本文来源于：生物制品圈
随着全球人口和经济活动的不断增长，自然资源和环境面临巨大压力。根据联合国粮食及农业组织的预测，到2050年，全球对肉类的需求将增加70%，达到4.55亿吨。中国的肉类消费也在快速增长，2021年人均肉类消费量达到52kg，是1961年的16倍。为了满足日益增长的肉类需求，中国在2020年进口了480万吨猪肉，占全球进口量的46.29%。然而，传统畜牧业在养殖过程中消耗大量土地和资源，并产生废水、废气和土壤污染，畜牧业的碳排放也加剧了温室效应。
图1：全球肉类消费量及其预测
在此背景下，人工培养肉作为一种新型肉类替代品，逐渐受到关注。培养肉不通过传统动物养殖的方式，而是利用细胞培养工程和组织工程等技术，在体外培养动物肌肉组织作为食用材料。传统肉类生产方式不仅消耗大量粮食、水资源、带来严重环境污染，近年来肉类食品从养殖、加工、流通到消费的安全问题层出不穷，一直困扰着人们。人们亟须一种高效、环保、可持续的新型肉类生产方式，以满足未来人类的肉品供应。培养肉或可成为未来食品生产的重要模式，它不仅使得细胞培养可控，提高肉类制品的品质，还能显著减少对环境的影响。
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人造肉的市场规模
据中研产业研究院公布的《2021-2025年中国人造肉市场深度分析及投资前景咨询报告》显示，2021年全球人造肉的市场规模约160亿美元，预计到2025年全球人造肉市场规模有望达到279亿美元。另外，巴克莱银行2019年发布的研究报告预估，10年后全球人造肉市场规模可达1400亿美元。
图2：全球人造肉行业市场规模预测及增速
至于国内市场，根据市场调查报告，2016-2021年，我国人造肉市场规模从26亿元增长至112亿元，年平均增长率在66.2%左右，在人造肉市场普及率持续提升的背景之下，行业市场规模将继续增长，初步预计到2028年中国人造肉市场规模将超过200亿元，市场上升空间广阔。
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人造肉的优势和分类
与传统动物养殖肉类相比，人造肉主要具有以下五个方面的优势：
一是缓解食物资源压力。人口增长导致肉类需求增加，传统畜牧业难以满足未来庞大的需求，人造肉可以作为一种补充手段来保障肉类供应，有助于减轻资源压力。
二是人造肉能够有效控制其营养成分。人造肉的好处在于各种营养成分可以进行有效配比，按需生产，确保产品更有利于满足人类的营养需求和健康需求。
三是用人造肉替代传统肉类可以避免病毒疫情的影响。非洲猪瘟曾经直接导致整个中国zhu肉供给量的不足，推动了猪肉价格的高位运营。人造肉不存在携带或感染病毒的风险，从根本上防止了很多人畜共患病和动物疫病的传播，如疯牛病、口蹄疫、非洲猪瘟等，相对而言更绿色更安全。
四是绿色环保。传统畜牧业会对生态环境造成巨大压力，畜牧业产生的温室气体如甲烷等，会导致全球变暖；并且养殖大量牲畜需要广阔的土地，用于放牧和种植饲料，也会消耗大量水资源，而人造肉可有效解决这些问题，减少环境污染和资源浪费。
五是提升动物福利。传统的肉类生产方式涉及动物的饲养和屠宰，而人造肉如果能大规模应用，可在一定程度上减少对动物的伤害，为动物福利做出贡献。
目前，人造肉可以分为植物基肉、菌类蛋白肉类似物和细胞培养肉三大类：植物基肉是以植物蛋白为原料，通过添加一些辅料和添加剂制造而成；菌类蛋白肉类似物主要是通过养殖或发酵食用菌来生产肉制品；细胞培养肉则是通过分离动物原生组织中的干细胞，再经过一系列体外培养分化获得，由于其来源于动物组织细胞，其外形、口感、质地和营养比植物基肉更加接近真实肉类，因此有望成为更合适的动物蛋白替代品。
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培养肉生产流程及关键点
