仿制肉的生產(chǎn)技術(shù)及其發(fā)展趨勢

李洪軍，陳曉思，賀稚非,2，李少博

1(西南大學(xué) 食品科學(xué)學(xué)院，重慶，400716)2(重慶市特色食品工程技術(shù)研究中心，重慶，400716)

肉是傳統(tǒng)的膳食組成之一，對人類所需能量、蛋白質(zhì)和一些重要微量營養(yǎng)素的攝入有非常大的貢獻(xiàn)[1]。肉類是蛋白質(zhì)的良好來源，其氨基酸組成比例合理，符合人類的營養(yǎng)需求，且其蛋白質(zhì)消化率高，易被人體所吸收[2]。全球的肉類產(chǎn)量逐年遞增，根據(jù)糧農(nóng)組織統(tǒng)計數(shù)據(jù)庫(Food and Agriculture Organization of the United Nations，F(xiàn)AOSTAT)統(tǒng)計，2010～2017年，世界的豬肉產(chǎn)量從109.0百萬t增加到119.9百萬t，牛肉產(chǎn)量從63.1百萬t增加到66.3百萬t[3]。但面對巨大的人口增長壓力，肉的產(chǎn)量大約還需要增加50%～73%，才能滿足2050年全球約90億人口的消費(fèi)需求[4]。

大量的肉類生產(chǎn)也帶來許多不可忽視的問題，因?yàn)樗鼘?dǎo)致畜牧業(yè)的急速擴(kuò)張，進(jìn)而對環(huán)境保護(hù)以及資源利用(土地、水等)帶來不好的影響。以20%的轉(zhuǎn)換效率計算，400萬m2的土地所種植的飼料作物最多能支持2 900萬t肉蛋白的產(chǎn)出，然而若生產(chǎn)供人類直接食用的2 900萬t植物蛋白，只需要使用25萬m2的土地種植大豆[5]。同時由于飼料的低轉(zhuǎn)換率，大量的肉類生產(chǎn)所帶動的畜牧業(yè)的發(fā)展還會導(dǎo)致大量的水資源消耗，PIMENTEL[6]指出，生產(chǎn)1 kg動物蛋白需要的淡水大約是平均生產(chǎn)1 kg谷物蛋白的100倍。

面對這些挑戰(zhàn)，仿制肉可以有效地解決傳統(tǒng)肉類產(chǎn)業(yè)存在的一些問題。不同于傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)方式，仿制肉并不來自于活體動物的切割，它主要包括2種：素食肉和體外培養(yǎng)肉。素食肉的研究比較深入，并且也已經(jīng)有產(chǎn)品面世。Beyond Meat公司以豌豆蛋白和甜菜制成了一款素肉漢堡產(chǎn)品[7]。而體外培養(yǎng)肉還沒有商業(yè)化，只是在一些實(shí)驗(yàn)室中得到開發(fā)，荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的MARK POST教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)生產(chǎn)出了世界上第一例由體外培養(yǎng)肉制作的漢堡，這些肉最初來源于牛肌肉細(xì)胞中提取的干細(xì)胞，但是制作這種漢堡的成本非常高[8]。目前，國內(nèi)對仿制肉的研究還不夠全面，缺乏對仿制肉比較系統(tǒng)的總結(jié)。文章主要對2種仿制肉的生產(chǎn)技術(shù)、影響因素、存在的問題以及發(fā)展方向進(jìn)行綜述，以期為仿制肉的研究提供一定的參考。

1 仿制肉的定義與分類

仿制肉是指能從功能上取代天然肉的產(chǎn)品，能滿足人體的營養(yǎng)需求，同時在產(chǎn)品特性和感官屬性方面與天然肉相似[9]。目前仿制肉主要包括2種：素食肉和體外培養(yǎng)肉。素食肉本質(zhì)上為組織化蛋白，是指植物蛋白質(zhì)在擠壓過程中的熱能、機(jī)械能、壓力的作用下發(fā)生分子的變化，蛋白質(zhì)的球狀分子沿著擠出的方向重新排列，最終形成層狀或纖維狀的、質(zhì)地均勻的、類似于肉結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[10-11]。素食肉有許多優(yōu)點(diǎn)，例如其原料植物蛋白營養(yǎng)均衡，不含有膽固醇且飽和脂肪含量較低，對健康有益。此外素食肉易于被具有特殊宗教信仰的人接受[12]。

