人造肉产业技术的演变与预测研究

祝宏辉，赵瑞彤，王彦

1(石河子大学 经济与管理学院，新疆 石河子，832000)2(石河子大学乡村振兴研究中心，新疆 石河子，832000)3(新疆政法学院 经济管理学院，新疆 图木舒克，843999)

伴随着世界人口激增、城市化进程进一步加快、消费结构不断升级，畜产品的有效供给不足与人类社会可持续发展的矛盾日益突出，畜产品供给体系亟待转型[1]。人造肉作为较为理想的畜产品替代品，从质感、口感、风味、色泽、营养成分等方面全方位地模仿普通肉类，与传统畜牧业的生产方式相比，使用人造肉技术生产肉制品有着较高的生产效率、极低的土地占用率、较少的能源耗费以及更低温室气体排放量，能在补充畜产品产能不足的同时协调好可持续性等问题[2-6]。人造肉产业的发展对中国粮食安全问题、畜产品供给体系调整问题都有一定的积极意义。

区别于大众认知中的简单人造肉产品，被赋予战略意义的新型人造肉从两种技术范式出发，一类采用植物基材料，通过静电纺丝等技术尽最大可能的模仿肉类的质地，旨在减少牲畜的中间消耗[7-8]；另一类则依托于组织工程技术，基于对细胞的培养和增殖来获取可食用的肌肉组织，同样规避了畜牧业动物性生产的天然限制[9-10]。在由传统技术范畴向新概念过渡的产业技术跃迁期，面临两条路径可供选择的人造肉产业技术该怎么发展，需要集中资源主攻哪些方向，成为人造肉产业发展之初必须解答的问题。

专利包含着与创新意图和技术发展相关的规范化数据，同时包含了技术属性和市场属性，是世界上反映科学技术发展最迅速、最全面、最系统的信息资源[11-13]。因此，本文以人造肉专利为研究对象，基于技术轨道理论，通过专利分类共现分析法、“S”型曲线法，探究人造肉技术系统具有怎样的技术发展轨迹以及未来的产业技术轨道发展的重点方向。在理论上，本研究丰富了特殊阶段的技术预测理论，同时细化了技术预测在不同情景下的运用；在实践上，本研究厘清了人造肉技术的发展过程及发展方向，为人造肉产业的技术创新活动提供决策参考。

1 理论基础与研究设计

1.1 理论基础

技术轨道是产业技术在技术范式影响下的一组可能进化方向或演进路径[14]。技术在技术轨道上所做的前进性运动既受到已积累的技术体系或技术范式的影响，同时又受到来自社会和市场需求的拉动，具有技术自主性和社会建构性的双重特点[15]。产业内的技术系统是由一系列不断演化的技术轨道构成，占据市场优势的主轨道与未占据市场主导地位的其他枝轨道相互融合、借鉴、渗透，形成技术进步的合力[16-17]，这股合力决定了技术进步的方向，同时也是技术预测的主要依据。

技术轨道跃迁的产生是系统内部技术轨道的更替。当某种技术方向成为技术主轨道时，技术的积累使其具备了极强的路径依赖性[18]，并通过不断积累和自我强化从而陷入固定轨道[19]，发展将陷入停滞，到达瓶颈期[20-21]。当获得重大技术突破或有特定的机会窗口出现时，产业的技术轨道将完成一次演进与跃迁[22-23]。

对完成轨道跃迁的新技术系统进行技术预测并非无凭可依，这类技术预测活动可以很明确的定义为一种立足于前一阶段技术系统对后一阶段不稳定的技术系统新结构做出的前馈控制[24]。对技术轨道跃迁的发生而言，起决定性作用的是来自技术系统内长期的技术积累，某一重大技术突破仅仅是技术跃迁发生的诱因，各技术轨道产生的直接或间接的积累效应才是技术进步的源动力[25]。因此，对处于技术轨道跃迁期的技术系统展开技术预测时，一方面要甄别出目下技术系统内的主轨道与枝轨道，另一方面要评判好各轨道对技术系统的演进做出的贡献，由两方面的信息观测技术轨道的更替趋势，从而对未来技术的发展方向做出准确把握。

1.2 研究流程与研究方法

技术预测是对技术轨道发展趋势的判断[26]，基于上述理论分析，为判断轨道跃迁后的发展趋势，本文设计了一种基于技术轨道跃迁的技术预测模型，如图1所示。首先识别出当前技术系统的技术轨道，其次判断技术系统内的技术轨道跃迁，再次对技术系统整体和各技术轨道的发展趋势做出判断，最后综合上述研究得到技术系统发展的最优方向。

