将细胞转化为牛排和鸡块的科学

地球人数量越来越多，如何给如此多的人提供理想的食物显然是非常重要的工作。大量摄取常规肉类不仅有害健康，而且需要消耗更多粮食。地球人主粮相对可以自给自足，但是还需要大量动物饲料，主要是满足越来越多富裕起来的人们对肉类食品的不断增加需求。如何可否这个困境，科学技术的发展提供了一种简单思路，就是直接用细胞培养肉类。细胞培养肉，不仅更健康，可能更美味，且更经济环保。不久的将来，我们可能是最早大量食用培养肉的一代人。吃细胞培养肉，你准备好了吗？

“尝起来像鸡肉。”这是对UPSIDE Foods新试用产品的常见评论。也许这并不奇怪：毕竟，在细胞水平上，它是鸡肉。但不是来自屠宰场，它们生长在加利福尼亚州一家城市工厂的生物反应器中。

十多年前，只有少数研究人员在研究实验室制造肉类的潜力。世界上第一个养殖牛肉汉堡，据报道价值32.5万美元，是由马斯特里赫特大学生物医学工程师Mark Post制作的，他在2013年的新闻发布会上吃了它。现在这些产品更接近市场：全球有150多家公司正在研究人造肉，牛奶或相关的“细胞农业”产品，包括皮革。

 Lab-grown meat: the science of turning cells into steaks and nuggets (nature.com)

今年6月，美国监管机构通过了实验室培育的肉类，使该国成为世界上第二个将这种食品推向市场的国家。伯克利的UPSIDE Foods和加利福尼亚州阿拉米达的Eat Just Meat两家公司现在可以出售他们的栽培鸡（自2020年以来，少量的GOOD Meat鸡肉能在新加坡购买）。观察人士预计，今年美国餐厅至少会出售一种产品，即使最初是亏本销售的。根据一份行业报告，生产工厂正在建设中，投资已达到 27.8亿美元。

随着商业活动的增加，包括食品科学和医学生物技术在内的不同领域的学者正在改进细胞培养并完善该过程的其他部分。良好食品研究所 （GFI） 是一家位于华盛顿特区的非营利组织，成立于 2016 年，旨在推广动物产品的替代品，已通过100 多项研究资助发放了1700 万美元，以加强肉类替代品各个方面的科学；超过一半的钱用于种植肉类。2021 年，马萨诸塞州梅德福的塔夫茨大学成立了细胞农业中心，现在约有二十多名研究人员致力于从制造到销售细胞培养肉类的各个方面。今年4月，英国资助了一个由巴斯大学领导的细胞农业制造中心。

倡导者说，培养肉将减轻人类对肉的贪婪胃口的负面影响。畜牧业占用大量土地，约占全球温室气体排放量的15%。食用红肉和加工肉类与心脏病、糖尿病和癌症有关;养鸡场可以传播禽流感等病毒，并促进抗生素耐药性;养鱼场会污染海水。在全球范围内，每年有80亿只动物死于我们的晚餐 - 联合国和经济合作与发展组织的一份联合报告预测，由于富裕人口的增长，到2031年，全球对肉类的需求将增长15%。

作为回应，食品工业正在开发一系列替代蛋白质来源，从藻类到昆虫。但是，如果肉类的感官体验是优先考虑的，那么细胞培养的肉类可能会获得最高奖项。“我和那些已经吃素15年的人谈过，他们仍然渴望肉，”波斯特说。他说，如果爱吃肉的习惯很难改变，那么显而易见的解决方案就是用肉代替肉。

然而，行业观察家不同意可以生产多少养殖肉，有多便宜以及这种努力是否值得。

“在土地利用和生物多样性相关影响方面有如此明显的好处。这只是一种更有效的肉类生产方式，“荷兰非营利咨询公司CE Delft的工业生态学家Pelle Sinke说，他从事评论工作1,2养殖肉的碳足迹和成本。但是，他补充说，在能源使用、技术开发和市场方面仍然存在重大问题。目前的版本比传统肉类贵数百到数万倍1.例如，要取代全球每年食用的约3亿吨标准肉类中的10%，可能需要建造数十万个生物反应器。

