《食品科学》：沈阳农业大学李冬男副教授、边媛媛博士等：植物细胞培养技术进展及其在食品中的应用|培养基|李冬男|植体|植物细胞培养技术进展及其在食品中的应用|沈阳农业大学|边媛媛|食品科学

植物是人类获取食物的重要来源，其富含多种有益健康的营养物质。植物次生代谢产物（植物化学素），即由初级代谢产物经过特定代谢途径而派生出来的物质，也是植物生长必不可少的营养素。

目前，药物及食品添加剂生产对植物次生代谢产物的需求量增长显著，某些特殊天然植物产物的需求量持续增高。大量研究表明，植物细胞组织培养能够有效降低外部自然环境对植物生长的影响，保护植物物种资源，获得优质品种。而植物细胞食品则是利用植物细胞的全能性理论，在体外对植物组织进行人工培养，不断定向增殖细胞规模，并将其直接或间接作为食品原料的新型食品资源。

沈阳农业大学食品学院的侯捷、李冬男*、边媛媛*等通过总结植物细胞培养技术在植物细胞食品生产过程的使用情况，探讨植物细胞食品生产的关键技术要点，并对其未来工业生产的可行性与技术发展进行展望。

植物细胞食品生产的技术基础

植物细胞食品的生产过程始于植物外植体的细胞培养，之后细胞在特定培养基中进行繁殖和增殖，最终形成愈伤组织，这类细胞组织经安全处理后可直接食用或作为食品添加剂应用到食品生产中，也可以作为食品3D打印的原料用于个性化食品的制造。植物细胞食品生产具有周期短、污染少、成本低、可持续性等优势，产品营养价值高、安全可控，是一种具有显著发展潜力的食品类型。通过植物细胞培养技术筛选特色细胞种质、高效增殖生产，可有效改善植物次生代谢产物的品质和含量，减少天然产物生产对植物资源的过度依赖，有利于植物资源保护。同时，植物细胞营养丰富、成分可控，将其作为原料加工的食品相较于传统植物食品能更有效地满足人体的营养需求。

1.1 植物培养细胞的来源

获得稳定增殖能力的植物细胞是发展植物细胞食品的关键。植物细胞食品一般可以通过植物的器官培养、分生组织培养、细胞培养、愈伤组织培养、原生质体培养、干细胞培养等方式进行生产。用于培养的植物细胞大多来源于植物器官（根、茎、叶、果等）组织形成的分生组织、愈伤组织、植物原生质体、植物干细胞。愈伤组织是植物细胞培养的主要细胞来源，其是由植物中的成体细胞脱分化后形成的具有分化潜能的细胞，通过适宜的环境培养达到快速增殖的目的。20世纪60年代动物胚胎学研究的兴起形成了干细胞的概念。植物干细胞相较于动物干细胞发展较晚。植物干细胞是指那些存在于植物组织中，具有自我更新能力并能分化形成其他组织和器官的未分化细胞。在传统植物解剖学中，植物干细胞被归类为分生组织，包括但不限于茎尖分生组织、根尖分生组织、侧生分生组织以及部分髓射线细胞。由于植物干细胞内含有植物生长发育所需的全部基因信息，并具备细胞分裂与分化的能力，它们被视为植物生命力的核心。研究表明，植物干细胞拥有稳定的增殖能力，细胞本身或提取物具有抗衰老、增强免疫力、保护心脑血管等功效，常被应用于化妆品和医学领域，也是一种具有广阔应用前景的功能性食品原料。在植物细胞培养过程中，植物干细胞与愈伤组织的培养还存在一定的差异性，详见表1。

