3D打印 七十二根纖維打造日本和牛牛排，或可精確定制脂肪與肌肉配比

胞肉終于告別“碎碎冰”狀？

近日，日本大阪大學(xué)的科學(xué)家打印42條肌肉纖維、28條脂肪組織、2條毛細(xì)血管，將其束在一起后，制造出直徑5毫米、全長(zhǎng)15毫米的肉塊。

該團(tuán)隊(duì)表示，將纖維組織束在一起后，即可讓人造肉口感接近真實(shí)牛肉。此前聯(lián)合造出中國(guó)第一塊細(xì)胞培養(yǎng)肉的南京農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院副教授丁世杰表示 ：“這給大塊的培養(yǎng)肉生產(chǎn)提供了一個(gè)很好的產(chǎn)品解決方案?！?/p>

人造和牛肉

此次，大阪大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用干細(xì)胞提取法和3D打印，并結(jié)合日本傳統(tǒng)糖果金太郎糖的制作手法，制備出此次號(hào)稱是全球第一塊人造和牛肉，并將這一獨(dú)特的制備方法命名為“金太郎糖3D打印術(shù)”。

從外觀來(lái)看，它看起來(lái)就像一塊真實(shí)的牛排，具備復(fù)雜的紋路，并含有肌肉、脂肪和血管。

和牛肉是一種日本特產(chǎn)，因此和牛也叫“日本?！?，它是世界上最昂貴的肉類之一，并因富含肌內(nèi)脂肪而聞名于世，人們還專門(mén)將這種脂肪稱為大理石紋。

據(jù)悉，大理石花紋是此次研究的獨(dú)特之處，這種花紋是和牛肉的招牌性亮點(diǎn)，可帶來(lái)濃郁口感和獨(dú)特的風(fēng)味。

相關(guān)論文以《通過(guò)使用肌腱凝膠集成生物打印技術(shù)組裝細(xì)胞纖維來(lái)設(shè)計(jì)整塊切肉狀組織》為題，發(fā)表在Nature Communications上。

相關(guān)論文

獨(dú)創(chuàng)“金太郎糖3D打印術(shù)”

如此“以假亂真”的牛肉，到底是怎么做出來(lái)的？

其實(shí)用的是從牛身上分離出來(lái)的兩種干細(xì)胞，分別是牛肌肉衛(wèi)星細(xì)胞和脂肪干細(xì)胞。

然后，研究人員孵育并誘導(dǎo)這些細(xì)胞成為可生成肌肉、脂肪和血管所需的纖維組織，接著把這些不同種類的纖維組織，以3D打印方式將它們排列成跟和牛肉相似的結(jié)構(gòu)，具體來(lái)說(shuō)是把模擬大理石花紋的“肉片”進(jìn)行堆疊，再垂直切片，借此即可精細(xì)復(fù)刻和牛肉大理石花紋。

整個(gè)過(guò)程大致如下：

1、從動(dòng)物牛肉中收集可食用牛衛(wèi)星細(xì)胞、以及牛脂肪來(lái)源的干細(xì)胞，并進(jìn)行培養(yǎng)增殖；

2、使用“肌腱凝膠集成生物打印法”方法來(lái)制造細(xì)胞纖維，隨后使其分化為骨骼肌、脂肪和毛細(xì)血管纖維；

3、通過(guò)模擬實(shí)際牛排的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)牛排樣肉進(jìn)行組裝。由于肌腱是肌纖維排列的關(guān)鍵組織，研究人員還通過(guò)“肌腱凝膠集成生物打印法”制作了肌腱凝膠，使其與肌細(xì)胞纖維連接，進(jìn)而制作出完整的肌纖維。

3D打印機(jī)上的軟件會(huì)在生產(chǎn)肉類時(shí)定好放置血液、肌肉和脂肪的最佳位置。打印完成后將肉壓緊，再把所有層粘在一起，這時(shí)人造和牛肉就誕生了。

而人造和牛肉越重，制備時(shí)間就越長(zhǎng)。但即使是最小的肉片，也需要幾個(gè)小時(shí)才能完成制作。

他們還借鑒了日本金太郎糖的制作方法，這是一種古老的傳統(tǒng)糖果，制作時(shí)首先要把原材料制成長(zhǎng)管狀，然后再將不同原料堆疊，最后垂直切割成薄片。使用類似于金太郎糖的生產(chǎn)方法，他們把實(shí)驗(yàn)室培育的纖維組織堆疊起來(lái)，然后進(jìn)行垂直切割，如此就能定制不同結(jié)構(gòu)的人造肉。

該團(tuán)隊(duì)把這種方法叫“金太郎糖3D打印術(shù)”，即通過(guò)3D打印肌肉、脂肪、血管等不同的纖維組織，像制作金太郎糖一樣將其整合，從而再現(xiàn)肉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

在一塊真正牛排肉中，會(huì)有很多由骨骼肌纖維組成的肌束結(jié)構(gòu)，它們與肌腱相連，具有收縮和放松運(yùn)動(dòng)的功能。其中，肌纖維被筋膜覆蓋，肌束被脂肪和毛細(xì)血管包圍。而牛排的肌肉、脂肪和毛細(xì)血管占比，則因肉類類型而異。

例如，日本和牛其臀部的瘦肉只有10.7%的脂肪組織，而西冷（牛腰肉）的脂肪比例卻高達(dá)47.5%。因此，按所需的位置、比例和數(shù)量，去組裝三種纖維的方法，將是制造牛排的關(guān)鍵技術(shù)。

