食品生物化学在军用食品中的应用

新疆农业大学

专业文献综述

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20 年月日

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生物技术在军用食品中的应用与展望

摘要：本文综述了基因工程、细胞工程、酶工程、发酵工程等生物工程技术在军用食品中的应用前景。由生物技术催生的军用食品新材料和新技术，主要包括功能食品基础原料、新型抑菌防腐材料、包装材料、食品添加剂及军用食品快速安全检测技术等。生物技术可有效改善食品品质和营养结构，促进军用食品由营养型向功能型转变。军用食品的未来将在生物技术的集成与耦合中创新发展。

关键词：生物技术；军用食品；功能基础原料；集成与耦合

20世纪70年代后期，随着DNA重组技术(recombinant technology of DNA)的诞生，以基因工程为核心内容，包括细胞工程、酶工程和发酵工程的生物技术应势而生。生物技术集合了分子生物学、生物化学、应用微生物学、化学工程、发酵工程、酶工程和电子计算机等诸多学科的最新科学成就，有助于解决食品、医药、化工、农业、环保、能源和国防等领域的资源紧缺难题，因此被列入当今世界七大高新技术之一，引起了世界各国的极大关注[1]。

生物技术最初源于传统的食品发酵，并首先在食品加工中得到广泛应用。如改良面包酵母菌种，就是基因工程应用于食品工业的第一个例子。基本原理是：将具有较高活性的酶基因转移至面包酵母菌(Saccharomycescer cvisiae)，进而使生产菌中麦芽糖透性酶(mal to s epermease)及麦芽糖酶(maltase)的含量与活性高于普通面包酵母，使面团在发酵时产生大量的CO2，形成膨发性能良好的面团，从而提高面包的质量和生产效率。又如制造干酪的凝乳酶，过去的凝乳酶是从小牛胃中提取的，为了满足世界干酪的生产需求，每年全世界大约需要宰杀5000万头小牛。基因工程技术诞生后，通过把小牛胃中的凝乳酶基因转移至大肠杆菌(E.coli)或酵母中，即可通过微生物发酵方法生产凝乳酶，最后经过基因扩增，保证了干酪生产对凝乳酶的需求[1]。此外，酶法转化或酶工程的应用，也能有效改造传统的食品工业。因此，采用生物技术，不仅可以改良食品工业中原料和材料的品种，提高和改善食品工业酶的稳定性，而且还可解决食品资源紧缺难题。

随着科学技术的发展和高技术装备的应用，未来战争作战半径增大、节奏加快，作战人员智能、体能消耗突出，这对军用食品的发展提出了更高要求[2]。通过军用功能食品可快速调节士兵体能，全面提高

综合作战能力。生物技术以其自身的技术特点和优势，很快成为了发达国家军队军用食品研究的技术基础，为军用食品的创新发展提供了不尽的资源和平台。美国是率先利用生物技术进行军用食品研究的国家之一。20世纪90年代初期，美军就制订了采用生物技术进行“提高部队战斗力口粮组件”和“特种功能口粮包”的研究计划，主要目标：一是提高能量补给，延缓疲劳发生；二是改善作战人员战场反应与决断能力；三是促使作战人员战时体能消耗最小化；四是提高作战人员警觉性；五是通过食用军用功能食品，促进部队战果最大化。例如美军纳蒂克工程研究中心主持开展的“提升部队战斗力口粮组件计划(Performance Enhancing Ration ComponentsProgram)”，采用生物技术从各类天然食物资源中筛选可供在高原、热区和寒区等特殊作战环境下使用的功能食品基础原料，拟研制装备功能食品组件五大类，即碳水化合物类、提神警醒类、抗疲劳类、抗氧化类和特殊营养制剂类等。经过十余年的基础研究和应用研究，2004年，上述产品研制成功，并陆续配发到驻伊拉克和阿富汗的作战部队，士兵食用后反应良好。其中，不含咖啡因的液体能量饮料(hooah soldier fuel)可提高体能17%，提高脑反应能力50%；提神警醒类功能食品，在5min内就可达到预期效果，可使士兵在48h 内保持清醒状态。另外，美军还针对高原作战环境，采用生物技术研制了可促进人体对高原冷候环境适应的功能因子，将其应用于“高原模块化功能口粮(modularpperational ration enhancement-high altitude)”，并在纽约附近的军事要塞和位于喜玛拉雅山脉的尼泊尔山区进行了高原现场实验，并批量投放到阿富汗山区执行反恐任务的特种部队[3-5]。为了降低驻伊、驻阿美军肠道疾病的高发率，美军纳蒂克研究中心(Natick)正在研发可控制肠道疾病的益生菌野战食品，一旦研发成功将会立即送往战场[6]。