图1 基于技术轨道跃迁的人造肉技术预测模型分析框架Fig.1 Analysis framework of technology prediction model based on technology orbit transition

1.2.1 第一阶段 技术轨道识别

要确定各技术轨道对技术系统演进的贡献，首先要将其从技术系统中剥离出来。本文借助国际专利分类(International Patent Classification，IPC)共现网络来识别目前技术系统内较为成熟的技术轨道。

IPC共现网络是通过将专利分类号作为节点，以分类号之间共现关系作为边来构建网络，在竞争情报分析领域，主要用分类号共现网络来分析知识结构和技术聚合，基于力导向算法绘制各IPC关系的共现图。根据共现的密集度可以识别出当前热度较高、研究力量较为集中的研究方向，也能够识别出技术系统内不同的技术轨道。

1.2.2 第二阶段 轨道跃迁识别

新型人造肉与市面常见人造肉虽都称之为“人造肉”，但二者在概念、技术工艺上存在较大差异[27]，且两类人造肉在活跃时间上存在着明显的前后关系。本文猜想，新型人造肉与传统人造肉应是隶属于同一宏观概念下的2个不同的技术子系统，且新型人造肉极有可能是传统人造肉轨道跃迁的成果。

为甄别人造肉技术是否真正发生了技术跃迁，本文采用滚动式“S”型曲线分析人造肉专利技术生命周期[28-30]，利用logistic模型进行拟合，其数学表达如公式(1)所示：

(1)

式中：y为专利的累计量，l为预计的专利饱和水平，α为增长速率，β为曲线拐点。

假设固定第一例人造肉专利的申请时间为生命周期的起点，之后的每一年为终点，逐年计算模型中预计的专利饱和水平，并与实际的专利数据进行对比，当两者相等时技术系统即走过了一个完整的生命周期，由此判断人造肉技术前后是否发生过技术轨道的变化，以及技术轨道跃迁发生的节点。

1.2.3 第三阶段 基于轨道成熟度的技术预测

对现有技术的成熟度评估，是技术预测过程中必须的一环[15]，技术的生命周期是描绘技术所处的发展阶段的理想方法，技术在不同的生命周期内有着不同的发展潜力、市场活跃度、竞争强度[29]，把握技术所在的生命周期可以准确的评估现有技术的成熟度[30]。

同样采用“S”型曲线法，测算不同技术轨道的3项成熟度参数：(1)饱和点：预估专利累积数量的最高值，即模型中的参数l；(2)生长时间：专利累计数量达到预估最大值的10%～90%所需花费的时间；(3)转折点：专利技术由成长期向成熟期过渡的临界值，即数学模型中的拐点。根据3项参数，评价技术系统整体的发展和各技术轨道的技术发展成熟度和对人造肉技术系统演进的贡献，根据技术轨道未来演进趋势对技术系统可能的进化方向做出大致判断。

2 数据获取与描述分析

2.1 数据获取

本文借助incoPat专利数据库，参阅相关文献中对“人造肉”这一概念的命名与描述，以中文关键词：人造肉、植物蛋白肉、肉仿品、组织工程肉、肉类似物、肉结构蛋白、肉替代物，英文关键词：artificial-meat、cultured-meat、meat-substitutes、meat-replicas、in-vitro-meat、animal-free-meat、lab-grown-meat、Generic-meat、Meat-like进行检索[31]，并剔除了宠物、饲料、药品、碎肉合成等与人造肉不相关的部分专利，经简单合并后最终获得人造肉相关专利数据606条。

2.2 人造肉专利技术现状

从专利申请主体的国别来看，人造肉专利申请数量较多的国家可大致分为两类，一类为经济相对发达或畜牧业发展水平相对较高的国家，这些国家意识到传统畜产品生产方式的局限性，对肉类替代品率先开启了探索，是新型人造肉技术研发的主要阵地，如美国、英国、瑞士、荷兰、以色列等，所申请的人造肉专利占专利整体的55%，；另一类为有传统人造肉的食用历史，饮食结构中素食偏多的国家，如中国、日本、韩国等。

从整体专利申请量的变化趋势上来看(图2)，人造肉相关专利的申请的爆发主要在2019年，随着人造肉概念股的上市，在资本市场的推动下，人造肉研发热度攀升，当年人造肉相关专利申请量达44件，同比增长62.96%，为历年来最高。中国申请人造肉相关专利的时间并不长，对人造肉存在意义的理解不深入及知识产权保护意识不强，使得在早期探索人造肉相关技术的过程中缺乏专利的申请，中国历年人造肉相关专利的申请数量与美国相比，除2019年出现井喷式增长外，各年申请数量低迷，且不连续；与日本相比，日本人造肉专利总量虽然高于中国1倍以上，但多集中于20世纪对旧式人造肉的研究，对新型人造肉的探索反而显出颓势，而近两年，新型人造肉引起了国人的足够重视，国内超过40%的人造肉相关专利都在2019年和2020年上半年申请。

