综述：先进水凝胶技术在肉品科学中的应用：保鲜、仿生替代品与细胞培养肉支架

《LWT》：Advanced hydrogel technologies for meat science: preservation, biomimetic substitutes, and cultured meat scaffolds

这篇综述系统阐述了先进水凝胶技术在应对肉品产业挑战中的关键作用。作者聚焦于水凝胶在三大核心领域的创新应用：1）肉品保鲜，通过负载活性物质、金属有机框架（MOFs）协同抗菌、智能pH响应及MOFs传感器实时监测；2）人造肉替代品，利用高持水性和可调流变性模拟脂肪/软骨质地；3）细胞培养肉，以其生物相容性三维网络作为支架，显著提升细胞（如C2C12、PSCs）的粘附、增殖与分化效率。文章还前瞻性地探讨了人工智能驱动与DNA水凝胶等前沿技术融合，以推动智能肉系统与精准生物制造的发展，为提升肉品安全、可持续性与创新提供了系统性的技术视角。

应用水凝胶材料与肉制品的凝胶机制

用于肉制品的水凝胶主要来源于生物相容性良好的食品级生物聚合物，以多糖和蛋白质为主。如表1和图2所示，其凝胶化机制和结构特征决定了其在保鲜、替代产品和培养肉支架中的功能特性。

多糖

多糖基水凝胶因其多功能性、安全性和可调特性而被广泛应用。目前用作水凝胶基质的多糖主要有四个来源：（1）藻类多糖，如琼脂、卡拉胶和海藻酸盐，通过氢键、阳离子诱导的螺旋交联或离子相互作用（例如Ca²⁺与海藻酸盐形成“蛋盒”结构）形成凝胶，应用于新鲜度指示剂、抗菌膜和培养肉支架。（2）植物多糖，包括果胶、纤维素和魔芋葡甘露聚糖（KGM），通过酸诱导交联、化学改性或碱脱乙酰化形成凝胶。例如KGM在碱性条件下加热脱乙酰后，通过分子间疏水作用和氢键产生不可逆热固性凝胶。它们被用于脂肪替代品、湿度调节垫和细胞培养支架。（3）动物多糖，如壳聚糖，通过静电相互作用、氢键或pH依赖性机制凝胶化，在肉品保鲜中提供抗菌益处。（4）微生物多糖，如黄原胶和结冷胶，形成剪切稀化或阳离子稳定凝胶，用于复合凝胶、新鲜度监测和质地模拟。

蛋白质

蛋白质是由肽键连接的氨基酸组成的聚合物。植物和动物是蛋白质的主要来源。蛋白质中氨基酸的类型、序列和数量决定了蛋白质基水凝胶的结构和功能特性。此外，可以通过操纵蛋白质浓度、变性和聚集状态来修饰水凝胶的结构和功能。将蛋白质与多糖、多酚或金属离子结合可以进一步调节水凝胶的性质。因此，选择具有合适功能特性的蛋白质对于设计特定应用的水凝胶至关重要。

植物蛋白如大豆蛋白和豌豆蛋白经历热、离子或酶促凝胶化，通过疏水相互作用和二硫键形成网络，用于脂肪替代和3D打印培养肉支架。动物蛋白如明胶和乳清蛋白通过氢键和二硫键交联形成热可逆或不可逆凝胶，用于保鲜、智能指示剂，并作为培养肉中细胞粘附和分化的支架。

水凝胶在肉品保鲜中的应用

在储存过程中，肉中高含量的不饱和脂肪酸，结合储存温度和光照等外部条件，可引发微生物酶和内源酶的活性，与鲜肉发生反应。虽然传统的腌制或冷冻方法可以延长保质期，但往往会牺牲风味或质地。塑料因其多功能性、成本效益和优异的阻隔性能已成为肉品保鲜包装的主导材料。然而，其不可降解性引发了环境污染、野生动物栖息地破坏和人类健康风险的担忧。近年来，食品基水凝胶由于其低成本、易于处理和生物可降解性而引起了广泛的研究关注。本节重点介绍水凝胶通过抑制细菌、调节水分以及作为智能指示剂，在保持肉类新鲜度、维持感官品质和延长保质期方面的应用和机制，如图3所示。

