J. Future Foods | 王守伟教授级高工：细胞培育肉的未来何去何从：培育肉的产业化发展

2023-09-13 20:38:42

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Introduction

近年来，细胞培育肉以其可持续的生产方式和高效的生产效率逐渐被人类视为一种有前途的替代肉类食品。目前，全球的主要经济体都已参与到了这场追逐以细胞培育肉为代表的替代蛋白类食品的激烈竞争中，其中肉类自给率较低的国家或地区表现的最为积极。本文通过讨论全球细胞培育肉的商业市场参与、产品开发阶段和技术研究进展展示了细胞培育肉的产业化进展，细胞培育肉正快速向工业化、市场化推进，探讨了培育肉产业化的必要性，实现产业化是提高产能、降低成本、提升品质的重要手段，本文从种子细胞的选择、细胞的增殖、分化、无血清培养基、生物反应器、培育肉的质地和口感以及生产过程的的生命周期评估（LCA）循环等几个方面进行了全面综述分析，描述了目前培育肉产业化面临的困难和挑战并提出了可能的解决方案：1）种子细胞和无血清培养基是基础原料，直接关系到食品安全监管、生产成本控制和生产力提高；2）生物反应器和监管是工业化的基石，与产能扩张、产品营销密切相关；3）口味、质地、安全性、规模和成本方面的技术改进是实现产品迭代升级和市场接受的基础。本文的综述将为实现细胞培育肉从实验室制备到工厂的工业生产提供一定的理论支撑和可行建议。

市场分析

2013年8月，第一个真正意义的细胞培育肉汉堡出现，成本价格每磅高达30万美元，远远超出普通人的消费水平。据报道，到2030年培育肉的生产成本可能低至每公斤5.66美元（每磅2.57美元）。其中成本的降低，需要各国的积极对培育肉的研究来实现。然而，尽管目前有初创企业不断承诺要实现越来越低的成本，但由于市场上没有商用细胞培育肉产品，所以它并没有在市场上实现。

图1 部分企业发布的培育肉生产成本

目前，细胞培育肉的高成本主要是以下原因造成的：1）动物细胞生长过程所需原料非常昂贵，需要特殊的营养物质如血清、生长因子等；2）细胞培养需要生物反应器，但目前可用于动物细胞培养的生物反应器容积较小且成本高昂；3）细胞生长的环境需要保持无菌，整个过程成本高昂；4）细胞培育肉的整个生产过程在体外进行消耗了大量的电力。目前，研究人员正从降低培养基的成本、缩短细胞生长时间并扩大生产规模等上述诸方面开展技术攻关，以进一步降低产品的成本。

发展阶段分析

最近，由于政府和企业大幅增加了对细胞培育肉相关行业的投资，相关产品的品尝活动越来越普遍。过去几年中细胞培育肉的研究主要在实验室进行，但现在工业化生产线已经在不同的国家进行了试点。欧盟计划将细胞培育肉的生产规模从135千克扩大到每年10吨的规模。这意味着，在未来一到三年内，公司可能有能力为有限数量的消费者提供产品，但这远远低于商业规模。

按照美国商务部的国家标准与技术研究所的描述从创新到商业化的发展道路需要三个阶段。首先，随着人们对肉类的需求激增，出现了可以减少需求和环境问题的细胞培育肉产品。然后，研究人员在实验室进行了小规模的研究和探索。接下来，研究人员将生产过程扩大到工业规模。最后，在市场的监管条件下，产品被运输到不同的地方进行交易。

目前，一些公司已经建立了试点工厂，这意味着细胞培育肉从创新到商业化的道路已经进入了第三阶段，世界各地的公司都在努力积极推动细胞培育肉的工业生产。

图2 从创新到商业化的道路

初创企业概况

自2013年以来，全球已至少创建了89家细胞培育肉相关初创企业。同时，许多科研机构或传统食品公司也纷纷进入这一领域。美国政府非常关注细胞培育肉的发展，过去几年在几个政府项目和大量资金的支持下，美国的细胞培育肉相关初创公司的数量已占全球总量的40%。荷兰作为第一个细胞培育肉汉堡的诞生地，已经开始设立专项巩固其在细胞农业领域的引领地位。由于人口密度高，肉类自给率低，以色列和英国也在持续支持细胞培育肉的开发，以鼓励肉类公司寻找替代蛋白质解决方案。另外，日本和新加坡主动开发并支持细胞培育肉产业，以帮助缓解其肉类自给率。细胞培育肉的出现为中国、美国或印度等人口规模大、为新加坡、日本、以色列或英国等肉类自给率低和人口密度高的国家提供了一种可行的肉类供给解决方案。

