培養(yǎng)肉風(fēng)險防范與安全管理規(guī)范

王廷瑋，周景文，趙鑫銳，張國強(qiáng)，李雪良，堵國成，陳堅*，孫秀蘭*

1(江南大學(xué) 食品學(xué)院，江蘇 無錫，214122) 2(江南大學(xué) 生物工程學(xué)院，江蘇 無錫，214122)3(糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室(江南大學(xué))，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(xì)胞培養(yǎng)肉”，簡稱“植物肉”和“培養(yǎng)肉”。培養(yǎng)肉由實(shí)驗(yàn)室中使用從動物肌肉組織提取的細(xì)胞合成以供人食用[1]。該方法的靈感來自于用于從患者細(xì)胞重建患者的惡化肌肉組織的再生醫(yī)學(xué)[2]。簡而言之，就是從未受傷害的活動物收獲少量干細(xì)胞，然后在允許細(xì)胞分裂和細(xì)胞增殖的生長培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)，最終獲得培養(yǎng)肉[3]。細(xì)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(xì)胞分化成肌細(xì)胞，然后融合形成肌纖維[4]。2013年，科學(xué)家們通過生產(chǎn)世界上第一個體外肉類漢堡，在體外肉類生產(chǎn)領(lǐng)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(xì)胞，在實(shí)驗(yàn)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(guān)注，期望可以在幾年內(nèi)看到超市貨架上的養(yǎng)殖肉類和肉類產(chǎn)品[5-6]。

提供普遍可及，負(fù)擔(dān)得起，安全和可持續(xù)的蛋白質(zhì)符合聯(lián)合國可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(“21世紀(jì)蛋白質(zhì)”)，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(fèi)量增加，預(yù)計未來40年全球肉類消費(fèi)量將翻1番[7]。1960年，全球消費(fèi)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(chǎn)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(chǎn)量為2.63億t，預(yù)計到2050年將增加近1倍，達(dá)到4.45億t。與傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)相比，體外肉類生產(chǎn)可具有金融、健康、動物福利和環(huán)境優(yōu)勢：以牛肉的生產(chǎn)為例，飼養(yǎng)1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)[8]。此外，細(xì)胞工廠的生產(chǎn)方式不僅可以解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中激素、抗生素、農(nóng)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(xì)胞工廠為基礎(chǔ)的仿真肉制品將成為未來農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的發(fā)展趨勢[6]。

Mosa Meat、Memphis Meats、Super Meat和Finless Foods等初創(chuàng)公司已經(jīng)開始研發(fā)人造牛肉、豬肉、雞肉和海鮮，并且該領(lǐng)域吸引的投資已達(dá)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(nóng)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(nèi)就足以與傳統(tǒng)肉相媲美。如果對肉質(zhì)多加注意，再準(zhǔn)確添加一些提升口感的輔料，便可以解決人們對口味的擔(dān)憂[9]。從長遠(yuǎn)來看，培養(yǎng)肉是人類不可避免的未來；然而在短期內(nèi)，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(chǎn)和市場滲透通常與大幅降價有關(guān)[10]。

