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食品生物技術概論
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食品生物技術概論 版權信息
- ISBN：9787502627126
- 條形碼：9787502627126 ; 978-7-5026-2712-6
- 裝幀：暫無
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：
食品生物技術概論 節選
生物技術是以現代生命科學為基礎，結合先進的工程技術手段和其他基礎學
科的科學原理，按照預先的設計改造生物體，為人類生產出所需產品或達到某種目
的的新技術；是21世紀高新技術的核心，其研究成果越來越廣泛地應用于農業、輕
工食品、醫藥、海洋開發及環境保護等多個領域。
食品生物技術是現代生物技術在食品領域中的應用，是以現代生命科學的研
究成果為基礎，結合現代工程技術手段和其他學科的研究成果，用全新的方法和手
段設計新型的食品或食品原料。食品生物技術是一項帶有革命性的、有戰略意義
的高新技術，已經和正在展示其旺盛的生命力，對人類解決食物、資源、健康、環境
等重大問題將發揮越來越大的作用，展示其強大的應用價值，對經濟和社會發展所
做的貢獻越來越大，因而食品生物技術及產業受到各國政府、學術界和企業界的
重視。
現代食品生物技術可以劃分為基因工程、微生物工程、細胞工程、酶工程、生物
工程下游技術、生物芯片和生物傳感器等領域。從研究內容可以看出，它們各自構
成完整的體系，而又相互滲透形成一個有機整體。其中，基因工程和細胞原生質體
融合技術是生物技術的源泉；微生物工程、細胞工程和下游工程則是優良遺傳性狀
充分表達并*后形成所需產品的必不可少的手段。
本書在介紹基因工程、微生物工程、細胞工程、酶工程、生物工程下游技術和生
物芯片基礎理論的基礎上，著重介紹操作技術及在食品中的應用和發展趨勢。
本書的撰寫力求理論聯系實際，切合當今我國食品生物技術研究和應用的實
際。介紹的內容力求資料豐富、內容新穎、體系完整、簡明扼要、重點突出。
本書可作為高等學校食品科學與工程、食品質量與安全及生物工程專業教材，
亦可供食品科研人員、食品生產加工技術人員、食品檢測人員、生物工程技術人員
閱讀參考。
本書**章由西南大學陳宗道編寫，第二章由河南科技大學唐浩國編寫，第三
章由河南農業大學吳坤和西南大學張甫生編寫，第四章由浙江大學陳云龍編寫，第
五章由湖北工業大學王金華編寫，第六章由陳宗道編寫，第七章由合肥工業大學袁
懷波編寫。本書的編寫得到了工作在食品生物技術領域教學、科研**線的同仁
們以及編者所在院校的支持和幫助，得到了中國計量出版社的指導和幫助，在此深
表謝意。
由于工作繁忙和時間緊迫，加之食品生物技術是一門年輕的、正在成長中的科
學，在體系上尚不完全成熟，加之食品生物技術日新月異，書中疏漏和不妥之處在
所難免。萬望諸位同仁和讀者賜教惠正。
編 者
2008年1月
第四章 細胞工程
細胞工程是指以細胞為基本單位，在體外條件下進行培養、繁殖，或人為地使細胞某些生物
學特性按人們的意愿發生改變，從而達到改良生物品種和創造新品種，加速繁育動、植物個體，或
獲得某種有用的物質的過程。
細胞工程就是在細胞水平研究、開發、利用各類細胞的工程，亦即人們根據科學原理來設計
改變細胞的遺傳基礎，以及通過無菌操作，大量培養細胞、組織乃至完整個體的技術。迄今為止，
人們已經從基因水平、細胞器水平以及細胞水平開展了多層次的大量工作，在細胞培養、細胞融
合、細胞代謝物的生產和生物克隆等諸多領域取得了一系列令人矚目的成果。
細胞工程是一種細胞水平上的遺傳工程，它是將一種生物細胞中攜帶遺傳信息的細胞核或
染色體整個地轉移給另一種生物細胞，使新細胞產生具有人們所需要的功能，從而改變受體細胞
