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日常生活中的生物技术示例

生物技术是涉及使用生物系统、活的有机体或其衍生物来制造对人类有用的产品的科学领域。生物技术帮助我们解决许多问题,例如传染病、改善食品质量、化石燃料短缺等。随着人口的增加和自然资源的减少,生物技术帮助我们寻找替代资源。生物技术在满足我们日常生活的需求方面发挥着至关重要的作用。长期以来,生物技术几乎在医疗保健、食品工业、酿酒、乳制品、纺织工业和生物修复等各个领域提供服务。今天,当全世界都在遭受 COVID-19 之苦时,生物技术在疫苗生产中发挥着重要作用。

文章索引

  • 1. 生物燃料

    • 生物乙醇

    • 生物柴油

    • 沼气

  • 2. 乳制品

  • 3.烘焙产品

  • 4. 无乳糖牛奶

  • 5. 酒精生产

  • 6. 护肤品

  • 7. 洗涤剂酶

  • 8. 转基因(GM)作物

    • 转基因作物

    • 黄金大米

  • 9.染料制造

  • 10. 造纸工业

  • 11. 生物修复

    • 生物修复的应用

  • 12. 抗生素的生产

    • 为什么微生物会产生抗生素?

  • 13. 疫苗生产

例子

1. 生物燃料

生物燃料来源于生物质,如植物、动物废物和藻类材料。随着燃料价格的上涨和化石燃料的枯竭,通过生物技术生产生物燃料可以发挥关键作用。生物燃料是一种可再生能源,并且对环境友好,因为它们可以防止温室气体排放。生物燃料的例子是乙醇、生物柴油和沼气。

生物乙醇

乙醇是一种无色液体生物燃料,由玉米、甘蔗等作物中的淀粉发酵而成。巴西和美国是乙醇的主要生产国。美国使用甘蔗、大麦和高粱等含糖量高的粮食作为生产乙醇的原料。在美国,10% 的乙醇与汽油混合形成“汽油醇”,即汽油和乙醇的混合物,用作内燃机的燃料。

生物柴油

生物柴油是一种由植物油、动物脂肪等制成的国产生物燃料。它有助于燃料的清洁燃烧,是石油柴油的可再生替代品。在车辆中使用生物柴油可以减少环境污染,从而改善空气质量。生物柴油是通过脂肪酸中存在的甘油三酯的酯交换过程制成的。乙醇对植物油的酯交换反应产生生物柴油和甘油。在印度等一些guo家,生物柴油是由麻风树的种子生产的。

沼气

沼气是通过某些称为产甲烷菌的细菌降解农业、植物和动物废物以及污水或城市废物而产生的。沼气是一种可再生能源,它是甲烷、二氧化碳等气体的混合物。沼气主要用于农村做饭,压缩后可用作汽车燃料。

2. 乳制品

生物技术在乳制品中有着广泛的应用,我们最喜欢的乳制品如奶酪和酸奶要归功于生物技术。奶酪是由牛奶的乳酸发酵形成的。牛奶含有水(85%)、脂肪、碳水化合物(乳糖)和蛋白质(酪蛋白和乳清)。奶酪是通过酸化牛奶或添加凝乳酶将牛奶分离成固体凝乳和液体乳清而形成的。某些细菌,如乳酸杆菌或链球菌科将牛奶糖(乳糖)转化为乳酸,从而降低牛奶的 pH 值。这称为牛奶酸化;它会杀死牛奶中存在的有害细菌。这有助于将牛奶分离成凝乳和液态乳清。凝乳酶是一种有助于酪蛋白凝固的酶。这将固体凝乳和液体乳清分开。然后去除液体乳清,然后将凝乳腌制和成型。凝乳酶是存在于反刍哺乳动物胃中的一组酶。凝乳酶(蛋白酶)是关键酶,可凝结牛奶中的酪蛋白。

3.烘焙产品

面包是人类日常生活中最常见的食物之一。你知道是什么让面包变得柔软蓬松吗?面包是通过使用面粉、水、酵母和糖制作面团而形成的。潮湿面团中的淀粉酶分解面粉中的淀粉(淀粉酶或支链淀粉)并释放麦芽糖和蔗糖。酵母是一种以糖为食的真菌。面团中的酵母含有麦芽糖酶,它通过有氧呼吸将麦芽糖分解成葡萄糖,但很快就会耗尽氧气并转为无氧呼吸。在无氧呼吸中,它分解糖并产生二氧化碳和乙醇。这些二氧化碳分子被困在面筋分子中,导致面团蓬松。然后将面团加热,从而杀死酵母并蒸发乙醇。

