合成生物学快讯2021年1月：植物和细胞培养肉的生产与商业化挑战

由于人口增长、个人经济收益和城市化对需求的推动，全球肉类生产和消费继续激增。联合国粮食及农业组织（FAO）2012年预测，到2050年，全球肉类需求将达到4.55亿公吨（比2005年增长76%）。同样，全球对鱼类的需求在2050年预计将达到1.4亿公吨。这其中大部分归因于中等收入国家（例如中国），因为高收入国家的消费相对停滞或略有下降（例如英国），而低收入国家的消费率相对稳定（例如印度）。

目前，大规模的畜牧业生产带来了公共卫生并发症、环境退化和动物福利等挑战。就人类健康而言，畜牧业与食源性疾病、饮食相关疾病、抗生素耐药性和传染病关系密切。植物来源肉类（PBM）和细胞来源肉类（CBM）的方法提供了从非动物来源获得食物的途径。虽然传统的植物来源肉类替代品（例如豆腐）已经存在几个世纪，但具有增强感官特性的新型植物来源肉类替代品最近也实现了商业化（图1）。一些研发团队开始开拓新的领域，即细胞农业（cellular agriculture）。细胞农业是指用细胞而不是整个有机体或动物来生产商品的策略，例如，细胞来源肉类；用肌肉或脂肪细胞而不是牛、猪或鸡来生产肉类。虽然有证据支持，这些方法相对动物来源肉类（ABM）来说存在某些益处，但还需要更全面地评估其对人类健康和环境的重要影响。此外，这些产品的广泛采用将使消费者获得更直接的利益，例如口味、成本和便利性。本文比较了植物来源（例如由植物蛋白组成的肉类类似物）和细胞来源方法（例如来自细胞培养物的肉类类似物）的优势和挑战，并强调了其不确定的领域。

图1 动物、植物和细胞来源的肉类生产方法的历史和演变

发展历史与技术方法

基于植物和真菌的肉类（植物来源肉类替代品）产品包含了肉类的风味、质地和/或营养，但成分不同，即由非动物来源的原料制成。基于开发时间和技术复杂性，植物来源肉类产品可分为两大类：传统和新型。在几千年前，传统的肉类类似物在亚洲发展起来，包括相对简单的大豆衍生物（例如豆腐、豆豉）或小麦衍生物（例如面筋）。相比之下，新型植物来源肉类的特点是产品的设计和营销，在口味、质地和营养方面几乎等同于动物来源肉类。开发新型植物来源肉类的全球公司和品牌分布如图2所示。通常，植物来源肉类的生产包括3个步骤：（1）蛋白质分离和功能化。目标植物蛋白质是从植物中提取的，对其中一些蛋白质进行水解以提高其功能，例如溶解性和交联能力。（2）配方。将植物蛋白混合其他成分并开发肉类特质，例如食品粘合剂、植物脂肪和面粉，添加营养素使其类似或超过肉的营养成分。（3）加工。植物蛋白和其他成分的混合物经过蛋白质重塑过程（例如拉伸、揉捏、修剪、压制、折叠、挤压等）形成类似肉类的质地。用于改善植物来源肉类感官特性的创新技术包括剪切细胞技术、菌丝培养、3D打印和重组蛋白添加剂等。

图2 植物来源（绿色圆圈）和细胞来源（橙色圆圈）肉类公司的地理分布

（数据来源:Good Food Institute）

细胞来源肉类（CBM），也称为离体肉、实验室培养肉或养殖肉，是通过培养细胞而不是养殖动物生产肉类。细胞来源肉类技术主要是基于干细胞生物学（例如诱导多能干细胞）和组织工程（例如体外骨骼肌移植物）的发展。细胞来源肉类的产生涉及4个核心部分：肌肉和脂肪细胞的分离和培养、xeno-free培养基配方（无外源动物蛋白成分）、支架开发和生物反应器设计。虽然细胞来源肉类在2020年尚未实现商业化，但在过去几十年中已经取得了显著进展。关键的里程碑包括Willem van Eelen在1999年申请了第一项细胞来源肉类专利，2013年首次亮相马斯特里赫特大学的首个养殖牛肉汉堡，2020年第一个由美国宇航局（NASA）资助的鱼类养殖相关研究。如今，全球已有数十家初创公司致力于将细胞来源肉类产品推向市场。

