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食品生物技术论文PPT下载

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食品生物技术论文PPT

这是一个关于食品生物技术论文PPT,主要介绍了基因工程及其在食品工业中的应用、酶工程及其在食品工业中的应用、发酵工程及其在食品工业中的应用、细胞工程及其在食品工业中的应用、生物技术在饮料工业中的应用、生物传感器及其在食品工业中的应用、生物技术在食品工业废水处理中的应用等内容。食 品 生 物 技 术 Food Biotechnology 邓志瑞 上海大学生命科学学院 2012年10月食 品 生 物 技 术主要内容(共八章):绪论基因工程及其在食品工业中的应用酶工程及其在食品工业中的应用发酵工程及其在食品工业中的应用细胞工程及其在食品工业中的应用生物技术在饮料工业中的应用生物传感器及其在食品工业中的应用生物技术在食品工业废水处理中的应用 食 品 生 物 技 术 第一章 绪论第一节 食品生物技术研究的内容生物工程及其研究内容 1917年匈牙利工程师Karl Ereky提出(甜菜养猪,利用生物将原料转变为产品) 生物工程:生物工程是一门应用生物科学和工程学原理,来加工生物材料或利用微生物、动物植物体作为反应器及其制备物(细胞或细胞器或某些组成成分如酶)来加工原料以提供产品为社会服务的综合性科学技术,欢迎点击下载食品生物技术论文PPT哦。

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食 品 生 物 技 术 Food Biotechnology 邓志瑞 上海大学生命科学学院 2012年10月食 品 生 物 技 术主要内容(共八章):绪论基因工程及其在食品工业中的应用酶工程及其在食品工业中的应用发酵工程及其在食品工业中的应用细胞工程及其在食品工业中的应用生物技术在饮料工业中的应用生物传感器及其在食品工业中的应用生物技术在食品工业废水处理中的应用 食 品 生 物 技 术 第一章 绪论第一节 食品生物技术研究的内容生物工程及其研究内容 1917年匈牙利工程师Karl Ereky提出(甜菜养猪,利用生物将原料转变为产品) 生物工程:生物工程是一门应用生物科学和工程学原理,来加工生物材料或利用微生物、动物植物体作为反应器及其制备物(细胞或细胞器或某些组成成分如酶)来加工原料以提供产品为社会服务的综合性科学技术。 Biotechnology or Bioengineering 生 物 技 术 的 发 展 历 史 生物技术是一个既古老又年轻的学科。古老:具有很悠久的历史: 公元前6000年,古代萨马人和巴比伦人已经开始喝啤酒;公元前4000年埃及人烤制发酵面包;《创世纪》一书问世时,葡萄酒就闻名于近东。发酵乳制品的生产(乳酪、酸奶等)和各种东方食品(如酱油)的生产都具有古老的渊源。日本的香菇的栽培可以追溯到几百年前,伞菇的栽培大约有300年的历史。5000年前我国的酿酒技术已相当精湛。年轻:现代生物技术开始于20世纪70年代,即基因工程诞生之后。生 物 技 术 的 发 展 历 史 两个发展阶段: 传统生物工程和现代生物工程前者主要通过微生物的初级发酵来生产商品,后者以DNA重组技术出现为代表。三阶段观点:原始生物工程(第一代生物工程),非纯种微生物发酵工艺为标记;近代生物工程(第二代生物工程),采用纯种微生物的发酵工艺;现代生物工程(第三代生物工程),以基因工程诞生为标志。生 物 技 术 的 发 展 历 史 1857年Pasteur 发现发酵过程是由微生物作用的结果,并因此成为当之无愧的生物工程之父。人类利用发酵生产是在19世纪,主要产品有乳酸、酒精、面包酵母、柠檬酸和蛋白质及酶等初级产物。 20世纪40年代,以获取细菌的次生代谢物--抗生素为主要特征的抗生素工业成为生物工程的支柱产业。50年代氨基酸发酵工业成为生物工程的一个重要组成部分。60年代又增加了酶制剂工业这一新成员。 生 物 技 术 的 发 展 历 史 传统生物技术的三个重要步骤:第一步:上游处理过程,是指对粗材料进行加工,作为微生物的营养和能量来源;第二步:发酵和转化,即在大的生物反应器(>100L)大量生长微生物来生产某种产品,如抗生素、氨基酸或蛋白质等;第三步:下游处理,对所需的目的产物的分离纯化。 传统生物技术研究主要目标:最大限度提高这三个步骤的整体效率,同时寻找可以制备食品和食品添加剂和药物的微生物。生 物 技 术 的 发 展 历 史研究内容:生物转化环节的优化:菌种的选育和改良,包括化学突变、诱变或紫外线照射来产生突变体,通过选择来改良菌株,提高产量(例如抗生素的大量生产)。生物反应器的设计、发酵过程的检测和反应体系的检测技术下游产品的分离纯化技术局限性:提高产量的幅度有限(突变株某一组分合成太多影响其它组分的合成进而影响微生物在大规模发酵过程的生长);诱变和选择方法过程烦琐,耗时长,费用极高需筛选和检测大量的克隆;只能提高已有的遗传性质不能赋予其他新的遗传性质。 传统的生物技术仅仅局限在化学工程和微生物工程的领域。DNA重组技术的出现和发展引发的根本性的改变,即现代生物技术的时代的到来。 DNA 重组技术的出现标志着现代生物技术的开始; 1953年,Watson和Crick发现了DNA的双螺旋结构,奠定了现代分子生物学的基础,给整个生物学乃至人类社会带来了一场革命。 1973年Herber Boyer和Stanley Cohen完成人类历史第一次有目的的基因重组尝试(pSC101,EcoRI, T4-DNA ligase);并据此提出了“基因克隆”的策略。 现 代 生 物 技 术 内 容生物转化的环节更为有效,不仅可以分离得到高产菌株,还可以人工制造高产菌株;原核生物化和真核生物都可以表达大量的外源蛋白(胰岛素、病原抗原等),动植物也可以作为天然的生物反应器;大大简化新药的开发和监测系统; 现 代 生 物 技 术 内 容基因工程(Gene Engineering) 细胞工程(Cell Engineering )酶工程(Enzyme Engineering )发酵工程(Fermentation Engineering )蛋白质工程(Protein Engineering ) 现 代 生 物 技 术 内 容基因工程:把生物体的遗传物质(通常为DNA)分离出来在体外切割、拼接和重组。然后把重组DNA导入宿主细胞或个体,从而改变它们的遗传性质或使新的遗传信息大量表达以获取基因产物。也称DNA重组技术。细胞工程:指以细胞为单位,在体外进行培养和繁殖或使细胞某些生物学特性按人们的意志发生改变,从而改良生物品种和创新品种,加快繁殖个体或获得某种有用物质的过程。 细胞工程应包括动植物细胞的体外培养、细胞融合技术(细胞杂交技术)、核移植技术等 现 代 生 物 技 术 内 容酶工程:利用酶、细胞器或细胞特有的催化功能,或对酶进行修饰改造,并借助生物反应器和工艺过程来生产人类所需产品的技术。 包括酶的固定化技术、细胞固定化技术、酶的修饰改造技术及酶反应器的设计等。发酵工程:利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊的特点,在合适的条件下,通过现代化工程技术手段,由微生物(或动植物细胞)的某种特定功能生产人类所需的产品。过去也称微生物工程。 现 代 生 物 技 术 内 容蛋白质工程:指在基因工程的基础上,结合蛋白质结晶学、计算机辅助设计和蛋白质化学等学科的基础知识,通过对基因的人工定向改造等手段,从而对蛋白质进行修饰、改造、拼接以产生能满足人类需要的新型蛋白质。 基因工程和细胞工程特别是基因工程现代生物技术的核心,它们给传统的酶工程和发酵工程注入了新的活力。 现 代 生 物 技 术 内 容 现 代 生 物 技 术 内 容 基因工程是基础,而所以基因工程的结果都要通过生物体本身或其细胞(生命活动的基本结构和功能单位)内的酶(或发酵)作用而表现出来。因此,细胞工程是最基本的生物工程技术。 蛋白质工程与基因工程关系密不可分。不同的是基因工程操作单位是整个基因,而蛋白质工程的操作是一个或一些碱基。现 代 生 物 技 术 与 其 它 学 科 的关 系 现代生物技术是生物学与工程学原理综合交叉的边缘学科,亦为知识和技术密集型学科。