近幾個世紀以來，食品的發展，包括原料和成品，都與生物技術的發展緊密相連。它包括了傳統的生物技術，加工如麵包、奶酪、啤酒、葡萄酒、醬油、米酒、發酵乳製品等傳統食品，也包括了如基因工程、細胞工程、蛋白質工程、酶工程、發酵工程等現代生物技術，以改善人類健康和營養，促進經濟發展和環境改善（如食品資源的改造、食品加工技術的提高、食品品質的改良、農產品質量和產量的提高、食品分析與檢測水平的提高、汙水處理等）。
8.1舌尖上的生物技術
8.1.1蛋白質類食品
（1）單細胞蛋白質（SCP）
目前，世界上麵臨的主要問題之一是人口爆炸，特別在發展中國家尤為突出。現在全世界人口數已達59億，並以每年9.4×107的數目增加，若不加以控製，到2050年將突破100億。傳統農業將不能提供足夠的食物來滿足人類的需求，尤其是蛋白質短缺。因此，人們在不懈地尋求蛋白質資源，推廣新興農業，培育高蛋白穀物，大豆、花生等高蛋白作物正被大量種植；另外，利用微生物作為蛋白質生產工廠已獲得成功。這就是所謂的單細胞蛋白（SCP），它主要是指酵母、細菌、真菌等微生物蛋白質資源。目前，人們已公認SCP是最具應用前景的蛋白質新資源之一，對於解決世界蛋白質資源的不足問題將會發揮重要作用。
微生物比任何動物都能更有效地合成蛋白質。把250千克的牛與250克的微生物進行比較，牛每天能產生200克的蛋白質，而在同樣時間，在理想的生長條件下，微生物理論上能合成25噸的蛋白質。用微生物來生產SCP有以下優點：
1）在最佳條件下，微生物能以驚人的速率生長，一些微生物的生產量每隔0.5～1小時便增加一倍。
2）微生物比植物和動物更容易進行遺傳操作；它們更宜於大規模篩選高生長率的個體，更容易實施轉基因技術。
3）微生物有相當高的蛋白質含量，蛋白質的營養價值高。
4）微生物能在相對小的連續發酵反應器中大量培養，占地小，不依賴氣候。
5）微生物的培養基來源很廣泛，低廉，特別是利用廢料，如有些能利用植物纖維素作原料。
SCP可補充人和動物的蛋白質需求。在人的飲食中，SCP可作為食品添加劑，以改善食物風味，並可代替動物蛋白；在動物飼養上，SCP因其富含蛋白質，風味溫和、容易存儲等特點，可代替傳統的蛋白質添加劑，如魚粉、豆粉等，特別在水產養殖業，如養蝦、養魚等方麵，SCP已被廣泛應用。
SCP作為食品首先對人體必須無毒副作用，這是安全性；其次，它的氣味、口味和顏色等，還必須為食用者所喜歡，即具可接受性。SCP的安全性和作為食品的可接受性標準有以下幾個方麵：
菌種被公認為不產毒素，是安全的，如啤酒酵母等。
培養基內不含毒性成分，如一些多環芳香族致癌化合物。
氣味、口味或顏色好。
菌種核酸含量不能過高（過高對人體有害）。
基因工程菌的培養和處理還應嚴格遵守政府的有關法規。
要人們把SCP接受為食物，僅關注其安全性和營養價值是不夠的，人們往往對來自微生物的產品有抵觸心理。這裏有微妙的心理、社會和宗教的影響，不同的文化存在許多特異的飲食習慣和禁忌。更現實的考慮是暫不把SCP直接供給人們食用，而是先用來飼養家畜、禽及魚類等。
（2）氨基酸生產
氨基酸主要用於食品、飼料的營養強化和調味，如穀氨酸單鈉鹽（味精）是家家必備的鮮味劑，甲硫氨酸和賴氨酸是重要的飼料添加劑等。
