細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展與挑戰(zhàn)

丁世杰，李春保，周光宏

（南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院 國(guó)家肉品質(zhì)量安全控制工程技術(shù)研究中心 教育部肉品加工與質(zhì)量控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室農(nóng)業(yè)農(nóng)村部肉品加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 江蘇省肉類生產(chǎn)與加工質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210095）

肉類含有高質(zhì)量的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)、礦物質(zhì)等各類營(yíng)養(yǎng)素，是人類最重要食品之一。隨著全球人口的持續(xù)增長(zhǎng)和發(fā)展中國(guó)家收入水平的持續(xù)增加，全球肉類消費(fèi)持續(xù)增長(zhǎng)，我國(guó)的肉類消費(fèi)增長(zhǎng)尤為迅速[1]。然而，傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)需要消耗大量的自然資源，另外，還存在溫室氣體排放、動(dòng)物福利、抗生素濫用等諸多問(wèn)題[1-2]。我國(guó)的人均資源占有量遠(yuǎn)低于世界平均水平，如何高效、綠色的生產(chǎn)肉類，踐行大食物觀，助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，已經(jīng)成為肉類生產(chǎn)最重要的議題。

細(xì)胞培養(yǎng)肉是根據(jù)動(dòng)物肉類的生長(zhǎng)和損傷修復(fù)機(jī)理，通過(guò)體外細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)可食用肉類，是具有實(shí)現(xiàn)肉類高效、綠色生產(chǎn)潛力的未來(lái)食品生產(chǎn)技術(shù)[2-3]。細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)能夠?qū)⑽镔|(zhì)和營(yíng)養(yǎng)直接用于肉類生產(chǎn)，從而減少畜禽動(dòng)物轉(zhuǎn)化的過(guò)程。以豬肉為例，細(xì)胞培養(yǎng)肉可以減少50%的土地使用，減少70%的溫室氣體排放，肉的生產(chǎn)周期也可以從9 個(gè)月縮減到1 個(gè)月左右[3]。然而，細(xì)胞培養(yǎng)肉在種子細(xì)胞、培養(yǎng)基、放大生產(chǎn)工藝以及最終的組織工程形成產(chǎn)品方面仍有較多的技術(shù)難點(diǎn)，從而制約了細(xì)胞培養(yǎng)肉的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程[2]。

近年來(lái)，細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)上快速發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模逐漸擴(kuò)大，生產(chǎn)成本大幅降低。美國(guó)一家初創(chuàng)公司在2020 年成功通過(guò)新加坡食品安全署的監(jiān)管審批，成為全球第1 個(gè)可以在主權(quán)國(guó)家售賣細(xì)胞培養(yǎng)肉的公司。2022 年11月16 日，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局正式宣布，批準(zhǔn)一家美國(guó)初創(chuàng)公司的細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品可供食用，表明主流監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)肉的認(rèn)可。該公司于2021 年底已建成年產(chǎn)23 t 的細(xì)胞培養(yǎng)肉中試工廠。另外，以色列一家初創(chuàng)公司于2021 年底完成3.47 億美元的B 輪融資，其中試工廠可達(dá)到日產(chǎn)500 kg 細(xì)胞培養(yǎng)肉，并將在美國(guó)建設(shè)大型培養(yǎng)肉中試工廠。在國(guó)內(nèi)，繼南京農(nóng)業(yè)大學(xué)周光宏教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)出中國(guó)第1 塊細(xì)胞培養(yǎng)肉之后[4-5]，國(guó)內(nèi)一些等科研院所也在積極推動(dòng)和加速細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)研究。近幾年國(guó)內(nèi)還成立了多家細(xì)胞培養(yǎng)肉初創(chuàng)公司，共同推動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)肉的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，細(xì)胞培養(yǎng)肉行業(yè)發(fā)展迅速。

本文首先綜述肉中的關(guān)鍵營(yíng)養(yǎng)成分，特別是蛋白和脂肪的重要性，提出細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)需要優(yōu)先生產(chǎn)肌肉蛋白、脂肪和基質(zhì)蛋白。隨后，文章總結(jié)了細(xì)胞培養(yǎng)肉在種子細(xì)胞建立、無(wú)血清培養(yǎng)基研發(fā)、生物反應(yīng)器放大培養(yǎng)、組織工程、產(chǎn)品研制以及安全性檢測(cè)等方面的進(jìn)展。本文旨在為細(xì)胞培養(yǎng)肉的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)提供參考。

