Trends in Food Science & Technology：培养肉的风险评估

研究背景：

尽管存在一些争议，细胞培养和组织工程的发展以及对可持续动物蛋白的不断需求，使培养肉成为未来营养蛋白的潜在来源。作为一种绝对新颖的食品，养殖肉的生产涉及到复杂的先进技术和多种新成分的整合。因此，在培养肉生产过程中的任何阶段，都可能会无意中引入危害和风险，在产品进入市场以确保食品安全和促进人类健康之前，必须经过相应司法管辖区的法规或立法的审查和批准。目前，关于养殖肉的安全性和风险评估的研究报告越来越多。然而，在实现全球培养肉的市场化之前，由于缺乏系统和深入的风险评估，对培养肉仍然是一个需要跨越的障碍。评审范围：本文综述了培养肉生产过程中可能引入的危害和风险，并提出了相应的对策。主要结论：目前还没有一刀切的方法来检测不同类型的培养肉制品，应采取有效的风险和安全评估策略。此外，不同地区对养殖肉的监管框架可能会有不同的演变，但最终应该得到协调，以促进全球安全和有营养的培养肉制品的发展。

在新食品上市前对其安全性进行评估是保障消费者健康的重要环节。已经制定了一些法规或立法来评估培养肉的营养和风险。虽然培养肉的一般生产过程已被广泛报道，但相关的商业化生产技术和最终产品成分等关键信息仍不清楚，这给监管部门带来了挑战。与此同时，人造肉研究的快速发展也带来了法规的不断更新。然而，由于新的和复杂的生产过程，意想不到的生物机制和与每种产品相关的不可预见的后果，目前对培养肉的安全评估缺乏结构化。因此，缺乏系统深入的培养肉风险评估是培养肉市场化的最大障碍。本文综合总结了培养肉生产过程中可能出现的风险，并提出了相应的对策。总体目标是在不久的将来巩固这些信息并对培养肉制品进行系统的安全评估。

1、在培养肉生产过程中可能引入的关键技术和可能的风险

虽然一些公司已经成功地生产出了培养肉制品，但详细的生产过程仍然是公众不知道的商业秘密。缺乏透明度是确保食品安全和健康的食品生产过程中的一个主要问题。尽管如此，使用少量细胞构建家畜肌肉复杂结构的关键步骤已经被广泛讨论。一般来说，有四个关键的技术方面，包括细胞收集、细胞培养、生物量积累和食品加工。其中一些可以被不同的制造商根据其预期的目标适当地省略、重复或修改，例如，生产无序的肌肉纤维或通过重叠的肌肉纤维层和脂肪层产生肌肉薄片。培养肉的生产涉及复杂的先进技术和多种新的成分输入。因此，在养殖肉类生产过程中可能会出现潜在的危险和风险特征，具体描述如下。

1.1 细胞收集

收集合适的细胞是培养肉类生产的基础，其中它们增殖和分化的能力是必不可少的。胚胎干细胞（所谓的多能干细胞）、诱导多能干细胞、间充质干细胞和肌肉干细胞（所谓的卫星细胞）经常被用作产生肌肉纤维或脂肪组织的首选种子或起始细胞。据推测，农场动物的干细胞产生的肉类是相应农场动物尸体的100多万倍。这些细胞可以通过两种方式获得。第一种方法是通过组织酶解离、过滤、差异离心和随后根据细胞的物理（密度）、生物（附着时间）或分子特征（特定基因或蛋白表达）的细胞分离来分离原代细胞。这种方法从异质性组织中分离出足够的所需细胞类型具有技术挑战性和成本高昂。另一种可行的方法是通过基因工程、化学方法或自发突变从体细胞中进行诱导。获得这种种子细胞系可能涉及无意的有害的遗传改变，遗传漂变可能发生在随后的细胞生长、增殖、分化和成熟的任何阶段。为了监测和减轻遗传漂变，可以使用遗传稳定性分析和染色体分析来检测这些细胞，而新鲜存储的发酵剂细胞可以分别用于每批。此外，基因组的不稳定性和遗传漂变可能导致最终产品中不良物质的产生，这可能构成食品安全危害。新加坡食品署提出了有效的战略，通过对科学文献的系统审查，使用全局非靶向和顺序靶向组学技术对起始细胞和终端细胞相关过敏原和毒理学数据库的筛选物质进行比较，来识别潜在的不良物质。

