综述：提高食品中植物营养素含量、稳定性和生物利用度的科技创新

《Applied Food Research》：Technological Innovations for Enhancing Phytonutrient Content, Stability, and Bioavailability in Foods

　　安娜·桑切斯·席尔瓦 | 卡乌拉·赫瓦尔迪亚 | 巴比亚卡·B·史密斯 | 乔兰塔·塞雷凯特 | 鲁塔·格鲁什基涅 | 伊菲特·伊雷姆·詹卡亚 | 伊拉里亚·兰普伦蒂 | 安东尼奥斯·克里萨格里斯 | 博伊娜·赫曼斯库马尔 | 索希尼·查克拉博蒂 | 阿卜杜勒·拉乌夫 | 玛丽娜·索科维奇 | 乔瓦娜·佩特罗维奇 | 阿卜杜勒莫奈姆·K·阿卜杜拉 | 齐纳布·艾哈迈德 | 李汉兵 | 约瑟夫·伊格纳修斯·阿佐帕尔迪 | 雷纳尔德·布伦德尔
科英布拉大学药学院，Polo III，Azinhaga de St. Comba，3000-548 科英布拉，葡萄牙

**摘要**
本综述重点介绍了旨在提高食品系统中植物营养素含量、稳定性和效力的创新策略。主要方法包括利用基因工程增强作物的生物合成途径、精准农业优化植物化学物质的生产环境条件，以及使用纳米材料来提高植物营养素的稳定性、生物利用度和吸收率。案例研究和实际应用展示了这些技术在农业和食品加工中的变革潜力。计算技术和数据驱动工具的最新进展为个性化营养提供了新的机会，使得可以根据个人健康需求调整植物营养素的摄入量。同时，这些新兴技术的实施面临重要挑战，包括监管限制、伦理考量、经济制约以及长期安全性和可持续性评估的需求。解决这些问题需要强大的跨学科合作、有效的知识共享，以及科学研究、政策制定和工业应用之间的更紧密整合。持续的技术创新对于充分发挥植物营养素在支持更健康和可持续食品系统方面的潜力至关重要。通过利用这些技术进步，植物营养素研究将在促进人口健康、支持植物性饮食以及构建更加可持续和有韧性的食品系统中发挥关键作用。

**1. 引言**
植物营养素（植物化学物质）是植物产生的化合物，有助于植物抵御紫外线、害虫和微生物的侵害；当它们被纳入人类饮食中时，可以支持健康（Minich，2019）。这些营养素存在于水果、蔬菜、豆类、坚果和全谷物中，具有抗氧化、抗炎、调节免疫系统和保护神经的作用，有助于降低慢性疾病的风险（Janciauskiene，2020）。其主要作用机制之一是中和由新陈代谢或环境暴露产生的活性氧（ROS）；过多的ROS会导致氧化应激，损害DNA、蛋白质和脂质，并增加患癌症、糖尿病、心脏病和神经退行性疾病的风险（Minich，2019；J. Yang等人，2024）。不同类别的植物营养素具有不同的作用。多酚（包括黄酮类）和类胡萝卜素具有抗氧化作用。例如，胡萝卜和红薯中的β-胡萝卜素是维生素A的前体，对视力 and 免疫系统至关重要（Khoo等人，2011）。许多植物营养素还能减轻炎症，而炎症是关节炎、肥胖、代谢综合征和某些癌症的诱因（Khoo等人，2011；Furman等人，2019）。例如，姜黄中的姜黄素和存在于浆果、茶叶及柑橘类水果中的黄酮类化合物可以抑制炎症通路；姜黄素可针对类风湿性关节炎的多个分子通路并可能降低患炎症性肠病的风险（El-Saadony等人，2023；Peng等人，2021）。其他生物活性物质也具有抗癌效果，如十字花科蔬菜中的异硫氰酸盐和吲哚类化合物可以抑制肿瘤生长、增强解毒酶并促进异常细胞的凋亡（Peng等人，2021；Mitra等人，2022）。来自葡萄和红葡萄酒的白藜芦醇也被认为具有抗癌活性（Gehm等人，1997）。对于心脏健康，浆果中的花青素可以改善血管功能、降低血压并减少低密度脂蛋白的氧化（Mattioli等人，2020），而可可类黄酮可以提高一氧化氮的可用性和内皮细胞功能（Engler & Engler，2006；Ludovici等人，2017）。绿茶中的多酚具有神经保护作用，可通过减少大脑炎症和氧化应激、改善血流以及调节神经递质来降低阿尔茨海默病的风险（Nehlig，2013；Rudrapal等人，2022）。像叶黄素和玉米黄质这样的类胡萝卜素有助于老年人的大脑和视觉功能（Abdel-Aal等人，2013）。

将植物营养素从农田保持到餐桌的完整性变得具有挑战性。 farming 实践、加工和储存过程会改变其含量和生物利用度（Liu等人，2025）。过度使用合成肥料和农药会降低植物营养素含量，而环保的有机方法可能会增加其含量，尽管有机选项成本更高且供应有限（Rani等人，2023）。如漂白、研磨和罐装等加工步骤会降解对热或水敏感的化合物，如维生素C和多酚（Tiwari等人，2013；Bamidele等人，2017）。冷冻干燥和真空密封等技术能更好地保存营养素，但成本较高且难以大规模应用（McElhatton等人，2007；Tiwari等人，2013；O. P. Bamidele等人，2017）。同时，尤其是城市和低收入人群中超加工食品的普及，呼吁制定促进新鲜农产品和全谷物消费的政策（Lohita & Srijaya，2024；Stein等人，2025）。气候变化由于二氧化碳浓度升高、温度变化和降雨不稳定而带来压力，这些因素会改变植物的新陈代谢，从而降低抗氧化剂和多酚的产量（Tabari，2020）。为了保护植物营养素的供应，需要耐气候变化的作物、可持续的 farming 方法以及以植物性食品为主的饮食。总之，植物营养素通过降低氧化应激和炎症以及调节多种生物通路来支持健康。通过可持续农业、改进的加工方法和向全植物性食品转变的饮食方式，保护食物系统中的植物营养素对于公共卫生和食物系统的韧性至关重要。

本综述旨在探讨并批判性地评估最近提高食品中植物营养素含量、稳定性和生物利用度的技术进步。它旨在识别基因工程、精准农业和纳米技术等创新方法，并评估它们的实际应用和广泛采用的潜力。此外，综述还将讨论这些技术对公共卫生的影响，包括它们在预防慢性疾病和改善全球营养方面的作用。通过应对挑战、伦理考量和前景，本综述旨在提供关于技术创新如何为更健康和可持续的食物系统做出贡献的全面概述。它旨在激励食品科学和营养领域的进一步研究和合作。

**2. 提高植物营养素的技术进展**
**2.1. 增强作物中植物营养素合成的工程技术**
通过向食品中添加营养素来提高作物中的植物营养素含量是一种改善人类健康的有前景的方法。本节将介绍能够有针对性地增强这些化合物的农业中最创新的方法，包括与植物生物技术和基因工程相关的方法。表1列出了用于增强作物中植物营养素生产的主要工程技术。

| 技术 | 原理 | 优点 | 局限/权衡 | 相对成本与效率 | 监管考量 | 典型应用 |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| 传统代谢工程 | 通过引入或修饰基因来改变代谢途径并增加目标化合物的合成 | 已经成熟；适用于复杂的代谢变化 | 花费时间；可能涉及多个基因插入；可能存在代谢失衡 | 中等到高昂的成本；适用于途径重建，但开发时间较长 | 用于生产类胡萝卜素、黄酮类和维生素（例如，黄金大米中的β-胡萝卜素） |
| CRISPR/Cas9基因编辑 | 通过靶向DNA编辑精确修饰内源基因 | 高精确度；开发速度快；可以增强或抑制特定基因；优化后几乎无脱靶效应 | 限于现有的代谢能力，除非结合基因插入；需要技术专长 | 通常被视为非转基因；在某些地区无需额外监管批准 | 用于增强内源性植物营养素途径、耐逆性和产量特性 |
| 转录因子工程 | 调节控制多条代谢途径的转录因子 | 可同时调节多个生物合成基因；有效激活协调的代谢途径 | 可能存在多效性效应；难以预测下游反应 | 成本适中；如果了解调控网络，则效率较高 | 通常与基因修饰类似处理 |
|RNA干扰（RNAi） | 通过转录后调控沉默基因 | 适用于抑制竞争性代谢途径；相对 targeted | 基因沉默是暂时的或可变的；跨代稳定性问题 | 成本适中；效率取决于基因表达的稳定性 | 通常被视为转基因 |
| 合成生物学方法 | 使用工程基因电路设计新的或优化的代谢途径 | 高度可定制；能够生产新的或优化的化合物 | 技术复杂；需要广泛的代谢建模和验证 | 初始成本高，但优化后可能非常高效 | 用于在工程微生物中生产高价值植物营养素，优化途径以提高化合物产量，开发新的生物活性成分，创造具有改良营养特性的功能性食品 |

**2.1.1. 代谢工程**
代谢工程涉及修改植物代谢中的特定途径以增加植物营养素的合成。这可以通过沉默竞争途径、过表达关键酶或引入其他物种的新生物合成基因来实现。例如，过表达参与苯丙烷酸途径的基因已被用于提高番茄和浆果中的黄酮含量（Jaakola等人，2002；Giuntini等人，2008；Kahlau & Bock，2008；Zhou等人，2024）。类似地，通过引入细菌基因增强类胡萝卜素合成，已经开发出富含维生素A前体的黄金大米（Beyer等人，2002）。

**2.1.2. 基因组编辑技术**
CRISPR/Cas9等基因组编辑工具的出现彻底改变了作物改良，实现了在DNA水平上的精确修饰。这些技术用于敲除植物营养素途径的负面调节因子或抑制因子，激活关键生物合成基因，或编辑调控序列以改善基因表达。例如，编辑控制花青素合成的转录因子MYB或bHLH可以显著增加水果和蔬菜中的色素含量（Zhang等人，2013；Yan等人，2021；Li等人，2022；H. Yan等人，2021；Y. Zhang等人，2013；S. Li等人，2022）。

**2.1.3. 转录因子工程**
改变控制整个生物合成途径的转录因子是增加植物营养素积累的有效方法。通过过表达主要调节因子或工程化合成转录因子，科学家可以诱导多个参与植物营养素合成的基因的协调表达。Butelli等人（Butelli等人，2008）报告称，共同表达两种转录因子可以在番茄中激活完整的花青素合成途径，从而显著增加黄酮的积累。因此，主要调节因子被认为能够重新编程代谢流向以促进植物营养素的产生。此外，Liu等人（2014）表明，过表达特定MYB转录因子可以在地中海地区的豆科植物Medicago truncatula中激活多个花青素生物合成途径的基因。这支持了主要调节因子可以在次级代谢中产生广泛变化的观点。

**2.1.4. 合成生物学**
合成生物学将工程原理与生物学结合，设计和构建新的生物系统（Lv等人，2021）。这种方法旨在优化产量、耐逆性、营养含量和其他有价值的性状，以开发更可持续和多功能的作物品种。在植物营养素增强方面，这包括构建合成代谢途径和人工基因电路，或将微生物的生物合成簇引入植物基因组（D. Zhang等人，2025）。这些方法可以创造出能够产生新型或高浓度有益化合物的作物。

