人类在食用肉类方面有着很长的历史，早在150万年前就有食肉的记载[1-2]。随着社会的迅速发展，人类对于肉类的需求大幅增加。据估计，到2050年，全球人口将增长至90亿。经济合作与发展组织和联合国粮食及农业组织(OECD-FAO)预测，2025年世界肉类消费总量将超过300 000 000吨，其中，中国作为肉类消费大国，肉类消费量将达到90 000 000吨，占世界肉类消费总量的28%[3]。
但随着对肉类消费的增加，全球畜牧业对环境的影响引起了越来越多的关注。根据FAO的数据显示，畜牧业排放的温室气体占全球的14.5%，其中，反刍动物排放占比39%[4]。此外，在肉类加工过程中，废水中排放的有机物也会给环保处理带来压力。因此，很有必要开发出绿色环保可持续的传统肉类替代品，在减少全球碳排放的同时，满足日益增加的肉类需求。
随着科学技术的发展以及现代农业模式的变化，人造肉迅速兴起。与传统肉类相比，人造肉类可以减少温室气体的排放以及土地使用。将人造肉类与传统肉类进行比较，发现其温室气体排放量以及各类能源使用量都大幅减少[5]。有研究者认为，人造肉将减少畜牧业占用的大量土地，使更多的土地用于其他产业[6-7]。从动物保护角度看，人造肉类基本不需要屠宰畜禽。假设欧盟27国生产的所有肉类都被人造肉取代，温室气体排放量、土地和水的使用量将减少两个数量级[8]。近年来，动物福利成为了人们日益关注的社会问题，从动物保护角度看，人造肉类不存在不符合福利措施的对动物进行饲养或者屠宰的行为。除此之外，动物屠宰量的减少还有助于保留传统优良畜禽品种的遗传性，并在一定程度上能够保护畜禽物种的生物多样性。
目前，国际上已经有较多的科研机构与公司积极地开展了人造肉的研究，并在市场上推出了较多产品类型。我国则起步较晚，尚处在初步研发阶段，基于中国国情的人造肉研究如何发展尚未形成共识。本文概述了人造肉的类型品种、不同品种的技术特点和发展前景，分析了传统畜禽种质资源对我国人造肉发展的重要性，从而为新老产业的良性促进和互动提供借鉴。
1 人造肉的种类我国国内对人造肉尚未有统一标准的定义。人造肉主要有两种类型：人造素肉与人造培育肉。人造素肉是指以植物蛋白及植物性原料为主要成分，经过挤压、静电纺丝等现代食品加工工艺技术，合成具有近似于传统肉外形与口感的食品[9-10]。人造培育肉是由动物干细胞在体外培养基中培育而成。由于人造素肉与人造培育肉均还未有标准的英文名称，查阅的英文文献中尚未统一标准，因此，本文采用学者在文章中所使用的名称，即人造素肉(plant-based meat)和人造培育肉(cultured meat)[11-12]。
人造素肉的成分为植物性蛋白、水、脂肪、碳水化合物及风味物质和着色剂，其中，蛋白质为主要成分[13]。大豆蛋白因其营养价值与动物蛋白相近，且价格低廉，应用最为广泛。国外已经有工厂实现了人造素肉产品的批量商业化生产，但市场消费者的接受度较低[14]，其主要原因是由于口味和外形与传统肉存在较大差异，还无法真正做到色、香、味俱全。
人造培育肉主要由水、蛋白质、脂肪、碳水化合物以及一些矿物质、维生素等微量成分组成。不同品种的人造培育肉在口感上存在较大差别，主要由于其提取的动物干细胞来源不同，从而导致它的组成蛋白质种类和结构不同。目前，使用最广泛的为猪干细胞[15]。
不论是人造素肉还是人造培育肉，其主要成分均为蛋白质，脂肪含量很少，均无法模拟传统肉的风味与口感。两种人造肉不同之处在于人造素肉主要成分为植物蛋白(例如大豆蛋白)，而人造培育肉为动物蛋白。除了在营养成分上不同外，两种人造肉在制作技术上也存在差别。
2 人造肉的技术特点 2.1 人造素肉的技术特点人造素肉主要由植物性原料生产，是一种替代传统肉的植物性仿肉产品[16]。其发展历程包括传统纯素肉、传统素肉及新型人造素肉[17]。
