《Future Foods》：Biointelligent Design of Edible Gellan- and Plant Protein-Based Hybrid Prototypes for Cultivated Meat Containing Fat Spheroids
编辑推荐：
为应对传统肉类生产的环境与资源压力，本研究通过生物智能设计策略，开发了基于结冷胶（GG）与植物蛋白（大豆/豌豆）的杂化培养肉原型。利用挤出式3D打印技术构建了具有“肌肉外壳-脂肪域”分层结构的可食用材料体系，系统评估了材料的流变性、储存稳定性及煎炸性能，并成功将成脂分化牛脂肪源性干细胞（bASC）球体嵌入GG基墨水，验证了其在模拟脂肪相中的生物学功能。该研究为动物源性成分的替代及结构化培养肉产品开发提供了新材料与新技术支撑。
随着全球人口持续增长，对肉类产品的需求不断攀升，传统畜牧业面临资源消耗、温室气体排放及动物福利等多重挑战。植物基肉制品虽在一定程度上缓解了上述压力，但其口感、风味和质构仍难以完全模拟真实肉类。培养肉（Cultivated Meat, CM）技术通过体外扩增动物细胞生产肉类，被视为潜在解决方案，但目前仍处于早期发展阶段。其中，关键瓶颈在于如何利用可食用、动物源游离的生物材料，构建兼具生物学功能与食品加工适性的三维结构。
在此背景下，斯图加特大学Interfacial Process Engineering and Plasma Technology研究所的Jannis O. Wollschlaeger等人在《Future Foods》发表研究，提出一种“生物智能”（Biointelligent）设计策略，将材料选择、配方优化与3D打印结构设计相结合，开发出基于结冷胶（Gellan Gum, GG）和植物蛋白（大豆蛋白、豌豆蛋白）的杂化培养肉原型。该原型通过挤出式3D打印技术实现“肌肉样”外壳与“脂肪样”内核的模块化构建，并首次将成脂分化的牛脂肪源性干细胞（bASC）球体整合于GG基墨水中，模拟天然肉的脂肪组织功能。
研究团队采用多项关键技术方法：首先通过流变学分析（振幅/频率扫描）评估五种生物材料（纯GG、GG-大豆蛋白混合、GG-豌豆蛋白混合、纯大豆蛋白、纯豌豆蛋白）的打印适性与机械性能；其次开展稳定性测试（溶胀率、持水性、冷藏/冷冻储存、细胞培养基环境耐受性）及煎炸实验（160°C油煎/无油煎）；进而利用挤出式3D打印（BIO X生物打印机）构建网格结构与定制CAD模型（肌肉外壳包裹GG基脂肪域）；最后通过动态悬浮培养获得bASC球体，并将其与GG基生物墨水混合打印，通过活/死染色（Calcein AM/EthD-1）和BODIPY脂质染色评估细胞存活与成脂表型。所有实验均设独立重复样本，数据以均值±标准差表示，采用GraphPad Prism进行单因素方差分析与Holm-?ídák多重比较。
3.1. 生物智能设计框架的建立
研究提出从功能需求出发的材料-工艺-结构协同设计流程，明确GG的热可逆凝胶特性适于模拟脂肪熔化行为，而植物蛋白的共价交联网络可提供煎炸稳定性，为后续原型构建奠定理论基础。
3.2. 流变学表征揭示材料软硬差异
频率扫描显示GG基材料储能模量（G′）与损耗模量（G″）均低于100 Pa，而纯植物蛋白材料模量高达100–1000 Pa，表明后者具备更强机械强度。振幅扫描中GG基材料的交叉点出现在1%应变后，而蛋白材料在0.1%应变即发生屈服，印证其脆性特征。
3.3. 生物材料在储存与稳定性测试中表现良好
纯GG溶胀率最高（6441%），添加植物蛋白后显著降低（GG-大豆：2323%；GG-豌豆：2589%）。持水性测试中GG-豌豆混合材料水分流失最少（4.42%），纯蛋白材料流失最高（约12.5%）。冷冻储存导致纯GG重量损失（85.6%），但混合材料稳定性提升（93–94%）。37°C培养基中所有材料均保持结构完整，重量损失率在75–90%之间。
3.4. 煎炸行为分化：GG熔化而蛋白稳定
GG基材料在加热后立即熔化，无油煎炸形成脆片，油煎后形成不规则固态；植物蛋白材料在两种煎炸条件下均保持形状，油煎样品出现典型“肉样”外壳。质构分析（TPA）显示油煎使豌豆蛋白硬度从0.520 N升至1.377 N，咀嚼性从53.0增至151.7。
3.5. 红甜菜粉着色不影响材料性能
添加0.5–20 mg/mL红甜菜粉（RBP）后，大豆蛋白样品呈渐深红色，豌豆蛋白样品煎炸后转为褐色，但流变与TPA参数无显著变化，证明着色剂对功能无干扰。
3.6. 3D打印实现肌肉-脂肪仿生结构
所有材料均成功打印，GG基墨水需较低挤出压力（11–12 kPa）但面积扩张率高（263–325%），蛋白墨水扩张率低（135–175%）。设计的CAD模型实现蛋白外壳包裹GG内核的共打印，验证了结构可行性。
3.7. bASC球体在GG基墨水中保持活性与成脂表型
活/死染色显示打印后细胞存活率高，BODIPY染色证实脂滴存在，且球体形态在三种GG基墨水中均得以维持，表明打印过程对细胞相容性良好。
3.8. 原型与商业肉替代品质构对比
打印原型（PT）硬度（PT大豆：0.188–0.236 N；PT豌豆：0.342–0.714 N）显著低于部分商业产品（如MA1：2.161–4.760 N），但模块化设计赋予其可调性优势。切割测试中大豆原型需能（36.48 N·mm）高于豌豆原型（8.42 N·mm），细胞添加未引起质构显著变化。
研究通过生物智能设计策略，成功将GG的热可逆特性与植物蛋白的结构稳定性相结合，构建出具有“肌肉-脂肪”仿生结构的杂化培养肉原型。GG基材料在煎炸中的熔化行为有效模拟了脂肪功能，而植物蛋白外壳提供了必要的形状保持性。红甜菜粉的引入实现了视觉近似性，且不影响材料本征性能。bASC球体的整合进一步增强了原型的生物学相关性，为培养肉产品中脂肪组分的模拟提供了新思路。尽管原型质构相较于高纤维化商业产品仍偏软，但其模块化设计、动物源成分游离及3D打印可控性凸显了其在定制化培养肉开发中的潜力。未来需重点优化纤维取向调控、感官属性量化及规模化生产工艺，以推动该类原型向实际应用转化。
