細(xì)胞培養(yǎng)肉的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景

鄭歐陽,孫欽秀*,劉書成*,魏帥,夏秋瑜,潘燕墨,劉陽,楊作苗,王新

1(廣東海洋大學(xué) 食品科技學(xué)院,廣東 湛江,524088)2(廣東省水產(chǎn)品加工與安全重點實驗室,廣東 湛江,524088)3(廣東省海洋食品工程技術(shù)研發(fā)中心,廣東 湛江,524088)4(廣東省海洋生物制品工程重點實驗室,廣東 湛江,524088)5(海洋食品精深加工關(guān)鍵技術(shù)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心,大連工業(yè)大學(xué),遼寧,大連,116034)

隨著經(jīng)濟的發(fā)展,生活水平的提升,人們對飲食的需求從“吃得飽”向“吃得好”轉(zhuǎn)變,食品的營養(yǎng)健康越來越受人們重視,肉類作為人們?nèi)粘ｏ嬍持械鞍踪|(zhì)的主要來源之一,是現(xiàn)代人餐桌上必不可少的食物。然而,世界人口不斷增加,加劇了肉類需求的增長。2018年8月之后,隨著非洲豬瘟肆虐,豬肉供應(yīng)量銳減,導(dǎo)致整體肉類價格急劇飆升,肉類生產(chǎn)成為人們關(guān)注的焦點之一。然而,傳統(tǒng)畜牧業(yè)存在生產(chǎn)效率較低,生產(chǎn)中會產(chǎn)生大量的CO2、CH4以及NO2等廢氣,并存在占用大量土地以及水資源和能源的大量消耗等問題[1]。此外,養(yǎng)殖畜禽肉還存在抗生素、獸藥殘留超標(biāo),人畜共患病等公共安全衛(wèi)生隱患[2]。肉類需求的增長、環(huán)境的極限承受能力以及公共安全衛(wèi)生隱患等,為人造肉的產(chǎn)生發(fā)展創(chuàng)造了機會和條件[3]。人造肉相比傳統(tǒng)畜牧肉具有高效節(jié)能、衛(wèi)生安全、環(huán)境友好、動物減負(fù)等可持續(xù)性特點,受到了人們的廣泛關(guān)注[4]。

人造肉根據(jù)其生產(chǎn)形式可分為兩類,一類是以植物蛋白為基礎(chǔ)的植物基肉,另一類是以細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)的培養(yǎng)肉[5-6]。美國上市公司Beyond Meat以植物蛋白為原料生產(chǎn)植物基肉，一經(jīng)上市就吸引了大量資本的投入,與肯德基合作推出的素食炸雞首次上市僅5 h即售罄,可見消費者對人造肉有一定的需求和接受基礎(chǔ)。然而,植物基肉在顏色、味道、口感以及營養(yǎng)成分等方面與傳統(tǒng)肉還存在很大的差距。1932年WINSTON首次提出細(xì)胞培養(yǎng)肉的概念,但受到各方面限制,其發(fā)展速度緩慢[4]。2013年8月,荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的科學(xué)家在倫敦展示了第1個由實驗室培養(yǎng)的牛肉漢堡[7],展示的漢堡不僅在顏色、外形與真的漢堡很相似,在味道上與真正的漢堡差異也很小,經(jīng)過2年的發(fā)展,人造漢堡肉餅的成本已由32.5萬美元降到了11美元左右,且隨著技術(shù)的發(fā)展生產(chǎn)成本仍有大幅度降低空間,這增加了人們對培養(yǎng)肉商業(yè)化的信心[8]。細(xì)胞培養(yǎng)肉是通過提取可高效增殖的干細(xì)胞或組織,放入培養(yǎng)皿中增殖,進而分化成肌肉組織的原始纖維而形成的肉[9]。其在營養(yǎng)、口感和風(fēng)味方面更接近真實肉制品,是未來人造肉的主要研究發(fā)展方向。然而,目前細(xì)胞培養(yǎng)肉的研究尚處于起步階段,其在規(guī)?；虡I(yè)化的道路上還有許多技術(shù)性難題需要解決。本文通過對細(xì)胞培養(yǎng)肉的研究現(xiàn)狀、規(guī)模化與市場化面臨的技術(shù)問題進行了闡述,并對其可能的解決策略和發(fā)展前景進行了探討。