传统纯素肉完全由植物性原料组成，不含任何与动物相关的成分，经过挤压、蒸煮等食品加工技术制成，例如素鸡、面筋、腐竹等[18]。在我国，传统纯素肉的产品早已存在，其历史可以追溯到一千多年前的梁武帝时代。但传统纯素肉与传统肉口感差异明显，消费者一直将传统纯素肉以素菜使用，并不会作为肉类替代品消费。由于传统纯素肉中植物蛋白并没有纤维化，为了更接近传统肉的外形与风味，进而发展出了传统素肉。
传统素肉以植物拉丝蛋白(大豆蛋白和豌豆蛋白)为主要成分，利用挤压、纺丝、3D打印技术等现代食品生产工艺来破坏蛋白质的三级结构，使蛋白质分子呈线状化、纤维化和直线排列[19]，并在其中添加了明胶等动物原料[20]。传统素肉尽可能地模仿了传统肉的纤维化结构，但在外形上与传统肉仍有着较大差距。
新型人造素肉通过提取植物中的血红素，与植物蛋白(主要为大豆蛋白)形成血红蛋白，更加模拟传统肉的特征(图 1)。数据显示，新型人造素肉的能量、蛋白质、脂肪含量与真正的牛肉相差无几，但饱和脂肪酸减少了近50%，且完全不含胆固醇，比传统肉类更加健康[13]。但在颜色、口感、风味等方面与传统肉相比还存在一定的差距。
在颜色上，人造素肉的颜色较深、缺乏光泽。人造素肉以植物原料为主要成分，缺乏动物的血红素和血红蛋白，很难模拟传统肉的颜色。提取植物中血红素和血红蛋白的方法耗时较长、经济成本较高且提取得到的纯度较低，不利于人造素肉的大规模商业化生产[22]。在口感方面，人造素肉的结构质地松散、缺乏弹性与嚼劲。研究表明，大多数植物蛋白的结构较柔软，不利于形成良好的凝胶[11]。在风味方面，人造素肉的粉味较重，香气差。而传统肉中的香味是由含硫化合物和含氮杂环化合物以及微量的醛、酮、醇等呈现，鲜味则是由肉中蛋白质、脂质等呈现[23-25]。目前，应用于人造素肉的肉味香精还无法真实地还原肉的香味与鲜味，且难以实现人造素肉在烹饪前后香味的一致性。
由于人造素肉的主要成分为植物蛋白，如何让植物蛋白的圆形分子结构重构为肉类的纤维分子，使得其在颜色、口感、风味等方面都更接近于传统肉，仍是目前需要解决的技术难点。为改变这些缺陷，美国Beyond Meat公司将豌豆蛋白分离物作为主要成分，研发合成了一款人造素肉汉堡。Impossible Foods公司利用毕赤酵母与大豆组织蛋白合成大豆血红蛋白研发出的人造素牛肉，其颜色和味道与传统肉中的血红蛋白非常接近。由毕赤酵母发酵制成的肉味香精，与牛肉的真实香味非常接近，且留香时间长[26-27]。但毕赤酵母为非食品级宿主，且合成血红蛋白的纯度较低，仍存在一定的安全问题[28]。由于人造素肉中的脂肪含量较少，在风味上与传统肉的差别较大，Beyond Meat公司的研究人员将菜籽油等植物油脂添加进新型人造素肉中以增加脂肪含量，同时达到外形模拟的效果[29]。最近研究发现，魔芋胶等可作为粘合剂和脂肪替代品来增加人造素肉的弹性[30]，但在风味上仍难以接近传统肉。因此，需要研究开发多种接近传统肉香气的肉味香精，使人造素肉在气味上更满足消费者的需求。
人造素肉最终产品的色、香、味完全取决于其原料成分及比例，不同研发生产公司所使用的配方也不相同，今后的研究重点仍然在于不同植物性原料的组合及配比，使得人造素肉在各方面更接近于传统肉。
2.2 人造培育肉的技术特点人造培育肉概念的产生源于美国的火星计划。20世纪30年代，开始出现人造培育肉的概念[5]，但对人造培育肉进行研究开始于21世纪初期。早在2000年，国外就有团队开始人造培育肉的研发[31-32]。荷兰马斯特里赫特大学(Maastricht University)的马克·波斯特(Mark Post)教授在谷歌联合创始人Sergey Brin的资助下，经过6年研究，在2013年，从猪的肌肉细胞中提取了干细胞，利用动物细胞组织培养技术研发生产出世界首块人造培育肉，引起全世界的广泛关注[33]。
