人造肉生產技術相關專利分析

趙鑫銳，王志新，鄧宇，高茵，張國強,3，李雪良，周景文,3，堵國成，陳堅*

1(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122) 2(哈爾濱市陽光惠遠知識產權代理有限公司，黑龍江 哈爾濱，150028)3(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)

我國是人口大國，生產安全、營養健康的農產品是關系國計民生的頭等大事。隨著人們生活水平的不斷提高，我國肉制品的供求將出現嚴重的不平衡。預計到2030年，我國肉制品的供給缺口將達到3 804萬t，將嚴重威脅到我國的糧食與食品安全[1]。為了緩解肉類農產品有效供給的壓力，近年來包括以植物蛋白為基礎的植物蛋白肉和以新型細胞工廠為基礎的動物培養肉的人造肉生產技術已經逐漸發展起來。新型人造肉產品相比傳統農業畜牧飼養有著顯著的優勢，不僅可以解決傳統農業中激素、抗生素、農藥殘留和人畜共患病毒、寄生蟲、致病菌感染等問題，還可以節省75%的水，減少87%的溫室氣體排放和95%的土地面積需求[2-3]。

目前在美國和歐洲都已經較為深入地開展了利用微生物細胞工廠或干細胞培養技術生產人造肉制品的研究[4]。早在 2011年，麥當勞曾嘗試推出素食漢堡，但是由于口感和市場等問題未能進行大規模推廣。之后植物蛋白肉的研究主要集中于以下3方面：(1) 植物蛋白纖維化加工技術：采用物理方法對植物蛋白進行處理，使其具有類似肌肉纖維的口感[5]；(2) 血紅蛋白的生產與應用：采用微生物發酵法生產的血紅蛋白，可以賦予植物蛋白類似肉制品的顏色，并且可以彌補植物蛋白鐵元素含量不足的問題[6]；(3) 風味物質的生產與應用：采用合成生物學技術改造微生物生產多種脂肪、維生素、風味物質，并結合熱加工處理方法，使植物蛋白肉的口感接近于真實肉制品[7]。在這些研究基礎上，美國Impossible Foods和Memphis Meats公司生產的人造肉制品(牛肉漢堡)，已經獲得了2.6億美元的投資，并實現了在美國、中國香港及澳門地區的店面銷售[8]。國內目前的研究還是采用傳統的加工方式，植物蛋白肉產品在口感、質地、風味、營養等方面與真實肉制品存在較大差距。由于中式菜肴較西式的油炸、燒烤等加工方式更為復雜和多樣，因此對未來的植物蛋白肉產品在中式食品中的應用有著更高的要求[9]。

除了植物蛋白肉之外，在細胞培養肉方面，美國和荷蘭近年來投入了大量資源開展相關研究，已經取得了突破性進展。美國南卡羅來納醫科大學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，得到了條型的火雞肉[10]。但由于缺乏脂肪及血液供應，培育出的火雞肉口感較差。荷蘭馬斯特里赫特大學的MARK教授利用成肌干細胞培養，實現了人造牛肉漢堡在實驗室層面上的生產[11]。在此基礎上，通過培養條件優化,目前已將生產成本降低至最初的1/5($5 000/g)[12]。近期，荷蘭科學家在培養肉項目上獲得了大量資金的資助，研究團隊計劃在短期內利用干細胞培養生產出4 000 g肌肉組織和1 000 g脂肪組織，并顯著降低生產成本。2019年3月，日本著名的食品企業日清食品控股公司宣布，與東京大學合作，通過人工培育牛肌肉細胞成功制成約1 cm3的肌肉組織。我國南京農業大學的周光宏教授團隊使用豬肌肉干細胞培養20 d后，獲得了中國第一塊細胞培養肉(5 g)。但總體來說，目前我國關于細胞培養肉相關研究的報道還較少，雖然在人類干細胞和大型家畜的干細胞研究方面有較強的科研實力，但是主要是針對疾病治療和動物育種，僅能在實驗室進行少量的培養。

