微生物资源的开发与利用课件.ppt

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1、第十三章,微生物资源开发与利用,第一节,微生物资源,第二节,微生物酶,第三节,微生物风味物质,第四节,微生物与保健食品的筛选,微生物资源学,是研究微生物资源及其合理开,发,利用和保护的科学。是微生物、生物化学、分子生,物，医学、农学、化学、工程学等学科的边缘科学。,微生物资源学重点讨论,微生物这一重要的资源，,它与人类的关系，开发利用的新成就，新技术及存在,的问题。开发利用的战略和策略，值得重点投入的领,域等。,为什么学习微生物资源开发利用,?,现代工业、农业已在大规模开发动植物资源,为人类服务。但是过度开发或不合理开发，造成,环境恶化，沙漠化加剧，动植物资源减少，,同时,这使得微生物资源也在

2、不断削减,。有关这些引起,国际上各国政府的高度关注，提出了只有一个地,球的口号，提出要保护生物多样性，要保护环境，,并将可持续发展战略作为基本国策。,微生物是一类天然资源的公众意识远远没有,建立。,第一节,微生物资源,一,微生物资源的特殊性,二,微生物资源开发利用,三,微生物资源的保护,四,微生物菌体食品,五,单细胞蛋白,生物资源的利用现状,类群,已知种,估计种,已知种比例,(%),病毒,5,1,0,3,1.3,1,0,5,4,细菌,4.7,1,0,3,4,1,0,4,12,真菌,6.9,1,0,4,1.5,1,0,6,5,藻类,4,1,0,4,6,1,0,4,67,被子植物,2.5,1,0,

3、5,2.7,1,0,5,93,鱼类,1.9,1,0,4,2.1,1,0,4,90,鸟类,9.2,1,0,3,1,1,0,4,100,哺乳动物,4.17,1,0,3,4.3,1,0,3,100,一,微生物资源的特殊性,1.,人类发现微生物,300,年，最初认识都是引起疾病的,病原微生物，,所以人类一开始是把它当作敌人，缺,乏全面认识。,2.,微生物形体小，比表面积大。,3.,代谢类型多，生长繁殖速度惊人。,可提供多样化的,产品，又不宜受气候等因素影响。,4.,种源丰富，未知者众,。微生物的种类有多少目前还,未知。有人认为全世界描述的微生物还不到,2,，,故开发潜力巨大。,5.,微生物变异性大,。

4、这为人类改造它们提供了更大的,可能性。如最初青霉素产率,0.01%,但经改造后达,5,，提高,500,倍。,一,微生物资源的特殊性,6.,微生物资源的研究与开发比动植物晚。,微生物的资源开发还处于起步阶段，零,星、分散、不成体系,7.,微生物能在极端环境下生存（高温、低温、,高酸、高盐）,8.,微生物是一个巨大的基因资源库。,9.,微生物潜力巨大，开发前景广阔，,具有实际,或潜在用途或价值,（如酿酒、食品、有机溶,剂、医药、工业、农业、环保等）,1992,年联合国环发大会通过了生物多样性公,约。这是人类对保护生物多样性及其永续利用的,共同纲领。我国是该公约的缔约国之一。,生物资源三支柱，即动物

5、、植物、微生物，其中微,生物是一类与动、植物资源不同、生产性能优越、,开发前景广阔的生物资源。,我国地大物博，微生物资源极为丰富。目前，据初步,统计，我,们,知道的微生物还不到,10,，利用的不到,1,，可能有,90,未开发，,这些都可叫做“新种”，有可能存在,新基因、能产生新产物和具有新用途。,二,微生物资源开发利用,微生物资源开发的真正兴起约,50,年，其中创新是开发的灵,魂。虽然微生物资源丰富，但开发的难度也不断加大，如,20,世纪,50,年代有千分之一的几率，而现在只有万分之一的几率。,微生物资源开发利用程序：,总体设计、找到目的菌、效果试验、申请专利、菌种改良及发,酵工艺研究、以及报

