人造肉大規模生產的商品化技術

趙鑫銳，張國強,2，李雪良，孫秀蘭，周景文,2，堵國成，陳堅*

1(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122) 2(糧食發酵工藝與技術國家工程實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122) 3(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122)

近年來隨著我國社會經濟的飛速發展，肉類農產品的供求出現了嚴重的不平衡。預計到2030年，我國肉類農產品的供給缺口將達到3 804萬t[1]。為了緩解肉類農產品有效供給的壓力，以新型細胞工廠為基礎的人造肉制品生產技術已經逐漸發展起來[2-3]。細胞工廠在生產肉類農產品方面相比傳統畜牧飼養有著顯著的優勢：以牛肉的生產為例，飼養一頭500 kg的牛,每天只能合成0.5 kg的蛋白質，但培養500 kg的活細胞,每天卻可以合成多達1 000 kg以上的蛋白質[4]。此外，細胞工廠的生產方式可以節省75%的水，減少87%的溫室氣體排放，需要的土地面積也將減少95%[5-6]。美國和歐洲都已經開始加速人造肉制品商品化的進程[7]，但我國目前尚未見有相關研究的報道。

目前，利用細胞工廠生產人造肉制品主要有兩個途徑：第一，利用動物體內分離得到的成肌細胞或全能干細胞，在營養液中進行培養，以促使其形成類似肌肉的組織。在這方面美國和荷蘭的科研人員已經取得了突破性進展。美國的研究人員從火雞中提取肌細胞，并將細胞培養于牛血清營養液中，可以得到條型的火雞肉。但由于缺乏脂肪及血液供應，目前培育出的火雞肉口感還較差。而荷蘭的研究人員從豬肌肉細胞中提取出干細胞，然后把細胞放入營養液中培養，促進細胞分裂，從而獲得了含有肌纖維的人造豬肉。這些人造豬肉雖然已經具有了類似蛤蜊肉的形狀，但外形上和豬肉還存在較大差距。

第二，以植物組織蛋白為基礎，添加由酵母合成的植物性血紅蛋白來制作人造肉制品。這種方法的研究進展較快并且已有多家公司的產品上市。其中由美國Impossible Foods公司研發的人造牛肉漢堡Impossible Burger已于2017年9月開始生產，目前在美國已經有超過1 000家餐廳銷售這款產品，并且這一數字還在不斷增長。這款漢堡里所使用的人造牛肉就是在大豆組織蛋白的基礎上，添加了1%左右由畢赤酵母合成的大豆血紅蛋白制作而成。目前，這款人造牛肉漢堡已經獲得了超過2.6億美元的融資。

隨著細胞工廠和干細胞培養技術的飛速發展，目前已經可以批量生產出人造肉制品，但現在該類產品的市場認可度還比較低[8]。主要原因是現階段人造肉制品還無法逼真地模擬真肉的品質。要想生產符合大眾口味的人造肉制品，不僅要在營養成分上無限接近真肉的組成，還要對細胞工廠或細胞培養生產的肌肉組織進行商品化加工和重塑成型處理。只有讓產品真正做到色、香、味、型俱全，才能被大眾所接受(圖1)。本文主要綜述國內外可以用于人造肉制品商品化的技術和相關研究進展，旨在為實現人造肉制品的市場化提供參考。

圖1 人造肉制品商品化步驟Fig.1 The steps for the commercialization of artificial meat

1 賦予人造肉制品真實的顏色

肉類的顏色是由肉中的血紅素所賦予，通過細胞培養獲得的肌肉細胞血紅素含量很低，無法呈現真實的肉色。因此要想模擬真實肉制品的顏色，需要在肌肉組織中添加富含血紅素并且結構穩定的血紅蛋白。之前以動物血液或植物組織為原料，利用化學試劑提取血紅蛋白的方法不僅耗時耗力，且純化所得血紅蛋白的純度較低，無法應用于人造肉制品的生產[9]。為了解決這一問題，國內外已經開展了針對血紅素及不同來源的血紅蛋白生物合成的研究。通過這些研究，已經掌握了血紅素及血紅蛋白合成的關鍵調控節點，為實現利用食品級菌株合成血紅素及血紅蛋白打下了基礎。