抗菌

水凝胶的抑菌特性主要源于其基础材料和生物相容性活性物质的掺入。例如，壳聚糖和聚乙烯醇（PVA）基水凝胶对金黄色葡萄球菌和荧光假单胞菌表现出显著的抗菌作用，并将冰鲜鸡肉的保质期延长至八天。其主要抑菌机制涉及壳聚糖的氨基在酸性条件下质子化，产生阳离子表面电荷，通过静电相互作用与带负电的细菌细胞膜结合，破坏膜完整性，导致细胞内含物泄漏。此外，壳聚糖可以与细菌膜上的金属离子（如Mg²⁺和Ca²⁺）结合，进一步干扰膜的稳定性和细菌代谢。研究还表明，在魔芋葡甘露聚糖基水凝胶中添加植物乳杆菌和没食子酸可显著减少假单胞菌和假丝酵母的数量，并将鲜牦牛肉的保质期延长至16-20天。抑制机制涉及植物乳杆菌在储存过程中的代谢产生有机酸（如乳酸和乙酸）和小分子（如细菌素和双乙酰），直接抑制微生物活性并破坏细胞膜完整性。此外，植物乳杆菌竞争生态位并抑制假单胞菌的生长。没食子酸通过破坏微生物细胞膜、干扰酶活性和损害DNA合成，提供抗氧化特性并抑制假丝酵母的增殖。

因此，通过选择不同的基质材料，可以利用水凝胶的生物学特性及其交联结构特征，实现直接灭菌或通过赋予负载其他活性物质的能力进行间接灭菌。总体而言，含有多酚、氨基酸和抗菌肽等协同材料的抗菌水凝胶，为肉类保鲜应用提供了生物相容性、抗氧化活性、低毒性和有效的抑菌特性。

通过MOFs抗菌

近年来，由金属离子（如Zn²⁺、Ag⁺、Fe³⁺、Cu²⁺、Co²⁺或Ni²⁺）或其金属氧化物与有机配体灵活组装构建的MOFs多孔材料引起了抗菌研究的广泛关注。将MOFs引入水凝胶中可以协同增强其抗菌性能。MOFs可以与水凝胶中的-NH₂、-OH或其他基团络合，促进其均匀分散并增强其机械强度。此外，MOFs在水凝胶中的缓释行为有助于降低毒性，而水凝胶的多孔结构可以扩大其应用范围并弥补传统MOFs稳定性差的不足。目前，将MOFs整合到水凝胶中用于肉类保鲜的抗菌研究是一个持续进行的研究课题。

MOF基水凝胶的抗菌机制可归纳如下。（1）物理和化学破坏微生物膜完整性：从MOF水凝胶中释放的金属离子穿透细菌环境，通过静电结合或物理插入直接与带负电的膜相互作用，使膜去极化并破坏结构完整性。（2）活性氧（ROS）介导的氧化应激：MOF水凝胶的大比表面积和多孔结构促进ROS生成，压倒细菌的抗氧化防御，导致脂质、蛋白质和DNA的氧化损伤。（3）代谢抑制和基因干扰：从MOF水凝胶中释放的金属离子破坏呼吸链酶，减少三磷酸腺苷（ATP）合成，通过抑制胞外聚合物产生来抑制生物膜形成，从而限制适应性和耐药性的发展。例如，将带有肉桂精油的Cu²⁺MOFs引入明胶/普鲁兰基水凝胶膜中，可减少鲜牛肉的水分损失，将其pH值保持在允许范围内，并对金黄色葡萄球菌、肠道链球菌、大肠杆菌和李斯特菌实现99.9%的抑制，从而延长保质期。此外，将MOFs与多酚结合会产生协同抗氧化和抗菌作用。这已成为水凝胶基肉类保鲜的一种有前途的策略。将Ag⁺/单宁酸-Fe³⁺掺入壳聚糖/明胶/PVA基水凝胶中。这些复合水凝胶不仅增强了抗氧化、光热效应和机械性能，而且对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌表现出强大的抗菌作用。这些水凝胶解决了肉类储存和食品包装过程中连续灭菌带来的损害问题。

