《Future Foods》：Cultivated Meat for Sustainable Food Security and Environmental Resilience
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这篇综述深入探讨了养殖肉（CM）作为新兴生物技术领域，如何应用细胞培养和生物工艺技术，不依赖传统畜牧业而生产动物源性食品。文章系统分析了驱动CM发展的社会需求、消费者接受度、关键技术挑战（如细胞系开发、高密度培养、成本控制、微生物风险、风味质地调控）及可持续生产策略（如废物流增值、可再生能源利用），旨在为推进这一创新领域、满足未来可持续与安全粮食需求提供全面见解。
在应对传统畜牧业所带来的环境、伦理与公共卫生挑战的全球背景下，养殖肉（Cultivated Meat, CM）作为一种创新的生物技术驱动型解决方案应运而生。它通过细胞培养和生物工艺技术，直接在受控环境中培育动物细胞，旨在复制肉类的感官与营养属性，同时有望减少生态影响和动物痛苦。随着全球对肉类需求的增长以及现有生产系统面临的环境与资源约束，学术界、工业界和政策制定者对CM的兴趣日益浓厚。除了研究与商业意义，CM还有潜力促进社会稳定和粮食安全，特别是在可耕地有限、高度依赖粮食进口的地区，并可能降低对诸如人畜共患疾病（如禽流感）等全球性干扰的脆弱性。
1. 引言
传统畜牧业虽然长期为全球营养和农村生计所必需，但其巨大的环境、伦理和公共卫生负担正受到日益严格的审视。据估计，畜牧业生产贡献了约14-18%的人为温室气体（GHG）排放，并占据了全球近70%的农业用地。然而，这些综合指标高度依赖于系统边界和土地分类，因为牲畜所用土地中很大一部分是不适合作物生产的草地，因此并不直接与人类粮食种植竞争。同样，对反刍动物生产用水量的评估也需重新审视。尽管基于体积的水足迹评估曾报告每千克牛肉需消耗高达15,000升水，但后续分析表明，这些数值主要反映了降雨驱动的蒸散（绿水）、地表和地下水抽取（蓝水）以及稀释污染物所需的水（灰水）的汇总。以影响为导向、关注蓝水消耗和当地水资源压力的评估得出的数值要低得多，且更具情境依赖性。除了土地和水资源考虑，反刍动物生产的饲料-蛋白质转化效率通常相对较低，平均每生产1公斤肉需要约6-10公斤饲料。此外，集约化畜牧系统通常依赖抗生素和促生长剂，这与抗菌素耐药性和人畜共患疾病风险相关，而胴体加工可能引入进一步的微生物和化学污染问题。
CM领域近年来取得了显著进展，旨在解决与传统畜牧业相关的上述担忧。CM为长期的动物福利问题提供了解决方案，并凸显了对能够将肉类供应与传统畜牧业脱钩的替代蛋白质系统的迫切需求。在此背景下，CM被提出作为一种生物技术驱动的方法，试图直接培育动物细胞，以再现肉类的选定感官和营养属性，同时可能减少生态影响和动物痛苦。
尽管研发势头强劲，约有200家公司积极参与CM产品开发，但这些新型替代食品广泛采用和商业化的道路仍布满巨大挑战。虽然技术进步在CM发展中至关重要，如实现精确细胞培养、改进生物反应器设计和开发可食用支架材料，但消费者接受度是决定该新兴行业轨迹的决定性因素。CM被视为人工或不天然食品的观念造成了社会和心理上的抵触，这可能超过技术障碍。调查显示，大多数消费者对CM表现出好奇而非长期的购买意愿，常 citing 对安全性、营养和真实性的不确定性。CM的成功取决于建立公众信任，并展示其伦理、环境和感官方面的切实益处，以证明将其纳入主流饮食的合理性。然而，该行业也面临着高生产成本、可扩展性问题和监管壁垒等挑战，需要解决这些问题才能实现商业可行性。
2. 社会驱动力与消费者对养殖肉的接受度
稳定的粮食供应是社会稳定的基石，特别是对于像新加坡这样缺乏可耕地的国家。CM不仅是研究和商业问题，也是更广泛的粮食韧性和安全框架内的相关考量。此外，即使是中国和印度等幅员辽阔的国家，仍然依赖粮食进口。在最近的COVID-19大流行期间，粮食短缺凸显了全球供应链的脆弱性，未来的人畜共患病疫情（如禽流感）可能构成类似风险。因此，作为多元化和可持续粮食系统的一部分，CM可以有助于增强粮食安全性和韧性。
