在人类对肉类需求的增长与资源、环境压力的冲突下，人造肉成为了可持续食品的有利解决方案。本文介绍了人造肉的概念和其在现代食品科技中的重要地位。着重讲述了植物基人造肉的制备和细胞培养肉的制备方法，并阐述了人造肉的优势与挑战，最后对人造肉未来的发展进行展望。
合成生物学是生物学和工程学的一个跨学科分支，旨在通过设计并构建新的、具有特定生理功能的生物系统，来阐明并模拟生物合成的基本规律。它结合了分子生物学、系统生物学、遗传学、材料科学以及计算机科学等多个学科的理论和方法，为探索生命起源与进化、开发新型药物、功能材料、能源替代品等提供了重要途径。合成生物学通过精准设计生物系统，为人造肉的发展提供了新途径。利用细胞培养技术，无需传统饲养，即可培育出口感、营养媲美真实肉类的人造肉，满足人类对可持续食品的需求。
人造肉技术引领全球食品工业科技的革命浪潮，1931年英国前首相丘吉尔就曾憧憬：“在未来我们将摆脱为了吃鸡胸或鸡翅而饲养整只鸡”，近100年后，人造肉技术诞生并迅速兴起，丘吉尔当初这个“狂野”的畅想成为现实。如今，以人造肉为代表的未来食品技术正在掀起一场食品工业科技的革命浪潮，同时推动全球蛋白质供应系统的颠覆性变革。目前，全球主要发达国家和地区均将人造肉列为重点研究方向并大力推进其产业化进程。人造肉是应对肉类需求增长、减轻环境压力的可持续食品解决方案。
植物蛋白肉是植物蛋白经过一系列加工而来的仿生肉制品。因植物蛋白资源丰富、廉价易得、氨基酸组成均衡，且具有降血糖、预防心血管疾病等多种生理功能，故植物蛋白肉可作为传统动物肉的良好替代品。目前用于制备植物蛋白肉的主要蛋白来源是大豆蛋白、谷蛋白和豌豆蛋白。大豆蛋白由于其原料易得、价格低廉，是组织化蛋白产品的主要成分。
菌类蛋白肉是将特定蘑菇的根状孢子进行发酵得到的一种真菌蛋白，经过加工后用于制造成各种菌类蛋白肉。其天然的“类肉”结构使其在成本和质地上都比植物蛋白肉有优势，由于没有放牧动物的甲烷排放，像蘑菇这样的无肉蛋白质比养殖肉类更有利于环保，且菌类蛋白肉还可通过调整培养基和生长条件优化其营养价值。
细胞培养肉技术是近年来兴起的一种新型食品合成生物技术，其通过大规模培养动物细胞获得肌肉、脂肪等组织，再经食品化加工生产得到肉类食品。
细胞培养肉技术包括四个方向：种子细胞分离提取、无血清培养基研制、大规模细胞培养体系和三维培养及组织塑形（图1）。
由于细胞培养肉的生产过程在实验室环境下进行，因此可以实现高度的可控性。从细胞的选择、培养基的精准配方、培养条件的设定，到最终产品的细致后处理，每一步骤都经历了精确的调节与优化，旨在确保LONG8产品质量与安全性的卓越表现。细胞培养肉的生产周期短且产量可观，能够快速满足市场需求。此外，通过技术革新和培养条件的优化，细胞增殖和分化的速度得以进一步提升，从而显著提高了生产效率。
与传统的畜牧业相比，细胞培养肉在资源利用上实现了显著的高效性。无需大面积的土地、丰富的水源和大量的饲料，它显著降低了能源消耗、温室气体排放和水资源的使用，为环境保护和可持续发展做出了积极贡献。同时细胞培养肉的生产过程完全摒弃了动物的养殖与屠宰环节，从根本上降低了动物疫病传播的风险，为食品安全提供了强有力的保障。更为值得一提的是，细胞培养肉的生产还能根据消费者的个性化需求进行定制。通过调整细胞类型、培养基配方和培养条件等关键因素，可以生产出具有独特口感、丰富营养价值和特定功能性的肉类产品，满足消费者多样化的需求。
植物蛋白肉制备流程包括原料选择，组织化植物蛋白提取，添加脂肪、色素、风味剂、黏合剂、以及其他食品功能添加物，通过高水分挤压技术、静电纺丝和剪切细胞技术等加工工艺生产植物蛋白肉（图2）。
