王廷瑋，周景文，趙鑫銳，張國強，李雪良，堵國成，陳堅*，孫秀蘭*

1(江南大學 食品學院，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫，214122)3(糧食發(fā)酵工藝與技術國家工程實驗室(江南大學)，江蘇 無錫，214122)

“人造肉”(也稱為清潔肉或合成肉)，可以分為“植物蛋白肉”和“細胞培養(yǎng)肉”，簡稱“植物肉”和“培養(yǎng)肉”。培養(yǎng)肉由實驗室中使用從動物肌肉組織提取的細胞合成以供人食用[1]。該方法的靈感來自于用于從患者細胞重建患者的惡化肌肉組織的再生醫(yī)學[2]。簡而言之，就是從未受傷害的活動物收獲少量干細胞，然后在允許細胞分裂和細胞增殖的生長培養(yǎng)基中進行培養(yǎng)，最終獲得培養(yǎng)肉[3]。細胞是特定種類組織的前體，它們能夠在生長培養(yǎng)基中大規(guī)模增長。培養(yǎng)基中的細胞分化成肌細胞，然后融合形成肌纖維[4]。2013年，科學家們通過生產世界上第一個體外肉類漢堡，在體外肉類生產領域跨越了一大步。漢堡包含五盎司的體外肉餡餅，由倫敦Riverside Studios的感官小組烹制和品嘗。使用從牛肩上采集的干細胞，在實驗室里花了3個多月的時間，種植出價值超過33萬美元的牛肉。感官小組成員說，漢堡的味道“幾乎”像傳統(tǒng)的一樣。這一事件引起了人們的關注，期望可以在幾年內看到超市貨架上的養(yǎng)殖肉類和肉類產品[5-6]。

提供普遍可及，負擔得起，安全和可持續(xù)的蛋白質符合聯合國可持續(xù)發(fā)展目標(“21世紀蛋白質”)，同時也是一個緊迫的問題。由于世界人口增加以及隨后的肉類消費量增加，預計未來40年全球肉類消費量將翻1番[7]。1960年，全球消費了4 500萬t肉類(牛肉、豬肉和雞肉)。在一代人的時間里，由于城市化、中產階級的崛起和富裕程度的提高，對肉類的需求急劇增加。2018年，全球肉類產量為2.63億t，預計到2050年將增加近1倍，達到4.45億t。與傳統(tǒng)肉類生產相比，體外肉類生產可具有金融、健康、動物福利和環(huán)境優(yōu)勢：以牛肉的生產為例，飼養(yǎng)1頭500 kg的牛,每天只能合成0.5 kg的蛋白質，但培養(yǎng)500 kg的活細胞每天卻可以合成多達1 000 kg以上的蛋白質[8]。此外，細胞工廠的生產方式不僅可以解決傳統(tǒng)農業(yè)中激素、抗生素、農藥殘留的問題，還可以節(jié)省75%的水，減少87%的溫室氣體排放，需要的土地面積也將減少95%。因此，以細胞工廠為基礎的仿真肉制品將成為未來農產品生產的發(fā)展趨勢[6]。

Mosa Meat、Memphis Meats、Super Meat和Finless Foods等初創(chuàng)公司已經開始研發(fā)人造牛肉、豬肉、雞肉和海鮮，并且該領域吸引的投資已達成百上千萬美元。例如，Memphis Meats公司2018年共募得1 700萬美元，投資者包括比爾蓋茨以及嘉吉公司等大型農業(yè)公司。Mosa Meat公司稱，從1頭牛身上提取的1份組織樣本,可以培育出80 000份1/4磅重的漢堡肉。Memphis Meats 2019年報道稱，1/4磅牛肉的成本約為600美元。按照這一趨勢，培養(yǎng)肉在短短幾年內就足以與傳統(tǒng)肉相媲美。如果對肉質多加注意，再準確添加一些提升口感的輔料，便可以解決人們對口味的擔憂[9]。從長遠來看，培養(yǎng)肉是人類不可避免的未來；然而在短期內，培養(yǎng)肉類生物制造的極高成本是目前市場化主要的潛在障礙，盡管大規(guī)模生產和市場滲透通常與大幅降價有關[10]。

目前，培養(yǎng)肉類技術仍在開發(fā)中，用于制造最終產品的技術尚不清楚，同時還沒有來自動物的新食品的指南，也沒有任何建議的培養(yǎng)肉類技術可以采用的監(jiān)管途徑。美國食品藥品監(jiān)督管理局(FDA)以及加拿大衛(wèi)生部(Health Canada) 已經開始考慮如何對培養(yǎng)肉進行監(jiān)管[2, 11]。考慮到培養(yǎng)肉的特征以及制備技術，其評估應在評估的單獨基礎上進行，并將制造和生產中涉及的多種因素納入考慮范圍。在本文中，對之前文獻所報道過的培養(yǎng)肉制造技術進行匯總分析，發(fā)現培養(yǎng)肉的制造主要存在著以下問題：(1)在培養(yǎng)肉生產過程中，使用的無安全使用史的動物細胞培養(yǎng)組分和載體的安全性[12-13]；(2)培養(yǎng)肉生產制備的新工藝的安全性[14]；(3)基因改造培養(yǎng)肉的潛在安全性[15]。

