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財團法人食品工業發展研究所 中華民國九十四年元月

生物科技與食品產業. 廖 啟 成 LCC@FIRDI.ORG.TW. 財團法人食品工業發展研究所 中華民國九十四年元月. 內 容. 一 、 前言 二 、 食品產業之特質與生技之導入 三 、 生技在食品產業之應用實例 四 、基因改造食品 五 、生技 保健食品 六 、結語與展望. 生物技術運用領域. 醫療保健服務 健保資訊 臨床試驗 遠距醫療. 電機資訊. 農 業. 生物晶片 生醫資訊 結構運算 生物微機電. 基因轉殖 天然藥材 生技種苗花卉. 製 藥 藥物製造 新藥開發 疫苗製劑 藥物劑型

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財團法人食品工業發展研究所 中華民國九十四年元月

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  1. 生物科技與食品產業 廖 啟 成 LCC@FIRDI.ORG.TW 財團法人食品工業發展研究所 中華民國九十四年元月

  2. 內 容 一、前言 二、食品產業之特質與生技之導入 三、生技在食品產業之應用實例 四、基因改造食品 五、生技保健食品 六、結語與展望

  3. 生物技術運用領域 醫療保健服務 健保資訊 臨床試驗 遠距醫療 電機資訊 農 業 生物晶片 生醫資訊 結構運算 生物微機電 基因轉殖 天然藥材 生技種苗花卉 製 藥 藥物製造 新藥開發 疫苗製劑 藥物劑型 臨床醫學 中草藥劑 生技 基因工程 蛋白抗體 基因治療 器官再生 檢驗試劑 工業酵素 醫療器材 醫療電子 醫學影像 分子診所 醫療儀器 生醫光電 材料化工 食 品 生醫材料 藥品原料 生技製程 資源環保 生技保健食品 基因改良食品 生技飼料添加物 生技環保 土壤復育 能源生技 資料來源：行政院第二十二次科技顧問會議會議資料，2001年11月

  4. 生技產業領域市場趨勢 單位：億美元 資料來源：OECD and Consulting Resources Corporation, 2003/06

  5. 我國生物技術工業範疇 生物技術工業 (廣義) 生物技術工業(狹義) 製藥工業 醫療器材工業 生 技 醫 藥 工 業 生 技 特 用 化 學 品 工 業 農 業 生 物 技 術 工 業 環 境 生 物 技 術 工 業 食 品 生 物 技 術 工 業 相 關 技 術 服 務 業 新 興 開 發 工 業 西 藥 工 業 中 草 藥 工 業 原 料 中 間 體 工 業 相 關 技 術 服 務 業 一 般 醫 療 用 輔 助 器 材 工 業 預 防 疾 病 與 健 康 促 進 工 業 診 斷 器 材 工 業 治 療 器 材 工 業 復 健 器 材 工 業 相 關 技 術 服 務 業 資料來源：生物技術工業發展策略與措施，2003年

  6. 我國生技產業市場分析 單位：億新台幣 資料來源：2003 生技產業白皮書，經濟部工業局

  7. 我國新興生技公司類別 環保生技 5.4% 農業生技 10.8% 特化生技 2.1% 生技服務 15.5% 生技醫藥 27.0% 食品生技 17.6% 醫療檢測 21.6% 註: 本統計係依我國於1997至2003年6月新成立之生技公司 資料來源: 生技中心 ITIS 計畫

  8. Total Economic Value (TEV) of Microbial Biodiversity USE VALUE NON USE VALUE DIRECT USE VALUE INDIRECT USE VALUE OPTION VALUE FUTURE OPTION VALUE EXISTENCE VALUE Retention of resources for future direct/indirect/ existence value Value of mere existence of a species or habitat Value of learning about future benefits that would be precluded by loss of resource Benefits/Production derived directly from flow of goods and services from Biodiversity/Ecosystems Functional/ Environmental Ecological Benefits NON MARKETED NON MARKETED MARKETED MARKETED Irreversible change in habitats and species extinction Habitat Endangered species Microbial resources Habitat conservation Species conservation in situ & ex situ Pharmaceuticals Marketed food Timber products Ocean products Recreation Indigenous medicines Food harvested for subsistence living Research Watershed protection Flood control Carbon cycling Pollination services Organic fertilizers Pest control 微 生 物 多 樣 化 之 總 體 經 濟 價 值