**2.1.5. 微生物组工程**
越来越多的证据表明，与植物相关的微生物组在调节植物营养素水平方面起着作用。通过接种有益微生物或选择刺激次级代谢的微生物组来改造根际环境是一种补充遗传修饰的方法（Hakim等人，2021；Chevrette等人，2022；Orozco-Mosqueda等人，2022）。然而，在开阔田地条件下，工程化或接种的微生物组的长期稳定性可能因环境波动、土壤特性和本地微生物竞争而变化，而在温室等受控环境中通常能更稳定地建立（Niamah等人，2024；Tripathy等人，2025）。

**2.1.6. 标记辅助和基因组选择**
虽然不完全属于基因工程，但标记辅助选择（MAS）和基因组选择使用分子工具加速具有改良营养特性的作物品种的开发（De Mori & Cipriani，2023）。对于难以直接测量或耗时的性状（如微量营养素组成、抗氧化能力或耐逆性），MAS特别有价值。通过靶向与这些性状相关的特定基因组区域，MAS可以在育种周期中更高效地选拔，并缩短开发改良品种所需的时间。这种方法已广泛用于主粮作物的生物强化，包括开发富含类胡萝卜素、多酚化合物和其他抗氧化分子的玉米和小麦品种（Khoshro等人，2023；Chachar等人，2024）。基因组选择代表了分子育种的进一步发展。与MAS不同，GS利用全基因组标记信息来预测单个植物的育种价值，而MAS仅关注与特定基因相关的有限数量的标记。这种策略对于复杂的性状（如植物营养素的积累）特别有用，因为这些性状通常受多种基因控制，并受到环境因素的影响。通过将高通量基因分型与统计预测模型相结合，基因组选择可以显著提高育种计划的效率，并加速营养增强型作物品种的开发。这些分子育种方法已经有助于改善了多种作物的营养状况，包括含有更高浓度酚类化合物的小麦和富含维生素A前体类胡萝卜素的玉米。随着基因组技术变得越来越易于获取且成本效益更高，将机器学习（MAS）和基因组选择（GS）整合到传统育种计划中预计将在开发具有更高植物营养素含量和更强健康促进潜力的作物中发挥越来越重要的作用（Collard & Mackill, 2008; Crossa et al., 2017）。

2.2. 精准农业用于优化植物营养素生产的条件
利用尖端技术来最大化作物产量和质量，从而提高食品质量，精准农业是一系列在农业领域有广泛应用的各种栽培实践的集合。精准农业通过使用多种技术或诊断工具（包括产量监测器、地理信息系统（GIS）、全球导航卫星系统（GNSS）、近红外反射率传感和遥感等）收集和分析田间空间变异性数据，打开了农业产出的新世界（Arnó et al., 2009）。控制水分和养分管理，以及优化光照、温度和气候条件，可以显著影响植物的新陈代谢。这使得农业实践能够提高作物产量并增加植物营养素含量。实施这些技术的目标是提高农业操作的可持续性、盈利能力和效率。传感工具提供了进行特定地点管理所需的信息，并有助于评估作物生物量、杂草竞争、养分状况和土壤特性（Daponte et al., 2019）。精准农业是农业的未来，通过采用它，农业实践将实现最佳作物产量，并由于植物营养素水平的提高而改善食品的营养价值。Gebbers和Adamchuk（2010）证明，精确的养分管理技术可以同时提高农业生产力以及收获作物的营养状况。

植物中存在的植物营养素生物活性化合物因其抗氧化活性和在疾病预防中的潜在作用而越来越受到关注（Marinello et al., 2023）。为了最小化这些损失，有必要优化栽培实践、采后处理和加工技术，同时考虑影响植物营养素水平的植物生理因素。在增加植物营养素生产方面，最重要的因素之一是光照条件的调节。某些光谱已被证明会影响多种作物的生长和植物营养素组成。例如，Teng等人的一项研究表明，远红光可以增加芥菜的生物量和总花青素含量（Teng et al., 2024），这表明为了提高植物营养素水平，生长条件需要根据品种和生长阶段进行定制。使用不同的光照处理（包括不同比例的红光、绿光和蓝光LED以及白光和环境光）在受控条件下培育了苋菜微绿叶蔬菜。LC-MS/MS分析显示，LED照明提高了维生素E和C以及类胡萝卜素的含量（Trandel-Hayse et al., 2025）。与人工生长室或温室条件相比，使用高达848 μmol m-2 s-1的光合光子通量密度可以增加羽衣甘蓝微绿叶蔬菜的类胡萝卜素（以及整体植物化学物质的强化）含量和产量（J. B. M. Silva et al., 2025）。通过各种技术操纵光照特性可以影响叶类蔬菜和水果中的植物化学物质的生物合成和积累。在辣椒果实中，研究表明，使用LED在特定波长下照射辣椒植物可以选择性地刺激目标代谢产物的产生（Jiménez-Viveros et al., 2023）。LED提供了精确调节杂草生长和增强植物营养素积累的机会，在受控条件下优化了质量和生产力。Dou等人（2017）回顾的大多数杂草物种在红光补充蓝光时表现出显著的植物产量增加。但是，当蓝光比例达到某个阈值（该阈值因物种而异）时，植物产量会显著下降。此外，这些研究表明，与白光或阳光相比，暴露于红光、蓝光和紫外线（UV）下的多种杂草含有更高浓度的精油和酚类化合物。这转化为抗氧化能力的提高。通过精准农业，可以有效地施用肥料，确保作物获得生长所需的理想养分量。借助GPS地图和土壤传感器等技术，可以根据田地内不同地点的需求差异来施用肥料。这种定制策略降低了过度施肥的可能性，从而避免养分失衡和降低食品质量。客户直接从中受益，因为这保证了水果和蔬菜等作物含有更高的维生素和矿物质含量（Fereres & Soriano, 2007; Del Grosso et al., 2008）。

植物的代谢特征受到土壤类型、微气候、季节、遗传背景和栽培技术等因素的影响，施肥管理也起着重要作用。植物组织中的矿物质积累是代谢途径的关键组成部分，对营养和生化特性有着重要贡献。可以通过多种方法（包括叶面施用、直接土壤或水培补充以及管理矿物质可用性和拮抗作用）来富集植物中的矿物质（Chrysargyris & Tzortzakis, 2025）。即使在环境限制下，过量使用化学肥料或不当施用富含矿物质的肥料或有机物（尤其是含有重金属的）也会对作物产量、食品质量和安全性产生负面影响（Alengebawy et al., 2021）。在受控的水培条件下，包括药用和芳香植物在内的植物生长、产量和质量高度依赖于必需大量营养素的准确供应，特别是氮（N）、磷（P）和钾（K）（Chrysargyris et al., 2017）。对于具有治疗特性的植物品种来说，施用定制的营养溶液至关重要。当Origanum dubium植株在不同肥料浓度下栽培时，施用75 mg/L氮的植株显示出总酚类化合物和抗氧化能力的增加，而施用更高氮水平的植株则表现出磷、钠和铜含量的升高，同时提高了水分利用效率。相反，最高氮水平的应用增加了植物组织中的氮积累和总黄酮含量（Chrysargyris & Tzortzakis, 2025）。最近的一项研究（de Oliveira et al., 2023）表明，当三色堇和紫罗兰的可食用花朵在水培条件下用不同浓度的镁和/或锰栽培时，花朵的化学和营养成分以及多种体外生物活性都受到了处理的影响。研究发现，紫罗兰和三色堇花朵具有优良的矿物质、营养、酚类和生物活性特性，使其成为食品行业的有前景的替代来源，适用于天然或加工产品或直接食用。值得注意的是，高镁（+Mg）处理增加了两种花朵中的总酚类化合物含量，其中主要化合物Quercetin-3-O-rutinoside在+Mg处理下达到了最高水平。

精准施肥不仅仅是简单地优化植物营养；它需要复杂的传感器技术来根据植物的营养需求调整培养基（土壤或水培液），并利用植物养分吸收情况来评估和评价一系列生长和代谢特征。植物的生命周期对其营养组成有显著影响，精准施肥应根据培养基中现有的养分平衡、植物和培养基中的化学物种和平衡、植物养分吸收及其观察到的生理状态来调整养分供应（F. M. Silva et al., 2024）。这些研究为通过精准栽培实践（如水培）优化养分和矿物质应用提供了关键见解，不仅强调了生长加速，还强调了植物营养和生化特性的增强。精准施肥的一个主要挑战是准确测量肥料组成、养分吸收和化学环境，并使用新型功能材料实现受控制的养分释放。常用的技术包括比色法、离子选择性电极、光电极、化学传感器和光学光谱（F. M. Silva et al., 2024）。在农业中，水是一种重要的资源，生产高质量作物依赖于其高效利用。精准灌溉系统（如滴灌和自动喷灌）依靠传感器和气象数据在理想的时间提供适量的水。这种精确性有助于保持理想的土壤湿度，避免过度浇水和水分胁迫，这两种情况都会对蔬菜质量产生负面影响。精准灌溉不仅节约用水，还能通过维持恒定的湿度水平来提高作物质量，这对于生产营养丰富的高质量产品至关重要（Fereres & Soriano, 2007）。例如，保持理想的土壤湿度可以增加果实糖分含量并改善蔬菜的质地和大小（Robertson & Swinton, 2005; Mulla, 2013; Chrysargyris & Tzortzakis, 2025）。精准农业已经经历了多个发展阶段，从传统的基于土壤的实践发展到使用网格采样和管理区的特定地点作物管理，再到最近使用地面传感器的实时监测。未来的挑战在于开发能够在单株水平上实现农业投入个性化管理的技术（Mulla, 2013）。作为最大的淡水资源消费者，农业部门必须明智地管理水资源。这在面临水资源短缺和水质下降的地区尤为重要（Chrysargyris & Tzortzakis, 2023）。精准农业极大地改进了作物和农业系统的监测方式，使农民能够更有效地管理资源并更快地应对田间变化。然而，仍需要能够在非常早期阶段检测到细微生物学、化学和环境变化的技术。在这方面，纳米传感技术因其能够提供高灵敏度和快速检测的能力而受到越来越多的关注。通过将纳米材料整合到传感平台中，这些系统可以更准确地监测植物健康、土壤条件和潜在污染物，进一步增强了精准农业的能力。

图1
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图1. 植物性营养素的主要来源，即存在于植物性食物中的生物活性化合物。每种类型的植物性营养素都具有独特的健康益处，因此摄入多样化的植物性食物以充分发挥其优势非常重要。

2.3. 纳米材料用于提高植物营养素的稳定性、生物利用度和吸收
2.3.1. 植物或作物应用
纳米技术的进步正在革新农业和食品系统，为长期存在的挑战提供创新解决方案。纳米材料的引入正在通过替代传统肥料、农药和生物传感器来改变传统做法。此外，纳米技术还改进了微量营养素的管理和保存技术，有助于生产保质期更长的营养丰富食品。由于纳米粒子具有较大的表面积以及出色的机械、热和光学性能（Baraketi & Khwaldia, 2024），它们在农业和食品技术中越来越有价值，特别是在精准农业、纳米传感、植物病害控制、作物保护以及促进植物生长、产量和质量方面（图2）。

