中國海洋大學(xué)Nature通訊成果：一種用于擴(kuò)大魚片產(chǎn)量的新型 3D 打印方法

2025年2月23日，南極熊獲悉，來自中國海洋大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種可擴(kuò)展的方法，利用可食用多孔微載體（EPM）和生物打印技術(shù)生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)室培育魚片。

相關(guān)研究以題為“Scalable production of muscle andadipose cell-laden microtissues using edible macroporous microcarriers for 3Dprinting of cultured fish fillets”的論文發(fā)表在《自然通訊》期刊上。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-57015-1

隨著人們對過度捕撈、氣候變化和食品安全的擔(dān)憂日益加深，人工養(yǎng)殖海鮮作為傳統(tǒng)水產(chǎn)養(yǎng)殖的替代品而備受關(guān)注。但擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模并保持質(zhì)地、結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)成分不變?nèi)匀皇且豁?xiàng)挑戰(zhàn)。

中國海洋大學(xué)的這項(xiàng)研究成果詳細(xì)介紹了如何有效擴(kuò)大魚的肌肉和脂肪細(xì)胞、制備生物墨水，并通過 3D 打印成與野生海鮮極為相似的魚片。

△基于微載體的細(xì)胞微組織生物墨水的特性，采用 BioRender 創(chuàng)建。b：生魚片和熟魚片 3D 打印養(yǎng)殖魚片原型的外觀。圖片來自中國海洋大學(xué)。

多孔微載體可實(shí)現(xiàn)高密度細(xì)胞擴(kuò)增

根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的說法，新方法的重點(diǎn)是優(yōu)化明膠基 EPM，以改善細(xì)胞粘附、生長和分化。通過在低溫交聯(lián)過程中引入氯化鈉 (NaCl)，科學(xué)家控制了冰晶的形成，以微調(diào)孔徑，從而創(chuàng)建了具有適合高密度細(xì)胞培養(yǎng)的孔隙率的支架。

△通過 NaCl 調(diào)節(jié)冰晶生長來控制 EPM 孔徑

通過新方法，大黃魚的肌肉衛(wèi)星細(xì)胞（SC）和脂肪干細(xì)胞（ASC）擴(kuò)增至6.25×105和5.77×105細(xì)胞/mL的密度，分別增加了499倍和461倍。

為了測試可擴(kuò)展性，研究人員將 125 毫升旋轉(zhuǎn)瓶換成了 4 升生物反應(yīng)器，連續(xù)的擴(kuò)增循環(huán)使細(xì)胞存活率保持在 80% 以上。膠原酶消化法被證明是將細(xì)胞轉(zhuǎn)移到新鮮微載體上最有效的方法，可以保持細(xì)胞均勻分布并防止細(xì)胞丟失。

RNA測序證實(shí)，這些擴(kuò)增的細(xì)胞保留了分化能力，并且與肌肉生長、細(xì)胞外基質(zhì)重塑和細(xì)胞周期調(diào)控相關(guān)的基因顯著增加。

成熟后，肌肉和脂肪微組織被混合到生物墨水中，通過商用 3D 生物打印機(jī)擠出，形成長 100 毫米、高 15 毫米的結(jié)構(gòu)化魚片。打印的魚片具有與天然魚肉相似的層狀紋理，由于美拉德反應(yīng)，烹飪后表面會(huì)變成褐色。

分析顯示，打印的魚片保留了水分（約 70%），重量損失約 35%，與傳統(tǒng)魚相似。然而，咀嚼性和黏著性等質(zhì)地特性略低，在食品結(jié)構(gòu)方面還有改進(jìn)空間。

從營養(yǎng)角度來看，養(yǎng)殖魚每 100 克的蛋白質(zhì)含量比天然魚高 8.5 克，脂肪含量減少 68.92%，膽固醇含量降低 87.93%。ω-3 脂肪酸含量保持穩(wěn)定，但鈉含量較高，比天然魚高出 192.7 毫克/100 克。還觀察到必需氨基酸增加了 51%，而風(fēng)味化合物分析突出了揮發(fā)性有機(jī)物含量的差異，表明在口味和香氣方面還有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

盡管擴(kuò)大規(guī)模仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，但研究人員估計(jì)，100 升的生物反應(yīng)器每批可產(chǎn)出約 750 克的養(yǎng)殖魚，這表明基于 EPM 的細(xì)胞擴(kuò)增具有商業(yè)潛力。

雖然這項(xiàng)研究表明結(jié)構(gòu)化養(yǎng)殖海鮮取得了重大進(jìn)展，但微調(diào)纖維排列、生物墨水成分和生產(chǎn)成本將是實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖魚進(jìn)入市場的關(guān)鍵。

這項(xiàng)研究強(qiáng)調(diào)了可擴(kuò)展養(yǎng)殖魚類生產(chǎn)的可行性，將生物打印和高密度細(xì)胞培養(yǎng)定位為可以重塑海鮮未來的工具。隨著技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)殖的魚類可能很快會(huì)成為滿足全球需求的可持續(xù)替代品，同時(shí)減輕海洋生態(tài)系統(tǒng)的壓力。

3D打印魚類食品正在興起

改進(jìn)替代海鮮的努力正在不斷擴(kuò)大，各家公司都在探索獨(dú)特的方法。去年，維也納食品科技公司RevoFoods與比利時(shí)Paleo合作，使其3D 打印的素食鮭魚更加逼真。

△RevoFoods 3D 打印鮭魚片。照片來自 Revo Foods。

項(xiàng)目為期兩年，由歐盟Eureka Eurostars計(jì)劃提供 220 萬歐元資助，于 2024 年8 月啟動(dòng)，Paleo 將開發(fā)一種特殊發(fā)酵的肌紅蛋白，以增強(qiáng)Revo Foods 鮭魚替代品的口感、質(zhì)地和營養(yǎng)價(jià)值。肌紅蛋白通常存在于動(dòng)物肌肉中，無需使用動(dòng)物即可重新合成，以增加顏色、鐵和香氣。除此以外，Revo Foods 聲稱其 3D 打印工藝可將用水量減少 90%，二氧化碳排放量減少 75%。

早在 2020 年，由一群國際學(xué)生創(chuàng)立的初創(chuàng)公司Legendary Vish就致力于將3D 打印的植物性魚類替代品推向市場。這個(gè)想法源于 2017 年歐盟資助的一項(xiàng)研究項(xiàng)目，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于擠壓的方法，使用植物基生物墨水制作結(jié)構(gòu)化的鮭魚片。

他們的目標(biāo)是在人們?nèi)找鎿?dān)憂過度捕撈和環(huán)境破壞的背景下，提供一種可持續(xù)的海鮮替代品。在尋求投資以擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，他們還探索監(jiān)管部門的批準(zhǔn)和潛在的合作伙伴關(guān)系，以拓展斯堪的納維亞和歐洲市場。