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哈佛版更逼真人造肉来了!让动物细胞“长成”肉,接近真肉质地

北极蚊子 2019-10-29 15:34

更逼真的人造肉来了。来自哈佛大学的科学家在可食用的明胶支架上培养了兔和牛的肌肉细胞,这些细胞细长而粘连,接近真实肉的质地和坚实度。

此前,在人造肉资本市场上大红大紫的不可能食品公司( Impossible Foods)和超越肉食公司(Beyond Meat ),其主打的汉堡均源于植物蛋白,且为糊糊状的肉馅饼,其外观和质地不及天然的牛排。

10 月 21 日,这项源于动物细胞培养的人造肉研究发表在《npj-食品科学》(npj Science of Food)上,通讯作者是哈佛大学生物工程与应用物理学教授 Kit Parker。那么,这些研究解决动物细胞培养肉的工业化问题了吗?我们距离其上市还有多远?

明胶脚手架

人造肉的挑战之一就是让肉长成纤维状。动物肉主要由肌肉、脂肪和结缔组织组成,如同我们肉眼所见,骨骼肌由细长纤维构成。肌肉细胞需要附着在培养基质上才能生长并嵌入到相应组织中,最终形成细胞组织纹理及微观结构,而锚定对于密集堆积的肌肉纤维排列尤为重要。论文第一作者 Luke MacQueen 说,骨骼肌细胞是贴壁细胞,其生长需要脚手架,这样细胞才能以三维的形式附着生长。

理想的支架系统应该具有相对较大的比表面积,可灵活地收缩扩张,且易于与培养组织分离。已有的支架系统存在回收困难、成本高、稳定性不足等问题,那么可食用或可降解的支架,以及可重复利用的支架就成为科学家努力的方向。

哈佛大学的研究人员将目光投向了明胶。在天然肉中,细胞外基质(ECM)蛋白支架起到细胞锚定和支持组织生长的作用,其中胶原蛋白是骨骼肌中最丰富的 ECM 蛋白,约占干肌质量的 1%-10% 。明胶是胶原蛋白的衍生物,广泛用于食品行业,因此明胶超细纤维就代表了肌肉组织的结构和生化特征,于是也就成了脚手架的优选对象。

研究人员采用了 Kit Parker 团队开发的浸没旋转喷射纺丝技术(iRJS),这是一种利用离心力的纳米纤维纺丝装置,可以精确控制取向,模拟身体里高度定向的组织。具体而言就是,拉伸纺丝,用浸在聚合物或蛋白质容器中的高速旋转鬃,拉出一小滴溶液进入喷射器,纤维以螺旋轨道运动,并且在从鬃毛分离之前凝固,进入收集器。本质上,这是一台改良版“棉花糖机器”。

图 | 明胶纤维的尺寸。(来源:哈佛大学)

图 | 明胶纤维。(来源:哈佛大学)

这些明胶纤维直径在 1.3 微米到 8.7 微米之间,这可媲美天然的胶原纤维。研究人员将食用明胶做成纺丝,随后将牛主动脉平滑肌细胞和兔骨骼肌成肌细胞植入到明胶纺丝上之后,这些细胞即长成细长结构,接近了真实的肉质。

图 | 比较明胶纤维(上图)与兔子骨骼肌(下图)的电子显微镜照片可发现,明胶支架与骨骼肌的形状和质地相似。(来源:哈佛大学)

研究人员比较了人造肉与兔子肉、培根、牛里脊熏火腿等肉类质地后发现,天然肉含有的肌纤维更多,也就是说,天然肉更成熟。

为了比较最终产品和真肉之间的质地,研究人员还进行了多项食品行业常用的分析:如在电热板上加热人造肉肉来模拟烹饪,测量切下每一块肉所需的力度。最后,他们发现这种实验室生长的肉介于汉堡和牛里脊肉之间。

研究人员认为,用浸没旋转喷射纺丝技术来生产明胶纤维是可以满足工业化量产需求的。并且,这个技术还可以添加更多的多糖等分子纤维成分,这就为肌肉细胞生长的脚手架拓展了更多可能性。

研究还发现,短于 20 微米的肌肉纤维会促进细胞聚集,而长于 1 厘米的肌肉纤维则更喜欢排列成细长状。

量产还需等待

江南大学生物工程学院教授周景文评价说,以往大量的动物细胞培养的研究工作都是针对基础研究和医学研究,很少有人想到动物细胞培养的支架的可食用性。哈佛学者在可食用明胶支架上培育兔子和牛的肌肉细胞是一个非常好的尝试,为后续细胞培养肉的研究提供了很好的研究思路。