1 培養(yǎng)肉的制造主要存在的問題

1.1 無安全使用史的動物細胞培養(yǎng)組分和載體的安全性評價與規(guī)范

培養(yǎng)肉生產系統(tǒng)由3個沒有安全使用歷史的組分組成：細胞培養(yǎng)支架、培養(yǎng)基和氧載體[4, 16]。支架技術的應用得以生產具有柔軟一致性的磨碎的無骨肉，而不是像牛排一樣的高度結構化的肉[8]。EDELMAN等人提出了由可食用膠原蛋白制成的珠子作為基底，并且其他可能的支架結構包括大彈性片或長細絲的陣列。由于對支架在細胞培養(yǎng)過程完成后的可食用性和人體降解途徑，以及支架是否應從細胞培養(yǎng)后移除并回收使用存在疑慮，所以必須將支架視為沒有安全使用歷史的產品，或在食品添加劑框架下對其進行安全評估[17-18]。用于肌衛(wèi)星細胞發(fā)育成骨骼細胞兩個階段的培養(yǎng)基通常補充10%～20%的生長培養(yǎng)基[13-14, 19]，培養(yǎng)基種類主要有馬氏血清、胎牛血清或者不含動物血清的新型品牌培養(yǎng)基，如Ultroser G或蘑菇源血清[20]。這些成分都沒有用于食品生產，因此它們必須經過安全評估。用于培養(yǎng)肉生產的人血紅蛋白由轉基因植物[21]和微生物[22]生產。像大腸桿菌這樣的微生物已經被用于生產商業(yè)規(guī)模的人類藥物和食品添加劑[23]，并且正在進行研究以確定它們是否可以生產血液替代品[24]。全氟化合物(PFCs)溶解大量氧氣，因此可以發(fā)揮與血紅蛋白相同的功能[12]?？梢詤⒖计渌称诽砑觿┻M行安全評估。這些氧載體應根據生產培養(yǎng)肉而制造的生產途徑，氧載體可以根據其成分、來源或生產方法進行安全性評估。

1.2 培養(yǎng)肉生產制備新工藝的安全性評價與規(guī)范

在培養(yǎng)肉生產系統(tǒng)中，生物反應器的使用能夠促使細胞在培養(yǎng)基中處于幾乎連續(xù)懸浮的狀態(tài)，流體切變保持在低水平并且組織裝配過程可以容易地懸浮，從而細胞的培養(yǎng)過程得以簡化[14, 16]。在生物反應器中培養(yǎng)細胞將其用于肉類的過程是一種新方法。理想的生物反應器應該具有集成的封閉系統(tǒng)，減少潛在的污染風險[25]。與生長動物和屠宰肉類相反，在生物反應器中培養(yǎng)細胞的過程是一種新穎的過程。細胞在生物反應器中培養(yǎng)，生物反應器應優(yōu)選地具有培養(yǎng)基組分的在線監(jiān)測，以實時調節(jié)培養(yǎng)基灌注[26-27]。生物反應器應具有大體積，以產生高產量的細胞和具有高度自動化的系統(tǒng)[25]。因為動物細胞培養(yǎng)過程需要巨大的封閉表面區(qū)域用于培養(yǎng)和增殖，并促進組織生長[28]。類似的生物反應器之前從未用于食品生產，因此該過程是無食品安全使用史的。針對以上特點，對于新工藝培養(yǎng)肉風險評估方面的考慮因素主要包括：實驗設計和實驗條件；樣品采集和樣品制備過程的標準；所有組件的原始數據；已發(fā)布數據(如果有)；該產品的預期用途和可能的最終產品；任何可預見的非預期用途等方面。需綜合以上要點進行風險評估。

1.3 基因改造培養(yǎng)肉的潛在安全性評價與規(guī)范

將基因工程應用于細胞培養(yǎng)，以產生具有不同質地、味道和風味特征的肉制品[29]。理論上，使用胚胎干細胞而不是肌衛(wèi)星干細胞能夠使細胞具有無限的再生潛力，從而無需收獲更多的胚胎[14, 30-33]。然而，遺傳突變的緩慢積累可能隨著胚胎干細胞的分化而發(fā)生。培養(yǎng)肉生產系統(tǒng)需要多個細胞分裂以形成細胞培養(yǎng)物質和肌肉組織[15]。為了克服這個問題，可以通過以下方法進行改進，包括：(1)定期補充細胞培養(yǎng)；(2)使用永生細胞系；(3)永生化一個細胞系。其中后兩種可能需要進行遺傳修飾，這或許會導致公眾接受困難，引起進一步的爭議，從轉基因層面帶來一定的風險隱患[14]。