  9. 台灣之食品產業---- 從農場到餐桌 食品產業 農業 食品工業 食品運銷業 餐飲業 關聯性工業 • 團膳業 • 餐館業 • 茶館業 1. 屠宰業 13.味精葉 2. 乳品製造業 14.食用鹽業 3. 罐頭食品業 15.醬油業 4. 冷凍食品業 16.其他調味品業 5. 脫水食品業 17.酒類釀造業 6. 醃漬食品業 18.啤酒業 7. 糖果業 19.不含酒精飲料業 8. 烘焙食品業 20.麵條粉條類食品業 9. 食用油脂業 21.飼料業 10.製粉業 22.製茶業 11.碾榖業 23.未分類其他食品業 12.砂糖業 24.菸草業 • 食品機械工業 • 食品包裝材料工業 • 食品添加物工業 關聯性服務業 • 連鎖服務業 • 健檢服務業 • 驗證服務業 資料來源：依經濟部統計處民生工業細分類及工業局相關資料整理(2003/12) 。

  10. 食 品 產 業 的 特 質 • 食品消費的本質: • 本土性 文化性 永續性 • 全球食品業 Top 20跨國企業 • 僅佔全球3兆美元食品市場之8.3% • 在全球化趨勢下，食品市場本土化仍具相當的份量 • 傳統文化意涵已溶入食品產業的發展過程 • 食品產業為永續性民生產業

  11. 台 灣 食 品 產 業 現 況 • 2003年之統計資料 1.食品總消費額: 約1兆5,000億元 2.餐飲業營業額: 2,663億元 3.食品工業: (1)產值: 新台幣 4,522億元 (內銷:外銷= 87:13) (2)佔製造業總產值 5.2%(排名第6位); 佔 GNP 4.6% (3)廠家數: 6,054家; 佔製造業總廠家數 6.2% (4)從業人員: 112,128人;佔製造業總從業人員 4.8% (5)出口值: NT 567億元; 進口值: NT 1,057億元 資料來源:食品所整理(2004)

  12. 我國食品進出口值比較(1994-2003) Billion NT dollars source：Statistics of Import and Export In Taiwan； Data Book of Food Industry in Taiwan (2004)。

  13. 食品之三級機能 • 營養機能－補給營養，維持生命 • 感官機能－賦予色、香、味、觸覺等食感機能 • 生理機能－調節身體之生理機能

  14. What does food industry offer? • 3,800 calories produced everyday by the food industry for each person in the US；2,500 calories needed everyday by the average adult male • 35% of adult Americans are overweight (Food Technol. 2003)

  15. 食品產業之創新驅動力-- 健康、便利與愉悅 Health, Convenience and Pleasure Efficient Nutrition The health factor The time factor (Fast but nutritious and healthy) w More information w More individual (portion) control w More evidence for claims w More control over time and quality of w More control preparation through  food plus  ,  food minus  and Health Convenience natural alternatives Guilt-free indulgence Pleasure Convenience Plus - - (Low & light without compromising (Convenience with   from scratch on taste & texture) quality and entertainment value) The sensory experience w More fun & entertaining w More ethnic & exotic tastes Source：N. Downing (2000) w More premium & indulgent

  16. 食品產業創新之方向與機會 • 創新的方向 • 技術創新/產品創新/製程創新/ 管理創新/服務創新 • 食品產業創新的機會 • 基因體科技的深入研發與應用 • 奈米科技的精緻應用與評估 • 生物科技的深層次導入與應用 • 細胞科技的應用 • 跨領域的整合

  17. 二十一世紀食品領域之研發重點 Food R & D in the 21st Century • Food Safety • Health Benefits • Biotechnology ( Source : Food Technol. 1999 )

