培育肉与传统肉类生产过程对环境的影响

李石磊， 李莹莹， 王守伟*， 李雨爽， 杨 峰

（1.中国肉类食品综合研究中心，北京 100068；2.北京食品科学研究院，北京 100068；3.肉类加工技术北京市重点实验室，北京 100068）

随着人口数量的持续增长和资源的不断消耗，健康、环保、可持续的生活方式成为当今社会的主流[1]。在肉品供应方面，人类通过不断对传统肉类的生产效率[2]、质量控制[3]、保鲜方式[4]、加工方式[5]等要素进行优化，极大提升了肉类食品供应能力。据联合国粮食及农业组织预测，2050年全球肉类年产量将达到4.55亿t，这几乎是2000年全球肉类产量（2.28亿t）的两倍[6]。2019年，我国肉类产量7649万t，其中猪肉产量4255万t，约占全球总产量的三分之一[7]。然而，全球的养殖业占用了地球30%可耕土地面积、消耗了全球8%的淡水资源、产生了全球18%的温室气体，给地球生态环境带来了严重的负担[8]。2016年4月，我国农业部发布《全国生猪生产发展规划（2016—2020年）》指导生猪产业转型升级和绿色发展[9]。另外，难以预测的瘟疫也严重影响了传统肉类的产能。2019年以来爆发的非洲猪瘟造成了全球近一半生猪的死亡，也导致我国的猪肉供应出现了短时供给短缺[10]。

在此背景下，发展高效、环保、可持续的替代动物蛋白生产方式被寄予了广泛期待[11]。培育肉也被称作生物培育肉、培养肉等[12-14]，是利用动物细胞体外培养的方式控制其快速增殖、定向分化，并收集加工而成的一种新型肉类食品[12，15]。相对于植物蛋白肉等其他肉类替代物，培育肉因可直接为人类提供真实的动物蛋白而被广泛看作最具商业价值潜力的人类肉品替代物[16-17]，在生产技术、发展理念和存在意义等方面具有较强的先进性[18]。目前，包括中国、美国、日本等在内的多国政府、研究机构和近百家初创企业等正积极开展培育肉工业化的相关研发工作[18]。在环境影响方面，尽管目前相关初创企业、研究机构或学者等对培育肉的潜在环境影响、动物福利和健康优势等提出了多种假设，但由于培育肉没有实现商业化生产，人们对于这些研究的精准性仍存在一定分歧。在完全建立培育肉商业化生产之前，对环境、动物福利和人类健康影响等方面的预测仍将缺乏准确的依据[19]。

作者通过对传统肉类生产过程中的资源消耗、引起的生态退化和安全风险3方面进行分析，从土地、淡水、能源的消耗，温室气体和富营养物质排放以及药物残留和可能产生的细菌耐药性安全风险等方面总结了传统肉类生产方式面临的现实挑战；然后通过对传统养殖业发展新方向的总结和培育肉发展历程及其先进性的分析阐明人类肉品供应方式面临的变革需求及采用培育肉替代传统肉类的解决方案；进而按照能量流动的方向对培育肉上市前的全生命周期（原材料生产、培养基生产、种子细胞库建立和维护、细胞增殖和分化、培育肉食品化加工）进行剖析。同时结合近年来国际上发表的5项培育肉生命周期评估（life cycle assessment，LCA）[20-24]对培育肉生产过程的关键控制点进行分析；最后通过对比培育肉与传统肉类的生产过程对环境的影响阐明培育肉在环境影响方面的优势，并提出培育肉工业化生产过程中亟需攻克的技术关键点（高效细胞培养技术、培养基高效利用技术、无血清培养基生产技术、集约化生物反应器制造技术、工业化生产工艺流程优化）。