4. 无乳糖牛奶

乳糖是一种天然存在于牛奶中的糖。它有更小的单位,称为葡萄糖和半乳糖。乳糖在我们的肠道中被乳糖酶分解。有些人不能消化乳糖并且是乳糖不耐症,因为他们体内缺乏乳糖酶。在这些人中,乳糖会留在肠道中并导致恶心、腹胀、痉挛等症状。感谢生物技术为我们提供了市场上的无乳糖牛奶。这种牛奶是用乳糖酶预处理的。这会导致乳糖分解成葡萄糖和半乳糖。这种酶是在称为克鲁维酵母的酵母中产生的。无乳糖牛奶由单一单位的葡萄糖和半乳糖组成,它们比乳糖更易溶于水,更容易被肠道吸收。

5. 酒精生产

生物技术过程酒精发酵,由某些细菌和酵母实现,广泛用于生产酒精。酒精生产的原料是大麦、小麦、水稻、甘蔗或玉米等淀粉作物。发酵是酵母将糖转化为酒精(乙醇)和二氧化碳(CO2)的过程。在氧气存在的情况下,酵母将葡萄糖(糖)分子分解为两个丙酮酸分子,并释放出二氧化碳和水作为副产品。然后这两个丙酮酸分子在厌氧条件下被还原成乙醇和二氧化碳。一些细菌物种如运动发酵单胞菌也可以进行酒精发酵。由酿酒酵母进行的酒精发酵是非常常见且众所周知的,但 Z. Mobilis 也用作工业中乙醇生产的起始物。葡萄酒是通过葡萄(Vitis vinifera)发酵形成的。酿酒涉及两个主要的生物技术过程,酒精发酵和苹果乳酸发酵。在酒精发酵中,水果中的糖分转化为乙醇和二氧化碳,随后大多数红葡萄酒经过乳酸菌 Oenococcus oeni 的苹果乳酸发酵。这个过程将苹果酸(辛辣的味道)转化为乳脂状的乳酸,同时也提高了 pH 值。这对于葡萄酒的脱酸和风味修饰是必要的。水果中的糖分转化为乙醇和二氧化碳,大多数红葡萄酒经过乳酸菌 Oenococcus oeni 的苹果乳酸发酵。这个过程将苹果酸(辛辣的味道)转化为乳脂状的乳酸,同时也提高了 pH 值。这对于葡萄酒的脱酸和风味修饰是必要的。水果中的糖分转化为乙醇和二氧化碳,大多数红葡萄酒经过乳酸菌 Oenococcus oeni 的苹果乳酸发酵。这个过程将苹果酸(辛辣的味道)转化为乳脂状的乳酸,同时也提高了 pH 值。这对于葡萄酒的脱酸和风味修饰是必要的。

6. 护肤品

生物技术在美容和美容医学中发挥了重要作用。肉毒杆菌是日常生活中生物技术产品的突出例子之一。肉毒杆菌是一种由肉毒梭菌产生的蛋白质。它麻痹神经细胞,从而减少脸上的皱纹。透明质酸也是抗衰老护肤中非常重要的成分。它天然存在于人体中。在实验室中,透明质酸是由某些细菌(如兽疫链球菌、大肠杆菌和枯草芽孢杆菌)在适当的温度和 pH 条件下发酵葡萄糖形成的。

7. 洗涤剂酶

传统的去污剂已经被生物技术产品去污剂酶所掩盖。这些洗涤剂含有蛋白酶、脂肪酶和淀粉酶等酶,有助于去除血渍、油渍等。

8. 转基因(GM)作物

生物技术在改善棉花、羊毛丝等天然纤维方面发挥着重要作用。它还有助于通过使作物具有抗虫害或除草剂的能力来提高作物生产的产量和质量。转基因食品是通过基因工程引入其 DNA 变化来生产的。转基因食品的一些例子是 Bt 作物、黄金大米等。

转基因作物

Bt 作物经过基因改造,含有一种细菌的特定基因,即苏云金芽孢杆菌 (Bt)。该基因导致在叶子中形成毒素。当害虫以 Bt 作物为食时,植物细胞中的毒素(Cry 蛋白)会使害虫的消化系统结晶并杀死害虫。这种蛋白质对人类没有有害影响。这种毒素对蝴蝶、飞蛾、船蛉、甲虫等几种昆虫是致命的。BT 作物的例子是玉米和棉花。

