李石磊， 李瑩瑩， 王守偉*， 李雨爽， 楊 峰

（1.中國(guó)肉類食品綜合研究中心，北京 100068；2.北京食品科學(xué)研究院，北京 100068；3.肉類加工技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100068）

隨著人口數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)和資源的不斷消耗，健康、環(huán)保、可持續(xù)的生活方式成為當(dāng)今社會(huì)的主流[1]。在肉品供應(yīng)方面，人類通過(guò)不斷對(duì)傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)效率[2]、質(zhì)量控制[3]、保鮮方式[4]、加工方式[5]等要素進(jìn)行優(yōu)化，極大提升了肉類食品供應(yīng)能力。據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織預(yù)測(cè)，2050年全球肉類年產(chǎn)量將達(dá)到4.55億t，這幾乎是2000年全球肉類產(chǎn)量（2.28億t）的兩倍[6]。2019年，我國(guó)肉類產(chǎn)量7649萬(wàn)t，其中豬肉產(chǎn)量4255萬(wàn)t，約占全球總產(chǎn)量的三分之一[7]。然而，全球的養(yǎng)殖業(yè)占用了地球30%可耕土地面積、消耗了全球8%的淡水資源、產(chǎn)生了全球18%的溫室氣體，給地球生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的負(fù)擔(dān)[8]。2016年4月，我國(guó)農(nóng)業(yè)部發(fā)布《全國(guó)生豬生產(chǎn)發(fā)展規(guī)劃（2016—2020年）》指導(dǎo)生豬產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和綠色發(fā)展[9]。另外，難以預(yù)測(cè)的瘟疫也嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)肉類的產(chǎn)能。2019年以來(lái)爆發(fā)的非洲豬瘟造成了全球近一半生豬的死亡，也導(dǎo)致我國(guó)的豬肉供應(yīng)出現(xiàn)了短時(shí)供給短缺[10]。

在此背景下，發(fā)展高效、環(huán)保、可持續(xù)的替代動(dòng)物蛋白生產(chǎn)方式被寄予了廣泛期待[11]。培育肉也被稱作生物培育肉、培養(yǎng)肉等[12-14]，是利用動(dòng)物細(xì)胞體外培養(yǎng)的方式控制其快速增殖、定向分化，并收集加工而成的一種新型肉類食品[12，15]。相對(duì)于植物蛋白肉等其他肉類替代物，培育肉因可直接為人類提供真實(shí)的動(dòng)物蛋白而被廣泛看作最具商業(yè)價(jià)值潛力的人類肉品替代物[16-17]，在生產(chǎn)技術(shù)、發(fā)展理念和存在意義等方面具有較強(qiáng)的先進(jìn)性[18]。目前，包括中國(guó)、美國(guó)、日本等在內(nèi)的多國(guó)政府、研究機(jī)構(gòu)和近百家初創(chuàng)企業(yè)等正積極開展培育肉工業(yè)化的相關(guān)研發(fā)工作[18]。在環(huán)境影響方面，盡管目前相關(guān)初創(chuàng)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)或?qū)W者等對(duì)培育肉的潛在環(huán)境影響、動(dòng)物福利和健康優(yōu)勢(shì)等提出了多種假設(shè)，但由于培育肉沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，人們對(duì)于這些研究的精準(zhǔn)性仍存在一定分歧。在完全建立培育肉商業(yè)化生產(chǎn)之前，對(duì)環(huán)境、動(dòng)物福利和人類健康影響等方面的預(yù)測(cè)仍將缺乏準(zhǔn)確的依據(jù)[19]。

作者通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程中的資源消耗、引起的生態(tài)退化和安全風(fēng)險(xiǎn)3方面進(jìn)行分析，從土地、淡水、能源的消耗，溫室氣體和富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排放以及藥物殘留和可能產(chǎn)生的細(xì)菌耐藥性安全風(fēng)險(xiǎn)等方面總結(jié)了傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)方式面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)；然后通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展新方向的總結(jié)和培育肉發(fā)展歷程及其先進(jìn)性的分析闡明人類肉品供應(yīng)方式面臨的變革需求及采用培育肉替代傳統(tǒng)肉類的解決方案；進(jìn)而按照能量流動(dòng)的方向?qū)ε嘤馍鲜星暗娜芷冢ㄔ牧仙a(chǎn)、培養(yǎng)基生產(chǎn)、種子細(xì)胞庫(kù)建立和維護(hù)、細(xì)胞增殖和分化、培育肉食品化加工）進(jìn)行剖析。同時(shí)結(jié)合近年來(lái)國(guó)際上發(fā)表的5項(xiàng)培育肉生命周期評(píng)估（life cycle assessment，LCA）[20-24]對(duì)培育肉生產(chǎn)過(guò)程的關(guān)鍵控制點(diǎn)進(jìn)行分析；最后通過(guò)對(duì)比培育肉與傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響闡明培育肉在環(huán)境影響方面的優(yōu)勢(shì)，并提出培育肉工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中亟需攻克的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)（高效細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)、培養(yǎng)基高效利用技術(shù)、無(wú)血清培養(yǎng)基生產(chǎn)技術(shù)、集約化生物反應(yīng)器制造技術(shù)、工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化）。

