食品生物技术概论

    生物技术是以现代生命科学为基础，结合先进的工程技术手段和其他基础学
科的科学原理，按照预先的设计改造生物体，为人类生产出所需产品或达到某种目
的的新技术；是21世纪高新技术的核心，其研究成果越来越广泛地应用于农业、轻
工食品、医药、海洋开发及环境保护等多个领域。
    食品生物技术是现代生物技术在食品领域中的应用，是以现代生命科学的研
究成果为基础，结合现代工程技术手段和其他学科的研究成果，用全新的方法和手
段设计新型的食品或食品原料。食品生物技术是一项带有革命性的、有战略意义
的高新技术，已经和正在展示其旺盛的生命力，对人类解决食物、资源、健康、环境
等重大问题将发挥越来越大的作用，展示其强大的应用价值，对经济和社会发展所
做的贡献越来越大，因而食品生物技术及产业受到各国政府、学术界和企业界的
重视。
    现代食品生物技术可以划分为基因工程、微生物工程、细胞工程、酶工程、生物
工程下游技术、生物芯片和生物传感器等领域。从研究内容可以看出，它们各自构
成完整的体系，而又相互渗透形成一个有机整体。其中，基因工程和细胞原生质体
融合技术是生物技术的源泉；微生物工程、细胞工程和下游工程则是优良遗传性状
充分表达并*后形成所需产品的必不可少的手段。
    本书在介绍基因工程、微生物工程、细胞工程、酶工程、生物工程下游技术和生
物芯片基础理论的基础上，着重介绍操作技术及在食品中的应用和发展趋势。
    本书的撰写力求理论联系实际，切合当今我国食品生物技术研究和应用的实
际。介绍的内容力求资料丰富、内容新颖、体系完整、简明扼要、重点突出。
    本书可作为高等学校食品科学与工程、食品质量与安全及生物工程专业教材，
 亦可供食品科研人员、食品生产加工技术人员、食品检测人员、生物工程技术人员
阅读参考。
    本书**章由西南大学陈宗道编写，第二章由河南科技大学唐浩国编写，第三
章由河南农业大学吴坤和西南大学张甫生编写，第四章由浙江大学陈云龙编写，第
五章由湖北工业大学王金华编写，第六章由陈宗道编写，第七章由合肥工业大学袁
怀波编写。本书的编写得到了工作在食品生物技术领域教学、科研**线的同仁
们以及编者所在院校的支持和帮助，得到了中国计量出版社的指导和帮助，在此深
表谢意。
    由于工作繁忙和时间紧迫，加之食品生物技术是一门年轻的、正在成长中的科
学，在体系上尚不完全成熟，加之食品生物技术日新月异，书中疏漏和不妥之处在
所难免。万望诸位同仁和读者赐教惠正。
    编  者
    2008年1月

   第四章  细胞工程
    细胞工程是指以细胞为基本单位，在体外条件下进行培养、繁殖，或人为地使细胞某些生物
学特性按人们的意愿发生改变，从而达到改良生物品种和创造新品种，加速繁育动、植物个体，或
获得某种有用的物质的过程。
    细胞工程就是在细胞水平研究、开发、利用各类细胞的工程，亦即人们根据科学原理来设计
改变细胞的遗传基础，以及通过无菌操作，大量培养细胞、组织乃至完整个体的技术。迄今为止，
人们已经从基因水平、细胞器水平以及细胞水平开展了多层次的大量工作，在细胞培养、细胞融
合、细胞代谢物的生产和生物克隆等诸多领域取得了一系列令人瞩目的成果。
    细胞工程是一种细胞水平上的遗传工程，它是将一种生物细胞中携带遗传信息的细胞核或
 染色体整个地转移给另一种生物细胞，使新细胞产生具有人们所需要的功能，从而改变受体细胞
  的遗传特性，打破只有同种生物才能进行杂交的限制，为改良品种或创造新品种开拓了广阔前
  景，细胞工程包含细胞融合、体细胞杂交、动植物细胞规模培养核和卵移以及植物组织培养技术
  等方面。
    **节  植物细胞工程
    植物细胞培养是指把高等植物的细胞从植物体内分离出来，并在人工培养基中进行培养增