本学科既是应用生命活动的基本原理,则必需掌握生物体结构、功能、代谢活动及其规律等有关知识,因此与细胞生物学、分子遗传学、微生物学、生理学、生物化学、生物物理学,甚至与物理学、化学及数学等基础学科均有密切关系。同时工程化要求掌握生物反应器的构造原理、生物反应工程原理、物质传递规律、设备运转及其控制条件等基本知识,故与化学工程原理、发酵工程、生物化学工程、电子工程、材料科学、计算机科学及信息科学等密切相关。现 代 生 物 技 术 的 特 点 高效和经济清洁、低耗和可持续发展可遗传、易扩散与自主扩展对人类伦理和人性尊严有直接影响(如克隆人…..)现 代 生 物 技 术 内 容 根据研究领域和内容:农业生物工程食品生物工程医药生物工程海洋生物工程. …………….. 现 代 生 物 技 术 的 发 展 趋 势基因操作技术日新月异,不断完善,从发明到应用时间不断缩短;基因工程药物和疫苗研发(R&D)突飞猛进,将全面更新21世纪的医药工业;转基因植物和动物取得重大突破,在21世纪将给农业畜牧业带来新的飞跃;诠释生命的本质阐明生物体(如人类、水稻、拟南芥等)基因组及其编码的蛋白质的结构与功能是生物科学发展的一个主流方向,与人类重大疾病和农作物产量、质量、抗性等有关的基因结构与功能的研究是今后一个时期的热点和重点;基因治疗取得重大进展,有望革新整个疾病的预防和治疗领域,21世纪可能在恶性肿瘤、艾滋病等方面有所突破;蛋白质工程形成了一门高度综合的学科(分子生物学、结构生物学、计算机技术等) 。生物信息学广泛深入发展,信息技术渗透到生命科学领域之中。 生物技术对社会发展的影响 1 改善农业生产、解决粮食短缺) 2 提高生命质量,延长人类寿命 3 解决能源危机、治理环境污染 4 制造工业原料、生产贵重金属 人口、资源(包括能源)、粮食、环境是人类面临的最重大的问题 生物技术对社会发展的影响 1 改善农业生产、解决粮食短缺(民以食为天) 1.1 提高农作物的产量和品种 培育抗逆的作物优良品系 植物种苗的工厂化生产 提高粮食品质生物固氮,减少化肥使用量(减少了能耗和环境污染) 1.2 发展畜牧业生产(丰富人们的饮食生活) 动物的大量快速繁殖 英国的Roslin研究所培育出“多莉”(1997年2月绵羊乳腺细胞) 培育动物的优良品系 很多转基因动物,羊、猪、鱼…, 转基因鼠(1983,美 国大鼠的生长素基因导入小鼠的受精卵) 生物技术对社会发展的影响 提高生命质量,延长人类寿命(医药生物技术发展最迅速、效益最显著)开发生产奇特又贵重的药品疾病的预防和诊断基因治疗人类基因组计划生物技术对社会发展的影响 3 解决能源危机、治理环境污染 解决能源危机杂草木屑植物秸秆等生产乙醇;微生物发酵产生沼气或氢气提高石油开采率 环境保护利用苏云杆菌生产毒蛋白代替农药微生物降解各种污染物 4 制造工业原料、生产贵重金属 氨基酸类,酸味剂,甜味剂和化学工业原料如乙醇丙酮、丁醇等及重要原料如癸二酸(尼龙、香料)、丙烯酰胺(石油开采)、以康酸(合成树脂、纤维、塑料)2,3-丁二醇(橡胶)和长链二羧酸(工程塑料、树脂)生物技术的商业化的特点属于典型的技术密集型产业市场迅速扩张世界各国都投入了巨额资金有关产品不断增加,且增加速度在加快有关经营公司竞争激烈每一个公司研究目标日趋集中,产品更加专一医学生物技术产业化进程最快中国面临的现代生物技术R & D的挑战过多的仿制低水平的重复专业和管理人才短缺食 品 生 物 技 术 第一节 食品生物技术研究的内容 为什么学习食品生物技术? 21世纪为生物工程的世纪生物工程与电子信息和新材料技术被列为当今极为重要的三大高新技术。与食品科技的关系十分密切(从传统生物技术和现代生物技术来看都是如此,从油盐酱醋,到转基因动物和植物及它们的安全性)食 品 生 物 技 术 第一节 食品生物技术研究的内容 食品生物技术:主要是指生物技术在食品工业上的应用。基因工程:以DNA重组技术为手段,改良食品原料和食品微生物。或者对蛋白质分子定位突变,提高食品的营养价值。(转基因植物与动物)细胞工程:应用细胞生物学原理,有目的地改造遗传物质和细胞培养技术,通过细胞融合技术和动植物细胞(一般不包括微生物细胞)大量培养,来生产各种原来含量少和全新的保健食品有效成分、新型食品和食品添加剂。(鹿茸细胞和人参细胞的培养)食 品 生 物 技 术 第一节 食品生物技术研究的内容 酶工程:利用酶与细胞的固定化技术和酶的催化活性提高食品生产过程中的物质转化,以提高效率和降低成本。(葡萄糖果糖异构酶,酸奶)发酵工程:采用现代化发酵设备和控制技术对改造后的菌株进行放大培养和控制性发酵,获得工业化生产预订的食品和食品的功能成分。(如味精即谷氨酸钠盐)食 品 生 物 技 术主要参考书: 1,现代生物技术导论,瞿礼嘉等编,高等教育出版社,1998 2,生物技术概论,宋思扬,楼士林 主编,科学出版社,2001 3,生物工程与生命,罗琛 主编,科学出版社,2000 4,食品生物技术导论,罗云波,生吉萍。化学工业出版社,2006 食 品 生 物 技 术 第二节 分子生物学研究进展 一、基因的本质 分子遗传的功能单位,DNA分子上的一个片断。二、DNA的结构与功能 A(腺嘌呤),G(鸟嘌呤),C(胞嘧啶),T(胸腺嘧啶) 脱氧核糖+碱基+磷酸基=核苷酸,核苷酸聚合 核酸 1953年,Watson & Crick, 双螺旋模型 3,5 磷酸二酯键,氢键,配对原则:A与T, C与G 遗传基因载体(携带遗传信息)半保留复制遗传信息保存和传递的基础(DNA转录合成RNA,mRNA翻译蛋白质)。 三、RNA的结构与功能核糖, A, G, C, U, 单链三类:rRNA: 存在于核糖体(大肠杆菌中占2%,稳定) tRNA: 在蛋白质的合成中运转氨基酸(大肠杆菌中占16%,稳定) mRNA:遗传信息,其核苷酸序列决定了蛋白质的氨基酸序列(大肠杆菌中占82%,稳定) 食 品 生 物 技 术 第二节 分子生物学研究进展 四、蛋白质的生物合成主要参予者:tRNA、核糖体和mRNA等(1)氨基酸活化成氨基酰tRNA (2)tRNA的反密码子与mRNA的三联体密码子配对。mRNA核苷酸顺序决定了蛋白质氨基酸顺序 (3)新链的生成方向为氨基端向羧基端。 (4)过程复杂,有很多酶、ATP或GTP及起始因子、延长因子和终止因子等因素参与。 食 品 生 物 技 术 第二节 分子生物学研究进展 五、蛋白质合成的调节操纵子:结构基因+操纵基因+启动子基因酶的诱导合成(诱导物(底物)通过与阻遏蛋白结合解除对酶合成的抑制而诱导酶的合成,如乳糖操纵子)酶合成的反馈阻遏(酶作用后的最终产物抑制酶的合成,终产物与阻遏物结合为共阻遏物阻止酶的合成)分解代谢对酶合成的阻遏作用(分解代谢物阻遏某种蛋白质的合成,如葡萄糖效应)控制酶活性的反馈抑制(终产物反过来抑制反应链的第一个酶的活性,而不是阻遏酶的生成)食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第一节 工具酶一、限制性内切酶——裁缝的剪刀* I 型和II酶,基因工程主要使用的为II型(有的分为三类)。 II型,识别序列短,切割位点位于识别序列内(或附近)。识别位点具有旋转对称结构(逥文结构)。单功能酶,仅具有限制作用。 命名:属名和种名相结合的原则,即属名第一个字母(大写)和种名的前两个字母(小写)形成三字母缩写(斜体)。若同株菌含有几种酶,则分别用罗马数字置于三字母之后如HaeI和HaeII。当有株名或血清型时,把株名或血清型的第一个字母放在三字母之后。如HindII及HindIII,EcoRI 产物:粘性末端和平头末端(二者5’端都是-P基团,3‘端都是-OH) 切割后形成异源二聚体 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第一节 工具酶二、连接酶---裁缝的针线(缝纫机):大肠杆菌DNA连接酶和T4-DNA连接酶,前者NAD作辅助因子,只能连接具有互补粘性末端的DNA片断;后者ATP作辅助因子,既可以连接互补的粘性末端的DNA片断,也可以平头末端的DNA分子。即后者的连接活性高于前者。 