總體來說，人造肉商業化的產品雖然已經上市，但目前的研究尚處初期階段，還有很多技術瓶頸有待突破。植物蛋白肉的感官性能與營養價值有待改善，蛋白組分的消化率與生物價有待提升[13]；動物培養肉等細胞農產品生物制造面臨細胞組織培養與高效增殖分化問題，現有技術在原始細胞收集、細胞高密度增殖分化、化學成分明確的培養基研發等方面存在瓶頸，導致產量不足[14]；在動物培養肉大規模培養中，動物細胞培養生物反應器的設計與放大等關鍵核心技術仍存在問題，制約了培養肉生物組織的高效與高密度生產[15]；在培養肉等后期商品化工藝過程方面的研究需進一步加強，關鍵食品級營養風味成分合成能力不足，使得產品附加值低、成本較高、市場競爭力不足[16]。

針對以上問題以及未來的研究方向，本文以Incopat數據庫公開的與人造肉相關的專利申請為數據分析基礎，對人造肉生產領域國內外專利申請狀況進行了統計和分析，以期對我國人造肉制造產業未來的發展提供參考。

1 研究方法

本文以Incopat數據庫作為數據來源，使用人造肉以及與人造肉相似或含義等同的關鍵詞：人造肉、肉替代品、肉替代物、替代肉、肉仿品、重組肉、重構肉、肉類似物、組織工程肉、肉結構蛋白、非肉蛋白質，在標題、摘要和權利要求進行檢索，以寵物、飼料為噪聲關鍵詞進行去噪，簡單同族合并后對檢索數據進行人為去噪，剔除與人造肉不相關的數據，共獲得人造肉國內申請專利180件。使用人造肉以及與人造肉相似或含義等同的英文關鍵詞為：Artificial-meat、Meat-substitutes、Engineering-meat、Generic-meat、Meat-replicas、Refactoring-meat、Meat analogs、Meat and structured protein、Mock meat、Meat like，以Pet、Feed、Fried、Pharmaceutical、Veterinary、Meat based、Treatment、Drug為噪聲關鍵詞，且去除公開國別為中國的專利申請文件，簡單同族后對檢索數據人為去噪，剔除與人造肉技術不相關的數據，共獲得人造肉國外申請專利487件，檢索日期2019年5月30日。

2 國內人造肉專利申請情況分析

2.1 國內人造肉專利歷年申請數量趨勢

專利檢索結果表明：人造肉研發早期，2000—2003年平均專利申請量很低；從2004—2015年，國內企業人造肉方向申請的專利數量開始逐步增加，與此同時，國外企業研發投入開始增加，并在中國進行了專利的申請；2016年后，人造肉專利申請出現快速增長趨勢，2016年申請量達到36件，2017年、2018年國內已公開申請的數量已達到20件以上。在申請的專利中，處于授權狀態的專利有49件，實質審查中的有87件、授權的有49件、撤回34件、權利終止29件、公開未實審的有18件、駁回15件、放棄2件。