除甘氨酸和蛋氨酸由化學合成外，氨基酸主要通過發酵法生產，其次是酶轉化法。氨基酸發酵所用的菌種主要是穀氨酸棒杆菌和黃短杆菌或類似菌株。日本味之素公司已利用細胞融合和基因工程技術，使原始菌株的產量提高幾倍甚至幾十倍。在工藝方麵，國外已采用固定化細胞或固定化酶技術來生產氨基酸。例如，將含高活性天冬氨酸酶的大腸杆菌細胞固定到生物反應器中，能將延胡索酸轉變成天冬氨酸，濃度達237克/升，回收率為100%。
我國的氨基酸生產已有一定的基礎，但在產酸率和回收率等生產技術指標方麵與國外還存在明顯的差距。
穀氨酸（鈉）是世界上生產量最大的商品氨基酸。發酵法生產味精時，國內一般以澱粉水解糖為碳源，以液氨或尿素為氮源，采用生物素亞適量（菌種為生物素缺陷型）流加糖發酵工藝，使穀氨酸產生菌的細胞膜透性及代謝調節異常化，發酵積累穀氨酸，再經冷凍、等電點或等電點-離子交換工藝提取粗穀氨酸，最後經中和、除鐵、脫色、濃縮、結晶、離心、幹燥、過篩、包裝等精製工序製成味精。整個生產過程由製糖、種子擴培、無菌空氣製備、發酵、提取及精製等工段組成。
穀氨酸菌一般不能直接利用澱粉或糊精，而隻能以葡萄糖或糖蜜等作為碳源。其中葡萄糖是由澱粉或澱粉質原料（如大米、玉米、薯類等）水解而成的，故稱為水解糖。製取水解糖的方法依原料性質不同，可采用酸法、雙酶法或酸酶結合法。近年來隨著酶製劑工業的發展，國內都力爭采用酶法，大大提高了出糖率和水解糖的質量。在我國，隨著20世紀90年代初國產耐高溫α-澱粉酶、高轉化率糖化酶及低壓噴射液化器的開發成功，國內不少味精廠都已實現了耐高溫α-澱粉酶二段噴射液化的雙酶法製糖新技術。這種新技術的應用，顯著提高了味精廠製糖與味精生產的技術水平、經濟效益。
在穀氨酸的發酵過程中，還需流加氮源和控製pH值，必須根據不同發酵階段的pH值變化控製尿素的流加量。隻有不斷補充NH+4和控製合適的pH值條件，才能獲得穀氨酸高產。
從穀氨酸發酵液中提取穀氨酸，國內多使用等電點-離子交換法。本法的原理是利用氨基酸在等電點pH值時溶解度最小的性質。為了進一步回收等電母液中的穀氨酸，此法一般需與離子交換法配合使用。
由穀氨酸製成穀氨酸鈉（味精）稱為精製。粗穀氨酸溶於適量水中，用活性炭脫色，然後加Na2CO3於60℃中和到pH值6.6～6.9，使之形成穀氨酸單鈉，即可獲得味精粗製品。再經進一步精製，包括Na2S除鐵、活性炭脫色、濃縮、結晶、幹燥等，獲得味精成品。
盡管穀氨酸發酵技術已達到相當完善的程度，但仍然有許多方麵值得深入研究，目前穀氨酸發酵研究的新進展有：
1）繼續選育各種生化突變型菌株以提高經濟效益，如抗藥性突變株、藥物敏感突變株、各種酶活力變化突變株以及其他具有生化特征的突變株等。
2）將DNA重組、原生質體融合以及固定化細胞技術應用於穀氨酸的研究。
3）改進發酵工藝，如開拓原料種類、流加碳源等。
L-賴氨酸被稱為第一限製性必需氨基酸，主要用於食品、飼料和醫藥工業，在平衡氨基酸組成方麵起著十分重要的作用。1993年全世界L-賴氨酸年產量已超過2×105噸，約95%是用直接發酵法生產的。
發酵原料通常是以各種澱粉水解糖或甘蔗糖蜜為碳源，氨（水）或尿素為氮源。由於L-賴氨酸生產菌株都是經過多次誘變篩選得到的，既是營養缺陷型，又是具有結構類似物抗性的組合型變異株，所以培養基中必須提供相應的生長因子，而且這些生長因子的濃度通常是生長所需的亞適量。發酵過程中培養基pH值需維持中性，一般通過流加氨（水）或尿素來控製。