印军也十分重视生物技术在军用食品中的应用研究。近年来，印军国防食品研究所(Defence Food Re-search Laboratory)和国防生理学与综合科学研究所(Defence Institute of Physiologyand Allied Sciences)也针对高原特殊环境的作战特点，开展了以生物技术为基础的功能食品研究。主要研究内容包括：一是高原致适应剂研究；二是促进机体能量代谢功能制剂研究；三是调节睡眠类功能食品研究；四是调节情绪与改善认知类功能制剂研究；五是高碳水化合物功能饮料研究。例如：印军研究人员在对本土植物资源进行分类研究的基础上，采用生物技术研制了具有加速人体高原适应的新型高原致适应剂(altitude adaptation)；为了提高军用食品的供能效率，采用酶工程技术对以印

度传统食品(Pulav，Kichidi)为基础的军用主食罐头的淀粉回生进行了大量研究[7-9]。

我军军用食品研究走过了50年历程，经过几代人的共同努力，到目前为止，已基本形成了单兵食品、集体食品和补充食品三大系列，实现了餐谱化和热食化，完成了由“温饱型”到“营养型”的根本性转变。尽管生物技术在我军军用食品制备方面有了一定应用，并陆续研制完成了抗缺氧、抗疲劳和抗中暑等功能食品，关键技术也有所创新和突破，但就其功能化水平而言，军用食品研究仍处于探索和攻坚阶段[10]。整体而言，研究工作还缺乏系统性，研究技术体系不够健全，功能开发基础薄弱，成果应用十分有限，严重制约了军用食品的科学发展。

1·生物技术在军用食品中的应用

以基因工程、细胞工程、酶工程和发酵工程为代表的现代食品生物技术，是21世纪最具应用前景的食品加工技术。由于原料来源广、生产成本低、产品性价比高、操作集约化、过程易放大、生产不受季节和地域限制[11]，因此，利用生物技术研制开发的军用功能食品，对于有效改善军用食品品质和营养结构，提高其综合性能，全面实现军用食品的热食化、餐谱化、营养化和功能化，具有十分重要的现实意义。

1.1功能食品基础原料

军用功能食品，按功效可分为：抗疲劳、抗缺氧、抗辐射、提神警醒、改善睡眠、调节时差、改善认知、耐寒和耐热等类[8]。采用生物技术制备的功能食品原料，是研制多种军用功能食品的重要物质基础。

1.1.1基因工程(genetic?engineering)

基因工程又称分子克隆(molecular cloning)或重组DNA技术(recombinant DNA technology)。主要采用酶学方法，将异源基因与载体DNA在体外进行重组，将形成的重组子转入受体细胞，使异源基因在其中复制表达，改造生物特性，从而大量生产出人类所需要的产物。基因工程以分子遗传学为基础，以DNA重组技术为手段，可实现动物、植物、微生物等种之间的基因转移或DNA重组，进而达到食品原料或食品微生物改良。例如可以采用转基因手段，在动物、植物或其细胞中，得到基因表达而制造有益于人类健康的功能食品成分或有效因子。或者在此基础上，采用DNA分子克隆对蛋白质分子进行定位突变(site directed mutagenesis)的所谓蛋白质工程(protein engineering)，这对提高食品营养价值及食品加工性能，具有重要的科学价值和应用前景。研制能在1～2d发芽，并快速长成食物的“工程种子”，可供部队在战场环境中快速生产食品[12]。采用基因工程菌，可合成制备具有各

种功效成分的基础原料；如真菌多糖具有抗疲劳、抗辐射、抗衰老、抗肿瘤和增强免疫力等功效，是多种功能食品的主要功效成分，但由于食用真菌培养周期长、培养条件苛刻，因此真菌多糖产量较低，其应用受到了一定限制[13]；采用基因工程技术，将食用真菌的活性多糖基因转入生长速度快、培养周期短的酵母或霉菌细胞中，采用转基因酵母或霉菌生产活性多糖，为各种军用功能食品提供廉价原料。

1.1.2细胞工程(cell engineering)

应用细胞生物学方法，按照人们预定的设计，有计划地改造遗传物质和细胞培养技术，包括细胞融合技术，以及动物、植物大量控制性培养技术，生产各种功能(保健)食品的有效成分、新型食品和食品添加剂。天然植物资源有限，生长周期漫长。采用植物细胞培养技术生产的各类初级及次级代谢产物，均为可再生资源，取之不尽，用之不竭。目前，来自植物细胞培养的有用物质有400多种，包括色素、固醇、生物碱、维生素、激素、多糖及生长激素等数十种类别。可通过细胞工程对各种名贵植物资源，进行增殖培养，进而获取各种功能食品原料[14]。如对红豆杉、竹节参和雪莲等植物细胞进行培养，再从大量增殖的植物细胞中直接提取活性物质，可用于生产富含活性细胞的干粉、免疫球蛋白、多糖、生长激素等，以此为原料，便能生产具有抗疲劳、抗缺氧、抗辐射、耐寒等多种特殊功能的军用食品。如生长于南美安第斯山的植物玛卡(Maca)具有抗疲劳、抗氧化、抗肿瘤、调节内分泌、提高性功能等作用，美国太空总署(NASA)把玛卡作为太空食品已有10余年。玛卡生长条件苛刻、引植难、生长慢、产量低。美国通过细胞培养成功地进行了玛卡的人工培植和生产，并成功研制出以玛卡提取物为主要功能原料的抗疲劳功能饮料，取得了良好效益。