2.3.1.1. 精准农业和纳米传感
精准农业是农业纳米技术中一个快速发展的领域，采用地理信息系统（GIS）和全球定位系统（GPS）等技术来密切监测和优化农业实践。这种方法强调高效利用资源的同时尽量减少环境影响。精准农业通过评估关键环境参数并采取精确干预措施来提高农业生产力。它旨在实现更高的产量，同时显著减少对农用化学品的依赖（Khattak et al., 2024）。此外，它还旨在平衡生产力和植物化学物质的积累，而不仅仅是简单地减轻环境压力。事实上，当管理得当时，精准农业可以作为一种工具，战略性地诱导有利于植物营养素生产的条件，同时保持可持续的作物产量。将GPS与大面积农田结合使用，可以实现土壤条件、植物生长过程、养分管理和施肥实践的精确调整（A. Yadav et al., 2023）。这种有针对性的方法有助于降低成本，同时提高整体生产力。此外，通过精准农业减少农业废弃物也有助于降低环境污染（Duhan等人，2017年）。传感器技术是精准农业不可或缺的一部分，能够检测农业污染物、微生物负荷，并监测温度、湿度和可追溯性等关键参数。特别是纳米传感器可以实时提供关于土壤状况、植物健康和环境因素的高度敏感信息（Khattak等人，2024年）。纳米传感器能够识别土壤湿度、营养成分和pH值的微妙变化，使农民能够基于数据做出有关灌溉、施肥和害虫管理的明智决策（M. Yadav等人，2024年）。此外，纳米生物传感器能够在极低浓度下检测病原体，从而实现及时和有针对性的疾病管理（Wahab等人，2024年）。最近的研究进展强调了使用纳米载体（如壳聚糖纳米颗粒、纳米脂质体和阳离子树状大分子）来增强RNA干扰（RNAi）分子的递送，以实现可持续的作物保护。通过针对害虫的关键基因，这些系统提高了RNAi的效率，有效地沉默了特定基因并减少了害虫数量，为先进的害虫管理策略铺平了道路（S. Yan等人，2021年）。金纳米颗粒被广泛用于诊断领域，作为特异性识别病原体的抗体标签，从而提高了检测设备的准确性和效率（Kulabhusan等人，2022年）。2022年，Jia等人展示了纳米颗粒在毒素检测方面的潜力，他们开发了一种能够识别蓖麻毒素、葡萄球菌肠毒素B（SEB）和肉毒杆菌神经毒素A型（BONT/A）的生物传感器。该创新系统使用SiO?包覆的金纳米颗粒构建了表面增强拉曼散射（SERS）侧向流动免疫测定生物传感器条带，对蓖麻毒素的检测限达到0.1 ng/mL，对SEB的检测限达到0.05 ng/mL，对BONT/A的检测限达到0.2 ng/mL。这种纳米生物传感器还具有更广泛的应用前景，包括毒素检测和预防生物恐怖主义威胁。

准确的病原体识别对于有效的植物疾病管理至关重要。先进的诊断技术（通常称为“纳米诊断”）利用纳米生物传感器来检测病原体。基于金纳米颗粒的纳米生物传感器已被用于识别农业恐怖主义活性物质和诊断植物疾病，从而实现及时干预并改善作物健康（H. S. Ali等人，2021年；Virk等人，2024年）。

2.3.1.2. 促进植物生长和作物产量及品质
解决粮食安全问题是一个紧迫的需求，因为作物产量减少会显著影响农民的身体和心理健康。为了应对2010年作物热量供应与2050年预测需求之间的56%差距，需要增加农业生产和采取减少收获后损失的策略。纳米技术为此提供了解决方案。通过纳米生物技术工具，研究人员可以通过修改基因或创造新的生物体来提高作物产量、抗虫害和疾病能力以及环境可持续性（Kataria等人，2024年）。

二氧化锰（Mn?O?）纳米颗粒已被证明可以增强黄瓜植物的光合色素、净光合作用和生物量积累。以每株植物1毫克的应用量进行叶面喷洒时，这些纳米颗粒增加了关键代谢物，增强了植物的抗氧化系统并减缓了盐胁迫（Lu等人，2020年）。同样，生物强化策略（包括应用Cu、Fe、Se和Zn等纳米颗粒）在保持可持续性的同时提高了作物的微量营养素含量。如叶面喷洒和种子预处理等技术可以改善养分吸收并防止毒性，从而提高作物产量和品质（Kapoor等人，2022年）。纳米营养物质（Cu、Fe、Se和Zn）在生物强化中的应用受到多种因素的影响，包括防止毒性的最佳纳米剂量、应用方法和制备方式以提高效率、选择能够最大化养分吸收的生长介质、使用控释纳米肥料以确保持续的养分供应，以及开发可持续的涂层材料以改善养分利用并减少环境影响（El-Ramady等人，2021年）。

铜和硒纳米颗粒进一步展示了纳米技术的潜力。铜纳米颗粒在压力下可以增强黄酮类和类胡萝卜素的水平，改善洋葱的矿物质吸收，并提高番茄的品质；而硒纳米颗粒则可以提高番茄、花生和石榴的产量（Hernández-Hernández等人，2019年；González-García等人，2021年）。氧化锌纳米颗粒作为有效的纳米肥料，可以丰富缺锌土壤，提高光合作用效率、根系发育和种子发芽率（Yusefi-Tanha等人，2020年；El-Ramady等人，2021年）。纳米肥料（包括沸石基变体）提供可控的养分释放，减少环境损失并提高效率。研究表明，与传统肥料相比，使用这些肥料可以大幅降低施用量（Hanif等人，2024年）。根据养分或载体类型的不同，纳米肥料代表着促进作物生长和韧性的可持续创新（Jakhar等人，2022年；Gade等人，2023年）。

尽管纳米材料带来了许多好处，但其在农业上的应用常常受到毒性的限制，这突显了需要无毒、生物相容性和可生物降解的替代品。因此，包括壳聚糖、纤维素和淀粉在内的各种生物聚合物被用来开发生物聚合物纳米颗粒（Vodyashkin等人，2022年）。在这方面，水杨酸-壳聚糖（SA-CH）纳米颗粒被证明可以通过增强关键生理过程来提高小麦的生产力。SA-CH纳米颗粒表现出持续的释放效果，提高了种子发芽率、幼苗活力和抗氧化酶活性，同时减少了氧化应激。光合作用效率的提高体现在叶绿素水平的提升上，从而增加了穗长、小穗数量和谷物产量（Kadam等人，2021年）。

2.3.1.3. 控制植物疾病和保障作物保护
纳米技术在推进农业中的害虫和疾病管理方面发挥着关键作用，它实现了农药和除草剂的精确、针对性递送。与传统方法不同，传统方法往往导致化学物质的过度使用和环境污染，而纳米技术提高了效率并减少了对有益生物的伤害（Wahab等人，2024年）。这是通过纳米配方的生物农药实现的，活性成分被装载到各种纳米载体中，如金属、金属氧化物、非金属氧化物、聚合物、碳和脂质中，使用封装、吸附、附着或捕捉等技术（Anjaneyulu等人，2024年）。这些纳米载体能够控制活性成分的逐渐释放，可以仅在目标害虫产生的特定酶存在下激活，从而确保最小的环境影响（A. Kumar等人，2022年）。例如，Sharma等人（2024年）开发了基于碳点的纳米载体，通过虫类的足柄孔更有效地传递杀虫剂，使杀虫剂的效力提高了25%，并确保超过85%的活性成分可以在大豆叶片上被吸收。

生物聚合物纳米颗粒提供了活性成分（如除草剂、杀菌剂和杀虫剂）的控制性和持续的释放，直接作用于目标害虫，从而提高其效果。开发控释配方对于满足全球环境和生物多样性法规尤为重要。这些环保型纳米农药需要的剂量更低，减少了渗漏，并确保对非目标生物的安全性。它们的可控释放和抗光降解性优化了害虫控制，同时其可生物降解和生物相容性的特性通过促进微生物活动和产生堆肥来支持土壤健康，使其成为活性农用化学品的理想载体（R. Kumar等人，2022年）。壳聚糖纳米颗粒对引起水稻鞘枯病的病原体Rhizoctonia solani表现出强烈的抗真菌活性。它们的应用显著增强了防御酶（包括过氧化物酶、苯丙氨酸氨裂解酶和壳聚糖酶）的活性，提高了植物免疫力，在离体叶片试验中抑制了高达90%的病害，在温室条件下抑制了75%的病害（Divya等人，2020年）。同样，基于壳聚糖的纳米杀菌剂同时作为六氢苯并噻唑和对甲氧基甲基嘧啶的生物杀菌剂和纳米载体，有效控制了由Ganoderma boninense引起的油棕茎基腐病。最有效的配方（5纳米壳聚糖-六氢苯并噻唑-对甲氧基甲基嘧啶纳米颗粒）实现了74.5%的病害减少，展示了这种双杀菌系统的协同潜力（Maluin等人，2020年）。Zhang等人（2022年）开发了一种使用聚（乙烯醇）-缬氨酸的环保型纳米凝胶递送系统，用于装载苯乙烯菌胺，即使在极端条件下也能保持高稳定性，并将紫外线半衰期延长3.3倍。这种纳米配方增强了针对Plutella xylostella的生物活性，通过乳痂酶触发在害虫消化系统中的按需农药释放，实现了持续的害虫控制。类似地，二氧化硅纳米胶囊（SNC）和聚（乙烯亚胺）涂层的SNC被设计用于通过封装fipronil来控制白蚁群体，实现持续和有针对性的农药释放。这些纳米颗粒表现出高封装效率和缓慢的农药释放，使得白蚁能够在整个群体中分布有毒物质，尽管白蚁的抵抗机制阻碍了完全消灭群体（Peters等人，2019年）。

尽管基于生物聚合物的纳米产品具有巨大潜力，但其在农业中的商业化仍受到限制。这主要是由于缺乏足够的田间试验、先进的设施以及明确的监管框架。广泛的田间测试至关重要，因为实验室或温室结果往往无法复制现实世界条件（R. Kumar等人，2022年）。此外，在维持一致粒子特性的同时扩大生产仍存在挑战，而且相关的生产成本通常高于传统配方。关于纳米产品安全评估的监管不确定性进一步复杂化了它们的市场引入。此外，还需要进一步研究以更好地了解它们的长期环境影响，并确保在田间条件下的可靠性能。