賴氨酸的提取一般采用離子交換樹脂吸附法。根據氨基酸是兩性電解質這一特性，以及目的氨基酸與雜質氨基酸pK、pI值的差異，通過調節氨基酸發酵液的pH值，使不同氨基酸的帶電性質及解離狀態不同，再通過選擇合適的離子交換樹脂就能分離、提取各種氨基酸。
8.1.2生物技術與釀造類食品
釀造類食品主要包括酒精飲料（白酒、啤酒、黃酒等）和調味品（醬油、醋、味精等）兩大類，其生產技術屬於傳統的微生物發酵範疇。近年來，各種現代生物技術成果已經源源不斷地滲入這些傳統釀造食品的生產過程，諸如酶製劑和活性幹酵母的應用、固定化酶（細胞）以及生物反應器的應用、基因工程技術的應用等。
（1）生物技術在酒精飲料生產中的應用
在全世界範圍內，酒精飲料是當前商業中經濟效益最穩定的行業。提高轉化率或產量以獲得高額利潤是發展和改進技術的動力。
酒精飲料的原材料主要包括兩種：糖類物質（水果汁、樹汁、蜂蜜等）和澱粉類物質（穀類或根類等），後者需要在發酵前水解成單糖。當這些底物與適當的微生物一起醞釀，提供發酵條件，最終會得到一種液體，它含有很多成分，酒精含量從百分之幾到20%或更高。由於酸性pH值可抑製微生物的生長，使得產品更加穩定與安全，這類酒可直接飲用，但人們更習慣將它們存放一定時間，使得它們的口感更好。進一步蒸餾可提高酒精濃度，得到各種類型的酒如白酒、威士忌、白蘭地、伏特加、鬆子酒、朗姆酒，它們的乙醇含量高達40%～70%。
最常用的發酵微生物是酵母菌或它的相關品係，這種微生物可以吸收並利用單糖，如葡萄糖和果糖，將它們代謝成乙醇，可以使乙醇達到高濃度。
傳統遺傳學以及現代的原生質體融合和重組DNA技術一直被用來改進這些發酵中所用的酵母菌品係，特別是酵母菌的遺傳工程有了極大進步。目前已將枯草杆菌澱粉水解酶的基因克隆到酒精酵母中，使原來隻能依賴其他微生物水解澱粉而獲取碳源的酵母，變成能同時分解澱粉進行酒精發酵。
在這裏簡單介紹生物技術在酒精、啤酒、白酒等生產中的應用，它們是世界範圍生物技術釀酒工業的主要代表。
1）酒精。酒精是重要的食用、醫用和化工原料，可通過發酵法或化學合成法生產，但是在食品工業中一般采用發酵法。在這裏著重介紹酶製劑和酒精活性幹酵母（AADY）在發酵法酒精生產中的應用技術。
在澱粉質原料酒精生產過程中，目前普遍采用在混合均勻的料漿中加入澱粉酶，即采用加酶蒸煮法。蒸煮方式有高溫、低溫和中溫三種。高溫蒸煮需要高溫、高壓，能耗大；低溫蒸煮由於滅菌不徹底，發酵過程易染雜菌，影響出酒率。比較好的是中溫蒸煮，它是隨著耐高溫α-澱粉酶的出現而誕生的一種酒精原料蒸煮技術。該法的優點是：比高溫蒸煮節能；其蒸煮溫度（100℃）可保證對原料的充分糊化、液化，且殺菌力度比低溫蒸煮高，有利於控製酒精發酵時的酸度，穩定和提高出酒率；由於添加了耐高溫酶，便於廢醪固液分離；解決了濃醪發酵時蒸煮醪和糖化醪發黏、泡沫過多的問題，提高了設備利用率，便於蒸餾；便於噴射管蒸煮液化，適合現代化微機控製、自動操作等。
我國酒精生產過去使用曲作糖化劑，目前已普遍采用了糖化酶。酶法糖化技術的應用，大大提高和穩定了酒精生產的出糖率、出酒率，減少了酒精雜質含量，並且簡化了操作和減少了人、財、物，提高了經濟效益。
發酵中的酵母過去采用擴大培養的方法製得，即酒精母種子從斜麵擴大到三角瓶、卡氏罐，然後到小酒母和大酒母。目前，很多工廠利用活性幹酵母代替了自己培養大酒母的過程。使用酒精活性幹酵母可以大大簡化工藝和提高酵母質量，節省投資和降低成本，提高企業經濟效益。因此，已被許多中小型工廠所采用。
