培养肉产业化的进展和挑战

  近年来，基于细胞培养、干细胞生物学、组织工程学、生物过程工程学和营养科学等方面的进展，培养肉(CMs)应运而生，并立即引起了研究人员的高度关注。2017 年，美国国家科学院工程与医学研究所(National Academy of Sciences Engineering Medicine)将培养肉认定为极具潜力的生物技术产品。生命周期评估(LCA)研究表明，与传统肉类生产模式相比，CMs生产过程占用的耕地和淡水几乎可以忽略不计，还能大幅降低能耗和温室气体排放。此外，培养肉还具有一系列其他可持续发展优势，如健康与安全、资源保护和动物福利。虽然已经建设了一些先驱示范工厂或生产线，但还没有进行大规模的商业化生产，这不仅要求培养肉的产量足以满足市场需求，还要求培养肉的价格足够低廉，以满足普通大众的需求。产业化将是实现从研究阶段向市场化阶段过渡的关键一步。该文章通过总结全球培养肉生产规模和初创企业分布的市场和产业发展状况，对培养肉产业化发展现状进行了梳理。此外，还综述了种子细胞选择、细胞增殖与分化、无血清培养基、生物反应器、质地与口感、监管障碍和生命周期评估等方面的技术挑战，不仅提出了当前培养肉产业化面临的困难和挑战，还提出了可能的解决方案，为肉类培养从实验室走向工厂化提供了可行性建议。

  目前，培养肉成本高昂的原因如下： 1)动物细胞的生长成本非常高，需要特殊的营养物质，如血清、氨基酸等;2)需要生物反应器，但目前可用的动物细胞生物反应器体积较小;3)细胞生长环境需要保持无菌，整个过程成本较高;4)整个生产过程消耗能。目前，研究人员正在努力寻找动物血清的替代品，降低培养基的成本，缩短细胞生长时间，扩大生产规模以进一步降低成本。美国商务部国家标准与技术研究院将创新到商业化的过程分为三个阶段(图 1)

  图1 从创新到商业化的阶段

  自 2013 年在荷兰推出第一个培养肉汉堡以来，至少有 89 家初创企业成立。此外，许多科研机构或传统食品企业也参与了这一领域(表1)。

  表1 CM初创公司的地理分布

  美国联邦政府非常重视培养肉产业。在多个项目和大量资金的支持下，美国与培养肉相关的初创企业数量已占全球总数的 40%。作为第一个培养肉汉堡的诞生地，荷兰设立了重点项目支持培养肉研究。由于人口密度高、肉类自给率低，以色列和英国不断支持培养肉的发展，鼓励肉类公司寻找替代蛋白质的解决方案。日本和新加坡主动发展和支持培养肉产业，以帮助降低其自给率。培养肉为中国、美国或印度等人口众多的国家，以及新加坡、日本、以色列或英国等肉类自给率低、人口密度高的国家提供了额外的肉类解决方案。

  实现 CMs 产业化的主要程序有以下五个步骤(图 2)： 1)提取种子细胞，如肌肉和脂肪细胞的分离和鉴定;2)大规模细胞培养，需要开发无血清培养基;3)细胞分化，需要开发细胞生长支架，并在生物反应器中实现三维细胞培养;4)细胞产品成型和加工，需要赋予细胞类似肉类的感官特性;5)CMs 产品经过安全评估和监管后上市销售。

  图2 实现CMs产业化的主要步骤

  随着世界人口的不断增加，传统肉类的产量必然无法满足未来人口的需求，肉类产品的种植必然成为人类食物的一部分，工业化进程势在必行。因此在发展培养肉的过程中作者建议我们注意以下几个方面：种子细胞选择、细胞增殖与分化、无血清培养基、生物反应器、质地与口感、生命周期评估和监管障碍。

  在选择可用于CMs生产的细胞时应该考虑，细胞的提取及创建的细胞库可以在体外大量增殖，然后生长和分化形成多核肌管或脂肪。一般来说，有三种可行的细胞选择，包括胚胎干细胞(ESC)、肌肉卫星细胞和诱导多能干细胞，可用作CMs的细胞来源。脂肪细胞也是CMs的重要接种细胞。第一个CMs汉堡被品尝者描述为“接近肉类，但不是那么多汁”，因为它主要由骨骼肌组织组成，缺乏脂肪组织，而脂肪组织对肉的味道和质地有很大贡献。