  18. 2005年美國食品業五大趨勢 • 食品安全及食品衛生是當前的熱點問題。2002年提出的「生物恐怖主義防備與應對法案」已指出當今恐怖主義對食品供給的威脅。食品安全將繼續成為美國政府及業界高度重視的問題。 • 肥胖症的流行將影響食品工業的未來。 • 糖尿病的流行會影響食品工業發展。 • 兒童不良的飲食習慣日趨嚴重，超過1/3的兒童完全不參加體育鍛鍊、超過85％的兒童每天攝入的果蔬不足。 • 「純淨食品」的需求有所增加。消費者需要無抗生素、無轉基因、無反式脂肪酸及膽固醇的食品。 • 其他，包括老年人群問題、環境耐受性、制定食品安全的國際標準及生物技術和轉基因食品等，也將成為美國食品業的焦點問題。 資料來源：中國食品報，No.3840；2003年8月27日，食品所ITIS計畫整理。

  19. 生物技術在食品產業之應用範圍 • 保健食品 • 食品添加物 • 酒類 • 食品用酵素 • 胺基酸 • 穀類加工 • 食用油脂 • 香料 • 菌元改良 —乳酸菌、醋酸菌、 • 酵母菌、真菌 • 基因轉殖作物 • 食品品質及安全檢測 • 廢水及廢棄物處理

  20. 生物技術在食品領域應用的優點 (一) 食品原料之品質改進 (三) 新產品之開發 1. 機能性保健食品之開發 2. 特殊食品成份之開發 1. 增加食品之機能性 2. 改良食品之營養價值、增進風味、去除不良性狀、延長貯存期限 3. 增強食品/作物的環境抗性、降低農業化學品的需求、提高生產量 (四) 食品品質及安全檢驗 之改進 1. 加工過程之監控 2. 致病菌及原料真偽之檢驗 3. 研發快速檢測試劑 (二) 食品加工製程之改進 1. 加工製程合理化、效率化 2. 改良或開發新菌種及製程、衍生新興產品、提高產能 (五) 食品廢棄物之處理與利用 1. 食品廢棄物之處理 2. 食品廢棄物之再利用

  21. 生物技術在食品領域之應用 (由農場、工廠到餐桌)

  22. 紅麴菌之研發 -- 由傳統到前瞻

  23. ACEi 活性胜太 植物固醇、 Vit E 1000-10000元/kg 可食膜素腸衣 1100元/kg 胚軸 1000元/kg 營養補充劑 20~200元/kg 素肉 100元/kg 發酵乳 90元/kg 大豆產品之深層次全面性開發 黃 豆 沙拉油 20元/kg 豆製品 20~80元/kg 300 萬噸 8元/kg 豆粉 8元/kg

  24. 生物技術在國際食品產業之應用—實例 產 品 功 能 製 造 廠 商 • Bovin somatotropin • (BST) • Chymosin • Baker’s yeast • Brewer’s yeast • Rapeseed oil (canola) • Fresh tomato • Processing tomato • 增加牛奶產量 • 取代取自小牛胃之凝乳酵素, 用於cheese製造 • 加速二氧化碳產生, 改善麵糰特性 • 分解澱粉, 用於低熱量啤酒之製造 • 增加月桂酸含量, 提高固態脂質含量, 取代化學氫化植物油 • 提高組織硬度, 使果實可在藤蔓上成熟, 增進風味 • 提高固形量, 降低生產成本 • Monsato, Eli Liily • Gist-Brocades, Genencor Intl., Chr. Hansens(Phizer) • Gist-Brocades • BRF International • Calgene/Monsanto • Calgene/Monsanto • Zeneca 資料來源: Genetic Modification in the Food Industry, S. Roller and S. Harlander eds., 1997

  25. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：由自然界分離得之靈芝 (USP 5,721,134) • 自山上採得之靈芝，該靈芝可產生具有抗腫瘤及刺激免疫反應效果之蛋白聚醣G009。 • 申請專利範圍 一種單離之Ganoderma lucidum KCCM 10045菌株。