1 传统肉类生产方式面临的挑战

1.1 资源消耗

传统肉类生产需要占用大量土地用于畜牧养殖和饲料种植，如表1所示。生产1 kg牛肉所需土地面积高达326.21 m2，是禽肉的26.7倍、鸡蛋的52.0倍。再加之近些年全球经济的高速增长和人口数量的持续激增，全球的养殖业规模持续扩大。据统计，全球每年用于养殖业的土地面积占全部可耕地面积的30%。同时，传统肉类生产对淡水资源需求也持续增长，水占动物体质量的60%到70%，是维持动物重要生理功能必需的物质；另外，大麦、玉米、小麦和大豆等饲料作物的种植需要大量淡水灌溉，畜牧养殖和加工过程中的清洁、降温、废物处理等均需要洁净淡水资源。因此，传统肉类生产过程需要消耗越来越多的淡水。从表1可见主要禽畜肉类生产所消耗的淡水资源巨大，生产1 kg羊肉所需淡水资源高达1803 L；另外，传统肉类的生产也消耗了大量的能源，主要用于饲料种植和运输加工环节，每生产1 kg牛肉消耗的能源高达78.6 MJ。上述分析表明传统肉类生产过程消耗大量非再生资源。

表1 传统模式下主要动物蛋白生产过程的资源消耗[21,25]Table 1 Resource consumption of major animal protein production processes in traditional models[21,25]

1.2 生态退化

目前，每年由于人类活动向大气排放的近370亿吨二氧化碳中包括畜牧业在内的农业领域贡献了大约18.4%[26]，其中大部分温室气体的排放源于饲料生产和养殖阶段（如牛的胃中产生甲烷）。据统计，饲料生产和养殖阶段的温室气体排放量占肉品生产碳排放量的80%以上[25]。如表2所示，生产1 kg牛肉将产生99.48 kg温室气体；另外，畜禽排泄物中的大量富营养物质（如氮、磷、钾）会导致水体富营养化，如生产1 kg牛肉将排放301.41 g富营养物质。目前，牲畜占全球哺乳动物（不包括人类）总量94%，养殖业占据的大量草场和耕地对原有自然生态系统造成了破坏，进而影响了全球生物多样性。在世界自然保护联盟的红色名单上有98512个物种面临灭绝的威胁，其中栖息地破坏是造成物种灭绝的主要因素[27]。上述分析表明传统肉类生产对地球的生态造成了多方面的负面影响。

1.3 安全风险

传统肉类中的兽药残留一直是全社会高度关注的敏感话题，近年来随着检测仪器的不断升级，人类对兽药残留的监控能力也越来越强，国际标准（CX/MRL2—2018）规定了动物源性食品中阿维菌素等66类兽药的最大残留限量，并提出卡巴氧等13种兽药残留风险管理建议[28]，这为保障肉品安全发挥了关键作用。然而，目前的检测方法基本都定有检出限，检出限以下仍然存在一定的兽药残留风险，同时不断出现的新型替代药物和违规用药现象也给消费者带来了潜在的健康威胁。另外，残留兽药还可以间接通过植物吸收进入人类食物链，研究表明，黄瓜、番茄和莴苣对磺胺等多类兽药有明显吸收[29]，鉴于人类食物的多元性，这也是人类健康的潜在威胁[30]。据统计，2010年全球在动物养殖中使用抗生素类药物最多的5个国家分别是中国、美国、巴西、印度和德国，其中我国的单位面积抗生素使用量最高，总用量占全球的23%[31]。英国奥尼尔委员会在2016年5月发布的一份报告指出目前全球每年死于耐药微生物感染的人数达到70万且预计2050年将激增至1000万，由于抗生素滥用引起的细菌耐药性正逐渐成为威胁人类健康的一大难题[32]。上述分析表明传统肉类生产过程中存在着多种持续威胁人类健康的安全风险。

2 培育肉发展的必然性分析

2.1 养殖业发展方向

相较19世纪时的食品供应系统，人类的食品供应体系已发生了革命性变化，食品生产已实现工业化，食品调配已实现全球化。再加之高效率的粮食种植、动物养殖、动物育种等新技术的不断涌现，全球养殖业生产效率有了明显提升。近年来出现的新型保鲜技术、电子商务技术等使人类的食品供应呈现出精准化和多样化发展趋势。另外，随着检测技术不断发展，人类对食品安全的关注和监控力度逐渐加强，兽药残留、农药残留、微生物、食品添加剂等的检测已成为确保人类食品安全的常态化监控手段。

