食品基因技術現況與趨勢范文

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以DNA重組為核心內容的基因工程技術是一種新興的現代生物技術。利用基因工程技術不但可以提高食品的營養價值,去除食物原料中的有害成分,同時還可以通過對農作物品種改良,減少種植過程中農藥、化肥等化學品的使用量。目前,經基因工程改造的產品已在農業、醫藥、環保等領域占據了重要的地位,特別是在食品工業中越來越顯示了它的優越性和發展前景[1]。基因工程技術在食品領域中的作用目前涉及到對食品資源的改造、對食品品質的改造、新產品的開發、食品添加劑的生產以及食品衛生檢測等方面[2]。基因工程問世30多年來,無論是基礎理論研究領域,還是在生產實際應用方面,都取得了驚人的成績,給國民經濟的發展和人類社會的進步帶來了深刻而廣泛的影響,同時為食品工業開拓了廣闊的發展空間。

1基因工程技術

1·1基因工程定義

基因工程(geneticengineering)技術是指按照預先設計好的藍圖,利用現代分子生物學技術,特別是酶學技術,對遺傳物質DNA直接進行體外重組操作與改造,將一種生物(供體)的基因轉移到另外一種生物(受體)中去,從而實現受體生物的定向改造與改良[3]。

基因工程的基本程序[4]:(1)獲取所需的目的基因;(2)把目的基因與選好的載體連接在一起,即重組;(3)把重組載體轉入宿主細胞;(4)對重組分子進行選擇;(5)表達成蛋白,采用合適條件,獲得高表達的產品。

1·2發展

1973年美國斯坦福大學和舊金山大學Coken和Boyer兩位科學家成功地進行了DNA分子重組試驗,揭開了基因工程發展的序幕。1984年,Be-van[5]報告了從糞鏈球菌中提取的基因植入煙草(Nicotinaplumbaginifolia)的基因組,開創了轉基因生物時代。1994年,美國農業部(USDA)和美國食品與藥品管理局(FDA)批準第一個轉基因作物產品———延熟保鮮轉基因番茄進入市場之后,大量的轉基因生物作為食品進入人們的生活[6]。

2基因工程在食品工業中的應用

2·1改善食品原料品質

基因工程應用于植物食品原料的生產上,可進行品種改良,新品種開發與原料增產,如選育抗病植物、耐除草劑植物、抗昆蟲或抗病毒植物、耐鹽或耐旱植物[2]。除增加產量外,還應用于改良農作物品種特性方面,例如,豆類植物中蛋氨酸的含量普遍較低,但賴氨酸的含量很高;而谷類作物中的兩者含量正好相反,通過基因工程技術,可將谷類植物基因導入豆類植物,開發蛋氨酸含量高的轉基因大豆[7]。

維生素A(VA)缺乏在發展中國家是一種常見的營養缺乏癥,通過基因改造的黃金米(goldenrice),可以產生VA的前體物質β-胡蘿卜素,為防治VA缺乏癥提供了解決辦法,但其使用的有效性和安全性一直以來未作深入研究。Stein等[8]結合健康和營養以及社會經濟政策等因素,通過對黃金米進行的以試驗為依據的研究表明黃金米有望極大地減少VA缺乏癥的發生。此外,通過外源生長激素在受體魚中的表達,可使轉基因魚的肌肉蛋白含量和飼料轉換效率明顯提高,生長速度加快。生長激素轉基因豬也取得了相似的效果,且減少了脂肪,增加了瘦肉率[9]。在不影響奶質量的前提下,美國康乃爾大學利用基因工程技術研究了一種牛生長激素(bo-vinesometotropin,BST),將它注射到乳牛體內,便可提高乳牛的產奶量[10]。花生過敏源是一種嚴重的食品過敏源,也是最常見的可能威脅到生命的致敏反應。盡管普遍的引發過敏反應的閾值范圍在1個花生仁左右,但痕量(0·1-10mg)也可能觸發對花生的過敏反應。研究認為Arah1、Arah2和Arah3是花生中3種很重要的蛋白質過敏源[11]。Dodo等[12]研究發現,通過RNA干涉技術可以使花生中Arah2的表達受到抑制,從而生產出低致敏源的花生。

