综述：工程化功能性支架和脂肪相用于培养肉

本综述系统探讨了培养肉领域的关键挑战与前沿策略，重点聚焦于开发可食用、动物源性的功能性支架以支持肌肉细胞（如C2C12、牛卫星细胞/BSCs）的粘附、增殖和分化（肌生成），以及模拟天然脂肪组织（如通过脂肪生成）的策略。文章详述了基于植物蛋白（如大豆分离蛋白/SPI）、多糖（如藻酸盐、明胶）的支架材料及其功能化（如RGD肽），并介绍了微图案化、定向冷冻、挤出、微载体（MCs）及3D生物打印等先进制造技术。同时，综述评估了共培养、独立脂肪细胞系和结构化植物脂质作为脂肪相替代方案的潜力，强调了其在改善产品质地、风味和营养价值方面的作用，并为未来规模化、降低成本和监管审批提供了研究方向。

　　

引言

随着全球人口预计到2050年将达到97亿，当前粮食系统面临巨大压力。替代蛋白质的生产作为一种可持续解决方案备受关注。培养肉，也称为细胞培养肉，旨在通过体外培养动物细胞来生产肉类产品，以减少对传统畜牧业的依赖，并兼顾动物福利、健康及营养价值。然而，开发可食用、能与细胞互动且不含动物成分的支架，以及复制天然肉类的结构和组成（包括脂肪含量）仍然是主要挑战。

培养肉：机遇与挑战

培养肉生产大致分为三个阶段：干细胞分离、与支架结合进行增殖和分化，以及最终组织收获与加工。目标是创造出在感官品质和营养 profile 上与传统肉类相近的产品。然而，当前产品多为各向同性、均质且缺乏成熟肌肉纤维的结构（如块状、肉丸）。关键挑战包括实现细胞的有效增殖和分化为成熟肌纤维，复制宰后生化过程以改善嫩度和风味，以及降低高昂的成本。因此，初代大规模商业产品更可能是混合型的，结合细胞基和植物基成分。

支架设计

支架的性能取决于其材料选择和结构设计。一个功能性的支架应支持细胞粘附、增殖和分化。

支架材料

脱细胞基质

动物源细胞外基质（ECM）能提供良好的生物相容性和细胞引导信号，但其使用涉及动物源性，且存在产量低、成本高和批次间差异大的问题。脱细胞植物组织（如菠菜、西兰花、芦笋）作为可持续支架被探索，它们能提供天然的孔隙结构和血管网络，但通常缺乏特定的生化线索（如RGD序列），需要功能化处理。

胶原蛋白和明胶

明胶是组织工程中常用的材料，但其低熔点限制了应用，常需化学改性（如微生物转谷氨酰胺酶交联）以增强稳定性。然而，化学改性可能影响其作为食品的监管审批。

功能化多糖

藻酸盐、果胶、结冷胶等多糖具有良好的凝胶和机械性能，但本身缺乏细胞粘附位点，需要通过混合（如与明胶）、涂层或化学功能化（如接枝RGD肽）来引入细胞粘附性。支架的刚度（如通过调节交联度）可影响肌生成和脂肪生成。例如，较硬的支架更利于肌生成，而较软的支架促进脂肪生成。但化学功能化可能使材料偏离食品级标准。

植物基蛋白

大豆蛋白、豌豆蛋白、小麦谷蛋白等植物蛋白作为支架材料具有增加产品蛋白质含量的潜力。研究表明，经过适当加工（如酶交联）的大豆蛋白支架能在无需额外功能化的情况下支持C2C12和牛成肌细胞的粘附、增殖和分化。加工过程显著影响蛋白质中粘附位点的可用性。蛋白质水解物中的生物活性肽也可能影响细胞生长。

替代蛋白

菌丝体（如来自米曲霉）和酵母蛋白也被探索作为支架或微载体，显示出支持细胞附着和增殖的潜力。

支架制造与结构化技术

微图案化

通过在支架表面创建平行的微通道或凹槽，可以引导细胞沿特定方向排列和伸长，促进肌管形成和肌源性标记物表达。凹槽尺寸（宽度、脊、深度）从亚微米到数百微米不等，已在多种材料上实现。