1.2 植物细胞食品培养技术

植物组织培养是植物细胞食品生产的理论基础。植物组织培养技术是基于植物生理学、细胞全能性等理论的基础上发展形成的一项新技术，它指从植物体中分离出符合需要的组织、器官、细胞或原生质体等，在无菌条件下接种在培养基上进行培养，以获得完整植株或生产具有经济价值的其他产品的技术。目前，植物组织培养技术迅速发展，常用于植物中功效显著、产量低、化学合成复杂的次生代谢产物的生产（表2），进而降低生产成本。这些次生代谢产物可作为有效活性物质添加到食品、药品、食品添加剂和化妆品等产品中。例如，紫杉醇是优良的治疗癌症的天然药物，但其生物合成途径复杂，在植物中产量含量较低，产品价格高，难以满足患者需求。通过植物细胞培养技术可以在不受自然环境影响的条件下实现紫杉植物细胞的快速增殖，并获得大量的紫杉醇成分积累，降低药品生产成本，满足市场需求。此外，植物组织培养技术还能够减少人类对野生植物资源的依赖，有助于保护物种多样性与生态环境，繁殖濒危植物，并进行种质保存，防止植物种子休眠，缩短育种周期，维持粮食作物的生产能力。

植物细胞食品生产技术

植物细胞食品的生产主要依赖于生物组织培养技术。该技术能够弥补传统植物种植栽培对自然环境、季节、区域的依赖，以及天然植物活性成分产量的限制，并且相较于植物活性成分的化学合成生产产量低、合成条件苛刻复杂、毒性等问题，具有产率高、培养条件温和、后处理简单等技术优势。在植物组织培养过程中，一般需要对植物进行处理，选取培养组织，并在特定的条件下进行组织增殖培养。

2.1 植物细胞食品生产过程

在植物细胞食品的生产过程中，一般通过植物组织培养来获取所需的细胞培养物。因此，其生产过程必须遵循植物组织培养的核心工艺流程，如图1所示。首先，从选取的植物上进行组织剥离，通过培养形成愈伤组织，以获得具有稳定遗传性状的愈伤组织培养物；接着，将获得的愈伤组织团块从培养基中分离出来，经过碾碎等物理处理后，转移到固体或液体培养基中进行扩大培养，以获取更多的细胞原料；再将细胞原料经无毒化处理后，经过破碎、提取、调味、冻干等单元操作，最终形成常见的食品形态。

2.2 植物细胞食品生产的工艺流程与方法

目前，植物细胞食品生产的主要细胞来源于植物的愈伤组织，并通过愈伤组织的扩大增殖培养进行食品原料生产，生产工艺流程主要包括外植体的选择、培养基成分的调整以及培养条件的优化等，如图2所示。

2.2.1 外植体的选择

选择合适的外植体是植物培养的关键。通常情况下具有再生能力的植物组织都可以作为外植体。此外，外植体的挑选应源自无病虫害且健康的植物个体。目前，组织培养的外植体大多来源于植物的叶片、根、茎段、果实、种子、花药等部位。外植体的大小、位置与接种方向会影响植物的生长，且不同部位的外植体经过组织培养后产生的次生代谢产物种类及含量也有不同。因此，需要根据植物特性的不同选择不同的外植体。Guo Ge等发现，使用冷杉的茎段比针叶更容易诱导出愈伤组织，且愈伤组织集中出愈在茎段的两侧横截面。此外，在外植体上切2至3刀形成伤口更易于愈伤组织的形成。

2.2.2 培养基的选择

1 ）培养基的类型

目前，植物组织培养普遍使用的培养基有MS培养基、WPM培养基、LS培养基、White培养基、B5培养基、CHU（N6）培养基、BN培养基、Heller培养基、Nitsh培养基、Miller培养基、SH培养基、WS培养基、Eriksson培养基、NT培养基等。不同植物所适宜的培养基有所不同。