殖。利用生物学和工程学原理，将外源遗传物质(DNA)导入培养细胞或原生质体，以获得抗逆、
高产、优质的转基因植株，或利用植物细胞来保存优良品系、繁殖无性品种、生产名贵药品及提供
服务的技术谓之植物细胞工程，其内容主要有植物细胞及其原生质体的培养、植物原生质体融
合、细胞大规模培养与次生代谢物生产等。
    植物细胞培养可代替整体植株在工厂内连续生产所需产物，优点是不受地理、季节和气候条
件的限制，节约土地、减少生产周期、降低成本、提高经济效益。其主要应用有以下方面：①保存
栽培品系。许多杂合的重要经济作物通常是以无性方式繁殖，植物细胞培养可以用来保存每一
栽培品系的优良性状。②植物细胞培养用于无性繁殖，大大增加了无性繁殖的范围和潜力、提高
繁殖速度，一个优良品种，用细胞培养再分化植株的方法，在几个月内就能大面积种植，而常规的
育种方法需要好几年；细胞培养能使以前不能进行无性繁殖的植物易于繁殖；在常规杂交育种的
基础上，通过花药(花粉)培养，进行单倍体育种；从培养的植物细胞再生出来的新植株表现出高
度的遗传变异，这种现象称为“体细胞的无性系变异”，可以从这些变异系中选择有益农艺性状
的作物新类型。③可通过细胞突变体的诱变与筛选，获得高产细胞株，并且可以进行特定的生物
转化获得新的有用物质。如在培养基中加入不同浓度的盐，通过胁迫诱变和筛选抗盐突变体；向
培养基中加入病原体的毒蛋白，以诱变和筛选抗病突变体；为了改善作物品质，可以进行抗赖氨
酸类似物的诱变与筛选，即在培养基中加入不同浓度的赖氨酸类似物，可以获得抗赖氨酸类似物
突变体，这种突变体中的赖氨酸、蛋氨酸、亮氨酸和异亮氨酸的水平升高。④对那些能产生重要
次生代谢产物(如某些中草药中的药理活性化合物)的细胞系进行大量(罐)培养，实现这种产物
 的工业化生产。
    植物中含有数量极为可观的次生代谢物质，据保守的估计，目前已发现的植物天然代谢物已
超过2万种，而且还在以每年新发现1600种的速度递增。早在1956年，Routier和NickelI就提
出工业化培养植物细胞以提取其天然产物的大胆设想。迄今为止，全世界已对近1000余种植物
进行了细胞培养方面的研究，生产的天然产物包括药品、香料、色素、食品、化妆品等500多种。
许多植物的细胞培养已完成实验室阶段研究，正向工厂中试过渡，有的已完成工厂化生产规模的
实验，如人参、紫草、毛地黄、烟草、肉桂、迷迭香、黄芪等。
  一、植物细胞工程概述
  (一)植物细胞培养特性
  植物细胞比微生物细胞大，有纤维素细胞壁，细胞耐拉不耐扭，抵抗剪切力差，不能机械强力
搅拌；培养过程生长速度缓慢，易受微生物污染；细胞生长中期、对数期易凝聚为直径达350～
400 μm细胞团块，较难悬浮培养；培养时需供氧，培养液黏度大，不能耐受强力通风搅拌；具有群
体效应、无锚地依赖性及接触抑制性；次生代谢产物滞留于细胞内，产量低；植物细胞培养具有结
构与功能全能性。
    (二)植物细胞营养及其培养基
    植物细胞生长所需营养较微生物细胞复杂，不同营养条件对植物细胞的生长和代谢物质的
产生影响极大，除水分外，其他营养成分可分为以下几类。
    1．无机盐类
    主要由大量元素和微量元素两部分组成，大量元素有氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(ca)、镁
(Mg)、硫(s)等元素。氮源常用的是硝酸盐和铵盐(NO，一或NH+)，但大多数培养基以硝酸盐
为主，也有将硝酸盐和铵盐混合使用的。磷和硫则常用磷酸盐和硫酸盐来提供，是植物必需元素
之一。磷参与植物生命过程中的核酸、蛋白质合成，光合作用、呼吸作用以及能量的贮存、转化与
释放等重要生理生化过程。钾是培养基中主要的阳离子，在近代的培养基中，其数量有逐渐提高
的趋势。钙、镁、硫元素需要量较少，一般在1—3 m mol／L比较合适。微量元素包括铁(Fe)、铜