近年来为了培育具有更高生产效率或抗病能力的动物新品种，提升传统肉类食品的生产效率或营养价值，包括动物转基因育种技术在内的生物技术已经被开发并取得了一定成果[33-34]。2019年3月8日美国食品药品监督管理局（Food and Drug Administration，FDA）宣布取消2016年关于禁止美国生物技术公司生产的转基因三文鱼及鱼卵进入美国市场的警示，许可其在美国养殖及销售[35]。该产品的上市虽经历了近20年的监管审查，但作为目前全球首例批准上市的转基因动物将极大激励该技术的快速发展。另外，通过特异性靶点改造提升猪抗病毒能力的尝试也在全球不同实验室中展开，隶属于英国动物基因公司Genus的Christianson研究团队已经尝试利用转基因育种技术培育蓝耳病免疫的猪种[10]。这些新技术的发展表明人类在解决传统肉类生产过程中存在的问题上持续努力并不断取得突破。

目前人类的肉品供应体系依然是脆弱的。2019年我国肉类产量7649万吨，其中猪肉4255万吨，约占世界总产量的三分之一[7]。然而，席卷全球的非洲猪瘟，使2020年我国的生猪产量较2019年同期下降21.3%，猪肉价格高涨[7]。2019年9月，国务院发布的《国务院办公厅关于稳定生猪生产促进转型升级的意见》中提出要加快发展禽肉、牛羊肉等替代肉品生产，更好地保障市场供应[36]。显然，随着我国人口的增长和居民消费水平的提高，单纯依靠传统养殖的肉类生产方式已经很难满足居民快速增长的肉品消费需求，发展培育肉等新型替代肉品既是解决当下我国养殖业面临的突出矛盾的有效手段，也是在未来全球高科技食品领域发展的战略要求。据新加坡食品局（Singapore Food Agency，SFA）统计，2018年新加坡的食物自给率不足10%，目前新加坡制定了2030年营养自给率达到30%的战略目标[37]。另外，在当今追求碳中和的背景下发展传统肉类的替代物也是食品工业顺应人类文明发展趋势的必然举措。

2.2 培育肉的出现

2.2.1 发展历程早在1997年，Van等提交了人造肉的国际专利申请并获得了美国专利及商标局的授权，这是目前可查最早关于培育肉制备的报道[38]；2002年，美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的研究人员在体外成功培育了火鸡源肌肉，另外，由NASA资助培育出第一块可食用的培育鱼片[39]；2013年，荷兰科学家Mark Post研制出世界上第一个牛源培育肉汉堡[40]。此后，培育肉的工业化发展进程明显加快。2020年以色列培育肉初创企业Future Meat宣布已将鸡源培育肉价格降至每100 g 6.64美元；2020年12月，新加坡成为全球第一个批准出售培育肉产品的国家[41]。目前，全球众多致力于开发培育肉产品的初创公司纷纷成立并获得大量融资，如美国的Upside Meat公司、荷兰的Mosa Meat公司等。

2019年北京首农食品集团有限公司通过设立科研专项资助中国肉类食品综合研究中心开展培育肉的工业化研究并于2020年进行成果鉴定，展示了利用3D打印技术制备的猪源培育肉排产品和鸽源培育肉汤；2019年南京农业大学宣布制备出培育肉实验样品，并在2020年进行了展示；2020年由北京工商大学牵头的中国工程院战略咨询研究项目“生物培育肉的发展战略研究”获得立项并于2021年顺利结题；2021年由江南大学牵头的“十四五”国家重点研发计划项目“人造肉高效生物制造技术”获得立项并实施；另外，国内也出现了多家致力于培育肉开发的初创企业。这些多方位、多层次资源的投入为我国培育肉的工业化发展奠定了良好基础。

2.2.2 发展优势

1）技术先进 培育肉制备技术是多学科交叉融合的产物，涉及食品科学、材料学、化学、物理学等领域，是在原有基础上的创新性开发和大规模应用，例如支架材料必须可食用并能够通过规模化生产降低成本。另外，通过工业化的方式培养肉品有助于实现肉类的标准化高效生产。培育肉研发需调动多方力量对其所需生产技术进行科研攻关，因此，有助于带动一批相关生化技术快速突破和产业化应用。