植物蛋白肉的原料涵盖油料蛋白、谷物蛋白和豆类蛋白等多元来源。油料蛋白主要来自大豆、花生和菜籽等，而谷物蛋白包括大米、小麦和小米等；豆类蛋白涵盖了大豆、豌豆及鹰嘴豆等种类。这些原料经过组织化植物蛋白提取后，添加一系列的调味料，如脂肪、色素（如甜菜红、胡萝卜素、番茄红、焦糖色素和血红蛋白等）、风味剂（如肉类香精、还原糖、呈味氨基酸、核苷酸和香辛料等）、黏合剂（如海藻酸钠、卡拉胶、谷氨酰胺转氨酶、甲基纤维素和黄原胶等）以及其他食品功能添加物[1]。
在植物蛋白肉的生产过程中，运用了高水分挤压技术、静电纺丝和剪切细胞技术等先进的加工方法[2]。特别是在挤压技术中，蛋白质经过加热料筒和剪切螺杆的机械和热应力作用，结构得以改变，接着碱性蛋白质溶液通过喷丝头被挤出至酸性凝固浴中，形成纤维状沉淀。这些纤维随后经过展开、交联和排列，并采用热处理、干燥或凝固等方法进行固化[3]。最终，这些纤维经过精细加工，排列成形态各异的植物蛋白肉产品。
在剪切工艺中，高温锥形剪切单元被用来通过高温和剪切诱导的机械力将植物蛋白混合物转化为三维的植物蛋白肉[4]。通过调整剪切工艺条件，可以获得具有不同特性的多样化产品，以满足市场的不同需求。
菌类蛋白肉的制作过程始于目标菌种的微生物发酵技术扩增，这一过程中，菌种被用作基础蛋白原料。其主要的制作原料为菌粉，这是通过特定底物与微生物的发酵作用所产生的[5]。发酵培养基的成分主要是食品级碳水化合物，以及钾、镁、磷和铵盐等食品级成分，还包括微量元素和维生素。当发酵过程完成后，通过加热处理发酵液，以降低其中的RNA含量。接着，利用离心或过滤技术，从发酵液中提取出类似鸡胸质地或面包团的糊状物。
经过搅拌和成型后，这些糊状物被冷却并转化为菌粉。最后，菌粉与粘合剂、调味剂、色素等辅料混合，经过精细加工，便得到了蛋白质含量丰富的菌体蛋白肉类似物[6]。这一制作过程不仅保证了产品的高营养价值，也满足了消费者对健康、美味食品的需求。
细胞培养肉的制备过程如图3所示，主要包括（1）肌肉和脂肪细胞的分离和培养；（2）无异种培养基的配方；（3）支架的发展；（4）生物反应器的设计[7]：以下我们将从这四个过程进行详细介绍。
肌肉和脂肪细胞的分离和培养过程如图4所示。从生物体中直接提取原代肌细胞是一种常见的起始方法。另一种备选策略则涉及使用多能干细胞，通过特定的诱导手段，使其转化为肌肉祖细胞[8]。在采用原代细胞的方法时，肌肉驻留祖细胞可从动物的骨骼肌组织中分离出来。而对于多能干细胞，首先需引导其分化为中胚层细胞谱系，以便生成肌肉驻留祖细胞。不论是原代细胞还是多能细胞，都需要经过细胞分选过程，以提纯和富集特定类型的祖细胞。在细胞培养的早期阶段，主要的关注点是促进细胞增殖，确保达到商业化生产细胞培养肉制品所需的细胞数量。
干细胞在体外培养时，其增殖及功能调控的关键在于化合物培养基的配制。高效且低成本的培养基对于细胞培养肉实现工业化生产至关重要。然而，由于体内外环境的显著差异，动物干细胞在体外培养时的增殖能力往往受限，且随着培养时间的增加，其分化能力也会显著降低。因此，首要任务是深入研究各类型干细胞在分裂增殖、成肌/成脂分化过程中的关键调控因子和相关信号通路，进而发现能够有效促进细胞增殖、保持其特性和功能调控的化合物。这些化合物并不完全依赖于基础培养基或胎牛血清，而是可以通过高通量筛选技术，从天然活性化合物库和小分子化合物库中筛选得到（图4）。