三、DNA聚合酶,催化脱氧核苷酸聚合的酶:缺口翻译标记和酶法DNA测序(该酶又称为依赖DNA的DNA聚合酶,即以DNA作模板合成DNA)四、碱性磷酸酯酶--偷走别人校徽(去除5’的磷酸基团产生5‘OH,防止载体自我环化可以提高重组效率及为5‘ 标记作准备)五、T4多聚核苷酸激酶--给人挂上校徽(加上5’磷酸基团,用于5’ 末端标记)六、S1核酸酶--专门欺负弱者的人(降解单链,除去单链形成钝端和打开cDNA合成中的发夹状环)七、逆转录酶--反客为主的人(从RNA到DNA,因此称为依赖RNA的DNA聚合酶,即RNA为模板合成DNA) 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第二节 目的基因 目的基因的来源: 生物学途径:shotgun 和分子杂交 酶促合成 化学合成食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第三节 分子克隆载体 基本要求: 1、能够自我复制(携带外援基因前后) 2、相对质量要小,具有合适的酶切位点 3、具有有效的运载能力,能携带大小不同的外源性基因。 4、能给宿主提供便于选择的标记或表征特性 种类:质粒,噬菌体,柯斯质粒(cosmid),YAC载体(yeast artificial chromosome)等食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第四节 基因重组 原理:T4 DNA连接酶形成3,5 磷酸二酯键连接方式(P22,图2-1): 粘性末端连接:直接连接和加尾连接(既可以用大肠杆菌DNA连接酶,也可以用T4 DNA连接酶) 平头末端连接(只能用T4 DNA连接酶) *平头末端的连接效率低于粘性末端连接效率。 *加尾连接法是在没有粘性末端的情况下为提高连接效率人为的创造可配对的末端。一种分子用AAA...., 另一边用TTT…...或者一边用CCC…., 另一边用GGG……. 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第五节 转化、增殖和表达转化:将携带某种遗传信息的DNA分子引入宿主细胞,通过DNA之间同源重组获得具有新遗传性状生物细胞的过程。英文为transformation,转化为DNA的单方向转移,即外援DNA进入受体细胞,而不是交换。 一、受体细胞:定义:在转化、转导和杂交过程中接受外源基因的细胞。要求:具有接受外源基因的能力。 内切酶缺陷性或DNA重组性菌株 安全,在人体内和离开特定的培养条件 无法繁殖. 种类:细菌,放线菌,酵母,哺乳动物细胞和植物细胞 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第五节 转化、增殖和表达二、感受态和感受态细胞感受态:受体细胞能够吸收外源DNA分子而有效地作为转化受体的某些生理状态。一般受体细胞在对数生长期转化能力最强。还与重组DNA分子的构型和大小有关。分子量越小越易转化。三、扩增筛选 阳性转化子筛选: 表现型分析法(如插入失活,如P30 图2-2) 原位杂交法 免疫分析法 PCR技术(PCR 聚合酶链式反应) 目的基因的扩增: 通过转化受体细胞扩增, 受体细胞转化繁殖后就实现了扩增。 聚合酶链式反应(PCR, polymerase chain reaction) 四、基因表达:目的基因在受体细胞内转录翻译为相应的蛋白质或酶,或进而获得它们的代谢产物的过程。 启动子和表达载体 一般使用强启动子,如lac启动子, trp启动子等真核生物还需要S-D顺序(Shine-Dalgarno sequence, 核糖体的一个结合位点),另一个为ATG即起始密码子。 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用第六节 基因工程及其在食品工业中应用一、改良食品加工原料 如基因工程生产的生长素注射牛和猪;提 高植物油中不饱和脂肪酸的含量;延缓疏果成熟,提高抗病抗逆能力及加工性能等….. 二、改良微生物菌种性能 转基因改良的面包酵母,啤酒酵母和转基因的大肠杆菌,以及用于生产食品添加剂和加工助剂的改良菌株三、应用于酶制剂的生产 重组DNA技术生产小牛凝乳酶;耐热的α-淀粉酶;糖化酶基因在酵母中表达和SOD在酵母和大肠杆菌中的高效表达等四、改良食品加工工艺 克隆基因降低大麦中的醇溶蛋白,利于啤酒的生产;提高牛奶的热稳定性。五、生产保健品的有效成分 鹿茸、牛黄的人工培养和人参细胞的培养;人的血红素基因转到猪中,用猪生产人血的替代品等。食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用第七节 蛋白质工程一、 基因修饰改造蛋白质结构定位突变(P35和图2-3)盒式突变二、蛋白质工程的应用 溶菌酶稳定性的改造,葡萄糖异构酶最适pH的改变;单克隆抗体的“人类化” 食 品 生 物 技 术 第二章 基因工程及其在食品工业中应用 第八节 基因工程食品卫生安全管理规范美国提供给消费者基因工程食品有三种:动物用药、完整的食物和食品添加剂。英国基因工程食品四类标准:采用基因工程菌生产的与传统食品质量和成分相同;食品内容含有与自身同种基因的基因工程菌生产的食品;食品中含有别的基因工程菌的成分;食品含有别的基因工程菌,而这种菌含有别的物种基因。 * 前两种无需标示,后两类则需要标示出来。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用酶是一类生物催化剂,其催化活性是由其特定的空间结构决定的。酶分子具有活性中心(对催化作用特别重要的极小的空间和区域,往往由几个氨基酸组成),包括结合部位和催化部位。前者处于底物结合部位,决定酶的专一性,后者决定酶的催化类型和性质。具有调节作用的酶还有“别构部位”。这是酶的抑制剂或活化剂的结合部位。酶作用具有高度专一性、催化效率高、活性调节控制机制复杂、在常温常压和生理条件下行使功能。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用酶工程:应用酶的特异的催化功能并通过工程化为人类生产有用产品和提供有益服务的技术。从动植物体及微生物发酵物中制取的酶称为第一代酶(已形成一定的产业规模)。固定化酶称为第二代酶(已得到推广应用);固定化生长态细胞和多酶体系及固定化辅酶称为第三代酶(已实现工业化)。后二者称为现代酶工程。酶工程是研究酶的生成和应用的一门技术性学科,包括酶制剂的制备、酶的固定化、酶的修饰改造及酶反应器等方面的内容。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用酶的来源:生物界有3000多种酶,来源有动植物组织(如来自动物的胰蛋白酶和来自植物的木瓜蛋白酶、菠萝蛋白酶), 大多数来自微生物及其发酵液(葡萄糖异构酶、枯草杆菌蛋白酶等)。微生物包括细菌、真菌、放线菌、霉菌、酵母等。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用固定化酶及其特性固定化酶:限定或位于特定空间的酶,又称固着酶(Immobilized enzyme)。固定化酶属于修饰酶(与天然酶对应),修饰酶还包括蛋白质工程技术改良的酶。固定化酶有包埋型及结合型(酶结合在载体上)。包埋型有凝胶包埋及微囊化包埋两类;结合型又分为吸附与共价两种。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用固定化酶的优点(可溶性的酶变为不溶于水的酶):稳定性高于天然酶反应后酶与底物易于分开,并可长期反复利用反应液中无残留酶,产物易于纯化,产品质量高可实现转化反应连续化和管道化和自动控制生产酶的利用率高,降低了生产成本转化过程基本上无三废排出(被称为 “无公害酶” ) 食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用固定化细胞及其特性固定化细胞:被限制或定位于特定空间位置的细胞(与固定化酶一起统称固定化生物催化剂)。此技术已扩展至动植物细胞甚至线粒体和叶绿体等细胞器的固定化。其应用比固定化酶更为普遍。固定化细胞的特点:无需进行酶的分离纯化,减少投资;细胞保持原初生命状态,固定化过程酶回收率高;细胞内酶较固定化酶稳定性更高;细胞内辅助因子可以自动再生;细胞本身含多酶体系,可催化一系列反应;抗污染能力强。