培育肉與傳統肉類生產過程對環境的影響

李石磊， 李瑩瑩， 王守偉*， 李雨爽， 楊 峰

（1.中國肉類食品綜合研究中心，北京 100068；2.北京食品科學研究院，北京 100068；3.肉類加工技術北京市重點實驗室，北京 100068）

隨著人口數量的持續增長和資源的不斷消耗，健康、環保、可持續的生活方式成為當今社會的主流[1]。在肉品供應方面，人類通過不斷對傳統肉類的生產效率[2]、質量控制[3]、保鮮方式[4]、加工方式[5]等要素進行優化，極大提升了肉類食品供應能力。據聯合國糧食及農業組織預測，2050年全球肉類年產量將達到4.55億t，這幾乎是2000年全球肉類產量（2.28億t）的兩倍[6]。2019年，我國肉類產量7649萬t，其中豬肉產量4255萬t，約占全球總產量的三分之一[7]。然而，全球的養殖業占用了地球30%可耕土地面積、消耗了全球8%的淡水資源、產生了全球18%的溫室氣體，給地球生態環境帶來了嚴重的負擔[8]。2016年4月，我國農業部發布《全國生豬生產發展規劃（2016—2020年）》指導生豬產業轉型升級和綠色發展[9]。另外，難以預測的瘟疫也嚴重影響了傳統肉類的產能。2019年以來爆發的非洲豬瘟造成了全球近一半生豬的死亡，也導致我國的豬肉供應出現了短時供給短缺[10]。

在此背景下，發展高效、環保、可持續的替代動物蛋白生產方式被寄予了廣泛期待[11]。培育肉也被稱作生物培育肉、培養肉等[12-14]，是利用動物細胞體外培養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的動物蛋白而被廣泛看作最具商業價值潛力的人類肉品替代物[16-17]，在生產技術、發展理念和存在意義等方面具有較強的先進性[18]。目前，包括中國、美國、日本等在內的多國政府、研究機構和近百家初創企業等正積極開展培育肉工業化的相關研發工作[18]。在環境影響方面，盡管目前相關初創企業、研究機構或學者等對培育肉的潛在環境影響、動物福利和健康優勢等提出了多種假設，但由于培育肉沒有實現商業化生產，人們對于這些研究的精準性仍存在一定分歧。在完全建立培育肉商業化生產之前，對環境、動物福利和人類健康影響等方面的預測仍將缺乏準確的依據[19]。

作者通過對傳統肉類生產過程中的資源消耗、引起的生態退化和安全風險3方面進行分析，從土地、淡水、能源的消耗，溫室氣體和富營養物質排放以及藥物殘留和可能產生的細菌耐藥性安全風險等方面總結了傳統肉類生產方式面臨的現實挑戰；然后通過對傳統養殖業發展新方向的總結和培育肉發展歷程及其先進性的分析闡明人類肉品供應方式面臨的變革需求及采用培育肉替代傳統肉類的解決方案；進而按照能量流動的方向對培育肉上市前的全生命周期（原材料生產、培養基生產、種子細胞庫建立和維護、細胞增殖和分化、培育肉食品化加工）進行剖析。同時結合近年來國際上發表的5項培育肉生命周期評估（life cycle assessment，LCA）[20-24]對培育肉生產過程的關鍵控制點進行分析；最后通過對比培育肉與傳統肉類的生產過程對環境的影響闡明培育肉在環境影響方面的優勢，并提出培育肉工業化生產過程中亟需攻克的技術關鍵點（高效細胞培養技術、培養基高效利用技術、無血清培養基生產技術、集約化生物反應器制造技術、工業化生產工藝流程優化）。