随着种子细胞分离提取技术的进步和低成本细胞培养基的研制，大规模培养细胞培养肉的种子细胞将成为产业化发展的核心驱动力之一。首要挑战在于，由于细胞培养肉的种子细胞普遍为贴壁生长类型，因此大规模培养过程需依赖于微载体技术。微载体是一种微米级别的固体细胞生长支持基质，其球体结构允许细胞在其表面或内部附着生长，特别适用于生物反应器系统中贴壁细胞的增殖。相较于传统的单层细胞培养方法，微载体技术因其球体拥有的高表面积与体积比，显著提高了细胞培养的密度和效率。目前，该技术已成功应用于多种动物细胞的培养，包括哺乳动物、鸟类、鱼类和昆虫细胞，展现了其广泛的适用性和潜力。如图5所示。
从单个细胞到整块的细胞培养肉，还需要用到3D打印、组织工程等手段，主要是将细胞进行三维立体培养的过程，如表1所示[9]。
3D生物打印塑形技术是通过其挤压式打印模式，将包含细胞与非细胞成分的生物墨水（Bio-ink）精心构建为复杂组织，并借助长时间的培养过程，塑造出类似传统肉类的细胞培养肉。3D打印技术因其潜在能力，被普遍认为是未来细胞培养肉制备的主流技术，其产出的器官和组织在形态与功能上与传统肉类高度相似，预示着巨大的市场机遇。近期，3D打印机的成本显著下降，且预期此趋势将持续，为技术普及和应用奠定了坚实基础。然而，在细胞培养肉的生产中，3D打印技术目前仍处在概念化和实验室阶段，需要在多个关键技术环节，如细胞在3D组织中的复杂分布、高效沉积、神经支配以及循环系统的构建等，实现重大突破。
组织工程则是另一种技术，它关注于细胞在仿生支架构成的粘附表面上的培养，使细胞与各种生物材料紧密结合。这一过程中，细胞与生物材料的结合方式可分为自上而下和自下而上两种类型。前者因对细胞分布的控制较弱，可能导致细胞外基质不足，进而影响组织功能；而后者则通过纳米和微米技术，以精确的方式逐块形成组织，使细胞能够响应动态细胞外基质的纳米级变化。已有证据表明，无需外源可溶性生化因子的参与，仅凭仿生纳米图案即可指导干细胞的生长发育。如图6所示。
随着食品科学与生命科学的蓬勃发展，新兴食品如植物蛋白肉和细胞培养肉等逐渐崭露头角，预示着未来食品生产的重要走向。预计植物蛋白肉的市场价值将从2018年的46亿美元大幅跃升至2030年的850亿美元，且在2026年便有望达到309亿美元，这一新兴市场无疑充满了商业投资的巨大吸引力。亚太地区的植物蛋白肉市场预估在2025年便已达到212.3亿美元，这进一步彰显了人造肉在消费市场中的巨大潜力。
全球范围内，各国政府均对人造肉产业展现出浓厚的兴趣与扶持，我国亦不例外。政府正大力推动人造肉相关产业的发展，并积极与国外企业签署合作协议。与此同时，国外企业也纷纷进军中国市场，推出各自的自主品牌和产品，如BeyondMeat的别样肉客、雀巢的佳植肴以及联合利华的植卓肉匠等[10]，这些迹象均表明2020年是植物蛋白肉市场迅猛发展的关键一年，据统计，仅在这一年，初创公司便成立了6家，而外企在中国市场的布局也达到了3家。
人造肉的技术与应用正在全球范围内同步取得进展，其产业化前景备受资本市场看好。相较于国内，植物蛋白肉的发展在国外起步较早，市场也相对成熟，美国市场上不乏老牌公司如泰森、嘉吉、JBS、荷美食品等，以及初创公司如BeyondMeat、ImpossibleFood、GoodCatch等。其中，Beyond Meat公司凭借其伊桑·布朗团队研发的豆类等植物和动物蛋白肉饼、汉堡、素鸡、素鸭等系列产品，成功在纳斯达克交易所上市，首日股价涨幅高达163%[11]，成为植物蛋白肉界的重要里程碑，不仅推动了全球植物蛋白肉市场的繁荣，也激发了资本的积极投入，并对我国植物蛋白肉市场的发展产生了深远影响。
