近年来随着我国社会经济的飞速发展，肉类农产品的供求出现了严重的不平衡。预计到2030年，我国肉类农产品的供给缺口将达到3 804万t[1]。为了缓解肉类农产品有效供给的压力，以新型细胞工厂为基础的人造肉制品生产技术已经逐渐发展起来[2-3]。细胞工厂在生产肉类农产品方面相比传统畜牧饲养有着显著的优势：以牛肉的生产为例，饲养一头500 kg的牛,每天只能合成0.5 kg的蛋白质，但培养500 kg的活细胞,每天却可以合成多达1 000 kg以上的蛋白质[4]。此外，细胞工厂的生产方式可以节省75%的水，减少87%的温室气体排放，需要的土地面积也将减少95%[5-6]。美国和欧洲都已经开始加速人造肉制品商品化的进程[7]，但我国目前尚未见有相关研究的报道。
目前，利用细胞工厂生产人造肉制品主要有两个途径：第一，利用动物体内分离得到的成肌细胞或全能干细胞，在营养液中进行培养，以促使其形成类似肌肉的组织。在这方面美国和荷兰的科研人员已经取得了突破性进展。美国的研究人员从火鸡中提取肌细胞，并将细胞培养于牛血清营养液中，可以得到条型的火鸡肉。但由于缺乏脂肪及血液供应，目前培育出的火鸡肉口感还较差。而荷兰的研究人员从猪肌肉细胞中提取出干细胞，然后把细胞放入营养液中培养，促进细胞分裂，从而获得了含有肌纤维的人造猪肉。这些人造猪肉虽然已经具有了类似蛤蜊肉的形状，但外形上和猪肉还存在较大差距。
第二，以植物组织蛋白为基础，添加由酵母合成的植物性血红蛋白来制作人造肉制品。这种方法的研究进展较快并且已有多家公司的产品上市。其中由美国Impossible Foods公司研发的人造牛肉汉堡Impossible Burger已于2017年9月开始生产，目前在美国已经有超过1 000家餐厅销售这款产品，并且这一数字还在不断增长。这款汉堡里所使用的人造牛肉就是在大豆组织蛋白的基础上，添加了1%左右由毕赤酵母合成的大豆血红蛋白制作而成。目前，这款人造牛肉汉堡已经获得了超过2.6亿美元的融资。
随着细胞工厂和干细胞培养技术的飞速发展，目前已经可以批量生产出人造肉制品，但现在该类产品的市场认可度还比较低[8]。主要原因是现阶段人造肉制品还无法逼真地模拟真肉的品质。要想生产符合大众口味的人造肉制品，不仅要在营养成分上无限接近真肉的组成，还要对细胞工厂或细胞培养生产的肌肉组织进行商品化加工和重塑成型处理。只有让产品真正做到色、香、味、型俱全，才能被大众所接受(图1)。本文主要综述国内外可以用于人造肉制品商品化的技术和相关研究进展，旨在为实现人造肉制品的市场化提供参考。
图1 人造肉制品商品化步骤
Fig.1 The steps for the commercialization of artificial meat
1 赋予人造肉制品真实的颜色
肉类的颜色是由肉中的血红素所赋予，通过细胞培养获得的肌肉细胞血红素含量很低，无法呈现真实的肉色。因此要想模拟真实肉制品的颜色，需要在肌肉组织中添加富含血红素并且结构稳定的血红蛋白。之前以动物血液或植物组织为原料，利用化学试剂提取血红蛋白的方法不仅耗时耗力，且纯化所得血红蛋白的纯度较低，无法应用于人造肉制品的生产[9]。为了解决这一问题，国内外已经开展了针对血红素及不同来源的血红蛋白生物合成的研究。通过这些研究，已经掌握了血红素及血红蛋白合成的关键调控节点，为实现利用食品级菌株合成血红素及血红蛋白打下了基础。
1.1 血红素的生物合成策略
血红素在生物体中有C4或C5两种合成途径，目前这两个途径中所涉及的酶及其编码基因均已被解析清楚(图2)[10]。在此基础上，利用C4途径在大肠杆菌中已经可以实现少量血红素的合成[11]。但该策略需要添加甘氨酸和琥珀酸作为底物，并不适合大规模的发酵生产。除此之外，过量的血红素在细胞内具有生物毒性，因此利用微生物合成血红素一直存在瓶颈[12]。为了解除这些瓶颈，在最新的研究中通过采用无需添加底物的C5途径、抑制血红素降解和副产物的形成、利用血红素转运蛋白将过量的血红素转运至胞外，在大肠杆菌中成功地实现了超过200 mg/L血红素的合成[13]。