1 傳統肉類生產方式面臨的挑戰

1.1 資源消耗

傳統肉類生產需要占用大量土地用于畜牧養殖和飼料種植，如表1所示。生產1 kg牛肉所需土地面積高達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濟的高速增長和人口數量的持續激增，全球的養殖業規模持續擴大。據統計，全球每年用于養殖業的土地面積占全部可耕地面積的30%。同時，傳統肉類生產對淡水資源需求也持續增長，水占動物體質量的60%到70%，是維持動物重要生理功能必需的物質；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，畜牧養殖和加工過程中的清潔、降溫、廢物處理等均需要潔凈淡水資源。因此，傳統肉類生產過程需要消耗越來越多的淡水。從表1可見主要禽畜肉類生產所消耗的淡水資源巨大，生產1 kg羊肉所需淡水資源高達1803 L；另外，傳統肉類的生產也消耗了大量的能源，主要用于飼料種植和運輸加工環節，每生產1 kg牛肉消耗的能源高達78.6 MJ。上述分析表明傳統肉類生產過程消耗大量非再生資源。

表1 傳統模式下主要動物蛋白生產過程的資源消耗[21,25]Table 1 Resource consumption of major animal protein production processes in traditional models[21,25]

1.2 生態退化

目前，每年由于人類活動向大氣排放的近370億噸二氧化碳中包括畜牧業在內的農業領域貢獻了大約18.4%[26]，其中大部分溫室氣體的排放源于飼料生產和養殖階段（如牛的胃中產生甲烷）。據統計，飼料生產和養殖階段的溫室氣體排放量占肉品生產碳排放量的80%以上[25]。如表2所示，生產1 kg牛肉將產生99.48 kg溫室氣體；另外，畜禽排泄物中的大量富營養物質（如氮、磷、鉀）會導致水體富營養化，如生產1 kg牛肉將排放301.41 g富營養物質。目前，牲畜占全球哺乳動物（不包括人類）總量94%，養殖業占據的大量草場和耕地對原有自然生態系統造成了破壞，進而影響了全球生物多樣性。在世界自然保護聯盟的紅色名單上有98512個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]。上述分析表明傳統肉類生產對地球的生態造成了多方面的負面影響。

1.3 安全風險

傳統肉類中的獸藥殘留一直是全社會高度關注的敏感話題，近年來隨著檢測儀器的不斷升級，人類對獸藥殘留的監控能力也越來越強，國際標準（CX/MRL2—2018）規定了動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種獸藥殘留風險管理建議[28]，這為保障肉品安全發揮了關鍵作用。然而，目前的檢測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險，同時不斷出現的新型替代藥物和違規用藥現象也給消費者帶來了潛在的健康威脅。另外，殘留獸藥還可以間接通過植物吸收進入人類食物鏈，研究表明，黃瓜、番茄和萵苣對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]。據統計，2010年全球在動物養殖中使用抗生素類藥物最多的5個國家分別是中國、美國、巴西、印度和德國，其中我國的單位面積抗生素使用量最高，總用量占全球的23%[31]。英國奧尼爾委員會在2016年5月發布的一份報告指出目前全球每年死于耐藥微生物感染的人數達到70萬且預計2050年將激增至1000萬，由于抗生素濫用引起的細菌耐藥性正逐漸成為威脅人類健康的一大難題[32]。上述分析表明傳統肉類生產過程中存在著多種持續威脅人類健康的安全風險。

2 培育肉發展的必然性分析

2.1 養殖業發展方向

相較19世紀時的食品供應系統，人類的食品供應體系已發生了革命性變化，食品生產已實現工業化，食品調配已實現全球化。再加之高效率的糧食種植、動物養殖、動物育種等新技術的不斷涌現，全球養殖業生產效率有了明顯提升。近年來出現的新型保鮮技術、電子商務技術等使人類的食品供應呈現出精準化和多樣化發展趨勢。另外，隨著檢測技術不斷發展，人類對食品安全的關注和監控力度逐漸加強，獸藥殘留、農藥殘留、微生物、食品添加劑等的檢測已成為確保人類食品安全的常態化監控手段。

近年來為了培育具有更高生產效率或抗病能力的動物新品種，提升傳統肉類食品的生產效率或營養價值，包括動物轉基因育種技術在內的生物技術已經被開發并取得了一定成果[33-34]。2019年3月8日美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）宣布取消2016年關于禁止美國生物技術公司生產的轉基因三文魚及魚卵進入美國市場的警示，許可其在美國養殖及銷售[35]。該產品的上市雖經歷了近20年的監管審查，但作為目前全球首例批準上市的轉基因動物將極大激勵該技術的快速發展。另外，通過特異性靶點改造提升豬抗病毒能力的嘗試也在全球不同實驗室中展開，隸屬于英國動物基因公司Genus的Christianson研究團隊已經嘗試利用轉基因育種技術培育藍耳病免疫的豬種[10]。這些新技術的發展表明人類在解決傳統肉類生產過程中存在的問題上持續努力并不斷取得突破。