6、批、生产和市场等组成。,1.,总体设计,总体设计是微生物资源开发利用的首要任务。还要考虑市场,变化、开发策略、自身现有基础等方面。往往还需要合作伙伴的,帮助。总体设计为防止目标相重，一套好的总体设计,往往有几套,方案。,总体设计确定后，明确开发意图并贯彻始终。,2,、找到目的菌,总体设计一旦确定，核心问题就是千方百计尽早找到目,的菌,.,所有的策略、路线、方法等都为这个中心服务。,原则如下（,4,个方面）,：,1,）菌种来源及分离：,世界微生物资料中心资料显示，目前至少有,58,个国家,484,个菌种保藏中心，已保藏有,80,多万株，这是一个重要来源。,分离菌种可根据开发目标，选择取样地域、取

7、样环境，取样,方法。,菌株分离法：,单菌株筛选纯培养；,混合菌筛选培养,例：选冶含硫矿砷金处理的微生物（铁硫杆菌、硫硫杆菌）,2,）模型设计,微生物开发目的千差万别，但必须,建立准确、快速、微量、,简便的筛选模型，尽快淘汰非目的菌,。模型设计可根据作用,机制、代谢途径的靶位、目的化合物等设计初筛模型。,3,）一菌多筛，增加菌的利用率和入选率，还可能找到用途更,大的非目的菌。这点对生物活性物质（微生物药）的开发尤,为重要，因为有时不清楚我们要找的究竟是哪类微生物，而,开发意图在分离菌种时一般无法贯彻，因此常常要分离数以,万计的菌种。而如果,只用一个模型往往找不到目的菌，造成,浪费。,4,）高通量

8、筛选和组合生化相结合。（高通量筛选在国外已广,泛使用，许多模型固定在各自不同的载体上，以机器人取样，,计算分析，提高筛选效率）。,3,、申请专利,专利是一个国家科技发展水平的标志之一，也是,一个单位无形资产的重要组成部分。,微生物资源开发包含重大的经济利益，同时也包,含重大的投入和风险。为了保护劳动成果，保护知识,产权，及时申请专利是绝对必要的。,申请时机一般在确定某种新活性、新用途或新化,合物时立即申请。新菌种也可申请,，但不同国家有不,同规定。,4,、菌种改良及基因工程,微生物资源开发利用在某种意义上讲是微生物,天然功能在人工控制条件下，按照人工的意志的重,演和高效表达,。,通常获得的目的

9、物的产率会比较低，或者菌株的,工艺性状有缺陷，这就需要进行菌种的改良。,方法：,诱变育种,；,基因工程方法,5,、微生物资源开发利用的重大课题,微生物资源开发只有,50,年历史，开发的潜力还很,巨大。研究重大课题有：,1,）未知微生物的检测、分离和利用,2,）无公害农药的微生物研究,3,）微生物药物的开发,三微生物资源的保护,1.,保护微生物资源的必要性,?,微生物对人类的意义：一是生态系统的积极参与者，维持生,态平衡起着不可替代的作用；二是人类生活所需的各种物质,的生产者。,?,社会对保护天然微生物资源的必要性和紧迫性缺乏认识。自,然界的微生物受环境的影响，处在生生死死和不停的变化之,中，大

10、量未知微生物灭亡。,?,还有天然的极端微生物（高盐、高碱高酸、高压、太空、高,辐射等），许多极端微生物所栖息的环境正不断遭到破坏，,所以这种特定下的特殊微生物也不断在减少。,例：有学者考察云南省,22,个地区不同植被的土壤放线菌，发现原,始森林的放线菌最多（,9,个属），而后随着砍伐、耕种和旱,地程度增加，放线菌种类不断减少。,说明不是因微生物资源,开发而减少，而是自然环境破坏造成的微生物种类减少。,2.,保护微生物资源的措施,1),生产菌种和专利菌种的保护,现在主要是通过法,律手段保护,.,2),天然微生物资源的保护,:,保护具有代表性的原,始环境如原始森林；高山湖泊、冰川、盐湖等。,3,）

11、对典型地区进行微生物资源调查，分离鉴定与保,存菌种；,4,）加大对微生物资源的利用；,5,）宣传保护原始生态环境的重要性，将保护微生物,资源看的和保护动植物资源一样重要。,四、微生物菌体食品,平菇,香菇,草菇,返回本,节,金,针,菇,药用菌类代表,灵芝,猴头,猪,苓,返回本,节,珍稀菌类代表,杏鲍菇,茶树菇,鸡腿菇,滑菇,返回本,节,（一）、食用菌的概念,可食用的,具有肉质或胶质,子实体的大型真菌,我国,现报导约,981,种,人工栽培的,70,余种,大规模生产,20,余种,常规菌类,药用菌类,珍稀菌类,返回本,节,（二）食用菌的形态结构,在分类学上，食用菌属于真菌界中的担子菌门,和子囊菌门。,

