《Food and Bioprocess Technology》：Beyond Cell Expansion: Microcarriers as Functional and Edible Platforms for Cultivated Meat Production
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培养肉已成为缓解传统畜牧业环境影响的重要策略，但其工业化规模受限于贴壁细胞培养的高效放大瓶颈。微载体作为关键使能技术，凭借高比表面积体积比，可在生物反应器系统中支持细胞增殖。本综述批判性评估了当前微载体制备策略，重点关注脱细胞、电喷雾及乳化法，并探讨其在规模化
培养肉已成为缓解传统畜牧业环境影响的重要策略，但其工业化规模受限于贴壁细胞培养的高效放大瓶颈。微载体作为关键使能技术，凭借高比表面积体积比，可在生物反应器系统中支持细胞增殖。本综述批判性评估了当前微载体制备策略，重点关注脱细胞、电喷雾及乳化法，并探讨其在规模化、食品安全及终产品功能特性方面的意义。脱细胞的植物与真菌基质可提供结构复杂、低成本且潜在可食用的替代方案，模拟细胞外基质（extracellular matrix, ECM）的天然构型。相比之下，电喷雾与乳化技术可利用明胶、壳聚糖及植物蛋白等食品级生物聚合物，实现对粒径、形貌及力学特性的精准调控。尽管取得上述进展，该领域仍面临显著挑战，尤其在交联过程中平衡力学稳定性与细胞相容性、确保食品级材料合规性以及在大型生物反应器流体剪切力下维持细胞活性等方面。值得注意的是，微载体的选择不仅直接影响细胞扩增效率，亦决定终产品的营养、结构与感官属性。因此，未来研究应优先整合制备技术与生物过程工程及食品设计原理，以开发兼具成本效益与消费者接受度的培养肉产品。
引言
传统肉类生产伴随严峻的环境与可持续性挑战，包括土地与淡水资源耗竭、温室气体排放及养分转化效率低下。全球人口增长预计将进一步推高粮食需求，至2050年人口规模可能达90亿至110亿，亟需向可持续且可扩展的食品生产体系转型。培养肉作为无需屠宰动物的体外肌肉组织生产方式，提供了极具前景的替代路径。依据目标产品与细胞类型，现有组织工程策略涵盖无支架法（如细胞聚集体与球体）及支架法（如多孔支架、水凝胶、三维生物打印与微载体）。无支架法适用于非结构化产品生产，而支架法则可为复杂组织构建提供必要的机械支撑与空间排布。在各类策略中，微载体因适配搅拌式生物反应器操作与工业生物加工流程，已成为贴壁细胞大规模扩增最具潜力的平台之一。其悬浮颗粒为细胞生长提供附着界面，而氧传递、剪切力暴露及培养均一性则取决于微载体自身特性与生物反应器运行参数。典型粒径范围为100–500 μm，有利于过程控制与监测，提升批次一致性并降低生产成本。在细胞扩增后，可食用微载体可直接保留于绞碎或模塑类培养肉产品中，或与粘合剂、脂肪组装形成结构化组织，三维生物打印仅为可选的空间排布手段。微载体制备技术主要包括电喷雾、乳化与脱细胞，混合方法如乳化结合交联亦被探索以提升孔隙率与培养适用性。电喷雾与乳化为外源驱动液滴生成过程，而脱细胞则在去除细胞组分的同时保留天然ECM结构。微载体性能高度依赖材料选择，直接影响细胞粘附、增殖与工艺放大潜力。动物源材料如明胶、胶原或肽基涂层通过粘附基序或正电荷促进细胞附着；植物源材料如西兰花多糖与大豆分离蛋白提供了可食用替代路径；合成聚合物如聚苯乙烯与交联葡聚糖则具备成熟的工艺基础。交联处理可显著提升微载体的力学完整性、稳定性及降解可调性，使其更适应动态培养环境与规模化生物加工。既往综述多聚焦于培养肉技术的特定侧面，如微载体放大、可食用支架材料及非动物源支架，尚未有研究系统整合制备机理、材料选择、食品级要求、流体力学性能、细胞特异性需求及下游终产品加工。本综述通过对比制备策略与材料平台，区分制备机理与载体材料，结合同行评议研究与专利公开，并探讨可食用微载体在细胞扩增之外的潜在角色，包括其融入终产品的可能性，在有实验证据的前提下讨论感官与营养属性。
