本文由中国科学院上海营养与健康研究所战略情报团队供稿
编者按:
养殖技术的进步和畜牧业的集约化生产提高了肉类生产的成本效益和产量。因此，在发达国家，肉类相对便宜且容易获取。虽然有利于满足消费者的需求，但集约化的肉类生产对公共卫生、环境和动物福利都造成了一定负面效应。学术界和产业界正致力于改善植物来源肉类的感官特性，并通过细胞农业技术（细胞来源的肉类）寻求新的方法。年12月，美国塔夫茨大学的研究人员发表综述，详细介绍了植物和细胞来源肉类替代品在生产效率、产品特性和影响等方面的优势和挑战。此外，NatureOutlook在年12月也推出了以“可持续营养”为主题的系列推文，总结了细胞培养肉商业化所面临的4大挑战。
由于人口增长、个人经济收益和城市化对需求的推动，全球肉类生产和消费继续激增。联合国粮食及农业组织（FAO）年预测，到年，全球肉类需求将达到4.55亿公吨（比年增长76%）。同样，全球对鱼类的需求在年预计将达到1.4亿公吨。这其中大部分归因于中等收入国家（例如中国），因为高收入国家的消费相对停滞或略有下降（例如英国），而低收入国家的消费率相对稳定（例如印度）。
目前，大规模的畜牧业生产带来了公共卫生并发症、环境退化和动物福利等挑战。就人类健康而言，畜牧业与食源性疾病、饮食相关疾病、抗生素耐药性和传染病关系密切。植物来源肉类（PBM）和细胞来源肉类（CBM）的方法提供了从非动物来源获得食物的途径。虽然传统的植物来源肉类替代品（例如豆腐）已经存在几个世纪，但具有增强感官特性的新型植物来源肉类替代品最近也实现了商业化（图1）。一些研发团队开始开拓新的领域，即细胞农业（cellularagriculture）。细胞农业是指用细胞而不是整个有机体或动物来生产商品的策略，例如，细胞来源肉类；用肌肉或脂肪细胞而不是牛、猪或鸡来生产肉类。虽然有证据支持，这些方法相对动物来源肉类（ABM）来说存在某些益处，但还需要更全面地评估其对人类健康和环境的重要影响。此外，这些产品的广泛采用将使消费者获得更直接的利益，例如口味、成本和便利性。本文比较了植物来源（例如由植物蛋白组成的肉类类似物）和细胞来源方法（例如来自细胞培养物的肉类类似物）的优势和挑战，并强调了其不确定的领域。
图1动物、植物和细胞来源的肉类生产方法的历史和演变
发展历史与技术方法
基于植物和真菌的肉类（植物来源肉类替代品）产品包含了肉类的风味、质地和/或营养，但成分不同，即由非动物来源的原料制成。基于开发时间和技术复杂性，植物来源肉类产品可分为两大类：传统和新型。在几千年前，传统的肉类类似物在亚洲发展起来，包括相对简单的大豆衍生物（例如豆腐、豆豉）或小麦衍生物（例如面筋）。相比之下，新型植物来源肉类的特点是产品的设计和营销，在口味、质地和营养方面几乎等同于动物来源肉类。开发新型植物来源肉类的全球公司和品牌分布如图2所示。通常，植物来源肉类的生产包括3个步骤：（1）蛋白质分离和功能化。目标植物蛋白质是从植物中提取的，对其中一些蛋白质进行水解以提高其功能，例如溶解性和交联能力。（2）配方。将植物蛋白混合其他成分并开发肉类特质，例如食品粘合剂、植物脂肪和面粉，添加营养素使其类似或超过肉的营养成分。（3）加工。植物蛋白和其他成分的混合物经过蛋白质重塑过程（例如拉伸、揉捏、修剪、压制、折叠、挤压等）形成类似肉类的质地。用于改善植物来源肉类感官特性的创新技术包括剪切细胞技术、菌丝培养、3D打印和重组蛋白添加剂等。
图2植物来源（绿色圆圈）和细胞来源（橙色圆圈）肉类公司的地理分布
（数据来源:GoodFoodInstitute）
细胞来源肉类（CBM），也称为离体肉、实验室培养肉或养殖肉，是通过培养细胞而不是养殖动物生产肉类。细胞来源肉类技术主要是基于干细胞生物学（例如诱导多能干细胞）和组织工程（例如体外骨骼肌移植物）的发展。细胞来源肉类的产生涉及4个核心部分：肌肉和脂肪细胞的分离和培养、xeno-free培养基配方（无外源动物蛋白成分）、支架开发和生物反应器设计。虽然细胞来源肉类在年尚未实现商业化，但在过去几十年中已经取得了显著进展。关键的里程碑包括WillemvanEelen在年申请了第一项细胞来源肉类专利，年首次亮相马斯特里赫特大学的首个养殖牛肉汉堡，年第一个由美国宇航局（NASA）资助的鱼类养殖相关研究。如今，全球已有数十家初创公司致力于将细胞来源肉类产品推向市场。