1 細(xì)胞培養(yǎng)肉的研究現(xiàn)狀

目前以細(xì)胞培養(yǎng)為基礎(chǔ)的動物組織工程研究在生物學(xué)和醫(yī)學(xué)方面得到了廣泛應(yīng)用,而細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)在規(guī)模化培養(yǎng)肉生產(chǎn)中的應(yīng)用卻鮮見報道,組織工程的研究為細(xì)胞培養(yǎng)肉大規(guī)模生產(chǎn)奠定基礎(chǔ),提供了可行性方案。在20世紀(jì)50年代白鼠的成纖細(xì)胞以及白鼠的腎臟細(xì)胞已經(jīng)成功應(yīng)用到醫(yī)學(xué)的毒理學(xué)研究。直到2002年,科學(xué)家BENJAMINSON及其團隊從金魚細(xì)胞中培養(yǎng)出了可食用的肌肉蛋白,細(xì)胞培養(yǎng)肉才得以開展研究[10]。近年來美國和荷蘭投入了大量資源開展相關(guān)研究,已經(jīng)取得了突破性進展。美國南卡羅來納醫(yī)科大學(xué)的研究人員從火雞中提取肌細(xì)胞,并將細(xì)胞培養(yǎng)于牛血清營養(yǎng)液中,得到了條型的火雞肉[11],但由于缺乏脂肪及血液供應(yīng),培育出的火雞肉口感較差。荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)的POST教授利用成肌干細(xì)胞培養(yǎng)實現(xiàn)了人造牛肉漢堡在實驗室層面上的生產(chǎn)[12]。2019年3月,日本著名的食品企業(yè)日清食品控股公司宣布與東京大學(xué)合作,通過人工培育牛肌肉細(xì)胞成功制成約1 cm3的肌肉組織[13]。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)周光宏教授團隊使用豬肌肉干細(xì)胞培養(yǎng)20 d后,獲得了中國第1塊質(zhì)量為5 g的細(xì)胞培養(yǎng)肉[14]。關(guān)于細(xì)胞培養(yǎng)肉的專利目前國內(nèi)相對較少,主要細(xì)胞來源有禽類、魚類、家畜類以及小鼠和人類的肌細(xì)胞。總體來說,關(guān)于細(xì)胞培養(yǎng)肉相關(guān)研究的報道還較少,且集中在細(xì)胞培養(yǎng)與誘導(dǎo)分化上[13]。目前的細(xì)胞培養(yǎng)主要是針對疾病治療的醫(yī)學(xué)研究以及動物育種,僅能在實驗室進行少量的培養(yǎng)。

2 細(xì)胞培養(yǎng)肉面臨的培養(yǎng)技術(shù)挑戰(zhàn)

細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)是離體細(xì)胞(種子細(xì)胞)在適宜的培養(yǎng)環(huán)境中(培養(yǎng)基),如溫度、氧氣、營養(yǎng)物質(zhì)和生長因子,通過生長增殖形成多核肌管,肌管成熟后形成肌肉纖維,肌肉纖維進一步生長最終成為一種模仿肉的產(chǎn)品。細(xì)胞培養(yǎng)過程中的種子細(xì)胞選擇、細(xì)胞增殖與分化、培養(yǎng)基種類、反應(yīng)器和支架系統(tǒng)等關(guān)鍵點是限制其規(guī)?；囵B(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。

2.1 種子細(xì)胞選擇

在細(xì)胞組織培養(yǎng)過程中,種子細(xì)胞的選擇一直是研究的重點和難點之一[6]。理論上種子細(xì)胞的選擇范圍非常廣泛,無論是豬、牛、羊等哺乳動物細(xì)胞,雞、鴨、鵝、魚、昆蟲等非哺乳動物,還是其他任何可食用的動物細(xì)胞,只要具有可靠的健壯連續(xù)細(xì)胞系,都可以在規(guī)模反應(yīng)器中培養(yǎng)動物肌肉或器官細(xì)胞生產(chǎn)肉類。然而如何獲得大量均一種子細(xì)胞并進行持續(xù)高效穩(wěn)定地增殖分化,并實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)仍然面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[15]。