图2 生物体内血红素合成途径
Fig.2 The biosynthetic pathway of heme
1.2 血红蛋白的生物合成策略
在利用微生物细胞合成血红素的基础上，可以进一步合成不同来源的血红蛋白。目前的研究主要集中在人源血红蛋白的合成方面。利用大肠杆菌[14]和酿酒酵母[15-16]均可合成有生理功能的人源血红蛋白。但相比较而言，食品级的酿酒酵母表达系统更适合用于合成真核来源的血红蛋白。通过强化血红素的合成途径[15]、调节胞内的氧检测系统[16]，可以在酿酒酵母中合成占总胞内蛋白含量高达7%的人源血红蛋白。除了人源血红蛋白之外，美国Impossible Foods公司利用毕赤酵母成功合成出了植物来源的大豆血红蛋白(美国专利号：14/797,006)。目前该大豆血红蛋白已经被用于牛肉汉堡的生产，但由于毕赤酵母并非食品级宿主，且合成出的大豆血红蛋白的纯度仅能达到大于65%，用于生产人造肉制品还存在着一定的食品安全隐患[17]。此外，植物来源的大豆血红蛋白在结构和功能上与动物来源的血红蛋白还存在着差异。因此，在接下来的研究中还是需要利用食品级的酿酒酵母菌株，运用成熟的血红素合成代谢改造策略和蛋白高效表达系统，来生产不同动物来源(猪、牛、羊等)血红蛋白，从而满足大众对人造肉制品视觉上的需求。
2 赋予人造肉制品真实的香味
肉类的香味历来就受到人们的喜爱，香味能给食用者以嗅觉和味觉上的满足和心灵上的愉悦，并促进身体对其营养物质的吸收。因此，人造肉制品要想获得较高的市场认可度，必须具备能与真肉相类似的诱人香味。应用GC-MS等分析方法，对比生肉与熟肉的化学组成可以发现，肉中主要的香味物质是由氨基酸和糖类在高温下经美拉德反应形成的含硫化合物和含氮杂环化合物，以及一些微量的醛、酮、醇和呋喃类化合物[18-19]。而肉类的鲜美味道则是由肉中蛋白、脂类物质和香味物质共同作用形成的[20-21]。在真肉中脂类物质的含量一般在0.5%～15%之间，经加热烹调后的脂类物质在口中经过乳化作用会使肉的味道变得醇厚，产生浓郁的味道[22]。
2.1 香味物质的合成策略
目前市场上的人造肉制品在香味物质的组成上与真肉还存在一定的差距，这是造成人造肉制品市场接受程度较低的原因之一。近年来，通过采用动物或植物蛋白的酶解产物与氨基酸(半胱氨酸)和还原糖(木糖或果糖)反应，已经能够生产各种强烈、逼真的香味物质。南京林业大学和河南科技大学的研究人员可以分别利用不同来源的蛋白水解产物，再辅以氨基酸、酵母膏、还原糖和脂肪等物质，经美拉德反应形成香气浓郁圆润、口感醇厚逼真的肉味香精[23-24]。而江南大学的研究人员通过对形成香味物质反应体系条件的葡萄糖-半胱氨酸系统优化，合成了具备肉味的1, 2-乙二硫醇、2-乙基吡嗪、2, 4, 5-三甲基噻唑和2-乙酰基呋喃等4种风味化合物[25]。除此之外，应用响应面的方法对美拉德反应条件进行精确地设定，还可以模拟出多种不同来源肉制品的香味[26]。在合成风味物质的基础上，天津科技大学的研究人员进一步利用酵母菌株合成了牛肉中的风味强化肽，应用该合成寡肽能提升其他风味物质的呈味作用，并能增强鲜味显著改善肉制品的风味[27]。将少量安全的肉类香味物质与生产的人造肉制品混合，就可以真实地模拟出各种肉类的气味，从而满足人们在食用人造肉制品的过程中嗅觉上对香气的需求。
2.2 人体必需脂肪酸合成策略
人造肉制品在具有香气的基础上，还需要添加适量的脂肪酸才能形成肉类独特的风味。哈尔滨工业大学的研究人员，利用表达载体在酿酒酵母中构建了花生油脂和脂肪酸合成代谢途径，验证了利用生物发酵法合成人体必需脂肪酸(亚油酸、亚麻酸)及其酯类衍生物的可能性[28]。同样利用食品级的解脂耶氏酵母和低廉的原料，经培养条件优化后已经可以合成亚麻酸、二十碳二烯酸、二十碳三烯酸和二十碳五烯酸[29]。目前商业化的产酯酵母的不饱和脂肪酸产量已经可以达到胞内总脂肪酸含量的50%以上[30]。利用成熟的脂类纯化方法从产酯酵母胞内可以高效地提取出人体所需的不饱和脂肪酸酯(尤其是人体缺乏的Omega-3亚麻酸类的脂肪酸)[31]，并适量添加至人造肉制品中，可以更加真实地模拟出各种肉类的味道，从而全面满足人们在食用人造肉制品过程中味觉上的需求。