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用细胞固定化方法:载体结合法:吸附法和共价结合法包埋法(凝胶或微囊)交联法(cross linking)选择性热变性(在适当温度下使细胞膜蛋白变性但不使酶变性而使酶固定在细胞内)食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用酶法应用于纤维素的水解纤维素大量广泛存在,加强综合利用和提高利用效率对净化环境和开辟新能源等意义重大。纤维素酶是降解纤维素成葡萄糖的一组酶的总称(不是一种单一纯酶)即包括多种水解酶,是一种复合酶。一般分为三类:葡萄糖内切酶(endo-1,4-β-D-glucanase,EG),产物为非还原末端的小分子纤维素葡萄糖外切酶(exo-1,4-βD-glucanase),又叫纤维二糖水解酶(cellobiose hydrolase,CBH),产物纤维二糖分子。 β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase,BG)底物为纤维二糖和纤维寡糖,产物为葡萄糖。产酶菌种:细菌、放线菌、真菌和酵母 食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用测定纤维素酶活力的方法:滤纸崩溃法,棉花糖化力,CMC糖化力(以还原糖表示),CMC液化力(以粘度表示)和滤纸糖化力等。其中, CMC糖化力主要代表外切-β1,4-葡萄糖酶的活力和内切酶活力的总和; CMC液化力主要代表内切- β1,4-葡萄糖酶活力;滤纸糖化力代表“纤维素糖化”酶活力或总纤维素的酶活力。 *CMC(carboxyl methyl cellulose):羧甲基纤维素 *HEC ( hydroxy ethyl cellulose) :羟乙基纤维素食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用影响纤维素酶作用的因素:底物、酶组成、pH、温度和抑制剂和活化剂。纤维素酶在食品工业中的应用P47~48 1.果汁生产:促进果汁提取与澄清。果皮渣酶解转化为可溶性糖和降解为短链低聚糖即膳食纤维。 2.香料生产:利于香料在提取液扩散与分配,增加得率和产量。 3.果蔬生产:提高可消化性改进口感和脱水蔬菜的烧煮性和复原性。 4.种子蛋白利用:增加大豆或豆饼水溶性蛋白质的得率,缩短时间,提高质量。 5.速溶茶生产:提高得率保持原来的色、香、味,缩短提取时间,提高水溶性较差的茶单宁和咖啡因的提取率。 6.可发酵糖的生产:糖化酶处理产生可供微生物发酵利用的碳源,来生产酒精和单细胞蛋白。对利用丰富的纤维素资源意义重大。 7.琼脂生产:提高得率,简化工艺,避免琼脂的分解。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用纤维素酶在发酵工业中应用的两种方式:一种先糖化再经微生物发酵生产;另一种是在加入纤维素酶的同时接种用于微生物发酵。后一种解除了第一种方式中降解产物(如葡萄糖)对纤维素酶的抑制作用,提高了产量。主要应用于酱油酿造、制酒工业和纤维素废渣转化利用。酶法应用于淀粉糖类的生产P48~62 酶法生产新型低聚糖酶法应用于干酪产品生产酶法应用于环壮糊精的生产其它酶在食品加工中的应用 食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用第二节:酶法应用于淀粉糖类的生产 α-淀粉酶:底物淀粉,作用位置底物内部随机α-1,4糖苷键,产物为分子量不等的糊精和少量低聚糖和麦芽糖和葡萄糖。不水解支链淀粉的α-1,6糖苷键和靠近分枝点α-1,6糖苷键外的α-1,4糖苷键。工业上称为液化型淀粉酶。随淀粉分子分子量变小,水解速度变慢,底物分子量越小,水解速度越慢。钙离子对保持酶的最大活性与稳定性和适当的构像很重要。 来源:动物、植物和微生物,工业α-淀粉酶主要来自细菌和曲霉。细菌芽孢杆菌,特别是耐热性的α-淀粉酶。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用 β-淀粉酶:底物为淀粉,位点为非还原端,产物两个葡萄糖单位并把原来的α构型转化为β构型。特点只水解α-1,4糖苷键,不水解α-1,6糖苷键,因此水解支链淀粉不完全,产生较大的极限糊精和生成50~60%的麦芽糖。 广泛存在于植物和微生物中,生成β-淀粉酶的微生物主要有芽孢杆菌、假单胞杆菌、放线菌等。工业上主要以植物为主生产麦芽糖。 食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用葡萄糖淀粉酶:作用于淀粉的非还原端依次水解一个葡萄糖分子并把构型转变为β构型。可以水解α-1,4糖苷键、α-1,6糖苷键 和α-1,3糖苷键 脱枝酶:作用于支链淀粉、糖原的分枝点的α-1,6糖苷键。与β淀粉酶一起来制造麦芽糖可使麦芽糖的得率从50%~60%提高到90%;与糖化酶一起可将淀粉转化为葡萄糖的得率提高到90%以上。食 品 生 物 技 术 第三章 酶工程及其在食品工业中应用果糖糖浆 的生产分为淀粉液化、糖化和葡萄糖异构化几个工序。超高麦芽糖的生产也包括液化、糖化阶段,其中糖化可以利用糖化型淀粉酶糖化,也可以利用β淀粉酶和脱枝酶协同糖化。麦芽糖的精制的方法有吸附分离法(活性炭柱精制法和阴离子交换树脂法)、有机溶剂沉淀法、膜分离法(超滤、反渗透)、结晶法等方法。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵工程:利用微生物生长速度快、生长条件简单以及代谢过程特殊的特点,在合适的条件下,通过现代化工程技术手段和微生物(或动植物细胞)的某种特定功能生产人类所需的产品。过去也称微生物工程(由于以培养微生物为主)。发酵工程是生物技术的重要组成部分,是生物技术产业化的重要环节,它将微生物学、生物化学和化学工程的基本原理有机地结合起来,是一门利用微生物的生长和代谢来生产各种有用物质的工程技术。发酵技术有着悠久的历史。发酵(fermentation),来自拉丁语发泡(fervere),是指酵母作用于果汁或发芽谷物产生CO2的现象。巴斯德研究酒精发酵的生理意义,认为发酵是酵母在无氧状态下的呼吸过程。生物化学上的定义为“微生物在无氧状态的呼吸过程”。目前,把利用微生物在有氧或无氧条件下的生命活动来准备微生物体或其代谢产物的过程统称为发酵。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用从开始的酿酒、制酱、制奶酪, 到40年代抗生素工业的兴起,再到在传统发酵的基础上结合了现代DNA重组、细胞融合、分子修饰改造等新技术的现代发酵技术。优点:投资省,见效快、污染小、外源目的基因在微生物菌体中高效表达等。发酵产品的产量与初期相比,至少增加了几十倍。发酵生产的抗生素品种高达200多个,发达国家发酵工业的产值占国民生产总值的5%。在 医药行业占20%。涉及到许多领域。发酵过程主要内容包括生产菌株的选育,发酵条件的优化与控制,反应器的设计及产品的分离、提取与精制等。 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用目前已知具有生产价值的发酵类型有以下五种:食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用菌种的筛选的标准即菌种需具备的特性: 1,稳定而高产的遗传特性; 2,抗噬菌体能力强; 3,发酵过程泡沫少; 4,需氧量低; 5,底物转化率高; 6,对培养物和前提耐受力强; 7,营养特性和发酵过程可用廉价原料为培养基; 8,最适温度高; 9,既具有高的遗传稳定性又要有基因操作可修饰性; 10,产物易于从发酵液中回收。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用微生物的发酵过程:根据微生物的种类不同(好氧、厌氧、兼性厌氧),可分为好氧性发酵和厌氧性发酵两大类。好氧性发酵,在发酵过程中需要 不断地加入一定量的无菌空气,如利用黑曲菌进行柠檬酸的发酵、利用棒状杆菌进行的谷氨酸的发酵和黄单胞菌进行多糖的发酵等等。