食品化学现代生物技术.docx
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食品化学现代生物技术
现代生物技术
利用生物（动物、植物或微生物）或其产物，来生产对人类医学或农业有用的物质或生物。
依历史发展或所用方法的不同，可分成以下两大类：
∙传统生物技术：
应用酿造发酵、配育新种等传统的方法来达致辞上述目的。
∙现代生物技术：
以生物化学或分子生物方法改变细胞或分子的遗传性质。
这是在根本上控制了生物的代谢或生理，以达到生产有用物质之目的。
两种生化技术术领域的最大差异处在于:
现代生物技术是用“细胞与分子”层次的微观手法来进行操作，不同于传统生物技术产业不同于传统以“整体”动物、植物或微生物的饲养、交配或筛选方式。
生物技术产业经过数十年的发展，各种操作或技术可谓琳琅满目，可主观地归纳成数个范畴。
主要有基因操作、细胞培养、单株抗体、酵素工技等四大领域，以及其他生命科学相关的科技。
一、基因工程技术
1、基因工程技术溯源
1973年美国斯坦福大学和旧金山大学医学院Co-ken和Boyer两位科学家成功地实现了DNA分子重组试验，揭开了基因工程发展序幕。
1985年转基因鱼的问世，标志基因工程在食品工业应用的开端，基因工程食品由此走上了历史舞台。
第二代基因工程
基因操作主要多以分子群殖（molecularcloning）为手段，达成大量复制一段指定的核酸片段。
在此过程中，所有的核酸片段均分别被植入载体（质体plasmid），然後一起轉入宿主细胞，在宿主中大量复制，放大这些核酸片段的数目。
同样，因为一个宿主细胞只能让一种核酸大量复制（oneplasmid,onecell），因此所得到的大量核酸，是均质核酸分子。
基因工程一包括DNA重组、表达和克隆，是生物工程核心内容。
2、基因工程在食品工业中的应用
（1）亚酸制剂方面应用
酶的传统来源是动物脏器和植物种子，后来随着发酵工程的发展，逐渐出现了以微生物为主要酶源的格局。
近年来，由于基因工程技术的发展，更使我们可以按照需要来定向改造酶，甚至创造出自然界从未发现的新酶种。
现在，蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶、糖化酶和植物酶等均可利用基因工程技术进行生产（如表中所列）。
表1应用于食品工业的酶制剂
酶
用途
蛋白酶
乳酪生产啤酒去浊，浓缩鱼胨，制酱油，制蛋白胨
脂肪酶
鱼片脱脂，毛皮脱脂等
淀粉酶
麦芽糖生产．醇生产等
纤维素酶和半纤维素酶
用于乙醇生产，植物抽提物的澄清和将纤维素转化为糖
糖化酶
酶法制糖
果胶酶
用于葡萄酒和果汁的澄清及减少其粘度
植酸酶
可将饲料中的植酸盐降解成无机磷类物质
葡萄糖异构酶
制造高果糖浆
（2）改造食品原材料
DNA重组技术和细胞融合技术相结合，培育出高产、抗病、抗虫、生长快、抗逆、高蛋白的基因改良植物，对食品工业具有重要意义。
各种抗病毒植株，黄瓜花叶病毒、马铃薯X病毒和Y病毒，抗病虫害长颈南瓜和抗虫害转基因土豆。
转基因动物源食品转基因动物尚未达到高等转基因植物的发展水平，但人们仍设法用它来表达高价值蛋白。
（3）改革传统的发酵工业
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。
而作为基因工程和蛋白质工程，为便于目的表达产品的大量工业化生产，最后大多选用微生物进行目的基因表达而生产出“基因工程菌”，再通过发酵工业大量生产各种新产品。
微生物的遗传变异性及生理代谢的可塑性都是其他生物难以比拟的，故其资源的开发有很大的潜力。
美国的Biotechnica公司克隆了编码黑曲霉的葡萄糖淀粉酶基因，并将其植入啤酒酵母中，在发酵期间，由酵母产生的葡萄糖淀粉酶将可溶性淀粉分解为葡萄糖，这种由酵母代谢产生的低热量啤酒不需要增加酶制剂，且缩短了生产时间。
基因工程技术还可将霉菌的淀粉酶基因转入E.colt，并将此基因进一步转入酵母单细胞中，使之直接利用淀粉生产酒精，省掉了高压蒸煮工序，可节约60％的能源，生产周期大为缩短。
（4）改良食品加工工艺
∙ 在牛乳加工中如何提高其热稳定性是关键问题。
牛乳中的酪蛋白分子含有丝氨酸磷酸，它能结合钙离子而使酪蛋白沉淀。