3 定制人造肉制品的生产
近年来随着大众对肉制品品质要求的不断提高，按照不同的饮食习惯和烹饪方式提供可定制的肉制品将会成为大众的追求。来源不同动物不同部位的肉制品，在口感和风味上均会存在较大差异，因此要想实现对肉风味、营养的个性化定制，需要首先确定所需肉制品中主要成分的比例。应用近红外光谱、质谱等检测方法，青岛农业大学的研究人员对牛胴体各部位肉质的营养成分和理化指标进行了系统的分析，从而确定了影响牛肉营养水平的蛋白、脂类、风味物质之间的比例和影响肉质嫩度的结缔组织蛋白、肌原纤维蛋白和肌浆蛋白三者间含量与化学结构状态之间的关系[32]。此外，随着设备的升级和人工智能的应用，已经可以实现对不同部位肉制品组分迅捷、精确地分析，为实现可定制快速消费人造肉制品的生产打下了基础[33]。在这些研究的基础上，应用可以多维模拟优化成分比例的人工神经网络算法，构建特制人造肉制品的品质模型，可以保证所建模型能真实模拟不同来源、不同部位真肉的品质[34]。在模型的指导下利用细胞工厂合成的各种组分原料，采用最精确的优化配方可以快速制作出能满足大众不同口味、不同用途的定制人造肉制品[35-36]。
4 人造肉制品重塑成型技术
人造肉制品的形状会直接影响消费者对产品的接受程度。目前利用细胞工厂合成的原料生产的人造肉制品普遍结构松散，无法让食用者产生真实的咀嚼感。而应用3D食品打印技术则可对人造肉制品的结构进行重塑，完美复刻真肉紧密而又富有弹性的三维结构[37-38]。具体的制作流程为：首先应用3D食品打印机中的打印建模软件，对肉制品的三维结构进行设计[39]；随后将人造肉制品所需原料和辅料分别放入不同的容器中；再按设计编码程序逐层地铺料，叠加打印出立体感十足的人造肉制品[40]。应用3D打印技术，国内外已经开展了许多关于人造肉制品的研究。利用生物相容性的材料，以3D喷墨打印和激光后技术，已经可以制造出结构上高度相似但仍保持柔韧的人造血管[41]。在作为支架的人工血管间，填充按最佳配方合成的人造肉糜和食品级交联剂[42]，以实现致密肌肉组织的模拟效果。除此之外，最新的3D打印技术还可以实现对人造肉制品中肉质的颗粒度、坚韧度进行可编程的局部控制[43-44]，将更可视化、简易化地实现三维结构完美人造肉制品的生产。
5 展望
综上所述，目前国内外均已具备将细胞工厂生产的人造肉制品商品化和市场化的基础，可以在短期内生产出市场认可度高的人造肉制品。但制约人造肉制品大规模生产的主要问题是生产成本过于高昂。从生产出第一块人造牛排的2013年到现在，生产成本虽然已经有所降低(从二百多万元人民币降至约几十万元)，但仍未达到进行大规模生产的条件。针对这一技术壁垒，可以在未来的研究中进一步通过对成肌细胞或干细胞培养方法优化和对细胞分化阶段的控制，显著降低以细胞培养为原料的成本；通过对微载体生物反应器的研究，实现干细胞培养的规模化，进一步降低人造肉的生产成本。除了技术问题之外，国家食品监管部门应该提前针对即将出现的人造肉制品出台相应的政策和法规，将人造肉制品与真肉制品和假冒伪劣肉制品严格区分开来，并对干细胞培养过程中可能存在食品安全风险进行系统的评估，解除大众对人造肉制品可能存在的抵触情绪，在国家层面打通政策通路。在解除政策技术、壁垒之后，再辅以日益成熟的人造肉制品商品化技术，相信在不久的将来人造肉制品的市场化将会很快实现。
[1] 辛良杰, 李鹏辉, 范玉枝. 中国食物消费随人口结构变化分析[J]. 农业工程学报, 2018, 34(14): 296-302.
