本文來(lái)源于：生物制品圈

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的不斷增長(zhǎng)，自然資源和環(huán)境面臨巨大壓力。根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織的預(yù)測(cè)，到2050年，全球?qū)θ忸惖男枨髮⒃黾?0%，達(dá)到4.55億噸。中國(guó)的肉類消費(fèi)也在快速增長(zhǎng)，2021年人均肉類消費(fèi)量達(dá)到52kg，是1961年的16倍。為了滿足日益增長(zhǎng)的肉類需求，中國(guó)在2020年進(jìn)口了480萬(wàn)噸豬肉，占全球進(jìn)口量的46.29%。然而，傳統(tǒng)畜牧業(yè)在養(yǎng)殖過(guò)程中消耗大量土地和資源，并產(chǎn)生廢水、廢氣和土壤污染，畜牧業(yè)的碳排放也加劇了溫室效應(yīng)。

圖1：全球肉類消費(fèi)量及其預(yù)測(cè)

在此背景下，人工培養(yǎng)肉作為一種新型肉類替代品，逐漸受到關(guān)注。培養(yǎng)肉不通過(guò)傳統(tǒng)動(dòng)物養(yǎng)殖的方式，而是利用細(xì)胞培養(yǎng)工程和組織工程等技術(shù)，在體外培養(yǎng)動(dòng)物肌肉組織作為食用材料。傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)方式不僅消耗大量糧食、水資源、帶來(lái)嚴(yán)重環(huán)境污染，近年來(lái)肉類食品從養(yǎng)殖、加工、流通到消費(fèi)的安全問(wèn)題層出不窮，一直困擾著人們。人們亟須一種高效、環(huán)保、可持續(xù)的新型肉類生產(chǎn)方式，以滿足未來(lái)人類的肉品供應(yīng)。培養(yǎng)肉或可成為未來(lái)食品生產(chǎn)的重要模式，它不僅使得細(xì)胞培養(yǎng)可控，提高肉類制品的品質(zhì)，還能顯著減少對(duì)環(huán)境的影響。

01人造肉的市場(chǎng)規(guī)模

據(jù)中研產(chǎn)業(yè)研究院公布的《2021-2025年中國(guó)人造肉市場(chǎng)深度分析及投資前景咨詢報(bào)告》顯示，2021年全球人造肉的市場(chǎng)規(guī)模約160億美元，預(yù)計(jì)到2025年全球人造肉市場(chǎng)規(guī)模有望達(dá)到279億美元。另外，巴克萊銀行2019年發(fā)布的研究報(bào)告預(yù)估，10年后全球人造肉市場(chǎng)規(guī)�？蛇_(dá)1400億美元。

圖2：全球人造肉行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)及增速

至于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查報(bào)告，2016-2021年，我國(guó)人造肉市場(chǎng)規(guī)模從26億元增長(zhǎng)至112億元，年平均增長(zhǎng)率在66.2%左右，在人造肉市場(chǎng)普及率持續(xù)提升的背景之下，行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模將繼續(xù)增長(zhǎng)，初步預(yù)計(jì)到2028年中國(guó)人造肉市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)200億元，市場(chǎng)上升空間廣闊。

02人造肉的優(yōu)勢(shì)和分類

與傳統(tǒng)動(dòng)物養(yǎng)殖肉類相比，人造肉主要具有以下五個(gè)方面的優(yōu)勢(shì)：

一是緩解食物資源壓力。人口增長(zhǎng)導(dǎo)致肉類需求增加，傳統(tǒng)畜牧業(yè)難以滿足未來(lái)龐大的需求，人造肉可以作為一種補(bǔ)充手段來(lái)保障肉類供應(yīng)，有助于減輕資源壓力。

二是人造肉能夠有效控制其營(yíng)養(yǎng)成分。人造肉的好處在于各種營(yíng)養(yǎng)成分可以進(jìn)行有效配比，按需生產(chǎn)，確保產(chǎn)品更有利于滿足人類的營(yíng)養(yǎng)需求和健康需求。

三是用人造肉替代傳統(tǒng)肉類可以避免病毒疫情的影響。非洲豬瘟曾經(jīng)直接導(dǎo)致整個(gè)中國(guó)豬肉供給量的不足，推動(dòng)了豬肉價(jià)格的高位運(yùn)營(yíng)。人造肉不存在攜帶或感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)，從根本上防止了很多人畜共患病和動(dòng)物疫病的傳播，如瘋牛病、口蹄疫、非洲豬瘟等，相對(duì)而言更綠色更安全。

