综述：从生物反应器到餐桌：通过细胞农业重塑未来的蛋白质供应

《Food Research International》：From bioreactor to table: reinventing future protein supply through cellular agriculture

　　•双路径范式：细胞培养肉和精准发酵是重塑蛋白质生产的互补途径。
•扩大培养肉的生产规模：关键因素包括工程化细胞系、无血清培养基和可食用支架。
•推进发酵技术：高产细胞工厂和可扩展的生物加工对于降低成本至关重要。
•智能化生产：人工智能和机器人技术加速菌株筛选并优化过程控制。
•市场接受度：感官质量、价格、消费者认知和法规是决定性因素。
•系统影响：细胞农业提高了蛋白质供应的可持续性和韧性。

引言
全球食品系统，尤其是其对传统畜牧业作为主要动物蛋白来源的依赖，正面临前所未有的可持续性挑战。预计到2050年，全球人口将达到100亿，同时人均动物蛋白消费量持续增加，当前生产模式的结构限制日益明显。这些挑战主要体现在三个相互关联且相互强化的方面：环境、伦理和公共卫生。
从环境角度来看，畜牧业是温室气体排放的重要来源。根据联合国粮食及农业组织（FAO）的估计，整个畜牧业供应链（包括饲料生产、肠道发酵、粪便管理、运输和加工）占全球人为温室气体排放量的14.5%以上（FAO，2013年）。反刍动物的甲烷排放是非二氧化碳温室效应的主要驱动因素（Gerber等人，2013年）。除了排放外，该行业对关键资源的需求也非常高。畜牧业及其相关的饲料生产占据了全球约83%的农业用地，但仅贡献了大约18%的人类饮食能量。这种高土地使用与低产出之间的结构性失衡加剧了土地扩张、森林砍伐和生物多样性丧失的风险（Poore & Nemecek，2018年）。此外，畜牧业严重依赖水资源，直接或间接消耗了全球约三分之一的农业用水量。粪便和水产养殖废水的管理不当可能导致富营养化、地下水硝酸盐污染以及其他外部性问题，从而对从流域到海洋环境的多个层面造成生态压力（Mekonnen & Hoekstra，2012年）。因此，温室气体排放、土地使用和用水量构成了畜牧业的基本环境足迹，由于生物物理限制和日益严格的环境法规，进一步改进的空间有限。

伦理问题主要集中在工业化养殖系统中普遍存在的动物福利问题上。为了追求规模和效率，大量动物被关在非常封闭和受限的环境中，经常要经历去喙、去角和阉割等程序，这些可能引起疼痛和压力。随着公众对动物感知力和福利科学的认识不断提高，社会越来越严格地审视将动物仅仅视为生产投入的做法。这导致了更严格的零售标签要求、企业承诺和监管标准，同时也为替代蛋白技术提供了更清晰的价值主张（Molitorisová & Burke，2023年）。伦理考量不再是传统畜牧业与替代方案讨论的边缘问题，而是成为重塑动物蛋白供应的核心驱动力。公共卫生风险更为直接和广泛。首先，高密度养殖为病原体的复制、重组和跨物种传播创造了理想条件。非洲猪瘟和高致病性禽流感的爆发经常扰乱区域和全球供应安全，通过价格波动和贸易限制对生计产生连锁影响。其次，在兽医药物使用监管薄弱或执行不力的情况下，常规使用药物来控制疾病爆发和提高生产力，往往导致抗生素的过度使用和滥用，加速了抗菌素耐药性（AMR）的发展和传播。国际评估表明，如果不采取有效措施，到2050年，抗菌素耐药性可能导致每年多达1000万人死亡，成为与气候变化相当的全球健康和发展威胁（O'Neill，2016年）。在这种背景下，整合动物健康、生物安全和药品治理的“同一健康”方法已成为全球公共政策和行业标准的优先事项。

总之，传统的动物系统同时面临三大挑战：环境足迹加剧、伦理审查加剧和公共卫生风险累积。应对这一情况不仅需要在现有系统内进行渐进式改进，包括通过优化饲料配方和废物回收减少温室气体排放和资源消耗、通过提高福利标准减轻动物痛苦，以及通过加强生物安全和药品治理抑制抗菌素耐药性，而且还迫切需要探索新的供应侧范式。目标是生产动物蛋白而不依赖于传统的动物饲养，从而满足营养和风味需求，同时显著提高碳、土地和水资源的效率，并降低系统性健康风险。
在这种逻辑下，诸如细胞农业等新兴技术途径提供了可测试的工程解决方案，用于重组动物蛋白生产，同时也为增强全球食品系统的长期韧性提供了新的政策和工业杠杆。明确识别三大挑战（即环境、伦理和公共卫生）及其因果关系，为推进食品系统转型和评估新兴技术的真正贡献建立了分析基础。这种范式转变是由环境、伦理和公共卫生要求的交汇所驱动的，代表了对动物源食品生产方式的根本重新构想——从传统畜牧业转向基于细胞的制造。它被定义为一种科学和工程系统，通过细胞培养及相关生物制造过程直接生产动物源产品，如肉类、牛奶、鸡蛋和皮革，消除了饲养和屠宰整只动物的需要（Fraser, Newman, Yada, & Kaplan, 2024）。与传统方法相比，这种范式代表了从以效率为导向的畜牧业向以组分为中心的生物制造的根本转变，从而减少了与活体动物养殖相关的资源消耗和外部性问题。细胞农业主要基于两个互补的技术支柱：培养肉和精准发酵产品。生产基于细胞的蛋白食品有两种主要技术途径。第一种是培养肉，从目标动物（如牛、猪和鸡）的成肌细胞开始，包括肌肉卫星细胞、成肌细胞或诱导多能干细胞。这些细胞在无血清或低血清营养培养基的受控生物反应器中高效扩增，并被诱导分化为肌肉纤维和脂肪等组织。随后，使用食品级支架（提供结构支持）和组织工程技术使产品在外观结构、质地和营养成分上尽可能接近传统肉类（WHO & FAO，2023）。第二种是精准发酵，采用完全不同的方法。它不是培养动物细胞，而是将编码特定动物蛋白（如乳清蛋白、酪蛋白和卵清蛋白）的基因引入酵母、丝状真菌或细菌等微生物宿主中，从而构建高表达的稳定细胞工厂。这些工程微生物能够在发酵罐中进行大规模生产，经过食品级下游纯化后，所得蛋白质可以用作植物基食品系统（如奶酪、酸奶或鸡蛋替代品）的功能成分，整个过程中几乎不直接使用活体动物（Eastham & Leman，2024）。虽然培养肉技术侧重于生产多细胞、类组织结构，但精准发酵则致力于在分子层面生产特定的动物蛋白或其他功能性分子。同时，它从根本上消除了动物屠宰，解决了重大的伦理问题。正如Heidemann, Molento, Reis和Phillips（2020）从功利主义和义务论的角度所论述的，将肉类生产与动物屠宰分离可以根本改变人与动物的关系：通过减少参与食品生产的动物数量来减轻动物的痛苦，同时也挑战了传统畜牧业中动物痛苦的“必要性”。通过将生产与活体动物分离，还大大降低了人畜共患病传播和抗生素使用的风险，为实现可持续和伦理的食品生产提供了革命性的解决方案。