目前人類的肉品供應體系依然是脆弱的。2019年我國肉類產量7649萬噸，其中豬肉4255萬噸，約占世界總產量的三分之一[7]。然而，席卷全球的非洲豬瘟，使2020年我國的生豬產量較2019年同期下降21.3%，豬肉價格高漲[7]。2019年9月，國務院發布的《國務院辦公廳關于穩定生豬生產促進轉型升級的意見》中提出要加快發展禽肉、牛羊肉等替代肉品生產，更好地保障市場供應[36]。顯然，隨著我國人口的增長和居民消費水平的提高，單純依靠傳統養殖的肉類生產方式已經很難滿足居民快速增長的肉品消費需求，發展培育肉等新型替代肉品既是解決當下我國養殖業面臨的突出矛盾的有效手段，也是在未來全球高科技食品領域發展的戰略要求。據新加坡食品局（Singapore Food Agency，SFA）統計，2018年新加坡的食物自給率不足10%，目前新加坡制定了2030年營養自給率達到30%的戰略目標[37]。另外，在當今追求碳中和的背景下發展傳統肉類的替代物也是食品工業順應人類文明發展趨勢的必然舉措。

2.2 培育肉的出現

2.2.1 發展歷程早在1997年，Van等提交了人造肉的國際專利申請并獲得了美國專利及商標局的授權，這是目前可查最早關于培育肉制備的報道[38]；2002年，美國國家航空航天局（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，荷蘭科學家Mark Post研制出世界上第一個牛源培育肉漢堡[40]。此后，培育肉的工業化發展進程明顯加快。2020年以色列培育肉初創企業Future Meat宣布已將雞源培育肉價格降至每100 g 6.64美元；2020年12月，新加坡成為全球第一個批準出售培育肉產品的國家[41]。目前，全球眾多致力于開發培育肉產品的初創公司紛紛成立并獲得大量融資，如美國的Upside Meat公司、荷蘭的Mosa Meat公司等。

2019年北京首農食品集團有限公司通過設立科研專項資助中國肉類食品綜合研究中心開展培育肉的工業化研究并于2020年進行成果鑒定，展示了利用3D打印技術制備的豬源培育肉排產品和鴿源培育肉湯；2019年南京農業大學宣布制備出培育肉實驗樣品，并在2020年進行了展示；2020年由北京工商大學牽頭的中國工程院戰略咨詢研究項目“生物培育肉的發展戰略研究”獲得立項并于2021年順利結題；2021年由江南大學牽頭的“十四五”國家重點研發計劃項目“人造肉高效生物制造技術”獲得立項并實施；另外，國內也出現了多家致力于培育肉開發的初創企業。這些多方位、多層次資源的投入為我國培育肉的工業化發展奠定了良好基礎。

2.2.2 發展優勢

1）技術先進 培育肉制備技術是多學科交叉融合的產物，涉及食品科學、材料學、化學、物理學等領域，是在原有基礎上的創新性開發和大規模應用，例如支架材料必須可食用并能夠通過規?；a降低成本。另外，通過工業化的方式培養肉品有助于實現肉類的標準化高效生產。培育肉研發需調動多方力量對其所需生產技術進行科研攻關，因此，有助于帶動一批相關生化技術快速突破和產業化應用。

2）理念先進 近年來極端天氣事件頻發，應對氣候變化已成為國際社會的共識，世界各國紛紛采取減排行動倡導綠色發展理念。2020年9月22日，習近平總書記在第75屆聯合國大會一般性辯論上表示：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，爭取在2060年前實現碳中和”。這說明環保將是未來人類文明的必然發展趨勢。相較于傳統肉類生產方式，培育肉可實現工業化生產，將有助于人類實現碳中和的發展理念。

