《JOURNAL OF FOOD SCIENCE》：Mimicking the Ocean: Critical Challenges in Scaffold Design and Tissue Texturization for Cell-Cultured Seafood
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细胞水产养殖（cellular aquaculture）为全球海鲜需求提供了可持续解决方案，但高价值整块鱼排的生产受限于“纹理差距”，即无法复现天然鱼类肌肉的复杂各向异性（anisotropic）架构及其胶原性肌隔（myosepta）。本综述通过评估从简化论哺
细胞水产养殖（cellular aquaculture）为全球海鲜需求提供了可持续解决方案，但高价值整块鱼排的生产受限于“纹理差距”，即无法复现天然鱼类肌肉的复杂各向异性（anisotropic）架构及其胶原性肌隔（myosepta）。本综述通过评估从简化论哺乳动物中心组织工程向海洋仿生支架策略的必要范式转变，应对这一挑战。研究人员系统分析了海洋源性生物材料，如冷水鱼皮胶原（cold-water fish skin collagen）、海绵甲壳素（sponge chitin）及海藻多糖（algal polysaccharides）的功效，证明其满足鱼类细胞独特代谢与热需求方面的优越能力。分析表明，包括静电纺丝（electrospinning）、冷冻模板法（cryo-templating）和3D生物打印（3D bioprinting）在内的先进制造技术，成功实现了肌节（myotome）模拟所需的微观尺度对齐，尽管宏观可扩展性仍是当前工业瓶颈。此外，研究人员确立了结构保真度必须与感官整合相结合：通过整合海洋蛋白水解物和脂质共培养可显著增强鲜味强度和真实口感，这一结论已通过电子感官分析（electronic sensory analytics）验证。为将这些进展转化为商业可行性，细胞海鲜产业必须从化学交联转向食品级酶法替代方案。通过整合循环经济生物经济原则——特别是将海鲜加工废弃物高值化以获得可负担支架材料——本综述为规模化生产结构准确、感官真实且经济具有竞争力的细胞培养海鲜产品提供了战略路线图。
1引言
细胞培养海鲜（cell-cultured seafood）作为全球食物安全危机的应对策略，旨在解决过度捕捞导致超过90%海洋鱼类种群处于或超过可持续生物阈值的问题，以及传统水产养殖中疾病传播、抗生素滥用和污染等固有风险。与野生捕捞海鲜相比，细胞培养海鲜可避免重金属和微塑料等环境污染物。然而，该领域面临的核心生物工程障碍是"纹理差距"，即当前工程构建物相对低保真度的各向同性机械性能与天然鱼类肌肉高分辨率、各向异性流变学特性之间的定量差异。鱼类肌肉具有独特的组织结构，由短肌纤维排列成离散的肌节块，其间由称为肌隔（myosepta）的胶原性结缔组织片分隔，这种各向异性排列产生了特征性的"片状"质地。初始采用哺乳动物组织工程技术的方法被证明是一种简化论过度简化，因鱼类细胞显示出独特的代谢特性，包括更高的缓冲能力、特定的渗透压需求和低氧耐受能力。因此，本综述倡导采用海洋特异性方法的仿生策略，评估海洋源性生物材料替代传统陆地聚合物的适用性，并分析旨在工程化肌隔的先进制造技术。
2仿生必要性：向海洋源性聚合物的转型
2.1海洋与哺乳动物胶原：热稳定性与交联挑战
胶原因其固有RGD肽序列促进整合素介导的细胞黏附而保持"金标准"地位。根据循环经济生物经济原则，研究人员已从渔业副产品如海洋鳗（Evenchelys macrura）和大西洋鳕（Gadus morhua）皮肤以及海胆废弃物中成功提取高纯度胶原。然而，海洋胶原向哺乳动物胶原的转型面临热稳定性关键挑战：海洋胶原的变性温度（Td）显著低于哺乳动物胶原，这与其来源物种的冷水环境有关。冷水物种如波罗的海鳕（Td 15°C–22°C）和大西洋鲑（Td 19°C–25°C）的Td值较低，而暖水物种如尼罗罗非鱼（Oreochromis niloticus）的Td值可达30°C–38°C。这一物种特异性差异为温带鱼类细胞培养（通常需要20°C–28°C）提供了策略性"安全裕度"。当前方案采用零长度交联剂如EDC/NHS和京尼平（genipin），可在不损害细胞存活的情况下增强海洋胶原支架的机械强度，某些情况下可将构建物的Td提高至43°C。
2.2海绵源性架构：海绵甲壳素与生物硅石