人造培育肉也称为体外养殖肉(in vitro meat)或实验合成肉(synthetic meat)，指利用动物干细胞在动物活体之外生产的肉类。从活体动物上提取肌肉干细胞，包括原代动物肌肉细胞、胚胎干细胞和多能干细胞；再在特定培养基中通过增殖分化，形成肌细胞和脂肪细胞，融合成肌管并形成肌肉纤维；然后，用三维细胞支架材料让肌细胞和脂肪细胞长成肉，并添加其他化合物(如盐、调味料、面包屑、蛋清粉、粘合剂等)来模仿传统肉的颜色和味道，最后组装成肉饼等[34-35](图 2)。
当前应用最广泛的为猪肌肉干细胞和间充质干细胞。如何尽可能模拟动物肌肉组织生长环境是目前人造培育肉面临的挑战[36]。虽然不同细胞系均可进行无限增殖，但在增殖过程中不同细胞系的突变率不同，会直接影响组织的形成，甚至导致细胞衰老与凋亡，从而终止细胞生长增殖过程[37]。此外，在干细胞增殖过程中还存在细胞遗传不稳定的问题。在此过程中有可能存在细胞的非良性增殖，导致癌细胞的产生，这些癌细胞虽然可能无害，但会在人的胃和肠道中被消化[34]，增加人造培育肉制品的不安全性。基于上述问题，诱导性多能干细胞(induced pluripotent stem cells，iPSC)成为人造培育肉的研究热点，该技术可以将终末分化的体细胞重编程为多功能干细胞，扩大了细胞培养过程中干细胞的来源[37-39]。大多数细胞在自然死亡之前的分裂次数有限，导致无法实现细胞组织的大规模增殖。Edelman等[40]通过不断向培养基中补充新鲜培养液的方法，延长了细胞的增殖极限，但仍不能满足人造培育肉生产中细胞大量增殖的要求。
在肌细胞和脂肪细胞生长为肉的过程中，需要将细胞浸泡在凝胶或支架中，给细胞提供临时黏附支持，帮助细胞形成肌肉组织结构[41]。目前，人造牛肉使用的是牛胶原蛋白与人工基底膜的混合物，但此种生物材料不可用于工业化人造牛肉的生产[15]，且成本较高。理想的支架应该具有相对较大的面积以供细胞依附生长，并且可以灵活的收缩舒张，便于与培养组织的分离[42]。因此，开发可食用、可降解或可循环利用的支架非常必要，在不用与培养组织分离的情况下，成为培养组织的一部分，能够在肠道内消化且不会产生安全问题，同时降低人造培育肉的研发生产成本[42]。
体外培养细胞均在特定培养基中进行。在细胞增殖分化培养过程中所必需的多种培养素(碳水化合物、氨基酸、脂质、维生素等)、生长因子(转化生长因子β、成纤维细胞生长因子、胰岛素样生长因子)和激素(胰岛素、甲状腺激素和/或生长激素)一旦经过工业化生产过程，很可能会受到化学加工过程中产生的废物的污染[43-44]，难以满足食品安全要求。优化培养基条件，并实现大规模工业化生产成为当前人造培育肉的技术难点。研究表明，无血清培养基能够避免血清对细胞的毒性以及血清源性污染，并且提高细胞的生长速率及增殖能力[45]。
另外，有氧环境会抑制细胞中肌红蛋白的表达，而肌红蛋白是使肉呈现红色的主要因素。目前，其形成的肌肉纤维呈黄色，而不是传统肉的粉红色或红色。利用大肠杆菌和酿酒酵母[46-47]均可合成人源血红蛋白。因此，可利用食品级的大肠杆菌和酿酒酵母菌株，生产符合工业化标准的不同动物来源的血红蛋白，添加在人造培育肉中模拟真实肉色。
人造培育肉与人造素肉相比，在口感、颜色、风味等方面都更接近真实肉品，这两种人造肉的优缺点见表 1。而且人造培育肉在生产过程中不需要土地、饲料的使用，大大减少畜牧业对环境造成的碳排放污染，且不添加激素、抗生素。Tilman等[48]将人造肉类与传统生产的牛肉、绵羊肉、猪肉和禽肉进行了比较，发现其温室气体排放量减少了大约78%~ 96%，土地使用量减少了99%，水使用量减少了82%~ 96%，能源使用量减少了7%~45%。由于人造培育肉只包含肌肉组织，而不需要呼吸、消化、神经系统、骨骼或皮肤等生物结构[49]，肌肉干细胞的快速生长意味着形成肌肉组织的时间比饲养动物所需的时间更短。因此，人造培育肉将成为今后人造肉的主要研究发展方向。