1 傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)方式面臨的挑戰(zhàn)

1.1 資源消耗

傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)需要占用大量土地用于畜牧養(yǎng)殖和飼料種植，如表1所示。生產(chǎn)1 kg牛肉所需土地面積高達(dá)326.21 m2，是禽肉的26.7倍、雞蛋的52.0倍。再加之近些年全球經(jīng)濟(jì)的高速增長(zhǎng)和人口數(shù)量的持續(xù)激增，全球的養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年用于養(yǎng)殖業(yè)的土地面積占全部可耕地面積的30%。同時(shí)，傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)對(duì)淡水資源需求也持續(xù)增長(zhǎng)，水占動(dòng)物體質(zhì)量的60%到70%，是維持動(dòng)物重要生理功能必需的物質(zhì)；另外，大麥、玉米、小麥和大豆等飼料作物的種植需要大量淡水灌溉，畜牧養(yǎng)殖和加工過(guò)程中的清潔、降溫、廢物處理等均需要潔凈淡水資源。因此，傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程需要消耗越來(lái)越多的淡水。從表1可見主要禽畜肉類生產(chǎn)所消耗的淡水資源巨大，生產(chǎn)1 kg羊肉所需淡水資源高達(dá)1803 L；另外，傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)也消耗了大量的能源，主要用于飼料種植和運(yùn)輸加工環(huán)節(jié)，每生產(chǎn)1 kg牛肉消耗的能源高達(dá)78.6 MJ。上述分析表明傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程消耗大量非再生資源。

表1 傳統(tǒng)模式下主要?jiǎng)游锏鞍咨a(chǎn)過(guò)程的資源消耗[21,25]Table 1 Resource consumption of major animal protein production processes in traditional models[21,25]

1.2 生態(tài)退化

目前，每年由于人類活動(dòng)向大氣排放的近370億噸二氧化碳中包括畜牧業(yè)在內(nèi)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域貢獻(xiàn)了大約18.4%[26]，其中大部分溫室氣體的排放源于飼料生產(chǎn)和養(yǎng)殖階段（如牛的胃中產(chǎn)生甲烷）。據(jù)統(tǒng)計(jì)，飼料生產(chǎn)和養(yǎng)殖階段的溫室氣體排放量占肉品生產(chǎn)碳排放量的80%以上[25]。如表2所示，生產(chǎn)1 kg牛肉將產(chǎn)生99.48 kg溫室氣體；另外，畜禽排泄物中的大量富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（如氮、磷、鉀）會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，如生產(chǎn)1 kg牛肉將排放301.41 g富營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。目前，牲畜占全球哺乳動(dòng)物（不包括人類）總量94%，養(yǎng)殖業(yè)占據(jù)的大量草場(chǎng)和耕地對(duì)原有自然生態(tài)系統(tǒng)造成了破壞，進(jìn)而影響了全球生物多樣性。在世界自然保護(hù)聯(lián)盟的紅色名單上有98512個(gè)物種面臨滅絕的威脅，其中棲息地破壞是造成物種滅絕的主要因素[27]。上述分析表明傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)對(duì)地球的生態(tài)造成了多方面的負(fù)面影響。

1.3 安全風(fēng)險(xiǎn)