MS培养基具有较高的无机盐浓度，是植物组织培养中最常见的培养基种类之一。在植物组织培养前，通常对MS培养基的配方进行改良，防止培养基中的物质对植物生长产生不利影响。Zhang Bing等在雷公藤组织培养研究中，通过对MS培养基中的氮源和磷酸盐浓度进行优化，增强了其生物量的积累。WPM培养基是由MS培养基改良得到的，其为低浓度培养基，多用于木本植物的培养。LS培养基主要用于烟草等植物的组织培养；White培养基中无机盐离子浓度较低，适合植物生根培养和胚胎培养；B5培养基多适宜于双子叶植物，特别是木本植物；CHU（N6）培养基成分较为简单，多用于培养花药、胚珠等外植体；Heller培养基多适用于植物细胞、组织或器官的培养；Nitsh培养基属于无机盐含量适中的培养基，主要用于花药培养。

适宜的培养基对植物组织培养尤为重要。Madke等[50]在研究云南石梓组织培养时发现，植物组织在MS培养基中生长效果最好，其次是B5培养基、SH培养基和WPM培养基。路星星等对比了钩藤在WPM、1/2 MS、MS、White、B5、N6 6 种培养基中的培养情况，发现WPM培养基是钩藤种子萌发、生长发育以及生物碱积累的最适培养基。

不同培养基详细信息总结见表3。

2 ）外源生长调节物质

外源生长调节物质，又称植物生长调节剂，其能保证植物组织正常生长，是培养基中重要的物质成分。常用的植物外源生长调节物质分为两大类，一类是植物生长素、细胞分裂素、赤霉素等生物激素，另一类是水杨酸、茉莉酸等植物有机酸。其中，植物生长素包括吲哚乙酸（IAA）、IBA、NAA、2,4-D、4-氯苯氧乙酸（4-CPA）等；细胞分裂素包括6-BAP、KT、玉米素（ZT）、TDZ等。在植物组织培养中，外源生长调节物质能够促进植物生长，通过不同种类、浓度的生长素和细胞分裂素配比调控植物的生长状况。在甘薯愈伤组织培养与次生代谢产物积累实验中，低质量浓度（0.5 mg/L）生长素类似物能显著促进细胞生物量的生长，使用4-CPA的效果要明显优于2,4-D，但增加2,4-D、4-CPA、6-BA的质量浓度均对培养物的生长产生了显著的抑制作用。

此外，椰子水、香蕉汁、土豆汁、西红柿汁等食品也具有生长调节功能，可作为有机生长调节剂添加到培养基，降低培养基的生产成本。

2.2.3 培养条件的优化

1 ）温度与光照

某些植物对温度变化具有敏感性，无论是过高还是过低的温度，均会对它们的生长造成抑制，导致组织出现玻璃化现象，并抑制次生代谢产物的合成。在26 ℃条件下，咖啡能够更高效地诱导形成胚性愈伤组织。相对低温能促进苹果愈伤组织的花青素积累，而在高温或黑暗条件下则会抑制花青素的合成。因此，除温度外，光照也是影响植物组织培养的重要影响因素。在光照条件下，茶树愈伤组织中黄烷-3-醇的含量较高，而羟基苯甲酸衍生物的含量则低于黑暗条件下的水平。同时，不同光质对植物生长影响也存在差异，Liu Mengxi等在文心兰类原球茎的诱导研究中发现，蓝光可促进植物中色素的积累，红光可促进其诱导、增殖和淀粉含量的积累。因此，可以根据植物选择特性光源以增加其组织活性、增殖效率与次生代谢产物的合成。

2 ）电磁场辅助培养

电磁场辅助是细胞增殖培养常见的技术手段。电场一般可以分为静态电场、稳态电场、交变电场和感应电场，又可根据电流方向将其分为直流电场、脉冲电场和交流电场。大量研究表明，电磁环境对植物愈伤组织生长具有显著影响。在经一定电流强度的交变电场和脉冲电场处理后，烟草组织愈伤组织呈现出显著生长的现象。脉冲电场是常用的电磁辅助形式，可在特定电场强度下促进激发植物生长过程释放负离子的能力，能够促进次级代谢物的生物合成，如大豆经1.6 kV脉冲电场处理后其愈伤组织中异黄酮的浓度增加。高压静电场大多应用于植物种子的萌发，能提高种子的发芽率，目前也用于植物组织的辅助培养。高压静电处理对紫花苜蓿的外植体出愈率具有显著影响，并且可加强其木质化程度。因此，可通过调节植物组织培养过程中电磁环境实现对植物细胞生长过程的有效控制。