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表 1 人造肉和传统肉的优缺点比较 Table 1 The comparison of advantages and disadvantages between artificial meat and meat |
消费者食用肉不但要满足常量及微量营养素的需要，也是一种感官享受过程。由表 1可以看出，无论是人造素肉还是人造培养肉在口感和风味上与传统肉产品相比都有一定差距。传统肉的生产是畜禽生长发育的结果，是肌肉和脂肪组织有序组装的过程。以我国的黄羽肉鸡来看，鸡肉的肌纤维直径、肉中胶原蛋白的交联程度、肌内脂肪的数量和组成比例都会对鸡肉的食用品质产生很大影响。目前，人造培育肉的细胞来源以西方畜禽种质资源为主，尚缺少我国地方畜禽细胞培养的人造肉产品。
据《中国畜禽遗传资源志》[51]收录统计，我国共有748种畜禽品种资源。我国家养动物品种经过长期的驯化选择，较好地适应了我国各地独特的地理环境和生态气候，例如藏羊、牦牛等。对于人造培育肉而言，从不同品种畜禽中提取细胞培养出的产品口味与外形也相差较大。截止到2019年底，科技部基础性平台-国家家养动物种质资源库以体细胞和干细胞方式保存了畜禽遗传材料7万余份，涉及130余个品种。这提示人们可以利用我国丰富的畜禽细胞资源，研发出多款各具特色的人造培育肉产品。从另外一个角度来说，丰富的畜禽种质资源是我国传统肉类美食的原料基础。人造肉是人工培养出来的肉，在我国传统畜禽肉类的启发下进行设计，可能会不断趋近传统肉类的食用品质。
3 市场需求分析随着人造肉产品的增加，人造肉市场也在不断扩增。人造肉产品在对环境友好的同时，也能够满足消费者对于肉类产品的需求以及健康绿色的养生理念。数据表明，消费者能够接受并购买人造肉产品[52]。根据Informa Agribusiness Intelligence预测，2021年，英国肉类替代品将增长25%；全球的蛋白替代品市场将增加到460亿美元，产生52亿美元利润。
国内的人造素肉通常是指传统纯素肉及传统素肉，而国外则普遍将人造新型素肉定义为人造素肉。在人造素肉的观念上，我国与西方国家存在着明显的不同，目前，国内消费者仅仅是将素鸡、面筋等产品当作素食进行消费，而西方消费者则是将新型人造素肉视为肉类替代品食用。因此，我国的新型人造素肉并不会影响传统素肉产品的市场，但在人造素肉的推广上还存在着一定的难题。
目前，国外已经对人造素肉进行了大量相关研究，较多企业已掌握了一定的技术和工业化生产经验。从2010年开始，包括Impossible Foods、Beyond Meat等在内的许多国外公司均将人造素肉产业化，与各大快餐品牌(汉堡王、肯德基、麦当劳等)合作销售，同时，也在线下超市进行销售[21, 53]。截至2018年5月，Beyond Meat公司已经在全美360个店铺及超市贩卖其公司生产的新型人造素肉。2019年5月，Beyond Meat公司在纳斯达克登陆，成为了第一个上市的人造肉公司[54]。
我国人造素肉主要以传统素肉为主，在新型人造素肉的研发和市场上还存在较大空缺。2019年4月，中国香港Green Monday公司研发生产了“OmniPork新猪肉”，并登陆电商平台进行销售[21]。2019年8月，北京工商大学李健实验室团队与植物肉品牌合作研发了第一代人造素肉月饼。2019年10月，中国金字火腿公司研发制作了金字火腿植物肉饼。我国人造素肉产品在价格上较国外更具优势[17]，且我国在传统素肉方面有加工基础，产业链完整，生产经验丰富，具有一定的生产优势。但在风味、外形、口感上与传统肉还存在较大差距，其外形松散、肉质感差。
人造培育肉方面，美国创业公司Memphis Meats生产出培育肉系列产品，如肉丸、牛肉卷等。以色列Super Meats、Future Meat等人造肉类科技公司制造了鸡肉块产品[55]。以色列生物科技初创公司Aleph Farms在2018年12月宣布，生产出世界上第一块具有类肌肉质地的牛排[56]。之后，该公司在国际空间站培育太空人造肉[57]，利用3D食品打印技术打印出小规模肌肉组织。我国人造培育肉尚处在研发初期阶段。2019年11月18日，南京农业大学周光宏教授带领团队使用第6代猪肌肉干细胞培育出了5 g的人造培育肉[58]。