黄金大米

黄金大米是转基因水稻品种(Oryza sativa)。其中,通过基因工程将多基因生化途径整合到水稻基因组中。该途径导致产生β-胡萝卜素,这是维生素A的前体。当被人类代谢时,它会产生维生素A。黄金大米已被设计用于克服发展中国家的维生素A缺乏症。缺乏维生素 A 会导致夜盲症和角膜疤痕或永久性失明。

9.染料制造

紫草素是天然存在的萘醌的一个例子。它存在于植物紫草的干燥根中。它们在化妆品、食品和纺织工业中用作天然着色剂。生物技术也有助于生产蒽醌染料。这些染料可以从各种真菌中提取,如木霉、曲霉和弯孢菌菌株。蒽醌类生物染料的例子有 CI 分散蓝 7 和 CI 酸性绿 28。这些染料更便宜且非常环保。

10. 造纸工业

纸是通过从木材中提取纤维素并将其转化为纸浆而形成的。制浆的目的是将纤维素纤维从木材中存在的木质素和其他杂质中释放出来。生物技术允许通过特定的木质素降解真菌对纤维素进行制浆,这种制浆方法称为生物制浆。许多有害化学物质被纸浆加工中使用的酶所取代。由于木质素的存在,纸浆通常呈棕色,为了使它们颜色变浅,需要进行生物漂白。最初,氯用于漂白纸浆,但由于其对环境的不利影响,现在已被木聚糖酶等酶所取代。生物漂白剂木聚糖酶由曲霉木霉(真菌)产生,它有助于水解纸浆中存在的半纤维素(木聚糖)。生物漂白具有成本效益,可防止有害副产品的形成。它还可以改善纸张的质地和强度。

11. 生物修复

环境污染是全球关注的主要问题,但随着新兴的生物修复技术,我们可以轻松控制污染物的破坏性影响。生物修复是利用微生物降解受污染的地下水或土壤中存在的有毒物质并将其转化为无毒物质的过程。

生物修复的应用

  • 它有助于清洁犯罪现场的血液和体液。最初漂白剂或氨水被用作清洁剂,但现在酶清洁剂(蛋白酶、脂肪酶等)被用于去除血液等有害物质,这些物质可能对艾滋病毒或肝炎等健康构成威胁。

  • 化学农药和工业废物会通过向土壤中释放有毒物质来污染土壤和地下水。通过生物修复,微生物可以利用土壤中的这些化学污染物作为它们的能源。它们通过氧化还原反应代谢这些污染物并产生能量。

  • 生物修复还可以帮助控制海洋生态系统中的石油泄漏。石油泄漏会伤害海洋动物,也会使食用海鲜不安全。生物修复可以通过两种方式帮助控制石油泄漏的危险影响。

  • 生物强化:将少量石油降解微生物插入受影响的区域。
    生物刺激:通过添加营养物质来刺激石油降解微生物的生长。这增加了细菌和真菌等微生物的降解速度。

12. 抗生素的生产

抗生素是生物技术产品中非常常见的例子之一。它们是生活在土壤中的微生物产生的非蛋白质分子。抗生素是由链霉菌属、芽孢杆菌属和青霉属(真菌)等多种细菌产生的次级代谢产物。抗生素在对抗人类和动物的传染病方面发挥着重要作用。抗生素根据其作用方式可分为两大类,杀菌剂(杀死细菌)和抑菌剂(阻止细菌生长)。青霉素是亚历山大·弗莱明发现的第一种抗生素。

为什么微生物会产生抗生素?

土壤中的几种微生物,如细菌和真菌,会产生抗生素,作为对生活在同一附近的其他微生物的防御机制。由于土壤的异质性,不同的微生物栖息在其中。这些不同的微生物为它们的生存和成功繁殖而战,因此它们产生抗生素来抑制其他微生物的生长。土壤微生物是抗生素生产的主要来源。 

13. 疫苗生产

生物技术在生产针对各种致命疾病的疫苗方面发挥了重要作用。疫苗由死亡或无活性的病原体、病原体产生的一种表面蛋白或毒素制成。疫苗接种会触发我们的免疫系统,从而产生抗体。这些抗体作为记忆抗体在血液中循环很长时间,如果将来该病原体入侵,记忆抗体就会与之抗争。



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