这些危机凸显了提高粮食生产效率、减少粮食浪费和增强本地自给自足的重要性。为预防未来大流行可能造成的破坏，促进本地化和资源高效型的粮食生产（包括CM等创新蛋白质来源）至关重要。牛提供的肉和奶约占全球蛋白质供应的45%，然而，约86%的牲畜蛋白质（存在于皮、毛、骨和内脏中）对人类不可食用。本小节考察了影响消费者接受CM的关键社会和行为因素，并强调了改善其感知的口感、天然性、熟悉度和环境影响的需求。然而，调查一致显示，CM对消费者的吸引力低于传统肉类或植物基肉类，原因包括健康担忧、宗教信仰和根深蒂固的饮食习惯，而非单纯的食物新异恐惧症。同样，一项大规模的法国研究报告称，大多数消费者仍认为CM是非天然、令人倒胃口且可能有害的，对实验室和初创公司的信任度较低，接受度主要限于年轻和高教育水平群体。通过透明沟通CM的生产过程和益处来改善公众理解已被证明可以提高消费者接受度。有趣的是，与西方国家相比，东方国家尝试CM的意愿更大。基于相关消费者调查总结，消费者对CM的接受度仍然一般，但出现了一致的优先事项集合。价格是最关键的因素，大多数消费者不愿支付比传统肉类更高的价格，其次是口感和质地、安全性与天然性，以及对生产透明度的信任。虽然年轻、受教育程度高且具有环保意识的个体表现出更大的开放度，但年长消费者和肉类行业从业者仍持怀疑态度。总体而言，尽管意识到伦理和环境效益，但经济可行性和感官真实性仍是全球消费者接受度的最强决定因素。
3. 可持续细胞农业扩大规模的关键创新与挑战
CM的安全稳定放大至关重要，主要原因有二：1）确保为CM产品的创造和开发提供持续可控的细胞供应；2）实现大规模市场渗透，使消费者能够将CM与传统食品来源无缝整合到主流饮食中。除了生物反应器工程，近期的国际框架强调，放大必须与稳健的、基于风险的安全治理体系同步推进。联合国粮农组织（FAO）的利益相关者圆桌会议整合了一个四阶段危害识别框架，涵盖细胞选择、生产、收获和食品加工，并强调聚焦于可能不存在于传统食品中的新型或特定输入（如培养基成分、新型设备）的HACCP、GMP和GHP式食品安全计划。在此基础上，先前的研究提出了一种基于风险的细胞系和细胞库架构，包括主/工作细胞库、标准化身份和污染检测，以及与现有生物医学/生物加工规范相一致的文件组成部分，以控制从细胞库建立到放大过程中的危害。此类标准化细胞库系统对于减轻FAO确定的遗传漂变风险、确保跨生产批次的遗传稳定性也至关重要。此外，通过建立充分表征和永生化细胞系，公司可以减少对活体动物重复肌肉活检的依赖，从而提高可重复性和伦理合规性。
与这些制度视角互补，有学者强调了即使克服了制造障碍，仍存在未解决的伦理、语义和营养不确定性。他们认为，将培养的组织称为“肉”在语义和法律上可能存在争议，因为在许多司法管辖区，“肉”一词特指直接从屠宰动物获得的食用组织。基于此，FAO在其官方指导文件中更倾向于使用“细胞基食品”而非“肉”这一术语，强调这更准确地反映了基础生产过程（即细胞培养），并有助于将此类产品与传统屠宰动物产品区分开来。FAO/WHO报告明确将“细胞基食品”框架为通过培养从动物中分离的细胞（不包括“肉”的更广泛用途）生产的食品项目，以减少监管、安全和标签方面的歧义。
延伸这一辩论，有学者强调CM必须满足内在（安全、营养、感官）和外在（伦理、环境影响、文化接受度）的质量期望。他们指出，无动物来源且可回收的培养基是关键的可持续性瓶颈，同时警告CM的许多所谓环境效益仍然是基于模型的，且未在工业规模上得到验证。通过审视这些关键要素，我们对实现工业规模生产所需的技术现状和安全体系提供了全面视角。确定了四个主要要素，将在专门的小节中讨论：(i) 细胞系开发和细胞库建立，(ii) 培养基和输入控制（包括回收/再利用），(iii) 生物反应器放大和污染预防，以及 (iv) 收获后加工和产品安全文件记录。
