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蘇大李剛教授、美國Tufts大學Ying Chen教授/David Kaplan院士合作 AFM:人工培養(yǎng)肉 - 食品行業(yè)的可持續(xù)解決方案
2024-11-12  來源:高分子科技

  隨著全球人口增長和生活水平的提高,對富含蛋白質的食品(特別是肉類)的需求逐年上升。然而,傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)面臨著動物福利、廢物管理和碳排放等諸多挑戰(zhàn),給環(huán)境帶來了嚴重影響。為此,肉類替代品的研究成為了一個備受關注的領域,細胞培養(yǎng)肉作為其中的重要方向,展現(xiàn)了成為傳統(tǒng)肉類替代品的巨大潛力。細胞培養(yǎng)肉通過先進的細胞培養(yǎng)技術生產,提供了一種安全可控和可持續(xù)的生產方式,為未來的食品供應帶來了新機遇。其制造過程涉及細胞培養(yǎng)、過程優(yōu)化、支架設計和先進制造技術等多個學科領域,同時還需關注營養(yǎng)成分、味道和食品安全等問題,以確保能夠獲得消費者的廣泛接受并滿足相關監(jiān)管要求。


  2024年11月7日,蘇州大學現(xiàn)代絲綢國家工程實驗室李剛教授美國塔夫茨大學Ying Chen教授、美國工程院院士David Kaplan教授合作發(fā)表了綜述文章:人工培養(yǎng)肉—食品行業(yè)可持續(xù)解決方案。人工培養(yǎng)肉的制造涉及多個學科,包括細胞培養(yǎng)、培養(yǎng)基優(yōu)化、支架設計和先進制造,以及營養(yǎng)、口感和安全等話題,以滿足消費者的接受度和監(jiān)管批準。論文介紹了細胞培養(yǎng)肉領域的前沿研究,重點討論了營養(yǎng)、細胞、材料與支架制造技術等關鍵環(huán)節(jié),并探討了細胞培養(yǎng)肉產業(yè)可能對社會、政治與經濟產生的影響,也為低成本和大規(guī)模生產提出了實用建議。最后,綜述還討論了現(xiàn)存的挑戰(zhàn)并概述了培養(yǎng)肉發(fā)展的未來方向。該項工作以“Emerging Materials in Cultivated Meat: Engineering Sustainable Food Solutions – A Review”為題發(fā)表在國際學術期刊Advanced Functional Materials上(DOI: 10.1002/adfm.202413316)。蘇州大學碩士生王凌霄為第一作者,蘇州大學李剛教授、美國塔夫茨大學Ying Chen助理教授為共同通訊作者,合作作者還包括David Kaplan院士,張瑩劉果以及李鑫鑫博士、謝茂彬教授、鄭兆柱副教授和王曉沁教授。該工作得到了國家自然科學基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃、科技部國際合作司、美國農業(yè)部、美國國家自然科學基金和江蘇省教育廳高校優(yōu)秀中青年教師赴境外研修等項目的支持。


  根據(jù)預測,全球肉類需求將在2050年前增長73%,這一增長主要源于人口增長和人均收入水平的提高。為滿足這一需求,預計需要70%的耕地用于飼料生產,這將加劇全球資源的緊張。傳統(tǒng)的肉類生產方式,比如牛肉生產,資源轉化率低,且大量消耗水、土地和能源,導致巨大的碳排放。此外,傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)還面臨諸多挑戰(zhàn),包括食品安全丑聞破壞了公眾對食品的信任,以及農業(yè)中過度使用抗生素導致人類病原體抗藥性增加等問題。為了應對這些挑戰(zhàn),細胞培養(yǎng)肉應運而生。細胞培養(yǎng)肉通過在體外進行細胞培養(yǎng),并結合先進的組織工程技術進行生產,為未來的肉類供應提供了可持續(xù)的解決方案。細胞培養(yǎng)肉的生產依賴于種子細胞、支架和關鍵工程化技術,主要通過體外細胞培養(yǎng)和先進的組織工程手段實現(xiàn)。種子細胞提供了肉類生產的細胞來源,支架則模擬自然肌肉結構,促進細胞生長和分化。先進工程化技術包括優(yōu)化培養(yǎng)基、控制生長環(huán)境和采用精密制造方法,確保高效生產。這些創(chuàng)新技術為細胞培養(yǎng)肉提供了可持續(xù)且環(huán)保的替代方案。


圖1 用于培養(yǎng)肉制造過程中的種子細胞、支架及先進制造技術


  骨骼肌肉是傳統(tǒng)肉類中最主要的成分,也是細胞培養(yǎng)肉技術中的關鍵參考。作為構成骨骼肌的核心結構,肌纖維不僅決定了肉類的質地和口感,還在提供蛋白質和營養(yǎng)物質方面發(fā)揮著重要作用。細胞培養(yǎng)肉的目標就是模擬傳統(tǒng)肉類的結構和成分,其中骨骼肌的組織結構和特性作為模型,為培養(yǎng)肉的研發(fā)提供了寶貴的借鑒。通過模仿骨骼肌的肌纖維排列、細胞分化以及組織間的血管網絡,細胞培養(yǎng)肉不僅能夠實現(xiàn)與傳統(tǒng)肉類相似的外觀和口感,還能為肉類生產提供更可持續(xù)、環(huán)保的替代方案。


