《Journal of Food Engineering》：Surface tension modeling in the context of cultured meat production
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本研究探討肌肉細胞代謝對培養肉表面張力的影響，建立糖分與乳酸濃度相關的數學模型，并通過計算流體動力學模擬驗證表面張力變化對營養運輸的調控作用，為優化培養系統提供理論依據。
Tomas P. Corrales | Aldonza Jaques | Cristóbal López | Yusser Olguín | Christian Romero | Gilberto Campa?a | Nicole Orellana | Felipe San Martín | Cristian A. Acevedo
智利瓦爾帕萊索，西班牙大道1680號，費德里科·圣瑪麗亞技術大學物理系
摘要
培養肉是一種食品技術創新，通過體外培養動物細胞來生產可食用的肌肉組織，為傳統的肉類生產提供了一種可持續的替代方案，無需屠宰動物。本研究探討了培養肉生產過程中表面張力的變化，重點關注肌肉細胞的新陳代謝如何改變培養基的表面張力。實驗結果表明，葡萄糖消耗和乳酸生成與表面張力的變化相關，這表明新陳代謝對界面性質有影響。研究人員開發了一個數學模型，用于描述表面張力隨乳酸和葡萄糖濃度變化的情況。該模型進一步用于通過表面張力行為推斷代謝狀態。結合馬蘭戈尼效應的計算流體動力學（CFD）模擬顯示，這些界面流動顯著影響了培養環境中的營養物傳輸。在孔板幾何形狀下的模擬顯示，在高代謝活性下，速度剖面和溶質分布發生了變化，這突顯了在質量傳遞模型中考慮表面張力動態的重要性。將這一知識整合到生物工藝設計中，可以增強肌肉細胞對營養物的吸收，從而優化培養肉的生產。
引言
培養肉是一種食品技術創新，通過體外培養和分化動物細胞來生產可食用的肌肉組織，成為傳統肉類生產系統的替代方案（Post, 2014; Handral et al., 2022; Kirsch et al., 2023）。這項技術利用來自產肉牲畜的細胞來生產基于細胞的食品。這些細胞被大量培養，生成在結構和成分上類似于傳統肉類的富含蛋白質的組織（Du et al., 2023）。培養過程要求將肌肉細胞維持在富含營養的培養基中，其成分會隨著細胞的新陳代謝活動而動態變化。例如，肌肉細胞消耗葡萄糖并產生乳酸，導致培養基成分逐漸發生變化（Luo et al., 2019; Nalbandian et al., 2020）。除了這些生化變化外，培養基的物理化學性質（如表面張力）也會隨時間變化。表面張力是流體動力學和界面現象中的關鍵參數，必須對其依賴性進行徹底研究，以便準確建模、優化和擴大培養肉生產系統的規模。
液體傾向于避免分散并盡量減少其表面積，這是由于分子間作用力的結果。這些力在液體內部得到平衡，但在表面則表現為向物質內部的凈吸引力。增加單位面積液體表面積所需的能量定義為表面張力，其依賴于成分濃度這一點早已為人所知。例如糖類（如蔗糖和葡萄糖）在細胞代謝中起關鍵作用，并且在特定濃度下會改變水的表面張力（Councial et al., 1930, Docoslis et al., 2000）。
培養基的表面張力是一個關鍵的物理化學參數，會顯著影響細胞行為；然而，在細胞培養基的背景下，其作用仍被大大忽視。先前的研究表明，添加生物表面活性劑可以降低培養基的表面張力，但可能會產生細胞毒性效應，無論是否存在血清（Jiang et al., 2014）。此外，組織表面張力被認為是控制細胞過程（如組織形態發生、區室化和傷口愈合）的基本生物物理性質，因為它影響細胞的重新排列和分離（Pajic-Lijakovic et al., 2023a）。盡管表面張力與細胞動態之間存在明確的關系，但在培養基的配方或培養肉生產用生物反應器的設計和操作中，這一參數尚未得到系統考慮。將表面張力納入這些框架中，可以更好地控制細胞組織和體外組織的發展。
