生物工程技术改善食品品质

食品的功能性质是指该成分除营养性质以外能影响其使用价值的任何性质。大多数功能性质，不仅影响着食品的感官，而且在决定食品成分在加工和储藏中的物理性质方面也起着重要作用。利用基因工程技术可改善植物品种，提高食品品质。

1.油脂改良

食用油有三个重要的质量指标，即营养价值、氧化稳定性和功能性，植物油脂是主要的食用油，大豆和油菜籽含油量越高越为油脂生产厂家青睐。但这三个标准之间存在着矛盾，含较多高不饱和脂肪酸的食用油对人体健康有益，但氧化稳定性差；制造人造奶油等需要高熔点的植物油，但这种油通常含高比例的饱和脂肪酸成分。为了获得氧化稳定、不饱和程度高的食用、食品用油，常采用的方法是对植物油进行氢化处理，但会产生反式脂肪酸，这对人体不利。

基因工程技术与传统的育种方法结合为人们提供了改善植物油脂质量的新途径，它不仅可增加植物油脂组成中不饱和脂肪酸的比例，还提供对人体健康有益的植物油。植物油的脂肪酸成分主要包括油酸、亚油酸、亚麻酸等，各种脂肪酸含量很大程度上影响油的营养价值和经济价值。通过抑制或增加油脂生物合成中特定的关键酶，制备1～2个主要脂肪酸含量少或占优势的植物油。例如，美国DuPont公司通过反义技术抑制油酸酯脱氢酶，成功开发高油酸含量的大豆油，这种新型油含有80%以上的油酸，而且有良好的氧化稳定性，很适合用作煎炸油和烹调油。通过现代生物工程技术改变脂肪酸的成分，对于食用和工业用途都有很大的影响，如导入硬脂酸-ACP脱氢酶的反义基因的转基因油菜，其种子中硬脂酸的含量从2%增加到40%；而将硬脂酰CoA脱饱和酶基因导入作物后，可使转基因作物中的饱和脂肪酸的含量有所下降，而不饱和脂肪酸的含量则明显增加。美国Calgene公司开发高硬脂酸含量的大豆油和芥花菜油，新的大豆油和芥花菜油将含30%以上的硬脂酸，这些新油可以取代氢化油用于制造人造奶油、液体起酥油和可可脂替代品，而不含氢化油中含有的反式脂肪酸。

2.蛋白质改良

植物性食物中的谷类和豆类是人体蛋白质的重要来源，谷类种子中含有10%～15%蛋白质，豆类种子中蛋白质含量高达30%左右，但谷类蛋白中往往因缺乏赖氨酸而使其营养价值降低，豆类蛋白中则因缺乏蛋氨酸而影响其营养价值。利用基因工程技术改善植物种子，可直接增加谷类和豆类蛋白质中的赖氨酸和甲硫氨酸，是提高植物性蛋白质营养价值最有效的方法。在植物蛋白质改良方面主要有两个目标。一是提高必需氨基酸的含量，常采用基因技术改变食物中各种蛋白质的生物合成途径，从而使谷物和豆类的储存性蛋白质中的赖氨酸和甲硫氨酸的数量增加；还可以利用外源基因的表达来合成高含量的必需氨基酸，平衡谷类和豆类食物中的氨基酸比例。豆类植物的主要储存蛋白质——球蛋白中的甲硫氨酸含量很低，它是豆类食品的第一限制性氨基酸，但豆类中赖氨酸含量却较高，与谷物中的蛋白质正好相反。通过基因工程技术，可将谷物类植物基因导入豆类植物，开发甲硫氨酸含量较高的转基因大豆。另外，我国学者把从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入马铃薯中，使转基因马铃薯块茎中的必需氨基酸提高了10%以上。美国的Demeter Biotechnology公司和Tuskegee大学合作，已成功将控制植物蛋白的基因导入甘薯，获得了高蛋白质质量和数量的转基因甘薯。此外，通过根瘤农杆菌介导将拟南芥和豌豆2s白蛋白基因和巴西坚果富含甲硫氨酸蛋白基因转入油菜获得的转基因油菜，蛋白质总量成倍增加，甲硫氨酸和赖氨酸含量显著提高。二是改善蛋白质的加工性能，如美国Florida Gainesville大学的科学家将外来的高分子质量面筋蛋白基因导入一普通小麦中，获得了高分子质量面筋蛋白质含量更高的小麦，这样的小麦面粉具有良好的延伸性和弹性。