目前,動物組織工程研究中主要使用2種種子細(xì)胞。一種是以原始組織或細(xì)胞株為原料,利用基因工程或化學(xué)物理方法誘導(dǎo)突變,篩選無限增殖細(xì)胞。持續(xù)增殖的細(xì)胞可以減少對新鮮組織樣本的依賴,增加細(xì)胞增殖和分化的速率。該過程通常是通過表達病毒癌基因、端粒酶逆轉(zhuǎn)錄以及兩者結(jié)合使用來實現(xiàn),然而培養(yǎng)過程中的基因表達以及逆轉(zhuǎn)錄過程易發(fā)生識別錯誤,進而導(dǎo)致遺傳和表型不穩(wěn)定[16]。此外,通過基因工程對細(xì)胞進行無限增殖培養(yǎng)可能會造成染色體不穩(wěn)定,比如在傳代之后造成不可逆的關(guān)鍵基因或者性狀的丟失。目前,雖然轉(zhuǎn)基因植物產(chǎn)品正在逐步被大眾所接受,但是轉(zhuǎn)基因動物細(xì)胞培養(yǎng)仍存在未知的風(fēng)險,其食用安全性也是限制其發(fā)展的重要因素。另一種來源是從組織中分離出干細(xì)胞,如胚胎干細(xì)胞、肌肉干細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞。從理論上講,各種干細(xì)胞可以無限增殖,但是在增殖過程中細(xì)胞突變的積累往往會影響擴展能力,造成細(xì)胞衰老。目前科研工作者從細(xì)胞自身基因和外界刺激因素,尋找方法培育可以長期傳代培養(yǎng)、無限分裂增殖的細(xì)胞系[15]。YANG等[17]以豬成肌細(xì)胞為試驗材料,成功誘導(dǎo)成肌細(xì)胞分化為肌管。王紅娜等[18]采用膠原蛋白酶I消化綿羊胎兒細(xì)胞分離成肌細(xì)胞,成功地獲得了高純度綿羊成肌細(xì)胞系。陳凱凱等[19]利用I型膠原酶消化雞胚胸肌,成功分離培養(yǎng)了肉雞成肌細(xì)胞。周學(xué)亮等[20]誘導(dǎo)重編程三黃雞體細(xì)胞,優(yōu)化了誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞的培養(yǎng)條件,使體細(xì)胞保持良好的生長狀態(tài)。但誘導(dǎo)多功能干細(xì)胞目前仍處于起步階段,存在誘導(dǎo)成功率低,誘導(dǎo)細(xì)胞純度低以及基因漂移等問題。

2.2 細(xì)胞增殖與分化

細(xì)胞增殖的目的是使種子細(xì)胞獲得最大的細(xì)胞數(shù)量,即最大限度地增加細(xì)胞的增殖倍數(shù)。細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)需要細(xì)胞大量高效的增殖才能獲得足夠多的產(chǎn)品。為保證肉類生產(chǎn)的安全性和高效性,在細(xì)胞培養(yǎng)生過程中,需要嚴(yán)格控制成千上萬的變量,這些變量會直接影響到種子細(xì)胞的增殖。目前最大的挑戰(zhàn)是定義每一個變量的水平,例如營養(yǎng)液的成分比例、生理生化條件等,以及各變量之間的相互作用[21]。這些變量以及變量之間的相互影響主要是通過反復(fù)實驗獲得,隨著研究的進行,生產(chǎn)細(xì)胞培養(yǎng)肉的系統(tǒng)方法逐步建立完善。