1 肉的組成

肉一般含有70%～75%的水分，20%～22%的蛋白，1%～10%的脂質(zhì)以及維生素和礦質(zhì)元素，是非常優(yōu)質(zhì)的蛋白類食品。肌肉蛋白根據(jù)其位置和功能可分為肌細(xì)胞相關(guān)蛋白（肌漿蛋白、肌原纖維蛋白等）和基質(zhì)蛋白[6]。肌細(xì)胞相關(guān)蛋白占肉中蛋白質(zhì)總量的80%～90%[7]，是肉類中最重要的營(yíng)養(yǎng)蛋白?；|(zhì)蛋白占肌肉總蛋白的10%～20%，主要包括膠原蛋白、彈性蛋白和蛋白多糖等[8]。胴體脂肪含有約80%～85%的甘油三酯（包括飽和脂肪酸、單不飽和脂肪酸等）、5%～10%的水分和約10%的結(jié)締組織[9]。肉類還含有大量的維生素和礦物質(zhì)（如B 族維生素、肌紅蛋白所含的鐵）等[8]，是維生素和礦物質(zhì)等營(yíng)養(yǎng)素的良好來(lái)源。

上述肉中的重要營(yíng)養(yǎng)素成分都來(lái)源于肌肉組織中的細(xì)胞及其產(chǎn)物。肌細(xì)胞是多核的纖維狀細(xì)胞，由肌肉前體細(xì)胞分化而來(lái)，在出生后通過(guò)增加肌原纖維蛋白合成實(shí)現(xiàn)肌肉增長(zhǎng)[10-11]。肌細(xì)胞是肌肉組織的基本細(xì)胞單位，含有肉中最主要的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)（如肌球蛋白、肌紅蛋白）、碳水化合物（如糖原顆粒）、脂滴和礦物質(zhì)等。脂肪細(xì)胞是存儲(chǔ)脂質(zhì)最重要的細(xì)胞，是脂肪組織的構(gòu)造單位。脂肪細(xì)胞一般是由血管周圍細(xì)胞產(chǎn)生[12]，并且是風(fēng)味、質(zhì)地、營(yíng)養(yǎng)和視覺(jué)外觀的關(guān)鍵決定因素[13]。包裹肌細(xì)胞和脂肪細(xì)胞的基質(zhì)蛋白則主要是由成纖維細(xì)胞、肌纖維等表達(dá)，其中成纖維細(xì)胞是最主要表達(dá)基質(zhì)蛋白的細(xì)胞[14]。另外，平滑肌也具有較強(qiáng)的細(xì)胞外基質(zhì)的分泌能力，參與內(nèi)臟的組織形成[15]。

2 細(xì)胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)流程和基本要素

細(xì)胞培養(yǎng)肉是通過(guò)動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)和生物制造而生產(chǎn)的供人類食用的肉的組織[2]。其一般生產(chǎn)流程是通過(guò)分離制備相關(guān)的種子細(xì)胞系，利用低成本培養(yǎng)基以及生物反應(yīng)器，實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的規(guī)?；糯笈囵B(yǎng)，最后將收集的細(xì)胞接種到相應(yīng)的可食用支架中分化形成肉類[2，4]。在最后形成肉類階段，將收集的細(xì)胞與植物蛋白通過(guò)擠壓拉絲形成與肌肉類似的組織用于食用，從而可以減少細(xì)胞在支架材料上分化的環(huán)節(jié)，也是一種培養(yǎng)肉的生產(chǎn)方式[16]。

