趙鑫銳，張國(guó)強(qiáng),2，李雪良，孫秀蘭，周景文,2，堵國(guó)成，陳堅(jiān)*

1(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122) 2(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，江蘇 無(wú)錫，214122) 3(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無(wú)錫，214122)

近年來(lái)隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，肉類農(nóng)產(chǎn)品的供求出現(xiàn)了嚴(yán)重的不平衡。預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)肉類農(nóng)產(chǎn)品的供給缺口將達(dá)到3 804萬(wàn)t[1]。為了緩解肉類農(nóng)產(chǎn)品有效供給的壓力，以新型細(xì)胞工廠為基礎(chǔ)的人造肉制品生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)逐漸發(fā)展起來(lái)[2-3]。細(xì)胞工廠在生產(chǎn)肉類農(nóng)產(chǎn)品方面相比傳統(tǒng)畜牧飼養(yǎng)有著顯著的優(yōu)勢(shì)：以牛肉的生產(chǎn)為例，飼養(yǎng)一頭500 kg的牛,每天只能合成0.5 kg的蛋白質(zhì)，但培養(yǎng)500 kg的活細(xì)胞,每天卻可以合成多達(dá)1 000 kg以上的蛋白質(zhì)[4]。此外，細(xì)胞工廠的生產(chǎn)方式可以節(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%[5-6]。美國(guó)和歐洲都已經(jīng)開(kāi)始加速人造肉制品商品化的進(jìn)程[7]，但我國(guó)目前尚未見(jiàn)有相關(guān)研究的報(bào)道。

目前，利用細(xì)胞工廠生產(chǎn)人造肉制品主要有兩個(gè)途徑：第一，利用動(dòng)物體內(nèi)分離得到的成肌細(xì)胞或全能干細(xì)胞，在營(yíng)養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)，以促使其形成類似肌肉的組織。在這方面美國(guó)和荷蘭的科研人員已經(jīng)取得了突破性進(jìn)展。美國(guó)的研究人員從火雞中提取肌細(xì)胞，并將細(xì)胞培養(yǎng)于牛血清營(yíng)養(yǎng)液中，可以得到條型的火雞肉。但由于缺乏脂肪及血液供應(yīng)，目前培育出的火雞肉口感還較差。而荷蘭的研究人員從豬肌肉細(xì)胞中提取出干細(xì)胞，然后把細(xì)胞放入營(yíng)養(yǎng)液中培養(yǎng)，促進(jìn)細(xì)胞分裂，從而獲得了含有肌纖維的人造豬肉。這些人造豬肉雖然已經(jīng)具有了類似蛤蜊肉的形狀，但外形上和豬肉還存在較大差距。

第二，以植物組織蛋白為基礎(chǔ)，添加由酵母合成的植物性血紅蛋白來(lái)制作人造肉制品。這種方法的研究進(jìn)展較快并且已有多家公司的產(chǎn)品上市。其中由美國(guó)Impossible Foods公司研發(fā)的人造牛肉漢堡Impossible Burger已于2017年9月開(kāi)始生產(chǎn)，目前在美國(guó)已經(jīng)有超過(guò)1 000家餐廳銷售這款產(chǎn)品，并且這一數(shù)字還在不斷增長(zhǎng)。這款漢堡里所使用的人造牛肉就是在大豆組織蛋白的基礎(chǔ)上，添加了1%左右由畢赤酵母合成的大豆血紅蛋白制作而成。目前，這款人造牛肉漢堡已經(jīng)獲得了超過(guò)2.6億美元的融資。

隨著細(xì)胞工廠和干細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，目前已經(jīng)可以批量生產(chǎn)出人造肉制品，但現(xiàn)在該類產(chǎn)品的市場(chǎng)認(rèn)可度還比較低[8]。主要原因是現(xiàn)階段人造肉制品還無(wú)法逼真地模擬真肉的品質(zhì)。要想生產(chǎn)符合大眾口味的人造肉制品，不僅要在營(yíng)養(yǎng)成分上無(wú)限接近真肉的組成，還要對(duì)細(xì)胞工廠或細(xì)胞培養(yǎng)生產(chǎn)的肌肉組織進(jìn)行商品化加工和重塑成型處理。只有讓產(chǎn)品真正做到色、香、味、型俱全，才能被大眾所接受(圖1)。本文主要綜述國(guó)內(nèi)外可以用于人造肉制品商品化的技術(shù)和相關(guān)研究進(jìn)展，旨在為實(shí)現(xiàn)人造肉制品的市場(chǎng)化提供參考。

