世界人口不断增长,优质蛋白质供需矛盾逐渐凸显[1]。据联合国预测,到2050年,地球人口将达到100亿,人们对肉制品需求量将增加70%,肉制品消费市场规模也将超过30 000亿美元[2]。然而地球资源有限,仅靠传统养殖肉供应全球肉制品市场,将无法满足需求。同时,传统养殖肉带来环境污染、资源过度消耗、动物福利等问题。因此寻找肉制品替代方案十分迫切,人造肉也越来越多地被关注。人造肉是人工制造出来的肉类,分为植物蛋白肉、细胞培育肉、菌类蛋白肉。
其中,细胞培育肉是依据动物肌肉的生长修复机理,用鸡、猪、牛、羊、鱼、虾等动物的细胞经体外增殖、分化而形成的组织,又被称为培养肉、试管肉、细胞肉、体外肉等[3-4]。由于细胞培育肉存在着成本高、规模化生产困难、监管不完善等诸多挑战,导致目前仍然没有成熟的产品上市销售。本文系统总结了细胞培育肉发展的意义和现状,深入分析了细胞培育肉行业目前存在的问题及发展对策,以期为我国未来细胞培育肉的发展提供参考思路。
1 细胞培育肉发展的意义
1.1 满足优质蛋白食品供给需求
中国是全球最大的肉类消费国之一,2014—2021年,我国人均每年消费约20 kg猪肉。2021年和2022年,我国畜产品产量分别为13 800万t和13 900万t,进口量分别为1 600万t和1 300万t。2023年1—12月,我国畜产品进口额为451.9亿美元,出口额为60.8亿美元。如图1所示,畜产品进口额、出口额分别占进出口总额的88%、12%。预计我国肉类总消费量在未来10年将增长20.7%,到2030年,我国肉类产品的供需缺口将达到约3 800万t[5]。细胞培育肉技术的发展或将成为人们获取优质蛋白质的重要途径。
图1 2023年我国畜产品进出口额占比情况
Fig.1 The import and export proportion of livestock products in China in 2023
注:数据来源:海关总署。
与传统养殖肉相比较,细胞培育肉供给更为稳定。传统养殖肉供给受洪涝、地震、暴雨、非洲猪瘟、疯牛病、禽流感、口蹄疫等众多因素的影响,在获取过程中往往承受着巨大的风险,导致价格不稳定或短期内断供。2019年以来,受非洲猪瘟疫情以及新冠肺炎疫情的影响,全球肉类产出量及出口量大幅下降。我国南北方的猪肉供给不均,猪价格短期内涨幅很大,推动了猪肉高价销售[6]。细胞培育肉生产周期从9个月缩减到1个月左右,生产条件与价格可控、不易受自然灾害、疫情等影响,能实现稳定供给。
1.2 构建绿色低碳、环保的生态环境
传统养殖肉供给蛋白质,产生了大量温室气体、禽畜粪便和腐烂尸体。据统计,由于畜牧业生产而产生的温室气体占全球温室气体排放量的14%以上[7]。同时,传统的畜牧养殖业还会占用大量的土地资源、水资源、能量等,造成资源过度消耗。为了满足人们对肉制品日益增长的需求,世界各地的大片草原和森林被砍伐用以饲养牲畜[8]。
2020年9月22日,在第七十五届联合国大会上,国家主席习近平向世界郑重宣布了在2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标。据统计,如果用细胞培育肉代替传统肉,能减少养殖行业约90%温室气体排放量、40%的能源使用量、90%的用水量和99%的土地使用量(图2)[9]。若用真菌蛋白替代全球约20%的牛肉消费,每年能够减少56%的森林砍伐量和二氧化碳排放[10]。因此,细胞培育肉的发展也有利于地球生态的可持续发展,进一步构建绿色低碳、环保的生态环境。
图2 细胞培育肉相较传统肉的优势
Fig.2 Advantages of cell-cultured meat over conventional meat
1.3 提升国民健康水平