[2] ORZECHOWSKI A. Artificial meat? Feasible approach based on the experience from cell culture studies[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(2): 217-221.
[3] POST M J. Cultured meat from stem cells: Challenges and prospects[J]. Meat Science, 2012, 92(3): 297-301.
[4] BHAT Z F, KUMAR S, FAYAZ H. In vitro meat production: Challenges and benefits over conventional meat production[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2015, 14(2): 241-248.
[5] TUOMISTO H L, DE MATTOS M J T. Environmental impacts of cultured meat production[J]. Environmental Science & Technology, 2011, 45(14): 6 117-6 123.
[6] ESHEL G, SHEPON A, MAKOV T, et al. Land, irrigation water, greenhouse gas, and reactive nitrogen burdens of meat, eggs, and dairy production in the United States[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2014, 111(33): 11 996-12 001.
[7] BRAINARD J. Agencies carve up cultured meat[J]. Science, 2018, 362(6 418): 977.
[8] BOHM I, FERRARI A, WOLL S. Visions of in vitro meat among experts and stakeholders[J]. Nanoethics, 2018, 12(3): 211-224.
[9] ZHANG X X, TAN J P, XU X X, et al. A coordination polymer based magnetic adsorbent material for hemoglobin isolation from human whole blood, highly selective and recoverable[J]. Journal of Solid State Chemistry, 2017, 253: 219-226.
[10] LAYER G, REICHELT J, JAHN D, et al. Structure and function of enzymes in heme biosynthesis[J]. Protein Science, 2010, 19(6): 1 137-1 161.
[11] PRANAWIDJAJA S, CHOI S I, LAY B W, et al. Analysis of heme biosynthetic pathways in a recombinant Escherichia coli[J]. Journal of Microbiology and Biotechnology, 2015, 25(6): 880-886.
[12] ANZALDI L L, SKAAR E P. Overcoming the heme paradox: Heme toxicity and tolerance in bacterial pathogens[J]. Infection and Immunity, 2010, 78(12): 4 977-4 989.
[13] ZHAO X R, CHOI K R, LEE S Y. Metabolic engineering of Escherichia coli for secretory production of free haem[J]. Nature Catalysis, 2018, 1(9): 720-728.
[14] NATARAJAN C, JIANG X B, FAGO A, et al. Expression and purification of recombinant hemoglobin in Escherichia coli[J]. PloS One, 2011, 6(5).
[15] LIU L F, MARTINEZ J L, LIU Z H, et al. Balanced globin protein expression and heme biosynthesis improve production of human hemoglobin in Saccharomyces cerevisiae[J]. Metabolic Engineering, 2014, 21: 9-16.
[16] MARTINEZ J L, LIU L F, PETRANOVIC D, et al. Engineering the oxygen sensing regulation results in an enhanced recombinant human hemoglobin production by Saccharomyces cerevisiae[J]. Biotechnology and Bioengineering, 2015, 112(1): 181-188.
[17] JIN Y, HE X Y, ANDOH-KUMI K, et al. Evaluating potential risks of food allergy and toxicity of soy leghemoglobin expressed in Pichia pastoris[J]. Molecular Nutrition & Food Research, 2018, 62(1): 1 700 297.
[18] 张谦益, 臧勇军, 吴洪华, 等. GC/MS法分析牛肉酶解物衍生肉香风味的化学成分[J]. 农产品加工(学刊), 2006(2): 19-21.
[19] YU L G, GAO C, ZENG M M, et al. Effects of raw meat and process procedure on N-epsilon-carboxymethyllysine and N-epsilon-carboxyethyl-lysine formation in meat products[J]. Food Science and Biotechnology, 2016, 25(4): 1 163-1 168.
[20] 刘源, 徐幸莲, 王锡昌, 等. 脂肪对鸭肉风味作用研究[J]. 中国食品学报, 2009, 9(1): 95-100.
[21] VARGAS-BELLO-PEREZ E, LARRAIN R E. Impacts of fat from ruminants' meat on cardiovascular health and possible strategies to alter its lipid composition[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2017, 97(7): 1 969-1 978.
[22] RASINSKA E, CZARNIECKA-SKUBINA E, RUTKOWSKA J, et al. Fatty acid profile of meat of seasonally fed slow-growing rabbits[J]. Animal Science Papers and Reports, 2017, 35(3): 265-277.
