豌豆蛋白-单宁酸交联3D泡沫支架的构建及其在细胞农业中的应用研究

本研究针对细胞农业中植物蛋白支架机械强度不足和细胞相容性差的问题，开发了热交联和单宁酸(TA)协同稳定的豌豆蛋白分离物(PPI)3D泡沫支架。通过FTIR、SEM和TPA分析证实，该支架具有类肉质地（硬度3.84N）和良好消化性（水解度1.79%），并成功支持C2C12成肌细胞粘附（85.4%）和增殖，为培养肉产业提供了新型食品级支架材料。

　　

随着全球人口增长和肉类消费需求上升，传统畜牧业面临资源消耗、环境污染等严峻挑战。细胞农业(cellular agriculture)作为新兴领域，通过体外培养动物细胞生产肉类产品，有望实现可持续蛋白质供给。然而，该技术面临核心瓶颈——支架材料需要同时满足机械性能、营养输送和细胞相容性要求。目前多数研究采用胶原等动物源材料，存在成本高、伦理争议等问题；而植物蛋白支架又普遍存在强度不足、蛋白负载量低(<1%)等技术难题。

美国加州大学戴维斯分校(University of California, Davis)的研究团队创新性地选用豌豆蛋白分离物(PPI)和食品级交联剂单宁酸(TA)，通过热诱导凝胶化、冷冻干燥和高压灭菌等工艺，构建了高蛋白含量(75-78%)的3D泡沫支架。研究采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析蛋白二级结构变化，扫描电镜(SEM)观察微观形貌，质构分析(TPA)评估力学性能，并系统考察了支架的体外消化特性和C2C12小鼠成肌细胞的增殖行为。

关键技术方法包括：(1)采用12.5-15% PPI溶液与TA(0-0.75 mg/mL)共混，通过90℃热处理诱导凝胶化；(2)冷冻干燥构建多孔结构，高压灭菌增强水稳定性；(3)通过模拟胃液消化实验结合邻苯二甲醛(OPA)法测定游离氨基酸释放量；(4)采用resazurin代谢检测和Live/Dead染色评价细胞增殖活力。

研究结果显示：

1. 化学和机械性能：FTIR证实热处理使α-螺旋减少、β-折叠增加(12.5%PPI支架分别降低3.2%和增加4.1%)。SEM显示TA促使蛋白颗粒融合形成连续多孔结构(孔径约200μm)。TPA测定15%PPI/0.75TA支架硬度达3.84N，接近传统肉类范围(1.56-16.09N)。

2. 消化特性：胃消化2小时后释放25.3-26.6 mM游离氨基酸，水解度1.69-1.79%，与未处理PPI粉末相当，表明交联工艺未影响蛋白消化性。

3. 细胞相容性：C2C12细胞1小时内粘附率达85.4%，5天增殖荧光强度与组织培养板相当，活细胞密度显著增加，但存在少量死细胞(约5-8%)。

该研究首次证实热-TA双交联策略可显著提升植物蛋白支架性能：机械强度提高108%(15%PPI/0.75TA vs对照组)，同时保持良好消化性和细胞支持能力。创新性地采用食品级TA替代传统戊二醛等有毒交联剂，支架蛋白含量突破性达到75%以上，远超现有多糖-蛋白复合支架(<1%蛋白)。研究为培养肉产业提供了兼具营养、质地和成本优势的支架解决方案，相关成果发表于《Current Research in Food Science》，对推动细胞农业产业化具有重要指导意义。未来研究可进一步优化TA浓度梯度，探究支架拓扑结构对细胞定向分化的影响。