厌氧性发酵,不需要供给空气,如乳酸菌引起的乳酸发酵、梭状芽孢杆菌引起的丙酮、丁醇发酵等,兼性厌氧,酵母菌是兼性厌氧微生物,在缺氧条件下厌氧性发酵积累酒精,而在有氧条件下则进行好氧性发酵,大量繁殖菌体细胞。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用按照设备来分:敞口发酵、密闭发酵、浅盘发酵和深层发酵。敞口发酵,设备要求简单,用于繁殖快并进行好氧性发酵的类型,如酵母的生产。由于酵母的迅速大量的生产抑制了其它杂菌的生长。密闭发酵,设备要求严格,工艺复杂。浅盘发酵,一薄层培养液,接种后在液体上面形成一层菌膜。用于繁殖快好氧性微生物的培养。深层发酵,在液体培养基内部(不仅仅在表面)进行微生物的培养。 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用深层发酵具有很多优点:食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵工业常用的微生物:细菌(枯草芽孢杆菌、乳酸杆菌、醋酸杆菌、短杆菌,用于淀粉酶、乳酸、醋酸、氨基酸和肌苷酸等的生产)放线菌(主要来自其下的链霉菌属、小单胞菌属和诺卡氏菌属。抗生素的60%是由放线菌生产的)酵母菌(啤酒酵母、假丝酵母、类酵母,用于酿酒、制造面包、生产脂肪酶,可食用、药用和饲料用的酵母菌蛋白)霉菌(藻状菌纲的根酶、毛霉、梨头霉,子囊菌纲的红曲霉,半知菌类的曲霉、青霉等,用于酶制剂、抗生素、有机酸及甾体激素的生产)其它微生物(担子菌即通常所说的菇类微生物,如香菇多糖,灵芝多糖类物质都有抗癌作用;藻类,如螺旋藻)食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用培养基的种类和组成培养基的种类: 孢子培养基,供制备孢子用,要求:形成大量优质孢子但不能引起菌株变异。基质浓度特别是有机氮源要低些,无机盐的浓度要适当 菌种(种子)培养基,供孢子发芽和菌体生长繁殖用,营养成分比较丰富完整易吸收,氮源和维生素含量应略高些。 发酵培养基,供菌体生长繁殖和合成大量代谢物,要求营养成分丰富完整,浓度和粘度适中。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用培养基的组成:碳源:单糖(如葡萄糖、果糖)、双糖(如蔗糖、麦芽糖)和缓慢利用的淀粉和纤维素等。其中,玉米淀粉及其水解液常用于抗生素、氨基酸、核苷酸、酶制剂等的发酵;马铃薯、小麦、燕麦淀粉等用于有机酸、醇的发酵生产。有些有机酸、醇作在单细胞蛋白、氨基酸、维生素、麦角碱和某些抗生素的发酵碳源。有些石油产品作为微生物发酵的主要原料。氮源:有机氮(黄豆饼、棉子饼、蛋白胨、酵母粉、鱼粉等)和无机氮源(硫酸铵、氯化铵和硝酸铵等)无机盐和微量元素:功能为构成原生质体的成分(如磷硫等)、作为酶的组成成分和维持酶的活性(镁、铁、锰、锌钴等)、调节细胞的渗透压和影响细胞膜的透性(氯化钠、氯化钾等)和参与产物的生物合成等。微量因素一般有0.1ppm浓度就可以满足要求。生长因子:维生素、氨基酸、嘌呤和嘧啶的衍生物等。水:深井水、自来水和地表水产物形成的诱导物、前体和促进剂:许多胞外酶的合成需要适当的诱导物存在。前提是指被菌体直接用于产物合成而自身结构无显著改变的物质。当前体物质的合成是产物合成的限制因素时,加入前体可以增加产物的产量和在某种程度上控制生物合成的方向。加入促进剂可刺激菌株的生长,提高发酵产量,缩短发酵周期。 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵工程的一般过程:食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵的方式: 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用连续发酵的优缺点(与分批发酵相比):食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用两种补料分批发酵: 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用补料分批发酵的优点: 补料分批发酵是分批发酵向连续发酵的过渡,兼有两者的优点,又克服了两者的缺点。与分批发酵相比,首先可以解除营养物基质的抑制、产物反馈抑制和葡萄糖分解阻遏效应。对于好氧发酵,可以避免分批发酵中一次性投入糖过多造成细胞大量生长,耗氧过多,导致通风设备不能匹配的状况。还可以减少菌体生长量,提高有用产物的转化率。与连续发酵相比,它不会产生菌种老化和变异的问题,适用范围也比连续发酵广。随着研究工作的深入和微机在发酵过程自动控制中的应用,补料分批发酵技术将日益发挥其巨大的优势。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵工艺的控制: 温度:最适温度是既适合菌体的生长,又适合代谢合成的温度。随菌种、培养基成分、培养条件和菌体生长阶段不同而改变。 pH值:pH值的变化取决于菌种、培养基成分、培养条件溶解氧浓度,发酵液的需氧量受菌体浓度、基质种类和浓度以及培养条件等因素的影响,其中以菌体浓度最为明显。放灌时间,根据不同发酵时间所得到的产物产量计算出发酵的生产力和产品成本,采用生产力高而成本又低的时间作为发给时间。要考虑的指标有产物的产量、过滤速度、氨基氮含量、菌丝形态、pH值、发酵液的外观和粘度等, 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用发酵设备 食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用下游加工过程:发酵液预处理和固液分离:预处理的目的是改善发酵液的性质,以利于固液分离(常用酸化、加热、加絮凝剂等方法)。固液分离常用过滤、离心等方法。如目的产物在细胞内,还需要破碎细胞。方法有机械的(如研磨,超声波处理,高压均质法,冷冻-解冻交替处理法),生物的(酶处理)和化学的(氢氧化钠、乙酸、草酸、柠檬酸、尿素甲苯、氯仿和甲醇-盐酸等)提取,目的主要是浓缩,也有一定的纯化作用。常用的方法有:1、吸附法2、离子交换法3、沉淀法4、萃取法5、超滤法等精制:提取中方法也可以用于精制。大分子(蛋白质)依赖于层析分离;小分子物质的精制常利用结晶操作。成品加工:根据产品要求,进一步浓缩、无菌过滤、去热原、干燥、加稳定剂等步骤。随着膜质量的改进和膜装置性能的改善,膜技术在下游加工过程中使用越来越多。浓缩可采用升膜或降膜式的薄膜蒸发,热敏感性物质,可用离心膜蒸发。对大分子溶液的可用超滤膜浓缩,小分子溶液可用反渗透膜。截断分子量为10,000的超滤膜可以除去分子量在1000以内的产品中的热原同时达到了除菌的目的。干燥方法因物料性质、状态及具体条件可选用真空干燥、喷雾干燥和冷冻干燥等方法。食 品 生 物 技 术 第四章 发酵工程及其在食品工业中应用固体发酵:是指微生物在无游离水或几乎没有游离水的固体物质上生长发酵的过程。 某些微生物生长需水很少,可以利用疏松而含有必需营养物的固体培养基进行发酵生产。我国传统的酿酒、制酱及天培(大豆发酵食品)的生产均有一个固体发酵期。固体发酵还可以用于蘑菇的生产、奶酪、泡菜的制作以及动植物废料的堆肥等。固体发酵所用原料一般为经济易得、富含营养的工农业中的副、废品,如麸皮、薯粉、大豆饼粉、高梁、玉米粉等。固体发酵一般都是开放的,无菌要求不高。所需设备简单,操作容易,可因陋就简、因地制宜。但劳动强度大、不便于机械化操作、微生物品质少,生长慢,产品有限等。目前主要的发酵生产多为液体发酵。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用细胞工程:指以细胞为单位,在体外进行培养和繁殖或使细胞某些生物学特性按人们的意志发生改变,从而达到改良生物品种和创新品种,加快繁殖个体或获得某种有用物质的过程。细胞工程是在细胞水平研究开发、利用各类细胞的工程。操作对象是细胞。细胞工程应包括动植物细胞的体外培养、细胞融合技术(细胞杂交技术)、核移植技术、细胞代谢物的生产和生物克隆等。 