目前，培養(yǎng)肉類技術(shù)仍在開發(fā)中，用于制造最終產(chǎn)品的技術(shù)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(shù)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(jīng)開始考慮如何對培養(yǎng)肉進(jìn)行監(jiān)管[2, 11]。考慮到培養(yǎng)肉的特征以及制備技術(shù)，其評估應(yīng)在評估的單獨(dú)基礎(chǔ)上進(jìn)行，并將制造和生產(chǎn)中涉及的多種因素納入考慮范圍。在本文中，對之前文獻(xiàn)所報道過的培養(yǎng)肉制造技術(shù)進(jìn)行匯總分析，發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)肉的制造主要存在著以下問題：(1)在培養(yǎng)肉生產(chǎn)過程中，使用的無安全使用史的動物細(xì)胞培養(yǎng)組分和載體的安全性[12-13]；(2)培養(yǎng)肉生產(chǎn)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(xì)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(chǎn)系統(tǒng)由3個沒有安全使用歷史的組分組成：細(xì)胞培養(yǎng)支架、培養(yǎng)基和氧載體[4, 16]。支架技術(shù)的應(yīng)用得以生產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)包括大彈性片或長細(xì)絲的陣列。由于對支架在細(xì)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(yīng)從細(xì)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(chǎn)品，或在食品添加劑框架下對其進(jìn)行安全評估[17-18]。用于肌衛(wèi)星細(xì)胞發(fā)育成骨骼細(xì)胞兩個階段的培養(yǎng)基通常補(bǔ)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(chǎn)，因此它們必須經(jīng)過安全評估。用于培養(yǎng)肉生產(chǎn)的人血紅蛋白由轉(zhuǎn)基因植物[21]和微生物[22]生產(chǎn)。像大腸桿菌這樣的微生物已經(jīng)被用于生產(chǎn)商業(yè)規(guī)模的人類藥物和食品添加劑[23]，并且正在進(jìn)行研究以確定它們是否可以生產(chǎn)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(jìn)行安全評估。這些氧載體應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)培養(yǎng)肉而制造的生產(chǎn)途徑，氧載體可以根據(jù)其成分、來源或生產(chǎn)方法進(jìn)行安全性評估。

1.2 培養(yǎng)肉生產(chǎn)制備新工藝的安全性評價與規(guī)范

在培養(yǎng)肉生產(chǎn)系統(tǒng)中，生物反應(yīng)器的使用能夠促使細(xì)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(xì)胞的培養(yǎng)過程得以簡化[14, 16]。在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)細(xì)胞將其用于肉類的過程是一種新方法。理想的生物反應(yīng)器應(yīng)該具有集成的封閉系統(tǒng)，減少潛在的污染風(fēng)險[25]。與生長動物和屠宰肉類相反，在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)細(xì)胞的過程是一種新穎的過程。細(xì)胞在生物反應(yīng)器中培養(yǎng)，生物反應(yīng)器應(yīng)優(yōu)選地具有培養(yǎng)基組分的在線監(jiān)測，以實(shí)時調(diào)節(jié)培養(yǎng)基灌注[26-27]。生物反應(yīng)器應(yīng)具有大體積，以產(chǎn)生高產(chǎn)量的細(xì)胞和具有高度自動化的系統(tǒng)[25]。因?yàn)閯游锛?xì)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(jìn)組織生長[28]。類似的生物反應(yīng)器之前從未用于食品生產(chǎn)，因此該過程是無食品安全使用史的。針對以上特點(diǎn)，對于新工藝培養(yǎng)肉風(fēng)險評估方面的考慮因素主要包括：實(shí)驗(yàn)設(shè)計和實(shí)驗(yàn)條件；樣品采集和樣品制備過程的標(biāo)準(zhǔn)；所有組件的原始數(shù)據(jù)；已發(fā)布數(shù)據(jù)(如果有)；該產(chǎn)品的預(yù)期用途和可能的最終產(chǎn)品；任何可預(yù)見的非預(yù)期用途等方面。需綜合以上要點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)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(yīng)用于細(xì)胞培養(yǎng)，以產(chǎn)生具有不同質(zhì)地、味道和風(fēng)味特征的肉制品[29]。理論上，使用胚胎干細(xì)胞而不是肌衛(wèi)星干細(xì)胞能夠使細(xì)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(xì)胞的分化而發(fā)生。培養(yǎng)肉生產(chǎn)系統(tǒng)需要多個細(xì)胞分裂以形成細(xì)胞培養(yǎng)物質(zhì)和肌肉組織[15]。為了克服這個問題，可以通過以下方法進(jìn)行改進(jìn)，包括：(1)定期補(bǔ)充細(xì)胞培養(yǎng)；(2)使用永生細(xì)胞系；(3)永生化一個細(xì)胞系。其中后兩種可能需要進(jìn)行遺傳修飾，這或許會導(dǎo)致公眾接受困難，引起進(jìn)一步的爭議，從轉(zhuǎn)基因?qū)用鎺硪欢ǖ娘L(fēng)險隱患[14]。

