食品營養與健康不 生物食品

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\"content\": \"生物食品是指通過基因工程、細胞工程、酶工程和發酵工程等生物技術和方法生產：的食品。轉基因食品是生物食品的組成部分。為了對生物食品有進一步的瞭解和認識，有必要介紹分子生物學的基礎知識。\\n\\n與生物食品有關的分子生物學基礎知識，主要包括基因工程、細胞工程、酶工程和發酵工程幾大部分。\\n\\n基因工程與相關生物工程\\n\\n基因工程(Gene engineering)的核心內容是以分子遺傳學為基礎，以DNA重組技術(Recombinant technology of DNA)或稱克隆技術(Cloning technology)為手段，實現動物、植物、微生物等種之間的基因轉移或DNA重組，獲得目的基因，達到食品原料或食品微生物的改良。或者在此基礎上，采用DNA分子克隆對蛋白質進行定位突(Site directed mutagenesis)的所謂蛋白質工程(Protein engineering)，這對提高農作物營養價值及加工效能，具有重要的科學價值和應用前景。\\n\\n這一新技術之所以列入當今世界七大高科技領域之一，它是在分子生物學、生物化學、應用微生物學、化學工程、發酵工程和電子計算機的最新科學成就基礎上所形成的綜合性學科，並廣泛應用於食品、醫藥、化工、農業、環保、能源和國防等許多部門。其發展已日益顯示其巨大的潛力，將為世介麵臨的蛋白質、能源、環保和癌症等問題的解決提供美好的前景。\\n\\n細胞工程(Cell engineering)是指應用細胞生物學方法，按照人們預定的設計，有計劃地改造遺傳物質和細胞培養技術，包括細胞融合技術以及動物、植物大量控製性培養技術，實現對生物原料或品種的改良，生產各種工業品和保健食品的有效成分以及新型食品與食品新增劑。\\n\\n酶工程(Enzyme engineering)指酶的活細胞產生的具有高度催化活性和高度專一性的生物催化劑。為了提高酶催化各種物質轉化，以實現控製工程過程的能力，因此酶工程的主要內容是把遊離酶固定化，稱為固定化酶，把經過培養髮酵產生的目的酶活力高峰時的整個微生物細胞再固定化，可直接應用於食品生產過程中物質的轉化。\\n\\n發酵工程(Fermentation engineering)是采用現代發酵設備，使經優選的細胞或經現代技術改造的菌株進入放大培養和控製性發酵，獲得工業化生產預定的食品或食品的功能成分。例如，改良麪包酵母菌種是基因工程應用於食品工業中的第一個例子。原理是將具有較高活性的酶基因轉移至麪包酵母(Saccharomycescercvisiae)，便能使麪包酵母顯著地提高麥芽糖透性酶(maltosepermease)及麥芽糖酶(maltase)的活性，使麪糰發酵時產生大量的C02，形成膨發效能良好的麪糰，從而提高麪包質量和生產效率。\\n\\n基因的本質\\n\\n早在1865年，奧地利修道士格裡哥爾·孟德爾(GregorMendal)就用庭院種植的豌豆(Pisum sativum)做過8年的育種研究。通過雜交育種觀察遺傳因子由親代傳至子代，第一子代不顯示親代的特征，可能在第二子代顯示出來，第一子代隱藏的親代性狀稱為“隱性”。研究認為，遺傳性狀由一對遺傳因子所決定，稱為孟德爾遺傳規律。\\n\\n1909年，托馬斯·亨特·摩根(Thomas Hunt Morgan)從飼育的成千個紅眼的果蠅中發現有白眼的雄性果蠅，首次提出突變(Mutation)的概念，由於突變導致物種的變異，突變這一概唸對遺傳學的發展十分重要。1911年，丹麥人約翰遜(W．Johanssen)把遺傳因子重新命名為基因(Gene)。1926年摩根出版了《基因論》一書，創立了基因學說，認為基因是控製性狀表現的遺傳基礎，呈線狀排列於染色體上。基因學說的最大貢獻是把決定性狀的基因確切地落實到染色體上，它存在於細胞核染色體中。\\n\\n1943年，O．T．Avery等研究證實轉化因子是DNA。基因的本質是DNA，基因存在於細胞染色體上，DNA是遺傳物質，DNA大分子中蘊藏著成百上千個基因，基因決定蛋白質結構及性狀。基因是具有生物學功能的DNA分子中一個片斷，是一個分子遺傳的功能單位。\\n\\n1、DNA結構與功能\\n\\n1953年，美國遺傳學家華生(J．D．Watson)和英國生物化學家克裡克(F．H．C．