傳統(tǒng)肉類中的獸藥殘留一直是全社會(huì)高度關(guān)注的敏感話題，近年來(lái)隨著檢測(cè)儀器的不斷升級(jí)，人類對(duì)獸藥殘留的監(jiān)控能力也越來(lái)越強(qiáng)，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（CX/MRL2—2018）規(guī)定了動(dòng)物源性食品中阿維菌素等66類獸藥的最大殘留限量，并提出卡巴氧等13種獸藥殘留風(fēng)險(xiǎn)管理建議[28]，這為保障肉品安全發(fā)揮了關(guān)鍵作用。然而，目前的檢測(cè)方法基本都定有檢出限，檢出限以下仍然存在一定的獸藥殘留風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)不斷出現(xiàn)的新型替代藥物和違規(guī)用藥現(xiàn)象也給消費(fèi)者帶來(lái)了潛在的健康威脅。另外，殘留獸藥還可以間接通過(guò)植物吸收進(jìn)入人類食物鏈，研究表明，黃瓜、番茄和萵苣對(duì)磺胺等多類獸藥有明顯吸收[29]，鑒于人類食物的多元性，這也是人類健康的潛在威脅[30]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2010年全球在動(dòng)物養(yǎng)殖中使用抗生素類藥物最多的5個(gè)國(guó)家分別是中國(guó)、美國(guó)、巴西、印度和德國(guó)，其中我國(guó)的單位面積抗生素使用量最高，總用量占全球的23%[31]。英國(guó)奧尼爾委員會(huì)在2016年5月發(fā)布的一份報(bào)告指出目前全球每年死于耐藥微生物感染的人數(shù)達(dá)到70萬(wàn)且預(yù)計(jì)2050年將激增至1000萬(wàn)，由于抗生素濫用引起的細(xì)菌耐藥性正逐漸成為威脅人類健康的一大難題[32]。上述分析表明傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程中存在著多種持續(xù)威脅人類健康的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 培育肉發(fā)展的必然性分析

2.1 養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展方向

相較19世紀(jì)時(shí)的食品供應(yīng)系統(tǒng)，人類的食品供應(yīng)體系已發(fā)生了革命性變化，食品生產(chǎn)已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，食品調(diào)配已實(shí)現(xiàn)全球化。再加之高效率的糧食種植、動(dòng)物養(yǎng)殖、動(dòng)物育種等新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，全球養(yǎng)殖業(yè)生產(chǎn)效率有了明顯提升。近年來(lái)出現(xiàn)的新型保鮮技術(shù)、電子商務(wù)技術(shù)等使人類的食品供應(yīng)呈現(xiàn)出精準(zhǔn)化和多樣化發(fā)展趨勢(shì)。另外，隨著檢測(cè)技術(shù)不斷發(fā)展，人類對(duì)食品安全的關(guān)注和監(jiān)控力度逐漸加強(qiáng)，獸藥殘留、農(nóng)藥殘留、微生物、食品添加劑等的檢測(cè)已成為確保人類食品安全的常態(tài)化監(jiān)控手段。

近年來(lái)為了培育具有更高生產(chǎn)效率或抗病能力的動(dòng)物新品種，提升傳統(tǒng)肉類食品的生產(chǎn)效率或營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，包括動(dòng)物轉(zhuǎn)基因育種技術(shù)在內(nèi)的生物技術(shù)已經(jīng)被開發(fā)并取得了一定成果[33-34]。2019年3月8日美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）宣布取消2016年關(guān)于禁止美國(guó)生物技術(shù)公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)基因三文魚及魚卵進(jìn)入美國(guó)市場(chǎng)的警示，許可其在美國(guó)養(yǎng)殖及銷售[35]。該產(chǎn)品的上市雖經(jīng)歷了近20年的監(jiān)管審查，但作為目前全球首例批準(zhǔn)上市的轉(zhuǎn)基因動(dòng)物將極大激勵(lì)該技術(shù)的快速發(fā)展。另外，通過(guò)特異性靶點(diǎn)改造提升豬抗病毒能力的嘗試也在全球不同實(shí)驗(yàn)室中展開，隸屬于英國(guó)動(dòng)物基因公司Genus的Christianson研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)嘗試?yán)棉D(zhuǎn)基因育種技術(shù)培育藍(lán)耳病免疫的豬種[10]。這些新技術(shù)的發(fā)展表明人類在解決傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題上持續(xù)努力并不斷取得突破。