圖2 動物骨骼肌肉的細胞、組織和結構示意圖


  規(guī)模化的培養(yǎng)肉制造,也稱為細胞農業(yè) (Cellular Agriculture),是指通過細胞培養(yǎng)技術制造農業(yè)產品,而不依賴于傳統(tǒng)的動物養(yǎng)殖。其生產流程從動物組織中分離所需的細胞開始,如:胚胎干細胞、誘導多功能干細胞和間充質干細胞等。這些細胞在特定的實驗條件下被培養(yǎng)并接種到支架上,經過適當?shù)恼T導和分化,最終在支架上形成成熟的肉類組織。這個過程的目標是打造出與傳統(tǒng)肉類相似的口感和質地。通過這種方式,細胞培養(yǎng)肉不僅能還原傳統(tǒng)肉類的味覺體驗,還為肉類生產提供了更加可持續(xù)和環(huán)保的解決方案。



圖3 人工培養(yǎng)肉的制造流程


  細胞培養(yǎng)肉技術蘊藏著巨大的潛力,能夠打造綠色、安全和可持續(xù)的食物來源,為綠色環(huán)境和社會健康提供保障。通過學科交叉合作,人們可以推動這一技術的快速發(fā)展,朝著落地轉化的方向邁進。細胞培養(yǎng)肉不僅有望解決全球食品安全問題,還能減少資源消耗,降低碳排放,最終實現(xiàn)可持續(xù)的肉類生產。與此同時,這一技術的發(fā)展需要全球科研人員、企業(yè)和政策制定者的共同努力,攜手推動食物生產和獲取方式的創(chuàng)新發(fā)展。


  論文鏈接: https://doi.org/10.1002/adfm.202413316


論文第一/通訊作者簡介:


王凌霄,蘇州大學碩士研究生,研究方向是絲蛋白生物材料和可持續(xù)培養(yǎng)肉材料的研究。


李剛,蘇州大學教授、博導,江蘇省第十五批“六大人才高峰”高層次人才、江蘇省僑聯(lián)青年委員會委員、香港理工大學江蘇校友會副會長。香港理工大學博士、美國塔夫茨大學訪問學者(導師:美國工程院David Kaplan院士)。長期在絲蛋白生物材料、醫(yī)用和智能紡織材料等交叉領域展開研究。在Advanced Functional Materials、Biomaterials等期刊發(fā)表學術論文150余篇,已授權國內外專利50余件。主持國家重點研發(fā)計劃課題、國家自然科學基金面上項目等項目30余項,曾獲香港首屆創(chuàng)新大賽冠軍、江蘇省十大行業(yè)優(yōu)秀成果獎等榮譽。主要學術兼職為中國生物材料學會智能仿生材料分會委員、中國科協(xié)培訓和人才服務中心、國家自然科學基金和“霍英東”科教獎涵評專家(https://web.suda.edu.cn/tcligang)。


Ying Chen,美國塔夫茨大學生物醫(yī)學工程系研究助理教授、博導,主要從事組織工程領域相關研究。研究重點涵蓋了使用生物材料和細胞等材料開發(fā)組織工程和細胞農業(yè)相關研究;采用創(chuàng)新技術為傳統(tǒng)肉類生產提供可持續(xù)的替代方案,為未來食品技術及其可持續(xù)發(fā)展做出重要貢獻。此外,還致力于開發(fā)生物工程化的人類胃腸道模型,可用于未來食品安全測試等領域。她在國際頂尖學術期刊上發(fā)表了60余篇論文,并獲得了多項授權專利。她承擔并主持了由美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)和美國國家科學基金會(NSF)資助的重要科研項目,同時也領導了許多得到工業(yè)界支持的研究計劃。此外,她還長期在NIH和NSF擔任基金評審專家。(https://facultyprofiles.tufts.edu/ying-chen)


David L. Kaplan,美國塔夫茨大學物醫(yī)學工程系終身教授、博導,美國工程院院士、美國醫(yī)學與生物工程院(IAMBE)Fellow、美國國立衛(wèi)生研究院(NIH)首席科學家、NIH組織工程與再生中心主任、美國塔夫茨大學細胞農業(yè)中心(TUCCA)主任和杰出教授。他致力于生物材料、組織工程、再生醫(yī)學和細胞農業(yè)領域,尤其是在絲蛋白生物材料的研究領域有很深的造詣和極高的學術地位。在Nature、Science及其子刊等國際高水平學術期刊上發(fā)表論文1000余篇,H-index高達198,引用次數(shù)超過180000次,同時擔任美國化學學會ACS Biomaterials Science and Engineering主編和 Biomacromolecules副主編,同時擔任美國醫(yī)學和生物工程學會常務理事。承擔多項美國國立衛(wèi)生研究院、美國自然科學基金委的重大科研課題。獲得美國及國際專利150余件,并成功孵化10余家高科技企業(yè),并因其在研究和教學方面的杰出貢獻獲得了眾多獎項。(https://facultyprofiles.tufts.edu/david-kaplan)

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(責任編輯:xu)
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