以细胞培养肉的生产流程为例，其大致步骤如下：首先，从存活或已宰杀的动物组织中提取出适宜的种子细胞；随后，对这些种子细胞进行小规模的增殖培养，以确保它们保持未分化的生长状态，也就是干性生长；接着将这些细胞转移到生物反应器中，进行更大规模的扩大生产；根据最终的产品需求对这些干细胞进行定向诱导谱系分化；最后将分化后的细胞与合适的支架材料结合进行三维立体培养，直至得到成熟的肉类产品，或将分化后的细胞以一定比例汇合后以3D打印细胞的方式调和成不同口味的肉类产品。
图3：细胞培养肉的生产流程
第一步：种子细胞的获取。可用于细胞培养肉生产的干细胞主要包括胚胎干细胞（ESCs）、诱导多能干细胞（iPSCs），以及成体干细胞，如肌肉干细胞（MuSCs）和间充质干细胞（MSCs）。其中，MuSCs和MSCs的使用较为广泛。
第二步：种子细胞的培养过程。种子细胞需要营养因子来促进其增殖、分化和成熟，培养基为细胞提供足够的营养供应。由于不同批次的血清组分差异较大、有引入致病因子的风险等原因，含血清培养基不适于工业化规模生产，而开发无动物源性血清的培养基是生产细胞培养肉中最亟待解决的问题。目前，市售血清替代品和无血清培养基为体外培养哺乳动物细胞提供了更多选择。
第三步：细胞分化。在体外，MuSCs在培养基或者生物反应器中生长，其在特定条件下能分化成肌纤维，这是组成细胞培养肉的基础。而MSCs已被证明可以分化为脂肪细胞和肌细胞，进而可以用于生产脂肪和肌肉。
图4：成肌分化过程及相关调节因子
第四步-A：细胞生长用支架系统。在培养基中生长的细胞如果没有合适的支架，想要获得类似传统肉类结构的组织是非常困难的。理想的支架应为非动物源，具有适当大小的表面积供细胞生长和附着，具有组织样硬度的柔韧性以供肌管生长，及良好的培养基扩散能力和易于与培养肉分离的能力，适当的支架系统可以促进细胞增殖、分化。
第四步-B：细胞3D打印技术。将从动物（牛、猪、鸡）中提取干细胞进行人工培育、增殖分化成各种细胞类型，再将其以不同比例混合作为生物墨水进行3D打印，最后放在培养皿中培养形成人工培养肉。
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培养肉生产的技术挑战
种子细胞体外培养过程中如何维持干性与高效定向分化的能力是细胞培养肉规模化生产过程中的重要技术问题。在生产细胞培养肉的过程中，生产足够量的细胞是其中尤为重要的一环。据估计，生产10-100千克的培养肉需要1012-1013个细胞。高昂的成本是细胞培养肉规模生产面临的主要“卡脖子”问题。因此，为了满足市场需求，高密度细胞培养是降低成本的重要一环。通常，微载体或片状载体这类材料可立体三维培养细胞，大幅提高细胞培养密度，辅以生物反应器可提供更可控的细胞培养环境，使实现大规模培养成为可能。
实际上，工艺开发是建设规模化生产体系重中之重的一环，是细胞培养肉实现商业化生产的基础保障。Eppendorf生物反应器在温度、溶氧、pH值等条件的精确控制具有卓yue优势，近年来其产品已广泛应用于生物医药领域中蛋白质药物、单克隆抗体、疫苗的工艺开发和生产中，且其产品在干细胞培养方面的应用尤为突出。然而，细胞培养肉领域的种子细胞并非广泛使用的工程化细胞，没有成熟的规模化培养工艺和参数，因此需要针对性设计培养和分化路径，精确研究关键参数和放大工艺。
《人工培养肉技术的进步》（Advances in cultured meat technology）是由Burleigh Dodds Science Publishing出版的专门介绍人工培养肉的一本专业书籍，该书特邀了多名来自企业和名校的专业人士，从细胞系来源和特性、细胞培养和组织工程技术的应用、质量和可持续发展、到人们对培养肉态度转变等多方面全面介绍了该人工培养肉技术要点、挑战和应用。同时，该书还着重讨论了建立监管框架以允许这种新型产品的生产和贸易的重要性，以及消费者对新技术的接受度这一关键问题等内容。其中，Eppendorf被特邀撰稿生物反应器这一重要章节，详细描述了其培养细胞的工艺原理和操作细节。