培养肉：技术与市场概览
培养肉通过细胞农业技术，从活体动物活检获取少量细胞后在生物反应器中扩增形成大量细胞团，无需传统畜牧养殖与屠宰。消费者普遍视其为更具可持续性的替代方案，但价格与感官接受度仍是主要障碍。巴西一项覆盖4000余名参与者的调查显示，66%的受访者愿意尝试培养肉，且预期价格低于传统肉类。消费者接受度受感知环境影响、社会规范与产品熟悉度影响，社会经济因素亦不可忽视。全球约74%消费者已认可植物基蛋白为可持续食品类别，表明环境意识正在提升，但成本与可及性仍是关键壁垒。成本降低与产能提升是培养肉实现市场竞争力的核心，清晰传达环境与营养益处的沟通策略可有效提升接受度。脱细胞植物基微载体等技术有望降低生产成本并增强终产品营养价值。微载体设计不仅是生物学需求，更是决定生物反应器生产率、过程控制及经济可行性的关键工程参数。早期模型预测培养肉较传统肉类可减少78%–96%温室气体排放与82%–96%用水，但该数值具情景依赖性，不可等同于实测工业绩效。新加坡于2020年批准首款培养肉产品上市，美国于2023年完成联邦安全与检验审查后进入市场，巴西则通过RDC No. 839/2023建立了包括细胞培养产品在内的新型食品与配料安全评估框架。培养肉生产包含细胞来源、培养基优化及支架或微载体设计三大关键环节。细胞来源需获取可分化为肌细胞、脂肪细胞或成纤维细胞的种子细胞；培养基优化旨在开发安全、低成本的促增殖配方；支架或微载体则需提供ECM仿生功能或实现生物反应器内生物质扩增。支架通常为薄膜、大孔海绵或纤维网络等宏观三维结构，在静态条件下引导细胞构建复杂组织，但受限于氧与养分扩散，组织生长通常仅数毫米即出现核心坏死。微载体则为直径100–500 μm的微观球体或颗粒，适配搅拌罐或动态混合生物反应器。其高比表面积体积比可实现高于传统系统的细胞密度，悬浮培养下的温和搅拌可提供均一的理化环境，便于pH值与溶氧的精准监控，这对批次一致性与自动化集成至关重要。珠到珠转移（bead-to-bead transfer）现象可使细胞在载体饱和后自发迁移至新载体，减少传代与酶解需求，但其效率取决于细胞类型、载体表面及混合条件，尚未在所有体系中等效验证。收获后的载细胞微载体可直接用于绞碎类产品，或与粘合剂、脂肪组装，三维打印仅在需要空间排布时采用。
微载体——工艺、趋势与展望
微载体是生物反应器系统中贴壁细胞生长的基础支撑基质，其表面化学性质、粒径、孔隙率、密度及力学特性显著影响细胞附着与行为。相较于平面单层培养，其核心工艺优势在于单位反应器体积内更大的附着面积。在培养肉场景中，微载体不仅支持细胞附着，还促进增殖、分化与成熟，因而其材料需兼顾适宜力学特性、生物相容性、生物降解性、可控孔隙率与经济性及可扩展性。与真正悬浮培养相比，微载体培养保留了大多数成肌与成脂细胞所需的粘附信号，但引入了颗粒碰撞、沉降、聚集及细胞回收等额外约束。微载体策略的近期进展体现了学术研究与产业创新的协同推进。早期技术主要由专利文献披露，反映规模化细胞扩增系统的商业价值，随后学术研究显著增加，聚焦于制备技术的开发与优化。在各类方法中，基于交联的体系报道最多，其次为电喷雾、乳化与脱细胞，封装、发酵与挤出等新兴策略亦有探索。制备方法在可扩展性、重现性及食品级兼容性方面差异显著，需批判性评估其优劣。原材料选择正向可持续可食用源转变，植物、真菌与细菌基材料的重要性日益凸显，旨在开发可安全保留于终产品的微载体，简化下游处理。生物学模型正从广泛使用的鼠源C2C12细胞系转向牛、猪、禽及鱼类等与食品生产相关的物种，以契合工业化与监管要求。表1与表2汇总了微载体制备的代表性研究与专利，显示技术正快速向兼具生物学功能与食品生产兼容性的材料演进。Cytodex 3?等传统体系因高效与重现性仍作为细胞扩增基准，但其不可食用特性构成产业化瓶颈，需下游分离步骤而增加成本与复杂度。