周景文， 張國強， 趙鑫銳， 李雪良， 堵國成， 陳 堅

（1．江南大學 糧食發(fā)酵工藝與技術(shù)國家工程實驗室，江蘇 無錫214122；2.江南大學 生物工程學院，江蘇 無錫214122）

未來食品是以解決全球食物供給、資源環(huán)境、質(zhì)量安全、營養(yǎng)健康、飲食方式和精神享受等問題，利用合成生物學、腦科學、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等顛覆性前沿技術(shù)，加工制造更健康、更安全、更營養(yǎng)、更美味的食品[1]。隨著生命科學與技術(shù)快速進步與發(fā)展，基于代謝工程和合成生物學等手段，構(gòu)建具有特定合成能力的細胞工廠，通過現(xiàn)代生物發(fā)酵技術(shù)，生產(chǎn)人類所需要不同食品的顛覆性創(chuàng)新技術(shù)取得了長足的進步（見圖1）。利用細胞工廠發(fā)酵工程技術(shù)不僅可以生物合成制造不飽和脂肪酸、氨基酸、維生素等一系列高附加值產(chǎn)品[2-3]，而且低成本合成制造淀粉、油脂、蛋白質(zhì)等基本食品組分的技術(shù)也成了新的研究熱點[4-5]。未來食品行業(yè)將開發(fā)和利用不同學科的交叉技術(shù)，根據(jù)功能與營養(yǎng)的差異性需求，實現(xiàn)未來食品智能化、定制化生產(chǎn)與加工，進一步補充或替代傳統(tǒng)食品行業(yè)。

隨著世界人口數(shù)量的快速增長和人類社會的不斷發(fā)展，對食品的需求在數(shù)量與品質(zhì)上都在不斷提升。食品工業(yè)長期以來受科技發(fā)展影響較小，在歷次科技革命中都沒有發(fā)生過根本性變革?，F(xiàn)階段食品行業(yè)的主要創(chuàng)新往往局限在口味、包裝和營銷等層面。在前期的食品科學研究中，科研工作者主要通過改進生產(chǎn)方式，實現(xiàn)對現(xiàn)有食品的高技術(shù)改良，但是食品的形態(tài)或本質(zhì)并沒有改變。隨著生物科學和食品科技的高速發(fā)展，食品科學正在從高技術(shù)食品改良向高技術(shù)食品制造轉(zhuǎn)變，即從傳統(tǒng)的食品品質(zhì)改良到未來食品的全新合成[1]。在西方社會，食品工業(yè)正從深加工食品過渡到有機食品階段，而有機食品正在向精準營養(yǎng)階段過渡。目前，我國未來食品生物制造在研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)化方面還有待提高，標準體系和檢測程序還有待完善。因此，圍繞快節(jié)奏、營養(yǎng)化、多樣性的國民健康飲食消費需求新變化與食品新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展新需求，開展未來食品創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化協(xié)同發(fā)展，對我國食品工業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

未來食品生物制造是基于食品多組學研究技術(shù)，利用系統(tǒng)生物學和大數(shù)據(jù)分析手段，解析不同食品營養(yǎng)組分、加工方式、膳食模式等與人體健康關(guān)系。作為未來食品的代表，植物蛋白肉與細胞培養(yǎng)肉等新型人造肉在健康、安全、環(huán)保等方面均較傳統(tǒng)養(yǎng)殖肉類具有顯著優(yōu)勢[6]。人造肉在研究初期會以模仿真實肉為主，如雞肉、牛肉等，而隨著研究深入及細胞培養(yǎng)、3D打印等新技術(shù)的不斷突破，會逐漸走向肉制品的合成重構(gòu)方向。植物蛋白肉由于植物蛋白來源廣泛、加工工藝相對成熟，已經(jīng)逐步開始商業(yè)化生產(chǎn)，但在口感、風味與營養(yǎng)等方面與真實肉制品仍然存在較大差距；細胞培養(yǎng)肉在營養(yǎng)、口感和風味方面可能更接近真實肉制品，在資源可持續(xù)和環(huán)境保護方面潛力巨大，是未來人造肉的主要研究發(fā)展方向，但是目前仍在理論與技術(shù)層面，特別是肌肉脂肪組織大規(guī)模低成本培養(yǎng)等方面，還存在諸多挑戰(zhàn)。