经济

植物来源肉类蛋白质的主要原料相对更加便宜，大多数植物性产品主要是用豌豆、大豆或小麦蛋白等配制而成。这些蛋白质的农产品价格比牛、猪和肉鸡的价格低3.8-12.7倍（根据美国农民来源的数据）。事实上，有时大豆和小麦会与动物来源肉类混合使用以降低肉制品加工成本。经济可行性是细胞来源肉类商业化的重要障碍。据报道，马斯特里克大学生产牛肉的成本为280,400美元（每公斤2,470,000美元）。生产过程中，3名研究人员利用实验室规模的技术，在3个月内培养出20,000条肌肉纤维，但此研究仅作为概念证明，而不能进行规模化生产。一些团队已经进行了初步经济分析，预测大规模生产下细胞来源肉类的成本。

感官特性

图3 植物来源和细胞来源的模拟肉类外观特性（颜色、纹路、结构）的策略。结构和纹路是影响肉质和外观的重要因素。

营养

植物来源肉类配方中使用的关键植物蛋白质（例如豌豆、大豆、小麦）提供了与动物来源肉类类似水平的总蛋白质含量，但为了确保氨基酸平衡，多种植物蛋白的互补通常是必要的。传统植物来源肉类产品和新型植物来源肉类产品的营养也存在差异。例如，豆腐（传统的植物来源肉类）和Impossible™（新型植物来源肉类）都具有特定超越动物来源肉类的益处，例如含有膳食纤维和矿物质，同时胆固醇较低。不过，豆腐所特有的益处包括更少的热量、更少的脂肪并且不含钠，Impossible™所独有的益处包括更高的蛋白质和维生素B12含量（图4）。 

图4 每100克原料、湿重的动物来源肉类（牛肉、猪肉和鸡肉）、传统植物来源肉类（豆腐）、新型植物来源肉类（Impossible™牛肉）和菌蛋白（Quorn™）的营养价值

动物来源肉类和豆腐的营养数据来自FoodData中央数据库（FDC ID:174036、167902、171116、388713），Impossible™和Quorn™ 数据来自公司网站。含量以FDA推荐的每日摄入量的百分比来量化。

细胞来源肉类的全面基线营养数据尚未公开。实验室分析可以通过小样本对细胞培养物的营养成分进行量化。不同的细胞类型提供不同的营养成分；分化的肌肉细胞可能是蛋白质的主要来源，成熟的脂肪细胞可以提供脂肪酸。由动物来源肉类提供的某些化合物在培养细胞中不存在。例如，维生素B12仅由细菌合成，需要进行补充。培养基的制定将对培养细胞的活力和效率、营养情况造成很大影响，也许还会影响风味和味道。通过改造基因改善营养是另一种从长远来看可能更有效的方法，尽管基因方法可能会给监管和消费者接受度带来挑战，但已经在家畜中应用，以改善肉类生产的各个方面。

消费者接受度

消费者是致力于增加市场份额的利益相关者所特别关注的问题。与美国（74.7%）相比，中国（95.6%）和印度（94.5%）消费者对植物来源肉类产品的接受度较高。在欧洲的一项研究中，植物来源肉类纳入饮食中的主要障碍在于缺乏亲和力和“感觉吸引力”较低，而不熟悉产品类似物的消费者可能更希望这些产品与动物来源肉类非常类似。在一项焦点小组研究中，不食用动物来源肉类的原因排序在各国之间存在差异，例如，德国（例如动物福利、健康、环境影响）、荷兰（例如动物福利、劣质肉、健康）和法国（例如健康、动物福利、可持续性）。对这三个国家来说，口感是妨碍植物蛋白质消费的关键因素，其他因素还包括习惯、便利和价格。该领域的一个普遍共识是，细胞来源肉类的目标人群是食用肉类的消费者，而植物性饮食对素食主义者来说是健康、可持续的。针对消费者对培养肉类接受度研究的系统回顾发现，最常报告的问题与非自然性、安全性、健康性、味道、质地和价格相关。

公共卫生

肉类是重要的营养来源，尤其是在营养不足的发展中国家。然而，肉类的过度消费与许多健康问题有关。每年有180多万人死于缺血性心脏病，其中1/4与过度食用某些肉制品有关。斯坦福医学院最近的一项临床试验结果表明，用植物来源肉类替代动物来源肉类超过8周的受试者患心血管疾病的风险较低。植物来源肉类的符合大多数营养膳食指南，指南建议限制红肉和加工肉类的摄入量，将有利于降低血压、体重指数和胆固醇。