(cu)、钼(Mo)、锌(zn)、钠(Na)、锰(Mn)、钴(c0)、硼(B)和碘(I)等。在植物组织和细胞培养
中需要量极微，多了会引起植物细胞酶系失活、代谢障碍、蛋白变性、死亡等毒害现象。培养基中
添加10～～10。mol／L就可满足需要。铁是用量较多的一种微量元素，在pH较低的培养基中， 
大多以螯合铁的形式存在，即硫酸亚铁和乙二胺四乙酸二钠(Na2一EDTA)结合成螯合铁被吸收
利用。
    2．碳源
    培养的植物组织或细胞，它们的光合作用较弱，因此需要在培养基中附加一些碳水化合物以
供需要。培养基中的碳水化合物通常是蔗糖。蔗糖除了作为培养基内的碳源和能源外，对维持
培养基的渗透压也起重要作用。通常使用2％～3％的蔗糖作碳源，也有使用葡萄糖、果糖、木
糖、甘露醇及山梨醇等单糖。
    3．植物生长调节物质
    如植物生长素常用的有2，4一D(二氯苯氧基乙酸)、IBA(吲哚丁酸)、IAA(吲哚一3一醋
酸)、NAA(乙烯萘乙酸)，其作用强弱顺序为2，4一D(二氯苯氧基乙酸)>乙烯萘乙酸>吲哚丁
   酸>吲哚醋酸。生长素可诱导愈伤组织的形成，促进细胞脱分化，促进细胞生长。细胞分裂素有
  KT(激动素)、BA(6…苄氨基嘌呤)、ZT(玉米素)等。细胞分裂素有促进细胞分裂和分化、延迟组
  织衰老、增强蛋白合成。其他还有GA，(赤霉素)、ABA(脱落酸)、三十烷醇、肽类、半支莲醇等。
    4．各种维生素
    维生素类：主要是B族维生素，其中效果较佳的有维生素B。、维生素B6、生物素、泛酸钙和肌
  醇等。
    5．核酸及其水解物
    如DNA、RNA、黄嘌呤、次黄嘌呤、腺嘌呤、鸟嘌呤及胸腺嘧啶等。
    6．天然物
    植物细胞培养常需要添加天然植物提取物，如水解乳蛋白、水解酪蛋白、椰乳、酵母提取液、
  香蕉汁、荸荠汁、梨汁、苹果汁等。
    7．其他因素
    植物细胞培养系统内的气体组成(CO和乙烯含量)、前体物质、有机酸、维生素以及诱导
  剂等。
    植物细胞培养基常用的有Murashige．Skoog(MS)，Linsmaier-Skoog(Ls)，white和B5等多种。
  植物细胞、花粉和原生质体培养的培养基组成有所不同，其中培养原生质体及悬浮细胞的培养基
  组成*为复杂，花粉及花药次之，胚及一般组织*为简单。
    (三)培养条件
    1．温度
    培养温度对植物细胞生长及次生代谢产物生成有重要影响。通常，植物细胞培养采
  用25℃。
    2．pH
    通过细胞膜进行的H+离子传递对细胞的生育环境、生理活性来说无疑是重要的。在培养过
  程中，通常pH作为一个重要参数被控制在一定范围内。植物细胞培养的适宜pH一般为5～6。
    3．通气   
    通气是细胞液体深层培养重要的物理化学因子。好气培养系统的通气与混合及搅拌是相互
  关联的。对摇瓶试验，通常500mL的三角瓶内装80～200mL的植物细胞培养液较适宜。当然，
  气液传质还与瓶塞的材料有关。试验表明，从溶氧速率考虑，以棉花塞*好，微孔硅橡胶塞次之，
  铝箔塞较差。搅拌：在摇瓶实验中，通常摇床的转速取90～120 r／min。
    4．光
    光对植物有着特殊的作用。光照射条件不仅通过光照周期、光的质量(即种类、波长)而且
  通过光照量(光强度)的调节来影响植物细胞的生理特性和培养特性。研究表明，光调节着细胞
  中的关键酶的活性，有时光能大大促进代谢产物的生成，有时却起着阻碍作用。
    5．细胞龄
    在培养过程的不同时期，细胞的生理状况、生长与物质生产能力有显著差异。而且，使用不
  同细胞龄的接种细胞，其后代的生长与物质生产状况也会大不一样，通常，使用处于对数生长期
  后期或稳定期前期的细胞作为接种细胞较合适。