研究已經(jīng)證實,通過體外補充營養(yǎng)液,可以維持細(xì)胞正常的生長繁殖以及有限次數(shù)的增殖,然而要維持細(xì)胞多次的傳代分裂仍然面臨著巨大挑戰(zhàn)。不同的種子細(xì)胞的體外增殖能力不同,利用理化刺激、基因突變、病毒感染等外界刺激促使細(xì)胞體外無限增殖的不衰老細(xì)胞株建立永生化細(xì)胞系[22]。通過誘導(dǎo)多能干細(xì)胞,可以誘導(dǎo)體細(xì)胞的重編程而獲得可不斷自我更新且具有多向分化潛能的細(xì)胞,從而實現(xiàn)類似于胚胎干細(xì)胞的無限增殖[23]。大多數(shù)成體干細(xì)胞分裂能力是有限的,生理條件下的細(xì)胞增殖極限(海弗里克極限)是50～60次,但實際上體外培養(yǎng)的細(xì)胞遠(yuǎn)遠(yuǎn)達不到這個分裂潛能[6]。突破細(xì)胞增殖限制是增強細(xì)胞持續(xù)增殖的有效途徑。

細(xì)胞培養(yǎng)肉不僅需要大量的細(xì)胞數(shù)量,還需要大量分化的肌肉細(xì)胞來形成組織。為了更好的模擬真實肉類的結(jié)構(gòu),HOCQUETTE等[22]通過肌肉細(xì)胞和脂肪細(xì)胞共同培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)：通過調(diào)節(jié)細(xì)胞生長環(huán)境調(diào)控脂肪細(xì)胞的含量,可以控制肉類的紋理。因此,通過精確調(diào)整培養(yǎng)條件,引導(dǎo)細(xì)胞的分化方向,可實現(xiàn)不同蛋白含量細(xì)胞培養(yǎng)肉的定制生產(chǎn)。但細(xì)胞分化受多種因素影響,不同種類來源的細(xì)胞分化條件不同,引導(dǎo)細(xì)胞分化的條件因素仍需探索,以便掌握精確控制細(xì)胞分化的方向和節(jié)點。

2.3 培養(yǎng)基的選擇

選擇合適的培養(yǎng)基是細(xì)胞培養(yǎng)肉面臨的另一挑戰(zhàn)。細(xì)胞培養(yǎng)肉對培養(yǎng)基有3個基本要求:首先,培養(yǎng)基能夠維持和促進細(xì)胞的正常生長；其次,培養(yǎng)基材料應(yīng)安全可食用,符合食品安全要求;此外,培養(yǎng)基能夠規(guī)模生產(chǎn)、大量供應(yīng)且成本低。體外培養(yǎng)的細(xì)胞通常采用的是合成培養(yǎng)基,合成培養(yǎng)基常需要添加一些生物提取液才能維持細(xì)胞的正常生長分裂。小牛血清因其來源豐富易保存而成為常用的合成培養(yǎng)基添加物,其成分主要包括生長因子、黏附因子、結(jié)合蛋白、維生素、礦物質(zhì)、激素以及部分未知成分等真核細(xì)胞生長所必需的物質(zhì)。然而,由于血清來源于動物體內(nèi),依然是病原體的潛在載體,且采集過程中存在雜質(zhì)污染風(fēng)險,不同批次質(zhì)量差異較大等風(fēng)險,影響細(xì)胞生長,采集血清還可能引起倫理等問題。因此,標(biāo)準(zhǔn)化的培養(yǎng)基和完全不含動物源性成分的無血清培養(yǎng)基研究和應(yīng)用日益受到重視[8,24]。