體外培養(yǎng)肉又稱為離體肉，是指在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)控制培養(yǎng)條件和培養(yǎng)基成分，通過培養(yǎng)細(xì)胞或組織來生產(chǎn)想要的肌肉，并通過后續(xù)加工使其具有食用肉的形態(tài)[13]。體外培養(yǎng)肉有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)可控，能避免動物疾病給經(jīng)濟(jì)帶來的損失或?qū)θ梭w的危害[14]。同時還能通過調(diào)整所培養(yǎng)細(xì)胞的組成(例如脂肪細(xì)胞的比例)來完善產(chǎn)品的營養(yǎng)構(gòu)成[15]。相比于天然肉，體外培養(yǎng)肉所需的生產(chǎn)時間更短，投入的勞力和能量更少，在技術(shù)成熟的情況下，能滿足地球人口大量增長的需要。另外，體外培養(yǎng)肉不涉及動物的大量宰殺，不會給動物帶來痛苦，滿足動物福利的要求，同時能緩解動物大量養(yǎng)殖所帶來的資源利用壓力與環(huán)境壓力。

2 仿制肉的生產(chǎn)方法及影響因素

2.1 素食肉的生產(chǎn)方法及影響因素

2.1.1 素食肉的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法

素食肉的生產(chǎn)方法分為傳統(tǒng)法和現(xiàn)代法，傳統(tǒng)方法主要有如下幾種：凍結(jié)法、紡絲粘結(jié)法、水蒸氣膨化法。然而傳統(tǒng)方法存在較多的問題，例如凍結(jié)法和紡絲粘結(jié)法的缺點(diǎn)是工藝較復(fù)雜、生產(chǎn)的成本高、需要冷鏈保存產(chǎn)品、工業(yè)化程度較低；水蒸氣膨化法的缺點(diǎn)是它對原料豆粕的完整性要求較高，且生產(chǎn)的產(chǎn)品多為薄片狀，不具有長纖維的結(jié)構(gòu)，沒有肉的質(zhì)地和口感，已經(jīng)不符合當(dāng)下的發(fā)展趨勢[16]。

2.1.2 素食肉的現(xiàn)代生產(chǎn)方法

擠壓法是素食肉生產(chǎn)的現(xiàn)代方法，即指蛋白質(zhì)在擠壓膨化機(jī)中經(jīng)過高溫高壓、剪切力、水的復(fù)合作用，使其由原來的天然球狀結(jié)構(gòu)定向排列重組為纖維狀結(jié)構(gòu)[16]。擠壓法操作簡便，生產(chǎn)能力較大，產(chǎn)品質(zhì)地均勻，且基本上不會產(chǎn)生廢料，適于工業(yè)化、連續(xù)化生產(chǎn)[17]。由各種植物原料所生產(chǎn)的純組織化蛋白的特點(diǎn)如表1[18-20]所示。

