商业食品基质作为培养肉研究的支架

《Food Bioscience》：Commercial food matrices as scaffolds for cultivated meat research

　　摘要培养肉生产需要可食用的支架来支持细胞生长，并为最终产品提供结构和口感。在此，我们评估了五种市售食品作为无涂层支架：杜兰小麦意面、红扁豆意面、小麦面、大豆面和魔芋面。我们表征了它们的表面形态、化学成分、吸水率、孔隙率、硬度和延展性，并使用小鼠 C2C12 成肌细胞和 3T3-L1 前脂肪细胞作为概念验证细胞模型，比较了肌肉相关和脂肪相关的细胞反应。含蛋白质的基质通常比魔芋面支持更高的细胞代谢活性。大豆面表现出最强的肌肉相关反应，包括细长的肌球蛋白阳性结构和更早的肌源性标志物表达。杜兰小麦意面和小麦面表现出更强的构建体相关脂质信号和脂肪生成标志物表达。接种细胞的杜兰小麦意面在培养和热处理后仍保持其结构，尽管它仍然比猪肉和牛肉参考样品更软、更有嚼劲性差。这些发现表明，商业化食品基质可以为培养肉研究提供简单的候选支架。需要进一步研究在食品兼容条件下使用牲畜来源的细胞来评估其用于培养肉生产的适用性。引言培养肉已成为一种有前景的策略，用于在不依赖传统畜牧业的情况下生产动物源蛋白质。除了细胞来源、培养基和生物加工之外，可食用支架的开发仍然是结构化培养肉产品的核心挑战。与非结构化的细胞生物质不同，结构化产品需要一个三维基质，支持细胞附着、增殖、分化、营养运输和组织排列，同时还能实质性地为最终食品产品的口感和口感受到贡献（Li等，2025；Rubio等，2020）。因此，培养肉的支架设计必须满足生物和食品材料的要求，包括可食用性、细胞相容性、可扩展性、可负担性、可加工性、营养贡献和消费者接受度（Fasciano等，2024；Kumar Punna等，2026；Xiang, Yao等，2022）。近年来，培养肉的支架策略越来越多地从传统生物医学材料转向可食用和食品级系统，包括植物蛋白支架、多糖和蛋白-多糖水凝胶、3D打印的可食用基质、脱细胞植物组织和最少处理的植物来源基质（David等，2026；Xiang, Yuen等，2022）。例如，纹理化大豆蛋白已被用作可食用的多孔支架来支持牛骨骼肌组织形成（Ianovici等，2022）。富含植物蛋白的3D打印支架和含有大豆或豌豆蛋白的多糖水凝胶进一步展示了食品级大分子网络在培养肉应用中的潜力（Ben-Arye等，2020；Xiang, Yuen等，2022）。最近，脱细胞芦笋支架和高压灭菌蔬菜被探索作为植物来源的基质，为肌肉和脂肪细胞生长提供原生架构、各向异性拓扑结构和组织相关的机械线索（Lu等，2022；Park等，2024）。高通量可食用打印策略也开始通过使用植物蛋白基墨汁生成结构化支架来解决可加工性和制造规模问题（Goodwin等，2024）。尽管取得了这些进展，但许多当前的可食用支架系统仍然依赖于额外的加工步骤，如水凝胶配制、离子交联、脱细胞、浸泡在明胶或其他蛋白质中、酶处理、还原剂或专门的制造平台（Fang等，2025；Fasciano等，2024；Goodwin等，2024；Lu等，2022；Park等，2024）。这些方法对于开发改进的细胞和口感结果是有价值的，但它们通常会增加制造复杂性，并可能使向低成本食品生产要求的转化变得复杂。这为探索和开发更简单的食品原生支架系统留下了重要空白，这些系统已经可食用、消费者熟悉、可扩展，并通过既定的食品加工方法进行结构化。选择意面和面条是因为它们内聚的预制结构可以被切割成自支撑单元，并且在水合和烹饪过程中保持完整。它们广泛可用，并以小麦、大豆、豆类和葡甘聚糖为基础的配方大规模生产。这一范围使我们能够在不首先创建水凝胶、脱细胞植物组织或添加促进黏附的涂层的情况下，在熟悉的食品格式内比较几种蛋白-多糖组成。这些实用特征促成了我们在本研究中选择它们。杜兰小麦意面和面条含有麸质蛋白，主要是醇溶蛋白和麦谷蛋白，它们形成粘弹性网络，捕获淀粉颗粒，并在烹饪过程中贡献硬度、弹性和嚼劲（Xing等，2023）。大豆面将大豆来源的植物蛋白引入基于小麦的基质中，可能改变蛋白网络组织、水合行为和细胞-材料相互作用（Kim等，2024）。红扁豆意面提供了无麸质、富含蛋白质和纤维的基质，由豆类蛋白、淀粉和膳食纤维形成（Langyan等，2022）。相比之下，魔芋面主要由魔芋葡甘聚糖组成，这是一种高度亲水的多糖，通过碱性处理形成弹性凝胶网络（Wu等，2025）。