未來食品的發展：植物蛋白肉與細胞培養肉

周景文， 張國強， 趙鑫銳， 李雪良， 堵國成， 陳 堅

（1．江南大學 糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室，江蘇 無錫214122；2.江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫214122）

未來食品是以解決全球食物供給、資源環境、質量安全、營養健康、飲食方式和精神享受等問題，利用合成生物學、腦科學、物聯網、人工智能等顛覆性前沿技術，加工制造更健康、更安全、更營養、更美味的食品[1]。隨著生命科學與技術快速進步與發展，基于代謝工程和合成生物學等手段，構建具有特定合成能力的細胞工廠，通過現代生物發酵技術，生產人類所需要不同食品的顛覆性創新技術取得了長足的進步（見圖1）。利用細胞工廠發酵工程技術不僅可以生物合成制造不飽和脂肪酸、氨基酸、維生素等一系列高附加值產品[2-3]，而且低成本合成制造淀粉、油脂、蛋白質等基本食品組分的技術也成了新的研究熱點[4-5]。未來食品行業將開發和利用不同學科的交叉技術，根據功能與營養的差異性需求，實現未來食品智能化、定制化生產與加工，進一步補充或替代傳統食品行業。

隨著世界人口數量的快速增長和人類社會的不斷發展，對食品的需求在數量與品質上都在不斷提升。食品工業長期以來受科技發展影響較小，在歷次科技革命中都沒有發生過根本性變革。現階段食品行業的主要創新往往局限在口味、包裝和營銷等層面。在前期的食品科學研究中，科研工作者主要通過改進生產方式，實現對現有食品的高技術改良，但是食品的形態或本質并沒有改變。隨著生物科學和食品科技的高速發展，食品科學正在從高技術食品改良向高技術食品制造轉變，即從傳統的食品品質改良到未來食品的全新合成[1]。在西方社會，食品工業正從深加工食品過渡到有機食品階段，而有機食品正在向精準營養階段過渡。目前，我國未來食品生物制造在研發投入、產業化方面還有待提高，標準體系和檢測程序還有待完善。因此，圍繞快節奏、營養化、多樣性的國民健康飲食消費需求新變化與食品新興產業發展新需求，開展未來食品創新技術研發和產業化協同發展，對我國食品工業健康可持續發展具有重大意義。

未來食品生物制造是基于食品多組學研究技術，利用系統生物學和大數據分析手段，解析不同食品營養組分、加工方式、膳食模式等與人體健康關系。作為未來食品的代表，植物蛋白肉與細胞培養肉等新型人造肉在健康、安全、環保等方面均較傳統養殖肉類具有顯著優勢[6]。人造肉在研究初期會以模仿真實肉為主，如雞肉、牛肉等，而隨著研究深入及細胞培養、3D打印等新技術的不斷突破，會逐漸走向肉制品的合成重構方向。植物蛋白肉由于植物蛋白來源廣泛、加工工藝相對成熟，已經逐步開始商業化生產，但在口感、風味與營養等方面與真實肉制品仍然存在較大差距；細胞培養肉在營養、口感和風味方面可能更接近真實肉制品，在資源可持續和環境保護方面潛力巨大，是未來人造肉的主要研究發展方向，但是目前仍在理論與技術層面，特別是肌肉脂肪組織大規模低成本培養等方面，還存在諸多挑戰。

圖1 未來食品的生物制造Fig.1 Biomanufacturing of future food

面對人造肉綠色生物制造的挑戰，一方面要致力于采用食品合成生物學與現代發酵技術來提高食品原料的品質和安全性。基于食品組學研究，對食品營養、食品安全、食品品質等重要食品領域的內容進行評估。以細胞培養肉為例，首先以組織生物學和合成生物學等現代生物技術為基礎，利用動物細胞特性和功能，設計、構建合成大規模的肌肉脂肪組織，生產出滿足消費者需求的各種人造肉食品原料[6]。另一方面要推動食品工業向標準化、規模化發展，促進食品產業向高技術健康產業轉型。利用代謝工程、發酵工程等技術合成人造肉原料，開發新食品資源和食品添加劑，進一步基于酶工程等技術提高人造肉等未來食品的質構，改善未來食品的口感、風味和儲藏性能等。

