综述：植物源支架在培养肉生产中的开发与表征

《Future Foods》：Plant-based alginate-guar gum-konjac glucomannan scaffold with enhanced thermal stability and biocompatibility for cultured meat production

本文系统评估了藻酸盐（Alg）、瓜尔胶（GG）和魔芋葡甘聚糖（KGM）等植物源生物材料作为培养肉三维（3D）细胞支架的潜力。研究发现，由0.5% Alg/GG/KGM（AGK）复合而成的支架在机械强度（杨氏模量~93.45 kPa）、热稳定性（烹饪后重量损失仅13.2%）、溶胀性（333%）及生物相容性（细胞存活率>80%）方面表现最优，并能有效支持C2C12成肌细胞的增殖与分化（MyoD1表达上调），为可持续培养肉生产提供了理想的支架材料解决方案。

　　

植物源支架在培养肉生产中的开发与表征

培养肉作为一种创新的可持续蛋白质来源，正日益受到关注。其生产过程中的一个核心挑战在于开发合适的支架材料，以支持细胞的三维（3D）生长并模拟天然肌肉组织的结构。理想的支架应具备良好的生物相容性、机械强度、稳定性以及支持细胞分化的能力。近年来，植物源生物材料因其可持续性、易获取性和良好的生物降解性，成为动物源支架材料的有力替代品。本研究聚焦于三种常见的食品级植物多糖——藻酸盐（Alginate, Alg）、瓜尔胶（Guar Gum, GG）和魔芋葡甘聚糖（Konjac Glucomannan, KGM），系统评估了它们及其复合物作为培养肉支架的潜力。

支架的材料特性与制备

研究首先制备了不同成分的支架，包括单一材料（Alg, GG, KGM）、双组分复合材料（AG: Alg-GG, AK: Alg-KGM, GK: GG-KGM）以及三组分复合材料（AGK: Alg-GG-KGM）。作为对照，还包含了藻酸盐-明胶（AGel）支架。所有支架均通过钙离子（Ca²⁺）交联形成水凝胶，随后经过冷冻干燥获得多孔结构。这种多孔结构对于营养和氧气扩散以及承受机械刺激至关重要。

初步稳定性测试发现，单一的GG和GK支架在磷酸盐缓冲液（PBS）中完全溶解，表明其交联效果不佳。KGM支架虽能成型但质地类似粘液，机械强度弱。而含有藻酸盐的复合支架（AG, AK, AGK, AGel）则表现出良好的水凝胶稳定性，这归因于藻酸盐与Ca²⁺强大的结合能力，增强了整体网络的交联度。

稳定性与溶胀性能

支架在培养过程中的稳定性是维持细胞微环境的关键。通过测量在PBS中浸泡不同时间后的重量变化（溶胀率）和冻干后的干重（评估基质降解），评估了支架的稳定性。结果显示，AGK支架在5天的测试中表现出最高的溶胀率（333%），表明其优异的水分吸收和保持能力。其他支架如Alg、KGM、AG、AK和AGel也显示出中等的溶胀能力，但AGK的优势明显。在基质降解方面，大多数支架在5天内没有显著的质量损失，证明了其基质完整性良好。

热稳定性对于培养肉支架尤为重要，因为它需要经受烹饪过程。将支架在180°C的热板上每面加热5分钟后，Alg支架重量损失高达88.7%，而AGK支架仅损失13.2%，表现出卓越的热稳定性，这对于最终产品的可烹饪性至关重要。

支架的机械性能：刚度与应力松弛

机械性能直接影响细胞的粘附、增殖和分化。通过压缩应力-应变分析和应力松弛测试评估了支架的力学特性。AGK支架表现出最高的杨氏模量（约93.45 kPa），刚度最大，接近于生牛肉饼的力学特性。Alg支架次之（约79.38 kPa），而AK支架的刚度最低（约16.11 kPa）。在应力松弛方面，所有支架都表现出粘弹性，其中Alg和AGK的松弛速率最快（衰减率分别为0.147%和0.139%），这表明它们能更有效地耗散应力，可能为细胞提供更适宜的力学微环境。

支架的生物相容性

生物相容性是支架支持细胞生长的先决条件。通过间接培养（用支架预孵育后的培养基培养细胞）和CCK-8法检测细胞代谢活性，发现所有支架材料均表现出高生物相容性，细胞活性均超过80%。为了更直接地评估细胞在支架内的生存情况，选择了性能最优的AGK支架与Alg（阴性对照）和AGel（阳性对照，因明胶能促进细胞粘附）进行直接细胞培养和活/死细胞染色。培养1天和7天后，AGK支架内细胞显示出强烈的绿色钙黄绿素-AM（Calcein-AM）荧光（活细胞），而红色碘化丙啶（Propidium Iodide, PI）荧光（死细胞）信号很弱。ImageJ定量分析显示，AGK支架的活细胞比率超过80%，其生物相容性与含明胶的AGel支架相当甚至更优。扫描电子显微镜（SEM）图像显示AGK支架形成了复杂的薄纤维网络，比Alg支架更光滑的表面提供了更多的细胞锚定位点，模拟了细胞外基质（ECM）的结构，有利于细胞粘附。

支架支持细胞分化的潜力

培养肉的最终目标是形成肌肉组织，因此支架支持肌源性分化的能力是关键。将C2C12小鼠成肌细胞接种于支架中，先使用生长培养基培养3天以适应环境，随后更换为分化培养基（含2%马血清）诱导分化4天。通过免疫荧光染色检测早期肌源性标志物肌源性决定因子1（MyoD1）的表达。结果表明，在分化条件下，所有支架上的细胞MyoD1表达均显著高于生长培养基对照组。特别值得注意的是，在相同的分化条件下，AGK支架上的细胞不仅MyoD1表达水平显著高于Alg支架，而且细胞形态呈现出更好的排列趋势。这表明AGK支架的纤维状、ECM样结构为成肌分化提供了更优越的生化和物理线索。

结论与展望

本研究系统评估了多种植物源生物材料作为培养肉支架的性能。结果表明，由0.5%藻酸盐、0.5%瓜尔胶和0.5%魔芋葡甘聚糖复合而成的AGK支架综合性能最佳。它在机械强度（高刚度）、稳定性（低降解率和优异的热稳定性）、溶胀性以及生物相容性方面均表现出色，并能有效支持C2C12细胞的增殖和肌源性分化。AGK支架的成功开发为培养肉生产提供了一种可持续、高效且功能全面的植物源支架解决方案。未来研究可探索将植物蛋白整合入此类支架中，以进一步提升其生物活性、细胞支持能力以及最终产品的营养和质地。