一般來(lái)說(shuō)，肉類含有70%～75%的水、20%～22%的蛋白質(zhì)、1%～10%的脂肪、維生素和礦物質(zhì)[4]。在傳統(tǒng)肉類的營(yíng)養(yǎng)成分中，優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)是肉類最重要的營(yíng)養(yǎng)成分，因此培養(yǎng)肉首先需要滿足蛋白質(zhì)的供應(yīng)。在培養(yǎng)肉中，肌肉相關(guān)蛋白應(yīng)該是由分化的肌肉細(xì)胞產(chǎn)生。同時(shí)，成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞也能產(chǎn)生細(xì)胞外基質(zhì)相關(guān)蛋白。另外，由于血管化等問(wèn)題，通過(guò)組織工程技術(shù)仍然不能在體外產(chǎn)生與體內(nèi)肌肉相同的組織，因此在培養(yǎng)肉的生產(chǎn)中也會(huì)使用大量的可食用支架材料[17]。支架材料也會(huì)提供一部分蛋白來(lái)源，并幫助最后形成可食用的組織[18-19]。另外，脂肪也是培養(yǎng)肉需要生產(chǎn)的類型，目前通過(guò)將具有成脂分化能力的細(xì)胞在支架材料中分化，可以形成脂肪酸組成和風(fēng)味組成與動(dòng)物脂肪更接近的培養(yǎng)肉脂肪產(chǎn)品[20-21]。其它重要的維生素、礦物質(zhì)和糖類，由于是細(xì)胞增殖分化過(guò)程中所必需的營(yíng)養(yǎng)素，因此可以利用培養(yǎng)基等介質(zhì)，將營(yíng)養(yǎng)素提供給細(xì)胞，最終在培養(yǎng)肉產(chǎn)品中獲得。除此之外，肉的質(zhì)構(gòu)和口感也非常重要，肌纖維細(xì)胞[6]、脂肪細(xì)胞[13]和不同類型的細(xì)胞外基質(zhì)[15，22]共同影響肉的質(zhì)構(gòu)和口感。在培養(yǎng)肉的制作過(guò)程中，使用的支架材料也會(huì)影響產(chǎn)品的質(zhì)構(gòu)和口感，植物蛋白通過(guò)擠壓拉絲技術(shù)，可以形成類肉的纖維感[23]，再通過(guò)細(xì)胞的培養(yǎng)，可以形成質(zhì)構(gòu)各異的培養(yǎng)肉產(chǎn)品[18，24]。

總之，培養(yǎng)肉的最低要求應(yīng)該是生產(chǎn)肌肉細(xì)胞、產(chǎn)生基質(zhì)蛋白的細(xì)胞和脂肪細(xì)胞其中的一種或多種，結(jié)合適宜的支架材料，形成與畜牧肉類及肉類產(chǎn)品口感、質(zhì)構(gòu)和營(yíng)養(yǎng)相似的培養(yǎng)肉產(chǎn)品。未來(lái)，隨著細(xì)胞培養(yǎng)和組織分化技術(shù)的進(jìn)一步完善，成本的進(jìn)一步降低，能夠形成完全由動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)而成的培養(yǎng)肉產(chǎn)品。

3 細(xì)胞培養(yǎng)肉研究及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展與挑戰(zhàn)

3.1 細(xì)胞培養(yǎng)肉的種子細(xì)胞

在培養(yǎng)肉研究初期，周光宏等[4]總結(jié)了培養(yǎng)肉的種子細(xì)胞要求：①細(xì)胞要易于獲取，且能夠在體外持續(xù)增殖并有較高的肌管分化效率；②在培養(yǎng)過(guò)程中，細(xì)胞的基因組要相對(duì)穩(wěn)定。隨著技術(shù)的發(fā)展和對(duì)規(guī)?；a(chǎn)的要求，對(duì)培養(yǎng)肉種子細(xì)胞又有了更多的要求，包括：①種子細(xì)胞能夠在體外持續(xù)增殖，細(xì)胞的基因組要相對(duì)穩(wěn)定，形成生產(chǎn)用細(xì)胞系；②在大規(guī)模培養(yǎng)過(guò)程中，細(xì)胞能較好地抵抗剪切力，并能夠分化產(chǎn)生肌肉、脂肪或者基質(zhì)蛋白其中的一種或多種。