的遺傳特性，打破只有同種生物才能進行雜交的限制，為改良品種或創造新品種開拓了廣闊前
景，細胞工程包含細胞融合、體細胞雜交、動植物細胞規模培養核和卵移以及植物組織培養技術
等方面。
**節 植物細胞工程
植物細胞培養是指把高等植物的細胞從植物體內分離出來，并在人工培養基中進行培養增
殖。利用生物學和工程學原理，將外源遺傳物質(DNA)導入培養細胞或原生質體，以獲得抗逆、
高產、優質的轉基因植株，或利用植物細胞來保存優良品系、繁殖無性品種、生產名貴藥品及提供
服務的技術謂之植物細胞工程，其內容主要有植物細胞及其原生質體的培養、植物原生質體融
合、細胞大規模培養與次生代謝物生產等。
植物細胞培養可代替整體植株在工廠內連續生產所需產物，優點是不受地理、季節和氣候條
件的限制，節約土地、減少生產周期、降低成本、提高經濟效益。其主要應用有以下方面：①保存
栽培品系。許多雜合的重要經濟作物通常是以無性方式繁殖，植物細胞培養可以用來保存每一
栽培品系的優良性狀。②植物細胞培養用于無性繁殖，大大增加了無性繁殖的范圍和潛力、提高
繁殖速度，一個優良品種，用細胞培養再分化植株的方法，在幾個月內就能大面積種植，而常規的
育種方法需要好幾年；細胞培養能使以前不能進行無性繁殖的植物易于繁殖；在常規雜交育種的
基礎上，通過花藥(花粉)培養，進行單倍體育種；從培養的植物細胞再生出來的新植株表現出高
度的遺傳變異，這種現象稱為“體細胞的無性系變異”，可以從這些變異系中選擇有益農藝性狀
的作物新類型。③可通過細胞突變體的誘變與篩選，獲得高產細胞株，并且可以進行特定的生物
轉化獲得新的有用物質。如在培養基中加入不同濃度的鹽，通過脅迫誘變和篩選抗鹽突變體；向
培養基中加入病原體的毒蛋白，以誘變和篩選抗病突變體；為了改善作物品質，可以進行抗賴氨
酸類似物的誘變與篩選，即在培養基中加入不同濃度的賴氨酸類似物，可以獲得抗賴氨酸類似物
突變體，這種突變體中的賴氨酸、蛋氨酸、亮氨酸和異亮氨酸的水平升高。④對那些能產生重要
次生代謝產物(如某些中草藥中的藥理活性化合物)的細胞系進行大量(罐)培養，實現這種產物
的工業化生產。
植物中含有數量極為可觀的次生代謝物質，據保守的估計，目前已發現的植物天然代謝物已
超過2萬種，而且還在以每年新發現1600種的速度遞增。早在1956年，Routier和NickelI就提
出工業化培養植物細胞以提取其天然產物的大膽設想。迄今為止，全世界已對近1000余種植物
進行了細胞培養方面的研究，生產的天然產物包括藥品、香料、色素、食品、化妝品等500多種。
許多植物的細胞培養已完成實驗室階段研究，正向工廠中試過渡，有的已完成工廠化生產規模的
實驗，如人參、紫草、毛地黃、煙草、肉桂、迷迭香、黃芪等。
一、植物細胞工程概述
(一)植物細胞培養特性
植物細胞比微生物細胞大，有纖維素細胞壁，細胞耐拉不耐扭，抵抗剪切力差，不能機械強力
攪拌；培養過程生長速度緩慢，易受微生物污染；細胞生長中期、對數期易凝聚為直徑達350～
400 μm細胞團塊，較難懸浮培養；培養時需供氧，培養液黏度大，不能耐受強力通風攪拌；具有群
體效應、無錨地依賴性及接觸抑制性；次生代謝產物滯留于細胞內，產量低；植物細胞培養具有結
構與功能全能性。
(二)植物細胞營養及其培養基
植物細胞生長所需營養較微生物細胞復雜，不同營養條件對植物細胞的生長和代謝物質的
產生影響極大，除水分外，其他營養成分可分為以下幾類。
1．無機鹽類
主要由大量元素和微量元素兩部分組成，大量元素有氮(N)、磷(P)、鉀(K)、鈣(ca)、鎂
(Mg)、硫(s)等元素。氮源常用的是硝酸鹽和銨鹽(NO，一或NH+)，但大多數培養基以硝酸鹽
為主，也有將硝酸鹽和銨鹽混合使用的。磷和硫則常用磷酸鹽和硫酸鹽來提供，是植物必需元素
之一。磷參與植物生命過程中的核酸、蛋白質合成，光合作用、呼吸作用以及能量的貯存、轉化與
