人造肉及其研究开发进展

袁波，王卫，张佳敏，周星辰，白婷

（成都大学肉类加工四川省重点实验室，四川 成都 610106）

随着人类经济社会快速发展，全球总人口估计在2050年达到98亿[1]，肉制品作为人类获取蛋白质等营养物质的重要来源之一，需求将上升70%，全球肉制品的市值将达到21万亿元。传统畜牧养殖业的供给侧面临严峻考验，随之而来的环境问题和社会问题不容忽视。传统养畜温室气体排放约占全球总排放量的15%，放牧所需土地占可用土地资源的25%，并且1/3的农田产出供给畜禽养殖[2]。为应对未来几十年内可能出现的粮食安全危机，人类将目光投向了非传统畜禽养殖业提供蛋白质来源的领域，“人造肉”应运而生。人造肉以营养健康、节能减排、安全高效等优势受到关注，其技术研发和产品开发已成为热点。统计显示植物基肉等人造肉替代食品的规模已超过50亿美元，到2023年有望达到64亿美元，接受素肉制品的消费者将超过4亿人口，其未来市场潜力巨大。本文就人造肉的种类与特点、研究现状、关键技术及存在的问题进行了综述。

1 人造肉种类与特点

人造肉产品种类可分为植物基肉、动物蛋白仿真肉、菌体蛋白肉和细胞培养肉。

植物基肉主要是以大豆蛋白、花生蛋白等植物蛋白为原料，辅以香辛料、调味料、植物油等，运用简单的重组工艺生产的一种类似于肉的制品，具有高蛋白质、低胆固醇、高产出、低成本等优点，且其加工工艺较简单，适合工厂规模化生产。但目前的产品口感依然保留了植物蛋白的原味，与真肉在质地、口感上有较大的差距。

动物蛋白仿真肉是一类以动物蛋白为主要原料的仿真肉制品。通常以乳蛋白、禽蛋蛋白、氨基酸或动物明胶等原料混合，辅以各类调味调香料，运用重组工艺制作而成，与植物基肉相比更接近畜禽肉特性与营养。

菌体蛋白肉是指以单细胞微生物发酵产生的单细胞蛋白（single cell protein，SCP）为主要原料，经重组质构后制成的一类仿肉制品。其蛋白质来源极为丰富，如细菌、酵母菌、霉菌等均能利用各类碳源、氮源等矿物质通过生物发酵的途径来合成蛋白质，且具有生产效率高、产量大、蛋白品质好等优点。

细胞培养肉是将从动物胚胎等中提取的细胞放入适宜的体外模拟发生器中，运用细胞扩增体外培养技术得到纯肉组织[3]。细胞培养肉生产制作过程涉及众多学科领域，其难度相对较大，商品化生产的关键技术仍然处在试验阶段。

2 人造肉的研究进展

2.1 植物基肉与动物蛋白仿真肉制品

植物基肉和动物蛋白仿真肉制品已有较长的历史，其技术成熟，产业化程度相对较高，至今已开发出多种风味[4]。动物蛋白仿真肉制品的早期产品仅是禽蛋白、乳蛋白的简单凝集，其质构和风味与现代植物基肉有明显差距。20世纪30年代后期，美国化学家波耶发现大豆残渣缠绕成股、富含蛋白质，可将其制作成清淡易消化的“肉类”，于1953年取得了“人造肉”发明专利，这即是植物基肉的前身。近年来，产业化投放市场的植物基肉各式各样，包括肉干、烤肉、腊肠、肉排、肉丸等[5]，动物蛋白仿真肉制品主要在欧洲市场出现，包括低温蒸煮肠、素火腿等。业内专家预测，该类型产品的销售额将以28%的速度持续增长，具有良好的市场前景。