Crick)，根據對DNA品狀的X-射線衍射結構分析，在英國《自然》雜誌上發表《DNA的結構》一文，提出了DNA雙螺旋結構模型，首次闡明瞭DNA結構與功能，為遺傳資訊的貯存、傳遞和利用提供了科學依據，創立了現代分子遺傳學。DNA雙螺旋結構模型的提出，為分子生物學的誕生和發展奠定了理論基礎。\\n\\nDNA的生物學功能為：\\n\\n（1）DNA分子能自我複製\\n\\n生命物質與非生命物質的主要區彆在於自我複製和繁殖能力，並將遺傳資訊傳遞到子代。根據DNA雙螺旋結構模型，在兩條多聚核苷酸鏈中，任何一條都可作為另一條生物合成的模板，經過自我複製出來的每一個DNA分子都包含一條原來分子中的“舊”鏈和“新”鏈，原來DNA分子中的一條鏈被保留下來，這種複製一般稱為半保留複製(Semi conservativereplication)。\\n\\n這種把親代的遺傳資訊傳遞到子代，其遺傳基因再進一步通過轉錄、翻譯，最終生物合成的蛋白質結構及特征保留了親代的特征，稱為分子遺傳。\\n\\n（2）DNA是遺傳基因的載體\\n\\n其相對分子質量很大，可以大至數10萬u(道爾頓)，DNA是由兩條多聚核甘酸鏈組成，每一條鏈山眾多核苷酸通過磷酸二酯鍵連接而成。一個核苷酸由1分子脫氧核糖、1個磷酸基和4種堿基(腺嘌呤A、胞嘧啶C、鳥嘌嶺G、胸腺嘌呤T)中的任一種組合而成。這種生物大分子，由於堿基種類的不同和排列方式的差異，可容納大量基因資訊，例如一種微小的細菌DNA可蘊藏數千個基因，可複製、轉錄、翻譯和合成數千個結構與特性不同的蛋白質。\\n\\n（3）DNA雙螺旋結構模型為遺傳資訊的儲存、傳遞和利用提供了基礎\\n\\nCrick等人提出的遺傳學中心法則，其遺傳資訊傳遞從DNA分子中基因的自我複製開始，通過轉錄合成資訊核糖核酸(mRNA)，然後在覈糖體核糖核酸(rRNA)、運送核糖核酸(tRNA)及多種酶、化學能及微量元素參與下翻譯合成特定的蛋白質。換句話說，特定的蛋白質是由特定的DNA基因所決定的，是由特定的DNA基因資訊傳遞的結果。DNA並不直接參與蛋白質合成，但它能控製和調節蛋白質的合成，決定著物種特性和蛋白質結構及其生物學功能。隻要采用科學方法育種(或改變DNA結構)，便可使物種產生遺傳或變異，向著有利於人類或生產需要的方向進行調節控製，生產出許多發酵食品及生化製品。\\n\\n2、RNA結構與功能\\n\\n細胞是生命的基本單位，細胞中最為重要的物質足核酸，核酸有兩類：第一類為脫氧核糖核酸(deoxyribonucleic acid，簡稱DNA)，主要存在於細胞核中，少數DNA存在於細胞質中，其結構為雙螺旋閉環或單螺旋閉環，在基因重組中擔當著載體的角色。另一類為核糖核酸(ribonucleic acid，簡稱RNA)，主要存在於細胞質中。根據其結構與功能的不同，RNA又可分為三種，rRNA、tRNA和mRNA。\\n\\n核糖體(Ribosome)粒子中的RNA，稱為核糖體RNA(Ribosome RNA，簡稱rRNA)。核糖體是一種微小的細胞器，是蛋白質生物合成的場所。在合成蛋白質過程中，許多核糖體聚集在一起，稱為多聚核糖體。核糖體包含2個亞單位，其中原核生物核糖體有30S和50S兩個亞單位組成；真核生物核糖體由60S和40S兩個亞單位組成。\\n\\n存在於細胞中的第二種RNA運送氨基酸至蛋白質合成地方的作用，稱為轉移RNA(Transfer-RNA，簡稱tRNA)。其相對分子質量比較小，大約為23000～28000u，由70～80個核苷酸組成，在細胞質中，其含量占RNA的10％～15％。\\n\\n第三種RNA是由DNA轉錄而合成的核糖核酸，其分子長鏈中構成許多所謂“三聯體”資訊密碼。因此，這種RNA稱為資訊核糖核酸(MessengerRNA，簡稱mRNA)，存在於細胞質中，相對分子質量為0．6~106，其含量占總RNA的2％～5％。實驗證明，mRNA是一條不定型的單鏈，在細胞中每一條mRNA的存在半衰期很短，其生物學功能是合成蛋白質的資訊鏈，可直接作為合成蛋白質的模板。\\n\\n3、蛋白質的生物合成及調控機製\\n\\nmRNA翻譯和合成蛋白質的機製是：翻譯過程是從酶催化ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)所放出的能量使氨基酸啟用開始的。活性的酶把氨基酸加到tRNA上形成氨基酰-tRNA，它和核糖桃休及mRNA聯結起來。這三樸核苷酸堿基(反密碼子)在rRNA堿基中與mRNA核苷酸三聯體密碼(密碼子)相配對。多肽鏈的發生與成長是由於一係列複雜的反應而出現的，直至最終產物蛋白質合成出來為止。