定向冷冻

该技术通过控制冰晶单向生长，形成具有定向多孔结构的支架。例如，胶原蛋白水凝胶经定向冷冻后形成的支架能促进猪肌肉干细胞的排列和分化。但该方法在大规模应用中面临控制均匀性和能耗高的挑战。

挤出

食品工业中常用的挤出技术可用于结构化植物蛋白（如组织化大豆蛋白）作为支架。通常需要涂层（如纤维蛋白原）以促进细胞粘附。不同蛋白质来源的低水分肉类类似物（LMMA）的纤维状结构可影响细胞生长和排列。

微载体

在大型生物反应器（可达25万升）中，微载体为贴壁细胞提供了巨大的表面积体积比，支持高密度细胞培养。理想的微载体应可食用、无动物源成分且具有细胞互动性。藻酸盐微载体涂层植物蛋白水解物或分离蛋白（如鹰嘴豆蛋白水解物、南瓜籽蛋白）、酶交联大豆蛋白微载体以及壳聚糖修饰的细菌纤维素微载体等均有研究报道。搅拌方案和剪切力对细胞行为有重要影响。

其他技术

3D挤出生物打印允许制造复杂结构，但面临打印速度慢、生物墨水要求严格以及细胞存活率等挑战。体积生物打印是一种新兴技术，可快速制造复杂结构，但其在培养肉中的应用仍需探索，特别是需要食品级光聚合材料。电纺丝可用于制造纳米纤维支架，但常用溶剂和材料可能非食品级。电刺激（如脉冲电磁场/PEMF）和机械刺激也被证明能促进肌管融合和成熟。

培养肉脂肪相的开发

脂肪对肉类的质地、多汁性和风味至关重要。开发脂肪相主要有三种策略：

1. 1.
   共培养：在同一个生物反应器中培养肌细胞和脂肪细胞，但不同细胞类型的需求差异可能导致竞争，影响分化效率。
2. 2.
   独立脂肪细胞系：开发适用于大规模培养的脂肪源性干细胞（如牛脂肪源性干细胞/bASCs）系，并优化其分化协议（如在2D、3D球体或微载体上分化）。例如，有研究成功将分化的脂肪球体与肌肉微组织结合，3D打印成鱼片状结构。
3. 3.
   植物基脂肪替代品：使用结构化植物脂质来模拟动物脂肪。这包括：
   • •
     油凝胶：通过添加结构化剂（如卡拉胶蜡、乙基纤维素）将液态油固化。
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     乳液凝胶：将脂滴嵌入凝胶外相中。
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     双凝胶：油相和水相均被凝胶化。
     这些技术可以调整产品的质地和营养 profile（如增加不饱和脂肪酸），但需注意氧化稳定性。将植物基脂肪替代品（如基于鹰嘴豆蛋白稳定的油凝胶/水乳液）与培养的肌肉细胞微组织结合，是创建混合产品的一种途径。

进一步加工成最终产品

将培养的肌肉组织和脂肪相整合成具有类似传统肉类结构和感官特性的最终产品是关键步骤。方法包括分层、嵌入或使用交联剂（如转谷氨酰胺酶）进行结构融合。例如，将肌源性微组织和脂肪源性微组织堆叠后孵育，或通过钙离子介导的藻酸盐支架重新交联，可以实现组织间的结合。

结论与未来展望

植物基成分在替代培养肉生产中动物源性材料方面展现出巨大潜力，但其复杂组成和加工影响带来了挑战。未来研究需要深入理解材料特性（如表面微观结构、电荷）对细胞行为的影响，验证初级细胞（如牛成肌细胞）在无血清条件下的培养效果，并确定植物蛋白中促进或抑制细胞粘附的具体成分。开发完全基于植物的、可食用的、具有细胞互动性的微载体对于生物反应器规模化应用至关重要。同时，利用结构化植物油脂作为脂肪相替代品，可能为解决细胞培养相关的可扩展性挑战提供一条可行之路。最终，需要对这些混合产品的感官特性、消化率和监管方面进行进一步评估。