科技进展
《中国食品学报》特约文章推荐——细胞培养肉技术:研究进展与未来展望
2023-01-10 09:20 新闻来源:中国食品科学技术学会 浏览人次:

本期介绍江南大学陈坚院士团队(第一作者:关欣)发表在《中国食品学报》第22卷第12期特约专栏(细胞培养肉专栏)上的文章《细胞培养肉技术:研究进展与未来展望》。

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。与传统养殖方式相比,细胞培养肉技术在环境资源保护、动物福利、公共健康等方面表现出较大优势。文章通过检索近年来细胞培养肉相关研究论文,围绕细胞培养肉技术的4大研究方向: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,总结最新的研究进展以及产业化技术挑战,并对细胞培养肉技术的未来重点研究方向进行展望。细胞培养肉高效制造技术的开发和大规模生产体系的建立,将为新食品蛋白资源的创制与实际应用提供有力支撑。


1 细胞培养肉技术引领全球食品工业科技的革命浪潮

全球主要发达国家和地区均将细胞培养肉列为重点研究方向并大力推进其产业化进程。在我国,2022年3月习总书记提出“大食物观”,随后国家发改委发布《“十四五”生物经济发展规划》,都强调了“发展生物技术,研发人造蛋白等新型食品”的重要意义。国家和地方政府也提供了专项资金支持细胞培养肉的研发。目前,国内外已有一批大学和科研院所集中力量进行细胞培养肉创新研究,从细胞培养肉生产的各个环节开展基础理论和应用研究,不断提升其生产技术水平。


2 细胞培养肉领域论文产出分析

近年来细胞培养肉相关文章发表日益增多,产业发展非常迅速,尤其近5年,论文发表速度以每年50%左右的速度增长。细胞培养肉涉及多个研究领域,主要涉及食品科学与技术,细胞农业,生物化学和分子生物学,营养饮食,环境学和生态学等领域。

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细胞培养肉相关研究已成为全球热点研究方向。研究人员主要从种子细胞分离提取、低成本培养基研制、大规模细胞培养和培养肉产品塑形4个方面进行探索研究。从细胞培养肉论文产出分析结果看,前沿生物技术以及广泛的研究群体使细胞培养肉产业在全球掀起巨浪,同时带动了多个产业竞相发展。


3 细胞培养肉技术研究进展

3.1 种子细胞的分离提取

肌肉干细胞是一种具有自我更新能力和肌源性分化特性的细胞。肌肉干细胞可以通过酶消化法、组织块法、单根肌纤维法等方法获得,其中,酶消化法是目前最常用的肌肉干细胞提取方法。蛋白酶种类的选择和消化工艺条件的优化是肌肉干细胞的提取数量及活性至关重要的影响因素。使用酶消化法获得的肌肉干细胞通常混有其它种类细胞,流式细胞分选是一种经典的细胞纯化方法,分选后的细胞纯度极高。

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间充质干细胞是一种基质细胞,具有自我更新和多向分化潜能。它可以从骨髓、脂肪和脐带中分离得到,并根据细胞来源被分为脂肪间充质干细胞、骨髓间充质干细胞和脐带间充质干细胞。同组织部位来源的间充质干细胞的分离方法也有所不同。骨髓间充质干细胞通常通过直接抽取骨髓液,再经密度梯度离心等纯化方法获得。脐带间充质干细胞则通常使用酶消化法与组织块贴壁法进行分离。脂肪间充质干细胞可从来源更为广泛、易得的脂肪组织中分离获得,其分离方法主要为酶消化法,是一种理想的培养肉种子细胞。

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3.2高效无血清培养基研制

培养基是细胞在体外培养的一切营养物质来源,高效、低成本培养基的研制是细胞培养肉工业化生产的先决条件。胎牛血清中含有丰富的细胞生长必需营养成分,对动物细胞,特别是干细胞体外存活和生长具有重要作用。研究胎牛血清成分,建立化学成分的血清替代物成分库,可降低培养基成本,并且不违背细胞培养肉避免动物屠宰的初衷。目前,多个研究团队报道了具有促进细胞增殖作用的化合物,可以减少培养基或血清的使用。

在获得一系列促进干细胞增殖以及具有血清替代作用的化合物后,需针对特定的细胞类型,基于统计学方法进行多种化合物的复配研究,确定有效组合后再通过响应面分析等手段优化各化合物的使用浓度,最终开发出细胞类型特异性的无血清完全培养基。


3.3 大规模细胞培养体系

随着种子细胞分离提取方法的改善,低成本细胞培养基的开发,细胞培养肉种子细胞的大规模培养将成为产业化核心技术之一。因细胞培养肉的种子细胞多为贴壁细胞,故需要借助微载体进行培养,于反应器中进行大规模培养。

在动物细胞大规模培养中,生物反应器是不可或缺的关键设备。生物反应器可以提供一个类似于体内环境的三维空间,并搭配探针或传感器能够自动检测内部环境并实时动态调整,从而实现大规模、高密度的动物细胞培养,提高细胞培养肉的产量。目前常用的生物反应器类型有搅拌式生物反应器、波浪式生物反应器及气升式生物反应器。


3.4 三维培养及组织塑形

三维塑形作为培养肉产品生产最重要的环节,是将大规模扩增得到的细胞接种于细胞支架上进行三维培养,使细胞分化形成细胞培养肉产品的过程。目前已有多种三维细胞培养及组织塑形技术可用于培养肉产品制备,包括固体支架或模具、3D生物打印、静电纺丝和片层堆叠技术等。

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4 细胞培养肉产业化面临的技术挑战

1)降低生产成本

2)扩大生产规模

3)提升风味品质


5 细胞培养肉未来重点攻关方向

为进一步提高细胞培养肉生产效率,降低成本,提升产品风味与营养,推动细胞培养肉技术发展和产业化进程,未来细胞培养肉研究应聚焦以下4个方面:

1)构建培养肉良种细胞资源库

2)深化组织发育机理基础研究

3)建立无血清细胞培养技术体系

4)开发细胞培养肉智能制造系统及装备

 

原文链接:https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=YV8XNPF0VjLeSKmFp9B8pU_MLqMWaViHuNoj_2NR5CWDVv3DzmncwnBuUOAZ5LpeQf7wjcQTE7_hgA0f0GkfIQH5XIF-UhqHeytwxNCabLcoil0OCSLzeg==&uniplatform=NZKPT

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