从人造肉相关专利的申请主体来看，除数家食品公司有集中参与人造肉的专利布局外，其余企业、个人、科研院所申请的人造肉专利量并不大。而中国的人造肉专利申请主体布局总体上呈现以江南大学为代表的高校和科研院所为主导，企业与个人积极参与的态势。部分专利技术(CN110643512A等)的研发由校间合作、校企合作完成，产学研的合作与对接逐步拓宽与加深。人造肉技术整体上处于活跃的上升期，具有核心竞争力的人造肉企业技术研发活跃度极高，人造肉技术将是技术市场与资本市场持续关注的热点内容。

图2 人造肉专利申请变化趋势Fig.2 Trend of artificial meat patent application

3 基于技术轨道跃迁理论的人造肉技术发展趋势分析

3.1 新型人造肉技术轨道识别

在涉及与人造肉相关的专利分类中，以主分类号以A23J(食用蛋白质组合物等)和A23L(烹调、营养品质的改进、物理处理等)的专利研发成果数量最多，分别占40.50%和37.48%，这表明，植物蛋白的加工处理和人造肉风味物质的制备是目前人造肉产业研发重点，同时也是研究可行性最高的2个领域。

将近5年的专利分类号绘制共现图，如图3所示，图中内容大致可分为三大技术轨道，并参考陈坚院士[32]对几类产品的用词予以命名：

(1)细胞培养肉领域：图3中左下角虚线框内的IPC大多数涉及的为细胞培养肉的专利，将细胞培养肉跟植物蛋白肉联系到一起的分类为A23L13/00(肉类制品的制备与处理)和A23J3/00(食用蛋白质加工)。由于涉及细胞培养肉的专利数量较少，因此很难看出哪个分类下的专利技术是细胞培养肉当下的发展重点。

(2)植物蛋白肉领域：而近3年植物蛋白肉的相关专利中最为核心的分类为A23J3/22，该分类点与其他分类点间的连线最密集，在该分类下，相关专利技术主要解决的问题是对植物蛋白的组织化处理，具体方法包括冷冻、挤压或膨化、在溶液中形成纤维等，其目的是更好的模拟真肉的质感和口感。此外，从大豆中提取植物蛋白的A23J3/16类专利技术、加工食用植物蛋白质的A23J3/14专利技术也是共现图中连线较为密集的专利研究方向。

(3)风味物质领域：风味物质的相关专利往往与植物基蛋白肉制品的相关核心专利分类同时出现。一方面，植物蛋白肉制备的过程中需要解决肉类风味不足的问题；另一方面，风味物质的原料和制备手段与植物蛋白肉有一定的重合。图3中实线框内的IPC号涉及较为聚集，其中连线较粗的专利分类有A23L27/26——该分类主要包括一些制备带肉味的合成调味料或佐料的专利技术、A23L33/185——该分类主要包括从植物蛋白中提取并用以作为给食品增加营养的添加剂的肽、氨基酸等的技术。

图3 人造肉技术专利分类号共现网络Fig.3 Co-occurrence network of artificial meat technology patent classification number

3.2 人造肉技术轨道跃迁判断

为探讨新式人造肉与旧式人造肉存在怎样的继承和发扬的关系，也为确定两类人造肉间是否发生技术轨道跃迁，以及跃迁的时间节点。本文认为当人造肉的专利技术完整的走完了一段生命周期，即借助logistic模型进行拟合的专利饱和水平与实际的专利累积数相等时，便可将人造肉技术系统划分为新旧两类。

本文将开始连续出现人造肉专利的1963年定为传统人造肉技术生命周期起点，滚动式的观察历年实际累计值与利用1963年至截至当年的数据所估计的生命周期内理论最大累计值，即模型中l之间的关系，部分结果如表1所示。

以1996年为终点所拟合的生命周期所估计的最大累计值与实际累计值大致相同，当年应是传统人造肉技术创新饱和的年份，即人造肉的技术系统在1996年左右便已经陷入了停滞发展的阶段，新型的植物蛋白肉所需要的产业技术此时已经存在了一定量的积累，但由于产业自身的能级较差加之市场上并没有一定程度的对新型人造肉的需求，植物蛋白肉所代表的技术轨道没有立刻对技术系统产生跃迁式的冲击，因此直到21世纪初我们才能够明确感知到植物蛋白肉的技术轨道成为人造肉技术系统的显性轨道。

