书城农业林业现代农业知识读本
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第13章 生物农业(4)

胚胎移植的社会经济学意义:一是充分发挥优良母牛的繁殖潜力。一般情况下,1头优良成年母牛一年只能繁殖1头犊牛,应用胚胎移植技术,一年可得到几头至几十头优良母牛的后代,大大加速了良种牛群的建立和扩大。二是诱发肉牛产双胎。

对发情的母牛配种后再移植一个胚胎到排卵对侧子宫角内;这样配种后未受孕的母牛可能因接受移植的胚胎而妊娠,而配种后受母牛则由于增加了一个移植的胚胎而怀双胎;另外,也可对未配种的母牛在两侧子宫角各移植一个胚胎而怀双胎,从而提高生产效率。三是应用胚胎移植还可以减少肉用繁殖母牛的饲养头数,可以代替种畜的引进和保存品种资源等。胚胎生物工程技术的开发和推广,不仅大大扩展了胚胎移植的研究与应用领域,而且有利于建立良种繁育体系,提高家畜繁殖潜力,使优势群体的遗传力能最大限度地发挥,进而提高家畜的生产性能、缩短育种周期,可以使良种家畜的后代按照人们的意愿迅速增加,展现出促进畜牧业发展的广阔前景,具有重大的理论意义和经济效益。

(五)酶工程

细菌细胞直径不足2μm,每时每刻却发生着1500~2000个化学反应,由1000多种酶对这些反应进行催化和调制,生产着3000多种蛋白质,1000多种核酸;而且细菌合成效率惊人。它合成每个肽链只需百分之三秒,而现代最先进的蛋白质自动合成机器只能合成小肽,而且速度也慢,合成每个肽链需要7分钟,两者相差200多倍;它合成RNA和DNA的速度更是远远超过了人工合成。另外,细胞中能量转换效率也很高,这一切都有赖于生物催化剂,这就是酶。现已发现的酶约有几千种以上。它们定位于各种细胞的不同细胞器中,催化细胞生长代谢过程中各种不同的化学反应,使这些反应在正常温度等条件下就可顺利进行。

酶是细胞产物,但不一定非要在细胞内发挥作用,在细胞外,即在非细胞条件下也能发挥作用。19世纪,人们已认识到酵母可以使葡萄糖发酵,产生酒精和二氧化碳,但是对于这一过程是如何进行的,当时主要有两种观点,而且一直未能达成一致。1857年,法国著名的细菌学家巴斯德认为酒精发酵需要有完整的细胞结构才能实现;德国化学家李比希则认为酒精发酵要求的只是细胞中的某些物质,而不要求完整的细胞参与。

1894年,日本科学家首次从米曲霉中提炼出淀粉酶,并将淀粉酶用作治疗消化不良的药物;1897年,毕西纳不用完整的酵母细胞,而用酵母汁进行酒精发酵获得成功,证明了生物体内的催化反应也可能在体外进行,从而开创了人类有目的地生产和应用酶制剂的先例。1908年,德国科学家从动物的胰脏中提取出胰酶(胰蛋白酶、胰淀粉酶和胰脂肪酶的混合物),并将胰酶用于皮革的鞣制。同年,法国科学家从细菌中提取出淀粉酶,并将淀粉酶用于纺织品的退浆。1911年,美国科学家从木瓜中提取出木瓜蛋白酶,并将木瓜蛋白酶用于除去啤酒中的蛋白质浑浊物。此后,酶制剂的生产和应用就逐步发展起来了。然而,在此后的近半个世纪内,酶制剂的生产一直停留在从现成的动植物和微生物的组织或细胞中提取的方式。这种生产方式不仅工艺比较复杂,而且原料有限,所以很难进行大规模的工业生产。

1949年,科学家成功地用液体深层发酵法生产出了细菌α—淀粉酶,从此揭开了近代酶工业的序幕。

早在1916年,美国科学家就发现,酶和载体结合以后,在水中呈不溶解状态时,仍然具有生物催化活性。但是,系统地进行酶的固定化研究则是从20世纪50年代开始的。1953年,德国科学家首先将聚氨基苯乙烯树脂重氮化,然后将淀粉酶等与这种载体结合,制成了固定化淀粉酶。1969年,日本科学家首先在工业上应用固定化氨基酰化酶生产出L——氨基酸。同年,各国科学家开始使用“酶工程”这一名称来代表生产和使用酶制剂这一新兴的科学技术领域。1971年,第一次国际酶工程学术会议在美国召开,会议的主题就是固定化酶的研制和应用。20世纪70年代后期,酶工程领域又出现了固定化细胞(又叫做固定活细胞或固定化增殖细胞)技术。固定化细胞是指固定在一定空间范围内的、能够进行生命活动的并且可以反复使用的活细胞。1978年,日本科学家用固定化细胞成功地生产出α—淀粉酶。