1.2 细胞培养

干细胞最初在常规培养皿或含有培养基的烧瓶中呈指数级生长，没有分化，这些培养基通常含有各种营养物质，如葡萄糖、氨基酸、脂肪酸、维生素和矿物质、生长因子、激素和胎牛血清。培养基成分将影响细胞的生长效率以及最终产品的感官和营养特性，需要根据细胞种类的来源、类型和发育阶段进行优化。胎牛血清是从牛胚胎中获得的血清，含有200-400种不同的蛋白质和数千种不确定浓度的小分子代谢物。它提供必要的营养物质，如激素和分化因子（如生长激素和胰岛素）、转运蛋白（如转铁蛋白和转皮质蛋白）和生长因子（如表皮、内皮细胞、成纤维细胞和胰岛素样生长因子）来促进细胞的生长。然而，其未定义的成分对最终产品带来了未知的风险。此外，由于其不可持续、昂贵和不道德的性质，它在培养肉生产中的使用遭到了科学、监管和行业专家的一致反对。因此，开发具有化学定义成分的无血清培养基对培养肉的商业生产具有重要意义。目前，一些无血清培养基，如AIM-V培养基、Gibco培养基和Ultroser G培养基，已可用于一些特定的细胞类型，如Caco-2细胞和肌卫星。然而，各种细胞特异性生长，因此可能无法获得一种通用的无血清培养基，一些商业培养基也可能比胎牛血清表现更差。此外，商业培养基生产的细节通常不公开，这使得监测细胞增殖、分化和成熟过程中的任何异常变化以及预测与最终产品相关的风险具有挑战性。由于养殖肉是细胞农业的产物，因此还必须进行生命周期评估，以评估养殖肉生产中使用的商业培养基对环境的影响。此外，由于来自动物的细胞培养基成分可能含有病毒、朊病毒和细菌，因此需要对它们的来源进行适当的鉴定，以避免潜在的污染。定义的无动物成分培养基（如微生物或植物）已开发用于人胚胎干细胞和诱导多能干细胞的常规培养，成本低，质量控制简化和高安全性。然而，我们需要注意与植物来源蛋白质的过敏原相关的潜在风险。令人鼓舞的是，在2022年初，一种化学定义的无血清培养基配方，可以在没有血清和/或转基因表达的情况下支持牛卫星细胞分化，以生产培养肉。脂肪在肉类的适口性中起着重要作用，一种简化和明确的无血清培养基，用于培养跨物种的脂肪细胞。此外，一项用于培养牛祖细胞的无血清培养基的专利已经发表。这些研究表明，胎牛血清有望被完全取代。然而，这些研究是在实验室中进行的，这仍然远离工业应用。无血清培养基或无动物成分培养基的发展建议使用现有的材料已经授权的食品生产，这意味着他们应该满足相应的规范或标准，否则需要进行毒理学测试来评估新组件的残留物的最终产品。这要归功于帕拉塞尔苏斯，他表达了经典的毒理学格言：“万物都是毒药，没有什么是没有毒药的；剂量决定其毒性。”虽然允许添加某些成分，但由于剂量依赖性的毒性，它们的浓度需要得到适当的控制。例如，高浓度的小麦谷筋和生长因子可分别引入过敏和生殖/发育/致癌毒性。

1.3 生物量积累

经济的大规模生产是养殖肉制品商业化的关键。因此，模拟体内环境的生物反应器被开发出来，以实现细胞的快速增殖。在添加到生物反应器之前，具有自然期望特性的细胞被选择，或者通过基因工程修饰它们，以优化某些特性，如快速增殖、延长生命周期、增加细胞内血红素蛋白表达和最佳风味谱。然而，基因工程可能会对监管和消费者的接受构成挑战，甚至最终使产品无法销售，因为一些欧洲国家，如法国、德国和希腊已经禁止转基因食品的生产和销售。与监测遗传漂变、遗传稳定性和潜在的致瘤性类似，应该进行检测来评估基因工程细胞及其产品的安全性。这些修饰基因的潜在环境问题也应该被考虑在内，因为饮食基因可能被整合或转移到人类的血液、组织和胃肠道中。