表1 旧式人造肉生命周期滚动拟合部分结果Table 1 Partial results of rolling fitting of the life cycle of traditional artificial meat

为判断后续人造肉技术系统是否发生二次跃迁，继续以1996年为新型人造肉技术生命周期起点，进一步测算新型人造肉的技术发展，结果如表2所示。可以看出，至2020年，新型人造肉技术的已累计专利量与拟合估计的理论专利最大值还存在相当的差距，新型人造肉技术具有进一步发展的极大潜力。

表2 新型人造肉生命周期滚动拟合部分结果Table 1 Partial results of rolling fitting of the life cycle of traditional artificial meat

由此印证了前文关于人造肉技术发展的猜想：20世纪便已存在的人造肉产品与当前语境下的人造肉并非同一种食品。人造肉技术经历了由旧式人造肉向新式人造肉的技术轨道跃迁，而新式人造肉根据技术手段的不同，分化成为了植物蛋白肉和细胞培养肉。

3.3 人造肉技术轨道成熟度与发展趋势

3.3.1 技术轨道成熟度评估

同样借助logistic曲线模型，考察新型人造肉的发展历程(图4)。新技术基础的积累，一般发生在前一个技术生命周期衰退期的前中期。以20世纪80年代第一例明确提出植物蛋白肉的专利申请时间1986年作为新型人造肉技术发展的起点，利用1986—2020年的人造肉技术相关专利的数据，估计模型中的l、α和β，并据此计算人造肉技术生命周期中的3个参数：经过拟合计算，新型人造肉技术生命周期曲线的3项参数的取值分别为：饱和点：(saturation)1 103.89件、生长时间(growth time)：51.391 6年、转折点(midpoint)：40.313 7年。即：假设以1986年为新一轮人造肉技术研发的起点，人造肉相关专利技术累计可达1 100件左右，达到累计专利最大值的10%和90%所需要的时间分别约是15和66年。

同时，根据IPC，将植物蛋白肉轨道、细胞培养肉轨道、风味物质轨道从新型人造肉技术系统中剥离，单独测算。其中，植物蛋白肉轨道与人造肉技术系统的技术成熟度几乎一致，结合IPC共现的密集程度判断，植物蛋白肉是目前人造肉技术系统内的主轨道；细胞培养肉轨道处于导入期的阶段，专利数量较少，不少技术还没完成技术成果的转化；风味物质轨道与技术主轨道的生命周期变化基本保持一致，但变化幅度小，属于主轨道的伴生轨道。

图4 人造肉技术系统各技术轨道曲线模拟Fig.4 Simulation of track curves of artificial meat technology system

3.3.2 新型人造肉技术发展趋势分析

(1)导入期(1986—2001年)。21世纪以前，人造肉仅作为大豆制品的衍生品在大众餐饮中充当零食的角色，畜牧业仍有大量生产潜力尚未开发，人造肉对畜牧业和畜产品的替代能力未被认识，只有少数食品公司从事人造肉技术研发，从总体上看，技术活跃度低，专利数量、质量不佳，且增长速度缓慢。

(2)成长期(2001—2027年)。人造肉技术的轨道跃迁的发生并非是由重大技术突破带来的突破型技术跃迁，而是由需求拉动的渐进性演变。新世纪，世界人口增长所带来的潜在的粮食危机和素食主义、动物保护主义者等的活跃引发了社会各界对人造肉的讨论以及相关技术的活跃，在思考如何调和生态环境危机和潜在粮食危机之间的矛盾的过程中，人造肉技术进入大众视野。在低层次需求和高层次需求的双重驱动下，大量研发主体投入到人造肉技术的研发中。

当前人造肉技术正处于生命周期成长期的中后期，技术整体活跃度高，大众关注度与话题热度高。随着资本市场有效介入，人造肉技术创新加速，与此同时，细胞培养肉作为枝轨道开始出现在了技术系统中。

(3)成熟期(2027—2053年)。根据技术的生命周期发展规律，可以预见当人造肉技术迈入成熟期后，人造肉商品化水平变高，其在产品市场与技术市场的竞争也更加激烈，在此期间的技术研发多为迎合消费者需求，专利技术的多样性得到提升。而此时的细胞培养肉也将进入成长期的早期，技术活跃度显著提高，活跃的技术枝轨道会对人造肉技术系统产生一定的冲击。