食品加工技术进步使得素肉制品与畜禽肉的距离逐步缩短，高度仿真成为可能。我国的首个植物基肉2002年在武汉研制成功，并获国家生物技术专利[6]。吴芳祖等[7]、孙照勇[8]对植物基肉加工、植物蛋白肉挤压组织化特性等都进行了较为深入的研究，张岚等[9]应用非膨化挤压技术改善大豆蛋白制品的风味；吕斌[10]将蛋清、谷朊粉、大豆分离蛋白作为天然黏合剂解决了素肉干挤压成型难的问题，同时发现适量的谷氨酰胺转氨酶（glutamine transaminase，TG）可加快素肉产品塑型。有研究表明植物膳食纤维替代部分动物脂肪制得的仿肉制品在风味上与真肉没有显著差异[11]，适量的魔芋胶可起到降低脂肪含量、减少胆固醇摄入的作用[12]，魔芋胶已经在多种植物基肉、动物蛋白仿真肉制品中起到成型、模拟肉咀嚼特性的作用。在颜色模拟方面，植物中提取的植物血红素可与植物蛋白形成植物血红蛋白，由此赋予素肉类似肉的色泽[13]，研究表明利用毕赤酵母与大豆组织蛋白合成大豆血红蛋白的人造素牛肉，其颜色可与真肉十分接近[14]。

2.2 菌体蛋白肉

我国菌体蛋白主要应用于饲料生产领域，在食品级应用领域相对较少。赵彩艳等[15]进行了以玉米粉和麸皮为主要原料生产单细胞蛋白饲料的研究；宋雅芸[16]对马铃薯渣发酵生产蛋白饲料进行研究。丛泽峰等[17]利用温敏型谷氨酸发酵生产废渣获得谷氨酸菌体蛋白，经水解后替代适量豆粕水解液用于温敏型谷氨酸发酵培养基中。同时发现谷氨酸发酵代谢积累海藻糖，其不易被菌体利用，添加海藻酶将海藻糖转化为葡萄糖，其二次利用可降低成本[18]。菌体蛋白在饲料领域表现优异，且其特点较符合人造肉的绿色可持续发展宗旨，何海燕等[19]以木薯淀粉为原料混菌发酵生产可食性单细胞蛋白，筛选得到最优混菌发酵组合为产朊假丝酵母和米曲霉，并发现最优蛋白产出培养条件。而发达国家已在食品领域解决了成本、设备、标准、法规、营养的问题，并实现了菌体蛋白肉的产业化等[20]。菌体蛋白肉加工的核心技术，涉及到发酵功能菌选择、安全控制、氨基酸平衡、核酸RNA脱除、凝聚及重组和质构技术、色素和口感等。

2.3 细胞培养肉

细胞培养肉（culture meat），又称体外肉，此概念由W.S.Churchill于1932年首先提出[21]。至今细胞培养肉依然停留在实验室的研究阶段，其发展相当缓慢。传统动物组织培养技术早期用于研究细胞的代谢和生长特征，而食品级动物组织培养的相关研究始于20世纪末21世纪初的欧美实验室[22]。2000年，美国杜鲁大学支持的生物科学研究联合体利用金枪鱼细胞培养出了人造鱼肉[23]。2013年，荷兰生物学家Post团队做出世界上首个人造肉汉堡[24]，随后多家外国公司也利用类似细胞培养策略生产新型人造肉。近年国内外众多的研究团队、肉制品公司正推进应用组织工程生产畜肉的技术商业化[20]。

近年来在细胞培养肉上的一些关键技术取得进展，YANG等[25]成功将不同来源的动物细胞诱导为干细胞，证明体外培养的干细胞具有多分化潜能；Edelman等[26]用可持续增殖的细胞系辅以不断地更新培养液的方式，打破弗利克极限，利用胶原蛋白构建球状支架系统；Soledad等[27]利用多功能牛胚胎干细胞实现牛肌肉纤维细胞的高效增殖；Zhao等[28]通过代谢工程改造大肠杆菌实现血红素高效生产。Shiozuka等将改良的无血清培养基用于肌原代细胞增殖分化，开发一种化学定义简单、经济的培养基系统，同时发现在抑制成纤维细胞增殖时被污染方面，DTIBF培养基相比含血清培养基有更佳的效果[29]。Hocquettede等[30]通过肌肉细胞与脂肪细胞共同培养，提高人造肉的纹理结构和风味。俄罗斯宇航员在国际空间站太空微重力条件下，运用3D生物打印技术，模拟母牛体内组织再生的过程，培育出了小规模肌肉组织，生产此块肌肉组织需要消耗的总物料资源相对较少[31]。这些研究为动物细胞组织高效培养提供理论支撑。