[23] 杨宓. 啤酒酵母的酶解及猪肉香精的制备[D]. 南京：南京林业大学, 2013.
[24] 沈军卫. 大豆蛋白酶解物制备猪肉香精的研究[D]. 洛阳：河南科技大学, 2010.
[25] 曾茂茂, 李伶俐, 何志勇, 等. 甘氨酸对美拉德反应体系及产生肉香风味物质的影响[J]. 食品科学, 2012, 33(7): 32-36.
[26] YANG C, SONG H L, CHEN F, et al. Response surface methodology for meat-like odorants from the maillard reaction with glutathione Ⅱ: The tendencies analysis of meat-like donors[J]. Journal of Food Science, 2011, 76(9): C1 267-C1 277.
[27] 高应瑞. 毕赤酵母表达风味强化肽呈味研究[D]. 天津：天津科技大学, 2011.
[28] 孙娇娇. 花生油脂代谢关键基因在酵母和聚球藻中表达及功能验证[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2014.
[29] POLI J S, DA SILVA M A N, SIQUEIRA E P, et al. Microbial lipid produced by Yarrowia lipolytica QU21 using industrial waste: A potential feedstock for biodiesel production[J]. Bioresource Technology, 2014, 161: 320-326.
[30] LAZAR Z, LIU N, STEPHANOPOULOS G. Holistic approaches in lipid production by Yarrowia lipolytica[J]. Trends in Biotechnology, 2018, 36(11): 1 157-1 170.
[31] YOOK S D, KIM J, WOO H M, et al. Efficient lipid extraction from the oleaginous yeast Yarrowia lipolytica using switchable solvents[J]. Renewable Energy, 2019, 132: 61-67.
[32] 孙晓明, 张佳程, 卢凌, 等. 牛胴体部位肉营养成分和理化指标差异性分析[J]. 中国畜牧兽医, 2011, 38(2): 205-208.
[33] PEREZ I M N, BADARO A T, BARBON S, et al. Classification of chicken parts using a portable near-infrared (NIR) spectrophotometer and machine learning[J]. Applied Spectroscopy, 2018, 72(12): 1 774-1 780.
[34] 孙晓明, 卢凌, 张佳程, 等. 牛肉化学成分的近红外光谱检测方法的研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2011, 31(2): 379-383.
[35] ZOU Y, ZHANG K, ZHANG X X, et al. Optimization of goose breast meat tenderness by rapid ultrasound treatment using response surface methodology and artificial neural network[J]. Animal Science Journal, 2018, 89(9): 1 339-1 347.
[36] BARBON S, BARBON A P A D, MANTOVANI R G, et al. Machine learning applied to near-infrared spectra for chicken meat classification[J]. Journal of Spectroscopy, 2018：8 949 741.
[37] GODOI F C, PRAKASH S, BHANDARI B R. 3d printing technologies applied for food design: Status and prospects[J]. Journal of Food Engineering, 2016, 179: 44-54.
[38] 周涛, 徐书洁, 杨继全. 3D食品打印技术研究的最新进展[J]. 食品工业, 2016, 37(12): 208-212.
[39] 郑少京, 吕志强. 主导3D打印技术的关键-3D建模[J]. 办公自动化, 2015(14): 61-62.
[40] GUNTHER D, HEYMEL B, GUNTHER J F, et al. Continuous 3D-printing for additive manufacturing[J]. Rapid Prototyping Journal, 2014, 20(4): 320-327.
[41] ATTALLA R, PUERSTEN E, JAIN N, et al. 3D bioprinting of heterogeneous bi- and tri-layered hollow channels within gel scaffolds using scalable multi-axial microfluidic extrusion nozzle[J]. Biofabrication, 2018, 11(1): 015 012.
[42] SANG L Y, ZHOU X H, YUN F, et al. Enzymatic synthesis of chitosan-gelatin antimicrobial copolymer and its characterisation[J]. Journal of the Science of Food and Agriculture, 2010, 90(1): 58-64.
[43] LUEDERS C, JASTRAM B, HETZER R, et al. Rapid manufacturing techniques for the tissue engineering of human heart valves[J]. European Journal of Cardio-Thoracic Surgery, 2014, 46(4): 593-601.
[44] SARATTI C M, ROCCA G T, KREJCI I. The potential of three-dimensional printing technologies to unlock the development of new 'bio-inspired' dental materials: an overview and research roadmap[J]. Journal of Prosthodontic Research, 2019, 63(2): 131-139.