国内同样不乏涉足植物蛋白肉领域的老牌食品企业，如烟台双塔、浙江百草味、双汇、金锣、金字火腿等，同时初创企业也如雨后春笋般涌现（表2），如星期零、珍肉、庖丁造肉、HeyMaet等[12]。其中，金字火腿公司的吴月肖团队便推出了植物蛋白肉饼、植物蛋白肉香肠、植物蛋白肉肉丸等系列产品。在细胞培养肉领域，我国的研究与应用也取得了显著成果，例如周光宏团队成功实现了细胞培养猪脂肪在500升生物反应器中的放大生产，这标志着细胞培养肉产业化路径的基本打通。此外，国家政策亦在积极支持这一领域的发展，如《“十四五”全国农业农村科技发展规划》中明确将“细胞培养肉”列为我国“十四五”期间积极参与的领域。
《“十四五”生物经济发展规划》着重提出了合成生物学技术的发展，并鼓励研发“人造肉”等新型食品，旨在推动食品工业的升级换代，以减轻传统养殖业给环境资源带来的沉重压力。畜牧业已被广泛认为是对环境构成重大压力的关键因素之一，同时也是气候变化的重要贡献者。预计到2050年，全球人口和肉类需求的激增将不可避免地加剧畜牧业对环境的影响。然而，人造肉的出现为这一棘手问题提供了新的解决方案。据估计，相较于传统肉类生产，工业化规模的人造肉生产有望大幅减少水和土地的使用量，分别降低约89%和99%，同时温室气体排放量也能降低多达96%[13,14]。
除了对环境和资源的积极影响外，人造肉还为解决动物养殖的伦理问题以及由动物传播疾病和抗生素过度使用引发的健康问题提供了新的思路。虽然传统肉类富含营养，但其携带的病原菌和化学污染物却给人类健康带来了潜在风险。多项研究表明，红肉和加工肉类的摄入与癌症、冠心病、糖尿病等疾病的发病率呈正相关。此外，肉类中常见的食源性病原体，如沙门氏菌、弯曲杆菌和大肠杆菌，也对人类健康构成了严重威胁[7]。而人造肉的生产过程采用无菌培养技术，营养成分明确且不含污染源，各环节清晰可控，从而有效避免了病原体及环境污染物对人类健康的潜在危害。
蛋白合成肉作为一种新型食品，其独特的优势在于可根据消费者需求调整营养成分，减少脂肪和添加剂的摄入。尤其是植物蛋白肉，其脂肪含量极低，对预防因脂肪摄入过多引起的糖尿病、心血管疾病等具有显著效果。同时，植物蛋白肉还富含其他健康的营养素，如植物化学物质和纤维，以及具有降脂、降血压等作用的生理活性成分。目前，市场上已有多种植物蛋白肉产品，如素肉饼、素火腿等[2]，凭借其健康环保的特点在全球市场迅速崭露头角。但食用植物能对人类健康带来的益处不能直接外推到植物蛋白肉上，植物蛋白肉的所含常量/微量营养素组成与传统肉类相似，但其加工过程会降低营养含量。大多数植物蛋白肉产品饱和脂肪含量低，但钠含量高，此外，这些LONG8植物蛋白肉产品对肠道微生物将会产生怎样的影响还需要进一步研究。植物蛋白肉的生产所涉及的供应链、物流和农产品可能会产生过多碳足迹带来的环境问题也需要额外关注。因此，需要进行更专业、更全面的研究，以阐明其对健康的长期后果以及对环境的影响。
尽管细胞培养肉技术前景广阔，但目前该技术仍需进一步完善，包括提高生产效率并降低成本。在产品开发方面，国内相对滞后，大多将人造肉作为添加剂融入肉类制品中，如水饺、肉丸、肉肠等。市面上的主要产品仍以低水分挤压得到的拉丝蛋白为主，作为休闲零食。当然，也有以植物蛋白肉为主料开发素肉水饺、素食肠、素肉丸等产品，但与国外相比仍有一定差距。这种差距主要源于我国在植物蛋白肉领域的产业化起步较晚，生产工艺尚未成熟，机理研究不够深入，资金投入不足，宣传力度不够以及相关法规尚不完善等因素。