12、食用菌的子实体一般都比较大，直径和,高度可达,240 cm,，所以又称食用菌为大型真菌。,分为菌盖、菌柄及菌丝体,3,部分。,菌丝体是食用菌的营养结构，主要功能是分解,基质，吸收、输送及贮藏养分；子实体（菌盖、菌,柄）是繁殖结构，其主要作用是产生孢子，繁殖后,代。,菌丝形态,1,孢子，,2,孢子膨大,3,孢子萌发,4,菌丝分枝,5,菌丝体,6,放大的菌,丝体,A,细胞壁,B,细胞核,C,细胞质,D,细胞隔膜,菌丝体的形态结构,有隔菌丝,无隔菌丝,菌丝体的形态结构,食用菌的菌丝一般是多细胞的，菌丝被,隔膜隔成了多个细胞。,每个细胞可是单核、多核或双核。邻近,的两个菌丝细胞之间，可发生细胞质交换。

13、,子实体的形态结构,伞,状,：双孢蘑菇,贝,壳,状,：平菇,漏,斗,状,：鸡油菌,舌,状,：牛舌菌,头,状,：猴头菌,毛,刷,状,：齿状菌,珊,瑚,状,：珊瑚菌,盘,状,：盘菌,蜂,窝,状,：羊肚菌,马,鞍,状,：马鞍菌,耳,状,：木耳,花,瓣,状,：银耳,绣,球,状,：绣球菌,子实体的形态结构,舌,状,子实体的形态结构,蜂窝状,子实体的形态结构,耳,状,花,瓣,状,子实体的形态结构,子实体的形态结构,伞,状,伞菌子实体的形态结构,二、食用菌的生产意义,（三）食用菌的营养成分,一,高,高,蛋,白,二,低,低,脂,肪,低,糖,四,多,膳,食,纤,维,素,矿,质,元,素,氨,基,酸,维,生,素,二

14、,无,无,胆,固,醇,无,淀,粉,返回本,节,1,、营养价值,集中了食品的一切良好特性、营养价值达到植物性食,品的顶峰植物肉、上帝食品、长寿食品,营养结构合理，各营养成分的比例平衡,表绪,1,部分食用菌与蔬菜、粮食中,蛋白质含量的比较（,g/100g,干重,）,食用菌,蔬菜,粮食,种类,蛋白质,种类,蛋白质,种类,蛋白质,蘑菇,36.1,白萝卜,0.6,小麦,12.4,香菇,13.418.5,大白菜,1.1,稻米,8.5,平菇,10.530.4,菠菜,1.8,玉米,8.5,草菇,25.930.1,黄瓜,0.8,高粱,9.5,返回本,节,表绪,2,部分食用菌维生素的含量（,mg/kg,鲜品）,菌

15、类,维生素,VB,1,VB,2,VB,3,VC,VD,原,双孢菇,1.6,0.7,48.0,131.9,1240.0,香菇,0.7,1.2,24.0,109.7,2460.0,平菇,4.0,1.4,107.0,93.0,1200.0,草菇,12.0,33.0,919.0,206.27,金针菇,3.1,0.5,81.0,109.3,2040.0,返回本,节,2.,药用价值,（,1,）药用成分,主要是多糖类、三萜类,及核苷类化合物等。,（,2,）药效,增,强,免,疫,力,清,除,自,由,基,防治心血管病,保肝、健胃、减肥等,肿瘤,辐射,衰老,病毒,抗,返回本,节,食用菌世界生产概况,一、生产概况,

16、20,世,纪,30,年代,生产国家,10,余个,总产量,5.5,万,t,（主要是双孢菇）,70,年代,前：主产地是欧洲及北美,后,生产国家发展到,80,多个,总产量,100,万,t,主产地由欧洲变为亚洲,返回本,节,（四,),食用菌发展概况,主要生产国,法国、德国、美国、,荷兰、日本、南韩、,意大利、印尼、泰国等,双孢菇：主产于欧洲与北美,香菇：主产于中国与日本,平菇：主产于中国、西德、法国等,草菇：主产于中国、印尼、泰国等,世界四大,食用菌,返回本,节,（二）中国生产概况,人工,栽培,自,30,年代从国外引进双孢菇开始,70,年代前基本为半人工栽培,70,年代后进行全人工栽培,20,多个省区