疯牛病是一种慢性、传染性、致死性、食源性的人畜共患病[11]。据统计超过36%的新出现的人畜共患疾病与供人类食用的动物有关[12]。人食用患疯牛病牲畜的肉后,会有被感染的风险。大规模饲养牲畜过程中,存在普遍预防性使用抗生素现象,导致抗药性细菌及其他致病因子泛滥[13]。肉质品中残留抗生素、激素等物质,继而引发人畜共用,对人体健康造成了严重的危害,如:激素食用过多所致的身体发胖、骨质疏松、抵抗力低等副作用,对抗生素、激素产生耐药性等危害。细胞培育肉的培养环境严格,可降低病毒感染风险,并可有效地降低抗生素、激素的使用量,与传统养殖肉相比,其来源可追溯、成分可控、更绿色、更安全。
高脂血症、高胆固醇血症、高甘油三酯血症以及高尿酸血症与食用传统养殖肉有着密切的关系。患有“三高”、“四高”以及需要减肥的人群需限制养殖肉的摄入[14]。在这些人群饮食调节和治疗时期,低脂肪、低胆固醇的细胞培育肉是一个不错的选择。未来可能会出现专门调制特定营养素的“零胆固醇人造肉”,成为饮食治疗的一部分。当人造肉普及市场、价格合理且安全性及营养性得到保障时,其可能会成为减重门诊和代谢门诊的一种推荐饮食[15],因为细胞培育肉能控制饱和脂肪酸与不饱和脂肪酸的比例,有效地控制人体所需的营养成分,根据不同人的需求添加不同的营养物质并进行有效配比,从而创造出满足不同人需求的人造肉。
1.4 实现人类对动物福利的关怀
给予动物的福利已是一个全球性问题。传统养殖肉的获取,与动物福利相违背。动物被宰杀时的嚎叫与痛苦、生物伦理学中人们对动物的同情,使人们在获取传统肉制品的同时饱受内心的折磨与道德层面的谴责。许多的素食主义者与动物保护者,奉行不愿杀生论。
规模化生产细胞培育肉,将会从生物伦理学角度减轻人类认知上所谓的“杀生”行为,也将成为优化动物福利的有效路径,促进人与动物和谐相处和规避贸易壁垒。
2 细胞培育肉的研究现状
2.1 研究机构及团队
在国内,细胞培育肉方面的研究处于起始阶段,大多数研究从某一技术或某一环节进行探索,系统研究培育肉全过程的较少。2019年11月,周光宏教授团队,用第六代猪肌肉干细胞培养20 d,获得中国第一块重达5 g的细胞培养肉,标志着中国的细胞培育肉技术的兴起[16]。我国细胞肉具有代表性的研究机构和团队如表1所示。
表1 国内细胞肉研究的典型机构和团队
Table 1 Typical institutions and teams for cell-cultured meat research in China
机构名称研究团队主要研究领域或结果参考文献江南大学陈坚院士团队2019年11月,成立未来食品科学中心,通过食品和生物技术的结合,构建细胞工厂种子,以车间生产方式制造奶、肉、糖、油、蛋等。2022年1月,召开绿色生物制造国家重点研发计划“人造肉高效生物制造技术”项目启动会。2022年 9月23日,陈坚院士团队的“细胞培养五花肉制备关键技术”通过成果鉴定。[19]南京农业大学周光宏教授团队2019年11月,利用第六代猪肌肉干细胞培养20 d,获得中国第一块重达5 g的细胞培养肉;2020年6月举办我国首次细胞培养肉试吃活动。[16]中国农业大学生物学院韩建永团队2022年,建立了家畜干细胞传代次数多达260次以上、可进行多次基因编辑操作的猪胚胎干细胞系,攻克了猪胚胎上胚层多能干细胞建系的国际难题。11月30日,该研究成果发表在国际著名学术期刊《细胞研究》上。[20]
国外细胞培育肉起始较早,美国、欧盟、日本、以色列、英国、韩国等国家已先后启动相关战略部署来研究。2000年,美国生物科学研究联合体用金枪鱼细胞人工培育出了人造鱼肉。2013 年,Mark Post 用动物细胞组织培养方法生产出的第一块人造肉问世。2018年,以色列研究团队Aleph Farms于实验室中培育出人造牛排[17]。2019年,日本日清食品股控公司与东京大学共同培育牛肌肉细胞,并制成约1 cm3大小的肌肉组织[18]。2022年11月,美国食品药品监督管理局(Food and Drug Administration, FDA)首次批准了细胞培育肉产品,继新加坡之后,美国成为允许销售细胞培育肉产品的国家。2023年3月,新加坡的细胞培育肉部门GOOD Meat通过FDA人造肉产品安全性评审,被批准向消费者销售细胞培育肉。