  26. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：經改良之靈芝 (USP 5,455,171) • 經改良之靈芝，該靈芝具有極佳之抗菌效果。 • 申請專利範圍 一種黑褐色之真菌，係由Grifola umbellata及Ganoderma lucidum融合而得，該菌株具有與G. sup. 2-sY (FERM BP-3131)相同之特徵。

  27. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：冬蟲夏草活性成份之分離方法 (中華民國專利公告278037) • 分離得之冬蟲夏草活性成份可改善腎功能。 • 申請專利範圍 一種可改善腎功能之冬蟲夏草活性成份之分離方法，其特徵在於：採冬蟲夏草（子座部份）…烘乾…粉碎…20倍甲醇(w/v)浸泡…層析法…活性成份(H1-A)即可被完全純化。

  28. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：低溫敏感酵母 (EP 0556905; Gist-Brocades N.V.) • 基因工程之酵母菌，於低溫時無法進行醣化，避免因產生CO2而衍生包裝問題，可用於冷藏麵團之製造，消費者將麵團回溫後即可使酵母進行醣化作用。 • claims • 低溫敏感微生物 • 製造低溫敏感微生物之方法 • 包含低溫敏感微生物之組成或麵團 • 低溫敏感微生物之用途

  29. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：轉殖番茄 (USP 5453566; Calgene Inc.) • 以polygalacturonase (PG) anti-sense RNA 減低PG之表現，使延緩果實成熟 • claims • 減低番茄細胞株或果實中PG表現之方法 • 具有減低PG表現之細胞株

  30. 生物技術在食品產業之應用 • 專利實例：植物油 • (WO 9410189; Calgene Inc.) • 植入β-ketoacyl-ACP synthase基因以改變產油植物種子之油脂組成份及/或提高油脂產量 • claims • 重組β-ketoacyl-ACP synthase DNA構築體(construct) • 含β-ketoacyl-ACP synthase 基因之植物細胞株 • 含β-ketoacyl-ACP synthase 基因轉殖植物 • 改變植物細胞中脂肪酸組成之方法 • 植物油

  31. 生物技術在食品產業之應用 • 實例：含異種蛋白質之牛乳 (WO 9222644; Inst Nat Rech Agronomique) • 將異種蛋白質基因轉殖至哺乳類，使該轉殖動物之乳汁含有該異種蛋白質 • claims • 異種蛋白質 • 包含異種蛋白質之牛奶 • 包含異種蛋白質基因之細胞株 • 包含異種蛋白質基因之轉殖動物 • 包含異種蛋白質基因之DNA序列

  32. 基因改造食品的發展與實例 一、基因改造微生物衍生食品 二、基因改造植物衍生食品 三、基因改造動物衍生食品

  33. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (一) 食品用酵素 (二) 胺基酸 (三) 維生素 (四) 啤酒酵母 (五) 麵包酵母 (六) 發酵菌元

  34. Examples of food processing aids and ingredients made from bioengineered microorganisms, based on food and Drug Administration notifications 1998-2002 Source：Food Tech.2002

  35. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (一) 食品用酵素 • 大部分用於乳製品與澱粉轉化, 其他如啤酒、烘焙、果汁、食用油、葡萄酒等 • 工業用酵素中(包括食品與洗潔劑), 以基因改造微生物生產者超過 50% • 工業用酵素市場值 — 14 億美元(1996年) 17~20 億美元(2005年) • 主要廠商 — Novo-Nordisks(丹麥) 及 Gist-Brocades(荷蘭) • 歐洲(60%) 、北美(15%) 、日本(12%~15%)

  36. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (一) 食品用酵素 (續) • 凝乳酵素 • 小牛胃之凝乳酵素基因被選殖於微生物體內大量表現 • 美國FDA核准上市之第一個應用於食品製造之基因工程產品(1988年) • 70%之cheese製造使用基因改造微生物所產生之凝乳 • 基因表現的宿主為 : Escherichia coli, Kluveromyces lactis, Aspergillus niger

  37. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (二) 胺基酸 • 基因改造微生物商業化生產之胺基酸有 : • L-tryptophan (美國 ADM, 1993) • L-threonine (美國 ADM, 1993) • L-asparagine (日本三菱化學, 1997)

