中国食品生物技术的发展和现状

刘彩琴

一、我国食品工业发展现状

食物不仅是人类生存的最基本需要，也是国家稳定和社会发展的永恒主题。基本的生物学法则决定了食品工业是天下第一产业，也是人类的朝阳产业。未来50年人类将面临的10大问题分别为能源、水、食品、环境、贫穷、恐怖主义和战争、疾病、教育、民主、人口。食品跃居第三大问题，2003年全球人口63亿，而据估计到2050时全球人口将超过90亿。

目前，消费者选择食品的依据为：安全、感官优良、方便、健康、有价值。这就为食品生产企业提出了市场导向。

目前，我国食品行业发展趋势有“五大化”，即品牌化、功能化、娱乐化、时尚化、细分化。

1．品牌化。主要是商品本身的品牌化和流通领域的品牌化。

商品本身的品牌化。企业在面临日益激烈的竞争和产品高度同质化的市场环境下该怎么办？答案是肯定的——打品牌！食品行业竞争已经由原来的产品和技术竞争转向品牌的竞争。许多企业已经明白，拼产品、价格，打渠道战、终端战、广告战等，拼来拼去，打来打去只有死路一条。经过多年打拼，食品企业已经认识到品牌经营的重要性，这是食品行业竞争升级的重要转变。

流通领域的品牌化。自2004年以来，商务部的“万村千乡”市场工程服务系统引导城市连锁超市向农村延伸发展“农家店”。乡镇级“农家店”原则上以批零结合的综合性服务为主，鼓励其从事农资、日用小商品的批发与零售经营，以及政策允许的农副产品购销业务等。村级“农家店”以零售服务为主。此外，倡导大型流通企业与生产企业进行“工商联手”，研发并生产适合当地消费特点的自主品牌消费品。

2．功能化。2006年，国家发改委宏观院公众营养与发展中心发布的中国营养企业景气调查结果显示，功能食品和营养素及营养强化剂产品在高位运行。这说明，营养、功能食品是食品行业的主流发展趋势之一。

在目前食品市场上可以发现，越来越多的食品如糖果、饮料、乳制品、方便食品、食用油、面粉、酱油、醋等企业，开发出许多功能性的产品，并将产品的功能作为营销的利益点进行宣传和推广。目前市场上功能食品的销售也十分被看好。中国人一向认为药补不如食补。随着保健意识的增强，健康的功能食品是众心所想，食品功能化是食品业今后相当长时间内的发展趋势。

3．娱乐化。2008年北京奥运会的举办，举国都在为其加油喝彩，此举也为企业将运动元素融入食品营销提供了大背景。食品是以感性消费为主的消费，需要更多感性诉求和引导，所以，运动元素很容易作为一种诱因和导向的元素被运用到食品的营销之中。百事可乐广告的主题永远在不同的时间和空间中变幻，但娱乐是不变的主题。

4．时尚化。人们生活水平的提高，促使着消费观念发生很大转变。对食品的消费需求从吃饱、吃好到吃着玩、吃着“炫”，越来越多的消费者在消费方式上开始追求前卫、另类和个性化。如今的食品市场，时尚无处不在，尤其是休闲食品。过去，茶几上的消遣品多是瓜子、花生等一些炒货；现在，越来越多的家庭注重休闲食品的时尚化、健康化，尤其是标注“野生”、“地方特产”等字样和包装奇特新颖的食品更受青睐。

5．细分化。主要表现在状态细分，人群细分，地域细分。食品行业进入门槛相对较低，竞争激烈；食品市场也由大众消费时代进入分众消费时代，消费越来越多样化、个性化，这就要求企业在营销上更要有针对性，根据市场细分提供专一化的产品，打造某一类或某一人群的“市场专家”和“老大”，抢先占据消费者心中有限的心智资源，从而做强做大。

二、近年我国食品生物技术的发展现状

食品工业是生物技术应用的重要领域，利用生物技术可将农副产品原料加工成产品并产业化，进行二次开发形成新的产业，同时借助生物技术改造传统工艺提高产品质量。因此，食品生物技术产业已成为食品工业的支柱，生物技术本身也将为全球性的食物、蛋白质、环保和健康等问题的有效解决提供有力支撑。

食品生物技术经历了包括酒类、发酵调味品和发酵乳制品等传统生物技术和用现代酶发酵或酶反应技术以及结合基因工程等现代生物技术生产食品原料、食品和食品添加剂的现代生物技术。

“十一五”期间，我国对食品生物技术的研究重点细分为：（1）食品酶工程技术；（2）食品微生物工程技术；（3）食品发酵工程技术；（4）功能性蛋白与肽的生物加工；（5）食品基因工程技术；（6）功能性糖质生物加工。