圖1 未來食品的生物制造Fig.1 Biomanufacturing of future food

面對人造肉綠色生物制造的挑戰(zhàn)，一方面要致力于采用食品合成生物學與現(xiàn)代發(fā)酵技術(shù)來提高食品原料的品質(zhì)和安全性?；谑称方M學研究，對食品營養(yǎng)、食品安全、食品品質(zhì)等重要食品領(lǐng)域的內(nèi)容進行評估。以細胞培養(yǎng)肉為例，首先以組織生物學和合成生物學等現(xiàn)代生物技術(shù)為基礎(chǔ)，利用動物細胞特性和功能，設(shè)計、構(gòu)建合成大規(guī)模的肌肉脂肪組織，生產(chǎn)出滿足消費者需求的各種人造肉食品原料[6]。另一方面要推動食品工業(yè)向標準化、規(guī)?；l(fā)展，促進食品產(chǎn)業(yè)向高技術(shù)健康產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。利用代謝工程、發(fā)酵工程等技術(shù)合成人造肉原料，開發(fā)新食品資源和食品添加劑，進一步基于酶工程等技術(shù)提高人造肉等未來食品的質(zhì)構(gòu)，改善未來食品的口感、風味和儲藏性能等。

1 植物蛋白肉生物制造的關(guān)鍵技術(shù)

植物蛋白肉是利用大豆、小麥、豌豆等植物蛋白替代動物蛋白，通過纖維結(jié)構(gòu)化和風味物質(zhì)的整合模仿真肉口感。目前，采用蛋白制品加工成類似肉制品形狀的植物蛋白肉與真實肉制品有較大差距，普遍存在質(zhì)構(gòu)不足、蛋白生物價偏低、含過敏原及異味成分等問題，品質(zhì)還有待進一步提升?，F(xiàn)階段，植物蛋白肉生物制造的關(guān)鍵任務在于植物蛋白來源與品質(zhì)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)風味改良、生物酶處理和理化改性協(xié)同加工策略開發(fā)等，通過重組植物蛋白質(zhì)構(gòu)，降低蛋白過敏原與異味成分，提升植物蛋白肉感官性能與營養(yǎng)價值。

1.1 植物蛋白肉來源與營養(yǎng)品質(zhì)優(yōu)化

目前，植物蛋白肉的主要蛋白組分來自大豆蛋白和小麥蛋白等。隨著人們對營養(yǎng)價值需求的提升，花生蛋白、豌豆蛋白等其他來源的植物蛋白也將作為配料用于植物肉的生產(chǎn)，進一步提高植物肉營養(yǎng)價值。因此，如何有效重組具有不同氨基酸組成特點的蛋白質(zhì)及平衡各蛋白質(zhì)的持水、持油性，是提升植物肉感觀品質(zhì)的關(guān)鍵[7]。此外，植物源蛋白含有相對豐富的氨基酸，但是部分植物蛋白品質(zhì)相對動物蛋白仍明顯不足，存在必需氨基酸組分缺失、蛋白消化率與生物價低及含有致敏成分等問題，影響了植物蛋白的營養(yǎng)品質(zhì)，需要進一步優(yōu)化改良，符合健康飲食需求[8]。