圖1 人造肉制品商品化步驟Fig.1 The steps for the commercialization of artificial meat

1 賦予人造肉制品真實(shí)的顏色

肉類的顏色是由肉中的血紅素所賦予，通過(guò)細(xì)胞培養(yǎng)獲得的肌肉細(xì)胞血紅素含量很低，無(wú)法呈現(xiàn)真實(shí)的肉色。因此要想模擬真實(shí)肉制品的顏色，需要在肌肉組織中添加富含血紅素并且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的血紅蛋白。之前以動(dòng)物血液或植物組織為原料，利用化學(xué)試劑提取血紅蛋白的方法不僅耗時(shí)耗力，且純化所得血紅蛋白的純度較低，無(wú)法應(yīng)用于人造肉制品的生產(chǎn)[9]。為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了針對(duì)血紅素及不同來(lái)源的血紅蛋白生物合成的研究。通過(guò)這些研究，已經(jīng)掌握了血紅素及血紅蛋白合成的關(guān)鍵調(diào)控節(jié)點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)利用食品級(jí)菌株合成血紅素及血紅蛋白打下了基礎(chǔ)。

1.1 血紅素的生物合成策略

血紅素在生物體中有C4或C5兩種合成途徑，目前這兩個(gè)途徑中所涉及的酶及其編碼基因均已被解析清楚(圖2)[10]。在此基礎(chǔ)上，利用C4途徑在大腸桿菌中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)少量血紅素的合成[11]。但該策略需要添加甘氨酸和琥珀酸作為底物，并不適合大規(guī)模的發(fā)酵生產(chǎn)。除此之外，過(guò)量的血紅素在細(xì)胞內(nèi)具有生物毒性，因此利用微生物合成血紅素一直存在瓶頸[12]。為了解除這些瓶頸，在最新的研究中通過(guò)采用無(wú)需添加底物的C5途徑、抑制血紅素降解和副產(chǎn)物的形成、利用血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白將過(guò)量的血紅素轉(zhuǎn)運(yùn)至胞外，在大腸桿菌中成功地實(shí)現(xiàn)了超過(guò)200 mg/L血紅素的合成[13]。

圖2 生物體內(nèi)血紅素合成途徑Fig.2 The biosynthetic pathway of heme

1.2 血紅蛋白的生物合成策略

在利用微生物細(xì)胞合成血紅素的基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步合成不同來(lái)源的血紅蛋白。目前的研究主要集中在人源血紅蛋白的合成方面。利用大腸桿菌[14]和釀酒酵母[15-16]均可合成有生理功能的人源血紅蛋白。但相比較而言，食品級(jí)的釀酒酵母表達(dá)系統(tǒng)更適合用于合成真核來(lái)源的血紅蛋白。通過(guò)強(qiáng)化血紅素的合成途徑[15]、調(diào)節(jié)胞內(nèi)的氧檢測(cè)系統(tǒng)[16]，可以在釀酒酵母中合成占總胞內(nèi)蛋白含量高達(dá)7%的人源血紅蛋白。除了人源血紅蛋白之外，美國(guó)Impossible Foods公司利用畢赤酵母成功合成出了植物來(lái)源的大豆血紅蛋白(美國(guó)專利號(hào)：14/797,006)。目前該大豆血紅蛋白已經(jīng)被用于牛肉漢堡的生產(chǎn)，但由于畢赤酵母并非食品級(jí)宿主，且合成出的大豆血紅蛋白的純度僅能達(dá)到大于65%，用于生產(chǎn)人造肉制品還存在著一定的食品安全隱患[17]。此外，植物來(lái)源的大豆血紅蛋白在結(jié)構(gòu)和功能上與動(dòng)物來(lái)源的血紅蛋白還存在著差異。因此，在接下來(lái)的研究中還是需要利用食品級(jí)的釀酒酵母菌株，運(yùn)用成熟的血紅素合成代謝改造策略和蛋白高效表達(dá)系統(tǒng)，來(lái)生產(chǎn)不同動(dòng)物來(lái)源(豬、牛、羊等)血紅蛋白，從而滿足大眾對(duì)人造肉制品視覺(jué)上的需求。

2 賦予人造肉制品真實(shí)的香味

肉類的香味歷來(lái)就受到人們的喜愛(ài)，香味能給食用者以嗅覺(jué)和味覺(jué)上的滿足和心靈上的愉悅，并促進(jìn)身體對(duì)其營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。因此，人造肉制品要想獲得較高的市場(chǎng)認(rèn)可度，必須具備能與真肉相類似的誘人香味。應(yīng)用GC-MS等分析方法，對(duì)比生肉與熟肉的化學(xué)組成可以發(fā)現(xiàn)，肉中主要的香味物質(zhì)是由氨基酸和糖類在高溫下經(jīng)美拉德反應(yīng)形成的含硫化合物和含氮雜環(huán)化合物，以及一些微量的醛、酮、醇和呋喃類化合物[18-19]。而肉類的鮮美味道則是由肉中蛋白、脂類物質(zhì)和香味物質(zhì)共同作用形成的[20-21]。在真肉中脂類物質(zhì)的含量一般在0.5%～15%之間，經(jīng)加熱烹調(diào)后的脂類物質(zhì)在口中經(jīng)過(guò)乳化作用會(huì)使肉的味道變得醇厚，產(chǎn)生濃郁的味道[22]。

