基于马铃薯淀粉/κ-卡拉胶/聚乙烯醇的姜黄素掺入可食用水凝胶膜用于培养肉支架的开发与应用

《BioMedical Engineering OnLine》：Curcumin-incorporated edible hydrogel films based on potato starch/κ-carrageenan/poly(vinyl alcohol) for cultured meat scaffolding

本研究针对传统培养肉支架机械性能差、生物相容性有限等问题，开发了基于马铃薯淀粉(PS)、κ-卡拉胶和聚乙烯醇(PVA)的姜黄素掺入可食用复合水凝胶膜(CSCP)。通过溶剂浇铸和热处理制备的CSCP支架经表征显示，提高淀粉含量(CSCP-2)可增强薄膜柔韧性但降低拉伸强度(2.13 MPa)。体外实验证实CSCP薄膜支持牛肌肉卫星细胞(MuSCs)粘附增殖长达21天，虽多层培养导致代谢活性轻微下降，但整体展现出作为3D培养肉支架的巨大潜力，为可持续人造肉规模化生产提供了新策略。

　　

随着全球人口预计到2050年将达到97亿，传统畜牧业面临的气候变化和资源压力日益凸显。联合国粮农组织指出，每年还需增产2亿吨肉类才能满足蛋白质需求，而传统畜牧生产不仅加剧温室气体排放，还涉及动物福利争议。在这种背景下，培养肉技术应运而生——通过体外培养动物细胞生产肉类，无需屠宰牲畜，有望成为可持续的蛋白质来源。然而，这项技术的核心挑战在于开发能够模拟天然肌肉细胞外基质(ECM)的三维支架材料。理想支架不仅需要具备良好的机械强度和生物相容性，还应满足可食用、可降解等食品安全要求。

目前常用的支架材料如胶原蛋白、藻酸盐等存在机械性能不足、成本高等局限。为此，韩国研究人员在《BioMedical Engineering OnLine》发表的最新研究中，创新性地利用食品级材料开发了一种新型可食用复合水凝胶膜。该研究以马铃薯淀粉、κ-卡拉胶和聚乙烯醇(PVA)为基材，掺入天然抗氧化剂姜黄素，通过甘油增塑和琥珀酸交联，制备出名为"CSCP"的复合水凝胶薄膜。研究人员系统评估了两种配方(CSCP-1和CSCP-2)的理化特性，并深入研究了其支持牛肌肉卫星细胞(MuSCs)生长的能力，为培养肉生产提供了新的解决方案。

关键技术方法包括：采用溶剂浇铸和热处理制备复合水凝胶膜；通过场发射扫描电镜(FE-SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)等分析材料特性；利用拉伸强度测试评估机械性能；使用PrestoBlue法和活/死细胞染色评价细胞相容性；以屠宰场获取的新鲜牛肉组织为来源分离原代牛肌肉卫星细胞进行培养验证。

表征CSCP复合水凝胶膜

紫外-可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)显示，CSCP薄膜在可见光区吸收较弱，而在350纳米附近出现吸收峰，表明姜黄素均匀分散于聚合物基质中并增强紫外屏蔽性能。X射线衍射分析表明，增加马铃薯淀粉含量会使CSCP-2薄膜结晶度降低，呈现更明显的无定形特征，这种结构有利于提高材料柔韧性。

傅里叶变换红外光谱证实聚合物间存在羟基和羧基相互作用，CSCP-2薄膜在1720厘米^-1处更强的羰基吸收峰表明淀粉含量提高促进了新的官能团形成。溶胀比测试发现CSCP-2薄膜的平衡溶胀比略低(约1.05)，这归因于淀粉与PVA间增强的氢键作用限制了水分子渗透。

形态学与理化性能

场发射扫描电镜揭示重要形貌差异：CSCP-1薄膜表面均匀光滑，而CSCP-2因淀粉含量较高出现分子聚集和结构缺陷。截面图像显示两者均结构致密，但CSCP-2内部形态更粗糙。体外降解实验表明，四周后CSCP-2薄膜残留重量约40%，降解速率快于CSCP-1(残留50%)，这与淀粉提高材料生物降解性相关。水接触角测量显示CSCP-2薄膜更具亲水性(70±2.1°)，这源于淀粉羟基基团增强的表面润湿性。

机械性能与细胞相容性

力学测试显示关键权衡关系：CSCP-1薄膜拉伸强度达20兆帕，但断裂伸长率仅42%；而CSCP-2强度降至2.13兆帕，伸长率却提升至60%。这表明淀粉增加虽牺牲强度，但通过破坏结晶区显著增强柔性。PrestoBlue法代谢活性检测发现，培养21天内，牛肌肉卫星细胞在两种薄膜上均保持活跃增殖，但CSCP-2在后期出现活性下降，可能与多层细胞营养扩散受限有关。

活/死细胞染色直观证实细胞活性，培养21天后两者均形成多层细胞结构，但CSCP-1显示更优存活率。电镜观察进一步揭示细胞行为差异：CSCP-2表面粗糙度促进早期细胞粘附伪足形成，但后期多层生长导致细胞层开裂，提示营养氧扩散不足的问题。

研究结论强调，CSCP可食用水凝胶膜特别是CSCP-1配方，在机械强度与细胞相容性间实现良好平衡，成功支持肌肉卫星细胞长达三周的增殖培养。尽管多层培养时营养扩散问题仍需优化，但这种基于天然聚合物和食品级材料的策略为培养肉支架开发开辟了新途径。研究创新点在于将淀粉的可持续性、卡拉胶的凝胶特性与PVA的机械优势相结合，同时引入姜黄素的生物活性，为未来开发功能化培养肉产品奠定基础。该技术不仅有望降低培养肉生产成本，其可食用特性更简化了最终产品的加工流程，朝着环境友好、伦理可接受的未来食品生产迈出关键一步。