2·2改良食品工業用菌種

最早成功應用的基因工程菌是面包酵母菌。人們把編碼麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的基因轉移至該食品微生物中,通過表達使該酵母含有的麥芽糖透性酶及麥芽糖酶的含量大大提高,從而在面包發酵過程中產生較多的CO2氣體,使面包膨發性能良好、松軟可口。另據Meyer[13]報道,由于絲狀真菌具有獨特的高容量表達和分泌蛋白的能力,可利用其生產真菌或非真菌來源的酶類,通過基因工程技術可以有效地提高產率及減少非需要的副產物的形成,為此建立一種有效的轉化方法至關重要,目前可以應用在真菌上的轉化方法有原生質體介導轉化法(PMT)、電穿孔轉化法、基因槍轉化法以及農桿菌介導轉化法(AMT)。

2·3生產酶制劑

酶的傳統來源是動物肝臟和植物種子,后來因發酵工程技術的發展,使得利用微生物生產各類酶成為可能,20世紀50年代初開始,分子生物學和生物化學的發展使基因工程技術在酶制劑方面的應用越來越廣泛。凝乳酶是第一次應用基因工程技術把小牛胃中的凝乳酶基因轉移到細菌或真核微生物生產的酶,利用基因工程菌生產凝乳酶是解決凝乳酶供不應求的理想途徑。Geoffrog等[14]將編碼牛凝乳酶的基因克隆到乳酸克魯維酵母中發現,乳酸克魯維酵母能有效地把凝乳酶原分泌到培養基質,并成功地進行了大規模的工業生產。

2·4改良食品加工性能

啤酒制造中對大麥醇溶蛋白含量有一定要求,如果大麥中醇溶蛋白含量過高就會影響發酵,容易使啤酒產生混濁,也會使其過濾困難。采用基因工程技術,使另一蛋白基因克隆到大麥中,便可相應地使大麥中醇溶蛋白含量降低,以適應生產的要求。在牛乳加工中如何提高其熱穩定性是關鍵問題,牛乳中的酪蛋白分子含有絲氨酸磷酸,它能結合鈣離子而使酪蛋白沉淀。現在采用基因操作,增加k-酪蛋白編碼基因的拷貝數和置換,k-酪蛋白分子中Ala-53被絲氨酸所置換,便可提高其磷酸化,使k-酪蛋白分子間斥力增加,以提高牛乳的穩定性,這對防止消毒奶沉淀和煉乳凝結起重要作用。在烘烤工業中,將含有地絲菌屬LIPZ基因的質粒轉化到面包酵母中,可以使面包蓬松,內部結構較均勻,優化了加工工藝[15]。

2·5生產保健食品

目前,保健食品的開發可采用轉基因手段,在動、植物細胞中得到基因表達而制造有益于人類健康的保健成分或保健因子。例如,2002年,中國農科院生物技術研究所通過重組DNA技術選育出具有抗肝炎功能的番茄,這種番茄被人食用后,可以產生類似乙肝疫苗的預防效果[16]。此外,基因工程技術還可以用于提高食品中礦物質和天然存在的抗氧化維生素(VA、VC、VE)等保健因子水平,這些物質可以減慢和阻止氧化作用,如在番茄和甜椒中大量存在的番茄紅素已經用轉基因技術得到生產。

2·6食品檢測

近年來DNA探針雜交技術在食品微生物檢測中的應用研究十分活躍,DNA探針雜交技術具有特異性強、靈敏度高及操作簡便快速等特點,將是今后食品微生物檢測技術的一個重要發展方向。目前該技術已用于多種食品中致病菌的檢測。蠟質芽孢桿菌(Bacilluscereus)是一種很重要的經食物攜帶,能引起人體疾病的微生物,其產生的腸毒素可能會引起腹瀉、嘔吐等癥狀。為此,檢測這類致病菌顯得極其重要。傳統的檢測方法如平板接種、生化特征描述等方法費時費力,近年來人們通過利用PCR和DNA探針技術來檢測此類病原菌。Subramanian等[17]通過用限制性內切酶BglII從蠟質芽孢桿菌質粒中獲得了一段大小為3kb的DN段為探針,研究發現,此DNA探針對鑒定蠟質芽孢桿菌有高度專一性。

3轉基因食品及其安全性

3·1轉基因食品定義

轉基因食品(geneticallymodifiedfood,GMF)是指以轉基因生物為原料加工生產的食品,利用分子生物學手段,將某些生物基因轉移至其他生物上,使其出現原物種不具備的性狀或產物,針對某一或某些特性,以植入異源基因或改變基因表現等生物技術方式,進行遺傳因子的修飾,使動植物或微生物具備或增加特性,進而達到降低生產成本,增加食品或食品原料價值的目的[15]。