17、从事生产,从业人员约,3000,万,古田、庆元、泌阳三大批发市场,全国有,现,在,总产值仅次于粮、棉、油、果、菜、,位居第六位，超过了茶叶及蚕桑。,成为世界名副其实的生产大国,正以,15%,年增长速度发展,栽,培,原料：,段木,棉籽壳,秸秆等混合料,方式：熟料、室内,生料、发酵料、室外,品种：少、低产,多、抗逆性强、产量较高,规模：小而分散,大而集中,返回本,节,0,200,400,600,800,1000,1200,1400,1600,1986,1994,2001,2002,2003,世界总产量,中国总产量,26.8%,53.8%,60%,65%,70%,中国与世界食用菌总产量的比较（万吨）

18、,返回本,节,是创汇产业,2002,年出口,119,个国家,出口量占,世界,40%,亚洲,80%,每年贸易额约达,6,亿美元,返回本,节,发展趋势,1,）向高效益发展,反季节栽培,立体栽培,珍稀菌类,2,）向高质量发展,生产,实行标准化,减少农药、激素的使用,多用物理、生物防治法,返回本,节,3,）向工厂化和规模化发展,形式：零散,规模化和产业化,主体：农户,企业,方式：作坊式,机械化和自动化,生产,返回本,节,4,）向增值化发展,食品,饮料,药品,滋补品,化妆品,以原料形式进入市场效益低,加工技术层次越高，升值倍数越大,食,用,菌,加,工,返回本,节,观赏性强,盆,景,观光农业,返回本,节,

19、返回本,节,五、单细胞蛋白,?,单细胞蛋白（,SCP,）是通过培养单细胞生物而获得的,菌体蛋白质。,?,用于生产单细胞蛋白的单细胞生物包括微型藻类、非,病原细菌、酵母菌类和真菌等。,?,它们可利用各种基质在适宜的培养条件下生产单细胞,蛋白。菌体中蛋白质含量随所用菌种及基质而异，一,般含量达,40,80,。与传统食品营养成分比较，蛋,白质含量高，氨基酸组成较为齐全，含有人体必需,8,种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。,?,还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿物质，以,及丰富的酶类和生物活性物质。单细胞蛋白的开发与,生产为解决人类食品和饲料问题开辟了新的途径。,单细胞蛋白与传统食品的,各种

20、主要营养成分含量比较,生产,SCP,的菌种基本要求,?,（,1,）对基质的菌体产率高，生长速度快,?,（,2,）菌体细胞以大的为好，并含有较多的蛋白质,?,（,3,）培养的最适温度较高，其生长,pH,以偏酸为,佳。,?,（,4,）能耐浓度高的基质。,?,（,5,）食用菌种应无毒性，在培养期间，不使基质,产生有害物质。,作为蛋白质资源的微生物,?,（,1,）利用糖类原料发酵生产单细胞蛋白。如酿酒,酵母、假丝酵母、木霉、青霉等。,?,（,2,）利用石油原料生产单细胞蛋白。如酵母菌，,细菌中的诺卡氏菌、假单胞菌、棒状杆菌等。尽,管已经证明烃类蛋白质没有毒性和致癌性，但人,们还是担心其安全性。,?,（

21、,3,）利用甲烷为原料生产单细胞蛋白。以细菌为,主，如甲烷假单胞菌、嗜甲烷单胞菌等。,?,甲烷不合芳香烃，无致癌物质，无毒害，产品安,全性高，原料蕴藏丰富，成本低。但产生菌大多,都生长较慢，菌体浓度低，所以生产速率低，尾,气中残留甲烷的利用尚未完全解决。,?,（,4,）利用甲醇生产单细胞蛋白。甲烷单胞菌属、,甲基球菌属，假单胞菌。,?,（,5,）利用乙醇原料生产单细胞蛋白。假丝酵母、,细菌、曲霉属。,?,（,6,）利用二氧化碳为碳源，氢为能源的细菌为氢,细菌，多为氢单胞菌属。,?,（,7,）利用太阳光能生产单细胞蛋白。单细胞藻类，,如小球藻、螺旋藻属及光合细菌等。,世界上利用石油资源生产单细胞