目前人類的肉品供應(yīng)體系依然是脆弱的。2019年我國(guó)肉類產(chǎn)量7649萬(wàn)噸，其中豬肉4255萬(wàn)噸，約占世界總產(chǎn)量的三分之一[7]。然而，席卷全球的非洲豬瘟，使2020年我國(guó)的生豬產(chǎn)量較2019年同期下降21.3%，豬肉價(jià)格高漲[7]。2019年9月，國(guó)務(wù)院發(fā)布的《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于穩(wěn)定生豬生產(chǎn)促進(jìn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的意見》中提出要加快發(fā)展禽肉、牛羊肉等替代肉品生產(chǎn)，更好地保障市場(chǎng)供應(yīng)[36]。顯然，隨著我國(guó)人口的增長(zhǎng)和居民消費(fèi)水平的提高，單純依靠傳統(tǒng)養(yǎng)殖的肉類生產(chǎn)方式已經(jīng)很難滿足居民快速增長(zhǎng)的肉品消費(fèi)需求，發(fā)展培育肉等新型替代肉品既是解決當(dāng)下我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)面臨的突出矛盾的有效手段，也是在未來(lái)全球高科技食品領(lǐng)域發(fā)展的戰(zhàn)略要求。據(jù)新加坡食品局（Singapore Food Agency，SFA）統(tǒng)計(jì)，2018年新加坡的食物自給率不足10%，目前新加坡制定了2030年?duì)I養(yǎng)自給率達(dá)到30%的戰(zhàn)略目標(biāo)[37]。另外，在當(dāng)今追求碳中和的背景下發(fā)展傳統(tǒng)肉類的替代物也是食品工業(yè)順應(yīng)人類文明發(fā)展趨勢(shì)的必然舉措。

2.2 培育肉的出現(xiàn)

2.2.1 發(fā)展歷程早在1997年，Van等提交了人造肉的國(guó)際專利申請(qǐng)并獲得了美國(guó)專利及商標(biāo)局的授權(quán)，這是目前可查最早關(guān)于培育肉制備的報(bào)道[38]；2002年，美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）的研究人員在體外成功培育了火雞源肌肉，另外，由NASA資助培育出第一塊可食用的培育魚片[39]；2013年，荷蘭科學(xué)家Mark Post研制出世界上第一個(gè)牛源培育肉漢堡[40]。此后，培育肉的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程明顯加快。2020年以色列培育肉初創(chuàng)企業(yè)Future Meat宣布已將雞源培育肉價(jià)格降至每100 g 6.64美元；2020年12月，新加坡成為全球第一個(gè)批準(zhǔn)出售培育肉產(chǎn)品的國(guó)家[41]。目前，全球眾多致力于開發(fā)培育肉產(chǎn)品的初創(chuàng)公司紛紛成立并獲得大量融資，如美國(guó)的Upside Meat公司、荷蘭的Mosa Meat公司等。

2019年北京首農(nóng)食品集團(tuán)有限公司通過(guò)設(shè)立科研專項(xiàng)資助中國(guó)肉類食品綜合研究中心開展培育肉的工業(yè)化研究并于2020年進(jìn)行成果鑒定，展示了利用3D打印技術(shù)制備的豬源培育肉排產(chǎn)品和鴿源培育肉湯；2019年南京農(nóng)業(yè)大學(xué)宣布制備出培育肉實(shí)驗(yàn)樣品，并在2020年進(jìn)行了展示；2020年由北京工商大學(xué)牽頭的中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢研究項(xiàng)目“生物培育肉的發(fā)展戰(zhàn)略研究”獲得立項(xiàng)并于2021年順利結(jié)題；2021年由江南大學(xué)牽頭的“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“人造肉高效生物制造技術(shù)”獲得立項(xiàng)并實(shí)施；另外，國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了多家致力于培育肉開發(fā)的初創(chuàng)企業(yè)。這些多方位、多層次資源的投入為我國(guó)培育肉的工業(yè)化發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。

2.2.2 發(fā)展優(yōu)勢(shì)

1）技術(shù)先進(jìn) 培育肉制備技術(shù)是多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，涉及食品科學(xué)、材料學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等領(lǐng)域，是在原有基礎(chǔ)上的創(chuàng)新性開發(fā)和大規(guī)模應(yīng)用，例如支架材料必須可食用并能夠通過(guò)規(guī)?；a(chǎn)降低成本。另外，通過(guò)工業(yè)化的方式培養(yǎng)肉品有助于實(shí)現(xiàn)肉類的標(biāo)準(zhǔn)化高效生產(chǎn)。培育肉研發(fā)需調(diào)動(dòng)多方力量對(duì)其所需生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行科研攻關(guān)，因此，有助于帶動(dòng)一批相關(guān)生化技術(shù)快速突破和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