轉基因食品包括轉基因動物性食品、轉基因植物性食品和轉基因微生物性食品。轉基因動物性食品主要以提高動物的生長速度、瘦肉率、飼料轉化率,增加動物的產奶量和改善奶的組成成分為主要目標,主要應用于魚類、豬、牛等。轉基因植物性食品主要培育延緩成熟、耐極端環境、抗病毒、抗枯萎等性能的作物,提高生存能力;培育不同脂肪酸組成的油料作物、多蛋白的糧食作物等以提高作物的營養成分,主要品種有小麥、玉米、大豆、蔬菜、水稻、土豆和番茄等。轉基因微生物性食品主要改造有益微生物,生產食用酶,提高酶產量和活性,主要有轉基因酵母、食品發酵用酶等[18]。利用轉基因技術生產的食品是現代生物技術和當代科學成功和進步的標志。

3·2轉基因食品的接受度

人們對轉基因食品的接受度取決于他們對基因工程總的看法。許多研究表明,人們對轉基因技術在食品中的應用持懷疑態度,但是也有研究發現,盡管人們對轉基因技術本身有負面的看法,但在評價一個具體的產品時并不是無條件的和整個技術聯系在一起。例如,消費者在轉基因技術涉及植物時比其涉及動物更容易被接受[19]。葛立群等[20]對遼寧省10個城市消費者進行問卷調查,調查分析結果表明,有64·8%的受訪者聽說過轉基因食品,在轉基因食品與同類普通食品價格相同的情況下,約占55·5%的受訪者表示愿意購買轉基因食品。若是受訪者得知該轉基因食品有益于人身體健康,表示愿意購買的比例增加到了57·9%。遼寧省消費者愿意購買轉基因食品的比例相比于國內其他城市處于較高水平。2004年對南京市的消費者調查表明,僅有27·3%的人愿意在價格相同的條件下購買轉基因食品[21]。此外,消費者的購買意愿會受其個體特征、社會經濟因素、初始態度及認知水平的影響。Chen等[22]對臺灣消費者進行調查后發現人們普遍對轉基因技術應用在科學研究方面持積極態度,而對其在食品中的應用持否定態度。

3·3轉基因食品營養學評價

成分分析是食品原料營養評價的基礎,轉基因作物組成分析評價要考慮原作物的自然變異情況,轉基因食品的營養評價應包括:營養組成,食品中營養成分的生物效能,膳食攝入量和營養性作用[23]。1997年以來,德國的聯邦農業研究中心進行了18項轉基因植物喂養動物試驗,包括乳牛、公牛、乳豬和成年豬、母雞、肉雞和鵪鶉等動物。大部分試驗(16項)喂養的是第一代轉基因植物諸如Bt-玉米,Pat-玉米,Gt-大豆,Gt-馬鈴薯等。有兩項研究是使用第二代轉基因植物(如改變了脂肪酸的油菜籽或是菊粉馬鈴薯),結果發現,在營養價值方面第一代轉基因植物與非轉基因品種沒有明顯的差異,也沒有從被喂養的動物組織或器官發現重組DN段[24]。

3·3·1蛋白質評價

GMF的蛋白質評價是轉基因食品營養素評價的內容之一。Shireen等[25]對GST大豆中的EPSPS基因的表達作了營養評價。科學家用大腸桿菌表達的CP4EPSPS蛋白做了小鼠口服急性毒性試驗,結果表明,不同劑量組之間在體重、累積體重和攝食方面沒有統計學差異,解剖未發現異常。

3·3·2脂類的評價

Robert[26]研究發現,把海藻中的omega-3長鏈多不飽和脂肪酸(LC-PUFA)基因轉入陸地油料作物中,從大西洋鮭魚提取的omega-3-LC-PUFA和轉基因油料作物生產的omega-3-LC-PUFA的營養效果一致。