3.碳水化合物改良

通过基因工程调控淀粉合成能力就可以有选择性地控制作物淀粉含量。一方面，控制淀粉合成的碳流，可生成其他贮藏物质，如改变脂类和蛋白质等的积累。同时，贮藏器官淀粉合成能力的下降或丧失可使碳流从蔗糖通道经遗传操作引入其他途径。另一方面，有些作物通过遗传工程增加贮藏器官淀粉积累的能力，增加干物重。最近，有人将玉米中的AGP现5P基因导入小麦中，发现新基因可以促进小麦籽粒淀粉的合成。通过反义技术抑制淀粉酶基因则可获得完全只含直链淀粉的转基因马铃薯，如Monsanto公司开发了直链淀粉含量平均为20%～30%的转基因马铃薯，油炸后的马铃薯产品风味更强、质地更好、吸油量少、油味少。目前，基因工程改良淀粉品质主要通过抑制一种特殊同工酶或者某些淀粉生物合成酶的活性实现，这种方法以改变酶调节系统或消除特异性酶之间的交互作用为基础。当得到越来越多的有关淀粉生物合成酶的重要功能信息后，这种改变生物合成途径方法将不是抑制特殊基因的活性和表达，而是改变这些活性之间的相互协调作用。Tiessen等发现在马铃薯块茎中，在蔗糖浓度高的情况下，酶量减少但活性增加，有利于淀粉的合成。虽然上述发现尚有待进一步研究，但磷酸化与淀粉合成关键酶的交互作用对淀粉合成的影响是肯定的，这种互交作用的改变可能对淀粉的结构产生新的变化。

4.食品风味的改善

在食品工业中，抗氧化剂、增鲜剂、酸味剂、甜味剂和食品强化剂等的广泛应用，对改良食品的风味起到积极的作用。利用细胞杂交和细胞培养可生产有独特香味和风味的食品添加剂，如香草素、可可香素、菠萝风味剂及高级的天然色素，如咖喱黄、类胡萝卜素、紫色素、花色苷素、辣椒素、靛蓝等。例如，基因工程菌E.coli生产玉米黄素最高产量达2891μg/g。食品风味增强剂，如谷氨酸、乳链菌素、苏氨酸等均可用微生物发酵法生产。又如，采用细胞分离法分离出香草植物细胞，然后进行人工培养，使其繁殖，提取出的香味物质与植物栽培的相同，但产量有明显提高。利用现代发酵技术生产不同用途、品种多样的食品添加剂是新趋势，如：甜味剂木糖醇、甘露醇、阿拉伯糖醇、甜味多肽等；酸化剂中的苹果酸、琥珀酸等；稠化剂黄原酸、热凝性多糖等；风味添加剂多种核苷酸、双乙酰、异丁醇等；香味剂脂肪酸酯；类胡萝卜素、红曲色素维生素、各种保健活性菌、活性多肽、活性多糖、超氧化歧化酶抑制因子等。(www.xing528.com)