细胞来源肉类的商业化可能会影响许多国家的公共卫生，包括食源性疾病、饮食相关疾病（例如结直肠癌、心血管疾病）和传染病。因为理论上讲，细胞来源肉类引起食源性疾病的风险可能是不存在的，原因在于细胞增殖所需的无菌条件将阻止致病性病原体的污染，前提是后处理和包装程序同样无菌。

环境可持续性

Beyond Meat^®和Impossible™食品公司都发布了其植物性牛肉产品的生命周期评估（LCA）。这些产品的富营养化潜力和土地使用要求预计将大大低于工厂化养殖动物来源的牛肉、猪肉和鸡肉的指标，而温室气体排放量介于猪肉和鸡肉指标之间，能源消耗超过猪肉和鸡肉。与Beyond Meat^®和Impossible™相比，菌蛋白（即Quorn™) 对于能源和排放更具影响力。植物来源肉类的需水量高度依赖于主要蛋白质的来源。一项比较肉类替代品的生命周期评估计算出，与面筋（0.954 kg/kg）和大豆（0.73 kg/kg）相比，菌蛋白来源的产品（40 kg/kg）需水量更高。一项单独的生命周期评价研究估计了39种不同肉类类似物的用水量，并确定平均每吨植物来源肉类产品消耗3800立方米的水，大部分消耗来源于原料蛋白加工成肉类类似物的工程（运输和包装是其他因素）。细胞来源肉类的产量一旦优化，与动物来源肉类相比，将会利用更少的资源并排放更少的废物。

细胞培养肉商业化的4大挑战

21世纪初，美国宇航局（NASA）为在实验室中培育金鱼肌肉，用于作为长期任务中宇航员潜在的蛋白质来源提供了短暂支持。几年后，荷兰政府赞助200万欧元，利用干细胞培养猪肉的一项研究项目，该项目还获得了Google联合创始人Sergey Brin的25万欧元注资，并推动荷兰马斯特里赫特大学在2013年推出世界上首个培养肉汉堡。

随着科学界对这一课题的兴趣与日俱增，政府也开始向这一领域注入更多资金。仅在过去几个月里就发放了几笔大额资金。例如，2020年11月，政府机构佛兰德斯创新创业（Flanders Innovation and Entrepreneurship）开始资助一项名为CUSTOMEAT的为期4年的项目，金额为210万欧元，该项目由比利时根特大学和鲁汶大学的科学家共同运营。美国国家科学基金（NSF）在2020年9月份也拨款350万美元，在未来五年内继续资助加州大学戴维斯分校的一个培养肉联合会。

大多数进行实验室培养肉的公司要么直接使用取自动物组织活检的细胞，要么使用通过自然突变而自发变为永生的细胞系，这些突变允许其在实验室中无限增殖。但是由于担心消费者的强烈反对，很少有公司会考虑通过基因操作来获得最佳性能。不过，塔夫茨大学生物工程师David Kaplan的博士研究生Stout意识到，基因工程为实现培养肉的营养前景提供了一条途径。他在牛的肌肉细胞中插入了三个基因。每个基因编码的酶都参与抗氧化剂的合成，可减轻与食用红肉和加工肉类有关的疾病，例如结肠癌。这些酶也可能有助于培养肉的生产，因为抗氧化剂攻击的不稳定分子会阻止某些实验室培养的细胞的增殖。其他研究者正重新考虑，用于培养肉产品的细胞是否需要来自于西方文化中已普遍食用的物种。例如，塔夫茨大学的另一位研究生Natalie Rubio已经探索了利用昆虫细胞来培育肉，从而创造出口感可类似螃蟹、虾和其他海鲜味道的产品。利用果蝇（Drosophila melanogaster）和烟草天蛾幼年毛虫的肌肉细胞进行研究，表明昆虫细胞比传统家畜物种的细胞以更容易且成本更低的方式生长，而且可能还有营养优势。同时，其他科学家希望多个团队共同研究如何通过细胞培养斑马鱼鱼片，而斑马鱼研究中的成果也可以转化应用到其他任何可食用物种。

