可食用的细菌纤维素，采用壳聚糖/植物蛋白包覆的絮凝剂微载体，用于培养脂肪的生产

《Carbohydrate Polymers》：Edible bacterial cellulose with chitosan/plant protein-coated flocculant microcarriers for cultured fat production

本研究开发了一种新型完全可食用絮凝微载体，由细菌纤维素、蘑菇壳聚糖和大麦蛋白复合而成，通过高温蒸汽灭菌实现物理交联，无化学添加剂。该微载体在鸡胚胎成纤维细胞动态悬浮培养中实现60倍细胞增殖，并促进C2C12肌细胞的迁移与定植，通过酶交联技术成功制备结构紧凑的Cultured meat产品，显著提升规模化生产效率和生物相容性。

在当前全球人口持续增长和资源环境压力不断加剧的背景下，食品生产方式的创新变得尤为迫切。肉类作为人类饮食中的重要组成部分，因其富含蛋白质、脂肪、维生素等多种营养成分，在维持健康方面发挥着关键作用。然而，传统肉类生产方式不仅消耗大量土地和水资源，还对生态环境造成显著负担，同时涉及动物伦理问题。因此，培养肉（Cultured Meat, CM）技术作为一种替代方案，逐渐受到广泛关注。该技术通过在体外培养动物细胞，直接合成肉类蛋白质，从而避免了传统畜牧业中对动物的屠宰，同时也大幅降低了资源消耗和温室气体排放。根据相关研究，培养肉的生产方式相比传统养殖可减少高达96%的温室气体排放，并将土地和水资源的使用量降至传统方式的1%至10%之间。这些优势使得培养肉成为构建可持续食品体系的重要路径。

尽管培养肉技术展现出巨大的潜力，但其大规模生产仍面临诸多挑战。其中，成本控制和工艺优化是限制其商业化进程的关键因素。根据一项研究，1千克湿肉中约包含2.9×1011个细胞，这要求培养肉的生产系统能够高效地支持细胞增殖，以满足大规模生产的需求。目前，机械或液压驱动的生物反应器配合集成支架是提高培养肉生产效率的重要工具。然而，尽管搅拌罐式生物反应器因其能够在较短时间内实现更高的细胞密度而成为培养肉生产中的主流选择，但在达到立方米级别的生产规模时，仍然存在技术瓶颈。因此，开发与搅拌反应器兼容、能够有效提升生产效率和经济效益的微载体技术成为研究的重点。

微载体作为搅拌反应器中的关键组件，为细胞附着提供了必要的表面支持，并在培养肉的大规模生产中扮演着重要角色。理想的微载体应由可食用材料制成，以便将其整合进最终的培养肉产品中，甚至提升其感官品质。因此，可食用微载体需要满足两个核心要求：一是能够模拟体内环境，支持干细胞的增殖或分化；二是符合食品成分或添加剂的相关法规。目前，文献中推荐的可食用微载体包括由海藻酸盐、壳聚糖、胶原蛋白、明胶以及植物蛋白制成的球形或多孔微球。其中，非动物来源的材料因其避免了生物多样性、环境和伦理问题，更符合细胞农业的应用标准。

在这些材料中，纤维素和壳聚糖被认为是大规模生产可食用微载体的有力候选。纤维素是自然界中最丰富的天然聚合物之一，具有高度的结晶性和多孔结构，能够模拟细胞外基质（Extracellular Matrix, ECM）的特性，从而支持细胞的附着、增殖和分化。此外，纤维素因其来源广泛、成本低廉且生物相容性良好，被视为培养肉生产中支架材料的重要原料。然而，天然纤维素本身缺乏细胞所需的生长因子和粘附蛋白，因此通常需要通过化学修饰（如接枝RGD肽）或与其他材料复合（如明胶或壳聚糖）来增强其细胞活性。

壳聚糖是一种线性阳离子多糖，由甲壳素经过脱乙酰化反应获得。其分子中含有氨基基团，能够通过静电相互作用与带负电的生物分子和多糖结合，从而增强其与纤维素的兼容性与功能性组装。此外，壳聚糖可以从植物或真菌来源中提取，避免了动物伦理问题。然而，传统的壳聚糖制备方法，如戊二醛或碳二亚胺交联，可能会对材料的食品安全性造成影响。相比之下，物理混合方法虽然不形成化学键，但依赖于聚合物链之间的非共价相互作用，如纠缠和氢键，这种方法在提升材料性能方面具有一定的局限性，例如因材料化学性质的差异可能导致相分离，从而削弱其机械性能和结构稳定性。

为了解决这些问题，研究者们开始关注植物蛋白在微载体设计中的应用。植物蛋白具有天然的两亲性分子结构，能够在多尺度协同效应下抑制相分离，并通过构象重排促进多相界面融合。基于这一特性，我们提出了一个假设：植物来源的蛋白质可以通过氢键、静电相互作用和疏水相互作用与纤维素和壳聚糖复合，形成稳定且结构一致的复合材料。考虑到这些材料的生物功能目的，我们进一步假设，这种复合微载体将能够增强细胞的附着和增殖能力，特别是在与培养肉应用相关的肌细胞和脂肪细胞系中。验证这些假设将为细胞农业的发展带来重大突破，实现一种既安全、可降解又具有生物活性的支架材料，不仅能够支持高细胞密度的增殖，还能无缝地融入最终的可食用产品中。