经济
植物来源肉类蛋白质的主要原料相对更加便宜，大多数植物性产品主要是用豌豆、大豆或小麦蛋白等配制而成。这些蛋白质的农产品价格比牛、猪和肉鸡的价格低3.8-12.7倍（根据美国农民来源的数据）。事实上，有时大豆和小麦会与动物来源肉类混合使用以降低肉制品加工成本。经济可行性是细胞来源肉类商业化的重要障碍。据报道，马斯特里克大学生产牛肉的成本为,美元（每公斤2,,美元）。生产过程中，3名研究人员利用实验室规模的技术，在3个月内培养出20,条肌肉纤维，但此研究仅作为概念证明，而不能进行规模化生产。一些团队已经进行了初步经济分析，预测大规模生产下细胞来源肉类的成本。
感官特性
肉类的主要感官特性（例如感觉）是外观、香气、风味和质地。新型植物来源肉类通过调控颜色、脂肪大理石纹路和结构来模仿动物来源肉类的外观（图3）。根据产品不同，植物来源肉类旨在模仿生的（例如绞肉）或预煮肉（例如熟食片）的外观。耐热果蔬提取物（例如苹果提取物、甜菜汁）或重组血红素蛋白（例如LegH）用于重现鲜肉的颜色并在烹调后变为棕色。为了模拟脂肪的外观，一些新型植物来源肉类产品展示了可见的半固态植物脂肪（例如椰子油、可可脂）。为了增加主流消费者购买的可能性，细胞来源肉类必须从感官角度与动物来源肉类相当或优于动物来源肉类。年的培养牛肉汉堡被一位专家形容为“像真正的汉堡”，而另一位专家认为“接近肉类，但不够多汁”。自这一里程碑以来，更多的研发工作集中在生产细胞来源的脂质（即脂肪）组织。专家指出，细胞来源肉类关键风味特征可以通过共培养、培养基补充和/或基因改造来实现。例如，研究人员探索了用细胞外血红素蛋白（例如肌红蛋白）补充细胞来源肉类的效果。肌红蛋白与肉类的“血腥”风味有关，补充肌红蛋白可以改善细胞来源肉类结构的颜色而不会阻碍肌肉细胞的生长速度。图3植物来源和细胞来源的模拟肉类外观特性（颜色、纹路、结构）的策略。结构和纹路是影响肉质和外观的重要因素。
营养
植物来源肉类配方中使用的关键植物蛋白质（例如豌豆、大豆、小麦）提供了与动物来源肉类类似水平的总蛋白质含量，但为了确保氨基酸平衡，多种植物蛋白的互补通常是必要的。传统植物来源肉类产品和新型植物来源肉类产品的营养也存在差异。例如，豆腐（传统的植物来源肉类）和Impossible?（新型植物来源肉类）都具有特定超越动物来源肉类的益处，例如含有膳食纤维和矿物质，同时胆固醇较低。不过，豆腐所特有的益处包括更少的热量、更少的脂肪并且不含钠，Impossible?所独有的益处包括更高的蛋白质和维生素B12含量（图4）。
图4每克原料、湿重的动物来源肉类（牛肉、猪肉和鸡肉）、传统植物来源肉类（豆腐）、新型植物来源肉类（Impossible?牛肉）和菌蛋白（Quorn?）的营养价值
动物来源肉类和豆腐的营养数据来自FoodData中央数据库（FDCID:、、、），Impossible?和Quorn?数据来自公司网站。含量以FDA推荐的每日摄入量的百分比来量化。
细胞来源肉类的全面基线营养数据尚未公开。实验室分析可以通过小样本对细胞培养物的营养成分进行量化。不同的细胞类型提供不同的营养成分；分化的肌肉细胞可能是蛋白质的主要来源，成熟的脂肪细胞可以提供脂肪酸。由动物来源肉类提供的某些化合物在培养细胞中不存在。例如，维生素B12仅由细菌合成，需要进行补充。培养基的制定将对培养细胞的活力和效率、营养情况造成很大影响，也许还会影响风味和味道。通过改造基因改善营养是另一种从长远来看可能更有效的方法，尽管基因方法可能会给监管和消费者接受度带来挑战，但已经在家畜中应用，以改善肉类生产的各个方面。
消费者接受度
消费者是致力于增加市场份额的利益相关者所特别