部分植物蛋白含有較多的疏水性谷氨酰胺和天冬酰胺殘基，這些氨基酸通過氫鍵等作用把蛋白質(zhì)連接在一起，造成蛋白質(zhì)凝聚、產(chǎn)生沉淀等，大大降低了蛋白質(zhì)的溶解性，進而影響植物蛋白的工藝特性[9]。為解決這些問題，可以通過分析研究植物蛋白肉原料有效蛋白組分、品質(zhì)與真實肉制品的差異，確定影響植物蛋白肉品質(zhì)關(guān)鍵成分，如關(guān)鍵氨基酸、營養(yǎng)物質(zhì)等，為植物蛋白肉品質(zhì)提升提供指導。已有研究表明，植物蛋白通過糖基化等方法可以改善其持油、持水能力等，彌補天然植物蛋白品質(zhì)的不足[10]。未來發(fā)展也可以利用微生物代謝工程、發(fā)酵工程、酶工程與食品工藝等整合策略，構(gòu)建食品級微生物細胞工廠，合成優(yōu)質(zhì)蛋白或營養(yǎng)組分，從提高感官性能與營養(yǎng)價值、增加消化率與生物價、降低過敏原成分等方面，逐步提升合成蛋白的品質(zhì)與營養(yǎng)價值。

1.2 植物蛋白肉組織結(jié)構(gòu)改善

植物蛋白肉所用的拉絲蛋白受擠壓方法和原料性質(zhì)的影響較多，使植物蛋白肉的形態(tài)和質(zhì)構(gòu)可控性很差。迄今為止，已有大量研究通過改變原料配方、工藝參數(shù)從而優(yōu)化纖維結(jié)構(gòu)[11]。由于植物蛋白與天然肉類蛋白在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異，為有效模擬天然肉口感，需要開發(fā)植物蛋白結(jié)構(gòu)改良工藝。

目前，植物蛋白結(jié)構(gòu)改良的研究包括物理擠壓、化學添加以及生物酶改良等方法，部分技術(shù)已被廣泛用于植物蛋白類食品的加工，并在產(chǎn)品感觀品質(zhì)及營養(yǎng)強化方面均取得較好效果[12]。由于生物酶法具有綠色安全、節(jié)能高效能優(yōu)勢，未來具有較大發(fā)展?jié)摿Α，F(xiàn)階段，如何將物理擠壓與酶法處理有效結(jié)合，促進植物蛋白組織結(jié)構(gòu)的改良也成為研究的熱點。研究人員通過開發(fā)穩(wěn)定性與特異性優(yōu)良的谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶及各類蛋白酶，評估并優(yōu)化影響酶制劑的關(guān)鍵因素，提升植物蛋白肉口感（見圖2）[12]。采用物理擠壓工藝，實現(xiàn)植物蛋白物理結(jié)構(gòu)改造，生產(chǎn)高品質(zhì)拉絲植物蛋白，增加植物蛋白交聯(lián)度與蛋白韌性，使植物蛋白肉在結(jié)構(gòu)與口感方面，達到與真實肉制品的高度相似。

1.3 植物蛋白肉中關(guān)鍵酶制劑優(yōu)化

植物蛋白肉的加工過程主要涉及物理擠壓與后期食品營養(yǎng)風味加工等，由于植物蛋白存在質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)、安全等問題，需要生物技術(shù)干預才能有效改善植物蛋白品質(zhì)。例如，植物蛋白過敏和異味成分是影響消費者選擇植物蛋白類食品的重要因素之一。常用的植物蛋白，如大豆蛋白等，常含有豆腥味和過敏原等成分，影響了植物蛋白的風味與安全，限制了植物蛋白在食品領(lǐng)域的廣泛應用[13]。其中，β-伴大豆球蛋白和大豆球蛋白等都是潛在的致敏原，在低閾值水平即能夠引發(fā)大豆過敏反應。脂肪氧化酶催化生成低分子醇醛是造成蛋白異味的主要原因。