3 人造肉加工关键技术

3.1 植物基肉和动物蛋白仿真肉制品

3.1.1 风味优化

植物基肉和动物蛋白仿真肉制品的主要原料本身具有一定滋味，例如植物基肉的主要原料大豆蛋白、动物蛋白仿真肉制品的主要原料为禽蛋白，均具有浓烈的腥味，想要去除这种滋味难度很大[32]。施小迪[33]研究表明，将温度提高至80℃以上可以显著降低豆腥味，但非豆腥味成分损失较多；乳酸菌能够代谢已醛，却附带不良的酸腐味，添加缬氨酸和异亮氨酸能够降低不良酸腐味，但也会导致体系碱味增加、pH值升高和严重褐变。通过添加肉味香精可以改善风味，但依然能品尝出不良滋味[34]。

通过添加肉味香精来改善植物基肉和动物蛋白仿真肉制品风味的方式附带一定安全隐患。以植物基肉为例，即使在最优条件下，总挥发性风味物质保留率也较低，且豆腥味依然严重，需要添加肉味香精[35]。而肉味香精里存在危害因子3-氯-1，2-丙二醇 （3-chloro-1，2-propanediol，3-MCPD）酯，具有致癌风险，尽管可通过对原料的优化控制而减少，但无法完全去除[36]。此外，素肉制品通常添加植物油来改善其风味和口感，植物油富含多不饱和脂肪（polyunsaturated fatty acid，PUFA），PUFA极易发生氧化生成危害物[如丙二醛（malondialdehyde，MDA）]，这对于油炸素肉制品尤为明显，可能对人体健康造成危害[37]。

由此可见，植物基肉和动物蛋白仿真肉制品的咀嚼感、风味等依然无法与真肉相媲美，其仿真研究有待在风味优化及安全控制等方面进一步深入。

3.1.2 成型模拟

目前高湿挤压技术是植物基肉和动物蛋白仿真肉制品成型的主流技术之一。高培栋等[38]利用高湿挤压技术制作松粕复合素肉，发现在适宜的工艺参数下，制品内部结构与牛肉相似，但感官评分不高。挤压温度直接影响成品组织蛋白的硬度和弹性，温度过低时，制品难以形成均匀的纤维化结构，组织蛋白结构松散难以成型；温度过高时，产品水分散失加快，含水量低，弹性下降，硬度升高，导致产品感官品质降低[39]。王锐等[40]采用装模蒸制成型技术制作新型鸡蛋干，发现切片性不佳，易出现开裂现象，通过适当添加羧甲基纤维素、羧甲基纤维素钠等增稠剂的方式可改善鸡蛋清蛋白溶胶的凝胶强度[41]。由此可见，简单的高湿挤压技术还不能满足植物基肉和动物蛋白仿真肉制品同时具有成型优、切片性好等品质要求。此类仿真肉制品的成型技术有待进一步研究与开发。

3.1.3 色泽模拟

色泽作为植物基肉和动物蛋白仿真肉制品的重要感官指标之一，其色泽会直接影响消费者的食欲和购买欲，如何赋予植物基肉良好的色泽关系到消费者对素肉接受度[42]。目前赋予其色泽的主要技术路径有两条，第一是直接向制品中添加食用级色素，包括天然色素（血红素、辣椒红）、人工合成色素（红曲红）；第二是通过微生物发酵与植物蛋白合成类肉的颜色（如毕赤酵母与大豆组织蛋白合成大豆血红蛋白）。但这两类技术途径均有一定问题，通过向植物蛋白中添加从植物中提取的植物血红素，使红色素与植物蛋白形成植物血红蛋白来模拟真肉的红色，但素肉制品经过熟化后的颜色与真肉制品仍有差距，从植物中提取红色素所需时间长，成本较高，且红色素纯度较低[14]；通过毕赤酵母与植物蛋白合成血红蛋白的途径虽可以获得较好的色泽表现，但毕赤酵母为非食品级宿主，且合成的血红蛋白纯度较低，安全问题不容忽视[43]。

