培养肉风险防范与安全管理规范

王廷玮，周景文，赵鑫锐，张国强，李雪良，堵国成，陈坚*，孙秀兰*

1(江南大学 食品学院，江苏 无锡，214122) 2(江南大学 生物工程学院，江苏 无锡，214122)3(粮食发酵工艺与技术国家工程实验室(江南大学)，江苏 无锡，214122)

“人造肉”(也称为清洁肉或合成肉)，可以分为“植物蛋白肉”和“细胞培养肉”，简称“植物肉”和“培养肉”。培养肉由实验室中使用从动物肌肉组织提取的细胞合成以供人食用[1]。该方法的灵感来自于用于从患者细胞重建患者的恶化肌肉组织的再生医学[2]。简而言之，就是从未受伤害的活动物收获少量干细胞，然后在允许细胞分裂和细胞增殖的生长培养基中进行培养，最终获得培养肉[3]。细胞是特定种类组织的前体，它们能够在生长培养基中大规模增长。培养基中的细胞分化成肌细胞，然后融合形成肌纤维[4]。2013年，科学家们通过生产世界上第一个体外肉类汉堡，在体外肉类生产领域跨越了一大步。汉堡包含五盎司的体外肉馅饼，由伦敦Riverside Studios的感官小组烹制和品尝。使用从牛肩上采集的干细胞，在实验室里花了3个多月的时间，种植出价值超过33万美元的牛肉。感官小组成员说，汉堡的味道“几乎”像传统的一样。这一事件引起了人们的关注，期望可以在几年内看到超市货架上的养殖肉类和肉类产品[5-6]。

提供普遍可及，负担得起，安全和可持续的蛋白质符合联合国可持续发展目标(“21世纪蛋白质”)，同时也是一个紧迫的问题。由于世界人口增加以及随后的肉类消费量增加，预计未来40年全球肉类消费量将翻1番[7]。1960年，全球消费了4 500万t肉类(牛肉、猪肉和鸡肉)。在一代人的时间里，由于城市化、中产阶级的崛起和富裕程度的提高，对肉类的需求急剧增加。2018年，全球肉类产量为2.63亿t，预计到2050年将增加近1倍，达到4.45亿t。与传统肉类生产相比，体外肉类生产可具有金融、健康、动物福利和环境优势：以牛肉的生产为例，饲养1头500 kg的牛,每天只能合成0.5 kg的蛋白质，但培养500 kg的活细胞每天却可以合成多达1 000 kg以上的蛋白质[8]。此外，细胞工厂的生产方式不仅可以解决传统农业中激素、抗生素、农药残留的问题，还可以节省75%的水，减少87%的温室气体排放，需要的土地面积也将减少95%。因此，以细胞工厂为基础的仿真肉制品将成为未来农产品生产的发展趋势[6]。

Mosa Meat、Memphis Meats、Super Meat和Finless Foods等初创公司已经开始研发人造牛肉、猪肉、鸡肉和海鲜，并且该领域吸引的投资已达成百上千万美元。例如，Memphis Meats公司2018年共募得1 700万美元，投资者包括比尔盖茨以及嘉吉公司等大型农业公司。Mosa Meat公司称，从1头牛身上提取的1份组织样本,可以培育出80 000份1/4磅重的汉堡肉。Memphis Meats 2019年报道称，1/4磅牛肉的成本约为600美元。按照这一趋势，培养肉在短短几年内就足以与传统肉相媲美。如果对肉质多加注意，再准确添加一些提升口感的辅料，便可以解决人们对口味的担忧[9]。从长远来看，培养肉是人类不可避免的未来；然而在短期内，培养肉类生物制造的极高成本是目前市场化主要的潜在障碍，尽管大规模生产和市场渗透通常与大幅降价有关[10]。