近期研究明确转向可食用可持续材料，西兰花花蕾与食用菌基脱细胞结构可提供天然多孔架构以支持肌细胞生长，米曲霉（Aspergillus oryzae）来源的真菌微载体则基于生物自组装机制，提供内禀可食用结构与放大潜力，但脱细胞处理与生物生长过程的重现性与结构均一性仍受限。基于明胶、胶原、壳聚糖及杂化配方的生物聚合物体系因通用性与优良的细胞-材料相互作用而被广泛探索，电喷雾、乳化、冷冻处理与微流控技术可制备形貌可控、力学可调的微载体，其刚度、孔隙率与粒径直接影响细胞增殖与分化，但部分体系仍依赖动物源组分、油相加工或多步工艺，制约工业落地。全食品级直接可食用微载体成为新焦点，鹰嘴豆蛋白水解物、大豆分离蛋白及鹰嘴豆蛋白基体系结合了植物基组成与优良细胞相容性，可保留于终产品中而无需移除。乳清分离蛋白（whey protein isolate, WPI）气凝胶微载体具备可调力学特性，支持C2C12增殖与分化，适配规模化生物反应器应用，利用食品工业副产物进一步强化了可持续性。细菌纤维素基策略则展示了可再生、结构稳定生物材料的潜力，原位生物合成与层压共混浇铸策略表现出优异力学稳定性与生物相容性，且无需有毒交联剂，但相较简单蛋白基配方，其生产工艺仍较复杂。专利布局显示技术正向规模化、食品兼容的微载体系统倾斜，强调过程放大、降本与合规，原材料向植物蛋白、多糖、海藻与微生物生物聚合物多元化发展。细菌纤维素与真菌壳聚糖体系展现了杂化材料结合力学强度与生物相容性的潜力。创新制备策略包括电喷雾、低温凝胶化、微流控与光交联，可精准控制粒径、孔隙率与力学特性；低温凝胶与原位生物合成侧重高孔隙结构以促进养分扩散与细胞增殖；热与酶交联因优于化学交联而更受青睐以提升食品安全与监管接受度。表面功能化策略如RGD肽接枝、多酚涂层与等离子体处理，在不损害可食用性的前提下增强细胞粘附与增殖。多功能平台将微载体整合入纤维、水凝胶或结构化食品基质，实现直接掺入终产品并省去分离步骤。尽管如此，多步工艺与环境精密控制需求仍为放大障碍，批次间结构一致性与重现性亦是核心挑战。本综述深入解析微载体制备关键技术，阐明其机理、工艺参数与可扩展性，结合学术与专利洞见，弥合实验室创新与商业应用鸿沟，为过程优化、合规与低成本大规模生产指明方向。
微载体生产技术：培养肉专用路径
培养肉微载体制备涵盖多元技术路径，可按起源与物理化学原理分类，包括成熟的脱细胞、乳化、电喷雾法，以及微流控、发酵合成细菌纤维素、相分离等新兴精准可持续技术。交联作为稳定步骤，可通过化学、物理或酶促机制实现，对聚合物形成稳定三维网络与可调力学特性至关重要，以耐受培养过程中的流体动力学作用力。所有技术路径共同指向开发高比表面积平台，以实现规模化细胞粘附、增殖与分化。制备方法直接决定微载体形貌与功能，进而影响其作为细胞构筑单元在生物反应器终产品中的整合方式。下文按制备路线分述：天然基质加工（脱细胞）、机械驱动乳化、电流体动力液滴生成（电喷雾）、交联策略及其他新兴方法。
脱细胞
脱细胞通常采用物理、化学与酶促处理，化学法最常用且常与物理或酶促法联用。化学脱细胞涉及洗涤剂、酸碱溶液与螯合剂，十二烷基硫酸钠（sodium dodecyl sulfate, SDS）为常用洗涤剂。化学试剂通过灌注或漂洗植物组织以裂解细胞并降解核酸，包括离子与非离子表面活性剂、酸碱、醇类与溶剂。SDS作为离子型洗涤剂，细胞裂解能力强，适用于致密组织清洗，但过度暴露可能破坏ECM内蛋白-蛋白相互作用，导致结构损伤与功能丧失。非离子洗涤剂如Triton X-100更能保留ECM结构，常以0.1%–1%低浓度用于后续步骤以减轻损伤。工艺优化对彻底去除细胞组分、缩短处理时间、节水及减化用工至关重要，直接影响过程可扩展性与工业可行性。研究显示，SDS（10%）、Tween-20（3%）与漂白剂（10%）复合溶液可将西兰花花蕾脱细胞时间由7天缩短至48小时，所得半透明微载体具有高比表面积体积比，适于生物反应器培养。