2.1 香味物質(zhì)的合成策略

目前市場(chǎng)上的人造肉制品在香味物質(zhì)的組成上與真肉還存在一定的差距，這是造成人造肉制品市場(chǎng)接受程度較低的原因之一。近年來(lái)，通過(guò)采用動(dòng)物或植物蛋白的酶解產(chǎn)物與氨基酸(半胱氨酸)和還原糖(木糖或果糖)反應(yīng)，已經(jīng)能夠生產(chǎn)各種強(qiáng)烈、逼真的香味物質(zhì)。南京林業(yè)大學(xué)和河南科技大學(xué)的研究人員可以分別利用不同來(lái)源的蛋白水解產(chǎn)物，再輔以氨基酸、酵母膏、還原糖和脂肪等物質(zhì)，經(jīng)美拉德反應(yīng)形成香氣濃郁圓潤(rùn)、口感醇厚逼真的肉味香精[23-24]。而江南大學(xué)的研究人員通過(guò)對(duì)形成香味物質(zhì)反應(yīng)體系條件的葡萄糖-半胱氨酸系統(tǒng)優(yōu)化，合成了具備肉味的1, 2-乙二硫醇、2-乙基吡嗪、2, 4, 5-三甲基噻唑和2-乙?；秽?種風(fēng)味化合物[25]。除此之外，應(yīng)用響應(yīng)面的方法對(duì)美拉德反應(yīng)條件進(jìn)行精確地設(shè)定，還可以模擬出多種不同來(lái)源肉制品的香味[26]。在合成風(fēng)味物質(zhì)的基礎(chǔ)上，天津科技大學(xué)的研究人員進(jìn)一步利用酵母菌株合成了牛肉中的風(fēng)味強(qiáng)化肽，應(yīng)用該合成寡肽能提升其他風(fēng)味物質(zhì)的呈味作用，并能增強(qiáng)鮮味顯著改善肉制品的風(fēng)味[27]。將少量安全的肉類香味物質(zhì)與生產(chǎn)的人造肉制品混合，就可以真實(shí)地模擬出各種肉類的氣味，從而滿足人們?cè)谑秤萌嗽烊庵破返倪^(guò)程中嗅覺(jué)上對(duì)香氣的需求。

2.2 人體必需脂肪酸合成策略

人造肉制品在具有香氣的基礎(chǔ)上，還需要添加適量的脂肪酸才能形成肉類獨(dú)特的風(fēng)味。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員，利用表達(dá)載體在釀酒酵母中構(gòu)建了花生油脂和脂肪酸合成代謝途徑，驗(yàn)證了利用生物發(fā)酵法合成人體必需脂肪酸(亞油酸、亞麻酸)及其酯類衍生物的可能性[28]。同樣利用食品級(jí)的解脂耶氏酵母和低廉的原料，經(jīng)培養(yǎng)條件優(yōu)化后已經(jīng)可以合成亞麻酸、二十碳二烯酸、二十碳三烯酸和二十碳五烯酸[29]。目前商業(yè)化的產(chǎn)酯酵母的不飽和脂肪酸產(chǎn)量已經(jīng)可以達(dá)到胞內(nèi)總脂肪酸含量的50%以上[30]。利用成熟的脂類純化方法從產(chǎn)酯酵母胞內(nèi)可以高效地提取出人體所需的不飽和脂肪酸酯(尤其是人體缺乏的Omega-3亞麻酸類的脂肪酸)[31]，并適量添加至人造肉制品中，可以更加真實(shí)地模擬出各種肉類的味道，從而全面滿足人們?cè)谑秤萌嗽烊庵破愤^(guò)程中味覺(jué)上的需求。

3 定制人造肉制品的生產(chǎn)