擠壓法可分為高水分?jǐn)D壓法和中低水分?jǐn)D壓法，高水分?jǐn)D壓法是在低水分?jǐn)D壓法的基礎(chǔ)上，伴隨雙螺桿擠壓機(jī)的出現(xiàn)發(fā)展起來的。它們的主要差異如下：(1)高水分?jǐn)D壓法的物料含水量為40%～80%，中低水分?jǐn)D壓法的物料含水量為10%～30%[10]。(2)高水分?jǐn)D壓法使用的是帶有長冷卻模頭的雙螺桿擠壓機(jī)，有利于蛋白質(zhì)在相對較低的溫度下形成纖維結(jié)構(gòu)，還能夠保留活性營養(yǎng)物質(zhì)；而中低水分?jǐn)D壓法大多使用的是單螺桿擠壓機(jī)，模具較短，溫度較高，對營養(yǎng)物質(zhì)的損耗較大，在其提供的高剪切力下，螺桿和機(jī)筒之間會產(chǎn)生較大的磨損[21]。(3)高水分?jǐn)D壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品組織化程度比較高，具有類似于雞肉纖維狀的質(zhì)地，可以不經(jīng)過復(fù)水直接食用，一般直接用于生產(chǎn)肉的模擬品；而中低水分?jǐn)D壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品為海綿多孔狀，食用前需要經(jīng)過復(fù)水處理，一般用作肉制品的添加物。高水分?jǐn)D壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品性能較優(yōu)，是未來的發(fā)展方向，目前只有國外少數(shù)幾家公司生產(chǎn)出了上市產(chǎn)品，例如美國的Beyond Meat公司。我國對中低水分?jǐn)D壓法的研究較成熟，但對于高水分?jǐn)D壓法尚且處于實(shí)驗(yàn)室的理論研究階段[21]。

表1 不同種類的純組織化蛋白的優(yōu)缺點(diǎn)Table 1 Advantages and disadvantages of differentkinds of purely textured protein

2.1.3 素食肉生產(chǎn)效果的影響因素

擠壓過程的工藝參數(shù)對產(chǎn)品的質(zhì)量有非常重要的影響。擠壓的工藝參數(shù)包括筒體溫度(主要指蒸煮區(qū)的溫度)、加水量、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速，這些參數(shù)相互作用，共同影響著物料粒徑、產(chǎn)品的黏度與硬度、蛋白質(zhì)交聯(lián)反應(yīng)與構(gòu)象改變、產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)的形成等[18]。表2顯示了在具體的應(yīng)用中，幾種工藝參數(shù)對組織化蛋白產(chǎn)品特性的影響。

表2 幾種擠壓的工藝參數(shù)對組織化蛋白的影響Table 2 Effect of several extrusion parameters on the textured protein

2.2 體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)方法及影響因素

2.2.1 基于支架的細(xì)胞培養(yǎng)法

基于支架的細(xì)胞培養(yǎng)法是指從動物的胚胎中分離出胚胎成肌細(xì)胞或者是從動物肌肉中分離出骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞，使其在一個充滿營養(yǎng)介質(zhì)以及豐富生長因子的反應(yīng)器中增殖并連接到支架上(例如膠原蛋白球或膠原蛋白網(wǎng)狀結(jié)構(gòu))。在外界環(huán)境條件的作用下，這些細(xì)胞融合形成肌管。肌管在分化介質(zhì)的作用下，進(jìn)一步分化形成肌纖維，當(dāng)肌纖維達(dá)到一定的數(shù)量之后，將其從支架上取下、切碎，制成預(yù)期的肉制品，這些產(chǎn)品一般是又軟又稠的無骨碎肉，而不像牛排那樣具有嚴(yán)密結(jié)構(gòu)[26]。

