科技进展
《中国食品学报》特约文章推荐——细胞培养肉技术及产业化进展与挑战
2023-01-13 15:48 新闻来源:中国食品科学技术学会 浏览人次:

本期介绍南京农业大学周光宏教授团队(第一作者:丁世杰)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《细胞培养肉技术及产业化进展与挑战》。

细胞培养肉是利用动物细胞培养生产可食用肉类,具有减少动物屠宰,缩短肉品生产周期,绿色高效等诸多潜在优势,是一种未来动物蛋白生产新技术。发展细胞培养肉符合我国可持续发展、低碳农业和“大食物观”的总体战略目标。细胞培养肉的核心目标是生产与畜牧养殖肉类相同营养价值和感官特性的肉类产品。近年来,细胞培养肉领域在基础研究和关键技术上快速发展,生产规模逐渐扩大,生产成本大幅降低。文章综述了近年来细胞培养肉领域的研究进展,特别是体外生产肌肉、脂肪和结缔组织的培养肉技术。另外,规模化放大生产以及监管检测发展迅速,为培养肉产业化生产奠定了基础。


1、细胞培养肉生产流程和基本要素

细胞培养肉的一般生产流程是通过分离制备相关的种子细胞系,利用低成本培养基以及生物反应器,实现细胞的规模化放大培养,最后将收集的细胞接种到相应的可食用支架中分化形成肉类。另外,在最后形成肉类阶段,将收集的细胞与植物蛋白通过挤压拉丝形成与肌肉类似的组织用于食用,从而可以减少细胞在支架材料上分化的环节,也是一种培养肉的生产方式。

在培养肉中,肌肉相关蛋白应该是由分化的肌肉细胞产生。同时,成纤维细胞和平滑肌细胞也能产生细胞外基质相关蛋白。另外,由于血管化等问题,通过组织工程技术仍然不能在体外产生与体内肌肉相同的组织,因此在培养肉的生产中也会使用大量的可食用支架材料。另外,脂肪也是培养肉需要生产的类型,目前通过将具有成脂分化能力的细胞在支架材料中分化,可以形成脂肪酸组成和风味组成与动物脂肪更接近的培养肉脂肪产品。其它重要的维生素、矿物质和糖类,由于是细胞增殖分化过程中所必需的营养素,可以利用培养基等介质,将营养素提供给细胞,最终在培养肉产品中获得。除此之外,肉的质构和口感也非常重要,肌纤维细胞、脂肪细胞和不同类型的细胞外基质共同影响肉的质构和口感。在培养肉的制作过程中,使用的支架材料也会影响产品的质构和口感,植物蛋白通过挤压拉丝技术,可以形成类肉的纤维感,再通过细胞的培养,可以形成质构各异的培养肉产品。


2、细胞培养肉研究及产业化进展与挑战

2.1细胞培养肉的种子细胞

培养肉的种子细胞要求:①细胞要易于获取,且能够在体外持续增殖并有较高的肌管分化效率;②在培养过程中,细胞的基因组要相对稳定。随着技术的发展和对规模化生产的要求,对培养肉种子细胞又有了更多的要求,包括:①种子细胞能够在体外持续增殖,细胞的基因组要相对稳定,形成生产用细胞系;②在大规模培养过程中,细胞能较好地抵抗剪切力,并能够分化产生肌肉、脂肪或者基质蛋白其中的一种或多种。

培养肉的种子细胞,一般以肌肉干细胞、脂肪间充质干细胞、成纤维细胞和平滑肌细胞为主。然而,一般肌肉组织中含有的大量细胞类型,随着培养的进行,某一种细胞的比例会逐渐升高或降低,不利于后续标准化的生产,因此一般需要纯化过程。肌肉干细胞一般利用预贴壁法进行纯化。随着干细胞研究的深入,通过肌肉干细胞的表面标志物,利用流式细胞仪可以分选出高纯度的肌肉干细胞。同样,利用建立的流式分选方法,也可以得到高纯度的猪脂肪前体细胞,而对于有胶原分泌能力的成纤维细胞和平滑肌细胞,一般采用贴壁法直接分离。