2.2 专利申请
自2013年起,全国细胞肉专利申请量逐年上涨。其中专利申请数量排名前三的国家和组织分别是日本、美国、世界知识产权组织[21]。在中外文专利数据库,以“人造肉、细胞肉”及其扩展词为关键词进行检索, 发现人造肉领域涉及细胞培育肉的专利申请并不多,绝大部分专利申请来自素肉。细胞培育肉相关的技术研究主要涉及改造细胞,优化培养技术、生物反应器,改善外观与口感,生物打印等方面[22]。目前国内已公开的细胞培育肉专利申请较少,主要涉及细胞培养技术与方法、培养基研发等方面[23]。
3 细胞培育肉面临的制约因素与挑战
3.1 基础研究与现有技术亟需突破
虽然各国在细胞培育肉研究中都已取得一定成果,但产业快速发展还受许多因素的制约。多物种的种子细胞系的建立、高效的细胞分离纯化方案、细胞培养环境的优化、细胞生物反应器的大规模生产体系的建立、多维生物打印等都是未来需要攻克的技术难点[24-25]。
目前,细胞培育肉的来源主要是从原生组织中分离出大量的、均一的胚胎干细胞、间充质干细胞、肌肉干细胞、诱导多能干细胞、成纤维细胞等[26]。在基础研究方面,细胞在体外快速扩增,需开发更多增殖、分化能力强,且有分化为肌肉、脂肪细胞潜能的细胞作为种子细胞。技术方面,不同类型的干细胞在体内所处的发育阶段、位置、多能性等有差异,获取方法、难易程度也不同,需针对特定的细胞类型制定高效的分离纯化方案,实现种子细胞的高效获取。多物种胚胎干细胞系的构建极具挑战,因为并不是所有物种的胚胎干细胞系都能被成功建立,如猪、牛等大型动物等[27]。
此外,细胞培育肉的颜色、组织结构、纹理、口感等与养殖肉还存在差距。细胞培育肉组织成形方面,开发具有足够多几何形状的细胞微结构模板来作为细胞生长的支架,促进肌肉细胞的平行排列,进一步按照特定的纹理结构和性状生长,并形成肌肉纤维,从而改善培育肉的结构、纹理、口感[28]。细胞支架分为不可降解、可降解但不可食用、可食用或降解为可食用支架3种类型。开发有营养、可食用、可降解、生物相容性良好、收集细胞培养肉时可分离的三维培养材料,构建高效率的三维培养体系,是细胞培育肉制造技术当前亟待解决的难点[29]。
3.2 降低生产成本亟需取得新突破
研究细胞培育肉的团队诸多,但细胞培育肉却迟迟没有像传统肉那样在市面上大规模供应,最主要的原因就是生产成本高。因此细胞培育肉行业最需要解决的问题是降低生产成本,消除与传统养殖肉的价格差距,这需要多学科领域共同研究来解决。
细胞培育肉的培养从一开始就需要严格的培养环境:无菌无毒、适宜的温度、气体环境、酸碱度、渗透压等条件,是成本高的原因之一。其次,细胞培养的方式是在基础培养基加不同浓度的血清,目前尚没有专门针对细胞培育肉而设计出特定的培养基产品。血清含有人工合成营养液所缺乏的生长激素、生长因子等,参与细胞生长、增殖和分化[30],其价格昂贵,成分无明确定义,不同批次生产的血清,细胞因子浓度差异显著,无法做到成分含量的统一。同时不同批次血清会显示出不同的变化,导致体外细胞培养中存在表型的差异,并且其宿主动物有病毒、细菌和内毒素感染的可能[31]。若把细胞培育肉中所用到的血清成分替换掉,不仅可降低细胞培育肉的生产成本,还可降低病毒、细菌感染的风险。
3.3 公众对细胞培育肉接受程度有待提高