  由大量细胞组成的合格培养肉产品最终会得到具有与真肉相似的组织结构的CM。还要求培养出咀嚼口感好、肉味浓郁的肉。培养皿中细胞的共同培养在一定程度上限制了细胞增殖的数量，细胞形态与体内细胞的实际发育不一致。为了解决这个问题，培养肉的研究人员主要采用3D细胞培养技术来培养细胞，使细胞逐渐形成组织结构。细胞外基质(ECM)是一种非细胞三维大分子网络，由多种蛋白质组成，支持和连接组织并调节组织发生和细胞生理活性。3D培养的细胞可以通过可以模拟ECM的支架为细胞提供与体内相似的生长环境，从而实现体外细胞增殖和分化。

  目前，哺乳动物细胞的体外培养只能在培养基中进行。培养基可以提供有利于细胞生长的必需成分，其中最重要的是动物血清。血清含有多种生长因子、激素、维生素、氨基酸、脂肪酸、微量元素和细胞外囊泡，促进细胞持续生长。但血清成本非常高，是培养肉产业化的一大障碍。因此，寻找血清替代品，开发无血清培养基，不仅是降低中药产业化生产成本的主要技术问题，也是中药剂未来发展的趋势。研究人员发现食品加工过程中残留的动物尸体、血液、皮肤和其他副产品在处理后可用作无血清培养基添加剂的来源。这些副产物富含蛋白质，可以通过酶解或化学水解以释放促进细胞生长的生物活性肽。

  制药和微生物行业使用的生物反应器对中药的生产具有一定的指导意义。由于细胞对生长环境的洁净度有一定的要求，同时考虑到成本因素，要求生物反应器具有循环利用的特点，因此生物反应器的设计以促进组织培养的生长为目的。据估计，一个 5 000 升的传统生物反应器需要约 8 万亿个肌肉细胞才能生产 1 千克蛋白质。因此，如何通过生物反应器有效地收集大量细胞来生产中胚层肌肉是一个巨大的挑战。有三种类型的生物反应器设计用于培养肉生产。1)填充床生物反应器(PBR)。2)空运反应堆。3)补料分批生物反应器。

  未来，如果我们想用中药替代传统肉类，我们还需要培育具有良好感官质量的肉类。目前，有两种方法可促进中胚层肉组织特性的改善，以期望获得良好的感官评价。1) 通过支架和生物反应血管增殖的细胞需要进一步分化成肌肉纤维，然后形成肌肉组织。然而，培养厚而复杂的肌肉组织的主要障碍之一是需要在体外使组织血管化。2)利用支架进行细胞培养，并通过一定的处理获得 CMs 产物。首先，降解支架后收获大量细胞，收集细胞，挤压细胞，然后加入调味料进一步处理。其次，可以根据支架材料的硬度调整最终产品的质地，通过添加可食用凝胶，然后通过3D打印获得细胞和凝胶，或者含有支架和凝胶的混合培养肉。3)支架材料，如食用水凝胶或具有特定高温保水能力的天然支架材料，并考虑在支架设计中加入色素和风味添加剂，以改善最终产品的色泽和口感，最后将支架与细胞共煮。明胶支架与牛肌肉卫星细胞、平滑肌细胞和内皮细胞共同培养后，可进一步促进肌肉形成和 ECM 沉积。烹饪后的培养产品可达到咀嚼真正牛肉的感觉和质感。

  可持续发展的观点逐渐受到世界各国的重视。生命周期评估是一种技术，用于评估产品、活动和服务在其生命周期内(从原材料提取、加工、制造、分销、使用到最终废物管理)对环境的影响。因此，有必要对中药进行生命周期分析。预测性生命周期评估可为了解技术将如何发展并影响其他耦合系统提供有价值的见解，但应将其视为未来可能发生的情况，而非预测。

  最后，中药作为未来食品，首先要保证其安全性，食用后不会对人体造成损害。作为一种与传统食品完全不同的食品，其监管政策的制定也应与传统食品不同。最后，当它作为肉类呈现在消费者面前时，细胞已经完全失去了活性。因此，虽然对原始细胞系进行了监管，但应更多地关注细胞培养过程中对人体健康造成的威胁。

  参考文献：Jiaqi Cai, Shouwei Wang, Yingying Li, Shengyan Dong, Jun Liang, Yisen Liu, Shilei Li, Industrialization progress and challenges of cultivated meat, Journal of Future Foods, Volume 4, Issue 2, 2024, Pages 119-127.