1986年,我国科学家利用固定化原生质体发酵生产碱性磷酸酶和葡萄糖氧化酶等相继获得成功,为酶工程的进一步发展开辟了新的途径。近20年来,在固定化酶、固定化细胞和固定化原生质体发展的同时,酶分子修饰技术、酶的化学合成以及酶的人工合成等方面的研究,也在积极地开展中,从而使酶工程更加显示出广阔而诱人的前景。

所谓酶工程,就是在一定的生物反应器中,利用酶的催化作用,将相应的原料转化成有用物质并应用于社会生活的一门科学技术。它包括酶制剂的制备,酶的固定化,酶的修饰与改造及酶反应器等方面内容。酶工程是生物工程的核心,没有酶的作用,任何生物工程技术都不能实现。概括地说,酶工程是由酶制剂的生产和应用两个方面组成的一个系统。由于从动植物中撮酶比较麻烦,数量也有限,人们普遍看好通过微生物大规模培养,然后从中提取酶,以获取大量酶制剂的方法。目前,很多的商品酶,如淀粉酶、糖化酶、蛋白酶等等,主要是来自于微生物的。所以酶工程离不开微生物发酵工程,也可以说是发酵工程的产物。

酶在生物体内的含量是有限的,不管是哪种酶,在细胞中的浓度都不会是很高的,这也是出于生物机体生命活动平衡调节的需要。可是这样一来,就限制了直接利用天然酶更有效地解决很多化学反应的可能性,利用基因工程的方法可以解决这一难题。只要在生物体内找到了某种有用的酶,即使含量再低,只要应用基因重组技术,通过基因扩增与增强表达,就可能建立高效表达特定酶制剂的基因工程菌或基因工程细胞了。把基因工程菌或基因工程细胞固定起来,就可构建成新一代的生物催化剂——固定化工程菌或固定化工程细胞了。人们也把这种新型的生物催化剂称为基因工程酶制剂。新一代基因工程酶制剂的开发研制,无疑是使酶工程如虎添翼。固定化基因工程菌、基因工程细胞技术将使酶的威力发挥得更出色,科学家们预言,如果把相关的技术与连续生物反应器巧妙结合起来,将导致整个发酵工业和化学合成工业的根本性变革。

对酶进行改造和修饰也是酶工程的一项重要内容。酶的作用力虽然很强,尤其是被固定起来之后,力量就更大了。但并不是所有的酶制剂都适合固定化的,即使是用于固定化的天然酶,其活性也往往不能满足人们的要求,需要改变其某些性质、提高其活性,以便更好地发挥其催化功能。于是,酶分子修饰和改造的任务就被提出来了。科学家们是通过对酶蛋白分子的主链进行“切割”、“剪切”以及在侧链上进行化学修饰来达到改造酶分子的目的的。被修饰、改造的酶分子,无论是物化性质,还是生物活性都得到了改善,甚至被赋予了新的功能。

从20世纪70年代以来,随着第二代酶——固定化酶及其相关技术的产生,酶工程才算真正登上了历史舞台。固定化酶正日益成为工业生产的主力军,在化工医药、农业食品、环境保护等领域发挥着巨大的作用。不仅如此,还产生了威力更大的第三代酶,它是包括辅助因子再生系统在内的固定化多酶系统,它正在成为酶工程应用的主角。

