本文來源于：生物制品圈

隨著全球人口和經濟活動的不斷增長，自然資源和環(huán)境面臨巨大壓力。根據聯(lián)合國糧食及農業(yè)組織的預測，到2050年，全球對肉類的需求將增加70%，達到4.55億噸。中國的肉類消費也在快速增長，2021年人均肉類消費量達到52kg，是1961年的16倍。為了滿足日益增長的肉類需求，中國在2020年進口了480萬噸豬肉，占全球進口量的46.29%。然而，傳統(tǒng)畜牧業(yè)在養(yǎng)殖過程中消耗大量土地和資源，并產生廢水、廢氣和土壤污染，畜牧業(yè)的碳排放也加劇了溫室效應。

圖1：全球肉類消費量及其預測

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

01人造肉的市場規(guī)模

據中研產業(yè)研究院公布的《2021-2025年中國人造肉市場深度分析及投資前景咨詢報告》顯示，2021年全球人造肉的市場規(guī)模約160億美元，預計到2025年全球人造肉市場規(guī)模有望達到279億美元。另外，巴克萊銀行2019年發(fā)布的研究報告預估，10年后全球人造肉市場規(guī)�？蛇_1400億美元。

圖2：全球人造肉行業(yè)市場規(guī)模預測及增速

至于國內市場，根據市場調查報告，2016-2021年，我國人造肉市場規(guī)模從26億元增長至112億元，年平均增長率在66.2%左右，在人造肉市場普及率持續(xù)提升的背景之下，行業(yè)市場規(guī)模將繼續(xù)增長，初步預計到2028年中國人造肉市場規(guī)模將超過200億元，市場上升空間廣闊。

02人造肉的優(yōu)勢和分類

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

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

二是人造肉能夠有效控制其營養(yǎng)成分。人造肉的好處在于各種營養(yǎng)成分可以進行有效配比，按需生產，確保產品更有利于滿足人類的營養(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。非洲豬瘟曾經直接導致整個中國豬肉供給量的不足，推動了豬肉價格的高位運營。人造肉不存在攜帶或感染病毒的風險，從根本上防止了很多人畜共患病和動物疫病的傳播，如瘋牛病、口蹄疫、非洲豬瘟等，相對而言更綠色更安全。

四是綠色環(huán)保。傳統(tǒng)畜牧業(yè)會對生態(tài)環(huán)境造成巨大壓力，畜牧業(yè)產生的溫室氣體如甲烷等，會導致全球變暖；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，也會消耗大量水資源，而人造肉可有效解決這些問題，減少環(huán)境污染和資源浪費。

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

目前，人造肉可以分為植物基肉、菌類蛋白肉類似物和細胞培養(yǎng)肉三大類：植物基肉是以植物蛋白為原料，通過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養(yǎng)殖或發(fā)酵食用菌來生產肉制品；細胞培養(yǎng)肉則是通過分離動物原生組織中的干細胞，再經過一系列體外培養(yǎng)分化獲得，由于其來源于動物組織細胞，其外形、口感、質地和營養(yǎng)比植物基肉更加接近真實肉類，因此有望成為更合適的動物蛋白替代品。

03培養(yǎng)肉生產流程及關鍵點

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

圖3：細胞培養(yǎng)肉的生產流程

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

第二步：種子細胞的培養(yǎng)過程。種子細胞需要營養(yǎng)因子來促進其增殖、分化和成熟，培養(yǎng)基為細胞提供足夠的營養(yǎng)供應。由于不同批次的血清組分差異較大、有引入致病因子的風險等原因，含血清培養(yǎng)基不適于工業(yè)化規(guī)模生產，而開發(fā)無動物源性血清的培養(yǎng)基是生產細胞培養(yǎng)肉中最亟待解決的問題。目前，市售血清替代品和無血清培養(yǎng)基為體外培養(yǎng)哺乳動物細胞提供了更多選擇。

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

圖4：成肌分化過程及相關調節(jié)因子

第四步-A：細胞生長用支架系統(tǒng)。在培養(yǎng)基中生長的細胞如果沒有合適的支架，想要獲得類似傳統(tǒng)肉類結構的組織是非常困難的。理想的支架應為非動物源，具有適當大小的表面積供細胞生長和附著，具有組織樣硬度的柔韌性以供肌管生長，及良好的培養(yǎng)基擴散能力和易于與培養(yǎng)肉分離的能力，適當的支架系統(tǒng)可以促進細胞增殖、分化。

第四步-B：細胞3D打印技術。將從動物（牛、豬、雞）中提取干細胞進行人工培育、增殖分化成各種細胞類型，再將其以不同比例混合作為生物墨水進行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)肉生產的技術挑戰(zhàn)

種子細胞體外培養(yǎng)過程中如何維持干性與高效定向分化的能力是細胞培養(yǎng)肉規(guī)�；�生產過程中的重要技術問題。在生產細胞培養(yǎng)肉的過程中，生產足夠量的細胞是其中尤為重要的一環(huán)。據估計，生產10-100千克的培養(yǎng)肉需要1012-1013個細胞。高昂的成本是細胞培養(yǎng)肉規(guī)模生產面臨的主要“卡脖子”問題。因此，為了滿足市場需求，高密度細胞培養(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)細胞，大幅提高細胞培養(yǎng)密度，輔以生物反應器可提供更可控的細胞培養(yǎng)環(huán)境，使實現(xiàn)大規(guī)模培養(yǎng)成為可能。

實際上，工藝開發(fā)是建設規(guī)�；�生產體系重中之重的一環(huán)，是細胞培養(yǎng)肉實現(xiàn)商業(yè)化生產的基礎保障。Eppendorf生物反應器在溫度、溶氧、pH值等條件的精確控制具有卓越優(yōu)勢，近年來其產品已廣泛應用于生物醫(yī)藥領域中蛋白質藥物、單克隆抗體、疫苗的工藝開發(fā)和生產中，且其產品在干細胞培養(yǎng)方面的應用尤為突出。然而，細胞培養(yǎng)肉領域的種子細胞并非廣泛使用的工程化細胞，沒有成熟的規(guī)�；�培養(yǎng)工藝和參數，因此需要針對性設計培養(yǎng)和分化路徑，精確研究關鍵參數和放大工藝。

《人工培養(yǎng)肉技術的進步》（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，該書特邀了多名來自企業(yè)和名校的專業(yè)人士，從細胞系來源和特性、細胞培養(yǎng)和組織工程技術的應用、質量和可持續(xù)發(fā)展、到人們對培養(yǎng)肉態(tài)度轉變等多方面全面介紹了該人工培養(yǎng)肉技術要點、挑戰(zhàn)和應用。同時，該書還著重討論了建立監(jiān)管框架以允許這種新型產品的生產和貿易的重要性，以及消費者對新技術的接受度這一關鍵問題等內容。其中，Eppendorf被特邀撰稿生物反應器這一重要章節(jié)，詳細描述了其培養(yǎng)細胞的工藝原理和操作細節(jié)。