生物技术被世界各国视为一项新技术,它对于提升国力,迎接人类所面临食物短缺、健康问题、环境问题、能源问题及经济问题的挑战是至关重要的,所以美国将生物技术确定为增强国力和经济实力的关键性技术之一。生物技术可归结为五大工程:基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程和蛋白质工程。美国在粮油加工业中主要利用酶工程和发酵工程开发和充分利用粮油资源,进行米、面、油的精深加工,使粮油资源增值。同时,美国还利用基因工程技术对作物的品质和特性进行改良,改善营养成分(如蛋白质、淀粉、脂肪酸组成等) 和加工品质,提高产品附加值。生物技术在粮油深加工及副产品综合利用中有着广泛的应用前景。
1 美国粮油深加工生物技术的研究机构
美国从事粮油深加工生物技术相关研究的主要机构有美国农业部农业研究服务署(USDA-ARS) 、美国农业部国家农业应用研究中心(NCAUR) 、大学以及一些私立机构等。
1.1 美国农业部农业研究服务署(USDA-ARS)
美国农业部(USDA) 是美国唯一的
管理农业科研和农业教育的政府机构。它的分支机构遍及全国各地,有的作为农业部的直属研究所,有的作为大学中的一个实验室,直接地行使其研究、教育、推广及监督职能。除这些机构外,许多私立机构也是美国重要的农业科研力量。农业部对它们的管理主要通过合作立项、提供贷款和经济担保等方式来实施。在USDA 的统筹安排下,全国建立起了一个庞大的农业科技教育、研究和推广协作网,其中包括130 多家农业大学,59个农业试验站,遍布各县的农业技术推广站,63 家林学院,27 家兽医学院等。各州设有与美国农业部相对应的政府职能机构。州县农业局实际上是一种当地农民自发成立的协会组织,主要负责信息服务和公益活动,不直接参与当地的农业科研和教育管理工作。
美国农业部下属6个职能部门,分管自然资源与环境、农场与涉外农业服务、农村发展、食品营养和消费者服务、
食品安全、研究教育和经济等;对农业科研和教育的管理主要通过组织研究和推广项目来实施。其中的研究教育和经济司是主管农业科研和教育的核心部门,由农业研究服务署、合作研究教育和推广服务署、经济研究服务署、国家农业统计服务署4个服务署分别负责各种计划的制订和实施。
农业研究服务署(ARS) 是美国农业部里最主要的研究单位,各种与水土保持、动植物品种改良、农产品综合利用、人类营养等有关的研究项目都是在它的管理下进行的。它拥有一所国家农业图书馆(NAB) 和100 多个实验室,大多数实验室附属于各个大学。ARS 和许多大学以及企业有着良好的合作关系,近年来与我国也有着大量的
学术交流活动和科技合作。ARS 主要的任务包括:确保美国和世界拥有富足、安全、营养的食物;维持农业的生产力;维护自然生态、防治环境污染。
目前,ARS 有雇员7000 多名, 其中科学家有2050 名,有1200 个研究项目。ARS 的研究项目主要有以下几个方面:
(1) 提高产量和寻找更加有利于环境的农业技术。ARS 的项目不仅限于农场和餐桌,在关注农业生产技术的同时,还关注着人类的健康。比如,科学家最近新发现了一种脂肪替代物,不但可以使燕麦得到应用,还可以使加工者生产出更加美味的低脂食品。消费者也可以从中获益。
(2) 利用改进的传统育种方式和新的生物技术,对作物和家畜品质进行改良。
(3) 利用农作物、农业废弃物和加工副产物生产工业制品,包括生物能源、生物材料等。
这些研究项目的实施不仅提高了农业研究水平,而且为美国培养了大批的高级科研人才。许多研究生、博士生、博士后的奖学金和研究经费都是ARS 项目的一部分。据不完全统计,最近15 年来,ARS 培育成功的果、蔬、粮新品种有700 多个,为提高美国农业的生产效率和农产品在国际市场上的竞争力立下了汗马功劳。正是基于此,ARS 的项目经费一直呈增长趋势,2005 年的经费预算高达11 亿美元。
ARS 在粮食科学研究领域的主要研究方向包括: (1)
遗传资源的保存和优化; (2) 遗传改良和植物育种; (3) 生物技术风险评估和抑制风险研究。
1.2 美国农业部国家农业应用研究中心(NCAUR)