目前，通過傳統(tǒng)物化方法可以解決大豆的致敏、異味等問題，但會破壞大豆的營養(yǎng)成分，而采用酶法處理則具有相對溫和的優(yōu)勢。通過酶工程等技術(shù)，篩選改造高特異性與活性的蛋白酶、風味蛋白酶及相關(guān)食品微生物等，實現(xiàn)脂肪氧化酶失活、腥味物質(zhì)降解、微生物共發(fā)酵等，優(yōu)化人造肉中氨基酸組分等，提升植物蛋白肉的安全性與風味。此外，植物蛋白肉存在的質(zhì)構(gòu)差等問題也需要開發(fā)不同的生物酶復合系統(tǒng)進行優(yōu)化，例如谷氨酰胺轉(zhuǎn)氨酶、蛋白質(zhì)谷氨酰胺酶等復合酶制劑。因此，優(yōu)化酶制劑在植物蛋白質(zhì)構(gòu)與營養(yǎng)改良中的應用，提高食品原料利用效率、改進食品風味和安全性，將推動植物蛋白肉市場的拓展。

圖2 生物酶工藝在植物蛋白加工中的應用Fig.2 Application of enzyme technology in plant protein processing

2 細胞培養(yǎng)肉生物制造的關(guān)鍵技術(shù)

細胞培養(yǎng)肉是指基于干細胞、組織工程等技術(shù)在體外培養(yǎng)的動物肌肉組織，經(jīng)過色澤、風味調(diào)整，營養(yǎng)物質(zhì)補充以及物理成型等加工制成的模擬肉制品（見圖3）[14]。肌肉干細胞的發(fā)現(xiàn)和體外培養(yǎng)已有半個世紀的歷史[15-16]，但細胞培養(yǎng)肉誕生的標志是2013年荷蘭研究人員用完整的細胞培養(yǎng)牛肉制備的漢堡產(chǎn)品[17]。

圖3 細胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)流程Fig.3 Workflow of cell-cultured meat

2.1 干細胞的低成本獲取

作為食品，細胞培養(yǎng)肉只有在實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的情況下才有現(xiàn)實意義。從種子細胞來源的角度而言，要求用于培養(yǎng)肉生產(chǎn)的干細胞同時具有兩種特性：無限、快速增殖而不損失干性且不發(fā)生性狀改變或失去分化的能力以及穩(wěn)定、高效分化成為肌肉組織的能力，兩者缺一不可。

表1 列出了可能用于細胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)的干細胞來源?？梢钥吹?，自然條件下并沒有一種干細胞同時符合上述兩個條件。全能胚胎干細胞雖然可以無限增殖，但是定向分化成肌肉細胞存在著不確定性。肌肉干細胞可以自然分化并形成肌肉組織，但是自然狀態(tài)下體外培養(yǎng)時傳代次數(shù)非常有限且速率較慢[18-19]。因此，解決胚胎干細胞的定向分化問題，或者是肌肉干細胞的無限增殖問題，是細胞培養(yǎng)肉技術(shù)的關(guān)鍵之一。荷蘭的初創(chuàng)公司Meatable在2018年宣稱解決了具有無限增殖能力的多能臍帶干細胞定向分化的問題，但對其成本緘口不提[20]。使用肌肉干細胞作為細胞培養(yǎng)肉種子只需從成年動物身體上取少量樣本而無須屠殺，具有動物倫理優(yōu)勢，使培養(yǎng)肉產(chǎn)品更容易被接受。種子細胞關(guān)乎一個公司的生存，相關(guān)技術(shù)作為商業(yè)機密不被公開。然而，這種生產(chǎn)過程的不透明，可能會影響消費者的接受度[21-22]。

表1 潛在的可應用于細胞培養(yǎng)肉的干細胞來源Table 1 Potential stem cell sources for cell-culture meat