1 植物蛋白肉生物制造的關鍵技術

植物蛋白肉是利用大豆、小麥、豌豆等植物蛋白替代動物蛋白，通過纖維結構化和風味物質的整合模仿真肉口感。目前，采用蛋白制品加工成類似肉制品形狀的植物蛋白肉與真實肉制品有較大差距，普遍存在質構不足、蛋白生物價偏低、含過敏原及異味成分等問題，品質還有待進一步提升。現階段，植物蛋白肉生物制造的關鍵任務在于植物蛋白來源與品質優化，結構風味改良、生物酶處理和理化改性協同加工策略開發等，通過重組植物蛋白質構，降低蛋白過敏原與異味成分，提升植物蛋白肉感官性能與營養價值。

1.1 植物蛋白肉來源與營養品質優化

目前，植物蛋白肉的主要蛋白組分來自大豆蛋白和小麥蛋白等。隨著人們對營養價值需求的提升，花生蛋白、豌豆蛋白等其他來源的植物蛋白也將作為配料用于植物肉的生產，進一步提高植物肉營養價值。因此，如何有效重組具有不同氨基酸組成特點的蛋白質及平衡各蛋白質的持水、持油性，是提升植物肉感觀品質的關鍵[7]。此外，植物源蛋白含有相對豐富的氨基酸，但是部分植物蛋白品質相對動物蛋白仍明顯不足，存在必需氨基酸組分缺失、蛋白消化率與生物價低及含有致敏成分等問題，影響了植物蛋白的營養品質，需要進一步優化改良，符合健康飲食需求[8]。

部分植物蛋白含有較多的疏水性谷氨酰胺和天冬酰胺殘基，這些氨基酸通過氫鍵等作用把蛋白質連接在一起，造成蛋白質凝聚、產生沉淀等，大大降低了蛋白質的溶解性，進而影響植物蛋白的工藝特性[9]。為解決這些問題，可以通過分析研究植物蛋白肉原料有效蛋白組分、品質與真實肉制品的差異，確定影響植物蛋白肉品質關鍵成分，如關鍵氨基酸、營養物質等，為植物蛋白肉品質提升提供指導。已有研究表明，植物蛋白通過糖基化等方法可以改善其持油、持水能力等，彌補天然植物蛋白品質的不足[10]。未來發展也可以利用微生物代謝工程、發酵工程、酶工程與食品工藝等整合策略，構建食品級微生物細胞工廠，合成優質蛋白或營養組分，從提高感官性能與營養價值、增加消化率與生物價、降低過敏原成分等方面，逐步提升合成蛋白的品質與營養價值。

1.2 植物蛋白肉組織結構改善

植物蛋白肉所用的拉絲蛋白受擠壓方法和原料性質的影響較多，使植物蛋白肉的形態和質構可控性很差。迄今為止，已有大量研究通過改變原料配方、工藝參數從而優化纖維結構[11]。由于植物蛋白與天然肉類蛋白在結構上存在明顯差異，為有效模擬天然肉口感，需要開發植物蛋白結構改良工藝。

目前，植物蛋白結構改良的研究包括物理擠壓、化學添加以及生物酶改良等方法，部分技術已被廣泛用于植物蛋白類食品的加工，并在產品感觀品質及營養強化方面均取得較好效果[12]。由于生物酶法具有綠色安全、節能高效能優勢，未來具有較大發展潛力。現階段，如何將物理擠壓與酶法處理有效結合，促進植物蛋白組織結構的改良也成為研究的熱點。研究人員通過開發穩定性與特異性優良的谷氨酰胺轉氨酶、蛋白質谷氨酰胺酶及各類蛋白酶，評估并優化影響酶制劑的關鍵因素，提升植物蛋白肉口感（見圖2）[12]。采用物理擠壓工藝，實現植物蛋白物理結構改造，生產高品質拉絲植物蛋白，增加植物蛋白交聯度與蛋白韌性，使植物蛋白肉在結構與口感方面，達到與真實肉制品的高度相似。