  38. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (三) 維生素 • Vit. B2 • 美國 Hoffman-La Roche 公司(1996年); (英國核准於食品用) • 日本 Roche 公司 (1995年); (日本核准於飼料用) • Vit. C • 日本藤澤藥品 (1996年)

  39. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (四) 啤酒酵母 • 含基因轉殖之 glucoamylase 基因 → 分解麥芽汁之澱粉及糊精 • 生產 low carbohydrate beer • 英國政府已核准商業化使用(1994 年 2 月), 但尚未正式銷售 (英 Brewing Research Intl. 公司)

  40. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (五) 麵包酵母 • 含基因轉殖之 maltose permease 及 maltase 基因 → CO2產量多 11~33% (Gist-Brocades) • 1990 年已商業化使用

  41. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (五) 麵包酵母(續) • 低溫敏感酵母(EP 0556905; Gist-Brocades N.V.) • 基因工程之酵母菌，於低溫時無法進行醣化，避免因產生CO2 而衍生包裝問題，可用於冷藏麵團之製造，消費者將麵團回溫後即可使酵母進行醣化作用。 • claims • 低溫敏感微生物 • 製造低溫敏感微生物之方法 • 包含低溫敏感微生物之組成或麵糰 • 低溫敏感微生物之用途

  42. 基因改造微生物衍生之食品/食品添加物 (續) (六) 發酵菌元 • 乳酸菌 • 抑菌素 (bacteriocin) → 抑制病原菌 • 增加 protease 活性 →縮短發酵時間 • -galactosidase → 分解乳糖, 降低其含量 • lysozyme →分解病原性細胞壁 • 真菌 • 提高麴菌 protease 活性 →加速發酵 • 真菌毒素基因不活性化

  43. 各國基因改造作物種植面積 單位 : 萬公頃 註: 2002年全球種植面積為5,890萬公頃; 2003年則為6,770萬公頃.

  44. 全球主要基因改造作物之種植面積 百萬公頃

  45. 基因改造作物之性狀及其種植面積 百萬公頃

  46. 基因改造作物之研究趨勢 • 單一基因性狀修飾 (如除草劑耐性、抗蟲害、抗病蟲害) • 多基因性狀之修飾 (如光合作用效率、天候耐性等) • 針對作物產品品質之基因修飾, 如 : • 改變油脂組成 • 酵素活性 • 提高馬鈴薯及番茄之固形量 • 增加營養價值(如提高必需胺基酸含量、改變微量元素含量、維生素含量) • 延緩熟成時間

  47. 基因改造作物之研究趨勢(續) • 作物產品品質之基因修飾 (續) —實 例 • 含豐富之「鐵」及「維生素A」之水稻: (瑞士, 1999) • 鐵蛋白基因(法國菜豆) • 胡蘿蔔生成基因(黃水仙植物、細菌) • 植酸分解基因(真菌Aspergillus niger) • 利用基因轉殖作物為生產高價值產品之反應器 : • 如酵素、生技藥品、疫苗

  48. 以基因重組方法開發低過敏原之食品 • 低過敏原稻米 • 酵素處理法－成本太高 (日本, 1991) • 基因重組法－anti-sense RNA • 抑制稻米抗原蛋白之基因轉譯, 防止過敏蛋白之產生 • anti-sense RNA和正常mRNA結合, 形成雙股RNA, 直接妨礙蛋白質之轉譯 • 正進行田間試驗(日本, 名古屋大學、三井東壓)

  49. 以基因重組方法改變作物的巨量營養成分 • 油脂類 • 改變種子油含量 : • 油菜籽(rapeseed, Brassica napus) (美, 1995) • 調高單元不飽和脂肪酸含量 : • 高含量油酸(oleic acid, 18 : 1)之黃豆 25% 85% (1999) • 增加長鏈不飽和脂肪酸 : • 如 DHA 、EPA (魚油) • △5 desaturase (Mortierella aplina) 亞麻脂肪酸(18 : 3) 花生四烯酸(20 : 4) 為prostaglandins 、leukotriene 、thromboxane之前驅物

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