3.1. 连续或永生化细胞系开发
建立具有快速倍增时间的连续或永生化细胞系是扩大CM细胞生产的关键里程碑。这些细胞需要能够连续生长数百代，倍增时间最好低于24小时。它们可以来源于幼年动物的早期组织，在培养中自发永生化，或转化为多能干细胞阶段以促进细胞团扩增。已有文献总结了多种哺乳动物和禽类物种的细胞类型，但关于海鲜细胞系的参考很少。尽管包括Upside Foods、Good Meat、Mosa Meat和Aleph Farms在内的多家公司在禽类、猪和牛细胞类型的扩展培养方面取得了值得注意的进展，但由于基础研究和实验室细胞培养条件下表征的历史局限性，在从金枪鱼、鲭鱼、鲑鱼等关键鱼类以及虾、龙虾、螃蟹等甲壳类动物建立连续细胞系方面仍然存在挑战。本节探讨了当前和新兴的增强细胞培养生物学的技术，确保为CM生产提供可持续且经济可行的基础。另一方面，高度工程化的细胞系可能面临更严格的监管障碍以确保消费者安全，高机会成本可能阻碍其采用。通过探索生成细胞系的各种方法，本综述借鉴相关文献，批判性评估细胞培养技术的效率，阐明CM这一关键方面的挑战和潜在解决方案。
3.2. 实现高细胞密度的生物工艺开发
开发能够实现高细胞密度的生物工艺对于确保CM背景下高效的细胞生产速率至关重要。典型的2D培养工艺面临生长速率低、代谢效率低和分解代谢物抑制等挑战。因此，细胞密度很难从104增加到105个细胞/cm2。此外，细胞选择对于实现高细胞密度也非常重要。单位体积的输出重量因细胞大小差异很大。较小的细胞在消耗相似培养基的情况下可以达到更高的最大细胞浓度。三维（3D）悬浮培养（如填充床生物反应器和微载体）可通过增加营养和O2交换，将细胞密度提高到107到 108个细胞/mL。当前的行业目标旨在实现25至50 g/L的细胞质量，并认识到与较大的成纤维细胞相比，虾等较小细胞的重量将显著减轻。生物治疗领域的比较基准显示，中国仓鼠卵巢（CHO）细胞在灌流培养中已达到6×107至 1.2×108个细胞/mL的密度。悬浮鸡细胞系的最新进展也在培养中实现了极高的细胞密度，尽管关于其他细胞系在强化培养中类似产量的文献仍然有限。通过设计微载体的特性（如形态、拉伸强度、电荷和直径）以帮助蛋白质合成和细胞分化，并提供循环拉伸以辅助肌肉细胞成熟，可以提供更高的生长密度。
除了材料创新，超细气泡（UFBs）作为一种新型气体纳米载体正受到各行业的关注。它们使用高频或高压方法生产，产生直径通常小于200纳米的极小微小气泡，由于其尺寸和稳定性而表现出独特的性质。由于其尺寸小，它们具有大的反应表面积，并且通常带负电，这延长了它们在液体中的寿命。这种负电荷可以吸引培养基中的离子，促进营养输送。UFBs目前在化妆品、制药和农业等领域显示出优异的应用前景。由于UFBs是气体基的，它们可以在氧气、氢气、二氧化碳等气体之间切换。它们通常用于携带充满H2或O3的UFBs水，具有很强的杀菌活性。更重要的是，作为纳米载体，UFBs可以快速输送营养物质并调整气体环境，刺激细胞生长，缩短倍增时间，增加总细胞生物量。用于不同细胞类型以获得高细胞密度的其他方法在相关表格中进行了总结。随着该行业争取商业吸引力，设定至少100g/L细胞质量的基础密度变得至关重要，以释放商品成本效益并确立CM生产的经济可行性。开发生物反应器中使用的其他补充技术，如微/纳米曝气，也将是必要的。
3.3. 通过生化创新降低养殖肉成本