2）理念先進(jìn) 近年來(lái)極端天氣事件頻發(fā)，應(yīng)對(duì)氣候變化已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)，世界各國(guó)紛紛采取減排行動(dòng)倡導(dǎo)綠色發(fā)展理念。2020年9月22日，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上表示：“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。這說(shuō)明環(huán)保將是未來(lái)人類文明的必然發(fā)展趨勢(shì)。相較于傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)方式，培育肉可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，將有助于人類實(shí)現(xiàn)碳中和的發(fā)展理念。

3）意義重大 長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的肉類生產(chǎn)方式在一次次技術(shù)升級(jí)中不斷增加產(chǎn)能，并滿足人類越來(lái)越高的需求，然而傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)中存在的環(huán)境污染、資源消耗等問(wèn)題嚴(yán)重制約了肉類行業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展，培育肉的出現(xiàn)顛覆了長(zhǎng)久以來(lái)的肉類生產(chǎn)模式。另外，采用工業(yè)化的生產(chǎn)方式將有助于快速適應(yīng)和滿足未來(lái)的肉類食品供應(yīng)需求。

3 培育肉的環(huán)境影響

3.1 培育肉的LCA

按照ISO 14040的定義，LCA是用于評(píng)估與某一產(chǎn)品（或服務(wù)）相關(guān)的環(huán)境因素及潛在影響的方法，通過(guò)編制生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)投入與產(chǎn)出的存量記錄，評(píng)估與這些投入、產(chǎn)出有關(guān)的潛在環(huán)境影響。雖然目前沒(méi)有工業(yè)化培育肉生產(chǎn)線出現(xiàn)，但培育肉的基本生產(chǎn)過(guò)程是確定的，主要階段包括種子細(xì)胞獲取、細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、食品化加工[19]。相較于生產(chǎn)流程，分析培育肉的生命周期將更加有利于分析其對(duì)環(huán)境的影響，依據(jù)ISO 14040對(duì)產(chǎn)品生命周期的定義，培育肉在上市前的生命周期按照能量流動(dòng)的方向主要包括5部分（見圖1）：原材料生產(chǎn)、培養(yǎng)基生產(chǎn)、種子細(xì)胞庫(kù)建立和維護(hù)、細(xì)胞增殖和分化、培育肉食品化加工。

圖1 培育肉生產(chǎn)過(guò)程的全生命周期Fig.1 Whole life cycle of cultivated meat production process

按照土地資源占用、溫室氣體排放、淡水資源利用和能源消耗4項(xiàng)環(huán)境影響參數(shù)對(duì)培育肉生命周期進(jìn)行評(píng)估。具體內(nèi)容如下：1）原材料生產(chǎn)階段主要是培養(yǎng)基制備所需小麥、玉米或藻類等初級(jí)原料的種植，消耗的主要是土地和淡水資源，同時(shí)消耗部分化石能源或電力能源用于機(jī)械化種植、收割和運(yùn)輸?shù)龋?）培養(yǎng)基生產(chǎn)階段主要包括初級(jí)原材料的滅菌和發(fā)酵過(guò)程，消耗的主要是用于維持發(fā)酵罐和高壓滅菌裝置運(yùn)行及發(fā)酵車間溫控的電力能源，同時(shí)還要占用少許土地用于建設(shè)廠房、消耗少許淡水資源用于發(fā)酵和高壓滅菌（產(chǎn)生少量廢水），另外發(fā)酵過(guò)程還將排放少量溫室氣體；3）種子細(xì)胞庫(kù)建立和維護(hù)階段主要包括供體動(dòng)物飼養(yǎng)、器材及試劑消耗、設(shè)備高壓滅菌及液氮存儲(chǔ)等；4）細(xì)胞增殖和分化階段主要是指細(xì)胞在培養(yǎng)箱、生物反應(yīng)器等培養(yǎng)裝置中的大規(guī)模增殖和分化培養(yǎng)過(guò)程，消耗的主要是用于維持培養(yǎng)溫度、攪拌速度、加液流量、消毒用高壓滅菌鍋運(yùn)行、生產(chǎn)車間的溫控和潔凈空氣循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行的電力能源，同時(shí)還消耗一定量的氣體、培養(yǎng)皿和支架材料等耗材，以及一定量的水資源用于清洗、降溫和滅菌等；5）培育肉食品化加工階段主要包括培育肉的調(diào)色、賦味、塑形等工藝，主要消耗用于維持機(jī)械化加工設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)車間的溫濕度及潔凈度的電力能源，同時(shí)需要消耗少量的水資源用于清潔，以及一定量的輔料和添加劑等。