(4)衰退期(2053年以后)。进入衰退期后，技术的整体演变已基本完成，人造肉技术朝着另一个更高水平的技术轨道跃迁的技术诱因将于该阶段开始萌发，当合适的机会窗口出现时，人造肉技术轨道将会完成由植物蛋白肉跃迁向细胞培养肉的新技术轨道的更替。

3.4 基于轨道更替趋势的人造肉产业技术预测

根据IPC共现图中指出的重点技术轨道以及各技术轨道所展现的交替趋势，对人造肉技术未来发展方向做出以下预测：

(1)植物蛋白肉的肉类质感模拟。植物蛋白肉作为人造肉技术系统的主轨道，在未来一段时间内仍将是技术研发的重点，当前人造肉在外观、结构、风味、色泽及原料选择、生产设施、工艺流程等一系列问题上仍有较大的进步空间[33]，拉丝蛋白对瘦肉纤维的模拟、肉产品的多层结构、对脂肪层结缔组织的模拟等技术还需进一步研究。

(2)细胞培养肉的辅助材料技术。细胞培养肉尚处于研发阶段，距离工业化生产尚有一定的距离，大量关键性技术有待攻克[34-35]。根据目前专利技术的申请情况来看，可食用非动物源性支架材料的研制、非动物源性培养基的研发是目前研究最多的技术；大型生物反应器的设计、种子细胞来源优化、非重力环境培育等技术有待突破。

(3)人造肉生产的规模化与数字化。规模化程度差而无法分摊前期高额的研发成本和生产过程对知识型人才的依赖是当前人造肉价格居高不下的主要原因之一[36]，要解决这方面问题就必须实现人造肉生产的规模化和数字化。检索专利中少量涉及了与生产人造肉产品的设施相关的技术，其中部分专利如CN202010979367.8等为植物蛋白肉的生产提供了自动化的生产线。还需进一步增加人造肉规模化生产流程设计、人造肉自动化生产流水线优化、人造肉生产与人工智能结合等相关方面的研发。

(4)加强人造肉的功能性。人造肉与普通肉类的不同点之一就在于可以通过控制加工程序与配料使得成品的营养成分与预期目标吻合[37]，而当今社会需求的多样化也对食品的功能性提出的更高的要求，针对不同人群设计不同的靶向配方，增强人造肉的保健属性，使人造肉在产品层次上更具有多样化。

4 结论与建议

4.1 主要结论

结合技术轨道跃迁理论，基于人造肉技术的相关专利情报，应用“S”型曲线模型和IPC分析，对人造肉技术的发展轨迹和未来的技术发展态势进行了相关研究。得出以下结论：(1)人造肉产业技术完成由旧式人造肉过渡到植物蛋白肉的轨道跃迁，模型拟合的结果与技术的发展形势基本吻合，当下人造肉的产品定位发生了深刻的变化，未来的一段时间内，专利申请数量将大幅提升，技术、产品2个市场都会不断扩大。(2)植物蛋白肉尤其是提升植物蛋白肉仿生效果的技术将是未来一段时间内人造肉技术发展的重心，具体包括改善人造肉的植物蛋白纤维的结构、增强产品肉的风味、提升产品外观质量等；此外，细胞培养肉有进一步发展的趋势。

4.2 相关建议

(1)从技术创新层面上看：其一，中国人造肉的部分专利已经由校企合作、校间合作完成，但数量与占比都较小，产学研间的对接与合作需要进一步加强；其二，中国人造肉专利的申请主体过于零散，建议整合零散的研发个体组建研发机构或技术联盟，形成规模优势。

(2)从技术应用层面上看：其一，中国在人造肉领域内尚无知名企业，要在政策上鼓励和扶植人造肉相关企业，引导企业正确的在中国的消费观饮食观下讲好人造肉的故事，依托新老两类企业打造国内人造肉品牌。其二，尽快完善、规范人造肉相关产业的行业标准，制定相关监管准则，并做好涉及微生物技术的产品的相关风险评估，在确保食品安全基础上促进人造肉产业健康发展

(3)从技术发展方向上看：植物蛋白肉在未来一段时间内仍将是人造肉产业发展的重点，但细胞培养肉极有可能在未来成为人造肉产业的主要技术。而细胞培养肉的技术难度使得其自身会携带一定的技术壁垒，忽视该领域的研发则有一定风险导致其成为威胁国家粮食安全的桎梏。因此在规划人造肉产业技术发展的方向时，应当以植物蛋白肉为过渡技术，兼顾细胞培养肉领域的技术发展，形成由企业主导植物蛋白肉、科研机构主导细胞培养肉的研发体系并逐步过渡到产学研联合研发，引领人造肉产业完成由植物蛋白肉向细胞培养肉的技术轨道二次跃迁。