3·3·3礦物質的評價

Drakakaki[27]發現轉基因玉米表達曲霉的植酸酶后,能夠幫助小鼠高效吸收鐵。有關GMF中主要營養素評價的文獻資料表明轉基因食品的營養素變化不大。

3·4轉基因食品的安全性

3·4·1轉基因食品安全性問題的起因

1998年8月,英國的Pusztai[28]用轉雪花蓮凝集素(GNA)基因的馬鈴薯飼養大鼠,發現大鼠出現了器官生長異常、體重減輕等癥狀,免疫系統也遭到破壞,對于人類而言,類似結果可能導致癌癥發病率和死亡率大幅上升。這一試驗結果引起世界范圍對轉基因食品安全性的質疑。1999年,美國康乃爾大學Losey等[29]報道,用拌有轉Bt基因抗蟲玉米花粉的馬利筋草喂養大斑蝶幼蟲,以喂正常花粉或不加花粉的作為對照組,4d后喂Bt花粉的幼蟲死亡率達44%,從而引發了“轉基因植物對生態環境是否安全”的爭議。2000年,美國Aventiscropscienc公司生產的“里聯”轉基因玉米因可能導致部分人皮疹、腹瀉或呼吸系統的過敏反應,只準予作動物飼料,但檢測發現該轉基因玉米被混入加工食品中,從而引起全球300多種含玉米產品的回收潮。此后,美國政府于2001年1月出臺了轉基因食品管理草案;2005年5月英國《獨立報》報道,MonSant公司的研究表明,食用了轉基因玉米的老鼠腎臟變小,血液的構成發生變化。由于轉基因大豆在我國國內油料市場占有舉足輕重的地位,由此引發了中國消費者對食用轉基因大豆油安全性的擔憂[30]。

3·4·2轉基因食品潛在的安全性問題

3·4·2·1毒性問題

關于轉基因食品的毒性問題,目前只有一些相關的試驗報道,尚無人體的研究報告。1998年,英國Rowett研究院的Putsai博士[31]用轉雪花蓮凝集素基因的馬鈴薯喂大鼠,聲稱大鼠食用后體重和器官重量減輕,免疫系統受到破壞。而據Poulsen等[32]的研究,通過用表達雪花蓮凝集素基因的大米喂養大鼠,采用90d喂養試驗發現,雖然喂養轉基因大米組與正常對照組存在明顯的統計學差異,但并沒有數據能說明轉基因米對大鼠的生長產生有害的影響。

3·4·2·2過敏反應問題

第一次與轉基因食品有關的過敏問題的提出是在1996年,當時研究人員發現,在從巴西堅果向大豆轉移一個主要過敏原的過程中,同樣也轉移了它引發過敏的能力,它能夠在本來對巴西堅果過敏的個體中引發過敏反應。被討論的這個基因編碼是2S白蛋白,用于提高飼用大豆的營養狀況[33]。這一發現促使人們對轉基因食物潛在過敏性進行更加全面的測試。

3·4·2·3對抗生素的抵抗作用

抗生素抗性基因是目前轉基因植物食品中常用的標記基因,但抗生素標記基因對人體的健康是否會造成不利的影響,例如,是否會水平轉移到腸道微生物或上皮細胞,從而降低抗生素在臨床治療中的有效性,一直受到人們的關注[34]。雖然目前人們傾向于認為這種可能性比較小,但在評估潛在健康問題時,仍應考慮人體和動物抗生素的使用以及腸道微生物對抗生素的抗性。

3·4·2·4基因漂移問題

基因漂移指的是一種生物的目標基因向附近野生近緣種的自發轉移,導致附近野生近緣種發生內在的基因變化,具有目標基因的一些優勢特征,形成新的物種,以致整個生態環境發生結構性的變化。最常見的如水平基因轉移(HGT)或基因橫向遷移(LGT),它是指一種有機體將遺傳物質轉移到另外一個有機體而不是其后代體內,這種進程很容易在原核生物體內發生,從而嚴重影響細菌基因組的進化及其它細菌的物種多樣性[35]。研究表明,油菜、甘蔗、萵苣、草莓、向日葵、馬鈴薯以及禾本科作物均有向其近緣野生種的自發基因轉移,甚至不同屬間的基因漂移也有可能發生[36]。當發生基因漂移時,可能產生一些難以預料的后果,如產生超級雜草、超級害蟲、危害生物多樣性、誘發新病毒、對非靶標有益生物的影響,即所謂的“基因污染”問題。

4展望

21世紀是生物技術蓬勃發展的時代,轉基因食品的興起是生物技術革命的必然結果,盡管目前對轉基因食品的爭論較多,但其好處也顯而易見。隨著轉基因技術研究的不斷深入,生產符合人類需要的基因工程食品已經越來越明朗化和可操作化。相信隨著對轉基因食品的檢測技術的不斷進步,安全衛生監管措施及轉基因食品安全性評估體系的不斷健全和完善,將為轉基因食品的商業化提供更為強大的理論支持和法律保障,從而生產出更豐富、更有利健康、更富有營養的食品,并帶動食品工業發生革命性的變化。