培養(yǎng)肉的種子細(xì)胞，一般以肌肉干細(xì)胞[25]、脂肪間充質(zhì)干細(xì)胞[26]、成纖維細(xì)胞[18]和平滑肌細(xì)胞[24]為主。然而，一般肌肉組織中含有的大量細(xì)胞類型[27]，隨著培養(yǎng)的進(jìn)行，某一種細(xì)胞的比例會(huì)逐漸升高或降低[28]，不利于后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)化的生產(chǎn)，因此一般需要純化過(guò)程。肌肉干細(xì)胞一般利用預(yù)貼壁法[28]進(jìn)行純化。隨著干細(xì)胞研究的深入，通過(guò)肌肉干細(xì)胞的表面標(biāo)志物，利用流式細(xì)胞儀可以分選出高純度的肌肉干細(xì)胞[25，29]。目前最新的研究發(fā)現(xiàn)，在利用CD56 和CD29 的分選策略中，依然含有一定比例的成纖維/脂肪前體細(xì)胞，后期發(fā)現(xiàn)ITGA5 作為標(biāo)志物進(jìn)行分選，可以得到更高純度的肌肉干細(xì)胞[30]。同樣，脂肪前體細(xì)胞，一般由PDGFRa+PDGFRb+或PDGFRa+血管周圍細(xì)胞產(chǎn)生[12]，利用建立的流式分選方法，也可以得到高純度的豬脂肪前體細(xì)胞[31]。而對(duì)于有膠原分泌能力的成纖維細(xì)胞和平滑肌細(xì)胞，一般采用貼壁法直接分離[18，24]。

有了初期的種子細(xì)胞后，要想在生產(chǎn)端能夠有更大規(guī)模的應(yīng)用，種子細(xì)胞還需具備一定的永生化能力[16，32]。一方面，永生化可以通過(guò)基因編輯完成[32]，出于食品安全監(jiān)管的角度，自發(fā)永生化的細(xì)胞更適宜現(xiàn)階段培養(yǎng)肉的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)[16]。自發(fā)永生化的細(xì)胞能夠在體外長(zhǎng)期穩(wěn)定增殖，并且更容易在長(zhǎng)期馴化懸浮過(guò)程中保持細(xì)胞持續(xù)增殖的特性。另一方面，種子細(xì)胞系需要具備在體外長(zhǎng)期培養(yǎng)后，至少具有成肌、成脂或者分泌基質(zhì)蛋白3個(gè)分化能力之一，才能成為培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)真正的種子細(xì)胞。

3.2 無(wú)血清培養(yǎng)基

培養(yǎng)基是細(xì)胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)的 “飼料”，主要給種子細(xì)胞的增殖、分化等過(guò)程提供合適的營(yíng)養(yǎng)，并維持特定的細(xì)胞命運(yùn)過(guò)程。傳統(tǒng)的血清主要來(lái)源于動(dòng)物，存在批次間不穩(wěn)定，易于受供體病毒污染等問(wèn)題[33]。研制無(wú)血清培養(yǎng)基，甚至是化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基，有助于培養(yǎng)基的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。通過(guò)對(duì)相關(guān)成分成本進(jìn)行優(yōu)化，還能夠?qū)崿F(xiàn)培養(yǎng)基的低成本生產(chǎn)。

近年來(lái)，隨著相關(guān)研究的深入，細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域在無(wú)血清甚至化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基研究上有了巨大的發(fā)展。研究人員通過(guò)早期基于轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白組學(xué)，利用增殖分化的關(guān)鍵因子，建立了豬肌肉干細(xì)胞增殖分化無(wú)血清培養(yǎng)基配方[34-35]。還有研究者利用轉(zhuǎn)錄組學(xué)，根據(jù)特定的受體蛋白變化以及關(guān)鍵的通路變化，研制了增殖以及分化的化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基[30，36-37]?；谠缙诘呐咛ジ杉?xì)胞E8 的研究成果以及高穩(wěn)定性的FGF-G3 生長(zhǎng)因子，研究人員研制了B8 培養(yǎng)基，適用于牛肌肉干細(xì)胞增殖的無(wú)血清增殖培養(yǎng)基[38-39]。另外，在生長(zhǎng)因子的表達(dá)上，隨著代謝工程和合成生物學(xué)的發(fā)展，對(duì)生長(zhǎng)因子的改造使其穩(wěn)定性有了極大提高，從而減少了生長(zhǎng)因子的使用量，提高了生長(zhǎng)因子的使用效率，并降低了培養(yǎng)基的整體成本[38，40]。

得益于組學(xué)技術(shù)（轉(zhuǎn)錄組、蛋白組和代謝組）的快速發(fā)展，以及高內(nèi)涵顯微鏡設(shè)備的快速發(fā)展及應(yīng)用，培養(yǎng)基的優(yōu)化速度有了快速的提升。由于培養(yǎng)基中多達(dá)數(shù)十種甚至上百種物質(zhì)，相關(guān)物質(zhì)及其使用濃度的互相影響也很難直接通過(guò)試驗(yàn)闡述清楚。而通過(guò)高通量的成像設(shè)備提供的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，利用人工智能進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)和預(yù)測(cè)[41]，再利用高通量設(shè)備對(duì)人工智能推薦的配方組合進(jìn)行驗(yàn)證，可以達(dá)到優(yōu)化培養(yǎng)基配方的目的。國(guó)內(nèi)外已有大量的培養(yǎng)基公司在進(jìn)行大規(guī)模培養(yǎng)基生產(chǎn)，這為培養(yǎng)肉后期的培養(yǎng)基產(chǎn)業(yè)化奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3.3 種子細(xì)胞懸浮培養(yǎng)