圖1 國內人造肉專利歷年申請數量趨勢

2.2 國內人造肉專利申請人分析

目前國內人造肉專利申請以企業為主，申請量占71.35%。其中，貴州省貝真食業有限公司專利申請量排名第一(圖2)，該公司主要在功能性素肉的加工方向進行了專利布局，功能性主要涉及治療尿頻、保護視力等。目前公開的51件專利數據中，3件發明專利獲得授權，分別為一種促進生長發育的植物肉及其生產方法(CN104026585B)、一種調節女性生理機能的素肉及其生產方法(CN104026584B)、一種純植物防癌仿生肉及其生產方法(CN104026586B)；3件實用新型專利獲得授權，分別為一種素肉成型模頭(CN207411435U)、一種素肉成型冷卻裝置(CN207411464U)、一種素肉加工設備專用螺桿(CN207411465U)，其余與人造肉相關的專利申請均在審中。佛山市聚成生化技術研發有限公司申請的專利數量位居第二，該公司同樣申請了數量較多的保健功能、膳食纖維類素肉加工相關的專利，如一種補充礦物質的花生蛋白素肉及其制備方法(CN105831264A)、一種補充維生素的花生蛋白全素速凍素肉及其制備方法(CN105831265A)、一種魔芋果蔬全素速凍素肉及其制備方法(CN105831635A)、一種復合菌類全素速凍素肉及其制備方法(CN105815761A)等。該公司專利多處于申請中，目前尚未有授權專利。美國密蘇里索萊有限責任公司在華申請的專利數量位居第三，共申請了15項專利，專利價值度較高，最多被引用9次(圖3)。該公司專利主要涉及對各種植物蛋白進行改性得到富含脂肪酸、有色結構等類似肉類感官特性的植物蛋白肉的生產、加工技術。四川藍光英諾生物科技股份有限公司專利申請量位居第四名，該公司是專門從事以干細胞應用技術推動3D生物打印全球應用的高科技技術服務公司。藍光英諾核心技術為3D打印血管技術，也屬于3D打印人造肉概念股。東北農業大學專利申請量位居第五，也是目前與人造肉相關的申請量最多的科研院校。主要發明人是孔保華，主要從事微生物發酵血紅蛋白、肌紅蛋白研究，其申請專利多與人造肉制品商品化所需輔料有關，用以模擬真實肉制品顏色和風味。

圖2 國內人造肉專利申請數量前10名

圖3 國內人造肉專利被引用次數排名

2.3 國內人造肉專利申請人主要技術分布

對檢索所得國內人造肉專利申請進一步分析，主要分為植物蛋白肉技術、人造肉商品化技術、細胞培養肉技術，申請量占比分別為77%、17%和6%。

(1)植物蛋白肉技術

植物蛋白肉技術中，71件功能性人造肉專利、55件植物蛋白肉加工方法專利，8件人造肉加工設備專利。功能性人造肉專利技術方案較為簡單，多為治療近視、降血糖或含有膳食纖維、維生素等的人造肉產品及制備方法的專利申請，分析價值度不高。植物蛋白肉技術領域中位列前三的主要申請人包括索萊有限責任公司、東北農業大學、非凡食品有限公司。其中，索萊有限責任公司主要是各種植物蛋白改性加工方法，東北農業大學孔保華和江連洲均申請了大豆蛋白改性專利。

(2)細胞培養肉技術

細胞培養肉已公開的國內專利申請較少，主要涉及技術如表1所示。

表1 細胞培養肉技術相關專利類型

進一步對于動物肌細胞培養技術進行分析，培養的細胞來源主要有雞源肌細胞、牛源肌細胞、羊源肌細胞、魚源肌細胞，鼠源肌細胞，豬源肌細胞、人源肌細胞(人源肌細胞主要涉及臨床方向)目前專利申請情況如圖4所示。