1．食品酶工程技术主要的研究热点是：（1）新酶种的开发和酶性能的改善；（2）酶生产工艺的优化；（3）转基因技术在酶制剂中的应用。

（1）新酶种的开发和酶性能的改善。当前的研究热点可以概括为三个方面：一是利用基因工程大量生产酶制剂，二是通过基因定点突变对天然酶蛋白进行改造，三是通过基因和基因片段的融合构建融合酶。

全世界蛋白酶的消费占酶制剂总产量的60%，我国目前蛋白酶产量仅占酶制剂总产量的10%左右，食用蛋白酶更少，而且品种单一，高活性酶和精制酶少，与国外的差距很大。目前研究人员正致力于提高现有酶的产量和质量，并不断开发新品种。比如，N－乙酰几丁质寡糖和几丁质寡糖在国内的研究刚刚起步，由于N－乙酰几丁质寡糖不溶性及难溶性，受专一性水解酶－几丁质酶的限制，几丁质寡糖在国内的研究较为缓慢。江南大学进行了多年的研究攻关，现已筛选出一种几丁质酶高活力生产菌，所分泌的产品能够调整食品水活性，增强保水性，调味、改良食品质构，可促进肠道内有益菌的增殖并抑制大肠杆菌及肠道内病源菌的生长。

在固定化酶技术领域，哈尔滨美华生物技术股份有限公司发明了一种固定化乳糖酶生产方法，用固定化乳糖酶生产低乳糖奶，其特点是可以进行连续处理，固定化酶不会随液体奶流失，可回收重复利用，降低乳糖奶的生产成本。

在国际食品行业中，转谷氨酞胺酶（简称TG酶）在食品加工业中的应用潜力已越来越被食品技术专家关注。转谷氨酞胺酶是一种催化酞基转移反应的酶。它能够通过形成蛋白质分子间共价键，催化蛋白质分子聚合和交联，从而改善蛋白质的塑性、持水性、水溶性和功能性，对食品蛋白质质量有明显的改良作用，在食品加工、保藏、包装及酶的固定化等方面具有广阔应用前景。

利用基因工程技术开发新酶及提高酶的产量，如利用基因工程菌生产植酸酶、利用紫杉醇生物合成相关酶，利用海栖热袍菌对木聚糖酶进行基因克隆、表达和纯化。

变换乳酸球菌细胞壁合型蛋白酶功能，提高酶向胞外分泌率及稳定性；变换黄珊菌产生蛋白酶功能，提高蛋白酶耐盐性、耐热性。

开发耐热脂肪酶方面：研究与脂质有关的脂肪酶、磷脂酶的转换功能，提高其耐热性、耐溶剂性及基质特异性。

对于极端酶的研究包括嗜热酶、嗜盐酶、嗜冷酶、嗜碱酶、嗜酸酶、嗜压酶等，随着蛋白质工程、基因工程技术、计算机处理模型技术的发展和对极端酶作用机制研究的深入，还可进一步尝试合成全新的目标人工酶；通过细胞融合将极端酶的表达系统和控制系统转入到一些普通菌中加快极端酶的生产和应用，或将酶交联合成具有多特性的酶，从而推动食品工业的新发展。

（2）酶生产工艺的优化，主要包括发酵培养基优化，发酵条件优化，发酵动力学过程模型化，发酵装置优化与不同发酵模式应用。酶的生产过程可以划分为以下几个阶段：酶的筛选；产酶菌株的筛选和分离；基因工程方法构建超表达菌株；培养基和培养条件的优化；目标物分离工艺的优化；一种稳定酶制剂产品的形成。

（3）转基因技术在酶制剂中的应用：酶活表达效率提高，酶的酶学性质改善与提高（pH、温度等），酶对逆环境的抗性改造，酶的作用特异性与催化特性改造。

2．微生物和发酵工程技术。随着生物技术和微生物发酵技术的发展，新型高效发酵设备和现代信息控制技术等对传统发酵工业的改造，发酵技术在食品工业中的应用越来越广，发酵食品的品种不断增多，质量不断提高，产量不断增加。据统计，全球微生物发酵产业（包括酒类在内）目前总产值约为3000亿－5000亿美元。目前在该领域的研究有：（1）极端微生物、海洋微生物在内的菌种资源的开发；（2）基因工程定向培育的微生物菌种；（3）代谢工程在发酵工程中的运用。

（1）极端微生物、海洋微生物在内的菌种资源的开发情况。极端微生物的开发受到了研究者的重视，如嗜低温、嗜高温、嗜酸、嗜碱、嗜盐和嗜压微生物、抗辐射微生物和贫营养微生物等。而海洋占整个地球表面积的70%，其中蕴藏着丰富的海洋微生物资源，由于在海洋中存在许多自然条件特殊的环境，所以是开发极端微生物及其他菌种的巨大宝藏。