2.2 肌肉和脂肪干細胞增殖分化

培養(yǎng)肉的生產(chǎn)在細胞這一層面要經(jīng)過兩個步驟：增殖和分化。增殖是指少量干細胞經(jīng)過不斷分裂傳代產(chǎn)生大量新的干細胞的過程。此后，通過改變培養(yǎng)條件[23]，如降低培養(yǎng)基中胎牛血清濃度，干細胞分化成肌肉細胞并最終形成肌肉組織[19]。在細胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域，使用全能胚胎干細胞作為種子的較少，而使用肌肉干細胞的技術(shù)更具吸引力。后者的主要問題是如何在增殖的過程中保持干性[24]。有些細胞系可以靠不斷自發(fā)的突變而獲得無限增殖的能力，但這一過程類似于癌變，會對細胞的特性產(chǎn)生不利影響。通過基因修改也可以使細胞獲得無限增殖的能力，以及改進全能干細胞定向分化的穩(wěn)定性。然而GMO食品的推廣會遇到相當大的阻力。尤其是在歐盟國家，是完全被禁止的。用于細胞培養(yǎng)肉的干細胞的增殖和分化，應該是以優(yōu)化培養(yǎng)條件以及代謝調(diào)控為主。

Boonen等人[25]發(fā)現(xiàn)貼壁培養(yǎng)時基質(zhì)的彈性對小鼠肌肉干細胞的增殖和分化有著顯著影響。如果該現(xiàn)象在家畜肌肉干細胞培養(yǎng)中也存在，他們的研究結(jié)果則對細胞培養(yǎng)肉所用微載體的研究有指導意義。Ding等人發(fā)現(xiàn)在牛肌肉干細胞體外增殖的過程中，絲裂原激活蛋白激酶（P38-MAPK）信號被激活而成對盒蛋白PAX7的表達逐漸消失。使用一定濃度的p38抑制劑（SB203580），不但牛肌肉干細胞增殖能力和PAX7表達得到提升，而且解除抑制后細胞分化成肌肉細胞的能力也有改善。然而，這一昂貴的抑制劑將大大提升成本。因此，通過廉價的方法提高細胞增殖和分化的效率，是細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化之前必須解決的問題。

2.3 細胞培養(yǎng)肉的規(guī)模放大

整個細胞培養(yǎng)肉的產(chǎn)品規(guī)模放大，包括基礎(chǔ)原料肌肉組織和后期營養(yǎng)風味成分的生產(chǎn)加工放大。但目前主要的困難與挑戰(zhàn)在于基礎(chǔ)原料的放大，也就是如何高效模擬肌肉細胞或組織生長環(huán)境。動物細胞由于沒有細胞壁的保護非常脆弱，無法承受劇烈攪拌帶來的剪切力。同時，動物細胞對環(huán)境均一性的要求又很高，反應器體積放大以后，必須劇烈攪拌才能保證溫度、溶氧、pH值以及營養(yǎng)物質(zhì)的均一性。這兩種需求之間的矛盾，導致動物細胞培養(yǎng)裝置的規(guī)模一般不超過1～2 m3，最大不超過20 m3，與用于食品生產(chǎn)的動輒幾百立方米的微生物細胞培養(yǎng)反應器相比規(guī)模非常小。因此，動物細胞和組織培養(yǎng)傳統(tǒng)上主要是用于價格昂貴且產(chǎn)量極低的醫(yī)療醫(yī)藥產(chǎn)品（見圖4）。在細胞培養(yǎng)肉領(lǐng)域，隨著無血清培養(yǎng)基技術(shù)的逐漸成熟，細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)化要解決的下一個問題便是規(guī)模的放大。

圖4 生物制品價格與市場規(guī)模關(guān)系Fig.4 Relationship between price of biological products and market scale

細胞培養(yǎng)工藝和反應器的理性放大需要細胞利用底物和攝入氧氣的動力學參數(shù)，對溶氧、靜壓強、剪切應力、溫度及其變化率的承受能力，代謝廢物包括CO2對細胞生理特性的影響等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。尤其是細胞對剪切應力的承受能力，對反應器選型、操作、過程控制及采用哪種流體力學模型模擬都有重大影響，甚至可以說是細胞培養(yǎng)肉能否真正實現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)的決定因素。目前文獻中還沒有針對動物肌肉細胞的相關(guān)報道，有些研究人員對細胞培養(yǎng)肉大規(guī)模生產(chǎn)進行展望時，也忽視了這些問題[27-28]。Li等假設(shè)動物肌肉干細胞的生理特性與常見動物細胞類似，利用計算流體力學（CFD）和數(shù)學模型設(shè)計了一個300 m3的氣升式反應器用于細胞培養(yǎng)肉生產(chǎn)，從理論上證明了這一策略的可行性[26]。針對動物肌肉細胞生理特性數(shù)據(jù)所做的假設(shè)，還需要大量實驗數(shù)據(jù)進行驗證。