3.2 菌体蛋白肉

3.2.1 生产菌体的原料与菌种选择

制作菌体蛋白肉的主要原料为菌粉，是利用天然气、氨基酸发酵液[44]、工业废水、菌渣、果渣、糖渣、淀粉废液等[45]作为能源和碳源来生产细菌、酵母、真菌以及微藻等微生物，然后通过发酵技术、微生物提取、分离提纯以及后续的喷雾干燥等技术或加工工艺，最终得到高蛋白、合理氨基酸的菌粉[46]。微生物菌种对菌粉产率和品质有决定作用，因此菌种的筛选是提升菌体蛋白肉品质的关键技术之一。凌晓等[47]筛选出胶红酵母N5和酿酒酵母J1，它们具有较强的氨氮利用能力以及酶活性，且蛋白质含量较高。Cruz等[48]以大豆乳清废水为基质，使用8种酵母发酵，发现产脘假丝酵母蛋白含量高且生长量最大。任亚萍等[49]发现酵母菌与黑曲霉、米曲霉混合发酵能显著提高蛋白质及必需氨基酸含量，改善饲料的营养价值。王卫等[50]以菌菇、菌渣和菌柄作为碳源和氮源，利用食品级白地霉（Geotrichum candidum）和扣囊拟内孢霉（Endomycopsis fibuligera）的发酵作用，成功生产了一种菌蛋白调理仿真肉制品，并获得了专利。国内菌种筛选在菌体蛋白肉中的应用研究还处于起步阶段，因此适用于生产菌体蛋白肉的食用菌种的选择是目前急需解决的技术难题之一。

3.2.2 核酸清除与营养平衡

通过微生物发酵所得的菌粉的菌体蛋白含量很高，营养丰富，但其含有的核酸却不是菌体肉所需的，食用过多的核酸可能会引发代谢障碍和痛风等疾病[51]，因此核酸含量高低将决定菌粉的品质[52]。此外菌粉成分与畜禽肉比较，菌体蛋白中铁、维生素B12的含量较低，赖氨酸缺乏[53]。菌体蛋白肉通过营养强化技术可平衡氨基酸组成，而核酸清除成为难点。目前的核酸清除方法常见有超声波破碎法、浓盐法、浓盐与超声破碎结合法、菌体自溶法，其中自溶法的核酸清除率较高，但其仍含有8%的RNA和2%的DNA，目前仅用于动物饲料领域[54]，无法达到人类食用等级[55]。目前，菌粉在素肉制品中依然作为辅料添加，而要实现菌体蛋白为主料生产菌体肉，并获得消费者认可，依然需要降低菌粉中核酸的含量，提高菌粉的纯度，并对缺乏的营养素进行强化。

3.3 细胞培养肉

3.3.1 细胞培养基

动物细胞培养在所有离体培养中是最困难的，这是由其特殊培养条件所决定的。细胞培养基是模拟复杂的动物体环境，包含血清、支持物、气体调节、适宜温度、无菌环境等培养条件[56]。其中血清提供生长必须因子，如激素、微量元素、矿物质和脂肪，为动物细胞离体培养提供生长所需的天然营养液[57]；支持物为细胞生长提供支持作用；其它培养条件参数为细胞培养提供了必要的生长环境。苛刻的培养条件和不成熟的培养体系使其无法为高品质、低成本的商业化生产提供充足的原料。

3.3.2 细胞来源

不同的动物细胞增殖分裂能力存在较大差异。目前动物细胞培养的细胞来源主要是分离原生组织中的干细胞，例如胚胎干细胞、肌肉干细胞、间充质干细胞、成体干细胞等[58]。然而动物体内的干细胞有限，无法满足生产需要，为进一步拓展原始细胞来源，基于可诱导多功能干细胞的研究得到广泛关注，该技术可以高效制备多功能干细胞，实现大规模细胞增殖[27]。通过诱导突变等方式将不同来源的动物细胞变为干细胞，来获得良好的分裂能力，但由此带来的成本增加和诱导突变带来的安全隐患不可忽略。

3.3.3 细胞组织成型

自然状态下的动物肌肉细胞为附着生长，并嵌入到相应组织中。为了模拟体内环境，体外肌肉细胞培养需要利用合适的支架体系进行黏附支撑生长，辅助形成细胞组织纹理及微观结构，维持肌肉组织三维结构[59]。Lam等[60]运用微型波浪表面支架进行细胞组织培养，获得更接近真肉的外部形态和纹理特性；但其咀嚼口感较差。肉不仅仅有肌肉，还包含连接组织、神经结缔组织和脂肪细胞[61]。低成本、高效率的细胞三维培养技术将是未来需要探究的一个重要方向[62]。食品3D打印技术可实现分层制造、逐层叠加，具有简单、方便、灵活等特点[63]。未来食品3D打印技术可能在培养肉的塑型方面发挥重要作用。