公众对细胞培育肉的接受程度以及购买意愿受个体特征、食物恐新症、情绪和情境因素等众多因素的影响[32-33]。经常食用肉类的消费者比环保消费者更重视食品的熟悉程度,更倾向于选择自己熟悉的肉类。此外,一些消费者有着根深蒂固的食物和自然观念,并且有农业游说团体等利益相关者,利用这种说法来影响人们对细胞培育肉的接受程度。一些动物养殖者甚至担心细胞培育肉取代养殖肉后他们的工作受到影响[34]。
细胞培育肉生产成本高,上市价格将比传统养殖肉高。有消费者表示,他们更愿意食用价格便宜、口感鲜嫩多汁,富有弹性和咀嚼性的养殖肉[35]。有的消费者担心食用细胞培育肉后可能出现不良反应。多项消费者对细胞培育肉态度的调查结果显示:细胞培育肉的食品安全性是消费者最关心的问题,在一份针对法国消费者的调查中,半数受访者认为该产品会产生不良的健康影响[36]。在欧洲和北美洲开展的细胞培育肉消费意愿调查显示,仅有1/3的消费者愿意为其买单,且这些人多是受过高等教育的年轻人[37]。目前,细胞培育肉的安全性没有行业标准和规范,相关问题还有待完善。
4 推进细胞培育肉发展的对策
4.1 突破当前基础研究与技术的瓶颈问题
建议从以下3方面入手解决瓶颈问题。
首先,创新高效、低成本的细胞分离、纯化、提取方法,并建立高效操作流程方案库,实现种子细胞的高效获取。构建种类丰富、品质优良的种子细胞库,支撑细胞培育肉基础研究与应用。最后,强化细胞改造技术方面的研究。细胞永生化技术,能够使细胞获得持续生长的增殖能力与无限增殖的生长特性,可长期传代,克服常规原代细胞在有限次数传代后即发生的衰老和死亡的问题[38]。杨峰等[39]成功构建了猪成肌细胞永生化诱导载体,并鉴定了细胞诱导后的稳定性,有望用于细胞培育肉生产中。
其次,细胞培育肉的颜色、口感、香味等与养殖肉还存在差距。有研究表明可通过生物合成血红素、血红蛋白赋予细胞培育肉真实的颜色,适量添加脂肪酸、体外美拉德反应等方法可改善细胞培育肉的香、味等感官特征[40]。3D打印利用组织工程学原理,将原料处理为肉糜形式,再借助水胶体、辅助添加剂等来满足打印所需要的流变属性和凝胶强度[41],最后再挤出成型。打印时在肉糜中加入肌原纤维,可形成三维网络结构,为成品提供支撑力,保持较稳定的形态。细胞培育肉3D打印过程中用到细胞支架,目前研究最广泛的细胞支架三维培养材料是水凝胶类。有研究表面,鱼明胶为可食用的微载体材料,具备给细胞输送营养物质的功能。用油包水乳液作为明胶微粒子的模板,可得到具有凹槽拓扑结构,含伸缩性、可食用的微载体,用此微载体成功培养小鼠成肌细胞C2C12和牛肌肉卫星细胞,可得到肌肉微组织[42]。也可利用Ca2+的交联作用,制备可食用的结冷胶-明胶支架、海藻酸钠-明胶支架[43]。可食用3D多孔明胶微载体能高效促进猪骨骼肌卫星细胞、小鼠成肌细胞和小鼠脂肪细胞的生长,再用3D打印模具将猪肌肉微组织打印成的厘米级肉丸,机械性能和蛋白质含量比天然猪肉丸更优[44]。此外,一些脱细胞的天然植物组织具有良好的生物相容性和可引导细胞排列的特点,成为潜在的细胞培育肉的支架材料[45]。BEN-ARYE等[46]发现,质构大豆蛋白具有孔隙率、多功能性、适口性等优势,适合用作细胞培养的支架。NARAYANAN等[47]使用纤维素、壳聚糖等成分,制作出用于细胞培育肉打印的可食用支架。也有研究涉及无支架的3D细胞培养模型的建立,三维细胞培养技术在不断的创新与发展[48]。
最后,细胞培养环境优化方面,解决方向为:第一,增强对细胞增殖具有促进作用的物质的研究。第二,强化微生物与细胞共培养体系的建立,增加对营养物质的吸收与利用。微藻为动物细胞提供营养和氧气,其分泌的谷氨酰胺为细胞生长提供能量。HARAGUCHI等[49]用普通梭菌与C2C12细胞进行三维共培养,获得了200～400 μm的厚组织。第三,细胞培养过程中产生的氨和乳酸不断积累会抑制细胞生长。减少氨和乳酸积累的方法有:基因工程技术、吸附方法、生物催化方法和电化学方法。天然沸石、磷酸锆、活性炭和普鲁士蓝常作为吸附氨的材料[50]。同时,适当提高培养基中天冬酰胺与谷氨酰胺比例可减少乳酸的生成[51]。第四,固定培养基中生长因子(growth factor,GF),将GF固定在支撑材料上,使其按需释放,提高培养基稳定性,在细胞培养中使用更长时间。进行细胞培养基回收研究,可重复使用GF和重组蛋白。