3 人造肉的食品化技術(shù)

目前，微生物細胞工廠與干細胞組織培養(yǎng)技術(shù)雖然已經(jīng)可以生產(chǎn)人造肉食品，但目前市場認可度還比較低。主要原因是現(xiàn)階段產(chǎn)品還無法真正模擬真肉的品質(zhì)。因此，要想生產(chǎn)符合消費者口味的人造肉食品，還需要開發(fā)相應的食品化技術(shù)，在現(xiàn)有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上做到人造肉制品的色、香、味、型俱全，才能真正被大眾所接受，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化推廣。

3.1 微生物合成技術(shù)

以動植物來源蛋白（大豆球蛋白、肌動蛋白、肌紅蛋白、血紅蛋白、脂蛋白、糖蛋白等）為基礎(chǔ)的新型人造肉食品已經(jīng)逐漸發(fā)展起來，而如何高效獲得符合食品安全生產(chǎn)標準的人造肉相關(guān)蛋白組分是目前人造肉食品生產(chǎn)的關(guān)鍵問題[29]。

利用食品級微生物細胞工廠，合成植物蛋白肉加工工藝所必需的酶和小分子功能性化合物，降低過敏原與異味成分含量，可以突破以往僅通過物理加工改善植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)、口感所存在的局限性。目前，利用大腸桿菌、畢赤酵母等微生物模式菌株已經(jīng)可以實現(xiàn)一些人造肉相關(guān)蛋白（大豆球蛋白、血紅蛋白等）的合成。但是應用微生物來合成人造肉相關(guān)蛋白還存在產(chǎn)率較低、不易純化的問題，相關(guān)產(chǎn)品無法工業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此，為了實現(xiàn)人造肉相關(guān)蛋白的高效合成，需要解決兩個方面的難題：第一，實現(xiàn)人造肉相關(guān)蛋白中蛋白組分的高效表達；第二，由于血紅蛋白需要血紅素等輔基才能具有完整的生物學功能，所以必須增強血紅素等輔基的供應水平，以滿足相關(guān)蛋白質(zhì)合成過程中對輔基的需求。

3.2 合成生物學技術(shù)

食品合成生物學是在傳統(tǒng)食品制造技術(shù)基礎(chǔ)上，采用合成生物學原理設(shè)計生產(chǎn)重要食品組分、功能性食品添加劑和營養(yǎng)化學品，解決食品原料和生產(chǎn)方式過程中存在的不可持續(xù)等問題，實現(xiàn)更安全、更營養(yǎng)、更健康的食品獲取方式（見圖5）。人造肉等未來食品在食品化加工過程中需要對其進行色香味等方面加工，食品合成生物學可發(fā)揮重要作用。例如，人造肉顏色中的血紅蛋白和肌紅蛋白起到關(guān)鍵作用。目前，利用畢赤酵母合成的大豆血紅蛋白可以生產(chǎn)顏色較為接近的牛肉制品。但是植物來源血紅蛋白與動物來源的血紅蛋白存在差異，而且非食品級的畢赤酵母也并不適合用來生產(chǎn)血紅蛋白。因此，利用食品級微生物高效合成動物來源的血紅蛋白和肌紅蛋白才能更好地在模擬肉制品中呈現(xiàn)逼真的肉色與風味。