湿度调节

在储存过程中，肉类极易发生蛋白质/脂质氧化、营养损失、微生物污染、血水渗出和保质期缩短。在这些因素中，血水渗出不仅会降低品质，还会加速腐败。虽然木纤维吸水垫被广泛使用，但它们存在液体吸收能力低和回流污染等局限性，从而损害肉质。因此，迫切需要开发高效的吸水材料以延长肉类保质期并最大限度地减少产品损失。

水凝胶因其在溶胀后能够吸收和保持水分，同时保持整体结构完整性，引起了研究人员的极大关注。通过吸附渗出液，水凝胶创造了一个更干燥的环境，抑制肉类中腐败菌的生长。水凝胶作为吸水垫在肉类包装中的保鲜机制可归纳如下。

优化水分储存和防止反渗透：水凝胶可以通过物理或化学交联形成稳定的3D网络。其高孔隙率和比表面积允许有效吸收和保持肉类渗出液，从而减少游离水积聚并消除有利于微生物生长的潮湿环境。研究表明，基于氧化细菌纳米纤维素的水凝胶具有增加的羰基含量和紧凑的短纤维聚集，吸水率为440%，与棉质保鲜垫相比可以延长冷却肉的保质期。

抗菌和抗氧化活性：水凝胶成分或添加的抗菌剂可以清除自由基，抑制腐败菌，延缓蛋白质/脂质氧化，并稳定肉的颜色和风味。例如，含有乙酰丙酸和十二烷基硫酸钠的吸水水凝胶垫已被证明有助于减轻碎牛肉和渗出液之间的交叉污染，保持肉的颜色和质量，并在七天的储存期内显著降低肠杆菌科、假单胞菌和嗜冷菌的数量。此外，制备的海藻酸钠/钾掺杂碳点水凝胶与木纤维纸吸水垫相比具有显著更高的吸水能力、持水能力和溶胀率。钾掺杂碳点还显著抑制铜绿假单胞菌的生长，提高冷却猪肉的储存品质。

机械耐久性和微环境稳定性：通过优化交联剂和制备方法（例如冻融循环）增强水凝胶的拉伸强度和弹性模量，可确保长期使用时的结构完整性，并防止与破裂相关的功能失效。这种结构强化有助于抑制肉类中pH值的升高和总挥发性盐基氮（TVB-N）的积累。例如，在壳聚糖/聚乙烯醇基水凝胶中使用柠檬酸作为交联剂，并结合冻融处理，可显著提高吸水性和保水性。这种效果归因于氢键和酰胺反应，形成了更致密的网络结构，具有增强的机械强度。

智能指示剂

在肉类腐败过程中，蛋白质降解会降低肉的营养价值，而脂肪氧化会产生有毒醛类。此外，脱羧酶会产生生物胺等有害化合物。随着腐败的进行，肉类成为沙门氏菌和大肠杆菌等病原体的理想环境，导致内毒素产量呈指数增长，并增加食源性疾病的风险。因此，使用智能指示剂实时监测肉类新鲜度对于早期发现腐败和污染风险至关重要。作为高包容性载体，水凝胶既可作为抗菌剂和保鲜剂，也可作为负载生物活性化合物或传感器的平台，以实时监测肉类新鲜度的变化。

pH敏感指示剂

在肉类腐败过程中，内源酶和快速生长的腐败菌会加速肉中蛋白质和脂质的分解。含氮化合物（例如氨基酸和肽）的分解产生总挥发性盐基氮（例如TVB-N、氨（NH₃）），导致pH值升高。大量研究集中在将天然植物源色素（例如花青素、姜黄素或其他提取物）掺入水凝胶中作为pH响应指示剂。这些色素赋予水凝胶保鲜功能，同时允许通过颜色变化视觉监测食品新鲜度。例如，负载到氧化纤维素纳米纤维基水凝胶中的花青素表现出与猪肉新鲜度相对应的pH响应颜色变化，并对NH₃产生非线性响应，区分肉类腐败过程中TVB-N的贡献。此外，将花青素和姜黄素作为双pH指示剂掺入玉米醇溶蛋白/海藻酸钠基水凝胶中，可产生具有均匀致密结构的凝胶。在风干鹅和冷却肉的储存过程中，凝胶颜色也从黄色稳定地变为绿色再变为深棕色。