作者前期的研究發(fā)現(xiàn)，幼年小豬1 g 肌肉組織中約含有104個(gè)肌肉干細(xì)胞，而生產(chǎn)1 kg 培養(yǎng)肉所需要的細(xì)胞數(shù)為1010～1011個(gè)，因此，單個(gè)細(xì)胞至少需要增殖106個(gè)才能實(shí)現(xiàn)1 g 肉生產(chǎn)1 kg 細(xì)胞培養(yǎng)肉[5]。二維培養(yǎng)方式存在表面積體積比低，人力使用量大，易污染等諸多問(wèn)題。要想實(shí)現(xiàn)有效率的擴(kuò)增，甚至是未來(lái)更大規(guī)模的培養(yǎng)，則必須實(shí)現(xiàn)細(xì)胞的懸浮培養(yǎng)[42]。懸浮培養(yǎng)的方式主要包括微載體懸浮培養(yǎng)、固定化培養(yǎng)，聚集體懸浮培養(yǎng)以及單細(xì)胞懸浮培養(yǎng)等方法[43]。肌肉干細(xì)胞由于最早的貼壁培養(yǎng)特性，目前已經(jīng)有多種方式實(shí)現(xiàn)了肌肉干細(xì)胞的微載體培養(yǎng)，包括使用cytodex 系列微載體[44]以及3D 多孔膠原微載體[45]。同樣的培養(yǎng)方式在間充質(zhì)干細(xì)胞的放大培養(yǎng)中也有應(yīng)用[20，46]。然而，微載體上承載的細(xì)胞數(shù)相對(duì)有限，單次微載體的擴(kuò)增的細(xì)胞數(shù)目極限約為105～106個(gè)每毫升[45，47]，細(xì)胞在微載體上的單次擴(kuò)增倍數(shù)僅為10～20 倍，消化放大困難，操作也較為復(fù)雜，不利于更大規(guī)模的細(xì)胞培養(yǎng)。

另一種更為高效的培養(yǎng)方式為細(xì)胞無(wú)載體懸浮培養(yǎng)，其操作簡(jiǎn)單，放大方便，成本低，然而，需要前期對(duì)細(xì)胞進(jìn)行馴化[16]。胚胎干細(xì)胞由于自身的克隆生長(zhǎng)特性，因此可以實(shí)現(xiàn)聚集體的無(wú)載體懸浮培養(yǎng)[43]，然而，該種方式不利于對(duì)細(xì)胞密度敏感的纖維類細(xì)胞。單細(xì)胞懸浮或者少量聚集體的懸浮培養(yǎng)方式更值得借鑒。中國(guó)倉(cāng)鼠卵巢細(xì)胞是一株成纖維細(xì)胞，最早是貼壁培養(yǎng)方式并逐漸馴化成懸浮培養(yǎng)方式，從而廣泛地應(yīng)用于生物制藥行業(yè)，其馴化培養(yǎng)過(guò)程值得借鑒[48]。在培養(yǎng)肉領(lǐng)域已有企業(yè)利用雞的成纖維細(xì)胞系，實(shí)現(xiàn)了無(wú)載體的懸浮培養(yǎng)[49]。也有企業(yè)利用從雞的肌肉組織中分離的成纖維細(xì)胞，通過(guò)馴化形成了自己的可無(wú)載體懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞系[16]。作者團(tuán)隊(duì)也利用自研的化學(xué)成分明確的培養(yǎng)基，對(duì)純化的豬肌肉干細(xì)胞進(jìn)行馴化培養(yǎng)[50]，從而實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞的無(wú)載體培養(yǎng)從0 到1 的突破。未來(lái)，通過(guò)進(jìn)一步篩選單克隆，優(yōu)化培養(yǎng)基組成，來(lái)提高種子細(xì)胞懸浮培養(yǎng)的效率，從而降低培養(yǎng)肉的生產(chǎn)成本。