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用第一节 细胞工程基础知识原核细胞(细菌、放线菌等),外有细胞壁(由肽聚糖组成,细胞融合的主要障碍),生长迅速,是细胞改造的良好材料。真核细胞(酵母、动植物细胞),植物细胞有细胞壁(由纤维素组成)细胞工程的所有实验都要求在无菌条件下进行。实验操作应在无菌室内进行,超净工作台是最基本的实验设备,对生物材料和所用的一切器械、器皿和药品都应灭菌或除菌。无菌操作意识和彻底除菌是成功的一个关键。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用细胞融合:两个或多个细胞相互接触后,其细胞膜发生分子重排,导致细胞合并、染色体等遗传物质重组的工程称为细胞融合。是细胞工程的重要基础技术。细胞融合的主要过程: 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用促进细胞融合的方法(P175)生物学法(病毒促进细胞融合,仙台病毒、疱疹病毒、天花病毒等)化学融合剂(PEG,二甲基亚碸、甘油磷酸酯等,PEG最为广泛)电处理融合法(电激法,高频电场脉冲)食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用原生质体融合的步骤: 1.具有标记菌种的筛选和稳定性鉴定(营养缺陷型,高渗溶液保存) 2.原生质体制备与再生 超声波破碎法:很难得到完整的原生质体球 酶法:细菌、放线菌(EDTA+溶菌酶); 革兰氏阳性(溶菌酶);革兰氏阴性菌( EDTA+溶菌酶)。酵母(蜗牛酶,helicase);丝状菌(纤维素酶和纤维素酶加上蜗牛酶);霉菌(单独壳聚糖酶或与其它酶配合) *用对数生长期的培养物制备原生质体较为合适。 *原生质体的再生(原生质体经培养后回复原来细胞形态的过程)十分重要,再生率一般为3%~10%,最高的达50~80%。再生培养基加入牛血清蛋白,再生率几乎可达100%。 3.原生质体融合: 原生质体数=A-B A——未经渗透休克处理的即用高渗稳定液作稀释液涂布于再生平板长出的菌落,即原生质与未去壁细胞的总和 B——涂布之前用低渗溶液(如水)渗透休克处理使原生质体破裂失活后,再涂布长出的菌落,即为未破壁的菌体细胞数。 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用融合重组体的鉴别 直接法:融合液直接涂布于没有补充两亲株生长所需要的营养物的培养基的平板上,直接筛选出融合重组体; 间接法:先将融合液涂布于营养丰富的培养基的平板上,使未融合的亲本菌株和重组的菌株都能生长,然后再用影印法接种到选择培养基上找出重组体菌株。 *选择的困难在于融合子的不稳定性和融合子的复杂性:杂合双倍体或单倍重组体属真正的融合,较为稳定。凡不稳定而易分离为亲本类型的融合作用,称为暂融。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用细胞培养技术 细胞培养指的是动物、植物和微生物细胞在体外无菌条件下的保存和生长。不同来源的细胞培养对营养要求差异很大,但作为细胞培养有一定的共同之处: 1、取材和除菌:动物细胞在取材前,植物细胞在取材前后都要对取材部位进行严格的表面清洗消毒(有时用酶处理以得到分散生长的细胞); 2、配制培养基并消毒,无菌操作把材料接种到培养基上(中); 3、接种好的培养基在培养室或培养箱中培养; 4、当细胞生长到一定生物量时,及时收获或传代。 *培养过程中提供最佳条件:温度、湿度、光照、氧气和二氧化碳等。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用组织培养和细胞培养细胞培养指的是离体细胞在无菌条件下的分裂、生长,在整个培养过程中不出现分化,不形成组织;而组织培养意味着取自动物体(植物体)的某类组织,在体外培养时细胞一直保持原本分化的特性,该组织的结构和功能持续不发生明显变化。 *经常有很多人混淆了两个概念。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用第二节 动物细胞的培养方法 动物细胞工程是细胞工程的重要分枝。利用生物学及工程学的原理定向改造动物细胞遗传性,创造新物种,通过工程化为人类提供名贵药品及服务的技术,谓之动物细胞工程。 1907harision培养蛙胚神经细胞(存活数周并长出了轴突),称为公认的动物组织培养的鼻祖。 1958冈田善雄发现灭活后仙台病毒可以诱导艾氏腹水瘤细胞融合 1960s,童弟周等进行了鱼类和两栖类中大量的核移植 1975kohler和milstein巧妙地创立了淋巴细胞杂交瘤技术并得到单克隆抗体。 1997英国的Wilmut领导的小组用体细胞核克隆出Dolly绵羊,动物细胞工程已达到世纪辉煌顶峰。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用动物细胞培养的特点:细胞生长缓慢,易受微生物污染,培养时需用抗生素;动物细胞大(比微生物细胞大得多),无细胞壁,机械强度低,适应环境能力差;培养过程需要氧量少,不耐强力通风和搅拌;培养中具有群体效应、锚地依赖性(需要附着在固体半固体表面上才能生长)、接触抑制性及功能全能性。培养过程中产物分泌到细胞内外,过程成本高,产品价值昂贵;除需要植物、微生物培养基成分外,还需要加入血清成分和动物激素;对环境敏感,培养条件要求控制严格。原代细胞一般繁殖50代即退化死亡。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用无血清细胞培养基P180~181 基础培养基加上代血清的补充因子,见表5-2 和表5-3 动物细胞的培养方法(根据锚地依赖性):灌注悬浮培养贴壁细胞培养固定化细胞培养食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用动物细胞大量培养的应用例子食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用第三节 植物细胞工程及应用定义与内容:根据生物学及工程学的原理定向改造植物细胞遗传性,利用植物细胞为人类提供名贵药品及服务的技术,谓之植物细胞工程。内容包括植物细胞及其原生质体的培养、植物原生质体的融合、植物细胞反应器及其反应动力学、细胞大规模培养及次生代谢物的生产等。植物细胞的培养特性 1.植物细胞较微生物细胞大的多,外有纤维素细胞壁,耐拉不耐扭,抵抗剪切力差; 2.生长缓慢,易受微生物污染,需用抗生素;3.细胞生长的中期和对数期易凝聚成团,悬浮培养困难; 4.培养需过氧,培养液粘度大,不耐强力通风搅拌; 5.具有群体效应,无锚地依赖性及接触抑制性; 6.培养的细胞产物潴留在细胞内,且产量低; 7.培养过程具有结构和功能全能性。培养的类型愈伤组织培养、悬浮细胞培养、器官培养、茎尖分生组织培养、原生质体培养和固定化细胞培养食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞的营养成分和培养基 #初级代谢产物生产和次级代谢产物生产,因此,适于细胞生长的培养基不一定利于二次代谢产物的生产。 # 培养基应包括植物生长所需要的16种元素和某些生理活性物质,可分为5大类:无机营养物,13种元素为植物所必需的因素,其中6种为大量元素(N, K, Ca, Mg, S),另外7种必需的微量元素( Fe, B,Mn, Cu, Zn, Mo, Cl)有机物质,分为有机营养物质(提供碳、氢、氧、氮等因素,如糖类、氨基酸及其酰胺类如天冬酰胺)和生理活性物质如维生素如硫胺素(B1)、吡哆醇(B6)、烟酸、生物素、肌醇、单核苷酸及其碱基如腺嘌呤等。植物生长刺激物,主要为天然植物激素和人工合成的类似生长激素的物质如生长素(吲哚乙酸、萘乙酸等)、细胞分裂素(激动素、玉米素)、赤霉素、脱落酸和乙烯类激素。其它附加物,不是必需的,但是有利的,如琼脂(不要成分)、活性炭(吸附有害代谢物)、聚蔗糖(Ficoll)和琼脂糖(agrose)(改善供氧状况)。其它对生长有益的未知成分,如植物的天然汁液如椰乳、酵母提取物、苹果汁等,作用是提供必要的微量元素和生理活性物质和生长激素类物质。 