MOFs传感器感应指示剂

尽管低成本的天然植物提取物具有pH敏感性并有作为指示剂的潜力，但它们在监测包装肉类质量方面的响应性较低。为了克服这些限制，在水凝胶中掺入生物传感器，特别是基于MOF的传感器，为经济高效地快速监测肉类新鲜度提供了一种有前景的方法。与传统的pH指示剂水凝胶相比，基于MOF的传感器水凝胶具有几个关键优势。（1）更高的灵敏度：MOF水凝胶的高比表面积和有序孔结构允许有效吸附和识别目标分子，如生物胺或NH₃。（2）特异性识别：通过配体功能化或金属节点调控，MOFs可以特异性识别腐败标志物，并有助于最大限度地减少非目标物质的干扰。（3）增强的结构稳定性：MOFs的疏水性和晶体结构可以显著提高水凝胶在潮湿环境中的稳定性，并减少湿度和结构变化对荧光信号的影响。

总之，智能MOF基水凝胶指示剂因其独特的孔结构、可调的光学特性和优异的稳定性，为监测肉类新鲜度提供了高灵敏度、特异性和实时可视化。其核心机制涉及腐败因子进入MOF孔隙，从而通过氢键、范德华力或配体结合改变其电子结构，导致荧光猝灭或增强。研究表明，将CuNPs/NCQDs掺入琼脂基水凝胶中可产生一种组装简单、成本低廉的双荧光比色指示剂，能够特异性检测鱼类腐败过程中的硫化氢。此外，使用双发射Ru@UiO-OH MOF水凝胶可视化生物胺。三甲胺暴露会破坏MOF骨架并诱导去质子化，导致荧光猝灭。随着三甲胺浓度的增加，水凝胶的颜色从橙红色变为亮黄色。

同时，结合化学吸附和光学响应，将MOF与天然提取物结合的复合系统正在被广泛开发，通过双信号监测来提高检测稳定性和置信度。例如，负载花青素的羟丙基甲基纤维素水凝胶已被用作敏感的CO₂指示剂，其颜色从红色变为紫色再变为蓝色，对应于鸡胸肉的质量。添加Al³⁺可以稳定水凝胶变色并增强对CO₂的敏感性。此外，由Zn²⁺和姜黄素制备了Cur@ZIF-8，并开发了具有保鲜和指示剂双重功能的智能包装水凝胶。与仅含姜黄素的水凝胶相比，这种基于Cur@ZIF-8的水凝胶具有更好的机械性能、更高的抗菌和抗氧化活性以及更优异的氨敏感性；其在鱼类新鲜度实时监测过程中的颜色变化也更加稳定。

水凝胶在肉类替代品中的应用

随着全球对健康饮食和可持续食品系统的日益关注，传统肉制品中高饱和脂肪、胆固醇和添加剂（例如硝酸盐、磷酸盐）带来的健康风险日益明显。消费者对低脂肪、低钠且不含人工添加剂的清洁标签产品的需求激增。然而，植物基肉类替代品在复制真实肉类的复杂感官属性（例如质地、多汁性、咀嚼性）方面仍面临挑战。水凝胶是一种由天然多糖或蛋白质构建的三维网络结构，凭借其可调的流变性、高持水能力和功能性成分负载能力，已成为应对这些挑战的核心材料。

脂肪替代品

开发低脂肉制品对于降低肥胖、糖尿病和冠状动脉疾病等慢性疾病的风险至关重要；然而，减少脂肪往往会导致质地退化和风味丧失。先前的研究表明，用琼脂和豌豆蛋白配制的乳液凝胶替代30-100%的动物脂肪时，可以优化营养成分并提高乳液稳定性。尽管如此，传统的单网络乳液凝胶无法复制动物脂肪的复杂结构，并且缺乏足够的热稳定性。食品技术的进步导致了基于蛋白质和多糖的复合水凝胶的开发，这些水凝胶可以通过模拟脂肪的持水性和润滑性来替代脂肪，从而改善感官特性。