4.2 开发无血清培养基与建立大规模培养体系
降低血清成本是降低细胞培育肉生产成本的关键。因此,学术界正聚焦于血清替代物与无血清培养基的研究。目前,血清替代物的研究方向有:血清提取物、蛋白水解物、生长因子、激素、脂质、金属离子、载体蛋白、维生素和还原剂等[52]。有研究团队发现锌离子是胰岛素的良好替代物、柠檬酸铁和亚硒酸钠的复合物能有效替代转铁蛋白,进而开发出了不含血清蛋白的培养基[53-54]。植物蛋白水解物、酵母抽提物,可提供氮源、维生素、矿物质、类胡萝卜素和不饱和脂肪酸等细胞生长所需的营养物质[55-56]。LEI等[57]的实验中得到促进猪肌肉干细胞体外长期增殖的细胞因子组合,能够减少50%的胎牛血清使用量。市面上有适用于悬浮CHO细胞等细胞培养的无血清培养基,但没有用于肌肉干细胞培养的无血清培养基,因此,开发出肌肉干细胞无血清培养基具有重要意义,其在生物医药、组织修复、细胞培育肉生产等领域应用前景广泛。
建立大规模培养体系,可促进细胞大量、快速的生长。细胞微载体,可扩大细胞贴壁生长的附着面积[58]。陶涛等[59]采用微载体生物反应器高密度培养Vero细胞,可降低培养成本,提高细胞培养效率。悬浮培养细胞也是实现细胞高密度生长的方法,其有以下优点:细胞可快速增殖、培养规模方便扩大、可提高产量;培养过程中按比例稀释便可继续培养,无需对其再分散;在连续密闭系统内也可以培养细胞,简化操作步骤,减少污染[60]。因此,学术界也聚焦于贴壁细胞悬浮驯化培养,并在驯化过程中适应无血清悬浮生长状态的研究[61],更快获得大量细胞。PASITKA等[62]也成功用悬浮培养技术使细胞密度达到108×106个/mL。
4.3 提高公众对细胞培育肉接受度
为提高公众对细胞培育肉的接受度,可从以下4方面努力:第一,提升细胞培育肉的加工工艺,改善其风味、色泽,降低价格,使消费者获得更好的消费感受。第二,多渠道、多角度开展细胞培育肉的宣传和调研,提升消费者对细胞培养肉的认知水平,同时获得消费者需求和建议的有效反馈。第三,避免使用人造肉、合成肉等词语来表述细胞培育肉,降低消费者抵触心理[63]。第四,完善细胞培育肉的安全性监管体系。目前,细胞培育肉的安全性监管体系仅在新加坡、美国等少数地区实施[64]。2022年12月,我国上海市生物医药行业协会在发布了《细胞培养用无血清培养基标准》及《人体细胞及组织培养用无血清培养基标准》,对无血清培养基研发作出规范性要求[65],但细胞培育肉安全性方面仍然没有评价标准。未来可完善食品安全相关的法律法规,并将细胞培育肉明确纳入安全监管范畴。
5 总结与展望
细胞培育肉的发展具有极大意义,近几年发表的文献量逐年上涨。相关的研究也较多,如开发无血清肌肉干细胞培养基、贴壁细胞悬浮驯化培养、生物反应器大规模生产、可食用细胞支架、无支架3D细胞培养、多细胞与微生物共培养体系、细胞培养基回收等。未来可能研发出4D、5D等多维打印技术,使得细胞肉在结构、口感、质感等方面更接近于养殖肉。同时,利用多维打印技术,按需加工肉类,搭配果蔬,为特殊人群制定个性化营养食品[66]。虽然细胞培育肉在大规模生产技术、价格、风味、口感、安全性等方面存在难题,但在多学科齐发展与进步、研究团队不断攻克难题的当今时代,相关难题终将会被攻克,“餐桌上的细胞培育肉”指日可待。
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