大规模生产培养肉（肉替代品）: 趋势、挑战和有前途的生物制造技术

1培养肉的必要性

全球人口预计将在2050年达到100亿。粮食系统需要转型，以满足未来的需求，同时平衡大规模粮食生产带来的社会和生态平衡。

过去50年来，全球肉类需求增长了两倍，2018年达到3.4亿吨。

传统的以畜牧业为基础的肉类生产将需要大量资源(如土地、水、饲料)，在过去的几十年里，已经把世界上一半的可居住土地用于农业，其中四分之三用于饲养牲畜或种植动物饲料作物。通过扩大畜牧业生产来继续满足人口增长对肉类的需求增加已经几无可能。

人工培养肉最近成为蛋白质的一种替代来源，既能满足未来的需求，又能应对与传统畜牧业相关的挑战。截至2019年底，19个国家的55家以细胞为基础的肉类和海鲜公司，其中22家在当年推出了产品。越来越多的公司正在向专业服务提供商转变(例如，开发无动物细胞培养基、制造生长因子、生物过程设计、开发细胞株)。产品种类也日趋多样化，肉类(牛肉、鸡肉、猪肉等)生产企业有33家，海鲜(金枪鱼、鲑鱼、甲壳类等)生产企业有7家，提供各类专业原料和设备的企业有15家。

2 培养肉的技术挑战

工业培养肉类生产的目标是通过细胞培养生产出一种经济上可行的肉类替代品(如一整块牛排或一片鱼片)。最终的产品应该具有与真正的肉类相似的营养价值、质地和风味，并且微生物污染的风险较低。

人工培养肉类的生产始于能够增殖并分化成肉类成分的干细胞系。这些从胚胎中分离出来的细胞或从牲畜中提取的细胞被放置在细胞培养皿中，然后在为细胞增殖提供培养基和适当生长条件的种子列中扩展。然后这些细胞被转移到生物反应器中，在支架上生长并成长肌肉组织。在收获时，这些组织通常是薄层的，需要像肉制品一样堆叠起来，具有一定的厚度。也有可能将多种类型的细胞共培养在一起，形成一个3D的肉状结构。

             图1 人工培养肉的主要生产过程

图1为了人工培养肉类生产的主要过程。

培养肉的基础理论知识和实验室（生产）技术来自组织工程和再生医学等生物学、医学研究。但要用于培养肉类生产，许多方面都需要进一步发展。从细胞系的开始到最终产品的收获，整个生物过程都需要优化和创新，投资和合作。

以下领域的技术开发尤为重要:细胞系开发、细胞培养基、支架折叠和生物反应器(包括用于自适应控制的在线监视器和传感器)。

2．1. 细胞系

理想的肉培养细胞株应该在生物反应器环境的悬浮或支架中具有强大的增殖和分化能力，并能承受绝对压力、代谢废物堆积和营养饥饿。这些起始细胞最有可能来自家畜，用于生产常见的消费肉类，如家禽、牛肉和猪肉。

2.2 培养基

培养基提供必要的营养和生长因子，以支持细胞增殖和分化。动物血清，如胎牛血清(FBS)，常用于培养基中提供关键营养，包括生长因子和激素。然而，动物血清可以引入成分的不一致性，也是培养基是主要的成本来源。

此外，动物血清存在污染和伦理问题。因此，用于培养肉类生产的培养基需要是无血清的。无血清培养基配方已被用于细胞治疗和组织工程;然而，现有的配方需要改进，以培养家畜细胞系和有效支持细胞生长和分化，以低成本大批量生产。除血清外，生长因子是培养基的重要成本构成因素，显著降低生长因子的成本对于培养肉的经济可行生产是必要的。

2.3。支架

扩张后的干细胞被转移到生物反应器中，在支架上生长并成熟为肉组织。支架可以让细胞附着并组装成具有3D细胞结构的组织，类似于天然的肉类结构。支架材料必须是食品安全的，可食用的，或生物可降解的，从无动物来源的工业应用。支架应具有良好的生物相容性，并能有效支持细胞粘附。孔隙度和力学性质也是需要考虑的重要因素，影响介质灌注和组织成熟。为了制造出与真实肉相似的3D肉组织，支架还需要支持超过1厘米厚度的成熟组织。

2．4． 生物反应器

培养肉类的大规模生产应该在一系列的生物反应器中进行，这些反应器为各种参数提供一个可控的环境，如温度、pH值、溶解氧和二氧化碳。这个过程开始于生物反应器中的细胞扩张，通常在种子培养中，生物反应器的体积不断增加，以保持细胞增殖的指数增长，同时防止细胞分化。然后将这些细胞附着在支架上或通过生物打印排列成最终的3D结构，并转移到灌注生物反应器中进行组织成熟。图2显示了用于细胞扩张和组织成熟阶段的不同生物反应器。理想情况下，用于培养肉类生产的生物反应器应具有有限的剪切应力和均匀的环境，支持大规模细胞以指数速率生长，并具有较低的能量和消耗性需求。高效的生物反应器还应实现自动化，实时监测和支持营养物质的持续供应和废物的清除。

                图2  生物反应器

摘译自Biomaterials 280 (2022) 121274