三维肌肉组织的形成（组织工程技术）的形成依赖于支架的支持，支架为细胞的附着、生长和易于获取提供了一个临时或永久的粘附表面。此外，支架还向肌肉纤维注入营养物质，并通过机械或电刺激它们接近真正的肌肉状态。一些动物、植物和海洋衍生和生物合成材料基于其可持续来源和满足食品和药物管理局（FDA）食品添加剂要求的能力，可以作为支架设计和材料的合适候选材料。值得注意的是，成肌细胞更喜欢驻留在动物来源的材料中，如基于胶原蛋白的支架，它再现了细胞的自然生理生态位，毫不奇怪，迄今为止，大多数成功的培养肉都是在由胶原蛋白制成的支架上生产出来的。然而，动物来源的材料是不可持续的，也不符合动物福利策略。预期用于培养肉生产的支架不仅应提供生物相容性和高表面积体积比的表面来支持肌肉和脂肪细胞的生长，而且最好包括可食用或可降解的生物或合成材料。

1.4 食品加工

细胞分化成肌管并发育成肌纤维后，收集细胞，并与血红蛋白和香料如其他物质混合，以增强最终产品的颜色、香气和味道。此外，它们还需要进一步加工成商品，详细的加工方法取决于所需产品的性质。目前，尚不确定传统的食品加工方法是否对养殖肉制品构成风险，如养殖肉中新成分通过加热或微波辐射产生不可预测的反应所造成的人类或环境危害。

2、培养肉生产中的风险评估策略

图1 遗传毒性检测策略的示意图表示

图2 毒物动力学和毒性测试策略的示意图表示

2.1 毒性试验

在设计适当的毒性试验时，应彻底考虑养殖肉生产所涉及的所有材料、工艺和相关细节。毒性试验主要包括基因毒性、细胞毒性和毒性耐受性试验，可根据FDA最近建议的上行食品或欧洲食品安全局（EFSA）描述的要求和分级方法进行)“提交食品添加剂评价指南”，旨在节约资源和动物消费。分层方法的基本原理是使用更少的复杂测试，评估这些测试是否足以进行风险评估，并选择更高级级的测试来进行风险评估。在较高层次上进行的研究结果原则上将取代在较低层次上得出的结果。

基因毒性是指对哺乳动物细胞的DNA或染色体造成损伤，导致诱变或致癌作用，这可以通过一系列的体外和体内的评价方法来进行评估。细胞毒性是指细胞生长、功能、形态异常，最终导致化学物质解体和死亡。

3、结论及未来展望

随着细胞培养和组织工程的发展，以及对可持续动物蛋白的需求不断增长，培养肉由于其相对的道德和健康特性，有可能成为未来可持续的营养蛋白来源。然而，在培养肉成为我们的主食之前，还需要进行进一步的跨学科研究。目前，大量生产养殖肉制品在经济上仍存在一些技术挑战。为了克服这些挑战，重要的是开发(i)替代胎牛血清或化学定义的无血清培养基，（ii）可食用、可持续和高性能的支架材料，（iii）体外肌生成环境，再现真实的肌肉形成，如电或机械刺激，使培养肉与养殖动物肉相同的味道和质地，（iv）回收方法，最大限度地在培养肉生产中使用所有材料。此外，消费者对人工养殖肉制品的接受程度构成了另一个需要适当解决的障碍，而该产品的国际统一术语是必要的。作为一种新型食品，与养殖肉生产相关的新技术可能会引入不确定的风险和危害，但其风险评估体系尚未全面建立。目前还没有一刀切的方法来检测培养肉，根据对可能涉及的危害的了解，应具体采取有效的风险和安全评估策略。此外，不同国家对养殖肉评估的监管框架是不同的。未来，需要由科学、监管和行业专家共同制定健全和协调的法规或立法，以实现有效的风险评估，提高全球创新养殖肉类的安全消费。

原文：Yuxiang Gu, Xing Li, Eric Chun Yong Chan, Risk assessment of cultured meat, Trends in Food Science & Technology, Volume 138, 2023, Pages 491-499, ISSN 0924-2244, https://doi.org/10.1016/j.tifs.2023.06.037.