人造肉生产技术相关专利分析

赵鑫锐，王志新，邓宇，高茵，张国强,3，李雪良，周景文,3，堵国成，陈坚*

1(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122) 2(哈尔滨市阳光惠远知识产权代理有限公司，黑龙江 哈尔滨，150028)3(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)

我国是人口大国，生产安全、营养健康的农产品是关系国计民生的头等大事。随着人们生活水平的不断提高，我国肉制品的供求将出现严重的不平衡。预计到2030年，我国肉制品的供给缺口将达到3 804万t，将严重威胁到我国的粮食与食品安全[1]。为了缓解肉类农产品有效供给的压力，近年来包括以植物蛋白为基础的植物蛋白肉和以新型细胞工厂为基础的动物培养肉的人造肉生产技术已经逐渐发展起来。新型人造肉产品相比传统农业畜牧饲养有着显著的优势，不仅可以解决传统农业中激素、抗生素、农药残留和人畜共患病毒、寄生虫、致病菌感染等问题，还可以节省75%的水，减少87%的温室气体排放和95%的土地面积需求[2-3]。

目前在美国和欧洲都已经较为深入地开展了利用微生物细胞工厂或干细胞培养技术生产人造肉制品的研究[4]。早在 2011年，麦当劳曾尝试推出素食汉堡，但是由于口感和市场等问题未能进行大规模推广。之后植物蛋白肉的研究主要集中于以下3方面：(1) 植物蛋白纤维化加工技术：采用物理方法对植物蛋白进行处理，使其具有类似肌肉纤维的口感[5]；(2) 血红蛋白的生产与应用：采用微生物发酵法生产的血红蛋白，可以赋予植物蛋白类似肉制品的颜色，并且可以弥补植物蛋白铁元素含量不足的问题[6]；(3) 风味物质的生产与应用：采用合成生物学技术改造微生物生产多种脂肪、维生素、风味物质，并结合热加工处理方法，使植物蛋白肉的口感接近于真实肉制品[7]。在这些研究基础上，美国Impossible Foods和Memphis Meats公司生产的人造肉制品(牛肉汉堡)，已经获得了2.6亿美元的投资，并实现了在美国、中国香港及澳门地区的店面销售[8]。国内目前的研究还是采用传统的加工方式，植物蛋白肉产品在口感、质地、风味、营养等方面与真实肉制品存在较大差距。由于中式菜肴较西式的油炸、烧烤等加工方式更为复杂和多样，因此对未来的植物蛋白肉产品在中式食品中的应用有着更高的要求[9]。

除了植物蛋白肉之外，在细胞培养肉方面，美国和荷兰近年来投入了大量资源开展相关研究，已经取得了突破性进展。美国南卡罗来纳医科大学的研究人员从火鸡中提取肌细胞，并将细胞培养于牛血清营养液中，得到了条型的火鸡肉[10]。但由于缺乏脂肪及血液供应，培育出的火鸡肉口感较差。荷兰马斯特里赫特大学的MARK教授利用成肌干细胞培养，实现了人造牛肉汉堡在实验室层面上的生产[11]。在此基础上，通过培养条件优化,目前已将生产成本降低至最初的1/5($5 000/g)[12]。近期，荷兰科学家在培养肉项目上获得了大量资金的资助，研究团队计划在短期内利用干细胞培养生产出4 000 g肌肉组织和1 000 g脂肪组织，并显著降低生产成本。2019年3月，日本著名的食品企业日清食品控股公司宣布，与东京大学合作，通过人工培育牛肌肉细胞成功制成约1 cm3的肌肉组织。我国南京农业大学的周光宏教授团队使用猪肌肉干细胞培养20 d后，获得了中国第一块细胞培养肉(5 g)。但总体来说，目前我国关于细胞培养肉相关研究的报道还较少，虽然在人类干细胞和大型家畜的干细胞研究方面有较强的科研实力，但是主要是针对疾病治疗和动物育种，仅能在实验室进行少量的培养。

总体来说，人造肉商业化的产品虽然已经上市，但目前的研究尚处初期阶段，还有很多技术瓶颈有待突破。植物蛋白肉的感官性能与营养价值有待改善，蛋白组分的消化率与生物价有待提升[13]；动物培养肉等细胞农产品生物制造面临细胞组织培养与高效增殖分化问题，现有技术在原始细胞收集、细胞高密度增殖分化、化学成分明确的培养基研发等方面存在瓶颈，导致产量不足[14]；在动物培养肉大规模培养中，动物细胞培养生物反应器的设计与放大等关键核心技术仍存在问题，制约了培养肉生物组织的高效与高密度生产[15]；在培养肉等后期商品化工艺过程方面的研究需进一步加强，关键食品级营养风味成分合成能力不足，使得产品附加值低、成本较高、市场竞争力不足[16]。