酶工程在农业和农产品加工业上的应用也十分广泛。基因工程离不开内切酶和连接酶;植物体细胞杂交制备原生质体时,需要纤维素酶,人们把它们称为生物工程的“工具酶”,而这些酶可由酶工程得到。农产品加工方面,酿酒厂和饮料厂利用果胶酶来澄清果酒和果汁,效果十分明显;葡萄糖氧化酶可以除去密封饮料和罐头中的氧气、从而有效地防止饮料和食品氧化变质;用木瓜蛋白酶制成的嫩肉粉,可以使肉丝、肉片等烹调后吃起来嫩滑可口。又如:支链淀粉酶是分解多糖类支链淀粉的酶,它能把胚芽转变为色泽较好的麦芽糖糖浆。麦芽糖的甜味没有葡萄糖浓,但很适口,且容易发酵、黏度大、溶解度大,用其制作糖果可以防止遇热变色,用于冰激凌可以防止产生砂糖结晶。蔗糖几乎全部来源于甘蔗或甜菜,但是甘蔗和甜菜的种植范围都比较有限。科学家通过α—淀粉酶、糖化酶和将葡萄糖异构酶连接到离子交换树脂上,或者包埋在明胶中,制成的固定化葡萄糖异构酶,这种固定化酶可以用于使葡萄糖转化成甜度更高的高果糖浆。一些发达国家高果糖浆的年产量现已达到几百万吨,高果糖浆在许多饮料的制造中已经逐渐替代了蔗糖,进而将有限的耕地用来发展粮食生产。因此,酶工程还具有很强的“粮食替代”作用。天然蚕丝(指家蚕吐出的蚕丝)的外表有一层丝胶,丝胶直接影响天然蚕丝的使用,过去人们只能在高温条件下用碱性物质脱去天然蚕丝上的丝胶;现在人们可以在温和的条件下,利用蛋白酶对天然蚕丝进行脱胶,脱胶后的蚕丝具有鲜亮的色泽和柔滑的手感。此外,利用纤维素酶制剂降解农作物秸秆,可提高秸秆的营养价值和消化率,用于发展畜牧业,这样的秸秆饲料又称“酶贮饲料”,应用十分广泛。

(六)生物质能

生物质能是一种数量巨大的可再生能源,就其能量而言,生物质能是仅次于煤炭、石油、天然气而位居第四位的能源。地球上生物质能很是丰富,每年全世界年产生物质约1725亿t,其蕴藏的能量相当于当前能源总消耗量的10~20倍。利用生物化学和热化学可以把生物质转换成气体、液体和固体燃料。生物质能的转换和利用具有缓解能源短缺状况和保护环境的双重效果,因而受到人们的极大重视。

1.生物质能的概念所谓生物质就是在有机物中(除矿物燃料外),所有来源于动物、植物、微生物的可再生的物质,生物质是地球上最广泛存在的物质。也是迄今为止在宇宙行星表面生存的一种特有的生命现象。各种生物质都有一定的能量,由生物质产生的能量就叫做生物质能。

通过研究发现,尽管生物质千变万化,形态多样,然而,它的产生都离不开太阳的辐射能。太阳能是生物质能的源泉。即通过光合作用,植物把无机物(CO和H2O)转变成有机物,这些有机物养育着大地上的绝大多数生物:人、动物、真菌、细菌等。

人和动物直接或间接地以光合作用产物为食物。通过光合作用,植物将太阳能在合成有机物的过程中,转化为化学能,贮藏到有机物之中,这部分能量,有些就成为人们生产和生活中的燃料,人们称之为“绿色能源”。

据气象学分析,进入大气层的太阳辐射能,约有万分之二是被植物吸收进行了光合作用。如果折算起来就有400亿kw的能量。生物学上也有一个估算,现在地球上每年生长的植物总量约为1400亿~1800亿t,把它换算成燃料,约相当于目前世界总能耗的10倍。

2.生物质能的提取和转换技术生物质能包括木材、森林工业废弃物、农作物秸秆、人畜粪便、水生植物、油料植物、城市与工业有机废弃物等物质内部的能量。科学家们已经和正在忙于研制一些方法和设备,从这些物质中获取燃料,使其变废为宝,以解决能源危机。

利用现代技术,将生物物质转化为能量的方法有直接燃烧,也可用生化学法和热化学法转换成气体、液体、固体燃料。

生物质能的转换技术概括地说有下列三类:一是直接燃料。这是生物质能应用最广泛、最简单的转换技术。它可以直接获得能量,而燃料热值的多少首先是与有机质种类不同有直接关系,同时还与空气的供给量相关。有机物氧化越充分,产生的热量就越多。不过,这种直接燃烧的生物质能转换率很低,普通炉灶一般不超过20%。

二是化学转换技术。是生物质能通过化学方法转化为燃料物质的技术。目前,有三种可行的方法,即气化法,热分解法和有机溶剂提取法。气化法是指将固体有机物燃料在高温下与气化剂作用产生气体燃料的方法,因气化液的不同可产生不同的气体燃料;热分解法是将有机质隔绝空气后加热分解,得到固体和液体燃料的方法;有机溶剂提取法,即将植物干燥切碎;再用丙酮、苯等化学溶剂在通蒸气的条件下进行分离提取。