Beefy-9和Beefy-R无血清培养基对细胞培养牛肉生产的生命周期评估

细胞培养肉类的可持续生产需要使用环保的营养物质。培养基为细胞增殖和分化提供必要的营养，是细胞培养肉生产环境影响的主要因素。胎牛血清（FBS）由于动物来源、伦理问题和高成本而存在问题。Beefy-R和Beefy-9是经过实验验证的为牛成肌细胞培养而设计的无血清细胞培养基。虽然这两种配方都包括基础培养基、抗坏血酸、亚硒酸钠、重组蛋白和生长因子，但Beefy-9和Beefy-R分别含有重组白蛋白和油菜籽蛋白分离物（rapeseed protein isolates，RPI）来取代胎牛血清。尽管这些培养基不包括动物来源的成分，但它们的环境影响尚未明确。本研究采用生命周期评估（life cycle assessment，LCA）来分析Beefy-9和Beefy-R培养基生产的环境负担，并确定优化的热点。通过情景分析不敏感性以及蒙特卡罗模拟评估不确定性。研究结果表明，在18个待评估的影响类别中，有13个类别对Beefy-R的环境影响显著低于Beefy-9。例如，Beefy-R的全球变暖潜力（GWP）几乎比Beefy-9的产量低5倍。在Beefy-R中，尽管没有重组白蛋白，但重组蛋白和生长因子都是热点，分别占GWP、土地利用和用水量影响的41 %、5.9 %和12 %。本研究证实了RPI可以作为牛成肌细胞无血清培养基配方中的重组白蛋白替代品。仍需要更多研究来确定培养基中其他重组蛋白和生长因子的低影响替代品。

关键发现：

1、 目标和范围

图1 Beefy-9和Beefy-R介质生产的系统边界

注：*蓝色表示两种培养基生产系统中的共同过程，橙色表示Beefy-9特有的过程，绿色表示Beefy-R特有的过程。

本研究的目的是对Beefy-R和Beefy-9动物无成分培养基的环境影响进行基准测试，并确定其生产过程中的热点。本研究的结果可用于优化细胞培养肉类培养基的环境可持续性，并将这些特征传达给利益相关者、决策者和消费者。这项研究的受众包括培养基制造商，以及生物技术、细胞培养和可持续发展领域的研究人员和专业人员，以及政府和非政府组织。系统边界为从摇篮到工厂，包括原料生产（如生长因子、重组蛋白、抗坏血酸、亚硒酸钠和基础培养基）、蛋白质分离和培养基灭菌，不包括产品的最终包装和运输（图1）。

2、 基线LCA-全球暖化潜力、土地利用率、水耗量、富营养化、酸化、电网效应、重组蛋白代理和蒙特卡罗结果

表1 Beefy-9和Beefy-R生产的库存汇总（FU = 1 L）

表2 每1LBeefy-9和Beefy-R培养基生产的环境影响

图2 Beefy-R环境负担相对于Beefy-9的百分比差异依次递减(注：负百分比值表示与Beefy-9相比，影响减少。)

图3 投入资金对选择Beefy-9和Beefy-R生产的环境影响的贡献

表3相对于基线改变电网对Beefy-9和Beefy-R的整体环境影响的影响

表4 重组蛋白代理选择对培养基整体环境影响的影响

表1提供了被调查培养基的原始数据清单的摘要。Beefy-9和Beefy-R成分、工艺和代理用于估计其环境影响的全面列表可以在补充材料1和2中找到。表2显示了生产Beefy-9和Beefy-R培养基所造成的环境负担。Beefy-9的1L的GWP为0.39 kg CO₂eq，而Beefy-R的GWP为0.08 kg CO₂eq，影响降低了79%（图2）。这一差异和基线时的所有影响差异完全归因于Beefy-9中0.8 mg/mL重组白蛋白完全被Beefy-R中0.4 mg/mL RPI取代。RPI对Beefy-R总GWP的贡献约为1.2 %。培养基生产的GWP的主要贡献者是两种配方的重组蛋白和生长因子。与Beefy-9相比，Beefy-R的淡水富营养化影响降低了42 %，海洋富营养化影响降低7%（图3）。

研究的局限性

该LCA只关注于两种为牛成肌细胞培养而定制的无血清培养基，阐明了一种用植物性替代品替代重组白蛋白的配方的影响。然而，有更多的配方可用（包括公开的和专有的），在本研究中没有涵盖，可以在未来的研究中探索。此外，这项研究需要几个假设来估计必要的数据，导致结果的不确定性来源。虽然在研究中涉及了三个不确定性来源（重组蛋白生产代理、电网方案和MC），但使用代理来估计一些过程的环境清单，详见补充材料2。此外，本LCA研究中应用的影响评估方法是2016年ReCiPe中点（H），这可能是不确定性的一个来源。本LCA研究使用可用的库存清单，量化了培养基对环境的影响。然而，如果使用替代工艺来生产相同的成分，培养基对环境的影响可能会有所不同。Beefy-R的LCA库存已经开发到工厂大门，其运输到细胞培养的肉类设施的环境影响不包括在LCA库存中。

结论

可持续培养基的发展是细胞培养肉商业化的主要挑战之一。Beefy-R是一种用于牛卫星细胞培养细胞培养牛肉的培养基。从农业废弃物（食用油生产）中获得的RPI是一种环境上可持续的血清和重组白蛋白替代品。然而，在估计Beefy-R的总体环境影响方面（例如仍有改进的空间，例如通过确定蛋白质分离的副产品）。剩余的提取物的应用可在未来的研究中进行探索。本研究还表明，生产设施所使用的电网会影响培养基的整体GWP值。总的来说，需要一种全面的培养基发展和评估方法，以解决成本、伦理和环境问题，以支持细胞培养肉类工业在可持续方向上的发展。

原文：A. Nikkhah, K. Trinidad, D. L. Kaplan and N. T. Blackstone，Life cycle assessment of Beefy-9 and Beefy-R serum-free culture media for cell-cultivated beef production，Sustainable Production and Consumption 2024 Vol. 50 Pages 168-176，DOI: 10.1016/j.spc.2024.07.023.