现在可以采用基因操作，增加K一酪蛋白编码基因的拷贝数和置换，K一酪蛋白分子中ALa-53被丝氨酸所置换，可提高其磷酸化，使K一酪蛋白分子间斥力增加，以提高牛奶的热稳定性，这对防止消毒奶沉淀和炼乳凝结起重要作用。
（5）利用基因工程开发和生产新一代食品
典型的例子是豆油的生产
在美国每年生产的45.4亿kg豆油主要用于食品行业，其中大量的是作为烹任用油，如糕饼松脆的油和人造黄油等。
经过脱色、除具和精制处理的烹任用豆油常常需被还原以延长其储藏时间及提高其在烹调时的稳定性，但是，这种还原作用却导致豆油中富含反式一脂肪酸，而反式-脂肪酸在摄入人体后，会增加人患冠心病的可能性。
作为色拉油的精制豆油，虽然没有经过还原作用，但其中却富含软脂酸棗软脂酸的摄入也能导致冠心病的发生。
因此，人们经过选择，挑选出合乎需要的基因和启动子，再通过重组DNA技术来改造豆油的组分构成。
现在，相应的多种基因工程产品已投放市场，其中，有的豆油不含有软脂酸，可用作色拉油；有的豆油富含80％油酸，可用于烹任；有的豆油含30％以上的硬脂酸，适用于人造黄油以及使糕饼松脆的油。
利用基因工程改造的豆油的品质和商品价值显然是大大提高了。
（6）果实贮藏保鲜的应用
果实的成熟是一个复杂的发育过程，是由一系列基因相继活化而控制的，但乙烯是果实成熟过程中调节基因表达的最重要、最直接的指标。
用基因工程的方法将ACC还原酶和ACC氧化酶的反交基因和外源的ACC脱氨酶基因导入正常植株中，获得乙烯合成缺陷型植株，达到控制果实成熟的目的，已在番茄中实现。
这一成就已被迅速推广到其它果实成熟的调控中，如转基因的芒果、桃子、苹果、梨、草每、香蕉和桔子等水果中，这些技术必将发展成为调控果实成熟和衰老的普通技术，为水果的贮藏保鲜带来一次革命。
（7）应用于生产保障食品
可以采用转基因手段，在动、植物细胞中，得到基因表达而制造有益于人类健康的保健成分或有效因子。
将一种有助于心脏病患者血液凝结溶血作用的酶基因克隆至牛或羊中，便可以在牛乳或单乳中产生这种酶。
把人的血红素基因克隆至猪中，最后，猪的血可以用做人类血液的代用品。
3、基因工程食品的安全性
基因工程应用于食品工业已给人们带来了巨大的社会经济效益，但基因工程体（Gmos）及基因工程食品的环境释放安全性及食用安全生也越来越受到广泛的关注。
基因工程食品除应有较高的营养价值和可消化性，它也须对人体无毒副作用，必须安全；其次，它的口味、气味为颜色，均应为食用者所接受。
国际上对转基因动、植物的安全性评价已积累了比较丰富的科学数据和经验。
各国及国际机构均在制订相应的法规，以便在促进基因工程发展的同时，保护环境安全及人体健康。
∙我国农业部于1996年7月颁布了《农业生物基因工程安全管理实施办法》，1997年3月底前受理了国内外26项安全性评估申请，26项中批准了22项可进行中间试验、或环境释放、或商品化生产，转基因延熟番茄正被批准进入商业化。
二、生物传感器
1、概念
生物传感器是用生物活性材料（酶、蛋白质、DNA、抗体、抗原、生物膜等）与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测方法与监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。
各种生物传感器有以下共同的结构：
包括一种或数种相关生物活性材料（生物膜）及能把生物活性表达的信号转换为电信号的物理或化学换能器（传感器），二者组合在一起，用现代微电子和自动化仪表技术进行生物信号的再加工，构成各种可以使用的生物传感器分析装置、仪器和系统。
2、应用-非破坏性品质评价技术
（1）概念
无损伤检测又称非破坏检测，即在不破坏样品的情况下对其进行内部品质评价（包括糖度、酸度、硬度、内部病变等）的方法。
无损检测是随着高科技发展应运而生的一门新技术，该技术不同于传统的化学分析方法，它主要运用物理学的方法如光学、电学、声学等手段对物料进行分析，并不对样品产生破坏，在获取样品信息的同时保证了样品的完整性。
而且该方法检测速度较传统的化学方法迅速，又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。
早期的血糖速测仪
维生素C速测仪
图:
我国第一种实用化的生物传感器---SBA-30型乳酸分析仪
