,降低磷酸化,使蛋白不易与钙离子结合,从而提高牛奶的热稳定性,防止牛奶消毒中的沉淀现象。1.6　生产保健食品有效成分的改良　例如,Gol2man等[14]在牛奶中添加乳糖酶,充分使乳糖降解为半乳糖和葡萄糖,以利人体充分吸收,从而避免因乳糖无法穿透肠粘膜,以致滞留在大肠道中积聚水,造成腹胀或腹泻。又如美国Genzyme公司[15]将有利于血友病患者血液凝结中起溶血作用的抗凝血酶3转入乳山羊体内,羊乳中即可产生此酶

,可供人类饮用。2　安全性问题　　自1985年人类成功构建了转基因烟草以来,美国农业部(USDA)[16]已经批准的转基因植物田间实验已达2584例,其中耐除草剂作物的实验项目占27.6%、改善作物质量的占26.7%、抗虫作物占24.3%、抗病毒作物占10.4%、抗真菌作物占3.8%、其他作物占7.2%。目前一些国家(加拿大、美国、日本等)又相继批准转基因植物商品化。

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由于转基因产品具有常规育成品种所不具备

的优势,如产量高、抗虫性强、易消化、易保存等特点,会为商家带来巨额利润,甚至可以根本上解决世界贫粮问题,因此倍受媒体关注。转基因技术到底是好,是坏?它的安全性到底有无保障呢?从本质上讲,转基因植物和常规育成的品种是一样的,两者都是在原有品种的基础上对其部分性状进行改良,或增加新性状、或消除原来的不利性状。但两者差别在于前者跨越了种属界限,受体所接受的外源基因可来自植物、动物和微生物,而后者只限于种内或近缘种间。目前评价转基因植物所使用的依据主要有以下几点[17]:(1)促进而不是限制植物基因工程的发展,同时保障人类健康和生态环境;(2)采取个案分析原则;(3)逐步完善原则;(4)由监控管理趋向宽松化和简单化。对于转基因作物安全性问题可从环境安全性、食用安全性等多方面分析,本文仅对食品安全性作一简单分析。2.1　食品安全性　目前公认的食品安全性分析原则是世界粮食署(OECD)于1993等同性”原则。,关键营养成分及抗营养因子,[18]。一般认为转基因技术在食品原料、生产工艺中是可行和安全的,食品生产在严格监控下是安全的。但也难免出现一些预料不到的问题。例如Nebraska大学[17]发现表达巴西坚果2S清蛋白的大豆有过敏蛋白产生。

食品安全性中的另一个重要问题是标记基因的安全性评估。目前认为植物食品中标记基因的DNA水平转移至肠道微生物的可能性极小。如npt2基因和编码EPSPS的草甘膦抗性标记基因已被批准在商业化转基因植物中安全使用[19],又如世界卫生组织WHO(1991年)和联邦食品委员会FAD(1994年)均宣布卡那霉素标记基因本身无食用安全性问题[20]。2.2　我国转基因事业的现状　我国对棉花、玉米、大豆、番茄等作物曾进行过田间实验。1996年国家“863”项目中,以我国自主研制的转GFMCryIA杀虫基因的抗虫棉为对象,监测其杀虫蛋白在环境中的生态效应,同时建立了动物模型,通过转Bt杀虫基因抗虫棉花粉以及棉籽油对哺乳类和鱼类诱变活性检测以及毒理学和遗传毒理学的研究,得出

转Bt抗虫棉是安全的结论[21]。

此外我国基因工程技术在食品、制药、育种、环保等方面都有长足的进步。对于转基因问题,我们应注重理论研究和小规模的实验,不要盲目进行大规模的转基因工作。我国农业部门自1996年7月颁布《农业生物基因工程安全管理实施办法》起已受理了26项转基因植物安全评估申请。此外,农业部还于2001颁布了有关生物技术安全的相关法规。

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