不管起始材料是什么，所有的细胞都需要一种优化的生长培养基：富含化学物质和蛋白质的培养基，以支持细胞增殖和分化。许多公司已经设计出无需营养丰富的胎牛血的培养方法，从而创造出行业所需的免屠宰产品。

根据好食品研究所（GFI）的一项分析，目前生长培养基占了培养肉类总生产成本的大部分，但随着方法的不断改进，成本正在下降。假设研究人员找到了细胞系和生长培养基的正确组合，他们也必须在支架上生长这些细胞。理想的支架应该是可食用的，这样就不需要将其从最终产品中去除。哈佛大学的Kevin Kit Parker团队开发了一种纺纱技术，该技术就像棉花糖机器一样，可以从明胶（一种源自胶原蛋白的蛋白质产品）中挤出长而细的纤维，与肌肉组织中的纤维结构高度相似。2020年，Parker团队发现，在明胶纤维上生长的兔和牛的肌肉细胞排列正确，虽然这些细胞仍然没有像真正的肌肉那样密集。目前他们成立了一家名为Boston Meats的公司，并进一步改善技术。

研究人员已经可以从食物中制备支架，如组织化大豆蛋白以及剥离了细胞成分、只保留支撑结构的蛋白质和糖类的各种蔬菜。例如，加拿大渥太华大学的Andrew Pelling团队使用脱细胞的芹菜茎，并证明其天然结构产生的凹槽有助于促进肌肉细胞的形成和排列。伍斯特理工学院的Gaudette团队在无细胞菠菜叶上培养了脂肪和肌肉细胞，植物细腻的静脉分支网络为营养介质到达各个培养肉细胞提供了理想的管道。然而，由于肌肉细胞和脂肪细胞需要的生长基质不同，研究人员通常将这两种细胞分别培养在各自的支架上，放在不同的营养池中。包括Rowat在内的一些研究者已经设计出一种策略，将肌肉和脂肪交织在一起，以获得肥瘦分布极佳的牛排。但要使实验室中生长的肌肉具有真实肉的质地和营养特性，还需要长时间研究才能实现。

由于有许多科学问题有待于解决，细胞培养肉的研究仍处于实验阶段。为了实现商业可行性，该行业需要找到前所未有的大规模组织生产的方法。

英国纽卡斯尔大学的组织工程师CheConnon估计，使用实验室培养的肉类来供应全世界人口，需要建立一个每年生长10²⁴个细胞的系统，而目前这种理想的规模，在基于哺乳动物细胞的生产中使用的分批生物处理技术是无法实现的。全球的生产能力可以满足该需求的约十亿分之一，这是一个巨大的限制因素。与此同时，西雅图生命科学软件公司Biocellion SPC总裁、计算机科学家Simon Kahan领导着一个名为培养肉建模小组（Cultivated Meat Modeling Consortium）的团队。该团队2019年成立，旨在通过建模技术优化生物加工技术。在德国默克公司的资助下，该团队开发了搅拌罐式生物反应器的概念验证模型，用于培养肌肉细胞。流体力学和细胞生物力学的模拟揭示了大规模培养肌肉细胞或脂肪细胞的核心挑战。

展望

动物来源肉类生产经过几千年的发展，已经满足了人们对价格、味道的需求。随着全球肉类需求的上升以及对上述影响的日益关注，研究人员和企业家们正将注意力转向无动物肉类生产。肉类替代品的经济机会很大，没有必要采用统一的领先技术垄断市场。

细胞来源肉类受到生产成本高、规模扩大障碍，以及有关如何将细胞培养用于食品应用的基础知识的空白。尤其是没有同行评审、全面的数据详细说明细胞培养组织的成本、感官特性或营养价值。在可靠地分析成本、影响和食品安全之前，需要确定更多的细节，例如材料输入的参数（例如倍增时间、最大细胞密度、培养基组成）和工业规模的生产示意图（例如生物反应器设计、操作）。

考虑到目前细胞来源肉类的高成本，可以将植物来源肉类与细胞培养脂肪相结合可以改善类似物的感官特性，同时保持比纯细胞来源肉类产品更低的成本。扩大研究目标来回答成本、感官和营养概况相关的基本问题，对于进一步告知利益相关者细胞来源肉类的最佳应用领域非常重要。植物来源肉类和细胞来源肉类在市场上的最终成功将会改变而不是淘汰动物来源肉类的生产。

张学博 刘晓 编译