1.3 植物蛋白肉中關鍵酶制劑優化

植物蛋白肉的加工過程主要涉及物理擠壓與后期食品營養風味加工等，由于植物蛋白存在質構、營養、安全等問題，需要生物技術干預才能有效改善植物蛋白品質。例如，植物蛋白過敏和異味成分是影響消費者選擇植物蛋白類食品的重要因素之一。常用的植物蛋白，如大豆蛋白等，常含有豆腥味和過敏原等成分，影響了植物蛋白的風味與安全，限制了植物蛋白在食品領域的廣泛應用[13]。其中，β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白等都是潛在的致敏原，在低閾值水平即能夠引發大豆過敏反應。脂肪氧化酶催化生成低分子醇醛是造成蛋白異味的主要原因。

目前，通過傳統物化方法可以解決大豆的致敏、異味等問題，但會破壞大豆的營養成分，而采用酶法處理則具有相對溫和的優勢。通過酶工程等技術，篩選改造高特異性與活性的蛋白酶、風味蛋白酶及相關食品微生物等，實現脂肪氧化酶失活、腥味物質降解、微生物共發酵等，優化人造肉中氨基酸組分等，提升植物蛋白肉的安全性與風味。此外，植物蛋白肉存在的質構差等問題也需要開發不同的生物酶復合系統進行優化，例如谷氨酰胺轉氨酶、蛋白質谷氨酰胺酶等復合酶制劑。因此，優化酶制劑在植物蛋白質構與營養改良中的應用，提高食品原料利用效率、改進食品風味和安全性，將推動植物蛋白肉市場的拓展。

圖2 生物酶工藝在植物蛋白加工中的應用Fig.2 Application of enzyme technology in plant protein processing

2 細胞培養肉生物制造的關鍵技術

細胞培養肉是指基于干細胞、組織工程等技術在體外培養的動物肌肉組織，經過色澤、風味調整，營養物質補充以及物理成型等加工制成的模擬肉制品（見圖3）[14]。肌肉干細胞的發現和體外培養已有半個世紀的歷史[15-16]，但細胞培養肉誕生的標志是2013年荷蘭研究人員用完整的細胞培養牛肉制備的漢堡產品[17]。

圖3 細胞培養肉的生產流程Fig.3 Workflow of cell-cultured meat

2.1 干細胞的低成本獲取

作為食品，細胞培養肉只有在實現大規模生產的情況下才有現實意義。從種子細胞來源的角度而言，要求用于培養肉生產的干細胞同時具有兩種特性：無限、快速增殖而不損失干性且不發生性狀改變或失去分化的能力以及穩定、高效分化成為肌肉組織的能力，兩者缺一不可。

表1 列出了可能用于細胞培養肉生產的干細胞來源。可以看到，自然條件下并沒有一種干細胞同時符合上述兩個條件。全能胚胎干細胞雖然可以無限增殖，但是定向分化成肌肉細胞存在著不確定性。肌肉干細胞可以自然分化并形成肌肉組織，但是自然狀態下體外培養時傳代次數非常有限且速率較慢[18-19]。因此，解決胚胎干細胞的定向分化問題，或者是肌肉干細胞的無限增殖問題，是細胞培養肉技術的關鍵之一。荷蘭的初創公司Meatable在2018年宣稱解決了具有無限增殖能力的多能臍帶干細胞定向分化的問題，但對其成本緘口不提[20]。使用肌肉干細胞作為細胞培養肉種子只需從成年動物身體上取少量樣本而無須屠殺，具有動物倫理優勢，使培養肉產品更容易被接受。種子細胞關乎一個公司的生存，相關技術作為商業機密不被公開。然而，這種生產過程的不透明，可能會影響消費者的接受度[21-22]。