此外，使用固定化酵母生產酒精是繼使用活性幹酵母後酵母工藝的重大改革。它是利用糖蜜或以糖化酶進行糖化後的糖化酶，不直接外加或外接酵母，而是連續通過具有高度密集的活酵母的載體使其發酵生產酒精的過程。此技術已在我國多家酒精廠正常使用，不僅適合糖蜜原料，也適合澱粉質原料生產酒精。
2）啤酒。傳統啤酒釀造是以麥芽、酵母、水和啤酒花等四種原料進行的。現代啤酒則是以大麥為主要原料，大米或穀物、啤酒花為輔料，經製麥芽、糖化、發酵、加工和成熟等工序釀製而成的。在啤酒的生產中，現代生物技術（主要是酶工程）起著越來越重要的作用。
首先，耐高溫澱粉酶的應用改變了傳統工藝，使輔料比例大大提高，實現了無麥芽糊化，節糧節能顯著，提高了產品質量，取得了很好的經濟效益。其次，酶製劑在啤酒工業中還有其他的作用，例如：添加蛋白酶(如木瓜蛋白酶、細菌蛋白酶等)，提高麥汁α-氨基酸；添加β-葡聚糖酶，改善麥汁過濾性能；添加α-乙酸乳酸脫羧酶，降低雙乙酸含量，縮短啤酒成熟周期；添加蛋白酶提高啤酒穩定性（如菠蘿蛋白酶、木瓜蛋白酶等）；添加葡萄糖氧化酶去除啤酒中的溶解氧，以提高穩定性，延長保存期。
利用固定化酶（細胞）技術釀造啤酒是近年來國內外啤酒工業的又一新動向。它將原來的分批發酵法改為連續生產，大大提高了生產能力，並能較為容易地改進生產工藝，使產品質量達到均一，縮短啤酒發酵和成熟時間。目前，用於啤酒生產的固定化酵母多采用包埋法，它是在一個預製的基質材料（如海藻酸鈣、DEAE-纖維素等）中將酵母包埋進去的方法，取得了較為滿意的效果。但是，固定化酵母技術在實際應用中仍有一些技術性問題有待解決。例如，固定化酵母的生理特性隨著使用時間的延長而發生變化，生物反應器操作工藝參數的正確控製及汙染的防治等，這些在技術上都需要進一步完善。
3）白酒和黃酒。白酒和黃酒都是我國曆史悠久的傳統酒，但出酒率低、發酵周期長是它們工藝上所存在的嚴重不足。近年來，糖化酶應用技術的出現，在釀造工藝上是一大突破。
糖化酶在白酒和黃酒生產中的應用，主要是為了彌補傳統工藝中曲的不足，即糖化發酵力低、曲中帶有雜菌和不耐酸等。糖化酶的應用的目的在於提高原料出酒率和縮短發酵周期。
糖化酶應用技術成功的關鍵，在於合理使用和充分混合。無論應用於白酒或者黃酒，都必須以保證質量為前提，糖化酶的使用量、添加時間、添加方式都要按照工藝需要確定，更多時候要通過生產實踐確定。充分混合是指糖化酶加入時必須與曲粉、原料充分混合，使酶在原料中均勻分散，糖化酶分子與原料中澱粉顆粒充分接觸，增大接觸麵積，保持一定的接觸時間，以使糖化酶充分地發揮作用。
（2）生物技術在調味品生產中的應用
調味品種類很多，可分為發酵性和非發酵性兩大類，發酵性調味品中產量最大的是醬油和食醋。在這裏簡要介紹酶製劑在調味品加工中的應用。
1）食醋。食醋是利用米、麥、高粱或酒糟等釀造而成的含有醋酸的一種水溶性液體，發酵菌通常是醋酸菌，它是人們日常生活中常用的調味品。據研究，醋有很高的營養價值和醫療保健作用。醋除了含有醋酸成分外，還含有乳酸、檸檬酸、焦性葡萄糖、氨基酸、微量酒精及多種營養元素，能促使胃酸、腸液分泌，加強消化係統功能。醋還是一種防腐殺菌劑，能抑製微生物生長和繁殖，破壞微生物的生存條件。