3.2 LCA關(guān)鍵控制點(diǎn)分析

目前全球已有多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)或機(jī)構(gòu)對(duì)培育肉的LCA進(jìn)行了模擬分析，結(jié)果見表3。LCA1是以藍(lán)藻作為原料，研究結(jié)果表明細(xì)胞增殖和分化過(guò)程對(duì)環(huán)境影響最大，該過(guò)程占用了培育肉生命周期所消耗的82%淡水資源、72%能源和71%溫室氣體排放量。LCA2與LCA1相比，由于不再將土壤存儲(chǔ)的“綠水”計(jì)算在內(nèi)，使LCA2的淡水資源消耗明顯降低。同時(shí)，由于將小麥和玉米作為原料，使LCA2的土地占用面積明顯增加。另外，計(jì)算過(guò)程中增加了生物反應(yīng)器的加熱耗能，使LCA2的最終能源消耗也有少許增加[20，22]。LCA3是以藍(lán)藻作為原料，研究結(jié)果表明培養(yǎng)基生產(chǎn)、細(xì)胞增殖和分化階段共占用了75%的能源消耗，另外由于該項(xiàng)研究計(jì)算了食品加工完成后到餐桌之間的環(huán)境影響因素，同時(shí)對(duì)物料運(yùn)輸和冷藏等因素進(jìn)行了更加精確地計(jì)算，使LCA3在溫室氣體排放量和能源消耗方面相較于LCA1或LCA2有明顯升高[24]。LCA4是以大豆為原料，結(jié)果表明由于大豆比藍(lán)藻、小麥或玉米等具有更低的單位面積產(chǎn)量使LCA4相較于LCA1、LCA2或LCA3的土地占用面積大幅增加[21]。

表3 不同計(jì)算模式下培育肉的環(huán)境影響參數(shù)[16，20-22，24]Fig.3 Environmental impact parameters of cultivated meat under different calculation modes[16，20-22，24]

上述研究表明影響培育肉LCA的因素較多，其中包括：1）影響土地占用的關(guān)鍵因素。從能量轉(zhuǎn)化角度分析，采用藍(lán)藻、玉米、小麥或大豆作為原料均有一定可行性和合理性，然而由于不同作物的單位面積產(chǎn)量不同導(dǎo)致以不同原料來(lái)源計(jì)算的LCA中土地占用面積出現(xiàn)較大差異。如圖2（a）所示，LCA1、LCA3采用藍(lán)藻作為原料占用的土地面積最小，LCA4采用大豆作為原料則需占用更多的土地面積。上述分析表明培育肉工業(yè)化生產(chǎn)所需的原料種類是影響最終土地占用面積的關(guān)鍵因素。2）影響淡水資源消耗的關(guān)鍵因素。影響培育肉LCA淡水資源消耗的因素多且復(fù)雜，目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)其全部影響因素的準(zhǔn)確評(píng)估，因此未對(duì)LCA3和LCA4進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算。如圖2（b）所示，由于LCA2不再將土壤存儲(chǔ)的“綠水”計(jì)算在內(nèi)，導(dǎo)致LCA2的水資源消耗量幾乎是LCA1的一半，由于LCA5將細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中的降溫和設(shè)備清洗所需淡水資源都計(jì)算在內(nèi)，使LCA5的水資源消耗量出現(xiàn)了大幅度增加。3）影響能源消耗的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段由于培育肉的工業(yè)化生產(chǎn)工藝尚未形成，因此對(duì)于細(xì)胞的培養(yǎng)參數(shù)和品控參數(shù)都是無(wú)法確定的，這就導(dǎo)致不同LCA中關(guān)于能源消耗的計(jì)算由于側(cè)重點(diǎn)不同出現(xiàn)較大的差異。如圖2（c）所示，由于LCA1、LCA2和LCA4中對(duì)生物反應(yīng)器中細(xì)胞最高生長(zhǎng)密度的預(yù)測(cè)不同（分別是1×1010、1×108、4×106個(gè)/mL），因此最終的能源消耗量出現(xiàn)明顯差異，細(xì)胞生長(zhǎng)密度越高則能源消耗越低，說(shuō)明細(xì)胞的生長(zhǎng)密度是影響培育肉LCA中能源消耗的關(guān)鍵因素。4）影響溫室氣體排放量的關(guān)鍵因素。能源消耗過(guò)程是培育肉工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生溫室氣體的主要階段。從圖2（d）可以看出，LCA1、LCA3和LCA4中溫室氣體排放量與能源消耗量（見圖2（c））呈現(xiàn)出一致性。上述LCA都是在數(shù)據(jù)計(jì)算基礎(chǔ)上得出的理論分析結(jié)果，但是現(xiàn)階段對(duì)于工業(yè)化生產(chǎn)工藝的模擬仍不充分，影響培育肉LCA的關(guān)鍵點(diǎn)是多方面的（見圖3）。由于無(wú)血清培養(yǎng)基的制備技術(shù)尚未獲得實(shí)質(zhì)性突破，因此在培養(yǎng)基的生產(chǎn)環(huán)節(jié)僅僅模擬計(jì)算了糖類和氨基酸兩類基礎(chǔ)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的生產(chǎn)，而對(duì)于細(xì)胞生長(zhǎng)所必需的多種生長(zhǎng)因子、無(wú)機(jī)鹽和維生素等要素尚未計(jì)算在內(nèi)，近年來(lái)隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已經(jīng)有團(tuán)隊(duì)陸續(xù)宣稱開發(fā)出了可用于培育肉生產(chǎn)的無(wú)血清生產(chǎn)技術(shù)，這將為更加精準(zhǔn)化的培育肉LCA提供技術(shù)支撐。另外，隨著培育肉工業(yè)化生產(chǎn)工藝的加快完善和具體工藝參數(shù)的確定，培育肉生產(chǎn)過(guò)程所需的裝備、耗材、輔料等因素對(duì)環(huán)境影響的計(jì)算也將進(jìn)一步精準(zhǔn)化，LCA結(jié)果也將更接近于實(shí)際生產(chǎn)值。