表1 潛在的可應用于細胞培養肉的干細胞來源Table 1 Potential stem cell sources for cell-culture meat

2.2 肌肉和脂肪干細胞增殖分化

培養肉的生產在細胞這一層面要經過兩個步驟：增殖和分化。增殖是指少量干細胞經過不斷分裂傳代產生大量新的干細胞的過程。此后，通過改變培養條件[23]，如降低培養基中胎牛血清濃度，干細胞分化成肌肉細胞并最終形成肌肉組織[19]。在細胞培養肉領域，使用全能胚胎干細胞作為種子的較少，而使用肌肉干細胞的技術更具吸引力。后者的主要問題是如何在增殖的過程中保持干性[24]。有些細胞系可以靠不斷自發的突變而獲得無限增殖的能力，但這一過程類似于癌變，會對細胞的特性產生不利影響。通過基因修改也可以使細胞獲得無限增殖的能力，以及改進全能干細胞定向分化的穩定性。然而GMO食品的推廣會遇到相當大的阻力。尤其是在歐盟國家，是完全被禁止的。用于細胞培養肉的干細胞的增殖和分化，應該是以優化培養條件以及代謝調控為主。

Boonen等人[25]發現貼壁培養時基質的彈性對小鼠肌肉干細胞的增殖和分化有著顯著影響。如果該現象在家畜肌肉干細胞培養中也存在，他們的研究結果則對細胞培養肉所用微載體的研究有指導意義。Ding等人發現在牛肌肉干細胞體外增殖的過程中，絲裂原激活蛋白激酶（P38-MAPK）信號被激活而成對盒蛋白PAX7的表達逐漸消失。使用一定濃度的p38抑制劑（SB203580），不但牛肌肉干細胞增殖能力和PAX7表達得到提升，而且解除抑制后細胞分化成肌肉細胞的能力也有改善。然而，這一昂貴的抑制劑將大大提升成本。因此，通過廉價的方法提高細胞增殖和分化的效率，是細胞培養肉產業化之前必須解決的問題。

2.3 細胞培養肉的規模放大

整個細胞培養肉的產品規模放大，包括基礎原料肌肉組織和后期營養風味成分的生產加工放大。但目前主要的困難與挑戰在于基礎原料的放大，也就是如何高效模擬肌肉細胞或組織生長環境。動物細胞由于沒有細胞壁的保護非常脆弱，無法承受劇烈攪拌帶來的剪切力。同時，動物細胞對環境均一性的要求又很高，反應器體積放大以后，必須劇烈攪拌才能保證溫度、溶氧、pH值以及營養物質的均一性。這兩種需求之間的矛盾，導致動物細胞培養裝置的規模一般不超過1～2 m3，最大不超過20 m3，與用于食品生產的動輒幾百立方米的微生物細胞培養反應器相比規模非常小。因此，動物細胞和組織培養傳統上主要是用于價格昂貴且產量極低的醫療醫藥產品（見圖4）。在細胞培養肉領域，隨著無血清培養基技術的逐漸成熟，細胞培養肉產業化要解決的下一個問題便是規模的放大。

圖4 生物制品價格與市場規模關系Fig.4 Relationship between price of biological products and market scale

細胞培養工藝和反應器的理性放大需要細胞利用底物和攝入氧氣的動力學參數，對溶氧、靜壓強、剪切應力、溫度及其變化率的承受能力，代謝廢物包括CO2對細胞生理特性的影響等基礎數據。尤其是細胞對剪切應力的承受能力，對反應器選型、操作、過程控制及采用哪種流體力學模型模擬都有重大影響，甚至可以說是細胞培養肉能否真正實現規模化生產的決定因素。目前文獻中還沒有針對動物肌肉細胞的相關報道，有些研究人員對細胞培養肉大規模生產進行展望時，也忽視了這些問題[27-28]。Li等假設動物肌肉干細胞的生理特性與常見動物細胞類似，利用計算流體力學（CFD）和數學模型設計了一個300 m3的氣升式反應器用于細胞培養肉生產，從理論上證明了這一策略的可行性[26]。針對動物肌肉細胞生理特性數據所做的假設，還需要大量實驗數據進行驗證。

3 人造肉的食品化技術

目前，微生物細胞工廠與干細胞組織培養技術雖然已經可以生產人造肉食品，但目前市場認可度還比較低。主要原因是現階段產品還無法真正模擬真肉的品質。因此，要想生產符合消費者口味的人造肉食品，還需要開發相應的食品化技術，在現有產品的基礎上做到人造肉制品的色、香、味、型俱全，才能真正被大眾所接受，實現產業化推廣。