1.1 血紅素的生物合成策略

血紅素在生物體中有C4或C5兩種合成途徑，目前這兩個途徑中所涉及的酶及其編碼基因均已被解析清楚(圖2)[10]。在此基礎上，利用C4途徑在大腸桿菌中已經可以實現少量血紅素的合成[11]。但該策略需要添加甘氨酸和琥珀酸作為底物，并不適合大規模的發酵生產。除此之外，過量的血紅素在細胞內具有生物毒性，因此利用微生物合成血紅素一直存在瓶頸[12]。為了解除這些瓶頸，在最新的研究中通過采用無需添加底物的C5途徑、抑制血紅素降解和副產物的形成、利用血紅素轉運蛋白將過量的血紅素轉運至胞外，在大腸桿菌中成功地實現了超過200 mg/L血紅素的合成[13]。

圖2 生物體內血紅素合成途徑Fig.2 The biosynthetic pathway of heme

1.2 血紅蛋白的生物合成策略

在利用微生物細胞合成血紅素的基礎上，可以進一步合成不同來源的血紅蛋白。目前的研究主要集中在人源血紅蛋白的合成方面。利用大腸桿菌[14]和釀酒酵母[15-16]均可合成有生理功能的人源血紅蛋白。但相比較而言，食品級的釀酒酵母表達系統更適合用于合成真核來源的血紅蛋白。通過強化血紅素的合成途徑[15]、調節胞內的氧檢測系統[16]，可以在釀酒酵母中合成占總胞內蛋白含量高達7%的人源血紅蛋白。除了人源血紅蛋白之外，美國Impossible Foods公司利用畢赤酵母成功合成出了植物來源的大豆血紅蛋白(美國專利號：14/797,006)。目前該大豆血紅蛋白已經被用于牛肉漢堡的生產，但由于畢赤酵母并非食品級宿主，且合成出的大豆血紅蛋白的純度僅能達到大于65%，用于生產人造肉制品還存在著一定的食品安全隱患[17]。此外，植物來源的大豆血紅蛋白在結構和功能上與動物來源的血紅蛋白還存在著差異。因此，在接下來的研究中還是需要利用食品級的釀酒酵母菌株，運用成熟的血紅素合成代謝改造策略和蛋白高效表達系統，來生產不同動物來源(豬、牛、羊等)血紅蛋白，從而滿足大眾對人造肉制品視覺上的需求。

2 賦予人造肉制品真實的香味

肉類的香味歷來就受到人們的喜愛，香味能給食用者以嗅覺和味覺上的滿足和心靈上的愉悅，并促進身體對其營養物質的吸收。因此，人造肉制品要想獲得較高的市場認可度，必須具備能與真肉相類似的誘人香味。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和含氮雜環化合物，以及一些微量的醛、酮、醇和呋喃類化合物[18-19]。而肉類的鮮美味道則是由肉中蛋白、脂類物質和香味物質共同作用形成的[20-21]。在真肉中脂類物質的含量一般在0.5%～15%之間，經加熱烹調后的脂類物質在口中經過乳化作用會使肉的味道變得醇厚，產生濃郁的味道[22]。

2.1 香味物質的合成策略

目前市場上的人造肉制品在香味物質的組成上與真肉還存在一定的差距，這是造成人造肉制品市場接受程度較低的原因之一。近年來，通過采用動物或植物蛋白的酶解產物與氨基酸(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。南京林業大學和河南科技大學的研究人員可以分別利用不同來源的蛋白水解產物，再輔以氨基酸、酵母膏、還原糖和脂肪等物質，經美拉德反應形成香氣濃郁圓潤、口感醇厚逼真的肉味香精[23-24]。而江南大學的研究人員通過對形成香味物質反應體系條件的葡萄糖-半胱氨酸系統優化，合成了具備肉味的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種風味化合物[25]。除此之外，應用響應面的方法對美拉德反應條件進行精確地設定，還可以模擬出多種不同來源肉制品的香味[26]。在合成風味物質的基礎上，天津科技大學的研究人員進一步利用酵母菌株合成了牛肉中的風味強化肽，應用該合成寡肽能提升其他風味物質的呈味作用，并能增強鮮味顯著改善肉制品的風味[27]。將少量安全的肉類香味物質與生產的人造肉制品混合，就可以真實地模擬出各種肉類的氣味，從而滿足人們在食用人造肉制品的過程中嗅覺上對香氣的需求。