\\n\\n概括地說，蛋白質的生物合成是以mRNA作為模板，tRNA為運送氨基酸工具，核糖體作為蛋白質合成場所，有多種酶參與；ATP或GTP作為能量，尚有起始因子(1nitiative factor)、延長因子(Elongation factor)、終止因子(Release factor)等因素參與。幾個階段反覆循環，直至多肽鏈合成終止。特定的mRNA鏈上的密碼順序便被翻譯為多肽鏈中相應的氨基酸殘基順序。多肽鏈合成後，尚需進行胞內的分子修飾，形成摺疊二級和三級捲曲的蛋白質結構。\\n\\n（1）酶的誘導合成調節\\n\\nEJacob和J．Monod闡明瞭酶的誘導合成機理，認為細胞DNA分子中存在並排列著結構基因(Structural gene)、操縱基因(Operater gene)和起動基因(Promoter gene)，這3種基因構成操縱子(Operon)。另外，遠離操縱子一端存在著調節基因(Regulator gene)。結構基因決定著具體蛋白質的結構與性質，操縱基因決定著結構基因是否需要表達(開或關)，調節基因經過轉錄、翻譯形成阻遏蛋白(Repressor protein)。當冇有乳糖存在(即冇有底物)時，調節基因合成的阻遏蛋白與操縱基因結合，RNA聚合酶不能使基因轉錄為mRNA，操縱基因呈關閉狀態，因此，β-半乳糖苷酸等3種酶不能合成。當有乳糖存在時，其誘導物(即底物)與阻遏蛋白結合，形成被鈍化了的阻遏蛋白，由於這種蛋白不能與操縱基因結合，因而RNA聚合酶可順利地使基因轉錄為mRNA，並翻譯形成3種酶的結構。因此，酶的誘導合成的本質就是誘導物鈍化了阻遏蛋白，使它與操縱基因的親和力降低，解除了阻遏蛋白對操縱基因的抑製，從而促使蛋白質合成。\\n\\n根據酶生物合成與環境條件的關係，可把微生物細胞合成的酶分為組成酶和誘導酶兩大類。“本能”的合成酶，如參與細胞基本新陳代謝和生長繁殖的各種酶，稱為組成酶。隻有當酶的作用底物或它的結構類似物存在時才能合成的酶，或適應環境而產生的酶，稱為適應酶或誘導酶。加入適當的誘導物，可以提高酶合成的產量。鏈黴菌發酵誘導合成葡萄糖異構酶，就是根據這種機製，加入0．02％木糖或其代用品作為其誘導底物，便可使葡糖異構誘導合成。\\n\\n（2）酶合成的反饋阻遏\\n\\n另一種酶合成調節與酶的誘導合成機製不同，稱為酶的反饋阻遏。對於合成氨基酸等必需物質的酶顯得重要，隻有在缺乏最終產物時纔有必要產生，最終產物存在時這種酶合成被阻遏，因為酶作用後的最終產物對酶的合成產生抑製作用(不是對酶的活性抑製)，引起反饋阻遏的是小分子量末端產物。除了微生物細胞代謝產生的內源性終產物外，在培養基中加入外源性末端產物也同樣能起到酶合成的反饋阻遏作用。基因調節控製與誘導酶合成調節是不同的，酶在反饋阻遏時，與操縱基因結合的是阻遏蛋白與終產物的複合物，阻遏蛋白不能單獨與操縱基因結合，換句話說，蛋白質的合成隻有在冇有終產物生成物時進行。\\n\\n設法從發酵液中或培養基中除去其終產物則可消除其反饋阻遏，從而提高酶的合成速率。例如生產蛋白酶的芽孢桿菌在含有氨基酸的培養基中隻產生很少蛋白酶，如把培養基或發酵液中的氨基酸除去，則可大大地增加蛋白酶的產量；限製培養基中氮的含量，也有利於消除反饋阻遏，增加酶的產量；向培養基中加入代謝途徑的某個抑製因子，切斷代謝通路，也可限製細胞內末端產物積累，減少分子共阻遏物的形成，消除酶的反饋阻遏，提高酶的合成速率。\\n\\n（3）分解代謝的阻遏作用\\n\\n培養基中的葡萄糖給微生物生長提供了碳源，但又往往能明顯地抑製某些酶(主要是分解代謝的誘導酶類)的合成。例如葡萄糖能降低芽孢桿菌蛋白酶的合成。換言之，葡萄糖的存在能阻遏某些蛋白質的合成作用稱為分解代謝的阻遏作用(或稱為葡萄糖效應)，這是基因調控的一種類型。因為葡萄糖的存在能影響細胞內環腺苷酸(cAMP)物質的形成，而cAMP對於啟動RNA聚合酶轉錄結構基因是不可缺少的。其他一些分解代謝產物也能對某些酶合成起阻遏作用。實驗證明，甘油代替果糖，可使α-澱粉酶產量增加25倍。\\n\\n（4）反饋抑製\\n\\n反饋抑製(Feedback inhibition)與反饋阻遏不同，前者是終產物返回抑製反應鏈中第1個酶的活性，而後者是終產物返回抑製反應鏈中各步反應酶的合成。反饋抑製有時是由兩個以上的物質發生，其調節代謝過程更為複雜。\\n\\n總之，現代分子生物學的創立為基因工程的誕生和發展奠定了理論基礎。\\n\\n\"

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