2.3.2. 食品加工应用
多种植物营养素被用作食品添加剂。它们可以改善食品的颜色、口感、质地、风味和营养价值（Zang等人，2023年）。添加某些植物化学物质赋予食品功能性，即除了营养价值之外，食品还能有益于身体功能。功能性食品可以改善健康和福祉，并降低疾病风险。然而，功能性食品仍然是食品的一部分，作为正常饮食的一部分被消费（Meléndez-Martínez等人，2021年）。许多植物营养素在水中溶解度低，且在光照或高温下不稳定。这些物理化学性质导致其在人体内的生物可利用性和生物利用度较低，限制了它们的商业应用。纳米封装是解决这些问题的理想方法。为此，使用了各种纳米封装技术和众多载体材料（Assadpour & Mahdi Jafari，2019年；Xie & Chen，2023年；Yammine等人，2023年）。从表2中的例子可以看出，封装各种植物营养素可以确保这些化合物在光照和储存条件下的更高光稳定性和长期稳定性。这些研究强调了纳米封装及相关递送系统在改善不同类别植物化学物质稳定性方面的有效性。总体而言，这些方法一致地提高了生物活性化合物的保留率，相比自由形式。

表2. 关于纳米封装稳定植物化学物质的关键发现
| 植物化学物质 | 稳定方法 | 载体材料 | 主要发现 | 参考文献 |
|------------|-----------|------------|---------|-----------|
| 酚类化合物 | 复合物法 | 壳聚糖-α-乳白蛋白 | 在紫外线光照下120分钟后，43.8%的自由RES和85%的纳米封装RES保持不变。85°C下加热300分钟后，46.6%的自由RES和85.9%的纳米封装RES保持不变。（Y. Liu等人，2020年；Y. Liu等人，2020年） |
| | 复合物法 | Kafirin或kafirin-β-乳球蛋白或kafirin-酪蛋白 | 在365纳米下照射120分钟后，Kafirin、Kafirin/β-乳球蛋白和Kafirin/酪蛋白颗粒中分别保留了53%、55%和62%的RES。60%的自由RES丢失。（Khan等人，2019年；Khan等人，2019年） |
| | 复合物法后加热 | 卵白蛋白-羧甲基纤维素 | 在紫外线光照（1小时，365纳米）下，超过70%的自由RES异构化，65%的封装RES保持不变。（Xiong等人，2019年；Xiong等人，2019年；Xiong等人，2019年） |
| | 电喷雾法 | 丝素纤维-蛋壳膜蛋白 | trans-RES的热稳定性和光稳定性取决于流速、电压和丝素纤维浓度。（Bayraktar等人，2021年；Bayraktar等人，2021年；Bayraktar等人，2021年） |
| | 共凝聚法 | 牛血清白蛋白 | 在室温下储存12周后，5%的RES丢失。（Fonseca等人，2017年；Fonseca等人，2017年；Fonseca等人，2017年） |
| | 钙诱导交联法 | 豌豆蛋白分离物 | 在85°C下120分钟后，大约40%的自由RES和95%的封装RES保持不变。（Fan等人，2020年；Fan等人，2020年；Fan等人，2020年） |
| | 抗溶剂沉淀法 | 凝乳酶纤维-酪蛋白 | 在25°C下20天后，大约34%的自由RES和76.5%的封装RES保持不变。在紫外线光照（120分钟，365纳米）下，42%的自由RES和56%的封装RES保持不变。（Huang等人，2025年） |
| | 纳米乳液（O/W） | 大豆油； zein-聚甘油共轭物 | 在25°C的黑暗条件下34天后，大约88%的封装RES和74%的自由RES保持不变。在光照条件下3天后，大约84%的封装RES和68%的自由RES保持不变。（Zhu等人，2021年） |

2.3.3. 提高植物营养素的生物利用率
多种植物营养素被用作食品添加剂。它们可以改善食品的颜色、口感、质地、风味和营养价值（Zang等人，2023年）。添加某些植物化学物质赋予食品功能性，即食品除了营养价值外，还能有益于身体功能。功能性食品可以改善健康和福祉，并降低疾病风险。然而，功能性食品仍然是食品的一部分，作为正常饮食的一部分被消费（Meléndez-Martínez等人，2021年）。许多植物营养素在水中溶解度低且在光照或高温下不稳定。这些物理化学性质导致其在人体内的生物可利用性和生物利用度较低，限制了它们的商业应用。纳米封装是解决这些问题的理想方法。为此，使用了各种纳米封装技术和多种载体材料（Assadpour & Mahdi Jafari，2019年；Xie & Chen，2023年；Yammine等人，2023年）。从表2中的例子可以看出，封装各种植物营养素可以确保这些化合物在光照和储存条件下的更高光稳定性和长期稳定性。这些研究强调了纳米封装及相关递送系统在改善不同类别植物化学物质稳定性方面的有效性。总体而言，这些方法一致地提高了生物活性化合物的保留率，相比自由形式。大约45%和30%的包封和游离形式的Anth在90°C下放置2.5小时后仍然存在。（Fang等人，2024年）
固体脂质纳米颗粒：棕榈酸、Span 85、卵磷脂
在40°C和pH 7.4的条件下放置150小时后，分别有大约60%和10%的包封和游离形式的Anth。(Ravanfar等人，2016年)
纳米复合物：酪蛋白-羧甲基纤维素
经过7天的光照处理后，分别有超过50%和10%的包封和游离形式的Anth得以保留。(Cui等人，2022年)
纳米纤维：丝素蛋白
Anth在80°C和90°C下的半衰期分别为79.39分钟和44.09分钟；在80°C和90°C下，包封形式的Anth的半衰期分别为133.50分钟和85.36分钟。(Ma & Jing，2019年)
通过复合作用制备的纳米颗粒：支链淀粉
在90°C下放置4小时后，有超过30%的Anth和超过60%的包封形式Anth得以保留。(Tong等人，2019年)
槲皮素(Que)
纳米复合物：豌豆蛋白分离物-高甲基化果胶
在85°C下放置15分钟后，游离形式的Que的保留率为15%；而包封形式的Que在pH 5时保留率为50%，在pH 6时保留率为70%。在紫外线照射下，游离形式的Que会在15分钟内降解；包封形式的Que在pH 5时保留率为70%，在pH 6时保留率为85%。(J. Li等人，2022年)
脂质体：来自大豆卵磷脂的磷脂酰胆碱（纯度90%）
在pH 7.4的黑暗环境中，只有15%的Que得以保留；在pH 7.4的条件下放置超过60天后，脂质体中的Que保留率为65-90%。(Crnivec等人，2024年)
纳米胶束：藜麦蛋白-莲根支链淀粉
Que的保留率取决于各组分的质量比，在4°C下放置6个月（质量比为2.5:6:24，即Que:蛋白:支链淀粉）时，保留率为65.4%。(K. Liu等人，2022年)
纳米复合物：大豆蛋白分离物-氧化岩藻多糖
在紫外线照射90分钟后，约78%的包封形式和约35%的游离形式Que得以保留；与游离形式相比，包封形式的Que在60°C、75°C和90°C下的热稳定性更高。(S. Yang等人，2025年)
通过复合作用制备并随后冻干的纳米颗粒：玉米醇溶蛋白-羧甲基葡糖
在65°C下放置30分钟后，游离形式的Que保留率为52.3%，包封形式的Que保留率为85%。(M. Zhang等人，2023年)
通过反溶剂沉淀法制备的纳米颗粒：玉米醇溶蛋白-大豆多糖
在紫外线照射（363纳米，150分钟）后，约有45%的游离形式和90%的包封形式Que得以保留。(H. Li等人，2019年)
姜黄素(Cur)
通过热处理制备的纳米颗粒：草豌豆蛋白分离物-阿利苏姆同果种籽胶
在紫外线照射90分钟后，游离形式的Cur保留率为49.84%，包封形式的Cur保留率为73.02%；在85°C下进行90分钟的热处理后，游离形式的Cur保留率为7%，包封形式的Cur保留率为51.71%。(Ghobadi等人，2021年)
通过pH值调整法制备的纳米颗粒：漆酶交联的乳铁蛋白-表没食子儿茶素没食子酸酯加透明质酸
在80°C下，游离形式和包封形式的Cur的半衰期分别为100.06分钟和934.61分钟；光稳定性也有所提高，游离形式和包封形式的Cur的半衰期分别为45.01分钟和256.72分钟；在4°C下储存30天后，包封形式的Cur保留率超过80%。(X. Li等人，2023年)
皮克林乳液：中链甘油三酯，由蛋源脂质纳米颗粒稳定的乳液
在4°C下储存15天后，Cur的含量为50.58%；在60°C下放置30分钟和90°C下放置3分钟后，Cur的保留率分别为94.04%和96.24%。(Han等人，2025年)
纳米胶束：豌豆蛋白水解物
在紫外线照射200分钟后，约有38%的游离形式Cur和70%的包封形式Cur得以保留；在室温下储存60天后，Cur的保留率取决于纳米胶束的制备方法，范围为73-85%。(Yi等人，2025年)
橙皮苷(Nar)
通过pH值调整法制备的纳米颗粒：藜麦蛋白分离物-壳多糖
包封处理增强了Nar在4°C和25°C下的长期稳定性；在25°C下储存28天后，Nar的损失最大。(Y. Chen等人，2024年)
通过pH值调整法制备的纳米颗粒：藜麦蛋白分离物
在90°C下处理20分钟后，包封形式的Nar保留率超过80%；在紫外线照射8小时后，包封形式的Nar保留率为83.53%。(Y. Chen等人，2024年)
rutin(Rut)
自组装淀粉纳米颗粒：藜麦、玉米和蜡质玉米淀粉
在藜麦淀粉纳米颗粒中的包封处理提高了Rut的热稳定性；在50°C下储存15天后，藜麦、蜡质玉米和玉米淀粉纳米颗粒中Rut的保留率分别为91.88%、87.42%和85.30%。(Remanan & Zhu，2024年)
橙皮苷(Nr)
通过离子凝胶化法制备的纳米颗粒：果胶-藻酸盐
在室温下储存30天后，包封形式的Nr保留率为82.51%。(F. Cao等人，2024年)
类胡萝卜素：β-胡萝卜素(CAR)
用多糖包覆的 inclusion 复合物
在60°C和90°C下分析了CAR在包覆复合物中的稳定性；在60°C下，观察到果胶酯化对CAR稳定性的影响，高甲基化果胶具有最高的稳定效果；在95°C下放置180分钟后，未包覆复合物中的CAR剩余约10%，而包覆复合物中的保留率约为40%或更高；包覆还使CAR的稳定性提高了20-30%。(Celitan等人，2022年)
纳米复合物：壳聚糖寡糖
在pH 7.0和24°C的黑暗环境中，CAR的半衰期为23-29天，具体取决于纳米复合物的制备方法。(Bockuviene & Sereikaite，2020年)
纳米复合物：木聚糖
在4°C下，CAR的半衰期为190-262天；在室温下，半衰期取决于纳米复合物的制备方法和溶液的pH值。(Straksys等人，2025年)
叶黄素
纳米颗粒：玉米淀粉
包封处理提高了抗FeCl3化学氧化的稳定性；纳米颗粒中叶黄素的氧化速率约为纯叶黄素的25%。(Fu等人，2018年)
番茄红素(Lyc)
纳米复合物：壳聚糖寡糖
在4°C的黑暗环境中，纳米复合物中Lyc的半衰期为55.7-97.2天，具体取决于复合物的制备方法；在24°C的黑暗和光照条件下，t1/2分别为33.6-92.1天和31.9-44.7天。(Bockuviene等人，2021年)
纳米颗粒：Agriophyllum squarrosum淀粉
在25°C下储存20天后，包封和游离形式的Lyc保留率分别为82.75%和64.18%；在100°C下放置30分钟后，包封和游离形式的Lyc保留率分别为50.21%和33.35%。(S. Cao等人，2025年)
玉米黄质(Zea)
纳米颗粒：仙人掌果胶、Tween 80
Zea的保留率取决于储存温度；在25°C和40°C下储存28天后，保留率分别为39.66%和31.30%。(Campo等人，2018年)
虾青素(Ast)
皮克林乳液：大豆油、豌豆蛋白分离物-葡聚糖用于乳液稳定
在4°C下储存24天后，包封形式的Ast保留率超过74%。(Guo等人，2024年)
精油：百里香油(TO)
乳液：葵花籽油、卵清蛋白-阿拉伯树胶复合物用于乳液稳定
TO乳液表现出比纯TO更好的长期抗菌活性。(F. Niu等人，2016年)
Heracleum persicum油
纳米颗粒：壳聚糖、三聚磷酸钠
在储存21天后，含有包封和游离形式精油的酸奶的DPPH自由基清除活性分别为61.27%和43.13%。(Yousefi等人，2023年)
对于酚类化合物，多项研究表明基于纳米颗粒的系统显著提高了白藜芦醇的稳定性；与壳聚糖-α-乳白蛋白、卡菲林基颗粒或豌豆蛋白分离物结合后，白藜芦醇在紫外线照射和热处理下的保留率显著提高，通常保持在80-95%（Khan等人，2019年；Liu等人，2020年；Fan等人，2020年）。其他递送系统，包括纳米乳液、反溶剂沉淀颗粒和电喷蛋白基质，也表现出对光降解和储存稳定性的改善（Zhu等人，2021年；Huang等人，2025年；Bayraktar等人，2021年）。类似的效果也见于花青素，这些化合物对热、pH值和光非常敏感；在纳米复合物或脂质纳米颗粒中的包封处理显著提高了它们的稳定性，例如在使用茶渣蛋白-ε-聚赖氨酸、酪蛋白-羧甲基纤维素或固体脂质基质的情况下，花青素的稳定性在热处理和光照下显著提高（Ravanfar等人，2016年；Cui等人，2022年；Fang等人，2024年）。
包封处理也对其他酚类化合物有效，例如槲皮素；纳米复合物、脂质体、胶束和蛋白-多糖纳米颗粒显著提高了其对紫外线照射和热降解的抵抗力。例如，使用茶渣蛋白-ε-聚赖氨酸、酪蛋白-羧甲基纤维素或固体脂质基质的系统在热处理和光照下使花青素的保留率提高了70-85%（Li等人，2022年；Yang等人，2025年）。同样，脂质体和胶束系统在储存过程中也延长了稳定性，使化合物的保留率超过60%（Crnivec等人，2024年；Liu等人，2022年）。
对于类胡萝卜素，如β-胡萝卜素，其封装处理也有效；基于多糖、淀粉纳米颗粒或壳聚糖寡糖的纳米系统显著提高了它们的稳定性。例如，在加工和储存过程中，β-胡萝卜素、叶黄素和番茄红素的稳定性得到了显著提高（Celitan等人，2022年；Fu等人，2018年；Bockuviene等人，2021年）。这意味着增加可以通过消化系统被消化、吸收和代谢的生物活性化合物的百分比。生物活性化合物的生物利用度受多种因素影响，取决于生物活性化合物的类型、食品基质和加工方式以及肠道微生物群。生物活性化合物的低溶解度和化学不稳定性会导致其生物利用度降低。纳米封装不仅提高了功能性食品中生物活性化合物的溶解度和稳定性，还在它们通过胃肠道的过程中提供了保护。纳米载体可以减弱胃酸环境和肠道碱性的影响，防止消化酶的作用，促进吸收，并增强黏附能力（Kandemir等人，2022；Rosales等人，2024；Tomas等人，2025）。Yuan等人（2024）证明了壁材料在封装花青素的消化、细胞吸收、黏液穿透、肠道滞留和生物利用度中的关键作用。他们使用乳清蛋白分离物、氧化淀粉和脂质制备了三种类型的纳米载体，发现淀粉纳米载体具有最高的黏液穿透能力，并使花青素的体内生物利用度几乎提高了两倍。然而，乳清蛋白分离物纳米载体表现出最强的黏液黏附性和优异的跨膜运输能力，同时确保了较长的胃肠道滞留时间。C. Yang, Wang, Xie, Liu, Lu, Wu等人（2019）开发了用于白藜芦醇输送的燕麦蛋白-壳聚糖纳米颗粒，这种纳米颗粒通过Caco-2细胞实验证明了其对白藜芦醇细胞摄取的改善作用。此外，在大鼠模型中，白藜芦醇的生物利用度提高了72.4%，而游离白藜芦醇仅为26.2%。对于姜黄素的封装，研究人员开发了基于三苯基磷鎓溴化物修饰的燕麦蛋白-褐菇β-葡聚糖共轭物的纳米颗粒（Zhong等人，2024），其生物利用度提高了约50%。纳米封装增强了姜黄素的肠道吸收。通过测量姜黄素在Caco-2细胞单层中的传输速率得出的表观渗透系数比游离姜黄素提高了6.4倍。虽然这种增强的渗透性突显了纳米封装在提高姜黄素吸收方面的有效性，但还需要考虑其对全身暴露的潜在影响。增加生物利用度可能会提高某些植物营养素的循环水平，尤其是在与高剂量膳食补充剂一起摄入纳米制剂产品时。因此，需要仔细优化剂量、进行毒理学评估和监管监管，以确保改进的输送系统能够在不超出安全摄入量的情况下提高疗效。然而，在许多情况下，纳米封装提供的改进的输送效率可能允许使用较低的有效剂量，从而减少高剂量补充剂的需求，同时保持所需的生物效应。