2.2 人體必需脂肪酸合成策略

人造肉制品在具有香氣的基礎上，還需要添加適量的脂肪酸才能形成肉類獨特的風味。哈爾濱工業大學的研究人員，利用表達載體在釀酒酵母中構建了花生油脂和脂肪酸合成代謝途徑，驗證了利用生物發酵法合成人體必需脂肪酸(亞油酸、亞麻酸)及其酯類衍生物的可能性[28]。同樣利用食品級的解脂耶氏酵母和低廉的原料，經培養條件優化后已經可以合成亞麻酸、二十碳二烯酸、二十碳三烯酸和二十碳五烯酸[29]。目前商業化的產酯酵母的不飽和脂肪酸產量已經可以達到胞內總脂肪酸含量的50%以上[30]。利用成熟的脂類純化方法從產酯酵母胞內可以高效地提取出人體所需的不飽和脂肪酸酯(尤其是人體缺乏的Omega-3亞麻酸類的脂肪酸)[31]，并適量添加至人造肉制品中，可以更加真實地模擬出各種肉類的味道，從而全面滿足人們在食用人造肉制品過程中味覺上的需求。

3 定制人造肉制品的生產

近年來隨著大眾對肉制品品質要求的不斷提高，按照不同的飲食習慣和烹飪方式提供可定制的肉制品將會成為大眾的追求。來源不同動物不同部位的肉制品，在口感和風味上均會存在較大差異，因此要想實現對肉風味、營養的個性化定制，需要首先確定所需肉制品中主要成分的比例。應用近紅外光譜、質譜等檢測方法，青島農業大學的研究人員對牛胴體各部位肉質的營養成分和理化指標進行了系統的分析，從而確定了影響牛肉營養水平的蛋白、脂類、風味物質之間的比例和影響肉質嫩度的結締組織蛋白、肌原纖維蛋白和肌漿蛋白三者間含量與化學結構狀態之間的關系[32]。此外，隨著設備的升級和人工智能的應用，已經可以實現對不同部位肉制品組分迅捷、精確地分析，為實現可定制快速消費人造肉制品的生產打下了基礎[33]。在這些研究的基礎上，應用可以多維模擬優化成分比例的人工神經網絡算法，構建特制人造肉制品的品質模型，可以保證所建模型能真實模擬不同來源、不同部位真肉的品質[34]。在模型的指導下利用細胞工廠合成的各種組分原料，采用最精確的優化配方可以快速制作出能滿足大眾不同口味、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術

人造肉制品的形狀會直接影響消費者對產品的接受程度。目前利用細胞工廠合成的原料生產的人造肉制品普遍結構松散，無法讓食用者產生真實的咀嚼感。而應用3D食品打印技術則可對人造肉制品的結構進行重塑，完美復刻真肉緊密而又富有彈性的三維結構[37-38]。具體的制作流程為：首先應用3D食品打印機中的打印建模軟件，對肉制品的三維結構進行設計[39]；隨后將人造肉制品所需原料和輔料分別放入不同的容器中；再按設計編碼程序逐層地鋪料，疊加打印出立體感十足的人造肉制品[40]。應用3D打印技術，國內外已經開展了許多關于人造肉制品的研究。利用生物相容性的材料，以3D噴墨打印和激光后技術，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[41]。在作為支架的人工血管間，填充按最佳配方合成的人造肉糜和食品級交聯劑[42]，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人造肉制品中肉質的顆粒度、堅韌度進行可編程的局部控制[43-44]，將更可視化、簡易化地實現三維結構完美人造肉制品的生產。

5 展望

綜上所述，目前國內外均已具備將細胞工廠生產的人造肉制品商品化和市場化的基礎，可以在短期內生產出市場認可度高的人造肉制品。但制約人造肉制品大規模生產的主要問題是生產成本過于高昂。從生產出第一塊人造牛排的2013年到現在，生產成本雖然已經有所降低(從二百多萬元人民幣降至約幾十萬元)，但仍未達到進行大規模生產的條件。針對這一技術壁壘，可以在未來的研究中進一步通過對成肌細胞或干細胞培養方法優化和對細胞分化階段的控制，顯著降低以細胞培養為原料的成本；通過對微載體生物反應器的研究，實現干細胞培養的規模化，進一步降低人造肉的生產成本。除了技術問題之外，國家食品監管部門應該提前針對即將出現的人造肉制品出臺相應的政策和法規，將人造肉制品與真肉制品和假冒偽劣肉制品嚴格區分開來，并對干細胞培養過程中可能存在食品安全風險進行系統的評估，解除大眾對人造肉制品可能存在的抵觸情緒，在國家層面打通政策通路。在解除政策技術、壁壘之后，再輔以日益成熟的人造肉制品商品化技術，相信在不久的將來人造肉制品的市場化將會很快實現。