2）理念先进 近年来极端天气事件频发，应对气候变化已成为国际社会的共识，世界各国纷纷采取减排行动倡导绿色发展理念。2020年9月22日，习近平总书记在第75届联合国大会一般性辩论上表示：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，争取在2060年前实现碳中和”。这说明环保将是未来人类文明的必然发展趋势。相较于传统肉类生产方式，培育肉可实现工业化生产，将有助于人类实现碳中和的发展理念。

3）意义重大 长期以来，传统的肉类生产方式在一次次技术升级中不断增加产能，并满足人类越来越高的需求，然而传统肉类生产中存在的环境污染、资源消耗等问题严重制约了肉类行业的持续健康发展，培育肉的出现颠覆了长久以来的肉类生产模式。另外，采用工业化的生产方式将有助于快速适应和满足未来的肉类食品供应需求。

3 培育肉的环境影响

3.1 培育肉的LCA

按照ISO 14040的定义，LCA是用于评估与某一产品（或服务）相关的环境因素及潜在影响的方法，通过编制生产系统内相关投入与产出的存量记录，评估与这些投入、产出有关的潜在环境影响。虽然目前没有工业化培育肉生产线出现，但培育肉的基本生产过程是确定的，主要阶段包括种子细胞获取、细胞增殖、细胞分化、食品化加工[19]。相较于生产流程，分析培育肉的生命周期将更加有利于分析其对环境的影响，依据ISO 14040对产品生命周期的定义，培育肉在上市前的生命周期按照能量流动的方向主要包括5部分（见图1）：原材料生产、培养基生产、种子细胞库建立和维护、细胞增殖和分化、培育肉食品化加工。

图1 培育肉生产过程的全生命周期Fig.1 Whole life cycle of cultivated meat production process

按照土地资源占用、温室气体排放、淡水资源利用和能源消耗4项环境影响参数对培育肉生命周期进行评估。具体内容如下：1）原材料生产阶段主要是培养基制备所需小麦、玉米或藻类等初级原料的种植，消耗的主要是土地和淡水资源，同时消耗部分化石能源或电力能源用于机械化种植、收割和运输等；2）培养基生产阶段主要包括初级原材料的灭菌和发酵过程，消耗的主要是用于维持发酵罐和高压灭菌装置运行及发酵车间温控的电力能源，同时还要占用少许土地用于建设厂房、消耗少许淡水资源用于发酵和高压灭菌（产生少量废水），另外发酵过程还将排放少量温室气体；3）种子细胞库建立和维护阶段主要包括供体动物饲养、器材及试剂消耗、设备高压灭菌及液氮存储等；4）细胞增殖和分化阶段主要是指细胞在培养箱、生物反应器等培养装置中的大规模增殖和分化培养过程，消耗的主要是用于维持培养温度、搅拌速度、加液流量、消毒用高压灭菌锅运行、生产车间的温控和洁净空气循环系统运行的电力能源，同时还消耗一定量的气体、培养皿和支架材料等耗材，以及一定量的水资源用于清洗、降温和灭菌等；5）培育肉食品化加工阶段主要包括培育肉的调色、赋味、塑形等工艺，主要消耗用于维持机械化加工设备运行、生产车间的温湿度及洁净度的电力能源，同时需要消耗少量的水资源用于清洁，以及一定量的辅料和添加剂等。