3）消毒

在植物组织培养过程中，微生物如真菌和细菌的污染始终是影响培养效果的主要问题。若未能妥善处理，这些污染可能导致植物培养物的死亡，从而增加研究和生产成本。污染问题通常发生在培养初期阶段，通常由植物外植体、接种工具的消毒以及培养基的灭菌不彻底所引起。此外，操作手法不规范、操作环境不达标也会在操作过程中引入污染。培养过程中，组培瓶或培养皿未密封完全，内部环境与外界接触，培养环境不合格，同样会导致污染。一般，通过严格执行操作规程和保持环境清洁可以解决由操作工具、操作过程或培养环境带来的污染问题。然而，外植体的消毒则需要通过筛选合适的消毒剂种类和消毒时间实现。

目前，植物外植体消毒常用次氯酸钠、乙醇、氯化汞、二氧化氯等消毒剂。在组织培养过程中，消毒剂成分对植物的生长影响不同，因此选取合适的消毒剂组合，可以在培养过程中有效降低培养物污染率、死亡率，增加出愈率，产生出愈快、出愈率高的愈伤组织细胞。此外，消毒时间也会影响植物生长。通常，消毒处理时间越长，消毒越彻底，但消毒时间过长也会使植物外植体受到消毒剂毒害，致使其死亡。同时，不同来源的外植体在消毒时间上也存在差异，如荸荠的主芽用次氯酸钠（2.5%）消毒的最适时间为10 min，而其侧芽的最适消毒时间为8 min。

2.2.4 立体培养法

立体培养技术，又称3D细胞培养技术，是近年来发展起来的一种新型培养方法。它采用多种材料构建三维结构空间，并将细胞植入其中在体外进行共同培养，培养过程中细胞可以在三维空间中迁移和生长，最终形成三维细胞载体复合体。立体培养通常分为支架培养和无支架培养两种途径。其中，支架培养方式更适合体外细胞培养，通过运用生物兼容性材料，借助3D打印技术构建的生物体内微生理系统（支架），能够有效地保障细胞在繁殖与生长阶段免遭外界环境的不良影响。目前，立体培养技术已在哺乳动物组织体外培养上已取得了一定的进展，部分研究成果已商用。在植物细胞培养方面，研究人员也成功地将胡萝卜愈伤组织样品分离并嵌入海藻酸盐水凝胶基质中，利用3D技术打印开发植物细胞食品。

虽然植物细胞与动物细胞具有相似性，但在立体培养技术上还存在显著差异。这些差异也为立体培养技术在植物细胞食品生产中的应用带来了新的挑战和机遇。首先，植物细胞具有全能性，这意味着单个细胞在适当的条件下可以分化成任何类型的细胞，甚至可以发育成完整的植株。这一特性为植物细胞食品的生产提供了巨大的潜力，但也要求立体培养条件必须精确控制，以确保细胞朝着期望的方向增殖分化。

其次，植物细胞壁的存在使得细胞间的相互作用和信号传递机制与动物细胞有所不同。细胞壁的存在不仅影响细胞的物理特性和加工食品的食用品质，还可能影响培养过程中营养物质和代谢产物的交换。因此，在立体培养系统中，必须考虑如何通过支架系统的优化模拟植物细胞在自然环境中的生长条件，以促进细胞的正常生长和代谢。

此外，植物细胞在培养过程中往往需要特定的激素和生长调节物质，这些物质在动物细胞培养中通常不是必需的。如何在立体培养系统中精确控制这些物质的浓度和分布，以实现高效的细胞增殖和分化，是实现植物细胞食品生产的关键。