在消费者接受度方面，人造肉面临着不小的挑战。传统肉类在消费者心中占据更高的地位，其次是植物蛋白肉，最后是细胞培养肉。Bekker[15]等人的研究揭示了消费者对于人造肉的态度受描述信息的影响，积极或消极的描述都会直接影响消费者的直接态度。Siegrit[16]等人的研究则发现，使用非科技术语描述人造肉可以提高消费者的接受度，而包含科技术语的描述则可能使消费者感到不自然从而产生反感。此外，低价格也是提高消费者接受度的一个关键因素。细胞培养肉的受欢迎程度、主观规范以及社会压力等因素同样会影响消费者的接受度。
综合各项研究，我们可以得出以下结论：虽然大多数消费者愿意尝试细胞培养肉，但仅有小部分消费者愿意用人造肉完全替代传统肉类消费。这表明，人口统计变量对人造肉的消费意愿具有显著影响。其中，男性、自由主义者、低收入者对人造肉有更强的尝试意愿。素食主义者虽然对人造肉的一些优点表示认可，但相较于正常饮食的消费者，他们更不愿意尝试细胞培养肉，而是更倾向于接受植物人造肉[17]。如表3所示。
植物蛋白肉在市场推广中面临的主要挑战之一是其咀嚼感不佳和肉感不足的问题。这一问题的成因复杂，涉及研发、后期加工以及产品宣传等多个环节。针对这一挑战，我们可以着手进行宣传策略的调整[18]。
当前，国内市场上的植物蛋白肉产品主要以低水分挤压得到的大豆拉丝蛋白为主，其应用领域主要集中在休闲零食和肉类制品的添加剂上，因此市场定位较为狭窄。我们需要重新定位产品，将其从休闲零食和添加剂转变为满足日常饮食需求的健康食品。组织化蛋白以其丰富多样的原料来源和优越的营养功能，具备成为健康食品的天然优势。因此，我们需要强调其作为肉类替代品的营养价值和健康优势，同时扩大其应用场景，使之能够融入更多人的日常饮食中。还可以突出其绿色、环保的生产过程，以吸引更多注重环保的消费者。
人造肉作为食品科技的新兴力量，正以其可持续、健康的生产方式引领食品工业变革。通过植物蛋白肉、菌类蛋白肉和细胞培养肉等多种形式，人造肉为市场提供了多样化且营养丰富的食品选择。细胞培养肉技术的高度可控性确保了产品质量与安全，且在资源利用上相较于传统畜牧业更具优势。随着技术的不断进步，人造肉产业正逐步实现工业化生产，展现出巨大的市场潜力。
然而，人造肉产业在发展过程中仍面临诸多挑战。植物蛋白肉的营养成分在加工过程中可能受损：细胞培养肉技术虽前景广阔，但尚需突破关键技术瓶颈。此外，消费者对人造肉的接受度也是制约产业发展的重要因素。因此，推动人造肉产业的健康发展，需要加大研发力度，优化生产工艺，提升产品质量与口感，同时加强消费者教育和市场引导。
展望未来，人造肉产业有望在全球范围内实现快速增长。随着消费者对健康、环保食品的需求日益增强，人造肉将成为满足这一需求的重要选择。同时，政府、企业和研究机构的合作与投入也将为人造肉产业的发展提供有力支持。相信在不久的将来，人造肉将成为食品工业的重要组成部分，为人类带来更加健康、可持续的饮食方式。
[3] 李鑫,彭常安,许月明,等. 细胞支架与组织成型技术在细胞培养肉中的应用[J]. 武汉轻工大学学报, 2023, 42 (02): 52-60.
[9] 关欣， 汪丹丹， 方佳华等. 未来食品的发展:植物蛋白肉与细胞培养肉. 国食品学报，2022(12)
[12] 生吉萍,石鸿旭,刁梦瑶,等. 基于文献的探讨:培养人造肉会被大众接受吗?[J].中国食物与营养,2020,26(06):39-43.
合成生物学竞赛·创新赛由中国生物工程学会合成生物学专业委员会指导并主办。
创新赛聚焦合成生物学领域，汇聚全球领域内领军专家学者，面向对合成生物学有热情的在校大学生以及在读硕士研究生，为青年学生提供一个与顶尖学者面对面交流学习、展现自身创新力的创智、创造平台。
创新赛践行合成生物学“造物致知、造物致用”的理念鼓励当代学生从兴趣出发，探索合成生物学在不同领域的创新和应用，同时为合成生物学、生命科学、交叉学科培养后备生力军。