四是綠色環(huán)保。傳統(tǒng)畜牧業(yè)會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，畜牧業(yè)產(chǎn)生的溫室氣體如甲烷等，會(huì)導(dǎo)致全球變暖；并且養(yǎng)殖大量牲畜需要廣闊的土地，用于放牧和種植飼料，也會(huì)消耗大量水資源，而人造肉可有效解決這些問(wèn)題，減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。

五是提升動(dòng)物福利。傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)方式涉及動(dòng)物的飼養(yǎng)和屠宰，而人造肉如果能大規(guī)模應(yīng)用，可在一定程度上減少對(duì)動(dòng)物的傷害，為動(dòng)物福利做出貢獻(xiàn)。

目前，人造肉可以分為植物基肉、菌類蛋白肉類似物和細(xì)胞培養(yǎng)肉三大類：植物基肉是以植物蛋白為原料，通過(guò)添加一些輔料和添加劑制造而成；菌類蛋白肉類似物主要是通過(guò)養(yǎng)殖或發(fā)酵食用菌來(lái)生產(chǎn)肉制品；細(xì)胞培養(yǎng)肉則是通過(guò)分離動(dòng)物原生組織中的干細(xì)胞，再經(jīng)過(guò)一系列體外培養(yǎng)分化獲得，由于其來(lái)源于動(dòng)物組織細(xì)胞，其外形、口感、質(zhì)地和營(yíng)養(yǎng)比植物基肉更加接近真實(shí)肉類，因此有望成為更合適的動(dòng)物蛋白替代品。

03培養(yǎng)肉生產(chǎn)流程及關(guān)鍵點(diǎn)

以細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)流程為例，其大致步驟如下：首先，從存活或已宰殺的動(dòng)物組織中提取出適宜的種子細(xì)胞；隨后，對(duì)這些種子細(xì)胞進(jìn)行小規(guī)模的增殖培養(yǎng)，以確保它們保持未分化的生長(zhǎng)狀態(tài)，也就是干性生長(zhǎng)；接著將這些細(xì)胞轉(zhuǎn)移到生物反應(yīng)器中，進(jìn)行更大規(guī)模的擴(kuò)大生產(chǎn)；根據(jù)最終的產(chǎn)品需求對(duì)這些干細(xì)胞進(jìn)行定向誘導(dǎo)譜系分化；最后將分化后的細(xì)胞與合適的支架材料結(jié)合進(jìn)行三維立體培養(yǎng)，直至得到成熟的肉類產(chǎn)品，或?qū)⒎只�后的�?xì)胞以一定比例匯合后以3D打印細(xì)胞的方式調(diào)和成不同口味的肉類產(chǎn)品。

圖3：細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)流程

第一步：種子細(xì)胞的獲取。可用于細(xì)胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)的干細(xì)胞主要包括胚胎干細(xì)胞（ESCs）、誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSCs），以及成體干細(xì)胞，如肌肉干細(xì)胞（MuSCs）和間充質(zhì)干細(xì)胞（MSCs）。其中，MuSCs和MSCs的使用較為廣泛。

第二步：種子細(xì)胞的培養(yǎng)過(guò)程。種子細(xì)胞需要營(yíng)養(yǎng)因子來(lái)促進(jìn)其增殖、分化和成熟，培養(yǎng)基為細(xì)胞提供足夠的營(yíng)養(yǎng)供應(yīng)。由于不同批次的血清組分差異較大、有引入致病因子的風(fēng)險(xiǎn)等原因，含血清培養(yǎng)基不適于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)，而開發(fā)無(wú)動(dòng)物源性血清的培養(yǎng)基是生產(chǎn)細(xì)胞培養(yǎng)肉中最亟待解決的問(wèn)題。目前，市售血清替代品和無(wú)血清培養(yǎng)基為體外培養(yǎng)哺乳動(dòng)物細(xì)胞提供了更多選擇。

第三步：細(xì)胞分化。在體外，MuSCs在培養(yǎng)基或者生物反應(yīng)器中生長(zhǎng)，其在特定條件下能分化成肌纖維，這是組成細(xì)胞培養(yǎng)肉的基礎(chǔ)。而MSCs已被證明可以分化為脂肪細(xì)胞和肌細(xì)胞，進(jìn)而可以用于生產(chǎn)脂肪和肌肉。