总体而言，现有证据表明，使用蛋白质、多糖或脂质基载体的纳米封装技术显著提高了植物化学物质在加工和储存过程中的稳定性、滞留率和功能性能。这些系统因此代表了将生物活性化合物融入功能性食品和营养保健品配方中的有前景的策略。尽管纳米材料在农业中的应用前景广阔，但仍存在一些限制其大规模商业应用的因素，包括高生产成本、制造工艺放大困难以及与安全评估和批准相关的监管不确定性。此外，关于纳米材料的长期环境命运（包括其在土壤、水、植物和食物链中的持久性、转化和潜在生物积累）仍存在重要问题。对于非目标生物和人类健康的潜在毒性担忧也强调了进一步研究、标准化风险评估协议和明确监管框架的必要性，以确保纳米技术在农业食品系统中的安全可持续使用。

3. 实际应用和案例研究
提高食品中的植物营养素含量是一项旨在寻找多种食品系统实际应用的技术进步。这些技术不仅可以改善营养成分，还可以解决食品安全、消费者需求和可持续性的挑战。在这一部分，我们讨论了一些值得注意的案例及其可扩展性，以及它们广泛采用的潜力。具体案例研究提供了成功的实施实例。

3.1. 生物强化技术
生物强化是一种通过传统育种和基因工程增强作物营养含量的策略，从而提高主食中的植物营养素水平（Ofori等人，2022）。一个著名的例子是“黄金大米”，这种大米通过基因工程富含β-胡萝卜素，有助于解决发展中国家的维生素A缺乏问题。在有完善农业基础设施的地区，生物强化是可扩展的。然而，监管障碍、公众认知以及与分销相关的成本可能会阻碍其采用。生物强化在提高主食作物中的植物营养素含量方面发挥了重要作用（Majumder等人，2019）。2021年，菲律宾批准了黄金大米的食用，希望以此来对抗维生素A缺乏问题。研究表明，食用黄金大米的儿童和孕妇的健康状况有所改善（Zimmermann & Qaim，2004；De Steur等人，2022）。黄金大米是一种经过基因改造的大米，能够产生更高水平的β-胡萝卜素，而β-胡萝卜素是合成维生素A所必需的。这是通过插入来自水仙花和细菌的负责类胡萝卜素生物合成的基因来实现的（Ye等人，2000；Beyer等人，2002）。黄金大米在胚乳中合成β-胡萝卜素，而在普通大米中这种物质是不存在的。遗传工程使黄金大米能够从头开始合成β-胡萝卜素（图3）。

3.2. 采后技术
为了保持作物和食品中的植物营养素水平，采用了诸如紫外线照射和控气氛储存等采后处理方法。研究表明，紫外线B处理可以增加苹果和蓝莓等水果中的黄酮类和花青素含量（T. Li等人，2021）。多项研究成功证明了紫外线B处理在储存过程中提高蓝莓花青素含量的效果。经过处理的蓝莓与未经处理的相比，植物营养素水平显著增加，同时保持了视觉和质地质量。这种技术已被当地生产者采用，显示出其在商业水果储存操作中的可行性（Inostroza-Blancheteau等人，2014）。这种技术对于商业和工业应用尤为重要，特别是在拥有冷链系统的地区。采后技术越来越多地应用于调节植物的应激反应和代谢途径，从而提高或保持水果和蔬菜的植物营养素含量，同时延长保质期和保持营养价值。

3.3. 发酵
发酵是另一种用于增强和保留植物营养素生物利用度和浓度的过程。该技术用于将原料转化为功能性食品（Septembre-Malaterre等人，2018；Adebo等人，2022）。发酵大豆制品如纳豆和味噌中含有丰富的异黄酮，其生物活性比未发酵的大豆更强（Harahap等人，2025）。传统和工业规模的发酵过程使该方法具有高度可扩展性，这得益于消费者对益生菌和功能性食品的偏好（Qiao等人，2022）。发酵过程在传统和工业规模上广泛应用，可以通过微生物代谢、酶促转化和释放结合的生物活性化合物来提高植物营养素的生物利用度和浓度，从而改善食品的营养和功能特性。

3.4. 纳米技术
纳米技术是当今科学的一个广泛领域，涉及所有技术领域（Ahmad等人，2024）。纳米技术促进了纳米封装植物营养素的发展，从而提高了它们的稳定性、生物利用度和控制释放（Jahangir，2022）。姜黄素的纳米封装提高了其在功能性食品中的溶解度和治疗效果（Rafiee等人，2019；Pateiro等人，2021）。尽管前景广阔，但由于高生产成本和监管挑战，纳米技术的可扩展性目前仍受到限制。然而，纳米制造技术的进步正在逐渐克服这些障碍。

案例1：姜黄素的纳米封装
研究表明，纳米姜黄素是治疗应用的一个有前景的候选物质（Karthikeyan等人，2020）。姜黄素迅速降解限制了其生物利用度，导致目标部位的浓度较低，从而降低了疗效（Anand等人，2007）。通过纳米封装姜黄素（图4），姜黄素可以从纳米颗粒中快速释放，提高生物利用度，使其在体内更有效地被吸收和利用（Shaikh等人，2009）。此外，基于纳米技术的输送系统可以提高姜黄素的稳定性、溶解度和靶向输送，实现控制释放并增强与生物组织的相互作用。这些进步促进了纳米姜黄素在临床和营养应用中的探索，其中提高的生物利用度可能转化为更大的治疗效果和预防及管理炎症相关和慢性疾病的潜力。