圖2 不同計(jì)算模式下培育肉生產(chǎn)過(guò)程中不同環(huán)境影響因素間的差異分析Fig.2 Variance analysis of environmental factors in the process of cultivated meat production under different calculation modes

圖3 影響培育肉LCA的關(guān)鍵控制點(diǎn)Fig.3 Key control points affecting the LCA of cultivated meat

3.3 培育肉與傳統(tǒng)肉類的對(duì)比

培育肉與3種代表性傳統(tǒng)肉類牛肉、豬肉和禽肉的LCA對(duì)比結(jié)果見圖4。培育肉生產(chǎn)過(guò)程中占用的土地面積明顯少于傳統(tǒng)肉類，這是由于培育肉是依靠生物反應(yīng)器這一集約化生產(chǎn)形式實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)高效轉(zhuǎn)化，具有更高的空間利用率。另外，利用節(jié)約的土地進(jìn)行綠化會(huì)進(jìn)一步降低溫室氣體排放、保護(hù)淡水資源和物種多樣性。由圖4（b）可知，生產(chǎn)培育肉消耗的淡水資源幾乎可以忽略不計(jì)，節(jié)約的淡水資源可以補(bǔ)充地下水，并有助于形成更多的濕地面積等。而傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)過(guò)程中不僅需要淡水資源生產(chǎn)飼料作物，更需要大量淡水資源維持動(dòng)物的代謝等重要生理功能。另外，傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)過(guò)程中動(dòng)物可以利用環(huán)境溫度和自身的產(chǎn)熱、降溫系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)體溫恒定，而培育肉的生產(chǎn)過(guò)程中要維持動(dòng)物細(xì)胞生長(zhǎng)所需的恒定溫度，則只能完全依靠主動(dòng)加熱或降溫的方式，同時(shí)培育肉生產(chǎn)車間嚴(yán)格的環(huán)境控制也需要消耗能源，因此培育肉在依靠技術(shù)創(chuàng)新降低單位能耗方面有較大提升空間。由圖4（c）可知，將L1生產(chǎn)工藝中的細(xì)胞培養(yǎng)密度提升至1×1010個(gè)/mL，可實(shí)現(xiàn)單位能耗優(yōu)于牛肉并接近豬肉和禽肉。另外，隨著風(fēng)能、太陽(yáng)能、潮汐能等可再生能源在電力生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，培育肉生產(chǎn)過(guò)程的單位能耗將會(huì)進(jìn)一步下降。由圖4（d）可知，在溫室氣體排放方面L1、L2、L4和L5都優(yōu)于傳統(tǒng)肉類，由于培育肉生產(chǎn)中溫室氣體排放主要與能源消耗有關(guān)，因此若使用清潔電力能源必將進(jìn)一步降低其溫室氣體排放量。