牛卫星细胞接种后细胞死亡率低，证实其概念验证级生物相容性。酶促脱细胞较少单独使用，常配合化学法，核酸酶可特异性去除遗传物质，但成本高、耗时长，限制其大规模应用。脱氧胆酸钠联合DNase与RNase处理可将双孢蘑菇切片脱细胞，保留真菌基质三维架构，支持C2C12成肌细胞生长与分化，但需将脱细胞组织破碎至100–500 μm粒径范围以适配微载体标准。物理方法如冻干通过冰晶机械应力裂解细胞，常作为补充手段。蘑菇经冻干、研磨与筛分后可获得160–300 μm粒径微载体，不同菌种性能差异显著：平菇与香菇支持细胞增殖与肌管分化，生物质产率高，所得培养肉原型在流变与质构上接近香肠与鸡胸肉。专利技术进一步在脱细胞基础上引入基质改性，如蔬菜微载体经盐溶液与热循环处理后细胞粘附显著增强；褐藻Durvillaea antarctica经SDS脱细胞后，通过明胶、白蛋白或RGD肽功能化，构建仿生微环境以支持C2C12增殖并保持悬浮状态。然而，脱细胞微载体仍面临批次差异、原料异质性与放大限制，需进一步优化工艺与质控以实现稳定工业生产。
乳化
乳化法基于两相不互溶体系（通常为水性聚合物溶液与连续油相）在机械能量（磁力搅拌、机械搅拌或超声）作用下分散为微液滴，因简便、可扩展且兼容多种食品级生物聚合物而被广泛应用。水包油（W/O）乳液常用于水性聚合物相分散于油相后经凝胶化或交联形成载体，可与化学、酶促、离子或热凝胶化耦合，连续相与后处理决定是否需要去除残留油、表面活性剂或溶剂。微流控流控聚焦为液滴控制手段，不等同于工业放大。研究显示，W/O乳液可作为明胶微粒的模板，经微生物谷氨酰胺转氨酶（microbial transglutaminase, mTG）酶交联，通过调节聚合物浓度与反应时间实现刚度0.5–22 kPa可调，表面压印沟槽拓扑结构可轻微提升C2C12悬浮培养中的增殖与排列。微流控乳化可制备直径约277 μm的明胶微载体，用于比较地面搅拌生物反应器与模拟微重力下的细胞行为，结果显示模拟微重力延迟细胞扩增与分化，为生物学性能评估模型。乳化法的多功能性亦体现在脂肪模块构建，热法油包水（O/W）乳液可制备甘油单硬脂酸酯结构化油凝胶脂肪替代品，经鹰嘴豆蛋白稳定后模拟牛脂质地与脂质谱，再与壳聚糖-胶原微载体衍生的肌肉微组织组装为汉堡与分层切块产品。专利技术提出以热交联替代化学交联，以蛋清为主料、植物蛋白溶液为天然乳化剂，在40–70 °C加热诱导蛋白变性并自交联，同步实现相分离，简化工艺并消除戊二醛等试剂的残留细胞毒性风险，推动全食品级可扩展制造。然而，乳化体系仍需解决残油高效去除、乳化剂污染及复杂ECM样结构构建难题，放大过程亦需精细优化混合条件以保障重现性与颗粒均一性。总体而言，乳化法因其可扩展性与多功能性成为最具工业潜力的技术之一，但仍需进一步改进以满足培养肉生产的结构与生物学需求。
电喷雾
电喷雾利用高压电场驱使聚合物溶液经毛细喷嘴喷出，在针尖形成泰勒锥（Taylor cone），带电液滴射向含交联液或凝固剂的接地收集器，实现高均一性颗粒制备，并可精准调控粒径与形貌，在重现性与精细结构调控方面优于传统乳化法。静电势克服泰勒锥处表面张力，液滴尺寸与形貌由电势、表面张力与流速的平衡决定，溶液理化性质（粘度、导电性、表面张力）及电压、流速、喷嘴-收集器距离等操作参数共同决定微载体最终特性。该技术可用于水凝胶微载体包覆与壳聚糖溶液电喷至交联液。前者以电喷雾生成海藻酸钙核心，再包被胰蛋白酶处理的鹰嘴豆蛋白水解物并经食品级京尼平（genipin）交联，酶处理暴露赖氨酸与精氨酸残基，呈现细胞粘附肽基序，提升微载体细胞亲和性，使C2C12增殖率优于市售葡聚糖基载体。后者构建壳聚糖-胶原杂化微载体以模拟动物ECM，通过优化电喷雾参数实现粒径与孔隙可控，支持细胞粘附与增殖，并具备可食用性与生物相容性。电喷雾技术在食品级材料体系中展现出高精度制备潜力，但其设备复杂度与能耗、溶剂残留控制及大规模连续化生产仍是待突破的工程瓶颈。