近年來(lái)隨著大眾對(duì)肉制品品質(zhì)要求的不斷提高，按照不同的飲食習(xí)慣和烹飪方式提供可定制的肉制品將會(huì)成為大眾的追求。來(lái)源不同動(dòng)物不同部位的肉制品，在口感和風(fēng)味上均會(huì)存在較大差異，因此要想實(shí)現(xiàn)對(duì)肉風(fēng)味、營(yíng)養(yǎng)的個(gè)性化定制，需要首先確定所需肉制品中主要成分的比例。應(yīng)用近紅外光譜、質(zhì)譜等檢測(cè)方法，青島農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員對(duì)牛胴體各部位肉質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)成分和理化指標(biāo)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，從而確定了影響牛肉營(yíng)養(yǎng)水平的蛋白、脂類、風(fēng)味物質(zhì)之間的比例和影響肉質(zhì)嫩度的結(jié)締組織蛋白、肌原纖維蛋白和肌漿蛋白三者間含量與化學(xué)結(jié)構(gòu)狀態(tài)之間的關(guān)系[32]。此外，隨著設(shè)備的升級(jí)和人工智能的應(yīng)用，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同部位肉制品組分迅捷、精確地分析，為實(shí)現(xiàn)可定制快速消費(fèi)人造肉制品的生產(chǎn)打下了基礎(chǔ)[33]。在這些研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用可以多維模擬優(yōu)化成分比例的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，構(gòu)建特制人造肉制品的品質(zhì)模型，可以保證所建模型能真實(shí)模擬不同來(lái)源、不同部位真肉的品質(zhì)[34]。在模型的指導(dǎo)下利用細(xì)胞工廠合成的各種組分原料，采用最精確的優(yōu)化配方可以快速制作出能滿足大眾不同口味、不同用途的定制人造肉制品[35-36]。

4 人造肉制品重塑成型技術(shù)

人造肉制品的形狀會(huì)直接影響消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的接受程度。目前利用細(xì)胞工廠合成的原料生產(chǎn)的人造肉制品普遍結(jié)構(gòu)松散，無(wú)法讓食用者產(chǎn)生真實(shí)的咀嚼感。而應(yīng)用3D食品打印技術(shù)則可對(duì)人造肉制品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重塑，完美復(fù)刻真肉緊密而又富有彈性的三維結(jié)構(gòu)[37-38]。具體的制作流程為：首先應(yīng)用3D食品打印機(jī)中的打印建模軟件，對(duì)肉制品的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)[39]；隨后將人造肉制品所需原料和輔料分別放入不同的容器中；再按設(shè)計(jì)編碼程序逐層地鋪料，疊加打印出立體感十足的人造肉制品[40]。應(yīng)用3D打印技術(shù)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展了許多關(guān)于人造肉制品的研究。利用生物相容性的材料，以3D噴墨打印和激光后技術(shù)，已經(jīng)可以制造出結(jié)構(gòu)上高度相似但仍保持柔韌的人造血管[41]。在作為支架的人工血管間，填充按最佳配方合成的人造肉糜和食品級(jí)交聯(lián)劑[42]，以實(shí)現(xiàn)致密肌肉組織的模擬效果。除此之外，最新的3D打印技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人造肉制品中肉質(zhì)的顆粒度、堅(jiān)韌度進(jìn)行可編程的局部控制[43-44]，將更可視化、簡(jiǎn)易化地實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)完美人造肉制品的生產(chǎn)。

5 展望

綜上所述，目前國(guó)內(nèi)外均已具備將細(xì)胞工廠生產(chǎn)的人造肉制品商品化和市場(chǎng)化的基礎(chǔ)，可以在短期內(nèi)生產(chǎn)出市場(chǎng)認(rèn)可度高的人造肉制品。但制約人造肉制品大規(guī)模生產(chǎn)的主要問(wèn)題是生產(chǎn)成本過(guò)于高昂。從生產(chǎn)出第一塊人造牛排的2013年到現(xiàn)在，生產(chǎn)成本雖然已經(jīng)有所降低(從二百多萬(wàn)元人民幣降至約幾十萬(wàn)元)，但仍未達(dá)到進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)的條件。針對(duì)這一技術(shù)壁壘，可以在未來(lái)的研究中進(jìn)一步通過(guò)對(duì)成肌細(xì)胞或干細(xì)胞培養(yǎng)方法優(yōu)化和對(duì)細(xì)胞分化階段的控制，顯著降低以細(xì)胞培養(yǎng)為原料的成本；通過(guò)對(duì)微載體生物反應(yīng)器的研究，實(shí)現(xiàn)干細(xì)胞培養(yǎng)的規(guī)模化，進(jìn)一步降低人造肉的生產(chǎn)成本。除了技術(shù)問(wèn)題之外，國(guó)家食品監(jiān)管部門應(yīng)該提前針對(duì)即將出現(xiàn)的人造肉制品出臺(tái)相應(yīng)的政策和法規(guī)，將人造肉制品與真肉制品和假冒偽劣肉制品嚴(yán)格區(qū)分開(kāi)來(lái)，并對(duì)干細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中可能存在食品安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估，解除大眾對(duì)人造肉制品可能存在的抵觸情緒，在國(guó)家層面打通政策通路。在解除政策技術(shù)、壁壘之后，再輔以日益成熟的人造肉制品商品化技術(shù)，相信在不久的將來(lái)人造肉制品的市場(chǎng)化將會(huì)很快實(shí)現(xiàn)。