圖4：成肌分化過(guò)程及相關(guān)調(diào)節(jié)因子

第四步-A：細(xì)胞生長(zhǎng)用支架系統(tǒng)。在培養(yǎng)基中生長(zhǎng)的細(xì)胞如果沒(méi)有合適的支架，想要獲得類似傳統(tǒng)肉類結(jié)構(gòu)的組織是非常困難的。理想的支架應(yīng)為非動(dòng)物源，具有適當(dāng)大小的表面積供細(xì)胞生長(zhǎng)和附著，具有組織樣硬度的柔韌性以供肌管生長(zhǎng)，及良好的培養(yǎng)基擴(kuò)散能力和易于與培養(yǎng)肉分離的能力，適當(dāng)?shù)闹Ъ芟到y(tǒng)可以促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化。

第四步-B：細(xì)胞3D打印技術(shù)。將從動(dòng)物（牛、豬、雞）中提取干細(xì)胞進(jìn)行人工培育、增殖分化成各種細(xì)胞類型，再將其以不同比例混合作為生物墨水進(jìn)行3D打印，最后放在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)形成人工培養(yǎng)肉。

04培養(yǎng)肉生產(chǎn)的技術(shù)挑戰(zhàn)

種子細(xì)胞體外培養(yǎng)過(guò)程中如何維持干性與高效定向分化的能力是細(xì)胞培養(yǎng)肉規(guī)�；�生產(chǎn)過(guò)程中的重要技術(shù)問(wèn)題。在生產(chǎn)細(xì)胞培養(yǎng)肉的過(guò)程中，生產(chǎn)足夠量的細(xì)胞是其中尤為重要的一環(huán)。據(jù)估計(jì)，生產(chǎn)10-100千克的培養(yǎng)肉需要1012-1013個(gè)細(xì)胞。高昂的成本是細(xì)胞培養(yǎng)肉規(guī)模生產(chǎn)面臨的主要“卡脖子”問(wèn)題。因此，為了滿足市場(chǎng)需求，高密度細(xì)胞培養(yǎng)是降低成本的重要一環(huán)。通常，微載體或片狀載體這類材料可立體三維培養(yǎng)細(xì)胞，大幅提高細(xì)胞培養(yǎng)密度，輔以生物反應(yīng)器可提供更可控的細(xì)胞培養(yǎng)環(huán)境，使實(shí)現(xiàn)大規(guī)模培養(yǎng)成為可能。

實(shí)際上，工藝開發(fā)是建設(shè)規(guī)�；�生產(chǎn)體系重中之重的一環(huán)，是細(xì)胞培養(yǎng)肉實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)的基礎(chǔ)保障。Eppendorf生物反應(yīng)器在溫度、溶氧、pH值等條件的精確控制具有卓越優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)其產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)藥領(lǐng)域中蛋白質(zhì)藥物、單克隆抗體、疫苗的工藝開發(fā)和生產(chǎn)中，且其產(chǎn)品在干細(xì)胞培養(yǎng)方面的應(yīng)用尤為突出。然而，細(xì)胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域的種子細(xì)胞并非廣泛使用的工程化細(xì)胞，沒(méi)有成熟的規(guī)�；�培養(yǎng)工藝和參數(shù)，因此需要針對(duì)性設(shè)計(jì)培養(yǎng)和分化路徑，精確研究關(guān)鍵參數(shù)和放大工藝。

《人工培養(yǎng)肉技術(shù)的進(jìn)步》（Advances in cultured meat technology）是由Burleigh Dodds Science Publishing出版的專門介紹人工培養(yǎng)肉的一本專業(yè)書籍，該書特邀了多名來(lái)自企業(yè)和名校的專業(yè)人士，從細(xì)胞系來(lái)源和特性、細(xì)胞培養(yǎng)和組織工程技術(shù)的應(yīng)用、質(zhì)量和可持續(xù)發(fā)展、到人們對(duì)培養(yǎng)肉態(tài)度轉(zhuǎn)變等多方面全面介紹了該人工培養(yǎng)肉技術(shù)要點(diǎn)、挑戰(zhàn)和應(yīng)用。同時(shí)，該書還著重討論了建立監(jiān)管框架以允許這種新型產(chǎn)品的生產(chǎn)和貿(mào)易的重要性，以及消費(fèi)者對(duì)新技術(shù)的接受度這一關(guān)鍵問(wèn)題等內(nèi)容。其中，Eppendorf被特邀撰稿生物反應(yīng)器這一重要章節(jié)，詳細(xì)描述了其培養(yǎng)細(xì)胞的工藝原理和操作細(xì)節(jié)。