（2）原理
待测物质经扩散作用进入生物活性材料，经分子识别，发生生物学反应，产生的信息继而被相应的物理或化学换能器转变成可定量和可处理的电信号，再经二次仪表放大并输出，便可知道待测物浓度
（3）特点
采用固定化生物活性物质作催化剂，价值昂贵的试剂可以重复多次使用，克服了过去酶法分析试剂费用高和化学分析繁琐复杂的缺点。
∙专一性强，只对特定的底物起反应，而且不受颜色、浊度的影响。
∙分析速度快，可以在一分钟得到结果。
∙准确度高，一般相对误差可以达到1％操作系统比较简单，容易实现自动分析成本低，在连续使用时，每例测定仅需要几分钱人民币。
，
∙有的生物传感器能够可靠地指示微生物培养系统内的供氧状况和副产物的产生。
在生产控制中能得到许多复杂的物理化学传感器综合作用才能获得的信息。
同时它们还指明了增加产物得率的方向。
（4）种类
a、按照其感受器中所采用的生命物质分类
可分为：
微生物传感器、免疫传感器、组织传感器、细胞传感器、酶传感器、DNA传感器等等
b、按照传感器器件检测的原理分类
可分为：
热敏生物传感器、场效应管生物传感器、压电生物传感器、光学生物传感器、声波道生物传感器、酶电极生物传感器、介体生物传感器等。
c、按照生物敏感物质相互作用的类型分类
可分为亲和型和代谢型两种。
食品加工领域废水处理技术
一、食品加工废水的概念
1、基本概念
食品工业原料广泛，制品种类繁多，加工过程要使用大量水，因此有很多废物作为污水的形式排放。
排出废水的水量、水质差异很大。
废水中主要污染物有:
（1）漂浮在废水中固体物质，如菜叶、果皮、碎肉、禽羽等；
（2）悬浮在废水中的物质有油脂、蛋白质、淀粉、胶体物质等；
（3）溶解在废水中的酸、碱、盐、糖类等；
（4）原料夹带的泥砂及其他有机物等；
（5）致病菌毒等。
啤酒废水处理
渔业加工废水处理
2、食品工业废水的特点
（1）有机物质和悬浮物含量高，易腐败，一般无大的毒性。
其危害主要是使水体富营养化，以致引起水生动物和鱼类死亡，促使水底沉积的有机物产生臭味，恶化水质，污染环境。
衡量废水强度和浓度的最常用指标：
∙BOD（生物需用氧量）：
指在特定的时间和温度（通常为5天，20℃）下，微生物氧化有机物时所消耗的氧量，单位为mg/L.。
∙COD（化学需氧量）：
指水中可被氧化的物质氧化所消耗的氧量，常用强氧化剂高锰酸钾来测定，mg/L。
COD的数值一般大于BOD。
COD法测定的时间短，所以它更为常用。
二、一般处理步骤
食品工业废水处理除按水质特点进行适当预处理外，一般均宜采用生物处理。
如对出水水质要求很高或因废水中有机物含量很高，可采用两级曝气池或两级生物滤池，或多级生物转盘．或联合使用两种生物处理装置，也可采用厌氧—需氧串联的生物处理系统。
∙预处理——过筛，除去固形物，然后经过中和，使pH达到6.5-8.5等其它一系列操作。
∙第一级处理——通过沉降和浮选的方法去除悬浮的固体和漂浮的油脂层。
∙第二级处理——用生物处理法去除可溶性有机物，它是整个处理过程的关键。
表:
食品工业废水的生物处理法
废水生物处理过程
好氧处理过程
悬浊微生物系
活性污泥法
流化床化
固定微生物膜系
生物滤池法
接触氧化法
生物转盘法
氧化塘
厌氧处理过程——沼气发酵
1、好氧处理
是指污水净化的微生物需要有游离或分子状态氧存在的处理方法。
（1）活性污泥法
也称生化曝气法，是需氧处理中最主要的一种方法。
活性污泥是一种絮状污泥，能吸附和凝聚污水中有机物质和其它物质，通过构成活性污泥中的好气性微生物来时进行有机物的氧化和分解。
a、活性污泥中的微生物是由多种微生物构成的群体，其中以细菌为主，其次是霉菌和酵母菌，此外还有原生动物和无脊椎动物。
b、活性污泥必须经过一段时间的驯化。
oo 驯化：
是渐增加废水的量或浓度，使活性污泥中微生物的种类能适应所处理废水的性质
c、活性污泥法处理系统主要由一次沉淀池、曝气池、曝气设备、污泥回流设备、二次沉淀池等组成。
高精度滤板
工艺流程示意图
（2）生物转盘法
工艺概述
a、生物转盘工艺是生物膜法污水生物处理技术的一种，是污水灌溉和土地处理的人工强化，这种处理法使细菌和菌类的微生物、原生动物一类的微型动物在生物转盘填料载体上生长繁育，形成膜状生物性污泥——生物膜。