此前的人造肉生產(chǎn)技術(shù)，大多只能制造出由肌肉纖維構(gòu)成的接近碎肉末的結(jié)構(gòu)，很難再現(xiàn)肉的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。而“金太郎糖3D打印術(shù)”可定制出類似于真正肉類的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。

該團(tuán)隊(duì)表示日后通過(guò)技術(shù)改善，還可做出讓人造肉具備天然和牛肉那樣的大理石紋，也可通過(guò)控制脂肪和肌肉的成分含量，來(lái)讓人造肉看起來(lái)更肥美，或者具備不同的口感。

日本和牛肉

如果能做到的話，顧客可根據(jù)個(gè)人口味和健康需求，來(lái)定制相應(yīng)脂肪量的人造培養(yǎng)肉。

另外，如果可開(kāi)發(fā)出除了3D打印以外的肌肉、脂肪、血管細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程的自動(dòng)裝置，那么無(wú)論在哪里都能制備人造肉，成本也會(huì)得到降低。

而之所以選擇“金太郎糖3D打印術(shù)”方法，是因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，雖然各類培植肉層出不窮。然而，培養(yǎng)成分和結(jié)構(gòu)類似于真正牛排、即具有脂肪細(xì)胞和排列整齊的肌肉組織的人造肉仍然很有挑戰(zhàn)。

這時(shí)，就可嘗試使用各種組織工程技術(shù)，如細(xì)胞片工程、細(xì)胞纖維工程、以及用于模擬牛排結(jié)構(gòu)特征的3D細(xì)胞打印。其中，3D細(xì)胞打印具有可伸縮性和結(jié)構(gòu)的可控性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

此次發(fā)明的“金太郎糖3D打印術(shù)”的前身是“水浴3D打印技術(shù)”。在SBP方法中，打印原材料要放置在凝膠中或是含有硫氧熵的懸浮液中。

在剪切力的作用下，凝膠的粘度會(huì)變低，從而使打印材料均勻散布。當(dāng)剪切力釋放之后，凝膠又能恢復(fù)到支持打印的高粘度狀態(tài)。SBP方法的好處，在于不僅能克服打印材料在凝膠中散布范圍有限的問(wèn)題，還能解決在空氣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間3D打印所引起的肉表面干燥等問(wèn)題。

為3D打印定制肉打開(kāi)了一扇門(mén)

丁世杰表示：“未來(lái)在解決肌腱膠原去動(dòng)物化、3D打印的速度和規(guī)模等問(wèn)題后，有望實(shí)現(xiàn)和真肉類似口感、質(zhì)地和風(fēng)味的培養(yǎng)肉產(chǎn)品生產(chǎn)?！?/p>

目前，該團(tuán)隊(duì)尚未透露生產(chǎn)牛排的所需成本，也沒(méi)有公開(kāi)還需多久能推向市場(chǎng)，但該研究本身就是“為應(yīng)用而生”，因此必然有對(duì)應(yīng)的落地計(jì)劃。

總體而言，該研究為3D打印定制肉打開(kāi)了一扇大門(mén)，它向人們證明了定制復(fù)雜肉組織結(jié)構(gòu)的人造肉的可能性，在方法上不僅環(huán)境友好度高，而且具備可持續(xù)性。

Novasteak公司的人造牛排

而人造肉的主要背景是，盡管聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)世界人口在2050年將達(dá)到97億人，但是目前的人造肉技術(shù)只能達(dá)到“碎肉末”類似結(jié)構(gòu)的水平，這種人造肉在口感和味道上都相比真正的肉較差，而該團(tuán)隊(duì)則希望讓“金太郎糖3D打印術(shù)”，成為未來(lái)蛋白質(zhì)短缺的解決方案之一。

一直以來(lái)，養(yǎng)牛過(guò)程中都會(huì)排放大量的溫室氣體，傳統(tǒng)和牛飼養(yǎng)方式通常被認(rèn)為是不可持續(xù)的，這也是科學(xué)家大力研發(fā)人造肉的初衷。

此前的人工肉，只能達(dá)到組織相對(duì)紊亂的肌肉纖維細(xì)胞水平，也沒(méi)有相應(yīng)方法去復(fù)制真正牛排的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而此次的人造和牛肉，實(shí)現(xiàn)了從人造碎肉到人造肉塊的跨越。

而3D打印和食品也并非首次結(jié)合，本世紀(jì)初康奈爾大學(xué)的學(xué)生，最先提出使用3D打印技術(shù)來(lái)制作奶酪、曲奇面團(tuán)和巧克力。到了2018年，西班牙初創(chuàng)公司Novasteak成為了歷史上第一家3D打印人造牛排的商業(yè)生產(chǎn)商。

據(jù)全球領(lǐng)先的市場(chǎng)研究咨詢公司Markets and Markets的數(shù)據(jù)顯示，到2027年，由細(xì)胞為基礎(chǔ)來(lái)制造人造肉的肉類產(chǎn)業(yè)價(jià)值或達(dá)2000萬(wàn)美元。像此次的人造和牛肉，如果可以打入食品供應(yīng)鏈，那么3D打印人造肉有望替代動(dòng)物牛肉。

研究人員表示據(jù)他們所知，這是第一個(gè)演示制作全切培養(yǎng)的肉樣組織的報(bào)告。

但是此次得到的人造肉還只是一個(gè)小塊，而且不可食用。在未來(lái)，研究人員還需針對(duì)培養(yǎng)基的細(xì)胞打印可伸縮性、以及相關(guān)材料的可食用性做迭代。

此外，他們也期待“肌腱凝膠集成生物打印法”在未來(lái)可用來(lái)培養(yǎng)肌肉纖維組織，屆時(shí)人造肉的細(xì)胞打印會(huì)更方便。