用水凝胶替代动物脂肪需要在营养益处和功能保持之间取得平衡。例如，减少肉制品中的饱和脂肪含量不应损害质地、乳液稳定性和风味释放。水凝胶应表现出模拟动物脂肪可塑性的剪切稀化特性，并且可以使用离子交联剂（例如Ca²⁺）或热致凝胶化来增强硬度和咀嚼性。例如，用于替代牛肉汉堡中猪背膘的海藻酸钠基水凝胶可以将蒸煮损失维持在5%以下，并通过调节水分含量（70%-80%）实现与真实脂肪相当的多汁性。此外，水凝胶的封装作用保护不饱和脂肪酸免于氧化。一项研究表明，亚麻籽油水凝胶储存60天后的过氧化值仅为对照的三分之一，这归因于凝胶网络对氧气扩散的屏障效应。总之，基于水凝胶的脂肪替代品在改善营养状况同时保持消费者接受低脂肉制品所需的基本感官特性方面展现出前景。

软骨替代品

除了在脂肪替代中已确立的作用外，水凝胶在开发肉制品软骨替代品方面也发挥着关键作用。动物软骨具有高刚度、弹性和脆性，这些特性归因于其独特的三维网络结构。目前，由乳液生产的软骨替代品无法复制咀嚼过程中体验到的脆性和弹性，这限制了消费者的感官接受度。虽然传统胶体（例如卡拉胶、明胶）可以提高弹性，但在硬度和脆性之间取得平衡仍然具有挑战性。作为三维交联网络材料，水凝胶在分子设计过程中利用材料间的协同效应和优化凝胶技术，可以精确微调使其具有特定的机械性能和水分分布，使其成为模拟软骨的理想载体。通过引入Ca²⁺交联和调节水分控制，调整了魔芋冷凝胶/KGM/小麦纤维水凝胶的机械强度、水分特性和微观结构。研究表明，Ca²⁺交联显著增加了水凝胶的硬度、咀嚼性、回弹性、剪切力和剪切能。水分调节进一步产生了与鸡胸软骨（70%）和猪半月板骨（80%）机械性能和感官评分相当的样品。这些发现凸显了基于水凝胶的系统在实现精确生物力学调节方面的潜力，从而能够在替代肉制品中进行更逼真的软骨质地模拟。

水凝胶在细胞培养肉中的应用

近年来，全球对可持续和符合伦理的食品系统的日益重视推动了培养肉技术的重大进步。培养肉是指通过在体外培养动物细胞（例如肌肉卫星细胞和脂肪干细胞）生产的真实肉类。培养肉的生产涉及四个关键阶段：细胞获取和扩增、支架设计、细胞分化和成熟，以及生物制造和加工。例如，使用“肌腱-凝胶集成打印”技术成功生产了含有肌肉、脂肪和血管纤维的培养牛排。尽管技术取得了重大进步，但细胞培养肉的商业化仍面临多重挑战，包括高生产成本、可扩展性限制以及感官和质地缺陷。如表2所示，食品级水凝胶作为革命性的支架材料，凭借其综合的生物相容性以及独特的结构和功能特性，为这些瓶颈提供了潜在的解决方案。

生物相容性优势

在培养肉生产中，大多数细胞需要附着在培养基载体上进行繁殖和生长。然而，大多数现有的细胞培养载体最初是为生物医学或组织工程应用设计的，由不可食用材料或不适合食品生产的改性物质组成。因此，开发用于培养肉培养的可食用生物相容性水凝胶载体引起了相当大的关注。

细胞粘附能力是评估支架细胞接种效率的关键指标。高细胞接种效率可以缩短完全组织融合所需的时间，从而优化生产周期。源自天然聚合物的水凝胶由于其生物相容性和优异的细胞粘附特性，在培养肉支架方面具有先天优势。采用细菌纤维素-蘑菇壳聚糖基水凝胶作为培养肉的盘状载体，使用层叠结构确保细胞完全浸润。在鸡骨骼肌细胞和鸡胚胎成纤维细胞的测试中，所得组织具有与传统鸡肉相当的质地和脂肪特性。这些研究证明了可食用水凝胶支架为可扩展的培养肉生产提供生物相容性、结构支持性环境的潜力。

结构优势

种子细胞的有效扩