3.5. CRISPR/Cas9基因编辑
案例研究：提高生菜中的黄酮类化合物产量
CRISPR/Cas9系统（规律间隔短回文重复序列/CRISPR相关9）已被用于编辑参与生菜中黄酮类化合物生物合成的基因。CRISPR/Cas9增加了槲皮素（图5）的合成量，槲皮素具有抗氧化和抗炎特性（Xu等人，2020；Lee等人，2025）。这种基因编辑方法可以精确修改代谢途径，无需引入外来DNA即可增强特定植物营养素的水平。这种策略为开发富含促进健康化合物的改良作物提供了有前景的工具。此外，这些经过生物强化的蔬菜有助于提高黄酮类的膳食摄入量，支持疾病预防和促进整体公共卫生。

4. 与公共卫生和营养的相关性
在公共卫生和营养学中，植物营养素的作用变得尤为重要，特别是在预防导致全球大量发病和死亡的慢性病和遗传性疾病方面。诸如心血管疾病、癌症、糖尿病以及神经退行性疾病等慢性疾病与不良饮食、氧化应激和炎症密切相关（Forman & Zhang，2021）。炎症还参与了遗传或慢性病理过程，例如囊性纤维化（CF）、类风湿关节炎（RA）和炎症性肠病（IBD）。植物性食物中丰富的这些植物营养素为解决这些问题提供了自然有效的方法，从而对它们的预防和管理做出了重要贡献。

4.1. 慢性病预防中的抗炎和抗氧化作用
慢性病最常见的原因之一是氧化应激，即自由基的数量超过抗氧化剂的数量。已知的最强效抗氧化剂包括植物营养素，如黄酮类、多酚和类胡萝卜素，它们可以中和自由基并保护细胞免受损害（Janciauskiene，2020）。慢性炎症是包括糖尿病、关节炎和心血管疾病在内的多种疾病的主要驱动力。某些植物营养素，尤其是在姜黄中的姜黄素和柑橘类水果及茶中的黄酮类化合物，具有强烈的抗炎活性（Sharifi-Rad等人，2020）。这些生物活性物质可以抑制促炎酶和细胞因子，从而降低全身炎症及其不良影响。例如，经常食用富含黄酮类化合物的人具有更好的心血管状况和较低的炎症标志物水平，如C反应蛋白（CRP）（Hsieh等人，2021）。

4.1.1. 糖尿病
这些化合物已被证明可以增强胰岛素敏感性和平衡血糖水平，例如苹果、洋葱、咖啡、槲皮素和绿原酸中的化合物（de Pascual-Teresa等人，2010；Shehadeh等人，2021）。这些化合物可以在2型糖尿病的管理中起到预防和治疗作用，糖尿病已成为全球性的流行病（Fernandes等人，2022）。植物营养素减少炎症和氧化应激有助于维持代谢健康。

4.2. 稀有和遗传性疾病中的抗炎作用
几种天然化合物已被证明对治疗囊性纤维化（CF）有益。例如染料木素、姜黄素、白藜芦醇、β-谷甾醇和补骨脂素等衍生物已被研究用于管理这种罕见和遗传性疾病。此外，从这些天然化合物中提取的合成分子已被开发出来，以增强它们的生物活性并减少可能的副作用。姜黄素是一种众所周知的多酚，存在于姜黄（Curcuma longa）中，被广泛用作香料，尤其是在许多亚洲国家，以及在南亚的传统医学中（Chattopadhyay等人，2004年）。这种小型天然分子可以与多种生物靶标相互作用，包括蛋白质、酶、脂质、DNA、RNA、转运蛋白和离子通道，展现出多种生物活性，如抗氧化、抗菌、抗癌、抗血管生成、抗突变、抗血小板聚集和抗炎作用。因此，由于其显著的化学相互作用（包括广泛的氢键连接、共价键合和金属螯合作用），它被认为是一种有前途的囊性纤维化（CF）治疗方法（Tabeshpour等人，2019年）。Talebi等人（2023年）进行的一项单盲临床试验评估了每日摄入纳米姜黄素对囊性纤维化儿童的影响，持续时间三个月。与安慰剂组相比，纳米姜黄素组显示炎症标志物（包括高敏感性C反应蛋白（hs-CRP）和粪便钙卫蛋白）降低，白细胞介素（IL）-10水平升高，铜绿假单胞菌菌落数量减少了52%，体重增加了16%，这表明它可能对囊性纤维化患者具有营养补充作用（Talebi等人，2023年）。白藜芦醇是一种存在于水果、蔬菜和红葡萄酒中的多酚化合物，也具有抗突变、抗炎、抗氧化和化学保护作用（Blumenstein等人，2005年）。实验研究表明，白藜芦醇可能增强ΔF508 CFTR蛋白向细胞表面的运输，从而提高其功能活性（Hamdaoui等人，2011年；Dhooghe等人，2015年）。然而，其他使用原代人类呼吸道上皮细胞的研究尽管发现了已建立的CFTR矫正剂的有效性，但并未显示白藜芦醇治疗的好处（Jai等人，2015年）。体内实验显示，白藜芦醇可以增加F508del-CFTR依赖的唾液分泌并增强CFTR蛋白表达，支持其潜在的治疗相关性（Dhooghe等人，2015年）。其他天然化合物也显示出抗炎潜力。从Aegle marmelos提取物中得到的一种天然线性补骨脂素5-甲氧基补骨脂素也被证明可以抑制囊性纤维化支气管上皮细胞中的IL-8表达，而不影响细胞增殖（Nicolis等人，2009年）。Nigella arvensis种子的提取物可以抑制暴露于铜绿假单胞菌的支气管上皮细胞中促炎趋化因子IL-8的表达。在这些化合物中，β-谷甾醇显著降低了IL-8、GRO-α和GRO-β的表达，部分通过抑制蛋白激酶C的激活实现（Lampronti等人，2017年）。这些发现在铜绿假单胞菌感染的小鼠体内炎症模型中得到了进一步证实（Rossi等人，2023年）。

4.3 在癌症中的作用
植物营养素通过影响解毒酶、保护DNA免受氧化损伤以及诱导恶性细胞的凋亡，在癌症预防和管理中发挥重要作用。葡糖苷酸酯在十字花科蔬菜（如西兰花和布鲁塞尔芽菜）中代谢为异硫氰酸盐，可以减缓肿瘤生长（Gehm等人，1997年；Mitra等人，2022年）。白藜芦醇存在于葡萄和红葡萄酒中，通过抑制肿瘤细胞的增殖和血管生成具有抗癌能力（Gehm等人，1997年）。

4.4 心血管健康益处
心血管疾病是全球主要的死亡原因，这与不良饮食和生活方式有关。已经确定，可可中的黄酮醇和浆果中的花青素通过改善内皮功能、降低低密度脂蛋白胆固醇的氧化水平以及使动脉更加灵活，显著有助于维护心血管健康（de Pascual-Teresa等人，2010年）。研究还指出，这些人群心脏病发作和中风的风险因素较低。

4.5 神经保护和认知健康益处
神经退行性疾病（包括阿尔茨海默病和帕金森病）的发病率增加与世界人口的老龄化有关（Hou等人，2019年）。植物营养素，如绿茶中的多酚抗氧化剂和可可中的黄酮醇，因其抗氧化活性和中枢神经系统的抗炎作用而被证明具有神经保护作用。它们还促进新的神经连接形成并改善脑部血流，这可能有助于延缓认知衰退和改善大脑健康（Kennedy，2016年）。植物营养素不仅在预防慢性疾病方面非常重要，而且在改善总体健康状况和处理重大公共卫生问题方面也至关重要。这些化合物提供的益处包括预防疾病、增强免疫力、维持肠道微生物群的平衡以及促进环境可持续性。

4.6 增强免疫力和抵御感染的能力
植物营养素包含黄酮类、类胡萝卜素和多酚，据称可以通过增强免疫细胞功能（如NK细胞和T淋巴细胞）来提升人体免疫系统。例如，胡萝卜、番茄和红薯中含有β-胡萝卜素和番茄红素这些类胡萝卜素，已被发现能够改善人体免疫系统的表现（Kennedy，2016年；Sharma等人，2024年）。值得注意的是，尽管类胡萝卜素可以促进抗体合成，但它们不会对免疫细胞造成显著的氧化损伤。在COVID-19大流行等全球健康紧急情况下，富含植物营养素的饮食可能有助于增强免疫功能并减轻病毒感染的严重程度（Matera，2024年）。

4.7 肠道微生物群和消化健康
肠道微生物组越来越被认为是整体健康的重要组成部分，现在已知它影响从代谢功能到心理健康的一切。植物营养素，特别是存在于浆果、茶和黑巧克力等食物中的多酚，被视为益生元，能够支持有益肠道细菌的生长（Pandey & Rizvi，2009年）。微生物群的平衡意味着消化正常、炎症减少和最大化的营养吸收（P. Zhang，2022年）。研究还表明，富含多酚的饮食可以增加双歧杆菌和乳酸杆菌的数量，这两种细菌与胃肠道健康和疾病预防密切相关（Matera，2024年）。

4.8 心理健康和情绪调节
新兴研究表明，植物营养素通过影响神经递质功能并减少压力引起的炎症，在支持心理健康方面发挥作用。可可中的黄酮醇和绿茶中的多酚与改善情绪和减轻焦虑及抑郁症状有关。这些化合物能够增加大脑的血流量，支持神经发生，并调节血清素和多巴胺的释放，这两种神经递质对情绪稳定至关重要。富含植物营养素的食物可以作为基于食物的心理障碍干预策略的辅助疗法（Muscaritoli，2021年）。

4.9 解决微量营养素缺乏问题
通常，缓解广泛微量营养素缺乏所需的维生素和矿物质存在于富含植物营养素的食物中。例如，绿叶蔬菜中的叶黄素和玉米黄质不仅提供了植物营养素，还提供了铁和叶酸等必需营养素，有助于预防视力问题（Sommerburg等人，1998年）。同样，富含维生素C的柑橘类水果也可以增加铁的吸收并改善整体营养状况（Lv等人，2015年）。