3.2 LCA关键控制点分析

目前全球已有多个研究团队或机构对培育肉的LCA进行了模拟分析，结果见表3。LCA1是以蓝藻作为原料，研究结果表明细胞增殖和分化过程对环境影响最大，该过程占用了培育肉生命周期所消耗的82%淡水资源、72%能源和71%温室气体排放量。LCA2与LCA1相比，由于不再将土壤存储的“绿水”计算在内，使LCA2的淡水资源消耗明显降低。同时，由于将小麦和玉米作为原料，使LCA2的土地占用面积明显增加。另外，计算过程中增加了生物反应器的加热耗能，使LCA2的最终能源消耗也有少许增加[20，22]。LCA3是以蓝藻作为原料，研究结果表明培养基生产、细胞增殖和分化阶段共占用了75%的能源消耗，另外由于该项研究计算了食品加工完成后到餐桌之间的环境影响因素，同时对物料运输和冷藏等因素进行了更加精确地计算，使LCA3在温室气体排放量和能源消耗方面相较于LCA1或LCA2有明显升高[24]。LCA4是以大豆为原料，结果表明由于大豆比蓝藻、小麦或玉米等具有更低的单位面积产量使LCA4相较于LCA1、LCA2或LCA3的土地占用面积大幅增加[21]。

表3 不同计算模式下培育肉的环境影响参数[16，20-22，24]Fig.3 Environmental impact parameters of cultivated meat under different calculation modes[16，20-22，24]

上述研究表明影响培育肉LCA的因素较多，其中包括：1）影响土地占用的关键因素。从能量转化角度分析，采用蓝藻、玉米、小麦或大豆作为原料均有一定可行性和合理性，然而由于不同作物的单位面积产量不同导致以不同原料来源计算的LCA中土地占用面积出现较大差异。如图2（a）所示，LCA1、LCA3采用蓝藻作为原料占用的土地面积最小，LCA4采用大豆作为原料则需占用更多的土地面积。上述分析表明培育肉工业化生产所需的原料种类是影响最终土地占用面积的关键因素。2）影响淡水资源消耗的关键因素。影响培育肉LCA淡水资源消耗的因素多且复杂，目前无法实现对其全部影响因素的准确评估，因此未对LCA3和LCA4进行独立计算。如图2（b）所示，由于LCA2不再将土壤存储的“绿水”计算在内，导致LCA2的水资源消耗量几乎是LCA1的一半，由于LCA5将细胞培养过程中的降温和设备清洗所需淡水资源都计算在内，使LCA5的水资源消耗量出现了大幅度增加。3）影响能源消耗的关键因素。现阶段由于培育肉的工业化生产工艺尚未形成，因此对于细胞的培养参数和品控参数都是无法确定的，这就导致不同LCA中关于能源消耗的计算由于侧重点不同出现较大的差异。如图2（c）所示，由于LCA1、LCA2和LCA4中对生物反应器中细胞最高生长密度的预测不同（分别是1×1010、1×108、4×106个/mL），因此最终的能源消耗量出现明显差异，细胞生长密度越高则能源消耗越低，说明细胞的生长密度是影响培育肉LCA中能源消耗的关键因素。4）影响温室气体排放量的关键因素。能源消耗过程是培育肉工业化生产过程产生温室气体的主要阶段。从图2（d）可以看出，LCA1、LCA3和LCA4中温室气体排放量与能源消耗量（见图2（c））呈现出一致性。上述LCA都是在数据计算基础上得出的理论分析结果，但是现阶段对于工业化生产工艺的模拟仍不充分，影响培育肉LCA的关键点是多方面的（见图3）。由于无血清培养基的制备技术尚未获得实质性突破，因此在培养基的生产环节仅仅模拟计算了糖类和氨基酸两类基础营养物质的生产，而对于细胞生长所必需的多种生长因子、无机盐和维生素等要素尚未计算在内，近年来随着技术的不断发展，已经有团队陆续宣称开发出了可用于培育肉生产的无血清生产技术，这将为更加精准化的培育肉LCA提供技术支撑。另外，随着培育肉工业化生产工艺的加快完善和具体工艺参数的确定，培育肉生产过程所需的装备、耗材、辅料等因素对环境影响的计算也将进一步精准化，LCA结果也将更接近于实际生产值。

图2 不同计算模式下培育肉生产过程中不同环境影响因素间的差异分析Fig.2 Variance analysis of environmental factors in the process of cultivated meat production under different calculation modes