表1 细胞培育肉初创公司的地理分布

产业化发展面临的主要挑战分析

种子细胞的选择

细胞培育肉的种子细胞的物种来源应该跟目前人们日常食用的传统肉品一样种类丰富，不仅包括牛、猪和家禽等传统牲畜和家禽还应包含一些水产品。目前，培育肉要实现成肌细胞在体外能大规模增殖、分化的肌肉类种子细胞的可能来源主要有以下三种：胚胎干细胞、肌肉卫星细胞和诱导多功能干细胞。2013年出现的人类首个细胞培育肉汉堡常被品尝者描述为“接近肉，但没有那么多汁”，因为它主要由骨骼肌组织组成，缺乏对肉的味道和质地有很大贡献的脂肪组织。因此，脂肪细胞的培养也应该被考虑在内以培育出既具有肌肉极佳的嚼劲，又具有脂肪多汁的口感和诱人的香气的肉制品。

细胞增殖扩增

目前，小规模细胞体外培养主要是通过2D培养的形式培养细胞，然而这在一定程度上限制细胞增殖的规模，并且细胞在培养皿里的扁平生长的形态与在生物体内的立体形态完全不一致。为了解决这一问题，细胞培育肉研发的一个重要方向就是通过支架或者微载体实现细胞的体外3D培养，使细胞在体外能够逐渐形成类似生物体内的3D组织结构。细胞外基质是由多种支持和连接组织并调节组织发生和细胞生理活动的蛋白质组成的非细胞三维大分子网络。3D培养细胞是通过可以模拟细胞外基质的支架为细胞提供与体内相似的生长环境，从而在体外实现细胞增殖和分化。目前，应用于培育肉的支架有三种情况：（1）支架仅作为细胞附着和增殖的临时基质，最终需要将细胞产物与支架分离。2）支架是细胞增殖的临时基质，但在细胞生长过程中会被降解或溶解。3）支架为天然来源的可食用材料，如胶原蛋白、透明质酸和可用作支架材料的肽，最终可以与细胞产物一起被食用。目前可用于细胞培育肉的支架包括水凝胶、多孔支架、微载体和天然组织支架。水凝胶可以模拟细胞外基质，使营养物质、生长因子和代谢的废弃物等可溶性因子自由透过凝胶，为细胞生长创造良好的代谢环境；多孔支架内部的孔隙均匀分布并相连，允许细胞向内生长，不同孔径的多孔支架适用于不同的细胞，其功能取决于所使用的聚合物和制造方法；微载体通常为直径约100 μm的球体，悬浮在培养基中，提供肌肉细胞生长的附着空间；天然材料非常容易获得，具有良好的生物相容性，最终通常可与细胞结合产生细胞培育肉制品，可直接食用。

无血清培养基

目前，动物细胞的体外培养需要在培养基中进行，培养基除了为细胞生长提供基础营养成分外，还可以提供有利于细胞生长的必要成分，如动物血清。血清中含有多种生长因子、激素、维生素、氨基酸、脂肪酸和微量元素等，这些物质在细胞持续生长过程中提供增殖、保护等方面的调控作用。但血清的高成本是细胞培育肉产业化的一大障碍。因此，寻找血清的替代品，开发无血清培养基不仅是降低培育肉工业化生产成本的主要解决方案，也是细胞培育肉未来产业化发展的必然趋势。

食品生产过程中的副产物是无血清培养基添加剂的一种可能来源。这些副产物不仅可以大量获得，而且含有丰富的促生长因子，是一种很有潜力的血清替代品。其水解产物富含多肽，根据不同的选材和酶，可以得到不同的水解产物以满足不同的细胞生长需求，有研究表明其水解产物可以显著提高细胞的生长和代谢速度，且对骨骼肌细胞无细胞毒性，因此这些副产物经处理后可作为生长因子促进剂有效替代血清。此外，细胞增殖过程中产生的生长因子和细胞因子也可以刺激后续的细胞生长从而使培养基可以循环使用。通过补充培养基中被细胞消耗的营养物质（如葡萄糖和氨基酸）和去除废物（如乳酸和氨），可以对培养基进行回收或者重复使用，达到降低生产成本和减轻资源浪费的效果。