4.10 教育和行为干预、公共卫生影响及可持续性
在学校开展的营养计划鼓励儿童食用“彩虹”食物——即多种颜色的水果和蔬菜——可以培养长期的饮食习惯（Minich，2019年）。基于社区的烹饪项目和课程也可以使人们具备准备富含植物营养素餐食的能力，从而使营养饮食变得易于获取且令人愉快（Alghamdi等人，2023年）。基因组学和代谢组学的进步使得个性化营养越来越被认可为提高植物营养素效果的潜在工具。个体间的遗传差异会改变植物营养素的新陈代谢和利用。例如，携带某些遗传多态性的人在摄入特定植物营养素（如西兰花中的硫代葡萄糖苷）时可能会获得更好的抗炎效果（Chiarella等人，2023年）。根据遗传和代谢特征，个性化饮食建议可能有助于疾病预防和健康改善（Chiarella等人，2023年）。将富含植物营养素的食物纳入公共卫生和营养计划可能会显著降低慢性疾病的发病率。增加公众接触新鲜水果和蔬菜的机会可能会促进植物性饮食；关于植物营养素健康益处的教育可能会引导人们做出更健康的饮食选择（R. H. Liu，2013年；Townsend等人，2023年）。此外，鼓励可持续农业的政策和减少食物荒漠的措施将使营养丰富的食物更容易获得。关于植物营养素的公共卫生宣传活动将激励公众做出更好的饮食选择，从而改善健康状况。植物营养素是公共卫生的核心，通过它们提供了许多自然的、可预防的疾病对抗方法（Townsend等人，2023年）。促进水果、蔬菜、豆类和全谷物消费的饮食变化可以通过减少温室气体排放和保护生物多样性来降低食物系统的生态 footprint（Musicus等人，2022年）。增加本地和季节性作物的种植和消费也可以提高饮食多样性，同时支持当地生态系统和经济。

5. 挑战和伦理考虑
新兴农业技术的监管框架在不同地区存在显著差异，影响其开发和商业化。在欧盟，转基因生物受2001/18/EC指令和关于转基因食品和饲料的1829/2003号 Regulation（EC）的监管，这些法规要求在市场授权前进行广泛的环境和健康风险评估（欧洲议会和理事会，2001年；欧洲议会和理事会，2003年）。同样，用于食品应用的纳米材料受2015/2283号新食品法规和欧洲食品安全局（EFSA）的额外安全评估的约束（欧洲议会和理事会，2015年；EFSA，2021年）。相比之下，美国采用了一种以产品为导向的监管框架，由食品和药物管理局（FDA）、美国农业部（USDA）和环境保护署（EPA）等机构共同监督（OSTP，2017年；FDA，2014年；EPA，2020年）。在这种体系中，监管评估主要集中在最终产品的特性和安全性上，而不是用于生产它的具体技术。这些不同的监管方法可能影响创新、公众接受度和国际贸易，强调了持续对话和协调安全标准的必要性。将植物营养素纳入全球卫生政策需要政策制定者支持促进营养丰富作物种植的系统，这包括为农民提供生产水果、蔬菜和豆类的财政激励，同时限制超加工食品的生产，从而创造一个有利于人们改善饮食的环境。当然，对于那些主要食用富含植物营养素食物的人群进行二次强化可以纠正他们无法广泛获得新鲜水果和蔬菜的饮食不足（R. H. Liu，2013年；Grasso等人，2023年；Townsend等人，2023年）。在这方面，系统基因组学是健康和营养的基础（Duchêne，2021年）；这是一种天然、易于获取且可持续的方法，可以对抗慢性疾病和促进整体福祉。任何对食品系统的投资都将引起人们对这些好处的关注，并很快将它们纳入饮食指南中。更多的研究工作以及针对这一领域的重点干预措施必将确保未来几代人受益。

5.1 采用先进技术的潜在障碍
采用先进的植物营养素技术可能会遇到伦理、法律和财务方面的障碍。尽管植物营养素具有健康优势，但质量控制问题和标准化缺失的问题已被强调（Abdullah, K, F., Ali, G., Naveed, A., Shah, M. A., Saleem, U., & Aman, 2023）。科学家、医学专家和监管机构对此表示了担忧。这突显了在植物营养素上市前建立保证其质量、安全性和有效性的机制的必要性。标准化可以确保植物营养素的安全和高效使用。柱层析法、高效液相层析法、物理特性分析和生物测定是一些重要的标准化方法（Abdullah, K, F., Ali, G., Naveed, A., Shah, M. A., Saleem, U., & Aman, 2023）。欧洲的欧洲食品安全局（EFSA）和美国的食品药品监督管理局（FDA）等监管机构在新产品商业化之前执行安全法规和进行评估方面发挥着关键作用。然而，采用植物营养素的创新技术的批准过程可能会受到FDA、欧洲食品安全局（EFSA）或其他国家机构的漫长而复杂的程序影响（Niaz, K., Shah, M. A., Khan, F., Saleem, U., Vargas, C., & Panichayupakaranant, 2020）。这可能会推迟新产品的推出或创新的应用。此外，经常需要对有效性和安全性进行全面测试，以证明植物营养素在现代技术应用中的安全性和有效性（D. S. Ali et al., 2025）。如果这些技术的监管框架不明确，企业可能难以获得批准。关于植物营养素产品的推广能力也可能受到限制，因为监管规定可能对健康声称的标签有严格要求。例如，只允许声明特定的健康益处，或者这些声明需要严格的科学验证。通过合成生物学或基因工程提高植物营养素含量可能会引发伦理问题，特别是在转基因生物（GM）的可接受性方面，特别是在食品供应方面（Glass & Fanzo, 2017）。此外，一些社区可能无法负担或获得能够增强植物营养素效力或可及性的新技术，这引发了关于社会不平等和健康效益获取公平性的担忧。此外，涉及合成生物学或集约化农业技术的创新可能会引起对其可持续性的质疑，尤其是如果这些技术导致生物多样性丧失或环境恶化的话（Glass & Fanzo, 2017）。对于先进技术（如基因改造、纳米技术或新型提取技术），研发（R&D）成本可能很高（S. ?akmak?? et al., 2024），这使得初创公司或小型企业难以进入市场，或者大型企业也难以盈利。尽管人们对功能性产品和富含植物营养素的食品兴趣增加，但消费者的认知度可能仍然较低（Glass & Fanzo, 2017），因此可能需要投入大量资金进行市场营销和公众教育（S. ?akmak?? et al., 2024）。使用新技术生产植物营养素时，原材料、加工和质量控制成本可能会增加，例如，生产转基因作物或使用高科技提取技术的成本可能高于传统技术，这可能会影响最终产品的价格。总之，为了有效实施植物营养素的创新技术，需要采取平衡的方法来解决这些伦理、法律和财务障碍，以确保技术的安全性、可获得性，并得到消费者和立法者的广泛接受。为了防止社会经济差距进一步扩大，旨在提高植物营养素含量的技术创新必须配合包容性政策、技术转让和可扩展的农业实践，以确保不同人群能够获得丰富的营养食品。

为使植物营养素有效地、合法地融入食品系统和健康实践中，解决其可持续性、可获取性和安全性问题至关重要。以下是对这些问题的一些概述。由于植物化学物质的天然来源，它们通常被认为是安全的。然而，某些存在于广泛食用的植物中的天然物质在高浓度下或长期使用后可能有害，或者可能具有潜在的致癌性，因此应该避免（Süntar, I., & Yak?nc?, 2020）。此外，某些植物营养素的过量摄入可能会在敏感人群中引发过敏反应或干扰处方药的作用（D. S. Ali et al., 2025）。因此，必须对含有植物营养素的补充剂的安全剂量和可能的相互作用进行研究。消费者必须了解通过食物或膳食补充剂摄入植物营养素的适当剂量。因此，在使用之前，植物药物制剂应经过彻底的安全评估。基于科学研究，监管机构（如FDA）可以提供关于可接受摄入量的建议。此外，浓缩的植物营养素补充剂可能会受到人工化学物质、杀虫剂或重金属的污染，因此标准化的纯度测试和质量控制程序有助于确保补充剂不含有害杂质。在某些地区，新鲜水果、蔬菜和其他植物营养素来源的供应可能减少，特别是在新鲜农产品稀缺的地区（Basarir et al., 2022）。为了改善贫困地区的新鲜农产品供应，可以实施社区花园、城市农业和补贴计划（Basarir et al., 2022）。此外，增加植物营养素价值的教育项目可以鼓励人们选择更健康的食品。健康食品的选择成本通常较高，尤其是有机或富含植物营养素的专用食品。通过补贴农产品或营养援助计划等措施，可以促进对新鲜、营养密集型食品的可负担性。使用可持续农业方法增加营养密集型食品的生产也可以降低成本（R. ?akmak?? et al., 2023）。传统的种植方式，包括单一作物种植，可能导致生物多样性减少、农药使用增加和土壤退化，从而影响富含营养的作物的供应（Knez et al., 2024）。因此，如农生态学、轮作和有机农业等可持续农业实践可以促进土壤健康和生物多样性，有助于确保长期稳定地供应富含植物营养的作物（S. ?akmak?? et al., 2024）。关于食物浪费，世界上许多含有重要植物营养素的水果和蔬菜被丢弃（?ubari? & Joki?, 2022）。通过改进收获技术、消费者关于食物储存的教育以及创造性地利用有缺陷的产品，可以减少食物浪费并提高营养供应。此外，由于气候变化，生长条件可能会改变，从而影响特定富含植物营养的作物的产量（Sarma & TR, 2024）。适应性农业实践和对气候抗性作物的研究可以帮助确保这些作物在气候变化的情况下继续生长。通过考虑这些安全、可持续性和可获取性问题，可以在减少潜在风险的同时优化植物营养素的好处，并确保这些物质能够以可持续和公平的方式为大量人群提供。