美国国家农业应用研究中心位于伊利诺伊州皮奥里亚市,是USDA - ARS 的4 个应用研究中心中最大的一个。该中心始建于1941 年,成立的最初就和英国合作发明了青霉素的工业化发酵生产技术,从而开启了抗生素的辉煌时代。NCAUR 主要开展有关农副产品开发、利用与市场拓展方面的研究,研究重点包括代谢工程与发酵、食品安全与环境质量、生物能源、生物材料和加工技术、健康食品等领域。NCAUR 现有雇员300 多人,其中包括120 多名具有博士学位的研究员和150 多名技术人员。共有9个研究室:发酵生物技术研究室、农作物生物保护研究室、生物产物和生物催化研究室、
微生物基因组学和生物加工研究室、谷物制品及食品科学研究室、食品和工业用油研究室、
真菌毒素研究室、新型作物及加工技术研究室、植物聚合体研究室。目前NCAUR 每年有3000 万美元的经费预算,有38个国家级研究项目, 与国内20 多家私营企业进行合作研究。NCAUR 的主要任务是:利用农副产品开发新食品和新的工业产品,开发新技术改善环境质量和食品安全,以及为联邦管理和执行机构提供技术支持。NCAUR 拥有配套齐全的生物技术和农产品加工研究实验条件和设施,共有170个实验室,包括化学、物理、微生物、发酵、分子生物学、植物保护等常规实验室以及高压超临界流体实验室、材料测试实验室、食品技术和感官实验室等,拥有生物学加工、化学加工和食品加工中试车间、温室、昆虫培养室、试验田以及研制科研设备的机械工厂。在NCAUR 云集了一批有经验、有声望的科学家和学科带头人,在过去六十多年的高度创新研究中,科技的发展和应用帮助创造了今天的生活,继承这一优良传统,研究中心的第三代科学家的研究正在影响着人们明天的生活。中心生物技术相关研究室的情况简介如下。
1.2.1微生物基因组学和生物加工研究室(MGB)
微生物基因组学和生物加工研究室共有8 位科学家,包括微生物学家、遗传学家、化学家、分子生物学家以及物理和微生物工程师。MGB 的首要任务是开发用于微生物检测、鉴定和分类的分子遗传学方法,以及将植物油转化成高附加值的生物产品,促进生物技术创新,提高美国农民和加工者的收入。
MGB 还负责管理和维护美国农业研究菌种保藏中心(ARS Culture Collection) 。它是世界上收集农业研究菌种种类最多的保藏中心。该中心是由USDA - ARS 支持的政府性质的菌种保藏中心,主要从事农业、应用微生物、基因工程、工业微生物、菌种保藏方法、环境保护、分子生物学、食品安全、普通微生物、分类学的研究,同时还提供细菌和真菌的鉴定服务。目前中心保藏有85 ,000 株不同的细菌和真菌。
MGB 主要的研究方向有:
(1) 开发产毒真菌、植物病原微生物和食品腐败微生物的快速检测和鉴定手段,以帮助人们有效地控制食品、大田作物和环境中的有害微生物。在研究过程中发现利用传统的方法如显微镜等对微生物进行鉴定是不准确的,因此他们利用分子生物学的方法如:RAPD、基因序列比较等鉴别微生物。通过分子生物学的方法可以比较微生物之间的遗传差异性。例如肉毒梭菌共有80个相似的种,利用传统方法是无法对它们进行区分的。他们通过基因测序发现,这些病原菌之间有很大的遗传多样性。
目前MGB 的科学家正在研究利用短的DNA 片段作为分子探针对微生物进行快速鉴定。由于是从基因水平上进行鉴定,因此这种方法与其它鉴定方法相比要更为准确。
(2) 研究开发将植物油转化成为高附加值产品的新技术。MGB 的研究人员正在利用生物技术来改进豆油的物化特性及其脂肪酸组成,提高豆油的工业潜力,生产添加剂、专业化学制品、生理活性物质,以及
化妆品、润滑剂、表面活性剂和清洁剂的主要成分。他们主要利用DNA 序列比较的方法从ARS 菌种保藏中心收藏的菌种中进行筛选,或从土壤和生产生物柴油的废水样品中分离微生物。其中最有应用价值的菌种将被筛选出来用于大规模的工业生产。
(3) 农业和工业微生物菌种资源的管理和维护。通过收集、鉴定和分类有潜在应用价值的微生物种质资源,保护微生物的多样性,促进微生物种质资源的分发和利用,为NCAUR 以及其它科研机构和大学的研究或产业化提供服务。
1.2.2 发酵生物技术研究室(FBT)
发酵生物技术研究室共有9 位科学家,主要研究开发将农副产品如玉米或作物秸秆转化成生物能源、化学制品、酶和聚合物,以及改善动物生产系统。
FBT主要的研究方向有:
(1) 利用含有木质纤维素的农业废弃物和加工副产物生产生物能源和化学制品。为了减少美国对外国石油的依赖,促进美国的经济繁荣,改善环境,科学家们正在积极地寻求利用可再生资源生产生物能源的方法。目前他们正在通过研究开发经济可行的预处理、发酵和下游提取技术,降低秸秆发酵生产生物乙醇的生产成本。