生物反应器

生物反应器的设计是为了促进细胞大规模增殖及分化形成一定的组织结构，因为细胞对生长环境的清洁度有严格的要求，若要兼顾成本因素，这就要求生物反应器具有可循环利用的特点。因此，如何高效地通过生物反应器获取大量细胞来生产细胞培育肉是一个很大的挑战。目前，在大型生物反应器中，细胞只能以糜状形式生长，最后通过收集和挤压形成肉饼结构。

口感和质地提升

细胞培育肉若要实现对传统肉类的代替，还需要具有良好的感官品质和咀嚼口感。目前可以促进细胞培育肉组织特性的改善，以期获得良好的感官评价。在技术上，不仅要保证细胞增殖、分化形成肌纤维，还要使肌纤维最后能够进一步分化形成有一定的形状和结构的肌肉组织，这就要求肌肉细胞在培养到一定厚度时能在组织内形成血管状通道并能向组织块内的肌肉细胞输送氧气和营养物质和带走有害代谢物，防止内部细胞出现坏死，这也是培养厚而复杂的肌肉组织的主要障碍之一。

生命周期分析（LCA）

细胞培育肉生产过程中的环境影响主要来自细胞的增殖和分化过程，首先，这一过程需要使用培养基进行培养，而培养基是一种消耗品，其生产过程需要产生一定的能源消耗、污染物质排放；其次，使用大型生物反应容器时需要消耗大量的能源并产生带来温室气体排放，加热需要用电，冷却需要用水，若发电过程需要用化石能源则会产生相应的温室气体排放。随着化石能源的使用逐渐被风能和水能等清洁能源所取代，技术的进步也必然会逐渐降低生物反应器的能耗。与传统肉类相比，由于不需要养殖和屠宰动物，工厂可以设置在市区里，这不仅缩短了运输距离，而且大幅度减少了肉类生产过程对土地和淡水资源的过渡消耗。

另一方面，细胞培育肉在减轻饲养动物带来的环境压力的同时，也可能会产生新的环境问题。随着细胞培育肉的逐步替代传统肉类，养殖动物数量势必会逐渐减少，这可能会导致动物皮毛、家禽羽毛、动物内脏等副产物产生供给缺口。同时，细胞培育肉生产过程中的所需的材料大都是无菌的一次性消耗品。这些材料的浪费不仅可能导致资源浪费，而且若处置不当也可能造成新的环境污染。另外，细胞培育肉的工业化生产还涉及到生产环节产生的工业废水、废物排放、能源消耗等，这对场地提出了一定的需求。这些都是细胞培育肉工业化过程需要考虑的问题。

政府监管

细胞培育肉作为一种创新型食品，其监管政策的制定理应有别于传统食品。作为食品，首先要保证其安全性，人们食用后不能对身体健康造成危害。当它以肉的形式呈现给消费者时，细胞已经完全失去了活性。除了对用于细胞培育肉生产的种子细胞系进行监管外，还应关注细胞培养过程对人体健康造成的威胁。1）细胞生长需要培养基，需要确定得到培育肉成品时培养基是否被完全除去；2）如果没有完全除去培养基，残留的培养基需要确定其成分，被食用后是否会对人体健康产生影响；3）细胞培养过程中，会添加抗生素防止细胞被污染，因此检测最终产品的抗生素残留也很重要；4）三维培养细胞需要支架材料，那需要确定最终产品是否含有支架；5）若支架没有取出，需要确定支架是否可食用；6）是否会引起过敏反应；7）在细胞培养阶段，要求清洁无菌的生长环境，需要严格监控生产车间的环境要求，确保产品质量；8）培育肉出厂后经过包装、运输、销售，最后在消费者手中。如何最大程度保证产品质量也需要进行必要的监督管理。

图3 工业生产培育肉的主要过程

Summarization and Prospect

在实验室研究中，首先，选择合适的细胞作为初始细胞；然后，使用3D支架材料培养细胞，促进细胞大规模分裂生长；接着，细胞达到一定数量后分化成肌管，慢慢生长形成肌肉的形状；最后进行烹饪和调味。在工业化应用中，将先进行小规模的细胞培养，然后再将培养的细胞转移到更大的生物反应器中获得更大数量的细胞，接着进行分化，最后得到产品进行加工。通过探索更高效的细胞培养过程，成本更低廉的无血清培养基，以及更大的生物反应器，可以促进更多的细胞分裂和生长。同时，在监管层面，应逐步制定相应的政策法规，规范细胞培育肉的工业化生产。