污水经沉淀池初级处理后与生物膜接触，生物膜上的微生物摄取污水中的有机污染物作为营养，使污水得到净化。
在气动生物转盘中，微生物代谢所需的溶解氧通过设在生物转盘下侧的曝气管供给。
转盘表面覆有空气罩，从曝气管中释放出的压缩空气驱动空气罩使转盘转动，当转盘离开污水时，转盘表面上形成一层薄薄的水层，水层也从空气中吸收溶解氧。
b、生物转盘由许多片质轻腐蚀的贺板作等距离紧密排列，由中心横轴串联而成。
操作时，下部分浸没在盛有污水的半圆形形内，上部分暴露在空气中，由电动机带动而缓慢转动，靠圆板表面上形成的微生物膜进行BOD去除。
处理工艺方面特征
a.对水质、水量变动具有较强的适应性
b.易于固液分离，即使产生大量的丝状菌，在二沉池中也无污泥上浮现象发生
c.能够处理低浓度污水
d.动力费用低
e.产生的污泥量少
f.具有较好的硝化与脱氮功能
g.驱动装置简单
其缺点是：
没有定型的产品，一次性投资大等。
（3）滴滤池法
滴滤池法是使废水从碎石、塑料等铺成的滤池流下而与过滤材料表面上的薄层生物膜相接触的方法。
优点：
具有结构简单、占地面积小、维护费用低、对水质水量变化适应性强等。
缺点：
处理深度不如活性污泥法，尚有部分剩余有机物，需进一步处理。
（4）氧化塘法
利用水中自然存在的微生物和藻类，对废水进行好氧和厌氧生物处理的天然或人工池塘。
2、厌氧处理法
对污泥和某些高浓度有机废水（如屠宰厂废水、食品发酵工业、酿造厂废水等），其有机物含量相当高，不宜采用好氧法处理，一般都采用厌氧消化法,也称嫌气处理法、消化法、甲烷（沼气）发酵法。
在水中没有空气、缺少溶解氧的情况下，利用厌氧微生物的生命活动，来分解处理废水中的有机物，分解的最终产物是甲烷、CO2、N2、H2S和NH3。
（1）UASB型厌氧废水处理设备
a、概况
UASB升流式厌氧生物反应器（UpflowAnaerobicSludgeBlonket），它的工艺特征是在反应器的适当位置（上部）设计有适合于该废水的气、固、液的三相分离器；反应器中部为污泥悬浮层区，其间设置有软性填料，其表面极易存留生物膜形态生长的微生物群体，在其空隙中则截留了大量悬浮状态下生长的微生物。
因此，废水通过填料层，有机物被截留，吸附及代谢分解；下部为污泥床区。
反应器的水力停留时间比较短，且具有很高的容积负荷，回此，它不仅适用于高、中等浓度的有机废水，也适用于处理如“城市废水”这样的低浓度有机废水。
UASB运转时一般不加热，但采取保温措施，在30摄氏度和35摄氏度之间，COD去除率达70-90%，BOD去除率大于85%。
b、适用范围：
酿造废水、豆制品加工废水、食品加工废水、屠宰废水
c、工艺流程结构特点
结构特点
UASB反应器的结构是集生物反应和沉淀于一体，一般有下列几部分组成：
（1）进水配水系统：
主本能使废水均匀地分配到整个反应器，并具有水力搅拌的功能，它是反应器高效运行的关键之一；
（2）反应区:
包括污泥层区和污泥悬浮层区，此区特有软件填料层，有机物主要在这里被厌氧菌所分解，是反应器的主要部分；
（3）三相分离器：
其主要作用是气（沼气）、固（污泥）和液（水）分开。
三相分离器的效果直接影响反应器的处理效果，它是反应器的沉淀区的主要构件；
（4）出水系统：
它是把沉淀区处理过的水均匀地收集并排出反应器至贮水池并进入二级处理没备；
（5）气室及水封：
沼气通过气室积聚后进入水封而流向贮气罐利用；
（6）排泥系统：
其功能是及时将污泥床区污泥均匀地排出反应器。
反应器还能分为两大类，开敞式反应器和封闭式反应器，开敞式是反应器顶部不密封，出水水面是开放的，它适用于中、低浓度的有机废水，封闭式则在反应器顶加盖密封，能全部收集反应器内产生的沼气并进行利用，它适用于高浓度有机废水的处理。
3、各种微生物处理法处理有机废水的比较
项目
活性污泥法
滴滤池法
氧化池池法
厌氧性消化法
处理废水的BOD浓度（mg/kg）
10000以下
10000以下
10000以下
10000以上
处理效率
高
中-高
低
高
BOD可能除去率（%）
90-95
80-95
70-85
80-90
设施面积
小
小-中
大
小
设备费
多
多
少
多
运转费
多
中等
少
中等
维持管理的难易
稍难
易
易
稍难
污泥生成量子力学
多
中等
少
中等
升级会员 