無血清培養(yǎng)基是成分完全明確的血清替代品,相比血清培養(yǎng)基,無血清培養(yǎng)基具有質(zhì)量穩(wěn)定可控、可調(diào),安全性高,有利于細(xì)胞分化純化等特點[25]。隨著研究的深入以及無血清培養(yǎng)基配方的調(diào)整,目前無血清培養(yǎng)基在細(xì)胞生長速率、細(xì)胞密度以及轉(zhuǎn)化率都不亞于血清培養(yǎng)基[26-27],并且通過改變無血清培養(yǎng)基組分可定向改變細(xì)胞增殖分化方向[28]。鑒于上述種種優(yōu)勢,隨著技術(shù)的逐步成熟,無血清培養(yǎng)基可替代一部分血清培養(yǎng)基。但是無血清培養(yǎng)基并不是完美的,每類型的細(xì)胞需要一種培養(yǎng)基配方,培養(yǎng)基對細(xì)胞系有一定的選擇性,因血清中可能有保護、解毒殺菌的蛋白,在無血清的環(huán)境下對無菌要求更高。根據(jù)目前的實驗,雖然無血清可以培養(yǎng)細(xì)胞正常增殖生長,但存在細(xì)胞生長緩慢,傳代次數(shù)減少的現(xiàn)象。因此,無血清培養(yǎng)技術(shù)仍然存在適應(yīng)性窄、易受理化因素影響、難保存等不足之處,需要進一步研究攻克這些難題,隨著生物學(xué)、生物材料科學(xué)以及微生物學(xué)的快速發(fā)展,無血清培養(yǎng)技術(shù)將逐步完善,推動細(xì)胞培養(yǎng)肉研究進展。

2.4 反應(yīng)器與支架系統(tǒng)

反應(yīng)器是根據(jù)細(xì)胞的生長特性,利用酶或生物體所具有的生物功能,模仿天然組織結(jié)構(gòu)的生長環(huán)境,實現(xiàn)體外細(xì)胞規(guī)模化培養(yǎng)的關(guān)鍵設(shè)備[28-29]。因動物細(xì)胞培養(yǎng)大多具有貼壁生長的特性,只有足夠大的表面積才能生產(chǎn)大量的細(xì)胞,因此,細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)常需要中大型生物反應(yīng)器進行大規(guī)模分化增殖培養(yǎng)。當(dāng)然小型的反應(yīng)器也具備中大型反應(yīng)器所不具備的優(yōu)勢：如多個小單元反應(yīng)器具有更大的靈活性,能夠應(yīng)對市場需求的波動；此外,當(dāng)反應(yīng)體系出現(xiàn)污染時,能及時阻斷污染擴散,更容易控制損失,小型反應(yīng)器也是細(xì)胞培養(yǎng)器的首選[6]。進行體外細(xì)胞培養(yǎng)時除了考慮反應(yīng)器的大小,還應(yīng)考慮反應(yīng)器的傳熱、傳質(zhì)效率。良好的反應(yīng)器不僅具有較高的傳質(zhì)傳熱效率,還應(yīng)在保持培養(yǎng)液低剪切力的前提下,保證大體積灌注的均勻性[30-31]。體外細(xì)胞培養(yǎng)不僅對反應(yīng)器本身設(shè)計要求高,對反應(yīng)器控制系統(tǒng)要求也極其嚴(yán)格。目前,反應(yīng)器控制系統(tǒng)技術(shù)主要受限于微機電技術(shù)以及微流控技術(shù)的發(fā)展,模擬真實的體內(nèi)生長環(huán)境仍有距離。大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)仍未出現(xiàn),這可能是反應(yīng)器技術(shù)受限以及細(xì)胞培養(yǎng)肉規(guī)模擴大產(chǎn)生的效應(yīng)問題。

支架系統(tǒng)作為反應(yīng)器的重要組成部分,灌注在培養(yǎng)基中,為胚胎成肌細(xì)胞或骨骼肌衛(wèi)星細(xì)胞增殖分化提供必要的附著體和載體[32]。為了優(yōu)化肌肉細(xì)胞和組織形態(tài)結(jié)構(gòu),不同支架系統(tǒng)在形狀、組織和特征上各不相同。支架系統(tǒng)根據(jù)其材料可食用性分為可食用和不可食用支架?？墒秤玫牟牧弦话闶遣捎靡恍┨烊徊牧?因為其可食用性培養(yǎng)后無需拆除。不可食用的材料可以是一些具有特殊功能特性的新生物材料,如促進細(xì)胞的增殖分化、蛋白合成、骨骼肌收縮等,但其培養(yǎng)后需要與培養(yǎng)肉進行分離[33]。理想的支架系統(tǒng)應(yīng)有一個大的生長和附著表面積,為細(xì)胞提供足夠的生長空間。由于成肌細(xì)胞具有自發(fā)收縮的特性,因此,支架材料應(yīng)有一定的收縮特性,能夠靈活地適應(yīng)肌肉收縮運動,最大限度的使培養(yǎng)基擴散,并且不可食用材料應(yīng)易于從培養(yǎng)肉中分離[30]。細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)要求支架可以模擬體內(nèi)環(huán)境,成肌細(xì)胞增殖分化才能達到最佳狀態(tài)[31]。所以,支架系統(tǒng)的研究方向是開發(fā)出可食用(或者不可食用但易于剝離的)、具有柔性、可機械拉伸且可被細(xì)胞附著的材料。