我國中小型食醋企業大多采用傳統的固態發酵法釀造食醋。此法雖然簡單易行、投資少、產品質量好，但也存在著發酵周期長、出醋率和澱粉利用率低等突出的缺點，並且需要製曲操作。近幾年來，隨著酶應用技術的迅速發展，一種新型製醋法——前液後固酶法釀醋工藝在我國食醋行業很快實用化。這種釀醋法，由於使用商品酶製劑和耐高溫酒用活性幹酵母，各個環節染菌機會少，並可控製最佳溫度條件，滿足工藝要求，生產比較穩定，且能解決食醋生產夏季減產的問題。此外，由於固定化細胞發酵也可以有效提高生產效率，因而得到了越來越多的應用。
2）醬油。醬油在我國有2000多年的曆史，是在製醬的基礎上開始製作的。醬油在烹飪中使用頗多，能增加食品的鮮度、香味以及色澤，刺激人們的食欲。醬油的營養也十分豐富，含有糖類、蛋白質、氨基酸、脂肪酶、維生素B1、維生素B2、煙酸及多種人體必需的營養成分。最新的研究報道表明，醬油還有抗癌功效。
我國的醬油生產目前大多數采用固態低鹽發酵法。為了改進工藝，提高澱粉利用率和醬油的質量以及風味，有些工廠在醬油生產中已成功地采用了酶法液化、糖化技術。這是利用微生物澱粉酶使澱粉水解成還原糖，再拌入成曲中進行醬油發酵的一種方法。該法避免了澱粉質原料的損耗，提高了蒸煮和製曲設備的利用率。
除上述的澱粉酶應用技術外，在醬油生產中還可應用蛋白酶以加速醬醪的成熟。固態低鹽法醬油發酵在正常溫度（40～50℃）和水分條件下，一般成熟期需18～20天，如果在醬醪發酵過程中添加一部分蛋白酶，成熟期可縮短至13～15天。
8.1.3生物技術與飲料生產
飲料作為食品工業的支柱產業，具有市場廣闊、經濟效益顯著等特點。在各種傳統飲料產品繼續得到發展的同時，多種各具特色的新型飲料產品不斷問世，極大地促進了飲料工業的發展。傳統的飲料生產工藝各具特色，產品豐富多樣。生物技術的采用，給現代飲料工業注入了新的活力。
生物技術應用於飲料生產，可以在資源利用、產品開發、改進生產工藝以及提高產品質量等方麵發揮巨大作用。
（1）乳酸菌及其發酵製品
近年來，乳酸發酵食品日益受到消費者青睞，特別適宜作為嬰兒輔助食品和老年食品。乳酸菌是一類可發酵利用碳水化合物而產生大量乳酸的細菌。人們對乳酸菌的應用曆史非常悠久，保加利亞酸奶、馬奶酒及醬醃菜等均是傳統的乳酸菌發酵製品。近年來，隨著乳酸菌尤其是雙歧杆菌、嗜酸乳杆菌等腸道有益菌的許多重要生理功能的確認，各種乳酸菌發酵製品更是風靡全世界。
1）乳酸菌。通過對乳酸菌及其代謝產物的大量研究，目前認為乳酸菌之所以有益於人體健康是由於它具有如下一些主要生理功能：
對腸道菌群的改善作用。乳酸菌可抑製腸道內病原菌和有害於人體健康細菌的生長繁殖，增加人體內有益菌的數量，維持腸道菌群平衡，對保持人體健康、預防疾病具有十分重要作用。
與普通乳相比，發酵乳製品的消化吸收性和營養價值及其風味都已大大提高。
乳酸菌能降低血清膽固醇水平，可預防由冠狀動脈硬化所引起的心髒病。
具有防癌、抗癌作用。
對常見致病菌有拮抗作用，代謝產物乳酸和醋酸有公認的殺菌作用。
所以，乳酸菌是一類對人體健康非常有益的功能因子，很有必要通過食品途徑補充這一活性成分。目前利用天然的或經篩選的乳酸菌為菌種，經培養製得的乳酸菌發酵製品主要有酸牛奶、發酵酸奶油、酸性乳酪、幹酪、酸性稀奶油、雙歧杆菌乳、嗜酸菌乳、酸牛奶酒及活性乳酸菌飲料等，絕大多數屬於發酵乳製品。