针对以上问题以及未来的研究方向，本文以Incopat数据库公开的与人造肉相关的专利申请为数据分析基础，对人造肉生产领域国内外专利申请状况进行了统计和分析，以期对我国人造肉制造产业未来的发展提供参考。

1 研究方法

本文以Incopat数据库作为数据来源，使用人造肉以及与人造肉相似或含义等同的关键词：人造肉、肉替代品、肉替代物、替代肉、肉仿品、重组肉、重构肉、肉类似物、组织工程肉、肉结构蛋白、非肉蛋白质，在标题、摘要和权利要求进行检索，以宠物、饲料为噪声关键词进行去噪，简单同族合并后对检索数据进行人为去噪，剔除与人造肉不相关的数据，共获得人造肉国内申请专利180件。使用人造肉以及与人造肉相似或含义等同的英文关键词为：Artificial-meat、Meat-substitutes、Engineering-meat、Generic-meat、Meat-replicas、Refactoring-meat、Meat analogs、Meat and structured protein、Mock meat、Meat like，以Pet、Feed、Fried、Pharmaceutical、Veterinary、Meat based、Treatment、Drug为噪声关键词，且去除公开国别为中国的专利申请文件，简单同族后对检索数据人为去噪，剔除与人造肉技术不相关的数据，共获得人造肉国外申请专利487件，检索日期2019年5月30日。

2 国内人造肉专利申请情况分析

2.1 国内人造肉专利历年申请数量趋势

专利检索结果表明：人造肉研发早期，2000—2003年平均专利申请量很低；从2004—2015年，国内企业人造肉方向申请的专利数量开始逐步增加，与此同时，国外企业研发投入开始增加，并在中国进行了专利的申请；2016年后，人造肉专利申请出现快速增长趋势，2016年申请量达到36件，2017年、2018年国内已公开申请的数量已达到20件以上。在申请的专利中，处于授权状态的专利有49件，实质审查中的有87件、授权的有49件、撤回34件、权利终止29件、公开未实审的有18件、驳回15件、放弃2件。

图1 国内人造肉专利历年申请数量趋势

2.2 国内人造肉专利申请人分析

目前国内人造肉专利申请以企业为主，申请量占71.35%。其中，贵州省贝真食业有限公司专利申请量排名第一(图2)，该公司主要在功能性素肉的加工方向进行了专利布局，功能性主要涉及治疗尿频、保护视力等。目前公开的51件专利数据中，3件发明专利获得授权，分别为一种促进生长发育的植物肉及其生产方法(CN104026585B)、一种调节女性生理机能的素肉及其生产方法(CN104026584B)、一种纯植物防癌仿生肉及其生产方法(CN104026586B)；3件实用新型专利获得授权，分别为一种素肉成型模头(CN207411435U)、一种素肉成型冷却装置(CN207411464U)、一种素肉加工设备专用螺杆(CN207411465U)，其余与人造肉相关的专利申请均在审中。佛山市聚成生化技术研发有限公司申请的专利数量位居第二，该公司同样申请了数量较多的保健功能、膳食纤维类素肉加工相关的专利，如一种补充矿物质的花生蛋白素肉及其制备方法(CN105831264A)、一种补充维生素的花生蛋白全素速冻素肉及其制备方法(CN105831265A)、一种魔芋果蔬全素速冻素肉及其制备方法(CN105831635A)、一种复合菌类全素速冻素肉及其制备方法(CN105815761A)等。该公司专利多处于申请中，目前尚未有授权专利。美国密苏里索莱有限责任公司在华申请的专利数量位居第三，共申请了15项专利，专利价值度较高，最多被引用9次(图3)。该公司专利主要涉及对各种植物蛋白进行改性得到富含脂肪酸、有色结构等类似肉类感官特性的植物蛋白肉的生产、加工技术。四川蓝光英诺生物科技股份有限公司专利申请量位居第四名，该公司是专门从事以干细胞应用技术推动3D生物打印全球应用的高科技技术服务公司。蓝光英诺核心技术为3D打印血管技术，也属于3D打印人造肉概念股。东北农业大学专利申请量位居第五，也是目前与人造肉相关的申请量最多的科研院校。主要发明人是孔保华，主要从事微生物发酵血红蛋白、肌红蛋白研究，其申请专利多与人造肉制品商品化所需辅料有关，用以模拟真实肉制品颜色和风味。