总之，这些商业可用的意面和面条产品提供了多样化的食品大分子支架架构，包括麸质-淀粉、大豆-小麦蛋白-淀粉、豆类蛋白-淀粉-纤维和富含葡甘聚糖的多糖凝胶基质，具有不同的蛋白质含量、多糖组成、水合能力、孔隙率、表面结构和硬度（Witczak等，2016）。在此，我们研究了常见的粮食食品来源的基质是否能够作为可食用的、无涂层的支架用于培养肉应用。我们选择了一系列意面，包括红扁豆意面、小麦面、大豆面和魔芋面作为模型支架材料，因为它们涵盖了几个食品大分子支架架构：由意面和小麦面代表的麸质-淀粉基质，由大豆面代表的大豆-小麦蛋白-淀粉复合基质，由红扁豆意面代表的豆类蛋白-淀粉-纤维基质，以及由魔芋面代表的富含葡甘聚糖的多糖凝胶基质。与许多报告的支架系统不同，这些材料是在没有外源细胞外基质涂层、明胶处理、酶功能化或化学表面修饰的情况下进行评估的。我们表征了它们的形态、表面粗糙度、化学成分、水合能力、孔隙率、硬度和延展性，然后研究了这些材料特征如何与C2C12骨骼成肌细胞和3T3-L1前脂肪细胞的细胞代谢活性和谱系相关反应相关联。此外，还进行了质构分析以评估选定的接种细胞支架构建体在培养和烹饪（包括煎制）后是否保持了与产品相关的机械完整性。选择C2C12和3T3-L1细胞作为建立的小鼠模型，分别用于肌源性和脂肪生成反应的比较筛选（Asakura & Kikyo, 2022；Soice & Johnston, 2021）。它们的广泛表征使得能够跨具有不同组成和物理特性的食品基质一致地比较细胞反应。通过将食品基质组成、加工衍生结构、模型细胞反应和生物材料-组织构建体级别的质构联系起来，本研究评估了常见的意面和面条产品作为培养肉研究的简单、食品原生支架平台。与其将意面和面条视为可互换的可食用载体，我们研究了它们的原生蛋白、多糖、淀粉和纤维网络如何与肌肉相关和脂肪相关的细胞结果以及培养后的质构行为相关联。这种方法为培养肉支架设计提供了一个实用的框架，其中现有的食品材料可以被选择、组合或重新配方以支持细胞生长、可食用结构、可制造性、烹饪耐受性和与产品相关的质构。部分片段面条基质支架的表面结构表面架构是培养肉支架的关键材料特征，因为它可以影响水合、营养运输、细胞附着、细胞扩展和细胞的空间组织。最近针对培养肉的支架研究强调了多孔和对齐架构对于支持肌肉细胞组织和组织样质构的重要性（Rao等，2023）。为了比较不同食品来源基质的原生结构，五种基于面条的材料，结论这项比较研究确定了大豆面是测试过的最强的肌源性反应基质，而杜兰小麦意面和小麦面显示出更强的脂肪生成标志物表达和构建体相关脂质信号。更广泛地说，这些发现表明，预制的商业食品基质可以在不添加表面涂层的情况下支持不同的细胞相关结果。由于基质在多个组成和物理特征上存在差异，任何单一属性的贡献面条支架制备意面（Trader Joe's，美国）和红扁豆面条（Trader Joe's，美国）煮沸5分钟，然后立即用冰水浸泡和冲洗。小麦面（Home Taste Food Inc，诺伍德，马萨诸塞州，美国）和大豆面（神瑞园，中国）煮沸2分钟，然后用冰水浸泡和冲洗。魔芋面（玉泉，美国）首先用水冲洗以去除外部的氢氧化钙，然后煮沸3分钟并用冰水冲洗。可用的产品CRediT作者贡献声明李心新：写作 – 审阅与编辑，写作 – 原始草稿，方法学，调查，形式分析。Hannah Chang：写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。Daniel Leyang Chen：写作 – 审阅与编辑，方法学，调查。王宇舒：调查。李刚：概念化。Jimena Lin：方法学。Hirunika U. Kumarasinghe：调查。Peter Battle：方法学。Jugal Kishore Sahoo：方法学。Khin Thu Lwin：方法学。陈颖：写作 – 审阅与利益冲突声明作者声明他们不存在可能影响本文报告工作的已知竞争财务利益或个人关系。致谢本工作得到了美国农业部（拨款号2021-05678）、通过帝国理工学院的贝索斯地球基金（拨款号BCSP/IC/001）以及美国农业部、国家食品与农业研究所（拨款号2024-10265）的支持。我们感谢林泰焕博士在团队成员缺席期间对细胞维护的帮助。李心新|Hannah Chang|Daniel Leyang Chen|王宇舒|李刚|Jimena Lin|Hirunika U. Kumarasinghe|Peter Battle|Jugal Kishore Sahoo|Khin Thu Lwin|陈颖|David L. Kaplan