圖4 不同肉類生產(chǎn)過(guò)程中的環(huán)境影響Fig.4 Environmental impacts of different meat production processes

上述分析說(shuō)明培育肉工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程在土地資源占用、淡水資源利用和溫室氣體排放方面比傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，而在能源消耗方面需要通過(guò)技術(shù)突破進(jìn)一步降低單位能耗，從而體現(xiàn)培育肉的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，降低生產(chǎn)成本。

4 展望

培育肉的出現(xiàn)既是人類科技和文明發(fā)展的必然，也是解決當(dāng)下資源困境的重要舉措。長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)方式給人類帶來(lái)了越來(lái)越豐富的肉類蛋白質(zhì)供應(yīng)，有效解決了食物短缺和營(yíng)養(yǎng)缺乏問(wèn)題。近年來(lái)，隨著科技發(fā)展，傳統(tǒng)肉類依靠集約化、規(guī)?；壬a(chǎn)方式大幅提升了生產(chǎn)效率，并開始嘗試?yán)没蚋脑斓仁侄闻懦绊憚?dòng)物生長(zhǎng)的不利因素，進(jìn)一步提升傳統(tǒng)肉類的生產(chǎn)效率和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。但與生物反應(yīng)器中規(guī)模化擴(kuò)增的細(xì)胞相比較，傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)是依靠動(dòng)物個(gè)體生產(chǎn)蛋白質(zhì)，生產(chǎn)效率仍然較低。

上述分析結(jié)果表明在土地占用、淡水資源消耗和溫室氣體排放3個(gè)方面，培育肉均體現(xiàn)出比傳統(tǒng)肉類更加明顯的環(huán)保優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在能量消耗方面需通過(guò)科研攻關(guān)和生產(chǎn)工藝優(yōu)化使其進(jìn)一步降低，為培育肉工業(yè)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)。具體技術(shù)開發(fā)建議包括：1）高效細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)，通過(guò)培養(yǎng)基、生物反應(yīng)器和培養(yǎng)工藝參數(shù)等的優(yōu)化提升細(xì)胞的生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)密度；2）培養(yǎng)基高效利用技術(shù)，通過(guò)培養(yǎng)基再生、生物反應(yīng)器創(chuàng)新、培養(yǎng)基熱量回收等技術(shù)提升培養(yǎng)基利用效率；3）無(wú)血清培養(yǎng)基生產(chǎn)技術(shù)，通過(guò)開發(fā)具有確定配方的高效培養(yǎng)基擺脫細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程對(duì)動(dòng)物源性成分的依賴，僅利用生長(zhǎng)因子和基礎(chǔ)培養(yǎng)基實(shí)現(xiàn)發(fā)酵生產(chǎn)；4）集約化生物反應(yīng)器制造技術(shù)，開發(fā)低成本的超大體積高效生物反應(yīng)器制造技術(shù)；5）工業(yè)化生產(chǎn)工藝流程優(yōu)化，利用節(jié)約的土地進(jìn)行可再生能源生產(chǎn)，擺脫對(duì)化石能源的依賴，開發(fā)適于工業(yè)化生產(chǎn)和符合食品工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的裝備、生產(chǎn)線和生產(chǎn)車間。

目前，對(duì)于培育肉LCA的研究結(jié)果是基于現(xiàn)有科技水平和合理推斷基礎(chǔ)上的測(cè)算，對(duì)于具體參數(shù)設(shè)置和細(xì)節(jié)量化仍然存在一定傾向性和隨意性，一個(gè)或幾個(gè)控制點(diǎn)參數(shù)設(shè)置差異或計(jì)算方式改變都可能導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)結(jié)果出現(xiàn)明顯變化，因此，為促進(jìn)培育肉產(chǎn)業(yè)化發(fā)展需盡快確定培育肉的工業(yè)化生產(chǎn)工藝，按照目前我國(guó)的裝備試劑工業(yè)基礎(chǔ)水平明確符合我國(guó)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的培育肉LCA，為我國(guó)制定相關(guān)培育肉產(chǎn)業(yè)化發(fā)展政策提供理論依據(jù)。