海洋寻常海绵纲（Demospongiae）物种如Aplysina archeri提供了天然的三维多孔支架，其微孔结构有利于细胞附着和分化，无需复杂的静电纺丝工艺即可实现。从Axinella infundibuliformis提取的生物硅石（biosilica）可增强胶原基支架的机械强度，同时创建超过96%孔隙率和完全连通性的组织构，以实现厚组织层中的有效营养运输。
2.3多糖多功能性：海藻生物墨水与混合复合材料
海藻衍生水凝胶，特别是海藻酸钠（alginate）和κ-卡拉胶（κ-carrageenan），因其高可调性成为生物墨水配方的主干。研究表明，将海藻酸钠/κ-卡拉胶生物墨水与牡蛎蛋白水解物结合，可在降低成本的同时保持优异的生物学特性，促进七带石斑鱼肌肉卫星细胞（GMSC）的增殖。
2.4海洋源性支架与脱细胞植物基支架的比较分析
脱细胞植物基支架（如菠菜叶或菠萝蜜皮来源）虽然具有成本效益和内在血管网络，但其纤维素主导的固定架构刚度值（菠萝蜜2.5 MPa、玉米壳13 MPa）比天然鱼类肌肉高数个数量级。相比之下，海洋聚合物如海藻酸钠、甲壳素和壳聚糖（chitosan）具有高功能化能力，可精确调整孔隙率和机械刚度以匹配鱼组织的特定杨氏模量（Young's modulus）。此外，海洋源性生物材料固有地含有动物特异性细胞外基质（ECM）信号，包括整合素结合RGD基序和基质结合囊泡，这些对指导鱼类干细胞分化和增强细胞-支架黏附至关重要。
2.5脱细胞海洋细胞外基质（dECM）支架
脱细胞海洋ECM（dECM）支架相比纯胶原提供更丰富的生化信号和天然架构。海洋dECM保留多种胶原类型、层粘连蛋白（laminin）、纤连蛋白（fibronectin）、蛋白聚糖和组织特异性生长因子，在软骨和肌肉模型中支持更优的谱系特异性分化。鱼类dECM还提供富含ω-3的生物活性，增强血管生成和肌源性基因表达。然而，支架降解与新ECM沉积的同步化仍依赖经验处理，缺乏定量耦合模型，尤其是针对鱼类肌肉或培养海鲜系统。
3重现鱼类肌肉的分层架构
3.1静电纺丝与纤维排列用于肌隔模拟
静电纺丝通过产生模拟ECM结构的纳米纤维来实现精确细胞取向。研究人员使用静电纺丝玉米醇溶蛋白-明胶纤维开发了模拟结缔组织特性的物理屏障，实现海鲈胚胎细胞排列。更有研究将微藻（Nannochloropsis oceanica）直接掺入静电纺丝纤维中，既实现结构排列又提供必需的ω-3脂肪酸的生物强化。
3.2冷冻模板法：定向冷冻实现孔隙排列
冰模板法（冷冻模板法）通过聚合物溶液的定向冷冻，利用冰晶生长迫使聚合物链壁排列，创建"可编程"支架。实证研究表明，定向冷冻成功排列了胶原纤维，肌肉细胞沿此方向形成肌管（myotubes），产生的结构各向异性模式在最终构建物中表现出比随机多孔结构更好的咀嚼性和硬度。
3.3 3D生物打印与晶格图案化
3D生物打印提供最高程度的控制，能够精确放置不同细胞类型以创建类似鱼排的纹理图案。研究人员使用鱼明胶-海藻酸钠支架承载大黄鱼（Larimichthys crocea）卫星细胞。然而，当前生物打印技术面临主要局限在于产生的结构尺度大于天然肌原纤维尺寸。将生物打印与脱细胞鱼鳞的纳米拓扑线索结合，是一种提高组织工程分辨率的新方法。混合制造策略——将冷冻模板化的多孔网络与静电纺丝纳米纤维整合——提供了双层仿生方法：定向冷冻创建用于肌管发育的排列大孔通道，而静电纺丝纤维提供胶原性肌隔的特征结构强化和生化信号。
3.4跨物种可扩展性与仿生原理
支架的机械刚度和孔隙率要求由目标组织（骨骼肌）而非淡水与海水生境驱动，最佳肌源性刚度约为10–15 kPa，孔径在10–100 μm范围内以平衡物质运输和肌管形成。从小型模式生物（如斑马鱼）到大型商业物种的支架转化面临重大生物工程挑战：厘米尺度扩展同时保持排列架构和营养扩散；补偿许多鱼类胶原固有的低机械强度和变性温度；以及适应工业生物反应器和成本约束的支架格式（微载体vs多孔vs纤维支架）。较大体型物种较粗的肌纤维意味着可能需要微米至亚微米级纤维直径和间距，因为成肌细胞排列和分化对纤维直径和纳米拓扑学高度敏感。
4感官整合：生物工程风味与口感
4.1化学感官模拟：通过海洋蛋白水解物增强鲜味
研究人员发现，在支架构建过程中添加牡蛎蛋白（OP）水解物可产生具有更强鲜味特征的的组织构建物。OP富集支架通过电子舌（E-tongue）测试显示显著高于标准海藻酸钠对照的鲜味强度。电子鼻（E-nose）挥发性化合物分析揭示丙醛（propenal）和己醛（hexanal）为主要醛类，这些化合物与野生鱼类中的天然存在完全匹配。
4.2脂质整合用于口感和质地