根据优质食品研究所（GFI）的报告“养殖肉放大和生物加工趋势”，预计到2026年，CM全球总产量将达到125,000吨。相比之下，麦肯锡公司在其报告“养殖肉：走出实验室，进入煎锅”中估计，到2030年实现250亿美元的市场将需要大约150万吨的年产能。然而，与经合组织-粮农组织2025-2034年农业展望相比，这仍然微不足道，该展望估计2024年全球传统肉类产量为3.65亿吨。此外，根据美国农业部的报告，2024年零售批发精选牛肉的平均价格约为每公斤7.3美元。为了使CM在市场上具有竞争力，其生产成本必须降至每公斤5美元以下。据估计，生产1吨CM需要1014个细胞，需要数千升培养基，其中高达55-95%的预算分配给培养基。对于约262,000升的气升式反应器，培养基成本需要降至约0.75美元/升，才能将总成本降至9美元/公斤以下。细胞维持的过高成本主要源于在CM中连续细胞培养使用的培养基。细胞培养涉及消耗数千升含有血清补充剂、生长因子（如FGF-2、VEGF、IGF-1、HGF和PDGF-BB）和添加剂的培养基。由于使用药品级成分，培养基的成本也显著上升。为了追求持续丰富的细胞供应需要大量培养基，由此产生的成本将在可负担性和消费者探索方面构成挑战。为了实现与传统肉类的价格平价并显著降低总体生产成本，维持细胞的成本目标应控制在每公斤原料几美分的范围内，这只能通过从植物材料（如大豆、小麦或大麦）的废物或副产品中获取具有成本效益的原料成分来实现。目前，实验正在使用大豆渣或橙皮等生物废料。分离和纯化这些材料用作微生物的培养基，使剩余的蛋白质和碳水化合物等营养物质得以发酵或生产脂质。这些有用的营养物质随后被提取用作细胞培养基的替代品。然而，成为可靠的营养来源仍然极具挑战性。因此，有必要寻找较低成本的营养来源，如维生素和矿物质。尽管少数研究关注无血清培养基用于培养牛卫星细胞，但关于为各种物种的CM开发经济实惠的培养基和生长补充剂的公开信息有限。最近，有人提出了整合人工智能（AI）和代谢研究以加速CM可持续培养基配方的开发。探索替代成分并消除对昂贵外部因素的依赖，将同时弥合经济可持续性和伦理考量之间的差距。
3.4. 利用AI和建模降低细胞培养生产成本的策略
人工智能技术的最新进展已日益应用于生物工艺优化的各个领域，包括大规模细胞培养用于基因治疗、生物制药生产以及CM等新兴领域。然而，直接针对CM生产成本降低策略的AI特定研究仍然相对有限。本节总结并讨论了几项探索了与细胞农业相关的AI辅助过程建模和成本效益培养基优化的代表性研究。
为了减少对血清的依赖并提高可扩展性，Cosenza等人开发了一个多目标贝叶斯优化流程，为C2C12成肌细胞确定了高性能、低成本的无血清培养基，实现了比对照培养基高23%的生长，而成本仅为对照培养基的62.5%。该策略结合了高通量筛选和多保真度数据整合，降低了材料成本和实验室成本。
在另一项针对斑马鱼胚胎细胞（ZEM2S）的研究中，Nikkhah等人利用结合响应面方法论（RSM）、径向基函数神经网络（RBF）和遗传算法（GA）的混合AI方法优化了减血清培养基。通过精确调整IGF和FGF等生长因子浓度，实现了20-24%的成本降低。
除了培养基成分，Ebrahimian等人提出了在微载体培养中使用原位细胞脱附的过程级优化。通过结合混合建模和增强的实验设计（DoE），该团队成功减少了操作步骤，消除了昂贵的细胞-微载体分离需求，有助于降低贴壁细胞扩增的操作成本。
对于与CM共享培养基开发挑战的T细胞疗法应用，Grzesik等人引入了一个结合弹性网络、随机森林和聚类算法的机器学习流程，以执行一次性培养基优化，在保持不同输入性能的同时降低供体特异性配方成本。
最后，Schinn等人证明了基因组尺度代谢建模结合机器学习在预测CHO细胞氨基酸消耗方面的价值，能够实现先发制人的营养补充，并减少饲料浪费或运行失败——这些策略可以适用于动物细胞基肉类系统。
总之，这些研究说明了AI在降低细胞培养系统成本方面的多样化和强大应用。无论是通过优化营养配方、减少实验试验还是提高可扩展性，AI已显示出解决CM生产主要障碍之一——经济可行性——的潜力。除了实验室优化，近期观点还表明，将AI与区块链框架整合可以进一步增强整个CM供应链的数据透明度、过程安全性和可持续性，加强新兴细胞农业生态系统中的信任和效率。
3.5. 微生物风险控制与细胞农业产业扩大规模的挑战