圖4 動物肌細胞培養技術專利申請方向

圖5 國內動物細胞培養專利技術功效矩陣

通過上述功效矩陣反映的數據，肌細胞的研究重點主要集中在細胞培養與誘導分化的研究上，主要目的在于提高細胞的繁殖能力、傳代穩定性。主要手段有單細胞法原代培養；外源添加誘導物質促進誘導分化：通過在培養基中添加油酸用于雞成肌細胞肌內脂肪沉積誘導(CN107254434A)；或者通過基因調控表達進行促進培養：通過在鼠源干細胞中穩定表達肌肉干細胞標志物Pax7，體外培養獲得活力強的干細胞(CN106854641A)。在培養基選擇上，在培養基中添加肌源成纖維細胞提取物、丙酮酸鹽和鈣鹽，能夠顯著提高雞骨骼肌肌細胞的融合率，促進骨骼肌纖維直徑的增大及功能性收縮蛋白的表達(CN104152406A)。對于與培養基黏附性較差的細胞(該研究以人源細胞為例)，在培養過程中添加非肌肉型肌球蛋白II抑制劑布雷他汀(Blebbistatin)，增強細胞與對其無親和力或僅有低親和力的表面的附著能力(CN103201377A)。在成肌細胞采集上，采用漩渦振蕩器結合差速貼壁的方法，細胞損傷程度低，成活率較高(CN105886458A)；在羊源肌細胞采集時，常規的密度梯度離心法結合SepMateTM離心管，在淋巴細胞分離液和骨髓之間提供一道屏障，降低操作難度，提高了分離的效率(CN104630143A)；鼠源細胞通過活體采集配合消化酶消化，避免了取樣的污染和對組織過度消化過度吹打所導致的細胞活性低、得率差(CN105907709A)。

(3)人造肉商品化技術

人造肉商品化技術共有30件同族專利，主要涉及香精、肌紅蛋白、血紅蛋白、維生素、黏合劑(如谷氨酰胺轉氨酶)、甜味劑、酵母風味物質，酯類物質、膳食纖維等多種輔料物質。關于人造肉商品化，東北農業大學孔保華申請了肌紅蛋白以及黏合劑相關專利(CN105707734A、CN103555605A、CN103436576A、CN101518302A)。華東師范大學常忠義申請了黏合劑相關專利(CN101940333A、CN101926427A)。

3 國際人造肉專利申請情況分析

3.1 國際人造肉專利申請趨勢

在已公開的國際人造肉專利中，2001—2003年平均申請量較低，此后美國、澳大利亞、非洲、日本等國家相繼申請專利，2013年之后隨著人造肉商品化市場的推進以及技術的升級，以美國和日本為首的國際專利申請量逐年上升，至2017年人造肉國際專利申請量最高，達到22件(圖6)。此外，各申請人在日本和美國進行專利申請的數量最多，分別為120項和108項，占專利總數的50%以上，表明日本和美國是人造肉方向專利申請的重要市場，很可能是未來人造肉生產、加工、銷售的主要目的國(圖7)。對國際專利申請文件法律狀態進行分析可以看出，其中失效50.51%、有效9.03%、PCT-有效期滿8.62%、未確認8.21%、審中3.08%、授權后失效1.44%、部分專利失效1.23%、PCT-有效期內0.82%。

圖6 國際人造肉專利申請趨勢

圖7 不同國家人造肉專利申請情況分析

3.2 國際人造肉專利申請人分析

由圖8可知，人造肉國際專利主要申請人為：Solae LLC(舒萊公司)、Fuji Oil Co.， Ltd.(富士石油集團)、Impossible Foods、Beyond Meat、Ajinomoto KK等。排名第一的Solae LLC主要研究用于生產人造肉食品的各種結構化的蛋白質及其組成物，先后在美國，歐洲，韓國，加拿大、日本等國家進行了專利申請。排名第二的Fuji Oil Co.， Ltd.是一家日本公司，主要在食品配料、油脂和脂肪等生產方面較有研究，目前僅在本國申請了專利。而Impossible Foods和Beyond Meat是人造肉方面研究較為領先的公司，兩家公司的專利也在多個國家進行了布局。Impossible Foods主要基于大豆蛋白、血紅蛋白、風味物質的添加，可以模擬碎肉的纖維性、不均一性和牛肉風味。Beyond Meat公司主要基于植物改性蛋白、風味物質的添加，可以模擬碎肉的外觀和風味。Ajinomoto KK公司的專利主要集中于賦予植物蛋白合適的韌性和口感。