在细胞培育肉的未来技术发展中，可能不断会有跨学科新技术被运用到细胞培育肉的研究中，促进肉类生产技术高速、多分支发展。例如，可以充分利用生物技术，开发出能表达更有风味的蛋白的细胞作为原始细胞系，让大众品尝到更高品质的肉制品；新的计算机信息技术也可以应用到肉类的工业化生产中。通过使用大数据的监测，跟踪细胞的培养过程中的呼吸变化，并通过检测培养基的营养成分的变化来调整补料时间，控制细胞生长状态；还可以分析细胞培育肉在生产过程中的营养成分的变化，寻找最佳培育肉成品后，再进一步扩大规模化生产。

在细胞培育肉的产业化发展过程中，需要在政府合理监管监督的前提下科技人员不断探索应用新的科技，同时也要做好对消费者关于细胞培育肉的认知科普工作。只有在社会各方面的共同努力下，人类才能享受到价格低廉、口感丰富、营养价值更高的细胞培育肉产品。

第一作者

蔡佳琦，女，天津科技大学与中国肉类食品综合研究中心联合培养研究生。主要研究方向为细胞培育肉大规模培养所需新型支架材料和微载体的研发。

通信作者

王守伟，教授级高级工程师，中国肉类食品综合研究中心、北京食品科学研究院首席科学家，兼任肉类加工产业技术创新战略联盟理事长、中国食品科学技术学会常务理事。长期从事肉品科学与技术、食品安全领域研究，致力于肉类产业重大关键共性技术问题研究及科技成果转化与产业化，推动生物培育肉研究在中国的发展。主持和承担国家重点研发计划专项、国家“863”计划、国家自然科学基金等项目/课题20余项，发表科技论文190余篇，获授权发明专利20 件，制修订国际/国家/行业标准9 项，出版专著10 部，获国家科技进步二等奖1 项、省部级科技进步一等奖10 项（第一完成人）。

通信作者

李石磊，男，博士，中国肉类食品综合研究中心高级工程师，主要研究方向为细胞培育肉研发与食品安全研究，主持或参与国家重点研发计划、中国工程院战略咨询项目、北京市科技计划项目、北京市博士后基金等项目/课题10项。在食品安全检测领域，制定国家或行业标准2项，授权专利1件，获批计算机软件著作权3项。在细胞培育肉研发领域授权相关制备工艺和新技术方面的专利7件，发表细胞培育肉监管和技术研究方面的学术论文10余篇，参编专著1部；获得省部级科技奖励1次。

Industrialization progress and challenges of cultivated meat

Jiaqi Cai^a,b,c, Shouwei Wang^a,b,*, Yingying Li^a,b, Shengyan Dong^a,b,c, Jun Liang^c, Yisen Liu^a,b,c, Shilei Li^a,b,*

^a China Meat Research Center, Beijing 100068, China

^b Beijing Academy of Food Sciences, Beijing 100068, China

^c College of Light Industry Science and Engineering, Tianjin University of Science & Technology, Tianjin 300457, China

*Corresponding authors.

Abstract

With its more sustainable production mode and higher healthy food supplying, cultivated meat is gradually regarded as the promising alternative meat food in future by human beings. Most of the countries in the planet had participated in the cut-throat competition for sustainable protein searching, especially for the regions with low food self-sufficiency rate. In this paper, by reviewing the commercial market participation, product development stage, and technical research progress related to cultivated meat in detail, we demonstrated the industrialization progress of cultivated meat and explored the challenges of cultivated meat in the near future. 1) Seeded cell and serum free medium were the basic raw materials, which were directly related to the food safety regulation, production cost control and productivity improvement; 2) Bioreactor and regulation were the cornerstone of industrialization, which were closely related to the capacity expansion, product marketing; 3) Technological improvements in taste, texture, safety, scale, cost were the foundation of realizing product iterative upgrade and market acceptance.

Reference:

CAI J Q, WANG S W, LI Y Y, et al. Industrialization progress and challenges of cultivated meat[J]. Journal of Future Foods, 2024, 4(2): 119-127. DOI:10.1016/j.jfutfo.2023.06.002.

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