釋放等重要生理生化過程。鉀是培養基中主要的陽離子，在近代的培養基中，其數量有逐漸提高
的趨勢。鈣、鎂、硫元素需要量較少，一般在1—3 m mol／L比較合適。微量元素包括鐵(Fe)、銅
(cu)、鉬(Mo)、鋅(zn)、鈉(Na)、錳(Mn)、鈷(c0)、硼(B)和碘(I)等。在植物組織和細胞培養
中需要量極微，多了會引起植物細胞酶系失活、代謝障礙、蛋白變性、死亡等毒害現象。培養基中
添加10～～10。mol／L就可滿足需要。鐵是用量較多的一種微量元素，在pH較低的培養基中，
大多以螯合鐵的形式存在，即硫酸亞鐵和乙二胺四乙酸二鈉(Na2一EDTA)結合成螯合鐵被吸收
利用。
2．碳源
培養的植物組織或細胞，它們的光合作用較弱，因此需要在培養基中附加一些碳水化合物以
供需要。培養基中的碳水化合物通常是蔗糖。蔗糖除了作為培養基內的碳源和能源外，對維持
培養基的滲透壓也起重要作用。通常使用2％～3％的蔗糖作碳源，也有使用葡萄糖、果糖、木
糖、甘露醇及山梨醇等單糖。
3．植物生長調節物質
如植物生長素常用的有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)，其作用強弱順序為2，4一D(二氯苯氧基乙酸)>乙烯萘乙酸>吲哚丁
酸>吲哚醋酸。生長素可誘導愈傷組織的形成，促進細胞脫分化，促進細胞生長。細胞分裂素有
KT(激動素)、BA(6…芐氨基嘌呤)、ZT(玉米素)等。細胞分裂素有促進細胞分裂和分化、延遲組
織衰老、增強蛋白合成。其他還有GA，(赤霉素)、ABA(脫落酸)、三十烷醇、肽類、半支蓮醇等。
4．各種維生素
維生素類：主要是B族維生素，其中效果較佳的有維生素B。、維生素B6、生物素、泛酸鈣和肌
醇等。
5．核酸及其水解物
如DNA、RNA、黃嘌呤、次黃嘌呤、腺嘌呤、鳥嘌呤及胸腺嘧啶等。
6．天然物
植物細胞培養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、荸薺汁、梨汁、蘋果汁等。
7．其他因素
植物細胞培養系統內的氣體組成(CO和乙烯含量)、前體物質、有機酸、維生素以及誘導
劑等。
植物細胞培養基常用的有Murashige．Skoog(MS)，Linsmaier-Skoog(Ls)，white和B5等多種。
植物細胞、花粉和原生質體培養的培養基組成有所不同，其中培養原生質體及懸浮細胞的培養基
組成*為復雜，花粉及花藥次之，胚及一般組織*為簡單。
(三)培養條件
1．溫度
培養溫度對植物細胞生長及次生代謝產物生成有重要影響。通常，植物細胞培養采
用25℃。
2．pH
通過細胞膜進行的H+離子傳遞對細胞的生育環境、生理活性來說無疑是重要的。在培養過
程中，通常pH作為一個重要參數被控制在一定范圍內。植物細胞培養的適宜pH一般為5～6。
3．通氣
通氣是細胞液體深層培養重要的物理化學因子。好氣培養系統的通氣與混合及攪拌是相互
關聯的。對搖瓶試驗，通常500mL的三角瓶內裝80～200mL的植物細胞培養液較適宜。當然，
氣液傳質還與瓶塞的材料有關。試驗表明，從溶氧速率考慮，以棉花塞*好，微孔硅橡膠塞次之，
鋁箔塞較差。攪拌：在搖瓶實驗中，通常搖床的轉速取90～120 r／min。
4．光
光對植物有著特殊的作用。光照射條件不僅通過光照周期、光的質量(即種類、波長)而且
通過光照量(光強度)的調節來影響植物細胞的生理特性和培養特性。研究表明，光調節著細胞
中的關鍵酶的活性，有時光能大大促進代謝產物的生成，有時卻起著阻礙作用。
5．細胞齡
在培養過程的不同時期，細胞的生理狀況、生長與物質生產能力有顯著差異。而且，使用不
同細胞齡的接種細胞，其后代的生長與物質生產狀況也會大不一樣，通常，使用處于對數生長期
后期或穩定期前期的細胞作為接種細胞較合適。
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