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用培养基的种类:很多种,根据培养的材料和目的选择合适的培养基。P187~191 培养基的配制P191~192 1.培养基母液的配制: 大量元素混合母液(10X) 微量元素混合母液(100~1000x) 铁盐母液(FeSO4与Na2-EDTA)(200x) 有机化合物母液(0.1~10mg/ml) 植物激素(0.1~10mg/ml) 2. 培养基的配制:混合培养基的各成分溶化琼脂混合调pH 分装灭菌备用食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞培养的类型与技术植物细胞悬浮培养技术:分批培养法、半连续培养法和连续培养法 * 悬浮培养技术适于大量快速地增殖细胞,不利于次生物质的积累。 *悬浮培养中培养物所处的微环境不同(不均一性)由于植物细胞在培养中结块,块内外部的细胞所得到的养分、空气和生长物质不同,导致细胞大小、形状、代谢和生长的不均一性。这是该法的特征和缺陷。单细胞培养技术:看护培养法、微室培养法和平板培养法植物细胞固定化培养技术* * 细胞生长缓慢而次生物质的含量相对较高。 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞培养要解决的技术难点P197~198 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用单细胞培养技术单细胞培养方法P198~201 影响细胞生长的因素食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞固定化培养技术(自学)固定化细胞的优点:高度保持反应槽内细胞的量(即生物体催化剂的量),提高反应效率;反应活性稳定,可长期连续运行;易与产物分离;最适宜的环境条件和基质浓度等易于控制;大多数次生代谢物主要由处于稳定增殖期的细胞生产,所以应固定稳定期的细胞,以避免固定化对细胞生长发育的抑制。 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞固定化培养技术(自学)植物细胞固定化的方法和材料P201~204 包埋(海藻酸盐, k-角叉菜胶,琼脂及琼脂糖, 聚丙烯酰胺凝胶和其它包埋载体如聚氨基甲酸乙酯泡沫塑料和氨基酸乙酯聚合物等以及膜包埋固定化)吸附共价结合生物反应器的放大, 在放大过程中常常由于物理或化学条件的改变而引起产物产率的下降,原因有多方面的。食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用植物细胞培养生物反应器的类型及其放大 食 品 生 物 技 术 第五章 细胞工程及其在食品工业中应用 植物细胞培养的应用一、植物细胞的生产(西洋参为例)二、初级和次级代谢物的生产(食用色素为例)三、生物转化 影响次生代谢物产生的因素食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 饮料是食品工业的一个支柱产业,把生物技术应用于饮料生产,可以提高资源利用率,促进开发新产品,改进生产工艺、提高产品质量。特别是在发酵乳酸饮料、植物蛋白饮料、果汁的加工生产、啤酒生产和保健饮料的生产方面发挥着越来越重要的作用。食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 第一节 生物技术在发酵乳饮料中的应用两大类发酵乳:酒精发酵乳和乳酸发酵乳,前者为酵母和乳酸菌混合发酵制成的发酵乳,成品中既含有乳酸和其他有机酸,也含有酒精和CO2;后者为主要使用乳酸菌,不使用酵母而生产的发酵乳。常见的酒精发酵乳有酸牛乳酒、酸马奶酒常见的乳酸发酵乳包括酸乳(即酸奶)、发酵酪乳、双歧杆菌乳、嗜酸菌乳和发酵稀奶油等 食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 发酵乳的功能与特性食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 发酵剂的种类:P225~227,发酵剂的发展趋势为浓缩发酵剂或干剂。干剂优点:1.质量有保障,厂家可直接使用,节省投资;2.可组合成系列干剂,使酸乳既有营养又能保健。形成不同粘度和不同风味等发酵剂;3.便于家庭自制酸乳。 食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 发酵乳生产 酸乳加工工艺:食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 嗜酸菌乳及其他含嗜酸菌乳杆菌的发酵乳 1、嗜酸菌乳的制造及其特性P229~230 2、嗜酸乳杆菌酸乳及酸乳饮品P230 食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 双歧杆菌的生产 1.菌种的分离与鉴定 2.双歧杆菌的耐氧驯化(先厌氧条件然后慢慢增加氧气的浓度) 3.寻找促进生长的双歧杆菌高效生长因子(P232~234) 4.双歧杆菌菌乳的加工工艺: 分别发酵:与乳酸菌分别在不同的发酵灌发酵然后按比例混合、装罐后入冷库后熟。 混合发酵:与乳酸菌混合制备工作发酵剂,或分别制备工作发酵剂,然后按比例接种到处理过的乳中,达到酸度后停止发酵迅速冷却。 分步发酵:先把5%的双歧杆菌接入处理过的乳中于37℃培养发酵到一定酸度后,再按比例接入酸乳发酵剂,于42 ℃发酵至要求的酸度。食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 第二节 植物蛋白饮料定义:利用蛋白质含量高的植物种籽和各种核果类为主要原料,经加工制成的乳状饮料。如以大豆为代表的植物蛋白饮料含有较高的蛋白质、维生素、矿物质和其它营养成分如大量的亚油酸和亚麻酸,还不含有胆固醇,不会引起血管壁胆固醇的沉积。两大类植物蛋白饮料 1.调制型植物蛋白饮料:先将原料经过预处理后制浆,再经适当调制而成。 2.发酵型植物蛋白饮料:在原料制浆后,加入少量的奶粉或某些可供乳酸菌利用的糖类作发酵剂,经乳酸菌发酵而成。该类植物蛋白饮料兼有植物蛋白饮料和乳酸菌饮料的优点。既保留了植物蛋白饮料的营养成分,乳酸菌的作用产生了宜人的酸味和其它风味物质,并消除了植物蛋白饮料中的某些气味(如豆腥味)。通过乳酸菌对植物蛋白的降解,提高了营养价值。食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 第三节 果胶酶及在果汁饮料生产中的应用定义:果胶酶是分解果胶的多种酶的总称(不是一种单一成分的酶), 分为解聚酶和果胶酯酶两大类。主要应用在葡萄、苹果、草莓、山楂等水果的加工和在饮料生产中作为澄清剂。可生产果胶酶的微生物:酱油曲霉、日本曲霉、金黄曲霉、丰塞卡曲霉和黑曲霉。有两个前提:菌种为非致病性和产酶条件下不产生毒素和致病物质。黑曲霉为主要的果胶酶生产菌。 食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 果胶酶的在食品工业中的应用提高果汁出汁率果汁澄清:可以提高出汁率、可溶性固型物含量和透光率,降低pH和相对粘度等澄清果酒和促进果酒过滤果实脱皮促进其它物质的提取食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用 第四节 酶工程应用于啤酒生产 一、固定化啤酒酵母的应用 主要意义:可连续化生产,产品质量均一,发酵和成熟时间短。常采用包埋法固定啤酒酵母,应用的反应器主要有固定床和流化床两种。固定化的啤酒酵母既可以用于啤酒的主发酵,也可以用于后发酵。主发酵主要在麦汁通过装有固定化酵母反应器,啤酒酵母把麦汁转化为乙醇和各种副产物。后发酵是在主发酵形成的嫩啤酒的基础上再在风味、组成等方面加工使之达到产品质量要求。食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用第四节 酶工程应用于啤酒生产二、β-葡聚糖酶提高啤酒的持泡性:降解过多的β-葡聚糖以消除一些影响工艺和产品品质的因素,但又保留适当的β-葡聚糖构成啤酒酒体和泡沫。