在实验材料的选择上，我们采用了一系列高纯度的化学品和生物材料。其中，细菌纤维素（Bacterial Cellulose, BC）来自桂林启宏科技有限公司，纯度高达99%。醋酸、氢氧化钠和乙醇等试剂则从Sigma-Aldrich公司获得。蘑菇来源的壳聚糖（Mushroom-derived Chitosan, MC）具有酸溶性，其脱乙酰度为85%-98%，粘度约为20 cps，分子量约为20 kDa，由青岛奇生物科技有限公司提供。植物蛋白方面，我们选择了豌豆蛋白（Pea Protein, PP）和绿豆蛋白（Mung Bean Protein, MBP）作为替代来源，这两种蛋白均来源于豆科植物，其氨基酸组成和分子结构相较于大豆蛋白更为多样化，可能带来更优质的感官体验。此外，我们还引入了藜麦蛋白（Quinoa Protein, QP），因其作为伪谷物的特性，赋予了材料独特的氨基酸谱和功能特性，进一步拓展了微载体的性能潜力。

在实验过程中，我们采用了一种简单且高效的物理粉碎方法，成功克服了传统三维多孔块状支架和球形微载体在形态上的局限性，从而创造了具有粗糙表面的不规则絮状结构。这种结构不仅提高了微载体的表面积，还为细胞提供了更多的附着位点，从而显著提升了细胞的增殖效率。在7天的动态悬浮培养中，通过优化旋转速度和载体浓度，我们实现了鸡胚胎成纤维细胞的60倍增殖。此外，我们还观察到了C2C12成肌细胞在相邻微载体之间的迁移和定植现象，这是组织发育过程中的关键步骤。这一过程得益于壳聚糖和藜麦蛋白所带的正电荷，它们能够促进细胞在微载体之间的粘附和桥接，从而增强细胞在三维空间中的分布和组织形成能力。

在微载体的制备过程中，我们采用了物理混合的方法，避免了化学交联剂的使用，从而确保了材料的食品安全性。通过简单的蒸汽灭菌处理，我们实现了纤维素、壳聚糖和藜麦蛋白之间的有效交联，使得微载体具备良好的机械强度和水稳定性。这种微载体不仅能够支持细胞的高效增殖，还能在后续的酶促交联过程中，通过微生物转谷氨酰胺酶（microbial transglutaminase, mTG）的作用，形成具有脂肪组织特征的类组织结构。这一过程显著提升了细胞的产量，并且使得最终的培养肉产品在口感和营养方面更接近传统肉类。

本研究的成果不仅为培养肉的生产提供了一种新的微载体系统，还为细胞农业的商业化发展奠定了坚实的基础。通过将这种新型微载体与搅拌反应器结合，我们能够实现大规模的细胞培养，同时降低生产成本。此外，该微载体系统的可扩展性和适应性使其成为未来培养肉产业的重要平台。这种基于天然多糖和植物蛋白的复合材料，不仅满足了食品安全性要求，还具备良好的生物降解性和生物活性，为构建可持续的食品体系提供了创新性的解决方案。

从更广泛的角度来看，本研究的意义远不止于培养肉的生产。它还展示了如何利用天然材料的特性，开发出既环保又高效的生物制造平台。这种材料的可再生性和低环境影响，使其在可持续食品系统的构建中具有独特的优势。此外，该研究也为其他生物制造领域，如组织工程、药物输送和生物材料开发，提供了重要的参考价值。通过探索不同天然材料之间的相互作用，我们能够设计出更加复杂和多功能的生物支架，从而满足多种应用需求。

在实际应用中，这种新型微载体系统的成功开发，不仅能够推动培养肉产业的快速发展，还可能对农业、食品工业和生物技术领域产生深远的影响。例如，通过优化微载体的配方和结构，我们可以进一步提升细胞的增殖效率和组织形成能力，从而生产出更加接近天然肉类的培养肉产品。此外，这种材料的可食用性也为食品工业提供了新的思路，使其能够在保持食品质量的同时，减少对环境的负担。未来，随着技术的不断进步和成本的进一步降低，这种微载体系统有望成为培养肉生产中的标准配置，为全球食品供应的可持续性提供有力支持。

综上所述，本研究通过结合多糖和植物蛋白，成功开发出一种新型的可食用微载体系统。这种系统不仅在机械性能和生物相容性方面表现出色，还能够有效支持细胞的增殖和组织形成，为培养肉的大规模生产提供了一种高效、低成本且环保的解决方案。此外，该研究还为细胞农业的发展提供了新的方向，推动了生物制造技术的创新与应用。通过不断探索和优化材料组合，我们有理由相信，未来将能够实现更加复杂和功能化的生物支架，从而满足多样化的食品生产和生物制造需求。