3.1 微生物合成技術

以動植物來源蛋白（大豆球蛋白、肌動蛋白、肌紅蛋白、血紅蛋白、脂蛋白、糖蛋白等）為基礎的新型人造肉食品已經逐漸發展起來，而如何高效獲得符合食品安全生產標準的人造肉相關蛋白組分是目前人造肉食品生產的關鍵問題[29]。

利用食品級微生物細胞工廠，合成植物蛋白肉加工工藝所必需的酶和小分子功能性化合物，降低過敏原與異味成分含量，可以突破以往僅通過物理加工改善植物蛋白肉質構、口感所存在的局限性。目前，利用大腸桿菌、畢赤酵母等微生物模式菌株已經可以實現一些人造肉相關蛋白（大豆球蛋白、血紅蛋白等）的合成。但是應用微生物來合成人造肉相關蛋白還存在產率較低、不易純化的問題，相關產品無法工業化大規模生產。因此，為了實現人造肉相關蛋白的高效合成，需要解決兩個方面的難題：第一，實現人造肉相關蛋白中蛋白組分的高效表達；第二，由于血紅蛋白需要血紅素等輔基才能具有完整的生物學功能，所以必須增強血紅素等輔基的供應水平，以滿足相關蛋白質合成過程中對輔基的需求。

3.2 合成生物學技術

食品合成生物學是在傳統食品制造技術基礎上，采用合成生物學原理設計生產重要食品組分、功能性食品添加劑和營養化學品，解決食品原料和生產方式過程中存在的不可持續等問題，實現更安全、更營養、更健康的食品獲取方式（見圖5）。人造肉等未來食品在食品化加工過程中需要對其進行色香味等方面加工，食品合成生物學可發揮重要作用。例如，人造肉顏色中的血紅蛋白和肌紅蛋白起到關鍵作用。目前，利用畢赤酵母合成的大豆血紅蛋白可以生產顏色較為接近的牛肉制品。但是植物來源血紅蛋白與動物來源的血紅蛋白存在差異，而且非食品級的畢赤酵母也并不適合用來生產血紅蛋白。因此，利用食品級微生物高效合成動物來源的血紅蛋白和肌紅蛋白才能更好地在模擬肉制品中呈現逼真的肉色與風味。

肉類的香氣與鮮味是肉類品質的關鍵表征參數。應用GC-MS等分析方法，對比生肉與熟肉的化學組成可以發現，肉中主要的香味物質是由氨基酸和糖類在高溫下經美拉德反應形成的含硫化合物、含氮雜環化合物以及微量的醛、酮、醇和呋喃類化合物。近年來，通過采用動物或植物蛋白的酶解產物氨基酸（半胱氨酸）和還原糖（木糖或果糖）反應，已經能夠生產各種強烈、逼真的香味物質[32]。利用產酯酵母合成人體所需的不飽和脂肪酸酯并適量添加至人造肉食品中，可以更加真實地模擬出各種肉類的味道，從而提高人造肉食品味覺品質[29]。因此，利用食品合成生物技術可以實現不同營養與風味物質的合成，為人造肉等未來食品的營養、風味定制化加工提供有效手段。

圖5 合成生物學技術在未來食品生物制造中的應用Fig.5 Application of synthetic biology in future food biomanufacturing

3.3 食品3D打印技術

食品的三維結構可以直接影響消費者對產品的認可度。目前利用細胞工廠合成原料生產的人造肉食品普遍結構松散，無法讓食用者產生真實的咀嚼感。而應用食品3D打印技術對仿真肉制品的結構進行重塑，產生緊密而又富有彈性的三維結構。利用食品級材料，以3D打印和激光技術，已經可以制造出結構上高度相似但仍保持柔韌的人造血管。在作為支架的人工血管間，填充按最佳配方合成的仿真肉糜和食品級交聯劑，以實現致密肌肉組織的模擬效果。除此之外，最新的3D打印技術還可以實現對仿真肉制品中肉質的顆粒度、堅韌性進行可編程的局部控制。在此基礎上，應用即將投入市場的量子化3D打印技術可以實現細胞水平的結構重排，實現三維結構人造肉食品的生產。