“我对人造肉非常挑剔，”伦敦卫生与热带医学院的食品系统研究员Marco Springmann说，他为2019年世界经济论坛关于替代蛋白质的白皮书做出了贡献。3以及 2019 年 EAT 柳叶刀委员会关于健康、可持续饮食的报告4.“我认为这对健康、粮食安全以及目前的环境来说都是一个坏主意。

培养肉的一般方法是从动物身上取活组织，在营养浴中培育细胞，使它们大量繁殖，诱导它们分化成成熟的肌肉或脂肪，也许还可以锻炼肌肉细胞并使它们结合成纤维。一些产品，包括GOOD Meat的产品之一，将动物细胞与植物材料相结合，制成肉味的金块。其他人，例如来自以色列雷霍沃特的Aleph Farms的那些，更雄心勃勃的目标是制作复杂的结构，包括牛排。

人造肉行业的主要科学和工程挑战与十年前大致相同：找到最好的起始细胞，混合良好的“饲料”以帮助他们成长，并完善制造物流。

所有这些的首要考虑因素是成本。“有些人喜欢使用这个想法，'哦，这就像酿造啤酒'。但这完全不像酿造啤酒，“澳大利亚墨尔本莫纳什大学的生物技术专家保罗伍德说，他对该行业持批评态度。他说，培育动物细胞比培育微生物要困难得多，因此成本也高得多。

在为GFI编写的报告中1，Sinke和他在代尔夫特CE的同事为人造肉制造制定了各种预测。最乐观的情况推测，从理论上讲，生产成本可以降至每公斤6美元左右;他们对传统肉类的基准是每公斤2美元。其他研究则不那么乐观：在 2021 年使用不同假设进行的一项分析中，未来设施中培养肉生产的最低想象成本为每公斤 37 美元5研究作者总结说，这一数字“可能会排除其产品作为食品的可负担性”。

为了寻找最好、最有效的产品，公司和研究人员正在调整肉类种植过程的每个部分。

他们使用各种各样的起始细胞，这些细胞可以以不同的速度或密度生长，并产生不同的质地或营养成分。Post的公司，荷兰马斯特里赫特的Mosa Meat，从奶牛活检中取出肌肉干细胞，并将它们生长成成熟的肌肉纤维。然而，这些细胞在停止之前只能分裂大约30-50次。虽然单次活检原则上可以提供数十万公斤的肉，但这种方法仍然需要频繁的新鲜培养基。苏黎世瑞士联邦理工学院的再生生物学家Ori Bar-Nur获得了GFI的资助，用于研究小分子混合物如何使肌肉干细胞同时增殖并分化成成熟的肌肉。这个技巧应该比其他方法更快、更便宜地制造更多的肌肉纤维和更大的肌肉纤维。

另一种选择是使用“不朽”细胞系，理论上可以通过一次取材来喂养世界。这些可以通过基因改造来实现——这条路线在欧洲面临沉重的监管负担——或者通过偶然发现自发的细胞系（就像著名的HeLa人类细胞以及来自小鼠和鹌鹑的各种研究细胞系一样）。

位于雷霍沃特的以色列公司Believer Meats（前身为Future Meat Technologies）发表了一项关于其自发不朽的鸡成纤维细胞的研究6.成纤维细胞是一种结缔组织细胞，伍德称之为“细胞培养世界的杂草”，生长快速且容易 - 并且可以转化为脂肪样细胞。这项研究产生了非常高密度的细胞 - 如果系统可以扩大规模，应该将更多的生物质装入生物反应器并降低成本。Believer Meats的目标很高：它已经破土动工，目标是每年生产10万吨养殖肉 - 比其他养殖肉工厂的数十吨高出几个数量级。

一些研究人员说，食用永生细胞的安全性，这可能会产生可能导致肉中肿瘤的突变。7，尚未完全建立。但联合国粮食及农业组织（FAO）三月份关于培养肉安全性的报告得出结论，这些细胞在包装、烹饪和消化中存活并造成任何伤害的可能性“与目前的科学认识不一致”。8.