目前,適用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)分支的支架系統(tǒng)的可食用材料較少。MACQUEEN等[34]在交聯(lián)明膠纖維支架上成功培養(yǎng)了牛主動脈平滑肌細(xì)胞和兔骨骼肌成肌細(xì)胞。交聯(lián)明膠纖維是動物源性的可食用材料,與其他常用材料如聚乳酸、聚乳酸-羥基乙酸等相比具有明顯優(yōu)勢,但是目前的實驗室產(chǎn)品肌肉纖維含量偏低,成熟度有待提升,對體外細(xì)胞培養(yǎng)肉來說肌肉纖維和脂肪細(xì)胞合理搭配仍然存在巨大挑戰(zhàn)。不可食用的支架系統(tǒng)主要技術(shù)挑戰(zhàn)是支架與培養(yǎng)肉的分離,培養(yǎng)細(xì)胞片通常以機械或酶法進行分離,但這2種方法通常會損害細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)。DA SILVA等[35]設(shè)計出一種熱響應(yīng)涂層,該涂層在較低的溫度下會從疏水性變?yōu)橛H水性,并在冷卻后釋放完整的培養(yǎng)細(xì)胞和細(xì)胞外基質(zhì)薄片,為堆疊法生產(chǎn)培養(yǎng)肉帶來了希望。然而,該技術(shù)目前仍然只能培養(yǎng)出簡單的細(xì)胞薄片,制造具有類似組織形狀的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的細(xì)胞片仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。

此外,支架系統(tǒng)還應(yīng)該具有較好的傳質(zhì)特性。為了加快營養(yǎng)介質(zhì)的交換,可以加快營養(yǎng)介質(zhì)流速和擴大支架材料孔徑,但隨著流速的提升,剪切應(yīng)力也顯著增大,剪切應(yīng)力的增大將影響細(xì)胞、組織以及機體的正常生理狀態(tài),因此需要控制適宜的流速維持細(xì)胞的正常增長[36]。受限于細(xì)胞的大小,支架材料孔徑大小提升同樣受到限制。為了更好地提供傳質(zhì)性,LEVEBBERG等[37]將成肌細(xì)胞,胚胎成纖細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞在可降解支架上共培養(yǎng),成功地在骨骼肌組織構(gòu)造形成內(nèi)皮血管網(wǎng)絡(luò),使正在生長的組織血管化。但在培養(yǎng)過程中需要使用化學(xué)或生長因子等誘導(dǎo)劑,存在致畸致癌風(fēng)險以及病毒引入等不利食品安全的因素,因此安全高性仍有待提升。目前支架系統(tǒng)技術(shù)仍在起步階段,大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)的支架系統(tǒng)仍受很多技術(shù)限制,大規(guī)模商用仍然需要新生物材料的研發(fā)。

3 細(xì)胞培養(yǎng)肉面臨的商品化技術(shù)挑戰(zhàn)

目前大規(guī)模細(xì)胞培養(yǎng)肉商業(yè)化障礙不僅僅局限于技術(shù)方面,消費者的接受程度也一定程度上影響了其商業(yè)化進程?，F(xiàn)階段人們對培養(yǎng)肉接受程度偏低[38],主要原因是當(dāng)前的細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)品無法以安全經(jīng)濟高效的方式模擬真實肉的品質(zhì)。細(xì)胞培養(yǎng)肉不僅在營養(yǎng)上應(yīng)不低于畜牧肉的營養(yǎng)成分,且在結(jié)構(gòu)、香氣、味道及結(jié)構(gòu)上與畜牧肉相似,符合大眾口味,確保產(chǎn)品具有安全性。