1.1.3酶工程(enzyme engineering)

酶是活细胞产生的具有高度催化活性和高度专一性的生物催化剂。酶工程技术是指利用酶催化作用进行生物质转化的新技术，也就是利用离体酶或直接利用微生物细胞、动植物细胞、细胞器的特定功能，借助于工程学手段来为人类提供产品的一门科学。利用酶工程，可以制取高蛋白、富含多种氨基酸和微量元素的功能食品。其实现途径是：以动植物、微生物蛋白为原料，采用酶工程技术将蛋白质分解成多肽和氨基酸，以此为原料，即可加工功能食品或营养强化食品[15]；以淀粉酶为催化剂，可将源于马铃薯、玉米、大麦或大米中的淀粉，进行催化降解，制备成分子质量不同、消化特性和供能特性能各异的生物降解淀粉，该淀

粉可用于制备多种军用食品的新材料，如低渗透压高能固体饮料、新型高能压缩食品、能量胶以及能量棒等新产品[16-20]。

1.1.4发酵工程(fermentation engineering)

采用现代发酵设备，使经优选的细胞或经现代技术改造的菌株，进行放大培养和控制性发酵，获得工业化生产预定的食品或食品功能成分。采用发酵工程技术，以新型高产微生物为研究对象，采用连续发酵技术、代谢调控技术和在线检测技术，即可从发酵物中筛选具有抗疲劳、抗缺氧、耐寒和调节时差等功能性的基础原料，这些功能基础原料包括某些食用真菌、酵母菌、食用藻、微生物多糖、低聚糖、糖醇、支链氨基酸、单细胞蛋白、多不饱和脂肪酸及食用色素等[1,21]。如采用被孢霉，可生产出二十碳五烯酸(EPA)，采用金鞭藻可生产出二十二碳六烯酸(DHA)等。

1.2新型抑菌防腐材料

生物保鲜的主要原理是，避免食品与空气接触，延缓氧化作用；或者是生物防腐材料本身具有良好的抑菌作用，从而达到防腐保鲜效果。利用生物技术，可获得新型高效防腐因子，并将其作为食品的添加因子或包装材料的添加因子。采用细菌、霉菌和食用真菌等，可生产安全、高效的新型生物防腐剂，如乳酸链球菌素、纳他霉素和聚赖氨酸等[22-24]。这些新型生物防腐材料，可有效延长军用食品的保质期，既可用于单兵软罐头食品和集体浅盘罐头食品，还可用于食品冷藏、果蔬保鲜以及耐贮面包和耐贮蛋糕等新概念军用食品。美军研究人员曾将溶菌酶和乳酸链球菌素等生物抑菌成分，添加于玉米醇溶蛋白或大豆蛋白单膜中，制成食品包装膜，既可减少环境污染，又可控制食品中病原菌的生长和由微生物引起的食品腐败[25-26]。

1.3新型包装材料

如何改进军用食品包装，使之具有质量量轻、体积小、耐储存、环保好、安全卫生、携带方便等特点，是军用食品研究的重要内容之一。先进的军用食品包装材料，可有效防止细菌、病毒、生物及化学毒剂或蒸汽的侵入，而且抗摔打，易消洗，不影响食用，是核生化污染条件下确保军用食品安全的重要保障[2]。采用生物方法可合成新型生态塑料，如采用微生物合成制备聚乳酸、聚羟基脂肪酸酯、聚丁二酸丁二醇、二氧化碳聚合物和真菌多糖等新型生物材料；采用这些新材料，可制做性能可靠、功能性强、轻质环保、可生物降解的各种环保餐具、容器、保鲜材料和包装材料等。另外，利用生物方法，还可合成可食性包装材料，