生產(chǎn)體外培養(yǎng)肉的初始細(xì)胞主要包括肌衛(wèi)星細(xì)胞、胚胎干細(xì)胞、多能誘導(dǎo)干細(xì)胞。此外，將成肌細(xì)胞與成纖維細(xì)胞或脂肪細(xì)胞一起培養(yǎng)，能使產(chǎn)品更像天然肉質(zhì)[15, 27]。肌衛(wèi)星細(xì)胞是位于肌細(xì)胞基底膜下的單核細(xì)胞，相當(dāng)于出生后肌肉中的胚胎成肌細(xì)胞，具有肌源性潛能。目前已經(jīng)成功從牛、魚、豬、火雞、羔羊的肌肉中分離出了肌衛(wèi)星細(xì)胞[15]。胚胎干細(xì)胞是一類從早期胚胎或原始性腺分離出來的細(xì)胞，具有自我更新的特性，能在體外無限增殖，且具有多向分化的特點(diǎn)，在誘導(dǎo)下幾乎能分化成任何需要的細(xì)胞類型[28]。ZHENG等[29]將來自于人胚胎干細(xì)胞的肌源性前體細(xì)胞移植到注射了心臟毒素的小鼠右后肢肌肉中，肌源性前體細(xì)胞可以有效地融入，并產(chǎn)生肌衛(wèi)星細(xì)胞、肌管及肌纖維。誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(induced pluripotent stem，iPS)是一種具有多潛能性的、形態(tài)和生長特性都與胚胎干細(xì)胞相似的、由分化的細(xì)胞經(jīng)誘導(dǎo)而形成的干細(xì)胞，最初由日本科學(xué)家TAKAHASHI和YAMANAKA[30]發(fā)現(xiàn)并命名。EZASHI等[31]研究發(fā)現(xiàn)將4個來自人類基因的因子hOCT4、hSOX2、hKLF4、hc-MYC移入到豬胎兒成纖維細(xì)胞中，可以將其成功誘導(dǎo)為多能干細(xì)胞。MIZUNO等[32]成功將小鼠的多能誘導(dǎo)干細(xì)胞在體外的培養(yǎng)系統(tǒng)中使其分化為骨骼肌干細(xì)胞。

2.2.2 組織培養(yǎng)法

另一種生產(chǎn)體外培養(yǎng)肉的方法是在培養(yǎng)基中培養(yǎng)來自動物的肌肉組織，這種方法可以制造出高度結(jié)構(gòu)化的肉類。組織培養(yǎng)技術(shù)的好處是取自動物機(jī)體的肌肉組織提供了與機(jī)體內(nèi)情況非常相似的條件，且最后培養(yǎng)的外植體包含了各種類型的細(xì)胞，接近天然肉類的細(xì)胞組成比例[13]。BENJAMINSON等[33]將來自金魚的肌肉組織切片、切碎、離心，分別培養(yǎng)在含胎牛血清、魚粉提取物、菌菇提取物的幾種不同的培養(yǎng)基中，培養(yǎng)7 d后的結(jié)果顯示，培養(yǎng)形成的外植體在含胎牛血清的培養(yǎng)基中的表面積平均增加了13.8%，而在含魚粉提取物的培養(yǎng)基中的表面積平均增加了7.6%，在含菌菇提取物培養(yǎng)基中的表面積平均增加了13.1%，培養(yǎng)得到的產(chǎn)品看起來與新鮮魚片相似。然而由于缺乏血液循環(huán)，外植體不能大幅增長，而且當(dāng)細(xì)胞長時間離開營養(yǎng)物質(zhì)超過0.5 mm時就會壞死。目前，一種將人工毛細(xì)血管用于組織工程的設(shè)計方案正被研究人員考慮。

2.2.3 體外培養(yǎng)肉生產(chǎn)效果的影響因素

體外培養(yǎng)肉生產(chǎn)效果的主要影響因素包括：培養(yǎng)基類型、培養(yǎng)所使用的支架以及培養(yǎng)過程中的生化調(diào)節(jié)、電刺激和機(jī)械刺激。用于培養(yǎng)骨骼肌細(xì)胞的傳統(tǒng)培養(yǎng)基為含動物血清的培養(yǎng)基，然而動物血清培養(yǎng)基的價格較昂貴，存在致病微生物感染的可能，同時涉及到倫理問題(例如胎牛血清的來源)，目前無血清的培養(yǎng)基正受到關(guān)注，并已經(jīng)將這種無血清的培養(yǎng)基用于火雞、羊、豬肌衛(wèi)星細(xì)胞的體外培養(yǎng)[34]。Ultroser G是一種胎牛血清的血清替代品，含有真核細(xì)胞生長所需的生長因子、結(jié)合蛋白、黏附因子、維生素、激素和礦物質(zhì)，哺乳動物骨骼肌細(xì)胞在含有Ultroser G的培養(yǎng)基中生長較好，能形成更長的肌管，然而Ultroser G存在成本較高的缺點(diǎn)[34]。由于細(xì)胞的生長具有錨定依賴性，因此需使用支架作為細(xì)胞依附、增殖、分化的基質(zhì)[35]。支架的材料包括可食用的天然聚合物例如膠原蛋白、纖維素、海藻酸鹽或殼聚糖，這些聚合物具有安全性并且可以增強(qiáng)肉的質(zhì)感[34]。而對于不可食用的材料，使用的關(guān)鍵在于如何將培養(yǎng)物從支架上移除，常用的方法是機(jī)械法和酶法，然而這2種方法容易損傷培養(yǎng)物。SILVA等[36]提出一種由異丙基丙酰胺制成的熱響應(yīng)涂層，這種涂層在降低溫度時會由疏水狀態(tài)變?yōu)橛H水狀態(tài)，可用于細(xì)胞薄片和細(xì)胞外基質(zhì)的回收分離，同時不損傷細(xì)胞的黏附能力，這為培養(yǎng)物薄片疊加形成三維結(jié)構(gòu)提供了可能。