目前，培养肉类技术仍在开发中，用于制造最终产品的技术尚不清楚，同时还没有来自动物的新食品的指南，也没有任何建议的培养肉类技术可以采用的监管途径。美国食品药品监督管理局(FDA)以及加拿大卫生部(Health Canada) 已经开始考虑如何对培养肉进行监管[2, 11]。考虑到培养肉的特征以及制备技术，其评估应在评估的单独基础上进行，并将制造和生产中涉及的多种因素纳入考虑范围。在本文中，对之前文献所报道过的培养肉制造技术进行汇总分析，发现培养肉的制造主要存在着以下问题：(1)在培养肉生产过程中，使用的无安全使用史的动物细胞培养组分和载体的安全性[12-13]；(2)培养肉生产制备的新工艺的安全性[14]；(3)基因改造培养肉的潜在安全性[15]。

1 培养肉的制造主要存在的问题

1.1 无安全使用史的动物细胞培养组分和载体的安全性评价与规范

培养肉生产系统由3个没有安全使用历史的组分组成：细胞培养支架、培养基和氧载体[4, 16]。支架技术的应用得以生产具有柔软一致性的磨碎的无骨肉，而不是像牛排一样的高度结构化的肉[8]。EDELMAN等人提出了由可食用胶原蛋白制成的珠子作为基底，并且其他可能的支架结构包括大弹性片或长细丝的阵列。由于对支架在细胞培养过程完成后的可食用性和人体降解途径，以及支架是否应从细胞培养后移除并回收使用存在疑虑，所以必须将支架视为没有安全使用历史的产品，或在食品添加剂框架下对其进行安全评估[17-18]。用于肌卫星细胞发育成骨骼细胞两个阶段的培养基通常补充10%～20%的生长培养基[13-14, 19]，培养基种类主要有马氏血清、胎牛血清或者不含动物血清的新型品牌培养基，如Ultroser G或蘑菇源血清[20]。这些成分都没有用于食品生产，因此它们必须经过安全评估。用于培养肉生产的人血红蛋白由转基因植物[21]和微生物[22]生产。像大肠杆菌这样的微生物已经被用于生产商业规模的人类药物和食品添加剂[23]，并且正在进行研究以确定它们是否可以生产血液替代品[24]。全氟化合物(PFCs)溶解大量氧气，因此可以发挥与血红蛋白相同的功能[12]。可以参考其他食品添加剂进行安全评估。这些氧载体应根据生产培养肉而制造的生产途径，氧载体可以根据其成分、来源或生产方法进行安全性评估。

1.2 培养肉生产制备新工艺的安全性评价与规范

在培养肉生产系统中，生物反应器的使用能够促使细胞在培养基中处于几乎连续悬浮的状态，流体切变保持在低水平并且组织装配过程可以容易地悬浮，从而细胞的培养过程得以简化[14, 16]。在生物反应器中培养细胞将其用于肉类的过程是一种新方法。理想的生物反应器应该具有集成的封闭系统，减少潜在的污染风险[25]。与生长动物和屠宰肉类相反，在生物反应器中培养细胞的过程是一种新颖的过程。细胞在生物反应器中培养，生物反应器应优选地具有培养基组分的在线监测，以实时调节培养基灌注[26-27]。生物反应器应具有大体积，以产生高产量的细胞和具有高度自动化的系统[25]。因为动物细胞培养过程需要巨大的封闭表面区域用于培养和增殖，并促进组织生长[28]。类似的生物反应器之前从未用于食品生产，因此该过程是无食品安全使用史的。针对以上特点，对于新工艺培养肉风险评估方面的考虑因素主要包括：实验设计和实验条件；样品采集和样品制备过程的标准；所有组件的原始数据；已发布数据(如果有)；该产品的预期用途和可能的最终产品；任何可预见的非预期用途等方面。需综合以上要点进行风险评估。

1.3 基因改造培养肉的潜在安全性评价与规范

将基因工程应用于细胞培养，以产生具有不同质地、味道和风味特征的肉制品[29]。理论上，使用胚胎干细胞而不是肌卫星干细胞能够使细胞具有无限的再生潜力，从而无需收获更多的胚胎[14, 30-33]。然而，遗传突变的缓慢积累可能随着胚胎干细胞的分化而发生。培养肉生产系统需要多个细胞分裂以形成细胞培养物质和肌肉组织[15]。为了克服这个问题，可以通过以下方法进行改进，包括：(1)定期补充细胞培养；(2)使用永生细胞系；(3)永生化一个细胞系。其中后两种可能需要进行遗传修饰，这或许会导致公众接受困难，引起进一步的争议，从转基因层面带来一定的风险隐患[14]。