安全評估的方法基于這樣的原則：新產品的安全性相對于具有安全使用歷史的傳統(tǒng)對應物進行評估，同時考慮了預期和非預期的影響。然后評估新型和常規(guī)肉類之間的任何顯著差異的潛在不利健康影響。安全性評估特別需要注意的是，基因修飾是否會無意中發(fā)展或增加生物體的致病性、毒性或致敏性[11, 34]?？梢詫⑦z傳修飾的細胞系與來自動物的細胞系進行比較，而不進行遺傳修飾，并評估差異對潛在的不利健康影響。主要包括：(1)所使用的基因編輯方法、生物體的來源、特性和預期功能；(2)有關添加、插入、刪除或修改DNA的信息；(3)序列在最終載體/構建體中的位置方向；(4)引入基因在目標細胞中的功能等。供體和宿主生物的歷史信息可以對培養(yǎng)肉的評估起到很重要的作用。

2 展望

目前實驗室已開始著手相關培養(yǎng)肉風險防范與安全管理規(guī)范方面的工作，根據培養(yǎng)肉的特點，研究內容如下：

2.1 建立載體、組分及生產過程化學性風險預先防范和安全指標體系

利用細胞工廠生產培養(yǎng)肉，通常的做法是在細胞培養(yǎng)物中加入抗生素或抗有絲分裂劑，以防止長期培養(yǎng)物的感染。為了規(guī)范生產過程保證其安全性，必須進行使用材料及生產周期評估以確保其安全使用。因此，為了防止培養(yǎng)過程中使用載體污染物引入，需要開展培養(yǎng)肉原料、無安全使用史材料、新工藝、遺傳修飾過程，及最終產品中抗生素、增塑劑殘留化學污染物的檢測技術研究；確定最終生產中存在的任何抗結塊劑、載體溶劑、固體稀釋劑或在食品制造過程中使用的沉淀助劑、過濾劑等，建立標識和純度規(guī)格以及樣品標簽和使用說明。最終，建立培養(yǎng)肉培養(yǎng)組分和載體的化學性風險指標體系，形成化學性風險預先防范原則和技術規(guī)范標準。

2.2 建立動物細胞培養(yǎng)及轉化過程生物性風險防范和安全指標體系

對于沒有安全使用歷史的食用培養(yǎng)肉和新成分，則應采用逐案處理方法確定對食品進行適當的毒理學試驗，探索培養(yǎng)肉生產過程中基因修飾的潛在風險，構建培養(yǎng)肉全基因組序列數據庫；同時，培養(yǎng)肉生產過程中會帶入一定量的非食品級的胞內蛋白，會在食品中引入高風險的生物外源物質，以及基因改造后形成的新的基因表達體，存在致敏性和未知潛在毒性，因此開展復雜生產體系下培養(yǎng)肉潛在毒性和致敏潛力的評價體系研究，確定培養(yǎng)肉的生物檢測指標體系，并建立安全防范技術標準是十分必要的。

2.3 建立營養(yǎng)成分和營養(yǎng)素利用度比較分析與膳食暴露量評估

評定培養(yǎng)肉與普通肉制品其食品營養(yǎng)價值比對分析和挖掘，全面了解培養(yǎng)肉中各種可食性天然組成成分,以充分利用食物資源，了解在加工過程中培養(yǎng)肉的食品營養(yǎng)素的變化和損失。同時,與傳統(tǒng)肉制品比較，根據同一種食物上使用傳統(tǒng)工藝的食品的預期營養(yǎng)價值所產生的變化進行評估，并確定它是否會對消費者的總體膳食營養(yǎng)攝入量產生重大影響。通過細胞培養(yǎng)獲得的最終產品必須針對常規(guī)肉進行測試，并且必須分析性質的差異?；谏鲜鲅芯?，來確定培養(yǎng)肉在膳食中的攝入標準。

3 結語

培養(yǎng)肉的生產是新生的且現實的，目前的問題不是“我們能做到”，而是“我們將如何規(guī)范它”？本文回顧了目前用于合成體外肉類的技術，并闡述了關于培養(yǎng)肉風險防范與安全管理規(guī)范的研究進展與建議。目前培養(yǎng)肉主要存在著3個方面的風險因素：沒有安全使用歷史的組分，新工藝和潛在的基因改造。在建立風險防范與安全管理體系時需綜合考慮。雖然體外肉類生產是一種預期可獲得大量關注與投資的新興技術，但由于它所具有的獨特性，獲得消費者的認可仍然是這項技術成功的關鍵。