三、酶法降解双乙酰含量双乙酰含量对啤酒的质量具有决定性的影响。成品啤酒中的含量要低于0.1mg/L 主要利用α-乙酰乳酸脱羧酶把双乙酰的前提物质α-乙酰乳酸转化为3-羟基丙酮从而有效地降低了双乙酰的含量,加快了啤酒的成熟。 食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用第五节 生物技术应用于保健品饮料的生产食品的三大功能: 营养功能(提供营养成分) 感官功能(色、香、味和形,激起食欲) 生理调节功能(具有保健作用),这类食品又称功能性食品。保健食品:是根据不同人群需要,以天然生物为基础,强化(如富含赖氨酸、牛磺酸的食品)或减少某些营养成分(如低热量、低脂肪、低糖、低胆固醇的食品)或加入经过安全性评价具有保健功能的中草药, 或既是食品又是药品的基料加以调配的食品。因此,保健食品具有食品的上三大功能。食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用一、生产保健饮料常用的基料膳食纤维(木质素与人体消化道不能消化的多糖的总称)活性多糖(主要来自微生物和藻类如香菇、灵芝和螺旋藻等)多不饱和脂肪酸(EPA、DHA和γ-亚麻酸等)活性肽和活性蛋白质(谷胱甘肽、降压肽、酪蛋白磷酸肽、免疫球蛋白、可控制胆固醇蛋白等)低聚糖和多元糖醇(如低聚果糖,低聚麦芽糖和山梨糖醇、甘露醇、木糖醇等)磷脂类物质(大豆磷脂和蛋黄磷脂)维生素微量元素(硒、锗、铬和铜等)乳酸菌可消除自由基的物质(如SOD超氧化物歧化酶)其它类活性物质(如皂苷类物质和黄酮类物质)食 品 生 物 技 术 第六章 生物技术在饮料工业中应用二、保健饮料的生产P245~250(自学) 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器(Biosensor):由固定化并有化学识别功能的生物材料换能器及信号放大装置等组成的分析工具或仪器。生物传感器的基本组成:分子识别元件、信号转换器件及电子测量仪表。其中分子识别元件是生物传感器的关键元件,而其它部分与传感器的整体性能有关(图7-1) 。信号转换器件的作用是把分子识别元件的化学的或物理的变化转换成可利用的信号。生物传感器的分子识别元件(表7-1) 生物学反应信息决定了信号转换器的类型和范围,如若生物学反应产生的信息热效应,则选用热敏元件;若是光效应则选用光纤、光敏管、荧光计等(详见P154表7-2)食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的基础转换器的分为三大类: 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的分类依据生物传感器识别元件的敏感物质分类(图7-3): 酶传感器 微生物传感器 免疫传感器 组织传感器 细胞传感器等依据生物传感器信号转换器分类(图7-4):电化学电极(电化学生物传感器)半导体换能器(半导体生物传感器)光学换能器(测光型生物传感器)压电晶体(压电晶体生物传感器)介体传导系统(介体生物传感器)热敏电阻(测热型生物传感器)表面声波等(测声型生物传感器) 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的基本原理一、生物传感器的反应基础和分子识别机理常见的生物反应有四类:酶促反应免疫学反应(详介)微生物反应(优缺点)生物反应中伴生的物理量的变化(热焓、生物发光、颜色反应和阻抗变化等)。食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的特点:可反复利用直接分析,样品不需预处理样品用量少,响应快无需添加试剂(除缓冲液之外)对样品的清晰度要求不高自动化测量(可连续分析,联机操作)成本低(远低于大型的分析仪器)食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的生物放大原理酶催化放大(图7-5)底物循环放大(图7-6)酶级联放大(图7-7)脂质体技术(图7-8)酶溶出技术(图7-9)聚合酶链式反应(图7-10)食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器生物工作原理将化学变化转变成电信号(图7-12)将热变化转变成电信号(图7-13)将光效应转变成电信号(图7-14)直接产生电信号(图7-15 ) 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用第二节 生物传感器敏感膜的成膜技术首先生物活性物质被固定化,带来的优点如下:稳定性高可重复使用催化物质与反应物质不需要分离可据半衰期确定传感器的寿命能避免外援微生物对生物功能物质的污染和降解食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用敏感膜应具备的特性:具有分子识别功能(可用于底物分析)可重复使用要求样品量小除了缓冲液外不需要其它试剂对样品的浊度和颜色无要求操作简单,连续自动化。 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用敏感生物材料的固定方法有(图7-16):夹心法包埋吸附法交联法共价结合微囊法半导体工艺固定法 *各种方法各有优缺点,用两种方法相结合可互补长短, 例如先物理吸附在交联;先用凝胶包埋在交联或先将不溶性的载体活化在交联。见P268~269表7-5 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用几种新的成膜技术P269~270 食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用第三节 生物传感器在食品工业中的应用检测食品新鲜度(鱼鲜度传感器、肉鲜度)检测食品滋味和熟度分析食品的成分(蛋白质、氨基酸、糖含量、醇类和有机酸的检测)检测食品卫生(细菌和病原菌的测定、毒素的测定,残留农药的测定和添加剂的测定)食 品 生 物 技 术 第七章 生物传感器及其在食品工业中应用生物传感器的应用展望商品化进程加快(从实验室到商业应用)食品检测中的应用进一步拓宽向多功能生物传感器方向发展(由单一功能向多功能)向微型化、集成化和智能化发展 食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用判断废水适于采用生物处理的三种常用方法: 测定废水BOD5/COD的比值:大于0.3则用生物处理比较可行,若在0.3 以下则处理难度较大或不适宜常用生物处理的方法。测定微生物的呼吸耗氧过程法(图8-1)测定废水底物去除效果法(图8-2)食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用废水生物处理工艺 好氧生物处理工艺(活性污泥工艺和膜法工艺) 厌氧生物处理工艺(厌氧活性污泥工艺和厌氧膜法工艺)稳定塘工艺(好氧塘、兼性塘、厌氧塘、曝气塘和生物塘)光合细菌处理工艺(处理高浓度的有机废水BOD>10000mg/L)(重点掌握)土地处理工艺 食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用废水生物处理的应用P293~302 食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用节约用水的方法P302 水的循环使用工艺和设备的改进食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用高浓度有机废水的处理的研究进展厌氧接触法厌氧污泥床厌氧生物膜法(厌氧过滤床、厌氧膨胀床、厌氧流化床厌氧生物转盘)两相厌氧生物处理法酵母菌生物处理法其它微生物处理法(高效厌氧菌群、硝化和反硝化细菌及消泡菌、脱色菌、脱臭菌等微生物粗的应用)食 品 生 物 技 术 第八章 生物技术在食品工业废水处理中应用清洁生产新工艺技术的推广应用P326 从源头防止污染,即用预防污染取代末端治理。

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