3.3.4 技术体系构建

现有技术体系还不成熟，不能实现细胞培养肉绿色可持续化产出。细胞培养需要的胎牛血清提取于怀孕母牛的胎儿，反复提取会导致牛和牛犊死亡，这与“动物福利”和“伦理”相悖。无血清培养是从血液中分离纯化各种成分再混合制成，其实质需要屠宰动物，细胞体外培养需要添加相关支架，不断更换培养液，细胞培养肉的培养条件苛刻，需要的设备和技术开发投入成本更高。为提高细胞持续增殖能力和实现胚胎干细胞突破海弗利克极限，需通过基因工程或化学方法诱导原始组织或细胞系产生突变，不断地更新营养液，促使细胞无限增殖，并培养出相应的细胞体[64]。此外，细胞突变过程不可控，存在细胞非良性增殖带来的安全风险，对其风险防范与安全管理规范和相关的监管体系尚未构建[65]。

4 人造肉发展尚存在的问题与未来展望

4.1 存在的技术问题

人造肉发展的技术环节，在成型模拟、色泽模拟以及风味模拟等关键技术点仍需研究突破。在成型模拟方面，植物蛋白纤维固化技术（高湿挤压成型技术、3D打印技术、蒸煮成型技术等）和植物胶模拟动物蛋白和脂肪的乳化特性等方面取得突破，使其在高温煮制条件下仍具有类似真肉（如鸡肉、猪肉、牛肉等）的弹性、质感和良好的乳化效果；在色泽模拟方面，植物血红素提取纯化技术、微生物发酵合成色素及纯化技术、多种着色剂复配技术等将成为解决素肉色泽模拟问题的技术突破点；在风味模拟方面，丰富肉味香精的多样性，优化肉味香精的安全性、经济性和稳定性，使素肉制品具有真肉风味品质。

相比其它人造肉，细胞培养肉涉及的学科众多，其技术难度更为复杂、安全要求更加苛刻，人们对其的争议也相对较大。就细胞培养肉技术层面而言，目前细胞培养肉规模化生产技术不成熟，必须突破的技术难点主要包括良性提升细胞增殖、分化的能力、高效低能的细胞培养液的研发、适合细胞培养支架成型条件的改进，以及适合细胞培养肉制品的加工工艺技术的开发及运用。最终实现模拟细胞培养器的低能耗、高效率、规模化的细胞组织原料生产，进而解决细胞培养肉的原料不足、成本高、不安全、品质（纹理成型、风味、色泽、口感）与真肉有差距等一系列问题。

4.2 产品市场与竞争

人造肉产业和传统肉类产业竞争激化[66]，很多消费者不相信人造肉制品是解决肉业问题的方法，而人造肉企业家们更希望称自己的产品为“干净肉”（clean meat）[67]，显然人造肉加工及其产品合法性的争议，以及各方利益争斗将会激烈化。尽管美国农业部和食品药品管理局（Food and Drug Administration，FDA）两家监管机构宣布将分担监管人造肉的责任，以确保公平竞争，但推动有利于植物性和实验室培育肉类的法规的出台尚需时日。

尽管培养肉和素肉制品拥有众多优点，但其风味、口感、营养等始终与真肉品质有差距，消费者对于这一新型食品的认可和接受度还不高[68]。细胞培养肉的组织结构、风味、口感更接近真肉，但关键技术还不成熟，面临生产成本高、安全评估缺乏、产品标准和法规建立等一系列问题，短期几乎没有上市可能，社会各界人士对人造肉还保持谨慎态度。

4.3 展望

人口增长、温室效应和环境恶化是人类发展必须面对的严峻挑战之一，以畜禽水产等养殖为主体的动物蛋白质食品的供给短缺，使得“人造肉”必然将在蛋白质食品市场占有一席之地。在各类人造肉中，植物基肉成本最低，但风味、口感、色泽较差；动物蛋白仿真肉风味、质地较好，但成本较高；菌体肉营养最佳、潜力巨大、技术有待成熟，但最可能成为素肉制品重点发展方向。细胞培养肉则需随着细胞生物学、细胞工程学、发酵工程学以及其它交叉学科基础的发展才可能从实验室走向市场[69]。从人类社会文明发展进步的角度来看，人造肉未来大有可为。以科技发展时间为主轴线，肉制品行业长期的处于畜禽肉制品主导的局面不会改变，人造肉可作为肉制品的补充而继续长期存在。专家预测人造肉行业将呈现出短中期（5年～10年）以素肉制品为主导，长期（10年～20年）细胞培养肉缓慢进入，同样可在缓解人类蛋白食品供给危机方面发挥作用。