图 | Mark Post 手持第一款动物细胞人造肉。(来源:PA Wire)

动物细胞人造肉第一人、荷兰马斯特里赫特大学教授 Mark Post 在接受 DeepTech 采访时则表示,哈佛的研究是一个开始但并非很新颖。脚手架对于厚牛排很重要,明胶的优点是可食用,但缺点是仍然要来自牛。另外,有其他凝胶和支架选项来实现纹理化,比如打印或注塑。

2013 年,Mark Post 用动物细胞组织培养方法生产出了第一块人造肉,这块肉是通过胚胎干细胞在富含氨基酸、脂质、维生素的培养液中增殖、分化、融合形成的。细胞培育是在类似发酵装置的生物反应器中进行的,几周之后,这种肌肉组织即可食用。这个研究得到了 Google 联合创始人 Sergey Brin 的资助。

Mark Post 也是荷兰公司 Mosa Meat 的联合创始人兼首席问题官(CSO)。2013 年荷兰团队推出的这个人造汉堡成本高达 25 万欧元,到了2017 年这个成本已经降到了 10 欧元。

Mark Post 介绍说,动物人造肉目前还需要解决动物细胞的产量问题,虽然已经有了技术,但优化过程需要时间。另一个挑战则是,需要通过增加配料供给来降低成本,目前的高纯的配料主要供给了医疗领域。

周景文对此作了更详尽的分析。大部分动物干细胞只能进行有限次数的传代,那么细胞培养人造肉面临着干细胞获取来源、诱导分化的控制、低成本的大规模培养等一系列问题,很多是以往从未有人涉足的,可能需要更长的时间,特别是在干细胞获取和动物细胞培养方面的颠覆性的创新,才有可能实现商业化。

动物肉PK植物肉

数据来源:张国强等 2019 年发表在生物工程学报上的论文《动物细胞培养技术在人造肉研究中的应用》 ,由 DeepTech 译制

依据蛋白来源,人造肉分为植物蛋白肉和动物细胞培养肉。目前的植物蛋白肉主要是基于组织蛋白的进一步加工。植物组织蛋白的出现已经有很长的历史,在国内国外都有很好的研究和产业化基础。植物蛋白肉主要是采用植物来源的原料,通过物理和生物的方法,辅以一些助剂,使植物蛋白在风味、口感、质地、营养等方面更接近动物肉,并不是从植物细胞开始培养。

目前备受资本市场热捧的两种人造肉产品均为植物细胞来源。Beyond Meat 公司产品包括植物成分制造的汉堡、香肠和碎肉,其植物成分主要来自豌豆和蚕豆。另一家明星公司 Impossible Foods 公司的汉堡则用大豆蛋白替换了原来版本的小麦蛋白,以避免麸质。

与植物细胞来源的人造肉相比,动物细胞来源的人造肉的蛋白品质更好,要知道,植物蛋白缺少赖氨酸和蛋氨酸,是不完全蛋白。周景文对 DeepTech 介绍说,细胞培养肉是利用动物细胞培养代替传统的养殖业,在成分上与真实肉制品具有天然的高度相似性。这与植物蛋白肉相比,在品质上具有先天性的优势。

Mark Post 认为,基于植物的人造肉已经有 35 年历史,显然走得更远了,但是植物人造肉不能完美模仿整块牛排的组织,其组织纹理化也很困难,而这方面已经在某些动物人造肉上实现了。所以只有等动物人造肉进入市场,才能知道消费者的反应,才能知道植物人造肉和动物人造肉哪个走得更快。

Mark Post 并不担心社会对其产品的接受度问题。他说,人们的接受度正在提高,尤其是现在人们越来越意识到了畜牧业的环保问题和安全问题。

不过周景文认为,植物蛋白肉可以被迅速接受,其中有一部分因素是很多素食主义者,或者对于健康比较在意的人群,而这些人群可能会在意动物细胞培养的人造肉。

周景文介绍说,江南大学正在进行人造肉的研发工作,其主要的研究工作包括植物组织蛋白的制备、植物蛋白加工关键酶和血红蛋白的发酵生产、脂肪和关键风味物质的发酵生产、动物细胞大规模低成本培养的反应器设计和过程优化等,并与相关团队合作开展干细胞低成本获取和培养方面的工作。此外,针对当前人造肉发展过程中可能存在的问题,进行了一些食品安全评估等方面的工作,为后续制订相关的标准、政策、法规,提供依据。

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