22、蛋白的企业,国内外以农业废物和食品工业废物为原料研,制单细胞蛋白的主要情况,用糖类原料生产菌体蛋白,?,生产单细胞蛋白的糖类原料非常丰富，如糖蜜，,甘薯粉、玉米粉、土豆粉、麦粉、稻草、麦秆、,玉米茎和叶。,?,其中纤维素类是生产单细胞蛋白的最佳原料之一。,?,其优点是：原料来源丰富，价廉，没有毒性疑虑，,可附带解决城市垃圾问题，可提高纤维质粗饲料,的使用价值。,?,天然纤维素的聚合度、结晶度很高。由,-1,4-,糖,苷键连接的,D-,葡萄糖残基组成的高分子聚合物的,聚合度从几百到一万五千。,?,据,X,衍射测定，多种植物纤维素的相对结晶度在,3040,之间，而棉花纤维高达,7080,，且植物纤

23、维,被木质素包蔽着，是一种具有高度抵抗生物降解,的高分子聚合物。,?,因此，纤维素在用作碳源前必须进行预处理，这,也是该原料的不足之处，因而也促使人们加以研,究改进处理技术，以适用廉价生产的要求。,?,利用纤维素原料生产,SCP,工艺流程,第二节,微生物酶,?,一,概述,?,19,世纪后建立酶的概念,.,但酶的催化作用却很早,为人们的生活所利用,.,如,4000,多年前酿酒和制酱。,?,酶商品化生产在,1897,年后，最初开始由动植物提,取；之后由霉菌开始生产淀粉酶；二次世界大战,后，用微生物获得商品化酶制剂形成规模性的产,业化生产。,?,20,世纪,90,年代后，,基因工程发酵工艺先进发,酵

24、设备,是酶工业的第三个飞跃。这个飞跃使微生,物酶制剂地位进一步加强。,二微生物酶的开发,?,1,微生物酶开发的一般程序,1,）样品采集与菌种分离；,2,）菌种筛选；,菌种复壮；,3,）最佳产酶条件初步确定；产酶性能进一步提高,4,）微生物酶提取方法,5,）菌种保藏,2.,初筛与复筛方法,初筛：,1),用简单的定性反应（包括颜色反应、有无水解圈、有,无特殊气体生成等），,2),在最初分离时就给予特殊的培养基或培养条件。,但初筛往往和分离同步：,如脂肪酶产生菌初筛培养基：橄榄,油,2,，硫酸胺等无机盐，去氧胆酸,盐，脂肪酶菌种生长后，菌落周围,出现清晰水解圈。,复筛：在初筛基础上筛选产酶量高、性能

25、更符合生产的菌种。,复筛时测定方法极为重要，摇瓶发酵测定酶活力，一般用,真正的底物。,复筛获得的菌株要求：,不是致病菌；,不易变异和退化；不,易感染噬菌体；,微生物产酶量高，生,长繁殖快；营养要求低；酶便于分离和,提纯，得率高。,3.,微生物产酶性能的进一步提高,?,获得高产菌种的突变体,物理和化学诱变,利用代谢调节机理获得突变株,?,利用代谢调节机理来提高微生物的酶产量,?,运用遗传、基因工程的手段将原有菌株中的目的酶,基因转移到另外一些对生产环境具有适应性的微生,物细胞之内使其高表达,使酶基因在另一微生物上得,到表达，,大幅度提高酶基因在细胞内的量。,4,微生物酶的提取方法,?,酶的粗提,

26、胞内酶的提取：收集菌体,破碎细胞,收集提取,液（发酵液）,酶的沉淀分离（盐析、有机溶剂沉淀等）,胞外酶的提取：培养菌体,收集发酵液,?,酶的精制,三,微生物酶的应用,?,蛋白酶：最重要的工业酶，约占市场,40,.1979,年起都在寻找,高温及高碱性的蛋白分解酶，还有糖尿病人需要有甜度的非,糖类化合物，如蛋白肽等。,?,芳基乙醚酶：木质素是纤维素发酵后的主要副产品。全世界,陆生生物量中木质纤维素占了,95,，其中木质素占了,1/4,左右。,现有欧文氏菌编码的芳基乙醚酶基因克隆在大肠杆菌体内，,用于降解木质素生产燃料、能源、药品等。,?,纤维素酶：纤维素占地球动植物总量的一半，是数量最大的,可再生