安全評估的方法基于這樣的原則：新產(chǎn)品的安全性相對于具有安全使用歷史的傳統(tǒng)對應(yīng)物進(jìn)行評估，同時考慮了預(yù)期和非預(yù)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(xì)胞系與來自動物的細(xì)胞系進(jìn)行比較，而不進(jìn)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(yù)期功能；(2)有關(guān)添加、插入、刪除或修改DNA的信息；(3)序列在最終載體/構(gòu)建體中的位置方向；(4)引入基因在目標(biāo)細(xì)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(shí)驗(yàn)室已開始著手相關(guān)培養(yǎng)肉風(fēng)險防范與安全管理規(guī)范方面的工作，根據(jù)培養(yǎng)肉的特點(diǎn)，研究內(nèi)容如下：

2.1 建立載體、組分及生產(chǎn)過程化學(xué)性風(fēng)險預(yù)先防范和安全指標(biāo)體系

利用細(xì)胞工廠生產(chǎn)培養(yǎng)肉，通常的做法是在細(xì)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(chǎn)過程保證其安全性，必須進(jìn)行使用材料及生產(chǎn)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(chǎn)品中抗生素、增塑劑殘留化學(xué)污染物的檢測技術(shù)研究；確定最終生產(chǎn)中存在的任何抗結(jié)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(biāo)識和純度規(guī)格以及樣品標(biāo)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(xué)性風(fēng)險指標(biāo)體系，形成化學(xué)性風(fēng)險預(yù)先防范原則和技術(shù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 建立動物細(xì)胞培養(yǎng)及轉(zhuǎn)化過程生物性風(fēng)險防范和安全指標(biāo)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(yīng)采用逐案處理方法確定對食品進(jìn)行適當(dāng)?shù)亩纠韺W(xué)試驗(yàn)，探索培養(yǎng)肉生產(chǎn)過程中基因修飾的潛在風(fēng)險，構(gòu)建培養(yǎng)肉全基因組序列數(shù)據(jù)庫；同時，培養(yǎng)肉生產(chǎn)過程中會帶入一定量的非食品級的胞內(nèi)蛋白，會在食品中引入高風(fēng)險的生物外源物質(zhì)，以及基因改造后形成的新的基因表達(dá)體，存在致敏性和未知潛在毒性，因此開展復(fù)雜生產(chǎn)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(biāo)體系，并建立安全防范技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jù)同一種食物上使用傳統(tǒng)工藝的食品的預(yù)期營養(yǎng)價值所產(chǎn)生的變化進(jìn)行評估，并確定它是否會對消費(fèi)者的總體膳食營養(yǎng)攝入量產(chǎn)生重大影響。通過細(xì)胞培養(yǎng)獲得的最終產(chǎn)品必須針對常規(guī)肉進(jìn)行測試，并且必須分析性質(zhì)的差異?；谏鲜鲅芯?，來確定培養(yǎng)肉在膳食中的攝入標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

培養(yǎng)肉的生產(chǎn)是新生的且現(xiàn)實(shí)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(shù)，并闡述了關(guān)于培養(yǎng)肉風(fēng)險防范與安全管理規(guī)范的研究進(jìn)展與建議。目前培養(yǎng)肉主要存在著3個方面的風(fēng)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(fēng)險防范與安全管理體系時需綜合考慮。雖然體外肉類生產(chǎn)是一種預(yù)期可獲得大量關(guān)注與投資的新興技術(shù)，但由于它所具有的獨(dú)特性，獲得消費(fèi)者的認(rèn)可仍然是這項(xiàng)技術(shù)成功的關(guān)鍵。