5.微量元素和功能成分改良

人体因缺乏必要的微量元素和营养物质而致病的人数惊人，主要是缺铁、碘和维生素A。而缺铁和缺少维生素A造成的疾病主要发生在以大米为主食的地区，因为大米不含维生素A的前体胡萝卜素；含铁很少，却含妨碍铁元素再吸收的物质。德国科学家英戈·比特利库斯和彼得·拜耳成功地从水仙、真菌、豆子等中找到4种促进新陈代谢的酶，移植到普通水稻中，培育出了“金米”稻种，赋予了大米缺少的铁元素和维生素A。这种新型的转基因水稻含有胡萝卜素，米粒金黄，被誉为“金米”。英国伦敦大学的皮得·布拉意利教授将来自细菌的番茄红素和β-胡萝卜素等类胡萝卜素的生物合成基因及类胡萝卜素合成原料的异戊烯腺嘌呤焦磷酸（IPP）的合成途径酶-酵母的IPP异构酶（IPPI）基因导入番茄中，促使番茄中的八氢番茄红素转化为番茄红素，这种物质能显著促进胡萝卜素的合成，从而使转基因番茄的番茄红素和类胡萝卜素含量最高可达普通番茄的3.5倍，获得富含胡萝卜素的转基因番茄新品种。Shi mtani等利用基因组学的方法从拟南芥中克隆γ-维生素甲基转移酶，该酶是维生素E合成代谢中最后的关键酶。将该基因导入油料作物中表达，种子中大量的γ-维生素前体转化成a-维生素，因此，提高了a-维生素的水平，改善了油料作物的营养价值。

6.有害成分的去除

天然食物中含有多种对食品品质产生不利影响的化学成分，如大豆中的蛋白酶抑制剂、大米等食物中的过敏原蛋白及能引起番茄等果蔬食品变软腐烂的水解酶。利用基因工程技术可降低或去除食品中对人体不利的化学物质，通常采用反义核酸（anti sense RNA）技术。例如，通过对大米中一种能引起过敏反应的蛋白质的研究，分离出编码该过敏源蛋白的mRNA，并建立相应的cDNA文库，测定该基因的碱基序列，将连接有启动子和终止子的与过敏原蛋白基因碱基互补的反义基因导入食品中，由于反义基因能产生与正常过敏蛋白基因mRNA互补的RNA链，并与正常过敏蛋白基因mRNA结合形成双链RNA，阻止该基因的mRNA翻译成相应的蛋白质，从而达到降低和去除该过敏源蛋白的目的。

7.食品微生物改良

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方法外，还可采用基因工程方法改造菌种。双乙酰是影响啤酒风味的重要物质，当啤酒中双乙酰含量超过阈值时，就会产生一种令人不愉快的馊饭味，严重影响啤酒的风味与品质。去除啤酒中双乙酰的有效措施之一就是利用乙酰乳酸脱羧酶，但由于酵母菌本身没有该酶活性，利用转基因技术可将外源乙酰乳酸脱羧酶基因导入啤酒酵母中并使其表达，是降低啤酒中双乙酰含量的有效途径。基因工程技术还可以将霉菌的淀粉酶基因转入大肠杆菌，并将此基因进一步转入酵母细胞中，使之直接利用淀粉生产乙醇，省掉高压蒸煮工序，可节约60%能源，生产周期大为缩短。

8.生产保健食品及特殊食品

保健食品及特殊食品的生产及发展有赖于基因工程技术，如将一种有助于溶解血栓的组织型纤溶酶原激活酶基因克隆至牛或羊中，便可在牛乳或羊乳中产生这种酶。用转基因植物生产基因工程疫苗——食品疫苗，是当前食品生物技术研究的热点。食品疫苗就是将某些致病微生物的有关蛋白质（抗原）基因，通过转基因技术导入某些植物受体细胞中，并使其在受体细胞中得以表达，从而使受体植物直接产生具有抵抗相关疾病的疫苗。目前，已获成功的有狂犬病病毒、乙肝表面抗原、链球菌突变株表面蛋白等10多种转基因马铃薯、香蕉、番茄的食用疫苗，由于这些重组蛋白基因可以长期地储存于转基因植物果实或的种子中，十分有利于疫苗的保存、生产、运输和推广。番茄作为生物反应器展示了良好的应用前景，目前可以利用番茄生产人胰岛素、人胰高血糖素样肽1（GLP 1）、葡激酶（staphylokinase，SAK）、人成纤维细胞生长因子21（FGF2 1）等产品。随着市面上推出的番茄品种逐渐增多，由于生食口感更好，转基因番茄口服疫苗的发展也迎来了新的机遇，多种番茄口服疫苗的研究均已取得成果。