如胶原蛋白膜、牛奶蛋白薄膜和纤维素薄膜等材料，这些材料都具有强度高、耐水性好、可食用、不改变食品风味等优点[27-28]。

1.4新型食品添加剂

生物技术在军用食品添加剂开发领域大有可为。由于生物法具有催化效率高、反应条件温和等特点，因此，利用生物合成法代替化学法，进行食品添加剂的生产是大势所趋[29]。目前，用发酵技术生产的甜味剂有：木糖醇、甘露糖醇、阿拉伯糖醇和甜味肽等，其他食品添加剂有VC、VB2、VB12等。利用细胞杂交和细胞培养技术，可生产具有独特香味和风味的食用香精香料，如香草素、可可香素、菠萝风味剂、类胡萝卜素、紫色素、花色苷、辣椒红、靛蓝以及其他高级天然色素等[1]。此外，利用基因工程构建的工程菌株，还可生产肌醇、类胡萝卜素等各种食品添加剂[30]；为防止食品营养成分损失，可采用转基因技术导入稳定基因，提高其对热、氧和光的稳定性，从而改善相关营养成分的稳定性，如蛋白质、维生素及抗氧化成分等；在食品加工过程中，还可以采用酶工程技术对食品品质进行改良，如利用谷氨酰胺转氨酶处理大豆蛋白，可提高大豆蛋白的凝胶性、降低寡肽的苦味，提高产品品质。 1.5军用食品安全快速检测技术

随着全球军事战略一体化步伐的加快，部队远程集结、越洋和跨时区作战已成现实，长距离、高强度的战争态势，使得远程补给成为后勤给养保障的重要环节，这就对军用食品的安全保障提出了更高要求[2,31]。生物检测技术选择性高、结构简单、响应速度快、使用方便，在军用食品安全检测方面也有着广泛的应用前景。如采用固定化酶技术制备的酶电极、酶试纸，可以简便快捷地检测食品中的化学成分；利用基因工程的DNA指纹技术，可以鉴定食品原料和终端产品是否掺假，也可检测坚果、谷物和乳制品中的微量毒素；利用生物芯片技术，可以对食品中的有毒、有害成分进行分析和检测，同时，还可检测食品中的病原微生物和生物毒素等[1,32]。特别是在未来远程作战或舰艇远航中，采用生物技术进行食品快速安全检测前景十分光明。

2·生物技术在军用食品中的前景展望

随着生物技术在军用食品中的推广应用，其未来发展必将注重技术过程的集成与耦合。

首先，将基因工程与酶工程、细胞工程、发酵工程相耦合，可以改造和丰富现有的动植物食品资源，增加动植物食品资源的种类和数量，进而有效解决资源短缺问题。将酶工程、细胞工程和发酵工程技术与下游的生物分离工程相耦合，可以从各类动植物资源中提取多种有用的功

能成分，提高功能成分的纯度和效价，进而提高产品功效。目前，我军正在开展军用功能食品基础原料生物制备技术研究，其主要内容是采用细胞工程、酶工程和发酵工程为主要技术手段，结合生物分离、提取和纯化等项技术，开展抗疲劳、抗缺氧、抗辐射、改善睡眠、调节时差、提神警醒、改善认知、耐寒和耐热等类军用功能食品基础原料的生物制备技术研究，在此基础上，开发各种模块化军用功能食品组件，从而满足部队在各种特殊作战环境(或条件)下的营养和功能需求。

其次，以生物技术为支撑，将军需保障手段与现代化的作战防护相耦合。随着生物技术的飞速发展，未来军用食品将突破传统食品的功能局限，注入更多利于生存防护的新功效。如可研制具有特别生物标记的糖块，食用这种工程食品糖块后，在视线不清和远距离条件下，利用传感设备判断人体呼吸或体液中是存在相关生物标记，以进行敌我识别，进而实施远程狙击[33]。又如疫苗类食品，即一种含有疫苗的功能食品，作战人员食用后，疫苗可通过消化系统进入人体血液，进而产生抗体，形成强大的免疫力，可有效预防战场腹泻、流行性感冒、肝炎、痢疾等传染性疾病[34]。再就是可研制具有高效生物分离能力的军需装备，将空气和污染水中的细菌和有毒化学物质进行生物过滤，从而获得洁净空气和饮用水。还有新型的“透皮肤营养输送装备”，这种装备可以直接穿戴，它通过“皮肤营养补块”，可将液体微量元素导入体内。另外，以生物传感器为基础的检测装置，其检测速度是其他种类无法比拟的，因此研制以生物传感器为基础的多功能便携式战场食品安全检测装置也具有很好的前景[30]。

总之，随着生物技术在食品工业中的不断渗透，生物技术必将在军用食品资源、生产工艺、包装材料、安全检测、储存运输等领域具有更加广阔的应用前景。军用食品向功能化发展是大势所趋，军用食品向功能化迈进，必将催生食品新资源的不断开发与问世，而生物技术是获得食品新资源的有效手段，也是制备各类军用功能食品基础原料的关键技术。因此，生物技术必将引领未来军用食品的创新发展。