各類生物反應(yīng)器類型中，在生物制藥行業(yè)廣泛應(yīng)用的攪拌槳葉式反應(yīng)器將是細(xì)胞培養(yǎng)肉的良好選擇，另外，在制藥行業(yè)積累的逐級(jí)放大的經(jīng)驗(yàn)也有利于細(xì)胞培養(yǎng)肉的規(guī)模放大，從而節(jié)約配套和人員成本[48]。國(guó)外企業(yè)還利用過(guò)濾體系和氨清除體系，循環(huán)利用培養(yǎng)基，從而提高了培養(yǎng)基的使用效率，進(jìn)一步降低了培養(yǎng)肉的生產(chǎn)成本[51]。在美國(guó)一家細(xì)胞培養(yǎng)肉公司最新的中試工廠視頻中，可以看到不同體積，逐級(jí)放大的中試生物反應(yīng)器，展示了培養(yǎng)肉中試工廠的生產(chǎn)狀態(tài)。

3.4 組織工程分化

細(xì)胞培養(yǎng)肉是將細(xì)胞接入材料中，利用細(xì)胞自身的分化特性和支架材料特性，最終形成與肉類似營(yíng)養(yǎng)、質(zhì)構(gòu)和風(fēng)味的終產(chǎn)品。因此，除了細(xì)胞本身需要具備分化成肌肉、脂肪或者形成基質(zhì)蛋白的特性外，支架對(duì)于培養(yǎng)肉也非常重要[52]。在支架材料方面，目前適用于培養(yǎng)肉工業(yè)化生產(chǎn)的主要支架類型是多孔支架和水凝膠支架。支架材料應(yīng)來(lái)源于植物或者微生物的多糖和蛋白類的材料，如大豆蛋白、玉米蛋白、海藻酸、纖維素等。結(jié)構(gòu)仿真是該領(lǐng)域技術(shù)難點(diǎn)之一。

近年來(lái)，結(jié)合支架材料進(jìn)行培養(yǎng)肉生產(chǎn)的技術(shù)發(fā)展迅速。以色列研究人員利用組織化的大豆拉絲蛋白，結(jié)合多種細(xì)胞共培養(yǎng)，可以在植物支架上實(shí)現(xiàn)肌細(xì)胞分化和膠原蛋白生產(chǎn)[18]。然而，在分化的過(guò)程中，仍然需要加上動(dòng)物源血纖蛋白來(lái)幫助細(xì)胞分化，還存在一定的應(yīng)用局限[18]。本團(tuán)隊(duì)通過(guò)研究細(xì)胞特性，發(fā)現(xiàn)細(xì)胞外基質(zhì)分泌能力較強(qiáng)的平滑肌和間充質(zhì)干細(xì)胞可以在無(wú)動(dòng)物源添加物的幫助下，很好地附著在花生蛋白支架上，并可以分化形成具有平滑肌和脂肪特性的培養(yǎng)肉產(chǎn)品[24，26]。細(xì)胞分化后，可以改變?cè)械幕ㄉ鞍字Ъ艿馁|(zhì)構(gòu)和風(fēng)味，從而形成口感風(fēng)味獨(dú)特的培養(yǎng)肉產(chǎn)品[24，26]。目前，將細(xì)胞接種到結(jié)構(gòu)化的植物支架中，生產(chǎn)具有可接受的紋理和味道的培養(yǎng)肉產(chǎn)品，已成為培養(yǎng)肉領(lǐng)域的一種趨勢(shì)[53]。該方法雖可以快速實(shí)現(xiàn)較大肉類組織的構(gòu)建，但存在組織功能差、細(xì)胞分布不均勻等缺點(diǎn)。在組織工程領(lǐng)域，還存在預(yù)混細(xì)胞和生物相容性材料，利用3D 打印或接種相應(yīng)的模具分化形成組織的方式，目前在培養(yǎng)肉領(lǐng)域也有相應(yīng)的應(yīng)用[5，31，54-56]。這種方式可以形成很好的脂肪培養(yǎng)肉產(chǎn)品[20，31]，然而，在形成肌肉組織過(guò)程中，目前仍需要一定的動(dòng)物源水凝膠或者RGD 交聯(lián)的海藻多糖，在未來(lái)培養(yǎng)肉生產(chǎn)還需要更多的材料研究成果[5，56]。另外，當(dāng)多細(xì)胞共同培養(yǎng)時(shí)，利用細(xì)胞自身命運(yùn)特點(diǎn)，研制在3D 條件下共分化方式也非常重要。