27、资源。自然下微生物降解纤维素极为缓慢，现已获得,一些菌转化纤维素进行资源再利用。,?,脂肪酶,?,青霉素酰化酶,?,半乳糖苷酶,?,特殊治疗用酶（透明质酸酶、血纤维蛋白溶酶、,L,天冬氨酸、,右旋糖酐酶）,四,极端环境微生物酶的开发,?,极端微生物酶的来源,?,嗜冷微生物（,15,以下）,?,嗜盐微生物（高盐环境）,?,嗜热微生物（,50,113,甚至更高）,?,极端环境微生物,酶的获得,?,酶的产生：,?,在极端环境微生物中找到的酶基因，以大肠杆菌为宿主，,进行异源基因表达,;,?,还有酶的纯化和酶性能的改善,.,第三节,微生物风味物质,香精油、含油树脂、蛋白质水解物、蒸馏物、香料、,香草、

28、氨基酸、酶水解产品、烘焙产品,目前风味物质大多是通过化学合成或萃取的方法生,产,植物是香精油和风味物质的主要来源。,生产的法规,:GRAS,美国食品医药管理局对微生物或,酶生产的风味物质展开调查，将其列入,GRAS,级，,这些化合物不被认为是添加剂。（,generally,regarded as safe,）,?,一、风味的概念,?,“广义风味”的观点,认为，“风味”意指食物在摄,入前、后刺激人的所有感官的综合而产生的各种感,觉的综合，它包含了味、嗅、视、听等感官反应而,引起的化学、物理和心理感觉，是这些感觉的综合,效应。,?,“狭义”的观点,认为，“风味”决定人们对食品,的选择，接受和吸收，

29、它是食物刺激味觉或嗅觉受,体而产生的综合生理响应，按照这个定义，风味主,要是指食物刺激人类感官而引起的化学感觉,。,?,二、风味物质的特点：,?,食品中的风味物质一般具有以下的特点：,?,(1),种类繁多，相互影响。,?,(2),含量极微，效果显著,?,在水中乙酸异戊酯含量达到,5,10,-6,mg/Kg,，就,会产生香蕉气味。,?,(3),大多数是非营养物质。,?,(4),呈味性能与其分子结构有高度特异性的关系。,?,(5),稳定性差，容易被破坏。,微生物直接合成的风味物质,萜烯类合物：香精油特殊香味。真菌如子囊菌类和,担子菌纲产萜烯，多见于腐烂松子。,内酯类化合物,:,赋予果味、椰子味、奶

30、油味、坚果味,等。土壤真菌绿色木霉：浓郁椰子味。,吡嗪类化合物：焙烤风味和坚果风味。谷氨酸棒杆,菌产四甲基吡嗪。,酯类：水果的主要风味物质。乳酸菌和假单胞菌产,丁酸己酯，乙酸乙酯等。,风味物质工业化生产的问题,?,风味物质产率低，提取费用高。,?,挥发性和低水溶性，难回收。,?,终产物对微生物本身有抑制和毒害作用。,?,新产品必须经过立法机构验证后方可裁决,为天然产品，历时数年。,第四节,微生物与保健食品的筛选,香菇多糖、乳酸菌、双歧杆菌、单糖、低聚糖、多元,糖醇、不饱和脂肪酸、磷脂、胆碱、超氧化物歧化,酶、谷胱甘肽过氧化酶、谷胱甘肽、免疫球蛋白等。,保健食品：是食品的一个种类，具有一般食品共性，,还具有能调节人体某些机能，适于特定人群食用，,但不以治疗疾病为目的。,微生物保健食品基本原则：,1,应保证对人体不产生任何,急性、亚急性或慢性危害；,2,应通过科学实验证明确,定有效成分和明显稳定的调节人体机能的作用；,3,其,配方生产工艺应有科学依据；,4,其企业应符合,GB14881,94,的规定，并应逐步健全质量保证体系,