虽然国内外已具备人造肉的产品制备及市场化的基础，但生产成本过高。2013年，世界第一块人造培育肉的造价高达33万美元每磅[34]。近几年，虽有降低，但相较传统肉类产品其价格仍居高不下。在美国超市，Beyond Meat公司的肉饼价格几乎是普通牛肉的两倍，与汉堡王合作推出的“人造肉汉堡”也比普通汉堡贵1美元。目前，人造肉高昂的价格及相关法律法规的不完善阻碍着人造肉大规模推向市场[12]。
4 未来展望近日发表在《Nature Food》的一篇文章引起了研究者们的关注，以色列科学家Ben-Arye等[59]利用植物拉丝蛋白作为人造培育肉的细胞3D支架，提取牛卫星细胞系(BSCs)作为培养细胞系，研发制造了一款人造培育牛肉(图 3)。植物拉丝蛋白是一种可食用的多孔蛋白生物材料(图 3a)，材料易获得且蛋白质含量高(>50%)，多孔的特性为细胞附着和增殖提供了支持锚点，使得细胞能够在支架上生成3D肌肉组织。除此之外，还优化了培养基的成分，在培养基中添加胰岛素生长因子(IGF-1)和表皮生长因子(EGF)后发现，能够显著提高肌管的生长面积及形状的复杂性[59]。此款人造培育牛肉在外形上更加接近传统牛肉产品(图 3b)，将牛卫星细胞与牛平滑肌细胞(BSMC)共培养，以及和牛内皮细胞(BEC)三重共培养明显增加了Ⅰ型胶原沉积量，培养得到的产品更具有光泽，且与传统肉有着相同甚至更高的拉伸强度。对肉品进行烹饪后发现，具有了与传统肉一般的咬合性与肉香味(图 3c)。
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a.植物拉丝蛋白支架；b.牛卫星细胞/牛平滑肌细胞共培育肉外观；c.质地与风味特性 a. Textured soy protein scaffold; b. Appearance of BSC/BSMC co-cultured meat; c. Texture and smell properties 图 3 人造培育牛肉[59] Fig. 3 Bovine skeletal muscle tissue for cultured meat[59] |
此项研究是目前人造培育肉的一大突破与创新点，不仅解决了目前人造培育肉过程中细胞支架成本高、难以回收再利用以及食品安全问题，同时优化了培养基的成分，在外形及香味上都与传统肉产品更加接近。这使得今后人造培育肉大规模批量生产成为可能，代表着人造培育肉作为食品的生产应用向前迈进了一步。也使得不同品种畜禽细胞应用于人造培育肉的规模化生产成为可能。
5 小结为了满足人类不断增长的肉类需求，以及减少畜牧业对环境的影响，人造肉类应运而生。与传统肉类生产相比，人造肉类可减少水和土地的使用及温室气体排放，比传统养殖业屠宰使用更少的动物。人造肉类主要有人造素肉与人造培育肉。目前，研发市售的人造肉产品，在口感、外观及风味等方面与传统肉都存在一定差距，在人造肉的大规模产业化过程中，存在着技术与安全隐患的问题，且成本较高，还无法达到批量化生产的程度。因此，今后需要继续优化研发技术，降低生产成本，以推动人造肉产品的商品产业化。利用我国丰富的畜禽细胞资源和植物蛋白资源，研发不同口感风味特色的人造肉产品，同时鼓励相关高校在已有的食品加工科学、动物科学、生物医学工程、作物科学等学科的基础上，组建人工合成肉等多学科交叉专业，通过各学科的融合与协同，聚焦人造肉生产技术攻关，并制定出台与人造肉相关的食品法律法规，以规范市场、监管其产品安全性，将是今后人造肉的研究和发展方向。
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