自2013年第一个培养肉汉堡问世以及随后各种精准发酵乳制品和蛋蛋白产品的监管批准以来，细胞农业已在实验室规模上清楚地证明了其技术可行性。然而，目前的研究仍存在显著局限性。大多数成果仍处于概念验证阶段，缺乏系统的整合；对扩大生产过程中遇到的技术经济瓶颈的分析不足；产品开发、消费者认知和监管政策之间的协同机制也尚未得到充分探索。为了解决这些差距，本综述超越了零散的讨论，系统地在三个维度上推进了讨论。首先，它关注细胞农业的关键技术进步，包括细胞系和菌株、培养基和生物反应器工程，适用于培养肉和精准发酵。其次，它分析了规模化生产中的关键技术障碍和成本结构，并评估了人工智能和自动化等提高质量和效率的途径。最后，它从跨维度角度考察了食品质地控制、消费者接受行为和全球监管框架之间的相互作用。通过整合这些方面，本综述旨在从技术突破到工业实现的整体视角，为将细胞农业整合到可持续食品系统中提供一个前瞻性的路线图。

方法论
为了确定和选择本综述的文献，我们在PubMed、Web of Science和Google Scholar中使用了包括“细胞农业”、“培养肉”、“精准发酵”、“无血清培养基”、“生长因子”、“成本降低”、“生物反应器设计”、“支架工程”、“食品安全”和“监管框架”等关键词的组合进行系统搜索。搜索涵盖了2000年至2025年的出版物，优先考虑经过同行评审的原创文章。

培养肉的技术发展正在沿着多方面的路径前进，旨在整合能够进行大规模生产的体外活系统，并在感官属性和营养成分上与传统肉类相匹配的精确构建和有效维护。这一系统的建立始于细胞起始材料，它们构成了整个技术框架的基础，需要选择和工程化稳定的细胞系。

精准发酵正在成为一种革命性的生物制造策略，通过工程微生物的强大能力从根本上重塑传统发酵食品的生产范式，并显著扩展其范围。这项技术的核心驱动因素来自合成生物学，它设计和构建高效的微生物细胞工厂，以精确生产具有特定功能特性的目标蛋白质、脂质或维生素。

在细胞农业从实验室创新向工业规模生产的过渡中，智能和自动化技术作为不可或缺的催化剂，深刻推动了整个行业的升级和转型。这一转变主要体现在两个互补的方面：首先，人工智能和机器学习挖掘高维过程数据以建立预测模型，提供了前所未有的理性设计能力。

细胞农业技术的成功商业化最终不仅仅取决于实验室成就，还取决于其完成从细胞到消费者餐桌的整个转化链的能力。这一过程取决于解决三个关键问题：产品本身、市场接受度和社会规范。首先是产品的最终形式问题。这需要利用食品性质开发和感官科学来进行转变。

结论与未来前景
细胞农业的未来不取决于单一学科内的线性进步，而是依赖于生物技术、食品科学、过程科学和数据科学的深度跨学科整合。虽然生物技术已经解决了细胞系开发和培养基优化等初步挑战，但下一阶段的突破将来自其他领域的贡献。食品科学对于研究CRediT的质地和风味形成机制至关重要。

作者贡献声明
宋伟：撰写——原始草稿、方法论、资金获取、概念化。
周胜梅：撰写——原始草稿、方法论、概念化。
王丹：撰写——原始草稿、方法论、概念化。
李秀娟：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。
薛静伟：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。

资助
本工作得到了青岛大学附属泰安市中心医院新生儿项目的支持（2024MPZ08）和山东省医学系统职工科技创新计划项目（SDYWZGKCJHLH202451）以及国家自然科学基金（82472139）的资助。泰安市科技创新发展项目（2024NS211和2024NS331）。利益冲突声明：作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系，这些关系可能会影响本文报告的工作。宋伟 | 周盛梅 | 王丹 | 李秀娟 | 薛静伟