脂肪作为风味主要载体和汁液决定因素，其整合对复制正确质地至关重要。在大黄鱼模型中，研究人员设计了支持3D打印晶格间脂肪细胞内分化的支架，脂肪细胞作为脂肪储存细胞同时影响组织力学，通过硬度和胶着性产生类似鱼排的质地特征。
5细胞基质与微环境优化
5.1细胞来源选择：原代分离株与连续细胞系
当前产业依赖原代肌肉卫星细胞（MyoD+和Pax7+标志物表达）。然而原代细胞寿命短，难以建立商业制造。近期研究成功建立了亚洲鲈（Lates calcarifer）连续细胞系，证明这些细胞可在低成本海藻生物膜支架上形成复杂微组织。
5.2支架-细胞相互作用：孔隙率和接种策略
关于细胞整合方法的争论集中于：细胞封装于水凝胶基质内（"细胞负载"）vs接种至预制多孔结构上（"细胞接种"）。黑鲷（Acanthopagrus schlegelii）肌源性细胞的实证研究支持"细胞接种"方法，表明细胞在冷冻干燥海绵基质上培养优于水凝胶包埋，主要因为冷冻干燥支架保持的大孔提供了更好的营养和氧气输送。
6工业转化与商业视角
6.1当前商业格局与监管里程碑
全球已有超过170家公司吸引超过30亿美元投资。预计到2030年，培养肉和海鲜合计市场可达250亿美元，若保持当前增长轨迹，到2040年可能扩展至4500亿美元。然而，学术原型成功展示的"整块"架构（如大黄鱼鱼排、3D打印鲫鱼组织）与商业初创企业主要处于优化生物规模和细胞来源稳定性的早期阶段之间存在差距。FAO和WHO已发布首个全面的培养海鲜食品安全指南，Codex Alimentarius正在开发专门的HACCP（危害分析与关键控制点）和GMP（良好生产规范）标准。
6.2战略价值主张：支架作为市场平价驱动因素
支架系统不仅降低直接生物加工成本，更通过将产品从"碎肉"形式升级为整块形式间接缩小与野生捕捞鱼的价格差距。从哺乳动物源性胶原转向渔业副产品（如鳗或罗非鱼皮、虾壳）获取的海洋源性生物材料，可优化原材料成本并降低COGS（销售成本）份额。
6.3未来研发轨迹：从实验室规模到工业生物工厂
未来研发必须聚焦于机器人平台的空间组织微组织进入分层宏观鱼排、自动化3D生物组装平台，以及"智能"或刺激响应性水凝胶的开发。人工智能（AI）和机器学习（ML）的整合对于管理组织生长的多尺度复杂性至关重要，包括预测模型优化支架降解与细胞ECM沉积的关键相互作用，以及3D卷积神经网络（CNN）从CAD设计直接预测复杂工业几何体的机械性能。
7关键挑战与未来展望
7.1可食性瓶颈：从化学交联到酶法交联
当前成功支架需化学交联剂（EDC/NHS、戊二醛）维持海洋胶原稳定性，但这些试剂在食品制造中存在安全隐患。酶法交联方法，特别是使用微生物转谷氨酰胺酶（microbial transglutaminase，即"肉类胶"），通过共价反应形成谷氨酰胺-赖氨酸键，产物安全。物理方法如美拉德反应（Maillard reaction）通过可控热应用糖类和蛋白质产生天然支架刚度，同时产生适合熟鱼产品的烘烤风味。
7.2监管格局与工业转化洞察
对于海洋支架，美国FDA优先考虑具有GRAS（公认安全）或食品添加剂地位的成分（如明胶、海藻酸钠和纤维素衍生物），而EFSA需要新食品或现有食品添加剂授权以及酶制剂档案。海洋来源的酶法交联剂（如鱼类/贝类转谷氨酰胺酶）已广泛用作食品酶。过敏原性是关键监管关注点：鱼明胶和鱼皮明胶支架含有胶原相关表位，可在动物模型中引发IgE介导的反应，且消化抗性表位和潜在的小清蛋白（parvalbumin）残留意味着EFSA/FDA将需要过敏原性评估和标签标识。
7.3经济可行性：海鲜废弃物高值化实现循环生物经济
渔业加工产生大量废弃物，鱼皮、鱼骨和鱼鳞占加工鱼产品总重量的70%。将这些废物流高值化——从废弃鳗皮提取胶原、从海绵提取生物硅石、或从甲壳类壳提取壳聚糖——将环境负债转化为关键资源。研究表明，从Evenchelys macrura（海洋鳗）或Gadus morhua（大西洋鳕）副产品提取的胶原产生的支架与商业标准相当，但成本仅为一小部分。
8结论
细胞培养海鲜产业已从单纯细胞培养阶段发展为复杂组织工程方法。本综述表明，虽有必要的哺乳动物基础实验方法启动了该领域进程，但未能复制海洋肉的复杂质地。使用鱼皮胶原、海绵甲壳素和海藻多糖等海洋源性生物材料的仿生方法将产生精确复制支持水生细胞生长环境条件的支架。研究人员构建与海洋细胞天然框架相同材料结构的能力，将使海鲜产品能够真实地模仿海洋来源。产业必须摒弃陆地解决方案，创造海洋基解决方案，以确保未来海鲜产品真正可持续。