目前大规模产业化的极端酶有2个，一是嗜热菌产生的Taq DNA聚合酶（年销售利润上亿美元），使DNA的体外复制变得异常的简便和常规化，大大加快了生物工程、基因组等分子生物学研究的进程。另一个是嗜碱菌产生的纤维素酶103作为洗涤剂的添加剂，已有数十亿美元的市场。

（2）基因工程定向培育的微生物菌种。随着现代遗传工程技术的不断发展完善，进一步提高现有菌种的生产能力将成为可能。

木糖发酵是生物转化木质纤维素产生酒精及其他化工产品最为重要的一环。传统的用于乙醇发酵生产的微生物（酿酒酵母和运动发酵单胞菌等）能很好地利用葡萄糖，且乙醇发酵率高，乙醇耐受力强，但均缺少利用木糖的能力。

中科院微生物所刘小琳等分别从腾冲嗜热菌和毕赤酵母中克隆到木糖异构酶基因和木酮糖激酶基因，共表达这2个基因的重组菌EF1014不仅可以在以木糖为唯一碳源的培养基上生长，而且在厌氧条件下能发酵木糖生产酒精。

浙江大学张秀艳等采用体外定向进化技术，提高了β－葡聚糖酶的热稳定性，拓宽了酶在工业上的应用范围。王肇悦等通过基因敲除分子手段，将酵母中决定泡沫稳定性的蛋白酶A去除，改善了纯生啤酒发酵中泡沫稳定性的问题。

（3）代谢工程在发酵工程中的运用，即微生物过程的多尺度理论。

以发酵过程基因、蛋白、代谢等综合研究为特点的系统生物学研究，这为今后发酵过程优化的研究提出了新方向。它具有创新性和基础平台性，推进了生物化工学科的发展。研究结果对生物过程的中、下游技术发展具有重要的理论指导意义。

3．功能性蛋白和肽的生物加工现状。多肽类产品业已成为国际市场上的畅销医药产品或保健食品新原料。在欧洲市场上，大约有93%的多肽类原料被用于生产药品，其余7%用作保健食品（或化妆品用途）。据报道，2004年欧洲多肽类原料总销售额达3亿欧元，而2005年超过了4亿欧元。按这一增长速度，到2010年欧洲市场上多肽类原料的总销售额将达8亿－10亿欧元。

目前国际市场上多肽类产品市场销售额合计在10亿－15亿美元。美国与日本则是继欧洲之后的两大多肽类产品市场。但这两个国家的多肽原料主要用于生产保健食品或化妆品。

目前生物活性肽主要包括：（1）作用于心脏血管系统的，如抗血栓形成的肽和降血压的肽；（2）作用于神经系统的，有增强运动的肽和抗运动的肽；（3）作用于营养系统的，如促进钙、锌、铁的吸收的酪蛋白磷酸肽和巨糖蛋白肽；（4）作用于免疫系统的，如免疫调节肽和抗菌肽等。

利用植物性蛋白质生产的功能肽主要有大豆肽、玉米肽、豌豆肽和苦瓜肽等。利用动物性蛋白原料生产的功能肽主要有乳蛋白肽、卵蛋白肽、鱼蛋白肽、降血压肽和丝蛋白肽等。我国每年都有大量农业原料的下脚料和食品加工的残余物被废弃。

在开发功能性多肽食品方面，日本、美国和一些欧洲国家已推出具有多种功能的食品和食品添加剂，形成了一个具有极大商业前景的产业。在日本、美国和西欧的一些国家和地区各种酶解活性肽产品现已热销。目前国内外研究较多的功能肽主要有乳肽、大豆肽、高F值寡肽和谷胱甘肽（GSH）。高F值寡肽是一个由2～9个氨基酸残基所组成的混合小肽（或称寡肽）体系。在该混合物中，支链氨基酸（BCAA：Val，Ile，Leu）与芳香族氨基酸（AAA：Trp，Tyr，Phe）含量的摩尔数比值称为F值，因其具有独特的氨基酸组成和生理功能而受到食品和医药界的高度关注。

利用微生物发酵法生产目标多肽也成为近期的研究着眼点。利用益生菌发酵法制备血管紧张素I转化酶（ACE）抑制肽已成为近年来研究的新热点，对于功能性食品的开发具有十分重要的意义。

2006年郭宇星等以瑞士乳杆菌为发酵菌种，研究其水解乳清蛋白的能力及发酵产物的ACE抑制活性。

4．转基因食品研究的发展现状。我国自20世纪80年代起开始研究转基因技术，在国家各项政策的扶持下，转基因研究有了很大的提高。特别是近年来，在国家“863”高新技术研究与发展计划和国家科技攻关计划的大力资助下，我国转基因生物的研究取得了显著发展，有些研究成果已经达到国际先进水平。

