两步交联法制备具有细胞粘附功能的可食用乳清分离蛋白水凝胶用于培养肉支架

本研究针对培养肉生产中的关键挑战——缺乏安全可食用且具有细胞粘附功能的支架材料，创新性地提出通过两步交联法（TGase/CaCl2）调控乳清分离蛋白（WPI）的物理结构，成功制备出无需RGD修饰即可支持C2C12和猪肌肉干细胞（PMuSCs）粘附/增殖/分化的可食用水凝胶，其质地与真实猪肉相似，为培养肉规模化生产提供了新型安全支架解决方案。

　　

论文解读

全球肉类需求预计到205年将增长76%，传统畜牧业面临严峻的环境与伦理挑战。培养肉技术通过体外培养动物细胞生产肉类，被视为可持续解决方案。然而，该技术商业化面临核心瓶颈——现有支架材料多依赖含RGD粘附位点的动物源性材料（如明胶），既违背"无屠宰"伦理初衷，又存在化学修饰安全隐患。如何开发安全可食用、兼具细胞粘附功能的非动物源性支架，成为领域内亟待突破的科学难题。

广西某研究团队在《Food Hydrocolloids》发表的研究中，创新性地利用乳清分离蛋白（Whey Protein Isolate, WPI）——这种奶酪工业副产品，通过食品级酶（转谷氨酰胺酶TGase）与CaCl₂的两步交联策略，成功构建出无需RGD修饰即可支持细胞生长的可食用水凝胶支架。该研究突破性地证明：通过精确调控材料物理特性（如杨氏模量、zeta电位等），即使不含天然粘附位点的生物聚合物也能实现优异的细胞粘附功能。

关键技术方法
研究采用食品级原料WPI，通过TGase酶促交联形成ε-(γ-谷氨酰)-赖氨酸键，再经Ca²⁺离子交联构建双网络水凝胶。通过流变学、扫描电镜等技术表征材料性能，选用小鼠C2C12成肌细胞和猪肌肉干细胞（PMuSCs）评估细胞行为，并采用质构分析比较水凝胶与真实猪肉的力学特性。

研究结果

材料表征
双交联WPI水凝胶（MTLC型）展现显著优化的物理特性：杨氏模量提升至12.44-25.87 kPa（单交联对照组的2.3倍），接触角<40°显示亲水性增强，zeta电位正移促进细胞膜相互作用。电镜显示更致密的三维网络结构，其孔径（50-200 μm）和溶胀率（~800%）理想支持细胞浸润。

细胞行为调控
MTLC水凝胶上C2C12细胞24小时粘附率达85%，7天后增殖量较单交联组提高2.1倍。猪肌肉干细胞（PMuSCs）成功分化为多核肌管，肌球蛋白重链（MyHC）表达量达体内肌肉组织的78%。关键机制在于材料刚度与细胞机械转导通路（如YAP/TAZ）的匹配，以及表面正电荷促进整合素聚集。

食品适用性验证
质构分析显示MTLC水凝胶的硬度（4.2 N）、弹性（0.85）与新鲜猪肉无统计学差异，且经胃蛋白酶消化率>90%，证实其完全可食用性。

结论与意义
该研究颠覆性地证明：通过物理结构调控（而非依赖化学修饰）即可赋予生物材料细胞粘附功能。所开发的WPI水凝胶兼具成本优势（原料为奶酪副产品）、伦理合规性（无动物屠宰）和工业化潜力（全程食品级工艺），其质地仿真性更有助于消费者接受。这项成果不仅为培养肉支架设计提供新范式，更开辟了食品工业副产品高值化利用的新途径，对实现可持续蛋白质供给具有重要战略意义。