为了促进对培养肉的研究，GFI编制了一份已知有用细胞系的目录（到目前为止有52种，从牛到鹌鹑），并与马萨诸塞州波士顿的试剂公司Kerafast合作，储存和销售迄今为止四种细胞系的冷冻样品。该目录包含几种鱼类，例如大西洋鲭鱼（Scomber scombrus）。GFI生物学家艾略特·斯沃茨（Elliot Swartz）指出，鱼类通常不在大学农业系，但鱼细胞似乎更容易培养，因为它们比低氧水平，宽pH范围和低温的哺乳动物细胞更耐受。

到目前为止，该过程最昂贵的部分是细胞所需的“饲料” - 氨基酸，称为生长因子的蛋白质，糖，盐和维生素的汤。实验室中细胞系的经典饲料基于一种称为胎牛血清的牛血衍生物，但这同样伴随着动物福利和可持续性问题。事实证明，替换它相对简单，Post说。他指出，他和其他人已经发表了关于替代品的文章，每家公司都有一个专有的组合。

但成本仍然非常高。Post说，目前特定生长因子的商业供应每克可能花费数百万美元，因为它们是按照制药标准少量生产的利基产品。然而，研究开始发现一些更便宜的植物性替代品。9.UPSIDE Foods 宣布在 2021 年生产了无血清饲料，但该公司表示其初始产品仍使用一些动物血清。

同时，培养流程的后勤工作也有很多改进的机会。例如，加州大学洛杉矶分校的食品科学家艾米·罗瓦特（Amy Rowat）获得了GFI的资助，用于开发可食用珠子作为肌肉细胞粘附和弯曲的支架，以改善纤维质地。其他研究人员正在研究如何让细胞培养物在越来越大的生物反应器中蓬勃发展，同时为它们提供氧气，排出废物并避免破坏其结构。

斯沃茨说，大多数公司的目标是生产营养上与传统肉类相当或更好的产品。但红肉的许多有害健康问题将持续存在，斯普林曼指出。“这不太可能更健康，如果更健康的话，”他说。加工的动植物杂交种，如由与鸡油混合的植物制成的鸡块 - 预计将是最便宜的养殖肉类产品 - 可能含有人造色素或添加剂，让一些消费者停下来。粮农组织指出，与其他食品一样，培养肉需要受到有害细菌、过敏原、剩余抗生素、生长激素和其他因素的限制。

在环境健康方面，与生产牛肉、猪肉或鸡肉相比，养殖肉类将使用更少的土地和水。但能源使用是一个严重的问题——即使假设雄心勃勃的能源使用目标，到2030年，制造人造肉每公斤的能源仍将比牛肉生产多60%左右，牛肉生产是目前最严重的罪犯。然而，根据Sinke的分析，如果这种能源来自可再生能源，那么养殖肉的碳足迹可能小于传统肉类。2.英国牛津大学的一份报告发现，每公斤人造肉蛋白的排放量甚至可能小于植物和昆虫蛋白的排放量。10.

第一批进入市场的产品是鸡肉，尽管从气候的角度来看，标准鸡肉的碳足迹在主要肉类中最小。但斯沃茨指出，取代鸡肉对动物福利有真正的好处，可以限制人畜共患疾病，并且通过使用更少的抗生素，可以阻止抗生素耐药性的问题。11.大多数公司都计划将其范围扩展到牛肉和其他肉类。

有人会吃吗？调查发现，消费者食用培养肉的意愿存在很大差异 - 部分取决于它的名字。对“培养肉”和“清洁肉”的态度比使用“实验室培育”或“人造”的描述更积极12.一些人认为大众市场正在向中国招手，肉类消费增长特别快3.

具有讽刺意味的是，在西方世界，养殖肉可能会在素食者中找到很大的市场，斯普林曼指出。例如，UPSIDE Foods与米其林三星厨师Dominique Crenn合作，后者计划在她目前的鱼素餐厅销售其产品。

Sinke说，如果人造肉要解决全球问题，“它需要取代传统肉类，而不是成为另一种奢侈品”。

科学网-人造肉生产设备细胞生物反应器-孙学军的博文 (sciencenet.cn)

科学网—细胞培养的牛肉，敢不敢吃？ - 孙学军的博文 (sciencenet.cn)