肉類的香氣與鮮味是肉類品質(zhì)的關(guān)鍵表征參數(shù)。應用GC-MS等分析方法，對比生肉與熟肉的化學組成可以發(fā)現(xiàn)，肉中主要的香味物質(zhì)是由氨基酸和糖類在高溫下經(jīng)美拉德反應形成的含硫化合物、含氮雜環(huán)化合物以及微量的醛、酮、醇和呋喃類化合物。近年來，通過采用動物或植物蛋白的酶解產(chǎn)物氨基酸（半胱氨酸）和還原糖（木糖或果糖）反應，已經(jīng)能夠生產(chǎn)各種強烈、逼真的香味物質(zhì)[32]。利用產(chǎn)酯酵母合成人體所需的不飽和脂肪酸酯并適量添加至人造肉食品中，可以更加真實地模擬出各種肉類的味道，從而提高人造肉食品味覺品質(zhì)[29]。因此，利用食品合成生物技術(shù)可以實現(xiàn)不同營養(yǎng)與風味物質(zhì)的合成，為人造肉等未來食品的營養(yǎng)、風味定制化加工提供有效手段。

圖5 合成生物學技術(shù)在未來食品生物制造中的應用Fig.5 Application of synthetic biology in future food biomanufacturing

3.3 食品3D打印技術(shù)

食品的三維結(jié)構(gòu)可以直接影響消費者對產(chǎn)品的認可度。目前利用細胞工廠合成原料生產(chǎn)的人造肉食品普遍結(jié)構(gòu)松散，無法讓食用者產(chǎn)生真實的咀嚼感。而應用食品3D打印技術(shù)對仿真肉制品的結(jié)構(gòu)進行重塑，產(chǎn)生緊密而又富有彈性的三維結(jié)構(gòu)。利用食品級材料，以3D打印和激光技術(shù)，已經(jīng)可以制造出結(jié)構(gòu)上高度相似但仍保持柔韌的人造血管。在作為支架的人工血管間，填充按最佳配方合成的仿真肉糜和食品級交聯(lián)劑，以實現(xiàn)致密肌肉組織的模擬效果。除此之外，最新的3D打印技術(shù)還可以實現(xiàn)對仿真肉制品中肉質(zhì)的顆粒度、堅韌性進行可編程的局部控制。在此基礎(chǔ)上，應用即將投入市場的量子化3D打印技術(shù)可以實現(xiàn)細胞水平的結(jié)構(gòu)重排，實現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)人造肉食品的生產(chǎn)。

4 植物蛋白肉與細胞培養(yǎng)肉面臨的挑戰(zhàn)

4.1 其他未來食品原料組分的微生物合成

現(xiàn)階段人造肉等未來食品的原料組分主要從植物組織或畜禽中提取，但隨著動植物蛋白在食品、飲品等領(lǐng)域廣泛應用，依靠人工提取獲得食品原料無論種類還是數(shù)量上已無法滿足大眾對健康、環(huán)保及美味食品的不斷追求。而利用微生物細胞工廠異源合成相關(guān)蛋白及營養(yǎng)成分，具有低成本、條件溫和、環(huán)境友好等優(yōu)點。因此，以代謝工程為基礎(chǔ)的微生物發(fā)酵法合成動植物蛋白等原料組分將成為新的發(fā)展趨勢。在已有的報道中，應用不同的微生物已經(jīng)實現(xiàn)了多種與未來食品生產(chǎn)密切相關(guān)組分的合成，例如人造奶與人造蛋所需的酪蛋白、乳清蛋白、乳鐵蛋白、營養(yǎng)因子等重要組分。而隨著合成生物學技術(shù)的快速發(fā)展，將可以實現(xiàn)更多未來食品基本原料和高營養(yǎng)價值添加成分的高效合成。

4.2多學科交叉提升未來食品質(zhì)構(gòu)與營養(yǎng)