图3 影响培育肉LCA的关键控制点Fig.3 Key control points affecting the LCA of cultivated meat

3.3 培育肉与传统肉类的对比

培育肉与3种代表性传统肉类牛肉、猪肉和禽肉的LCA对比结果见图4。培育肉生产过程中占用的土地面积明显少于传统肉类，这是由于培育肉是依靠生物反应器这一集约化生产形式实现蛋白质高效转化，具有更高的空间利用率。另外，利用节约的土地进行绿化会进一步降低温室气体排放、保护淡水资源和物种多样性。由图4（b）可知，生产培育肉消耗的淡水资源几乎可以忽略不计，节约的淡水资源可以补充地下水，并有助于形成更多的湿地面积等。而传统肉类的生产过程中不仅需要淡水资源生产饲料作物，更需要大量淡水资源维持动物的代谢等重要生理功能。另外，传统肉类生产过程中动物可以利用环境温度和自身的产热、降温系统实现体温恒定，而培育肉的生产过程中要维持动物细胞生长所需的恒定温度，则只能完全依靠主动加热或降温的方式，同时培育肉生产车间严格的环境控制也需要消耗能源，因此培育肉在依靠技术创新降低单位能耗方面有较大提升空间。由图4（c）可知，将L1生产工艺中的细胞培养密度提升至1×1010个/mL，可实现单位能耗优于牛肉并接近猪肉和禽肉。另外，随着风能、太阳能、潮汐能等可再生能源在电力生产中的广泛应用，培育肉生产过程的单位能耗将会进一步下降。由图4（d）可知，在温室气体排放方面L1、L2、L4和L5都优于传统肉类，由于培育肉生产中温室气体排放主要与能源消耗有关，因此若使用清洁电力能源必将进一步降低其温室气体排放量。

图4 不同肉类生产过程中的环境影响Fig.4 Environmental impacts of different meat production processes

上述分析说明培育肉工业化生产过程在土地资源占用、淡水资源利用和温室气体排放方面比传统肉类生产体现出明显的优势，而在能源消耗方面需要通过技术突破进一步降低单位能耗，从而体现培育肉的环保优势，降低生产成本。

4 展望

培育肉的出现既是人类科技和文明发展的必然，也是解决当下资源困境的重要举措。长期以来，传统肉类生产方式给人类带来了越来越丰富的肉类蛋白质供应，有效解决了食物短缺和营养缺乏问题。近年来，随着科技发展，传统肉类依靠集约化、规模化等生产方式大幅提升了生产效率，并开始尝试利用基因改造等手段排除影响动物生长的不利因素，进一步提升传统肉类的生产效率和营养价值。但与生物反应器中规模化扩增的细胞相比较，传统肉类生产是依靠动物个体生产蛋白质，生产效率仍然较低。

上述分析结果表明在土地占用、淡水资源消耗和温室气体排放3个方面，培育肉均体现出比传统肉类更加明显的环保优势，同时在能量消耗方面需通过科研攻关和生产工艺优化使其进一步降低，为培育肉工业化发展奠定基础。具体技术开发建议包括：1）高效细胞培养技术，通过培养基、生物反应器和培养工艺参数等的优化提升细胞的生长速率和生长密度；2）培养基高效利用技术，通过培养基再生、生物反应器创新、培养基热量回收等技术提升培养基利用效率；3）无血清培养基生产技术，通过开发具有确定配方的高效培养基摆脱细胞培养过程对动物源性成分的依赖，仅利用生长因子和基础培养基实现发酵生产；4）集约化生物反应器制造技术，开发低成本的超大体积高效生物反应器制造技术；5）工业化生产工艺流程优化，利用节约的土地进行可再生能源生产，摆脱对化石能源的依赖，开发适于工业化生产和符合食品工业标准的装备、生产线和生产车间。

目前，对于培育肉LCA的研究结果是基于现有科技水平和合理推断基础上的测算，对于具体参数设置和细节量化仍然存在一定倾向性和随意性，一个或几个控制点参数设置差异或计算方式改变都可能导致统计结果出现明显变化，因此，为促进培育肉产业化发展需尽快确定培育肉的工业化生产工艺，按照目前我国的装备试剂工业基础水平明确符合我国技术发展现状的培育肉LCA，为我国制定相关培育肉产业化发展政策提供理论依据。