除了生物材料外，能夠應(yīng)用的大規(guī)模分化生物反應(yīng)器或者自動(dòng)化設(shè)備也是培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的關(guān)鍵。以色列初創(chuàng)公司將收獲的細(xì)胞和植物蛋白混合，直接進(jìn)行擠壓拉絲形成培養(yǎng)肉產(chǎn)品[16]。美國(guó)初創(chuàng)公司已經(jīng)建立生產(chǎn)線，產(chǎn)品的生產(chǎn)方式是利用在反應(yīng)器中收集的細(xì)胞片來(lái)組合成細(xì)胞培養(yǎng)肉，這樣的方式如何實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的自動(dòng)化生產(chǎn)還值得研究[57]。

3.5 食品化技術(shù)

肉的顏色、風(fēng)味、滋味以及加工特性都是依賴于肉中的蛋白（肌紅蛋白、肌原纖維蛋白、膠原蛋白）、脂肪等[4]。由于細(xì)胞培養(yǎng)成本和組織工程技術(shù)的原因，細(xì)胞培養(yǎng)肉目前很難真正做成一整塊肉，因此需要考慮一些關(guān)鍵成分的富集或者體外表達(dá)。以肌紅蛋白為例，目前肌細(xì)胞分化很難達(dá)到與真正肉一樣的程度，組織中的肌紅蛋白表達(dá)量很少[5，54，58-59]，通過(guò)外源添加或者誘導(dǎo)肌細(xì)胞表達(dá)肌紅蛋白可以改善產(chǎn)品肉色。目前已有研究利用大腸桿菌和酵母，高效表達(dá)血紅蛋白和肌紅蛋白[60-61]，未來(lái)可以作為添加物來(lái)改善細(xì)胞培養(yǎng)肉的色澤。此外，研究肌細(xì)胞的肌紅蛋白合成規(guī)律，促進(jìn)肌紅蛋白在分化中的形成和成熟[58]，也能夠幫助形成較好色澤的培養(yǎng)肉產(chǎn)品。

目前細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品還需要考慮支架材料在最終形成產(chǎn)品中的作用。如美國(guó)初創(chuàng)公司利用支架材料和擴(kuò)大培養(yǎng)的細(xì)胞，采用雙螺桿擠壓形成培養(yǎng)肉產(chǎn)品，植物支架形成的纖維感能夠幫助最后形成更好質(zhì)構(gòu)的產(chǎn)品[16]。植物支架（蛋白或多糖）本身就可以形成特定風(fēng)味和質(zhì)構(gòu)，加上利用細(xì)胞培養(yǎng)所形成的蛋白和脂肪，可以讓終產(chǎn)品具備更多肉的特性。例如，脂肪細(xì)胞在支架上分化后形成的脂肪酸組成與豬脂肪更接近[20，26]。而平滑肌細(xì)胞在分化后，產(chǎn)生了大量的三型膠原和彈性蛋白，改變了原有材料的硬度和咀嚼性[24]，這些會(huì)在加工中有重要的作用。最后，未來(lái)細(xì)胞培養(yǎng)肉也會(huì)出現(xiàn)定制化的市場(chǎng)需求，根據(jù)口感軟硬度、肥瘦細(xì)胞比例等不同，定制更多樣化的產(chǎn)品。

3.6 培養(yǎng)肉產(chǎn)品安全評(píng)價(jià)與管理規(guī)范

作為一種新型的肉類生產(chǎn)方式，細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品與傳統(tǒng)的肉類安全評(píng)價(jià)和監(jiān)管方式完全不同。在我國(guó)其作為新食品原料，由國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)直屬的國(guó)家食品安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中心進(jìn)行評(píng)估監(jiān)管。目前，美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)正積極的摸索搭建細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品的食品安全監(jiān)管體系搭建[2-3]。2020 年，美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)的細(xì)胞培養(yǎng)雞肉產(chǎn)品，成功在新加坡獲批上市銷售，成為全世界首個(gè)獲批銷售的培養(yǎng)肉企業(yè)[62]。另外，美國(guó)時(shí)間2022年11 月16 日，美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局正式宣布批準(zhǔn)了美國(guó)初創(chuàng)企業(yè)研制的一種用雞細(xì)胞培養(yǎng)的肉制品可供食用[49]，這標(biāo)志著監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)肉行業(yè)的認(rèn)可，相信未來(lái)會(huì)有更多的國(guó)家和地區(qū)批準(zhǔn)細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)。