細胞能夠產生多種生物分子，這些分子可以改變周圍培養基的表面張力。其中包含表面活性蛋白A、B、C和D，它們分別由基因SP-A、SP-B、SP-C和SP-D編碼，并且其表面活性特性已被充分研究（Kuroki and Voelker, 1994）。因此，細胞的代謝活動有可能動態調節表面張力，進而影響培養環境中的對流流體流動和營養物傳輸。理解和預測這些表面張力的變化對于合理設計旨在生產培養肉的生物工藝至關重要，因為這需要精確控制質量傳遞和組織結構。
營養濃度及其可用性對細胞生長的影響已被廣泛研究。眾所周知，擴散限制會顯著影響細胞行為，包括培養肉生產中的肌肉細胞的增殖和分化（Jaques et al., 2021）。然而，這類系統中的營養物傳輸不能僅用菲克定律來完全描述。依賴表面張力的現象（如馬蘭戈尼效應）也在調節營養物可用性方面起著關鍵作用。馬蘭戈尼效應源于表面張力的空間梯度——由溫度、溶質濃度或氣液界面的溶解氣體含量的變化驅動——這些梯度會引起對流流動并增強質量傳遞（Yu et al., 2005）。這一機制已被證明會影響水培養環境中的細胞生長。然而，據作者所知，目前尚不存在描述體外肌肉細胞引起的表面張力動態變化的數學模型。開發此類模型對于提高營養物傳輸的預測準確性以及優化培養肉生產用生物反應器的設計至關重要。
本研究的目的是實驗性地探討肌肉細胞代謝活動與表面張力動態之間的關系，并利用這一理解來模擬馬蘭戈尼效應在培養肉生產系統中的影響。在這項工作中，測量了由肌肉細胞活動引起的培養基表面張力動態，同時監測了關鍵代謝指標，包括細胞生長、葡萄糖攝取和乳酸生成。此外，還開發了一個數學模型，用于描述表面張力作為糖酵解代謝的函數，為理解細胞培養過程中的界面變化提供了預測框架。該模型進一步整合到計算流體動力學（CFD）模擬中，以分析動態條件下的肌肉細胞培養基行為。
肌肉細胞（C2C12肌母細胞系）從歐洲細胞培養物收藏中心（ECACC）購買，并由Sigma-Aldrich（美國）提供。細胞在標準細胞培養條件下培養（37°C和5% CO2，濕潤環境中）。使用的培養基為DMEM（Gibco, Life Technologies, 美國），添加了10%胎牛血清（FBS）、2 mM L-谷氨酰胺以及抗生素（100 U/mL青霉素和100 μg/mL鏈霉素）。
肌肉細胞以每孔2500、5000和7500個細胞的密度接種在96孔板上。
肌肉細胞以每孔2500、5000和7500個細胞的密度接種在96孔板上。圖1顯示了三種細胞密度下的細胞行為，包括細胞生長、葡萄糖攝取、乳酸生成和表面張力隨時間的變化。統計分析（雙因素方差分析）證實，表面張力（見圖1D）隨時間（p=0.003）和細胞密度（p<0.001）顯著變化，但交互作用項不具有統計學意義（p=0.206）。
在培養肉生產過程中，肌肉細胞通過產生的濃度梯度改變了培養基的表面張力，可能引發馬蘭戈尼效應。這種現象會影響流體的速度場（如培養肉中使用的培養基），因此在模擬維持肌肉細胞生長的營養物傳輸時必須考慮這一點。表面張力的變化可以根據葡萄糖和乳酸濃度的變化進行經驗估計。
Gilberto Campa?a：研究、數據分析。
Christian Romero：撰寫——初稿、可視化、軟件開發、研究、數據分析。
Yusser Olguín：方法學、研究。
Cristóbal López：可視化、軟件開發、研究、數據分析。
Nicole Orellana：驗證、方法學、研究。
Cristian A. Acevedo：撰寫——審稿與編輯、撰寫——初稿、監督、資源管理、項目協調、方法學、研究、資金申請。
Council, 1930; Post, 2014.
作者聲明他們沒有已知的競爭性財務利益或個人關系可能會影響本文所述的工作。
數據可應要求提供。
作者感謝ANID（智利）提供的財政支持，具體包括以下撥款：FONDECYT Regular 1251913、FONDECYT Regular 1240757、FONDECYT Regular 1231392以及ANID PIA/APOYO AFB230003。