創(chuàng)造類似于體內(nèi)環(huán)境的生化調(diào)節(jié)、電刺激、機(jī)械刺激對于體外培養(yǎng)肉的形成至關(guān)重要。生化調(diào)節(jié)主要通過一些生長因子起作用，例如IGF-1(胰島素樣生長因子1)、FGFs(成纖維細(xì)胞生長因子)等[27]，電刺激主要是通過模擬神經(jīng)活動來促進(jìn)細(xì)胞的成熟，機(jī)械刺激通過模擬發(fā)育過程中骨骼的伸長發(fā)揮作用。VANDENBURGH等[37]發(fā)現(xiàn)使涂有膠原蛋白的硅橡膠基質(zhì)以0.35 mm/h的速度朝一個方向緩慢連續(xù)地拉伸3 d，會刺激附著在上面細(xì)胞的增殖，最終形成的肌管長度是沒有拉伸處理所培養(yǎng)肌管的2～4倍。

3 仿制肉存在的問題及發(fā)展趨勢

3.1 素食肉存在的問題及發(fā)展趨勢

素食肉的生產(chǎn)目前還存在一些問題，例如由于不同廠家的設(shè)備存在差異性，對于工藝參數(shù)需要進(jìn)行配套變化，才能保證產(chǎn)品的一致性，存在工藝機(jī)理的研究和設(shè)備的研發(fā)脫節(jié)的現(xiàn)象，另外對于擠壓后的工藝?yán)绨b技術(shù)、殺菌技術(shù)、貯藏環(huán)境的研究尚且缺乏[38]。同時，目前缺少針對高水分?jǐn)D壓技術(shù)所生產(chǎn)的組織化蛋白的評價標(biāo)準(zhǔn)，不同的研究者采用的評價方法不同，缺乏統(tǒng)一性，制約了高水分?jǐn)D壓組織化蛋白的大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)[39]。

針對以上問題，素食肉應(yīng)朝如下方向發(fā)展：(1)集中研究高水分?jǐn)D壓技術(shù)，使其早日從實(shí)驗(yàn)室理論研究階段轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)階段，與國際發(fā)展接軌。同時應(yīng)更多地研究大豆蛋白以外的原料，如豌豆蛋白、亞麻蛋白、藻類蛋白等，并對一些新型的植物蛋白原料進(jìn)行開發(fā)。(2)將高水分?jǐn)D壓技術(shù)與其他技術(shù)結(jié)合，例如超臨界二氧化碳對營養(yǎng)成分有保護(hù)作用，將高水分?jǐn)D壓技術(shù)與其結(jié)合能有效防止原料中營養(yǎng)成分的損失，同時還可以將高水分?jǐn)D壓與3D打印技術(shù)相結(jié)合，生產(chǎn)出與天然肉質(zhì)地更相似的產(chǎn)品[21]。(3)對擠壓后的殺菌技術(shù)、包裝技術(shù)、貯藏條件進(jìn)行研究，形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈。(4)建立統(tǒng)一的高水分?jǐn)D壓組織化蛋白評價標(biāo)準(zhǔn)，以保證產(chǎn)品的一致性，促進(jìn)產(chǎn)品的工業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)。