圖8 國際人造肉專利前10名申請人分析

3.3 國際知名公司人造肉相關專利布局分析

(1)Beyond Meat公司

2019年人造肉公司 Beyond Meat 在納斯達克上市，成為人造肉第一股。該公司原名“薩維奇河公司”創立于2009年，是一家制造100%全植物成分的肉類替代品的制造商，除了素食漢堡，Beyond Meat的產品還包括雞肉和香腸替代品。從2013年開始，該公司產品已可通過美國全食超市購買。但2009—2014年該公司并未有專利申請，從2015年開始隨著技術逐漸成熟，該公司在2015年共計申請了14件專利，在中國、美國、澳大利亞等國家均進行了布局，2016年有在澳大利亞，加拿大等多個國家進行了專利申請，2017年通過PCT途徑進入中國香港，2018年在西班牙也開展了專利申報，可見其產品市場成快速擴張趨勢(圖9)。

通過對該公司專利文獻的分析，其中基于營養化方向的US20150296835A1以及質構化方向的US20150296834A1被引次數較多，引用這兩項專利技術最多的正是其競爭對手Impossible Foods公司。引證的文獻主要方向為人造肉風味改造方向，屬于人造肉下游產品品質的改良，推測彼時Beyond Meat公司很可能在人造肉上游產品制備上較Impossible Foods公司更勝一籌。上述引證情況也反映出雙方在技術上存在互補區域，在某種程度上雙方共同推動了人造肉技術成熟化發展。

圖9 Beyond Meat 公司2009-2018年專利申請技術分析

(2)Impossible Foods公司

Impossible Foods公司成立于2011 年，是一家以植物制造的食品來取代動物食品的公司，創始人為來自斯坦福的生物化學科學家Patrick O. Brown，該公司專利布局開展的時間較早。2012年首先在乳酪復制品上進行專利申請。2013-2017年，該公司與斯坦福大學共同對蛋白質分離、提純等方向進行專利申請。2014-2015年出現專利申請高峰，主要申請方向為食品風味改良方向，如風味劑、香味物質，另外對血紅素的制備技術也進行了保護；2015年專利申報方向為人造肉制備相關技術，其中US14796970肉類替代物被引次數較多，引用量最多的是主要研究方向為植物蛋白提取技術的Nutriati Inc公司(圖10)。

圖10 Impossible Foods 2012—2019年專利申請技術分析

4 總結和建議

本文通過對人造肉國內外專利申請情況的分析，可以看出我國人造肉技術發展有如下問題：

(1)專利申請數量較多，但整體價值度不高。我國人造肉專利技術主要集中于植物蛋白肉方向，人造肉市場化技術和細胞培養肉的研究相對較少。植物人造肉方向中植物蛋白改性或加工方向的專利申請較多且價值度較高，功能性植物人造肉方向的專利申請量較多但整體質量以及價值度均較低，恐難有效實現專利產品或技術的合理保護。

(2)專利布局不佳。國內專利保護主要集中于傳統的人造肉加工工藝或設備上，技術升級改進較少，外圍專利布局不足，且缺乏海外專利布局，從長遠看很可能成為制約海外市場的發展的因素之一。另外，國外技術發展勢頭強勁，且技術實力雄厚的國外企業已經在我國開始進行專利申請與保護，無論專利是否獲得授權，都將對國內人造肉技術造成一定的沖擊。

(3)產學研合作有待加強，技術發展步伐較慢。我國企業對于人造肉專利的關注度較高，但存在過于追求專利申請數量，而缺乏合理保護并有效實現產業化的專利的缺陷；高校和科研院所相對于企業研發實力更加雄厚，但對于人造肉技術的關注度均不高，造成多方在產學研融合上存在脫節的現象，這也是阻礙了我國人造肉技術高質量發展的一個重要因素。

(4)技術成果轉化事件少，產業化程度低。國內專利技術轉化事件明顯少于美國(圖11)，僅有的轉化主要發生在加工設備上，而技術流動性較差。目前將專利技術有效地實現市場化、規模化生產仍存在一定差距。

圖11 2000-2019年中國與美國人造肉專利轉讓數量對比