根据FAO和WHO的联合报告，微生物污染仍然是细胞农业系统扩大规模过程中的关键安全考虑因素。尽管CM在减少人畜共患传播和最小化污染风险方面与传统肉类加工相比具有显著优势，但FAO报告强调，潜在的微生物危害仍可能出现在细胞来源、培养和收获的各个阶段。随着生产从实验室规模过渡到工业规模，在生物反应器内保持无菌完整性、控制生物膜形成和防止交叉污染变得越来越复杂。这些挑战凸显了开发针对大规模CM制造环境的专门微生物控制策略的必要性。传统肉类生产约占全球抗生素使用量的70%，抗生素的滥用导致了全球性的抗生素耐药菌株问题。在受控和无菌环境中生产的CM，为大幅减少抗生素使用提供了可行的解决方案。然而，即使在这种受控环境中，细胞培养仍然容易受到污染。虽然许多CM公司声称他们可以在没有抗生素的情况下培养供人食用的细胞，但在扩大生产规模的同时保持无菌条件仍然是该行业面临的重大挑战。最近的研究表明，CM公司在工业规模生产中平均经历11.2%的微生物污染，其中细菌污染是主要原因。在更复杂的生产过程中，包括细胞培养和制造，污染风险甚至更高，达到19.5%。为了解决这个问题，感染传感和缓解策略是过程优化的关键领域，同时提供一个清洁的环境。传统的传感技术包括微流体、生物芯片、DNA提取和扩增、蛋白质检测、病原体检测、光学检测和电化学生物传感器。这些方法已广泛应用于生物和生物医学领域。然而，在扩大CM生产规模时，总培养体积可达数千升，过程持续时间可能长达数周以达到足够的细胞密度和产量，任何早期阶段的病原体或细菌污染水平通常非常低。传统的定量聚合酶链式反应（qPCR）检测方法耗时且成本高，因为它们需要从复杂的生物反应器环境中分离DNA。因此，电化学生物传感器提供了一种潜在的替代方案，与传统的蛋白质检测方法相比，能够实现快速且高灵敏度的检测。这些生物传感器可以检测浓度极低的细菌，灵敏度达到pg/mL水平，有助于早期污染检测。当前的检测方法分为侵入式、非侵入式和间接方法。侵入式方法涉及将传感探头直接插入培养基中，而非侵入式方法使用光学或超声波技术进行检测。间接方法涉及提取培养基样本进行实验室测试。为了获得准确的结果，侵入式和间接方法被认为在CM生产过程中更可行，尽管它们增加了污染风险。因此，缓解策略变得至关重要，重点是通过添加脂质、脂肪酸、肽或聚糖等物质来减少细菌生长，这些物质可以抑制细菌增殖或表现出强大的抗菌作用。这些策略提供了预防措施，有助于维持生物反应器条件，减少频繁传感的需求，并最小化污染风险。然而，开发新型、安全且耐药的抗菌剂对于克服这些挑战、确保CM生产持续的安全性和可持续性至关重要。
3.6. 表征和探索养殖肉口感和质地的技术
早期的综述强调，由于经验数据有限，CM的许多感官和营养特性仍然不确定。基于这些已识别的差距，最近的研究越来越侧重于复制传统肉类口感、质地和外观的技术策略。虽然营养方面仍然重要，但消费者接受度的主要挑战现在在于复制风味和质地。因此，CM生产的一个主要障碍是创造出在口感和结构特征上与屠宰肉类非常相似的产品。CM的成功市场整合将取决于大量努力，以模仿肌肉和脂肪组织复杂的3D宏观结构及其特征风味特征。
CM的口感特征也是一个需要投入更多努力的关键因素，而不仅仅是预烹饪腌制。个体传统肉类独特的鲜味取决于氨基酸和核苷酸谱、血红素的存在以及其血液和脂肪含量。在高温过程（烹饪）中，氨基加速了与糖的反应，导致美拉德反应，赋予肉类独特的风味。Impossible Foods因其培养的血红素在替代蛋白质产品中复制肉类风味而闻名，其他初创公司也开发了获取血红素的替代可持续方法，可纳入CM产品。ImpacFat公司目前正引领培育鱼类来源的脂肪细胞的努力，据称这有助于肉类脂肪来源的风味，并复制其营养成分。最近，Hong等人研究了一种风味可切换的支架。传统的合成挥发性风味化合物（SFC）可以赋予风味，但会快速释放到空气中；例如，呋喃甲硫醇等含硫化合物，存在于烤肉中。培养