3.2 體外培養(yǎng)肉存在的問題及發(fā)展趨勢

目前體外培養(yǎng)肉仍處于初級階段，其發(fā)展遠(yuǎn)沒有素食肉成熟。概括來說，體外培養(yǎng)肉還存在如下一些問題。首先，由于體外培養(yǎng)肉尚處于實(shí)驗(yàn)室的研究階段，還未達(dá)到預(yù)期的理想狀態(tài)，其生產(chǎn)成本較高昂。同時細(xì)胞培養(yǎng)法主要生產(chǎn)的是一些用于制作肉糜的小薄片，但不能生產(chǎn)高度結(jié)構(gòu)化的牛排。要培養(yǎng)大塊的肌肉，氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸以及廢物的排出需要得到保障，雖然內(nèi)置血管的想法已經(jīng)被提出，但還沒有得以實(shí)現(xiàn)，同時適于大規(guī)模生產(chǎn)的生物反應(yīng)器也還沒得到設(shè)計和建造[15]。另一個突出的問題是體外培養(yǎng)肉的感官特性還不能完全模仿天然肉，而且由于體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)方式與傳統(tǒng)方式不同，會給消費(fèi)者帶來不自然的感覺，導(dǎo)致消費(fèi)者對體外培養(yǎng)肉的接受度不高[8]。

針對以上問題，外培養(yǎng)肉應(yīng)向如下方向發(fā)展：(1)應(yīng)進(jìn)一步完善技術(shù)以降低體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)成本，減少生產(chǎn)時間。設(shè)計并建造大型的生物反應(yīng)器，以提高生產(chǎn)效率。同時應(yīng)大力著手于帶有內(nèi)置血管的肌肉組織的設(shè)計與建造，使大量營養(yǎng)物質(zhì)能夠運(yùn)輸?shù)浇M織的內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)廢物的排放[40]。(2)不斷完善培養(yǎng)基的成分，尋求更高效、安全、成本更低的植物源培養(yǎng)基[41]。(3)將體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，例如器官打印技術(shù)、生物光子學(xué)等，以生產(chǎn)具有復(fù)雜特定結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品[26]。(4)加大對體外培養(yǎng)肉的宣傳力度，消除消費(fèi)者的誤解與偏見，增加消費(fèi)者的接受度。同時應(yīng)針對這種新產(chǎn)品建立合適的標(biāo)準(zhǔn)和監(jiān)管體系，增加產(chǎn)品的安全性和可控性。

4 展望

仿制肉能解決目前肉類生產(chǎn)方式所存在的一些問題，具有環(huán)保性，能緩解土地資源和水資源使用壓力，同時具有不受動物疾病影響、滿足動物福利要求等優(yōu)點(diǎn)。然而仿制肉的生產(chǎn)技術(shù)特別是體外培養(yǎng)肉的生產(chǎn)技術(shù)還不是十分成熟完善，這就導(dǎo)致了所生產(chǎn)的產(chǎn)品與天然肉類還存在一些差距，生產(chǎn)的成本也沒有得到很好的控制，生產(chǎn)過程中還存在著一些技術(shù)難題需要解決。對于素食肉來說，今后應(yīng)將研究的重點(diǎn)從中低水分?jǐn)D壓法轉(zhuǎn)移至高水分?jǐn)D壓法，以生產(chǎn)組織化程度更高的纖維狀蛋白質(zhì)，模擬天然肉類的質(zhì)地。對于體外培養(yǎng)肉，應(yīng)進(jìn)一步降低生產(chǎn)的成本，致力于含內(nèi)置血管肌肉的研究以及大型生物反應(yīng)器的設(shè)計與建造，以滿足具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)大塊肌肉的大量生產(chǎn)。