尽管基因工程、精准农业和纳米技术等技术在提高农业生产力、食品质量和植物营养素供应方面显示出巨大潜力，但其广泛实施仍受到经济、监管和安全挑战的限制。限制基因工程作物（包括使用CRISPR基因编辑技术开发的作物）采用的主要挑战之一是复杂的监管审批流程。在这些作物可以商业化之前，必须进行广泛的生物安全性、环境和食品安全评估。虽然这些评估对于保护消费者和环境至关重要，但它们通常涉及高昂的成本和漫长的审批时间。研究表明，将一个新的基因工程特性从发现推向商业化需要超过1亿美元的投资，并且平均需要超过15年的时间，其中监管阶段占据了时间和总成本的大部分（McDougall, 2011; Smyth et al., 2013; AgbioInvestor, 2022）。不同地区的监管时间表也存在显著差异。例如，在欧盟，审批过程可能需要大约五到六年，而在美国、巴西或澳大利亚等国家，这一过程可能较短，通常为一到两年（Lassoued et al., 2019）。对于基因编辑作物，监管处理对其开发成本和时间表有很大影响。如果像转基因生物一样进行监管，商业化可能需要大约14年的时间，并花费约2500万美元。相比之下，如果基因编辑作物被视为传统育种品种，则时间表可能缩短到不到五年，成本可能降至约1000万美元（Lassoued et al., 2019）。精准农业技术，包括遥感系统、无人机、变量施肥和数字农场管理系统，有可能提高作物产量、优化资源利用并提升农产品的营养价值。然而，这些技术的经济可行性因农场规模和数字基础设施的获取情况而异。大规模商业农场由于更高的产量和肥料、农药和水资源使用的效率提升，往往能更快地收回投资。相比之下，小规模农民可能会面临更大的经济障碍，因为设备、软件和培训的初始投资可能很大。这些技术的盈利能力取决于农场规模、作物类型和技术支持的可用性（Gebbers & Adamchuk, 2010; Sanyaolu & Sadowski, 2024）。另一个重要挑战是农业领域的数字鸿沟。许多小农户，特别是在发展中国家，缺乏可靠的互联网连接、数字基础设施和技术培训，这阻碍了精准农业技术的采用，可能导致技术先进农业系统与资源有限农业社区之间的生产率差距进一步扩大（Gebbers & Adamchuk, 2010; Sanyaolu & Sadowski, 2024）。纳米技术已成为食品科学中的一个有前途的工具，应用包括用于生物活性化合物的纳米封装系统、抗菌食品包装和用于监测食品质量和安全的纳米传感器。尽管在实验室规模上取得了有希望的结果，但仍存在一些技术和安全挑战限制了其大规模应用。主要障碍之一是将纳米粒子从实验室生产规模扩大到工业规模。实验室合成方法通常可以精确控制纳米粒子的大小、形态和表面性质，但在大规模生产过程中保持这些特性的稳定性仍具有挑战性，因为合成条件和原材料存在差异（Chaudhry et al., 2008; Hachhach et al., 2025）。除了制造挑战外，人们还对食品系统中使用的纳米粒子的长期安全性存有顾虑。由于其小尺寸和高表面反应性，纳米粒子可能与生物系统的相互作用不同于其大尺寸对应物，可能会影响吸收、分布、代谢和排泄过程。尽管已经对几种纳米材料进行了短期毒性研究，但仍需进行全面的长期研究，以了解慢性暴露、生物积累和对肠道微生物群的影响（Chaudhry et al., 2008; Bouwmeester et al., 2009; Hachhach et al., 2025）。总体而言，虽然基因工程、精准农业和纳米技术为提高食品生产和营养质量提供了有前景的策略，但其成功实施需要解决重要的监管、经济和安全挑战。统一的监管框架、改进的技术可获取性和可靠的长期安全性评估对于确保这些新兴技术有效贡献于可持续和公平的食品系统至关重要。尽管这篇综述强调了显著的进展，但在有效实施旨在提高食品中植物营养素含量、稳定性和生物利用度的技术方面仍存在一些挑战。这些挑战包括监管不确定性、与新技术的经济限制、与纳米材料等新型传递系统相关的潜在安全问题，以及在实际农业条件下生物方法稳定性和有效性的变化。此外，将实验室规模的创新转化为可扩展且成本效益高的工业应用仍然是一个关键限制。解决这些挑战需要研究人员、行业利益相关者和政策制定者之间的跨学科合作，以及全面的安全评估、标准化的方法和支持性的监管框架。加强技术转让、促进开放获取的知识共享和支持可持续农业实践也将有助于推动这些创新的采用，并确保其益处惠及不同地区和人群。

目前，植物营养素研究的进步受到新技术的开发和跨学科合作的推动，旨在优化这些生物活性化合物的生产、保存和应用，以增强人类健康。这一过程包括多个检查点，为我们提供了改进的机会，使我们能够更广泛地利用植物营养素。这一切都始于旨在增加植物中植物营养成分的农业实践；在众多方法中，土壤补充和有益土壤微生物的强化已被证明在自然提高作物中的植物营养成分水平方面非常有效（Ofori等人，2022年）。此外，水培和受控环境农业（CEA）提供了创新且具有气候适应性的方法，用于种植富含特定植物营养成分的作物，从而提高营养素的可用性，促进更可持续、更有营养的食品生产，同时应对环境挑战。生物技术、农业和食品科学的最新突破，包括基因组编辑技术（CRISPR-Cas9）和代谢工程，使科学家能够针对性地增加作物中所需的植物营养成分，从而改善营养状况，并增强作物对二氧化碳水平升高和不可预测天气条件的抵抗力（Sabzehzari等人，2020年）。同样重要的是采后技术，这些技术能够保持植物的营养价值，现代非热物理处理方法如微波、高压、脉冲电场和冷等离子体正成为主流方法。这些方法通过延长保质期、保持质量、减少营养损失和最小化环境影响提供了传统方法的替代方案（Palumbo等人，2022年）。此外，植物营养成分提取和配方方面的创新旨在提高这些化合物的生物利用度，确保其在疾病预防以及制药/营养保健品行业中的应用更加高效（A. Kumar等人，2023年）。纳米技术作为另一种新兴工具，在提高植物营养成分的溶解度和稳定性方面显示出潜力，通过纳米封装等创新技术增强了姜黄素和白藜芦醇等健康促进化合物的输送效果（Coradini等人，2014年；Teli等人，2024年）。创新的软件使我们能够预测人体代谢途径中的多种相互作用；这可能为我们提供关于个性化营养的新见解，并帮助优化根据个人需求调整的植物营养成分摄入量，以实现最大化的益处。所有这些策略的改进尤为重要，因为植物营养成分具有抗氧化、抗炎和增强免疫力的特性，在预防心脏病、糖尿病、癌症等慢性疾病方面发挥着极其重要的作用（Monjotin等人，2022年）。最终，以植物为基础的饮食越来越受到欢迎，因为它通过消费天然产品支持最佳健康状态，同时通过减少食品生产链对环境的影响促进可持续性（Roman等人，2024年）。为了认可植物营养成分的潜力，生物化学家、数据专家、农业科学家、食品科学家和环境科学家之间的跨学科合作至关重要。这些合作可以加速并促进该领域的研究创新。因此，来自不同领域的见解可以帮助我们更全面地理解植物遗传学、周围环境因素和人类健康之间的相互作用。将各种方法与生物信息学中的新工具相结合，我们将能够更深入地了解植物营养成分的生物合成及其对人类健康的影响。此外，建立开放获取的数据库和数字平台将为知识的全球交流和大规模应用植物营养成分提供机会。这些数据库中存入的数据对于进一步的研究和其他科学活动将非常重要。所有这些努力最终将确保植物营养成分的相关知识可供科学界和非科学界使用，使双方都能从中受益。最终，这些努力有助于开发更可持续的解决方案，以增加植物营养成分的可用性，并在此过程中塑造未来的策略和政策制定。通过整合这些不同领域的专业知识，植物营养成分研究可以在食品科学和技术、人类健康和环境可持续性方面取得突破。

7. 结论性意见
植物营养成分研究领域正在迅速发展，得益于技术创新和跨学科合作。目标是优化植物营养成分的生产、保存和应用，以促进整体健康。生物技术的进步，如基因组编辑（CRISPR-Cas9）和代谢工程，能够进行精确改造，从而增强植物营养成分的生物合成，提高作物对环境压力的抵抗力，并帮助植物适应气候变化。同样重要的是农业实践，如土壤补充、微生物强化、水培和受控环境农业，它们可以自然增加植物营养成分的含量，并支持可持续的、具有气候适应性的食品生产。采后技术，包括非热物理处理和纳米技术，已成为保护和提高植物营养成分生物利用度的有效方法，从而扩展其健康益处。提取、配方和输送方面的创新，如纳米封装，也有所进步。此外，新兴的计算工具提供了个性化营养建议，帮助个人根据特定健康需求调整植物营养成分的摄入量。这些策略对于预防慢性疾病、支持植物性饮食和减少环境影响至关重要。跨学科合作和开放获取的知识共享对于加速进展、促进全球合作以及将科学发现转化为实际解决方案至关重要。通过利用这些进步，植物营养成分研究处于可持续食品系统、人类健康和环境管理的最前沿。通过科学、技术和政策方面的持续努力，未来的创新将继续释放植物营养成分的的全部潜力，促进全球范围内更健康的人口和更具韧性的生态系统。

**资助**
本研究得到了FCT/MCTES（UIDB/00211/2025，DOI 10.54499/UIDB/00211/2020）的国家资助，以及由Xjenza Malta通过研究网络计划（RNS）资助的IFFSAF-24项目“植物营养成分的潜力：功能性食品、补充剂和活性食品包装的创新”的支持。本研究还得到了意大利囊性纤维化研究基金会（FFC）（项目#11/2024给Ilaria Lampronti）和PRIMA/0011/2024项目（Bio-Team，DOI https://doi.org/10.54499/PRIMA/0011/2024）的资助，该项目由PRIMA计划（第2节）和葡萄牙科学技术基金会（FCT）提供国家资金支持。

**贡献声明**
概念化：A.S.S.；RR
数据管理：A.S.S.、K.K.、B.B.S.、J.S.、R.G.、I.I.C.、I.L.、A.C.、B.H.、S.C.、A.R.、M.S.、J.P.、A.K.A.、Z.A.、H.L.、J.I.A.、R.R.
正式分析：A.S.S.、K.K.、B.B.S.、J.S.、R.G.、I.I.C.、I.L.、A.C.、B.H.、S.C.、A.R.、M.S.、J.P.、A.K.A.、Z.A.、H.L.、J.I.A.、R.R.
资金获取：A.S.S. 和 R.B.
项目管理：A.S.S. 和 R.B.
软件：J.R.
监督：A.S.S. 和 R.B.
验证：A.S.S. 和 R.B.
撰写——初稿：A.S.S.、K.K.、B.B.S.、J.S.、R.G.、I.I.C.、I.L.、A.C.、B.H.、S.C.、A.R.、M.S.、J.P.、A.K.A.、Z.A.、H.L.、J.I.A.、R.R.
撰写——审阅和编辑：A.S.S. 和 R.B.

**数据可用性声明**
由于这是一篇综述文章，本研究没有创建或分析新的数据。因此，数据共享不适用于本文。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**人工智能使用声明**
在准备本研究的过程中，作者没有使用人工智能或人工智能辅助技术进行写作。

**伦理声明**
本研究不涉及人类或动物实验。

**未引用参考文献**
Jia等人（2022年），Kumar等人（2022年），Li等人（2022年），Liu等人（2024年），科学技术政策办公室（OSTP）（1986年），Rosales等人（2023年），Salunkhe和Desai（1988年），Smyth等人（2014年），Tomas等人（2024年），美国食品药品监督管理局（FDA）（2014年），Yammine等人（2024年），Yan等人（2021年），Chen等人（2024年），欧洲食品安全局（EFSA）（2021年），Fraceto等人（2016年），美国环境保护署（EPA）（2024年）

**作者贡献声明**
Ana Sanches Silva：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。
Khaoula Khwaldia：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，软件，资源，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。
Babiaka B. Smith：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Jolanta Sereikait?：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Rūta Gru?kien?：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
?ffet ?rem ?ankaya：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Ilaria Lampronti：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Antonios Chrysargyris：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Boyina Hemanthkumar：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Sohini Chakraborty：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Abdur Rauf：撰写——初稿，验证，调查，正式分析，数据管理。
Marina Sokovi?：撰写——初稿，资源，调查，正式分析，数据管理。
Jovana Petrovi?：撰写——初稿，资源，方法学，正式分析，数据管理。
Abdelmoneim K. Abdalla：撰写——初稿，验证，方法学，正式分析，数据管理。
Zienab Ahmed：撰写——初稿，验证，正式分析，数据管理。
Hanbing Li：撰写——审阅与编辑，验证，监督，调查，正式分析，数据管理。
Joseph Ignatius Azzopardi：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，正式分析，数据管理。
Renald Blundell：撰写——审阅与编辑，验证，监督，项目管理，方法学，资金获取，正式分析，数据管理，概念化。