2.3 植物细胞食品的市场展望

目前，全球植物细胞食品市场尚处于新兴领域。采用植物细胞培养技术生产植物细胞食品可通过数字化设备精准控制培养过程，最大化利用培养资源，并可配合3D打印、生物合成、人工智能等技术生产出具有特定营养、口感和外观的食品，满足人们对多样化和营养个性化食品的消费需求。同时，植物细胞食品类似微生物培养的生产过程也符合现代社会对环境保护和可持续发展的现实要求。

结语

植物细胞食品有成为可持续、环保且市场前景广阔的新型食品资源的潜力，其也为解决全球性的粮食短缺、植物资源保护以及可持续发展等重大问题提供了一个相对理想的解决方案。但在发展过程中其还面临着一些问题和挑战。

首先，植物细胞食品的培养细胞多采用愈伤组织进行诱导，愈伤组织脱分化后液泡化程度高，细胞异质性增加，易导致培养过程不稳定，使其在大规模工业生产上存在一定的困难。因此，未来可选用相对稳定的未分化的干细胞或寻找更稳定的培养体系进行组织培养，开发更全面、有效的植物细胞大规模生产工艺，使植物细胞食品的生产更快捷，节约生产成本。同时，也可通过筛选特异性植物组织资源，丰富植物细胞食品的品类，满足人们对不同植物源营养的需求。

其次，植物细胞食品的生产效率和成本与现有食物供给体系相比还存在较大差距。未来可通过生物手段优化种子细胞活力、筛选和开发低成本外源生长调节物质、研制新型发酵设备、优化生产流程等降低生产成本，提高生产效率，破解产业发展难题。此外，可通过现代食品加工技术对植物细胞食品进行风味和质构调整，提高消费者对其的接受程度。

最后，植物细胞食品作为新食品资源的食用安全性尤为重要。目前，植物细胞培养基中添加的抗生素、植物生长激素等物质和植物细胞自身生长代谢产生的有毒物质是植物细胞食品的主要安全隐患。未来，需针对不同植物细胞的生长特点开发专用的无毒或减毒培养基，并优化植物细胞培养程序，减少自身有毒物质代谢。同时，完善植物细胞作为食品资源的毒理学检验规程。

目前，国内外尚未针对植物细胞食品出台相关技术和产品标准。未来，随着产业扩大发展，可以针对行业的发展实际制定相应的植物细胞食品生产标准，规定相关操作工艺流程，明确可用于植物细胞培养的物质种类和添加剂量，以及相应的产品质量指标，规范植物细胞食品产业的发展。

作者简介

通信作者：

李冬男副教授

沈阳农业大学食品学院

李冬男，博士，沈阳农业大学食品学院副教授，农业农村部、国家林草局创新团队骨干成员，现主要从事果蔬加工及植物性天然产物利用等方面工作。兼任辽宁省健康食品营养与创制重点实验室副主任、沈阳市预制菜重点实验室副主任、天津市植物废弃物再利用技术工程中心技术委员会专家。主持及参与国家自然科学基金、国家重点研发计划、公益性行业（农业）专项、辽宁省“揭榜挂帅”项目、辽宁省重点研发计划、辽宁省自然基金面上项目、沈阳市“双百工程”项目等各级项目（课题）20余项。在国内外期刊发表论文40余篇，获得授权专利13 件，研发成果获省部级科研奖励一等奖2 项，二等奖1 项，参与项目技术转化累计为企业新增销售额42.1亿元，增收8.05亿元。

边媛媛讲师

沈阳农业大学食品学院

硕士生导师，毕业于江南大学，沈阳市高级人才，沈阳农业大学食品学院健康食品营养与创制团队骨干成员。主要从事全谷物营养功能因子及花色苷细胞水平方面的研究。主持辽宁省教育厅自然科学项目1 项，参与国家自然基金2 项，参与科技特派项目3 项，主持省级开放课题2 项。以第一作者和通信作者发表SCI 10余篇。指导本科生获得国家级创新创业项目1 项，参加省级食品创新大赛获得省级一等奖2 次、二等奖1 次、三等奖2 次。

第一作者：