要在生产端能够有更大规模的应用,初期获得的种子细胞还需具备一定的永生化能力。永生化虽可以通过基因编辑完成,但出于食品安全监管的角度,自发永生化的细胞更适宜现阶段培养肉的产业化生产。此外,种子细胞系需要具备在体外长期培养后,至少具有成肌、成脂或者分泌基质蛋白3个分化能力之一,才能成为培养肉产业化生产真正的种子细胞。

2.2无血清培养基

近年来,随着相关研究的深入,细胞培养肉领域在无血清甚至化学成分明确的培养基研究上有了巨大的发展。得益于组学技术(转录组、蛋白组和代谢组)的快速发展,以及高内涵显微镜设备的快速发展及应用,培养基的优化速度有了快速的提升。国内外已有大量的培养基公司在进行大规模培养基生产,这为培养肉后期的培养基产业化奠定坚实的基础。

2.3种子细胞悬浮培养

悬浮培养的方式主要包括微载体悬浮培养、固定化培养,聚集体悬浮培养以及单细胞悬浮培养等方法。然而,微载体上承载的细胞数相对有限,单次微载体的扩增的细胞数目极限约为105~106个每毫升,细胞在微载体上的单次扩增倍数仅为10~20倍,消化放大困难,操作也较为复杂,不利于更大规模的细胞培养。

另一种更为高效的培养方式为细胞无载体悬浮培养,其操作简单,放大方便,成本低。胚胎干细胞由于自身的克隆生长特性,可以实现聚集体的无载体悬浮培养,然而,该种方式不利于对细胞密度敏感的纤维类细胞。

2.4组织工程分化

除细胞本身需要具备分化成肌肉、脂肪或者形成基质蛋白的特性外,支架对于培养肉也非常重要。目前适用于培养肉工业化生产的主要支架类型是多孔支架和水凝胶支架。支架材料应来源于植物或者微生物的多糖和蛋白类的材料,如大豆蛋白、玉米蛋白、海藻酸、纤维素等。结构仿真是该领域技术难点之一。除了生物材料外,能够应用的大规模分化生物反应器或者自动化设备也是培养肉产业化生产的关键。

2.5 食品化技术

肉的颜色、风味、滋味以及加工特性都是依赖于肉中的蛋白(肌红蛋白、肌原纤维蛋白、胶原蛋白)、脂肪等。由于细胞培养成本和组织工程技术的原因,细胞培养肉目前很难真正做成一整块肉,因此需要考虑一些关键成分的富集或者体外表达。此外,细胞培养肉产品还需要考虑支架材料在最终形成产品中的作用。

2.6培养肉产品安全评价与管理规范

作为一种新型的肉类生产方式,细胞培养肉产品与传统的肉类安全评价和监管方式完全不同。在我国其作为新食品原料,由国家卫生健康委员会直属的国家食品安全风险评估中心进行评估监管。根据目前国际上现有的细胞培养肉法规以及可能涉及细胞培养肉监管的相关国家的新食品法规条例,细胞系、培养基、支架等生产原辅料以及生产过程中可能产生的食品风险均被纳入监管细则之中。


3、结语

近几年培养肉在种子细胞、培养基、生产工艺、组织工程以及食品化技术等方面得到快速发展,培养肉的成本在快速降低。另外,政府部门也在积极推动细胞培养肉的安全性评估,撰写更新监管指南,推动培养肉快速走向消费市场。我国是世界第一大肉类生产和消费大国,建立自主知识产权的细胞培养肉技术体系,保障未来肉类供应安全尤为重要。文章总结了细胞培养肉技术及产业化进展与挑战,希望能为我国培养肉的产业发展提供借鉴和参考。


原文链接:https://kns.cnki.net/kcms2/article/abstract?v=n_3DuAuXi36YaiwuOuZtv8B5KNA_yt_3Ke7REp47dWeUFsrQqfZWYrNO-jWvEKgqb9zbYk5pTtHEKgnXI80JIxSHNlwpE8rR3rmu9rp_Z681me_xAzTZuA==&uniplatform=NZKPT

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