目前人造肉的研究熱點主要在于揭示其在結(jié)構(gòu)組成上與真實肉之間的差異，比較分析人造肉口感、風味等品質(zhì)的不足，高效整合物理加工與生物酶法技術(shù)，提高人造肉結(jié)構(gòu)交聯(lián)程度，優(yōu)化相關(guān)工藝參數(shù)，實現(xiàn)從蛋白纖維化質(zhì)構(gòu)、營養(yǎng)品質(zhì)到仿真肉口感的整體提升。動物培養(yǎng)肉在干細胞獲取及大規(guī)模培養(yǎng)等方面均存在較大挑戰(zhàn)，如何有效整合組織培養(yǎng)、合成生物學與生物反應器工程是突破動物細胞培養(yǎng)肉的關(guān)鍵。此外，隨著多學科交叉的興起和不斷發(fā)展，食品感知科學在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域獲得了眾多突破性進展[30]。因此，開展食品感官特性、感官交互作用與味覺多元性、感官模擬與個體差異以及感官/評估方法與標準等方面的研究也有利于食品品質(zhì)的提升，是未來食品研究的重要領(lǐng)域。

4.3細胞培養(yǎng)肉市場接受度有待提升

雖然人們已經(jīng)意識到傳統(tǒng)畜禽養(yǎng)殖引發(fā)的自然資源和環(huán)境污染等問題，但是由于大部分消費者對細胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)過程缺乏了解，存在對食品安全性和倫理方面的擔憂，現(xiàn)階段人們對肉類消費的積極性和接受度依然存在問題。目前，為緩解這些擔憂，科學家正在調(diào)研與分析消費者對細胞培養(yǎng)肉的態(tài)度，了解大眾對細胞培養(yǎng)肉的看法，并確定阻礙其推廣的主要問題。調(diào)查結(jié)果表明，雖然大多數(shù)受訪者愿意嘗試細胞培養(yǎng)肉，但只有不到三分之一受訪者愿意將其作為傳統(tǒng)肉制品的替代。此外，現(xiàn)階段細胞培養(yǎng)肉的高成本也會阻礙其進一步的市場推廣。

4.4安全監(jiān)管與政策完善利于產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展

細胞培養(yǎng)肉等未來食品的發(fā)展還面臨安全監(jiān)管與政策制度等一系列挑戰(zhàn)。細胞培養(yǎng)肉是前沿技術(shù)創(chuàng)新和新興產(chǎn)業(yè)，現(xiàn)有生物產(chǎn)業(yè)發(fā)展、市場準入和監(jiān)管、安全性評價等制度已不能適應細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，如何形成完善的制度對行業(yè)健康發(fā)展具有重要意義。例如，通過培養(yǎng)肉營養(yǎng)成分、生物利用度、毒性評價體系研究，構(gòu)建動物培養(yǎng)肉營養(yǎng)評價模型，形成產(chǎn)品品質(zhì)指標體系標準。通過對動物細胞培養(yǎng)肉與真實肉制品的對比測試，確定動物培養(yǎng)肉在評估中暴露的膳食攝入標準，為細胞培養(yǎng)肉的市場推廣提供安全保障的政策法規(guī)。制定產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)范和加強市場管理，保障細胞培養(yǎng)肉產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

5 展望

隨著食品科學與生命科學的發(fā)展，以植物蛋白肉和細胞培養(yǎng)肉等為代表的新興食品得到了越來越多關(guān)注，是未來食品生產(chǎn)的重要發(fā)展趨勢。未來食品制造將有機會實現(xiàn)人工智能與大數(shù)據(jù)時代下的全合成食品、精準營養(yǎng)、風味感知等技術(shù)的大范圍普及應用，如細胞培養(yǎng)肉、人造蛋、人造奶等大宗食品及食品原料實現(xiàn)細胞工廠生產(chǎn)，逐漸減少食品工業(yè)對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的依賴性。綜上，開展細胞培養(yǎng)肉等未來食品的研究和推廣應用，將有利于緩解資源與能源危機，實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展，對于保障國家食品安全戰(zhàn)略具有重要意義。