安全评估的方法基于这样的原则：新产品的安全性相对于具有安全使用历史的传统对应物进行评估，同时考虑了预期和非预期的影响。然后评估新型和常规肉类之间的任何显著差异的潜在不利健康影响。安全性评估特别需要注意的是，基因修饰是否会无意中发展或增加生物体的致病性、毒性或致敏性[11, 34]。可以将遗传修饰的细胞系与来自动物的细胞系进行比较，而不进行遗传修饰，并评估差异对潜在的不利健康影响。主要包括：(1)所使用的基因编辑方法、生物体的来源、特性和预期功能；(2)有关添加、插入、删除或修改DNA的信息；(3)序列在最终载体/构建体中的位置方向；(4)引入基因在目标细胞中的功能等。供体和宿主生物的历史信息可以对培养肉的评估起到很重要的作用。

2 展望

目前实验室已开始着手相关培养肉风险防范与安全管理规范方面的工作，根据培养肉的特点，研究内容如下：

2.1 建立载体、组分及生产过程化学性风险预先防范和安全指标体系

利用细胞工厂生产培养肉，通常的做法是在细胞培养物中加入抗生素或抗有丝分裂剂，以防止长期培养物的感染。为了规范生产过程保证其安全性，必须进行使用材料及生产周期评估以确保其安全使用。因此，为了防止培养过程中使用载体污染物引入，需要开展培养肉原料、无安全使用史材料、新工艺、遗传修饰过程，及最终产品中抗生素、增塑剂残留化学污染物的检测技术研究；确定最终生产中存在的任何抗结块剂、载体溶剂、固体稀释剂或在食品制造过程中使用的沉淀助剂、过滤剂等，建立标识和纯度规格以及样品标签和使用说明。最终，建立培养肉培养组分和载体的化学性风险指标体系，形成化学性风险预先防范原则和技术规范标准。

2.2 建立动物细胞培养及转化过程生物性风险防范和安全指标体系

对于没有安全使用历史的食用培养肉和新成分，则应采用逐案处理方法确定对食品进行适当的毒理学试验，探索培养肉生产过程中基因修饰的潜在风险，构建培养肉全基因组序列数据库；同时，培养肉生产过程中会带入一定量的非食品级的胞内蛋白，会在食品中引入高风险的生物外源物质，以及基因改造后形成的新的基因表达体，存在致敏性和未知潜在毒性，因此开展复杂生产体系下培养肉潜在毒性和致敏潜力的评价体系研究，确定培养肉的生物检测指标体系，并建立安全防范技术标准是十分必要的。

2.3 建立营养成分和营养素利用度比较分析与膳食暴露量评估

评定培养肉与普通肉制品其食品营养价值比对分析和挖掘，全面了解培养肉中各种可食性天然组成成分,以充分利用食物资源，了解在加工过程中培养肉的食品营养素的变化和损失。同时,与传统肉制品比较，根据同一种食物上使用传统工艺的食品的预期营养价值所产生的变化进行评估，并确定它是否会对消费者的总体膳食营养摄入量产生重大影响。通过细胞培养获得的最终产品必须针对常规肉进行测试，并且必须分析性质的差异。基于上述研究，来确定培养肉在膳食中的摄入标准。

3 结语

培养肉的生产是新生的且现实的，目前的问题不是“我们能做到”，而是“我们将如何规范它”？本文回顾了目前用于合成体外肉类的技术，并阐述了关于培养肉风险防范与安全管理规范的研究进展与建议。目前培养肉主要存在着3个方面的风险因素：没有安全使用历史的组分，新工艺和潜在的基因改造。在建立风险防范与安全管理体系时需综合考虑。虽然体外肉类生产是一种预期可获得大量关注与投资的新兴技术，但由于它所具有的独特性，获得消费者的认可仍然是这项技术成功的关键。