图2 国内人造肉专利申请数量前10名

图3 国内人造肉专利被引用次数排名

2.3 国内人造肉专利申请人主要技术分布

对检索所得国内人造肉专利申请进一步分析，主要分为植物蛋白肉技术、人造肉商品化技术、细胞培养肉技术，申请量占比分别为77%、17%和6%。

(1)植物蛋白肉技术

植物蛋白肉技术中，71件功能性人造肉专利、55件植物蛋白肉加工方法专利，8件人造肉加工设备专利。功能性人造肉专利技术方案较为简单，多为治疗近视、降血糖或含有膳食纤维、维生素等的人造肉产品及制备方法的专利申请，分析价值度不高。植物蛋白肉技术领域中位列前三的主要申请人包括索莱有限责任公司、东北农业大学、非凡食品有限公司。其中，索莱有限责任公司主要是各种植物蛋白改性加工方法，东北农业大学孔保华和江连洲均申请了大豆蛋白改性专利。

(2)细胞培养肉技术

细胞培养肉已公开的国内专利申请较少，主要涉及技术如表1所示。

表1 细胞培养肉技术相关专利类型

进一步对于动物肌细胞培养技术进行分析，培养的细胞来源主要有鸡源肌细胞、牛源肌细胞、羊源肌细胞、鱼源肌细胞，鼠源肌细胞，猪源肌细胞、人源肌细胞(人源肌细胞主要涉及临床方向)目前专利申请情况如图4所示。

图4 动物肌细胞培养技术专利申请方向

图5 国内动物细胞培养专利技术功效矩阵

通过上述功效矩阵反映的数据，肌细胞的研究重点主要集中在细胞培养与诱导分化的研究上，主要目的在于提高细胞的繁殖能力、传代稳定性。主要手段有单细胞法原代培养；外源添加诱导物质促进诱导分化：通过在培养基中添加油酸用于鸡成肌细胞肌内脂肪沉积诱导(CN107254434A)；或者通过基因调控表达进行促进培养：通过在鼠源干细胞中稳定表达肌肉干细胞标志物Pax7，体外培养获得活力强的干细胞(CN106854641A)。在培养基选择上，在培养基中添加肌源成纤维细胞提取物、丙酮酸盐和钙盐，能够显著提高鸡骨骼肌肌细胞的融合率，促进骨骼肌纤维直径的增大及功能性收缩蛋白的表达(CN104152406A)。对于与培养基黏附性较差的细胞(该研究以人源细胞为例)，在培养过程中添加非肌肉型肌球蛋白II抑制剂布雷他汀(Blebbistatin)，增强细胞与对其无亲和力或仅有低亲和力的表面的附着能力(CN103201377A)。在成肌细胞采集上，采用漩涡振荡器结合差速贴壁的方法，细胞损伤程度低，成活率较高(CN105886458A)；在羊源肌细胞采集时，常规的密度梯度离心法结合SepMateTM离心管，在淋巴细胞分离液和骨髓之间提供一道屏障，降低操作难度，提高了分离的效率(CN104630143A)；鼠源细胞通过活体采集配合消化酶消化，避免了取样的污染和对组织过度消化过度吹打所导致的细胞活性低、得率差(CN105907709A)。

(3)人造肉商品化技术

人造肉商品化技术共有30件同族专利，主要涉及香精、肌红蛋白、血红蛋白、维生素、黏合剂(如谷氨酰胺转氨酶)、甜味剂、酵母风味物质，酯类物质、膳食纤维等多种辅料物质。关于人造肉商品化，东北农业大学孔保华申请了肌红蛋白以及黏合剂相关专利(CN105707734A、CN103555605A、CN103436576A、CN101518302A)。华东师范大学常忠义申请了黏合剂相关专利(CN101940333A、CN101926427A)。

3 国际人造肉专利申请情况分析

3.1 国际人造肉专利申请趋势

在已公开的国际人造肉专利中，2001—2003年平均申请量较低，此后美国、澳大利亚、非洲、日本等国家相继申请专利，2013年之后随着人造肉商品化市场的推进以及技术的升级，以美国和日本为首的国际专利申请量逐年上升，至2017年人造肉国际专利申请量最高，达到22件(图6)。此外，各申请人在日本和美国进行专利申请的数量最多，分别为120项和108项，占专利总数的50%以上，表明日本和美国是人造肉方向专利申请的重要市场，很可能是未来人造肉生产、加工、销售的主要目的国(图7)。对国际专利申请文件法律状态进行分析可以看出，其中失效50.51%、有效9.03%、PCT-有效期满8.62%、未确认8.21%、审中3.08%、授权后失效1.44%、部分专利失效1.23%、PCT-有效期内0.82%。