（1）转基因植物产品。利用农作物进行植物生物反应器的研究将食品生物技术引向了一个新的方向。

植物生物反应器是指利用农作物作为“工厂”，大规模种植生产具有高经济附加值的农业用酶、特殊碳水化合物、生物可降解塑料、脂类及其他一些次生代谢产物等生物制剂的方法。

转基因植物产品主要是对其品质进行改良，从而利于保藏、食用、运输、娱乐或者其他特殊用途。

北京大学已将编码必需氨基酸的基因转入马铃薯，获得含高必需氨基酸的马铃薯品系，这些品系已在内蒙古试种，正准备进入中试开发。

中国农业大学成功地将高赖氨酸基因导入玉米，获得的转基因玉米中赖氨酸含量比对照提高10%。

（2）动物性转基因食品。目前，通过转基因的途径已经获得了转基因的鱼、鸡和猪等有经济价值的动物。我国科技人员已经通过基因技术培育出生长较快的转基因鱼、转基因鸡等。人们将GH基因转入到多种动物体内，得到了快速生长的转基因动物，如转GH基因猪可提高对饲料转化率，日增重明显增加。

（3）转基因微生物制品。毕赤酵母是一种甲醇酵母，对外源蛋白的糖基化等更接近于哺乳动物细胞，而目前较为广泛使用的酿酒酵母则往往出现过度糖基化，这些都是毕赤酵母日益受到重视的主要原因。其表达系统已经迅速地成为重要的蛋白质表达系统之一，现广泛使用于各类实验室。用毕赤酵母表达蛋白水平高出酿酒酵母10－100倍，又适用于高密度发酵，因此更适用于工业化生产。

将产甘油关键基因导入了耐高渗粉状毕赤酵母基因组中，最终获得可用于工业化生产的工程菌株，该菌株克服了传统菌株甘油产率及全糖转化率低的缺点。试验结果甘油平均含量可达16%，平均全糖转化率55%，较传统工艺技术指标分别提高了60%和37%；发酵周期从传统的120小时缩短到目前的100小时。

5．生物技术在食品检测方面的应用。具有特异的生物识别功能、极高的选择性，还可与现代的物理化学方法相结合，产生一些简单、结果精确、灵敏、专一、微量和快速、成本低廉的检测方法。目前常用的有酶联免疫吸附法、PCR、DNA探针技术、生物传感器等法。

三、发展中存在的薄弱环节及发展方向

1．酶工程技术。我国酶工程发展中存在很多薄弱环节，如重复建设，效益低下，生产能力闲置；工艺、设备落后，生产技术水平低下；研究、开发投入不足，新产品开发能力差等。

目前的酶基因工程研究和应用仍局限于利用已有的酶。虽然利用定点突变方法对天然酶进行改造已经有很多成功的实例，但这种方法只能对天然酶蛋白中的少数氨基酸残基进行替换，酶的高级结构基本上保持不变，因而对酶功能的改造极为有限。

2．微生物和发酵工程技术。（1）发酵技术需改进和完善；（2）新型发酵设备的研制需加快脚步；（3）下游工程的研究需进一步深入。

3．转基因食品工业存在的问题。（1）科研经费投入和科研人员数量仍十分有限；（2）虽然转基因技术的应用性很强，但由于我国农业、生物基础研究与国外差距较大，具有自主知识产权的新克隆基因少，使得我们在应用上也相对落后；（3）由于某些体制的原因，科研成果不能及时转化，从而造成了研究与应用的脱节，使得大量的科研成果被闲置，造成资源浪费；（4）有关转基因食品相应的管理条例和制度还不甚健全和完善。

4．功能性蛋白和肽的发展和研究方向。确立功能肽中特殊的氨基酸组成与优良的特性的关系，改善并维持其安全性与营养价值的方法，是今后功能肽研发的一个重要目标。

着眼于多肽的结构与功能的关系，建立完善的构效关系体系。

食物蛋白在自然界产量大，用食物蛋白酶水解制备活性肽成本低，安全性好。便于工业化生产，因此用食物蛋白来生产活性肽具有广阔的前景。

四、结束语

食品工业已经成为现代生物技术应用最广阔、最活跃、最富有挑战性的领域。随着现代生物技术在食品领域的广泛应用，食品工业将不再是传统农业食品的概念，工业食品将在人们日常生活中占据重要的地位。实现现代生物技术与传统食品工业的融合，构筑具有中国特色的食品工业科技创新体系，推动我国未来食品工业的健康和可持续发展将是食品科研工作者的努力方向。