除了可以加快实验室培养肉的研究进程,这些可食用的支架还可以使用常见的植物醇溶蛋白(plant prolamin)进行3D打印。
▲新加坡国立大学黄德建教授(中)与他的研究团队,包括苏凌珊博士(左)以及敬霖志博士(右),开发出基于植物的细胞培养支架。
新加坡国立大学的一个研究团队使用了常见的植物蛋白进行3D打印,已经成功制作出一种可食用的细胞培养支架,从而使更实惠且更可持续的实验室培养肉被端上餐桌。
随着消费者对食品的生长与加工环境,以及其道德影响的日渐关注,实验室培养肉,也被称为“培养肉”(cultured meat)或“细胞肉”(cell-based meat),正成为一种越来越受欢迎的膳食蛋白质来源。培养肉是通过从动物身上提取骨骼肌细胞,并在称为“支架”的三维结构上培育它们,支架在细胞繁殖并发育成组织的过程中提供结构支撑。
然而,细胞培养支架通常是由合成或动物基材料制成的,这些制作材料要么价格太过昂贵,要么不可食用。为了寻找替代方案,由新加坡国立大学食品科学与工程系副主任黄德建(Huang Dejian)教授带领的团队将目光投向了植物蛋白。植物蛋白是可生物降解的,与动物细胞具有生物相容性。重要的是,植物蛋白也能满足食品消费的普遍要求,使通过植物蛋白制作出的细胞培养支架适合培养肉类产品的形成与生产。
黄德建教授表示:“通过使用易得的谷物醇溶蛋白作为高精度3D打印技术的生物材料,我们开辟了一种制造可食用以及结构化支架的新方法,以生产出具有纤维品质的培养肌肉片。”
该团队所开展的研究与新加坡国立大学致力于开展尖端可持续性研究的发展目标相一致,其相关研究成果于2022年10月22日在科学杂志《先进材料》上发表。
可食用支架的制作
醇溶蛋白是植物储存蛋白的组分之一,由于特定的氨基酸组成,醇溶蛋白的营养价值较低。事实上,在淀粉与植物油加工工业中,醇溶蛋白被视为毫无价值之物。尽管如此,黄德建教授及其团队利用这些醇溶蛋白的特性,为生产出更实惠、更可持续的培养肉提供了新的思路。
具体来说,研究人员使用了从玉米、大麦与黑麦面粉中提取出的醇溶蛋白混合物,也分别称之为“玉米醇溶蛋白”(zein)、“大麦醇溶蛋白”(hordein)及“裸麦醇溶蛋白”(secalin)。随后,这些醇溶蛋白混合物将成为电流体动力学喷印(electrohydrodynamic printing)所使用的墨水,这是一种常用于生物医学应用的高精度3D喷印技术。
为了评估醇溶蛋白结构是否适合培养肉类产品的形成与生产,研究团队将其浸泡在细胞培养基中,并在7天后检查是否出现结构变化。在扫描电子显微镜下,尽管支架表面出现了多个孔洞,但仍保持了原有的结构,没有坍塌。然而,根据研究人员的说法,这些孔更有可能是培养细胞分泌的酶造成的,而非其结构缺陷的证据。
为了使支架在培养肉类产品的形成与生产中发挥作用,它们需要与来自农用牲畜的肌肉细胞具有生物相容性,这意味着支架需要能够容纳这些细胞并支持它们的生长与发育。
为了验证这一点,黄德建教授及其团队在醇溶蛋白结构中植入了猪骨骼肌干细胞,并在接下来的几天里测量了细胞的增殖情况。结果显示,细胞在支架上广泛分裂,在接种后11天达到最大计数。在玉米醇溶蛋白/大麦醇溶蛋白以及玉米醇溶蛋白/裸麦醇溶蛋白支架上,干细胞生长状况良好。
值得注意的是,与组织工程中常用的标准聚己内酯支架相比,种植在醇溶蛋白结构上的猪细胞增殖速度更快,这表明:基于植物蛋白的支架比标准的合成聚合物更适合培养肉类产品的形成与生产。
“由植物蛋白制成的支架是可食用的,并且具有多种可变的肽序列,可以促进细胞附着,诱导分化,并加速肉类的生长。相比之下,合成支架,如用于培养肉的塑料珠,没有官能团,这使得动物细胞难以附着与增殖。此外,合成支架不可食用,需要额外的步骤将支架从培养肉中分离。”黄德建教授解释道。
作为概念验证,研究团队尝试在玉米蛋白/裸麦醇溶蛋白支架上培育猪皮肤干细胞,随后让细胞分化或成熟,形成肌肉。研究团队还用甜菜提取物来模拟肉的红色。
▲图为使用可食用的细胞培养支架成功制作出的培养猪肉。
黄德建教授指出:“由于该支架是可食用的,因此不需要特殊或额外的程序从最终产品中将其分离。这些研究结果进一步验证了提出的基于醇溶蛋白的支架在培养肉生产中的潜力。”
进一步的发展
黄德建教授及其团队正在积极探索改进基于植物蛋白的技术。例如,需要进行更多的研究以更好地确定醇溶蛋白结构的特定结构与组成对动物干细胞生长的影响,以及它们如何形成肌肉组织。
黄德建教授表示:“此外,我们需要确保生产出来的肉制品是能够面向市场的——其安全性能够满足严格的监管要求,其营养成分能够满足健康的膳食需求。当然,它们也需要好吃又开胃——口味、香气与质地需要精心调配,使其能够与传统养殖而生产出的肉制品竞争。”