肉類的香味一直備受人們的喜愛和追捧,刺激人們的嗅覺和味覺。滿足味覺的同時,香味物質(zhì)還能滿足營養(yǎng)物質(zhì)的需求。通過對比肉類生熟之間化學(xué)組分發(fā)現(xiàn),肉類的香味物質(zhì)主要是在加工熟制過程中氨基酸與糖類發(fā)生美拉德反應(yīng)生成的含氧、含硫和含氮雜環(huán)化合物以及部分小分子量的醛、酮、醇、脂[39]。肉類的特殊香味是肉中的蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和香味物質(zhì)相互作用的結(jié)果。細(xì)胞純培養(yǎng)由于無脂肪以及血液供應(yīng),培育產(chǎn)品口感差,由于缺乏脂肪的風(fēng)味物質(zhì),導(dǎo)致產(chǎn)品香味不足,隨著細(xì)胞培養(yǎng)研究進展,肌細(xì)胞與脂肪細(xì)胞共培養(yǎng)有望解決口感香味不足的問題[40]。

此外,細(xì)胞培養(yǎng)肉的結(jié)構(gòu)形狀是影響消費者接受程度的重要因素之一。目前,實驗室產(chǎn)生的細(xì)胞培養(yǎng)肉比較松散,無組織結(jié)構(gòu),無法產(chǎn)生肉的咀嚼感,消費者認(rèn)為細(xì)胞培養(yǎng)肉更適合用于肉泥類產(chǎn)品加工,如香腸、丸類的加工[41]。近年來,食品3D打印技術(shù)的發(fā)展為培養(yǎng)肉建立合理的立體結(jié)構(gòu)提供了新的解決方案。目前,最新的3D打印技術(shù)可以制造人造血管、局部控制打印材料的顆粒性和韌性,可以更好地模擬真肉的三維結(jié)構(gòu)[42]。此外,還可以采用3D打印技術(shù)將培養(yǎng)肉進行重構(gòu),打印出在結(jié)構(gòu)上更接近畜牧肉細(xì)微結(jié)構(gòu)及形態(tài)的產(chǎn)品,可增加培養(yǎng)肉的可接受程度。

4 總結(jié)與展望

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展,人口的不斷增長,全球?qū)θ忸愋枨笕找嬖鲩L,日益緊缺的資源和環(huán)境限制使飼養(yǎng)畜禽肉面臨巨大的挑戰(zhàn)。未來的肉類行業(yè)將會更加多元化復(fù)雜化,在肉類替代品中,細(xì)胞培養(yǎng)肉被認(rèn)為是較有前途的選擇。目前國內(nèi)外學(xué)者對細(xì)胞培養(yǎng)肉進行了大量的研究,然而其規(guī)模化和商品化仍面臨很多技術(shù)挑戰(zhàn),細(xì)胞培養(yǎng)過程中種子細(xì)胞選擇、細(xì)胞增殖與分化、培養(yǎng)基種類、反應(yīng)器和支架系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)仍存在一些技術(shù)難點需要攻克。細(xì)胞培養(yǎng)肉的色、香、味及結(jié)構(gòu)是其商品化道路仍需要改善的主要因素。隨著組織工程學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等學(xué)科的發(fā)展,新細(xì)胞系的研究將為細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)提供更多的技術(shù)支持。新的生物技術(shù),如基因工程技術(shù)、生物光子技術(shù)、納米技術(shù)、3D打印技術(shù)、離心澆鑄技術(shù)、磁力驅(qū)動生物技術(shù)以及靜電紡絲等技術(shù)的發(fā)展,為細(xì)胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化提供新的動力。作為一種無屠宰和可持續(xù)發(fā)展的技術(shù),細(xì)胞培養(yǎng)肉最終可能與傳統(tǒng)肉類進行競爭,以緩解人們對肉類需求的壓力。