图6 国际人造肉专利申请趋势

图7 不同国家人造肉专利申请情况分析

3.2 国际人造肉专利申请人分析

由图8可知，人造肉国际专利主要申请人为：Solae LLC(舒莱公司)、Fuji Oil Co.， Ltd.(富士石油集团)、Impossible Foods、Beyond Meat、Ajinomoto KK等。排名第一的Solae LLC主要研究用于生产人造肉食品的各种结构化的蛋白质及其组成物，先后在美国，欧洲，韩国，加拿大、日本等国家进行了专利申请。排名第二的Fuji Oil Co.， Ltd.是一家日本公司，主要在食品配料、油脂和脂肪等生产方面较有研究，目前仅在本国申请了专利。而Impossible Foods和Beyond Meat是人造肉方面研究较为领先的公司，两家公司的专利也在多个国家进行了布局。Impossible Foods主要基于大豆蛋白、血红蛋白、风味物质的添加，可以模拟碎肉的纤维性、不均一性和牛肉风味。Beyond Meat公司主要基于植物改性蛋白、风味物质的添加，可以模拟碎肉的外观和风味。Ajinomoto KK公司的专利主要集中于赋予植物蛋白合适的韧性和口感。

图8 国际人造肉专利前10名申请人分析

3.3 国际知名公司人造肉相关专利布局分析

(1)Beyond Meat公司

2019年人造肉公司 Beyond Meat 在纳斯达克上市，成为人造肉第一股。该公司原名“萨维奇河公司”创立于2009年，是一家制造100%全植物成分的肉类替代品的制造商，除了素食汉堡，Beyond Meat的产品还包括鸡肉和香肠替代品。从2013年开始，该公司产品已可通过美国全食超市购买。但2009—2014年该公司并未有专利申请，从2015年开始随着技术逐渐成熟，该公司在2015年共计申请了14件专利，在中国、美国、澳大利亚等国家均进行了布局，2016年有在澳大利亚，加拿大等多个国家进行了专利申请，2017年通过PCT途径进入中国香港，2018年在西班牙也开展了专利申报，可见其产品市场成快速扩张趋势(图9)。

通过对该公司专利文献的分析，其中基于营养化方向的US20150296835A1以及质构化方向的US20150296834A1被引次数较多，引用这两项专利技术最多的正是其竞争对手Impossible Foods公司。引证的文献主要方向为人造肉风味改造方向，属于人造肉下游产品品质的改良，推测彼时Beyond Meat公司很可能在人造肉上游产品制备上较Impossible Foods公司更胜一筹。上述引证情况也反映出双方在技术上存在互补区域，在某种程度上双方共同推动了人造肉技术成熟化发展。

图9 Beyond Meat 公司2009-2018年专利申请技术分析

(2)Impossible Foods公司

Impossible Foods公司成立于2011 年，是一家以植物制造的食品来取代动物食品的公司，创始人为来自斯坦福的生物化学科学家Patrick O. Brown，该公司专利布局开展的时间较早。2012年首先在乳酪复制品上进行专利申请。2013-2017年，该公司与斯坦福大学共同对蛋白质分离、提纯等方向进行专利申请。2014-2015年出现专利申请高峰，主要申请方向为食品风味改良方向，如风味剂、香味物质，另外对血红素的制备技术也进行了保护；2015年专利申报方向为人造肉制备相关技术，其中US14796970肉类替代物被引次数较多，引用量最多的是主要研究方向为植物蛋白提取技术的Nutriati Inc公司(图10)。

图10 Impossible Foods 2012—2019年专利申请技术分析

4 总结和建议

本文通过对人造肉国内外专利申请情况的分析，可以看出我国人造肉技术发展有如下问题：

(1)专利申请数量较多，但整体价值度不高。我国人造肉专利技术主要集中于植物蛋白肉方向，人造肉市场化技术和细胞培养肉的研究相对较少。植物人造肉方向中植物蛋白改性或加工方向的专利申请较多且价值度较高，功能性植物人造肉方向的专利申请量较多但整体质量以及价值度均较低，恐难有效实现专利产品或技术的合理保护。

(2)专利布局不佳。国内专利保护主要集中于传统的人造肉加工工艺或设备上，技术升级改进较少，外围专利布局不足，且缺乏海外专利布局，从长远看很可能成为制约海外市场的发展的因素之一。另外，国外技术发展势头强劲，且技术实力雄厚的国外企业已经在我国开始进行专利申请与保护，无论专利是否获得授权，都将对国内人造肉技术造成一定的冲击。

(3)产学研合作有待加强，技术发展步伐较慢。我国企业对于人造肉专利的关注度较高，但存在过于追求专利申请数量，而缺乏合理保护并有效实现产业化的专利的缺陷；高校和科研院所相对于企业研发实力更加雄厚，但对于人造肉技术的关注度均不高，造成多方在产学研融合上存在脱节的现象，这也是阻碍了我国人造肉技术高质量发展的一个重要因素。

(4)技术成果转化事件少，产业化程度低。国内专利技术转化事件明显少于美国(图11)，仅有的转化主要发生在加工设备上，而技术流动性较差。目前将专利技术有效地实现市场化、规模化生产仍存在一定差距。

图11 2000-2019年中国与美国人造肉专利转让数量对比