(2) 猪废弃物的利用。他们研究猪肠道和粪便中的微生物菌群,以及它们和产生气味的化合物之间的关系,从而通过控制产生气味的微生物来提高环境质量。此外,ARS 目前正在和伊利诺伊州大学合作,组织动物营养学家、微生物学家、农业工程师以及作物、土壤、水和大气方面的科学家,综合考虑动物饲养、畜禽粪肥的储存和应用、土壤、水、作物和大气等因素,开发综合的动物- 作物系统,在作物生产体系中有效地利用家畜废弃物,最终实现最大效益和最小环境污染,提高农业可持续性。
1.2.3 农作物生物保护研究室(CBP)
农作物生物保护研究室共有24 位科学家,包括昆虫学家,微生物学家,生物化学家,分子生物学家,植物病理学家,植物生理学家以及生化工程师。
CBP 的首要任务是研究自然状态下微生物,昆虫和植物的基本生物活性,然后开发新型生物防治方法、工艺和产品,减少化学农药在食品和环境中的使用。研究内容主要有:(1) 利用信息素和植物挥发物诱捕害虫的研究。(2) 新型微生物杀虫剂的研究与开发。(3) 植物病原真菌的生防微生物产品及其生产工艺的研究与开发。如将酵母菌和细菌
制剂喷到麦穗上可以通过生物竞争机制控制小麦穗腐病的发生和蔓延。(4) 发现新的昆虫抗性机理,并通过转基因技术将其引入玉米中。(5) 研究抗逆微生物的代谢、生理和遗传基础,并对微生物进行遗传改造,开发低成本的生物燃料和生物制品。如:利用秸秆等木质纤维素类生物质生产酒精的过程中,在对纤维素进行酸水解处理时会产生许多抑制酒精发酵的物质,因此需要特殊的脱毒过程,这一过程成本高,而且产生污染物。CBP 的科学家已经得到了一些抗抑制剂的酵母菌株,目前正在通过功能基因组学研究抗性机理及其遗传基础,通过这一研究最终可以降低生物乙醇的生产成本,将为市场的拓展提供支撑和可能。
1.2.4 生物产物和生物催化研究室(BBC)
生物产物和生物催化研究室共有7 位科学家。他们主要的任务是通过微生物、生物化学和遗传学研究,开发新的微生物和生物催化剂,用于将可再生农业资源转化为高附加值的产品,包括碳水化合物、多糖、酶、生物燃料和化学制品。
BBC 主要的研究方向有:
(1) 真菌的途径工程。主要是对产乳酸真菌Rhizopus oryzae 进行基因改造,以提高乳酸的产量。
(2) 开发高附加值的碳水化合物产品。在利用玉米淀粉生产酒精的过程中会产生一些尚未被开发出来的很有用的中间产物,如:一些多糖和寡聚糖。部分产物已经被开发成保健食品,如对
糖尿病人很有帮助的可缓慢释放糖份的寡聚糖产品,这些产品还可提高人的免疫力。BBC
的科学家也从事基础研究,如研究糖的结构和代谢。目前他们正在研究一种从唾液中分泌的糖蛋白的结构,以及它在人体中的代谢途径。
(3) 开发新的生物催化剂。筛选极端环境下(如高温、酸) 生长的微生物,研究它们耐极端条件的机理,从中找出能够耐高温和耐酸的特殊酶,用于纤维素的水解过程中,提高水解效率、最终降低酒精的生产成本。
目前BBC 的Steve 博士正在研制一种自动机器人,机器人有5 个臂,可以在轨道上移动。将它放在无菌实验室,可对大量的化合物、酶、微生物等进行高通量筛选。每个样品都编有条形码,便于对它们进行识别和区分。
2美国粮油深加工产品研发的热点
美国粮油加工业的科技含量和水平比较高。主要从环保和经济效益两个角度,不断应用生物技术等高新技术对粮油资源进行综合利用,开发高质量、高附加值、高效益的新产品。美国当前粮油深加工产品的研发热点主要有以下几个方面。
2. 1
生物质能源能源危机是本世纪中叶即将面临的巨大挑战。而生态危机是当今社会已经面临的巨大挑战。因此,作为清洁能源的生物质能的研发已成为世界重大热门课题之一。利用含有纤维素的农业废弃物和加工副产物如秸秆、稻壳等生产生物燃料是美国当前的重点研究方向。
2. 2
谷物蛋白和生物活性肽目前已从大豆蛋白、玉米蛋白、大米蛋白、小麦蛋白等谷物蛋白中开发出多种具有保健功能的生物活性肽,具有广阔应用前景和经济效益。
2. 3
淀粉及其变性淀粉应用现代生物技术将谷物淀粉改性,转化为抗性淀粉、缓慢消化淀粉、新脂肪替代物等更具特色和新用途的产品。
2. 4
谷物细胞壁活性多糖谷物细胞多糖如米糠多糖、米糠脂多糖、燕麦和大麦葡聚糖、小麦戊聚糖、玉米脂多糖等在抗
肿瘤、免疫增强、抗细菌感染及降血糖等方面具有与中草药多糖同等的生物活性,而谷物资源丰富而廉价是其他资源无法相比的,所以谷物细胞壁活性多糖的研究与开发已成为热点。
任捷摘自《粮油食品科技》第14 卷2006 年第4 期
作者：
2007-1-10