根據(jù)目前國(guó)際上現(xiàn)有的細(xì)胞培養(yǎng)肉法規(guī)以及可能涉及細(xì)胞培養(yǎng)肉監(jiān)管的相關(guān)國(guó)家的新食品法規(guī)條例，細(xì)胞系、培養(yǎng)基、支架等生產(chǎn)原輔料以及生產(chǎn)過(guò)程中可能產(chǎn)生的食品風(fēng)險(xiǎn)均被納入監(jiān)管細(xì)則之中。對(duì)于細(xì)胞系的監(jiān)管，新加坡食品局要求細(xì)胞系不含感染因子（如病毒、細(xì)菌、真菌、朊病毒）且活檢組織無(wú)動(dòng)物疾病[63]。歐盟則對(duì)于細(xì)胞身份的信息認(rèn)證以及來(lái)源有所要求[64]。由于培養(yǎng)基成分的復(fù)雜性，各國(guó)對(duì)于其在細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的控制都尤為重視。在9 月26 日發(fā)布的最新版新加坡《新食品和新食品原料安全評(píng)估要求》中，新增了對(duì)于培養(yǎng)基中生物成分的安全性評(píng)估要求，根據(jù)各成分不同的功能和作用，分為3 類進(jìn)行監(jiān)管[63]。對(duì)于產(chǎn)品支架的使用，各國(guó)主要關(guān)注其過(guò)敏性和可食用性，以及對(duì)其可能在生產(chǎn)過(guò)程中代謝的物質(zhì)要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和監(jiān)控[63-64]。除此以外，各國(guó)對(duì)于細(xì)胞在培養(yǎng)過(guò)程中的基因變化問(wèn)題也尤為關(guān)注[49，63]。新加坡食品局要求相關(guān)企業(yè)提供文獻(xiàn)綜述，基因測(cè)序，轉(zhuǎn)錄組學(xué)/蛋白組學(xué)等方法來(lái)證明基因的不穩(wěn)定性不會(huì)導(dǎo)致終產(chǎn)品中有構(gòu)成食品安全風(fēng)險(xiǎn)的物質(zhì)產(chǎn)生[63]。各國(guó)要求新食品需要進(jìn)行的一系毒理學(xué)檢測(cè)，對(duì)于細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，也是對(duì)基因不穩(wěn)定性的另一項(xiàng)監(jiān)管措施[63-64]。同時(shí)，對(duì)于產(chǎn)品上市后的監(jiān)管，各國(guó)均傾向于在產(chǎn)品標(biāo)簽上作出明確區(qū)別于傳統(tǒng)肉制品的要求，以便減少對(duì)消費(fèi)者的誤導(dǎo)。綜上，除了對(duì)一些諸如過(guò)敏原，致病菌，化學(xué)物理風(fēng)險(xiǎn)等常規(guī)性食品安全危害進(jìn)行監(jiān)管防控外，針對(duì)細(xì)胞肉產(chǎn)品，還需要重點(diǎn)關(guān)注細(xì)胞系的安全，培養(yǎng)基及支架的成分安全，以及基因的不穩(wěn)定性對(duì)于產(chǎn)品造成的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾年培養(yǎng)肉在種子細(xì)胞、培養(yǎng)基、生產(chǎn)工藝、組織工程以及食品化技術(shù)等方面得到快速發(fā)展，培養(yǎng)肉的成本在快速降低，國(guó)際頭部公司已經(jīng)建成年產(chǎn)數(shù)十噸的中試生產(chǎn)線。另外，政府部門也在積極推動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)肉的安全性評(píng)估，撰寫(xiě)、更新監(jiān)管指南，推動(dòng)培養(yǎng)肉快速走向消費(fèi)市場(chǎng)。我國(guó)是世界第一大肉類生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，建立自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)體系，保障未來(lái)肉類供應(yīng)安全尤為重要。本文總結(jié)了細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展與挑戰(zhàn)，希望能為我國(guó)培養(yǎng)肉的產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供借鑒和參考。