4 植物蛋白肉與細胞培養肉面臨的挑戰

4.1 其他未來食品原料組分的微生物合成

現階段人造肉等未來食品的原料組分主要從植物組織或畜禽中提取，但隨著動植物蛋白在食品、飲品等領域廣泛應用，依靠人工提取獲得食品原料無論種類還是數量上已無法滿足大眾對健康、環保及美味食品的不斷追求。而利用微生物細胞工廠異源合成相關蛋白及營養成分，具有低成本、條件溫和、環境友好等優點。因此，以代謝工程為基礎的微生物發酵法合成動植物蛋白等原料組分將成為新的發展趨勢。在已有的報道中，應用不同的微生物已經實現了多種與未來食品生產密切相關組分的合成，例如人造奶與人造蛋所需的酪蛋白、乳清蛋白、乳鐵蛋白、營養因子等重要組分。而隨著合成生物學技術的快速發展，將可以實現更多未來食品基本原料和高營養價值添加成分的高效合成。

4.2多學科交叉提升未來食品質構與營養

目前人造肉的研究熱點主要在于揭示其在結構組成上與真實肉之間的差異，比較分析人造肉口感、風味等品質的不足，高效整合物理加工與生物酶法技術，提高人造肉結構交聯程度，優化相關工藝參數，實現從蛋白纖維化質構、營養品質到仿真肉口感的整體提升。動物培養肉在干細胞獲取及大規模培養等方面均存在較大挑戰，如何有效整合組織培養、合成生物學與生物反應器工程是突破動物細胞培養肉的關鍵。此外，隨著多學科交叉的興起和不斷發展，食品感知科學在基礎研究領域獲得了眾多突破性進展[30]。因此，開展食品感官特性、感官交互作用與味覺多元性、感官模擬與個體差異以及感官/評估方法與標準等方面的研究也有利于食品品質的提升，是未來食品研究的重要領域。

4.3細胞培養肉市場接受度有待提升

雖然人們已經意識到傳統畜禽養殖引發的自然資源和環境污染等問題，但是由于大部分消費者對細胞培養肉的生產過程缺乏了解，存在對食品安全性和倫理方面的擔憂，現階段人們對肉類消費的積極性和接受度依然存在問題。目前，為緩解這些擔憂，科學家正在調研與分析消費者對細胞培養肉的態度，了解大眾對細胞培養肉的看法，并確定阻礙其推廣的主要問題。調查結果表明，雖然大多數受訪者愿意嘗試細胞培養肉，但只有不到三分之一受訪者愿意將其作為傳統肉制品的替代。此外，現階段細胞培養肉的高成本也會阻礙其進一步的市場推廣。

4.4安全監管與政策完善利于產業健康發展

細胞培養肉等未來食品的發展還面臨安全監管與政策制度等一系列挑戰。細胞培養肉是前沿技術創新和新興產業，現有生物產業發展、市場準入和監管、安全性評價等制度已不能適應細胞培養肉產業發展。因此，如何形成完善的制度對行業健康發展具有重要意義。例如，通過培養肉營養成分、生物利用度、毒性評價體系研究，構建動物培養肉營養評價模型，形成產品品質指標體系標準。通過對動物細胞培養肉與真實肉制品的對比測試，確定動物培養肉在評估中暴露的膳食攝入標準，為細胞培養肉的市場推廣提供安全保障的政策法規。制定產業發展規范和加強市場管理，保障細胞培養肉產業健康發展。

5 展望

隨著食品科學與生命科學的發展，以植物蛋白肉和細胞培養肉等為代表的新興食品得到了越來越多關注，是未來食品生產的重要發展趨勢。未來食品制造將有機會實現人工智能與大數據時代下的全合成食品、精準營養、風味感知等技術的大范圍普及應用，如細胞培養肉、人造蛋、人造奶等大宗食品及食品原料實現細胞工廠生產，逐漸減少食品工業對傳統農業的依賴性。綜上，開展細胞培養肉等未來食品的研究和推廣應用，將有利于緩解資源與能源危機，實現綠色可持續發展，對于保障國家食品安全戰略具有重要意義。