植物细胞和组织培养技术在食品添加剂生产上的应用及前景_王雅茜

植物细胞和组织培养技术

在食品添加剂生产上的应用及前景

王雅茜　石轶松　阚建全

(西南农业大学食品科学院,重庆400716)

摘　要　介绍了植物细胞和组织培养技术的发展概况,利用此技术生产食品添加剂的研究进展、优点与局限以及食用安全性问题。

关键词　植物细胞和组织培养　食品添加剂

食品添加剂是食品工业的“灵魂”,食用色素、香精香料、稳定剂、防腐剂、抗氧化剂等既赋予了食品宜人的外观、口感和滋味,又使其在销售期内保持了新鲜状态。目前,食品添加剂的生产有三条途径:直接提取、化学合成和生物技术生产。直接提取虽然可获得天然产物,但由于许多添加剂,如色素、香精等都是植物的次生代谢物,含量很低,提取困难,而且,由于所使用的原料受品种和环境的影响,产品品质不稳定,波动很大;化学合成产量较高,可以得到品质均一的添加剂,但人们更希望使用天然的产品,对化学合成物总存有疑虑,而且由于生物体代谢的复杂性,许多产物还难以在人工控制下化学合成;进入二十世纪以来,利用生物技术生产药物及各类添加剂的研究方兴未艾,其中包括利用酶和微生物的发酵技术以及植物细胞和组织培养合成技术(以下简称组培合成技术)。组培合成技术可用于生产植物的次生代谢产物,这些产物在食品及药品中有广泛的用途。此项工作在国内还未深入展开,但国外的研究已显示了在食品添加剂工业上的广阔应用前景。

1　组培合成技术的发展概况

最初(1902年),研究者只是希望利用细胞和组织培养来研究植物中某些化合物的生物合成途径, 1934年,体外培养成功,随后体外培养技术及适当的培养介质得到了迅速的发展和完善。但是,就是在二十五年前,利用组培合成技术生产化学产品还难以想象,因为在体外培养物中次生代谢产物含量极低,是组培合成技术发展和商业化的“瓶颈”。1975年到1985年间,研究人员提出了许多提高次生代谢产物产量的方法,这些方法的综合运用使得组培合成技术于1985年第一次在商业上运用,从而展示了在生产植物化学物上的巨大潜力。九十年代初,香兰素成为利用这项技术生产的一种重要的食品添加剂,研究者希望以此为模式,生产种类更广泛的产品,但是因为许多化学物的生物合成途径还不为人们所知,而且组培合成技术本身还有待发展和完善,这些都阻碍了它大规模的商业应用。随着基因工程技术的发展,科学家开始研究如何改变植物细胞的遗传特性,产生更多的为人类所需的植物化学物,如果这些设想得以实现,那么组培合成技术或许会成为今后食品添加剂生产的主要途径之一。

2　组培合成技术的关键问题及研究进展

制约组培合成技术发展的最大问题是其产量极低,无法满足商业生产的要求,因此,许多研究都围绕这个问题展开。归纳起来有以下几个方面:

2.1　植物细胞和组织的筛选及改进

同一棵植株不同部位的细胞和组织次生代谢产物的种类和数量是有差异的,所以在利用组培合成技术时就应该选择生产次生代谢产物能力较强的细胞和组织。一些研究认为根细胞和根毛细胞具有更高的代谢活性,但是并不能完全肯定,事实上,应该根据不同的植物特性以及所需终产物选择高产的细胞株。

基因技术的发展为改变植物细胞的遗传特性提供了可能,通过这种改变,细胞和组织可以生产出更多的理想产品,但是这项技术也是建立在对产物的生物合成途径以及对限速步骤深入了解的基础上的,对植物次生代谢的分子水平研究是此项技术发展的必要前提,在这方面还有许多工作尚待进行。

2.2　培养介质

许多研究发现,除了植物细胞和组织生长所需的营养成分外,培养介质中的其它物质,如植物激素、次生代谢产物的生物合成前体以及代谢拮抗物的存在都对培养物的生产能力产生影响,添加或除去这些物质可以有效地提高产品的产量。这是因为植物的次生代谢涉及一系列复杂的过程,许多次生代谢产物需要

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在外界环境的胁迫下产生,其中包括了一些化学物质以及生物合成前体,同时植物细胞的另外一些代谢产物或许会阻碍理想产品的生产,因此,了解并控制这些物质在培养介质中的存在是非常重要的。事实上,香兰素的生产就是通过对培养介质中各种成分的种类和配比进行调控,实现了产量的提高。

2.3　培养条件

培养条件包括培养空间、pH、温度、光照、搅动时间和频率,这些因素不同程度地影响着植物细胞的生长和次生代谢物的产量,由于植物细胞培养物的生长量与次生代谢产物的含量并不矛盾,所以在选择培养条件时一般都是以此种植物细胞或组织的最佳生长条件为根据,再做适当调整。

2.4　技术

要实现组培合成技术的商业化生产,生产的连续性和高效性是必须考虑的。为此,研究人员希望将整个培养系统设计为一个生物反应器,通过固定化技术、渗透技术等控制产品的生产。由于许多次生代谢物是在植物受到环境胁迫的时候才会产生,因此,诱导技术也成为组培合成中一项重要的技术。此外,在培养过程中还需要一系列的给养、控温、监测手段,以保证自动化连续生产的进行。

3　组培技术合成食品添加剂的优点和局限

相对于直接提取和化学合成,组培合成具有明显的优点,它可以在人工控制条件下生产“天然”产物,既有效地避免了农业生产的风险和不确定性,保持了产品品质的稳定,又可以满足人们回归自然的消费心理。另外,利用植物的细胞或组织做为生物反应器,使许多化学合成不能实现的生物化学过程成为可能,尤其是在生产成分复杂的食品风味物质上,可以说是具有无可比拟的优势。但是,如果与微生物发酵技术相比,组培技术的培养时间较长,条件不易控制,在生产单一组分的食品添加剂上或许还不如微生物发酵好。然而,组培合成技术优于微生物发酵技术的一点是它可以实现一系列复杂的生化反应,以得到天然的,组分复杂的食品风味物质。

4　组培合成产物的食用安全性

组培合成产物,特别是经过基因工程改造过的植物细胞和组织的代谢产物必须经过食用安全性的评价才能真正进入市场。WHO和FDA等都对生物技术产品进行过深入的安全性研究,认为从广泛的研究和严格的审查来看,生物技术产品对人体的潜在危害多来自产品本身的特性,而不是基因的改变或生产技术的特殊性。尽管有此结论,国际食品生物技术会议仍提出了一套严格的评价程序。事实上,到底应该对生物技术产品和其它传统技术产品一视同仁,还是视之为特殊产品加以特殊对待,至今仍无定论。

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