3）意義重大 長期以來，傳統的肉類生產方式在一次次技術升級中不斷增加產能，并滿足人類越來越高的需求，然而傳統肉類生產中存在的環境污染、資源消耗等問題嚴重制約了肉類行業的持續健康發展，培育肉的出現顛覆了長久以來的肉類生產模式。另外，采用工業化的生產方式將有助于快速適應和滿足未來的肉類食品供應需求。

3 培育肉的環境影響

3.1 培育肉的LCA

按照ISO 14040的定義，LCA是用于評估與某一產品（或服務）相關的環境因素及潛在影響的方法，通過編制生產系統內相關投入與產出的存量記錄，評估與這些投入、產出有關的潛在環境影響。雖然目前沒有工業化培育肉生產線出現，但培育肉的基本生產過程是確定的，主要階段包括種子細胞獲取、細胞增殖、細胞分化、食品化加工[19]。相較于生產流程，分析培育肉的生命周期將更加有利于分析其對環境的影響，依據ISO 14040對產品生命周期的定義，培育肉在上市前的生命周期按照能量流動的方向主要包括5部分（見圖1）：原材料生產、培養基生產、種子細胞庫建立和維護、細胞增殖和分化、培育肉食品化加工。

圖1 培育肉生產過程的全生命周期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項環境影響參數對培育肉生命周期進行評估。具體內容如下：1）原材料生產階段主要是培養基制備所需小麥、玉米或藻類等初級原料的種植，消耗的主要是土地和淡水資源，同時消耗部分化石能源或電力能源用于機械化種植、收割和運輸等；2）培養基生產階段主要包括初級原材料的滅菌和發酵過程，消耗的主要是用于維持發酵罐和高壓滅菌裝置運行及發酵車間溫控的電力能源，同時還要占用少許土地用于建設廠房、消耗少許淡水資源用于發酵和高壓滅菌（產生少量廢水），另外發酵過程還將排放少量溫室氣體；3）種子細胞庫建立和維護階段主要包括供體動物飼養、器材及試劑消耗、設備高壓滅菌及液氮存儲等；4）細胞增殖和分化階段主要是指細胞在培養箱、生物反應器等培養裝置中的大規模增殖和分化培養過程，消耗的主要是用于維持培養溫度、攪拌速度、加液流量、消毒用高壓滅菌鍋運行、生產車間的溫控和潔凈空氣循環系統運行的電力能源，同時還消耗一定量的氣體、培養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色、賦味、塑形等工藝，主要消耗用于維持機械化加工設備運行、生產車間的溫濕度及潔凈度的電力能源，同時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關鍵控制點分析

目前全球已有多個研究團隊或機構對培育肉的LCA進行了模擬分析，結果見表3。LCA1是以藍藻作為原料，研究結果表明細胞增殖和分化過程對環境影響最大，該過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的“綠水”計算在內，使LCA2的淡水資源消耗明顯降低。同時，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，計算過程中增加了生物反應器的加熱耗能，使LCA2的最終能源消耗也有少許增加[20，22]。LCA3是以藍藻作為原料，研究結果表明培養基生產、細胞增殖和分化階段共占用了75%的能源消耗，另外由于該項研究計算了食品加工完成后到餐桌之間的環境影響因素，同時對物料運輸和冷藏等因素進行了更加精確地計算，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，結果表明由于大豆比藍藻、小麥或玉米等具有更低的單位面積產量使LCA4相較于LCA1、LCA2或LCA3的土地占用面積大幅增加[21]。

表3 不同計算模式下培育肉的環境影響參數[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）影響土地占用的關鍵因素。從能量轉化角度分析，采用藍藻、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量不同導致以不同原料來源計算的LCA中土地占用面積出現較大差異。如圖2（a）所示，LCA1、LCA3采用藍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化生產所需的原料種類是影響最終土地占用面積的關鍵因素。2）影響淡水資源消耗的關鍵因素。影響培育肉LCA淡水資源消耗的因素多且復雜，目前無法實現對其全部影響因素的準確評估，因此未對LCA3和LCA4進行獨立計算。如圖2（b）所示，由于LCA2不再將土壤存儲的“綠水”計算在內，導致LCA2的水資源消耗量幾乎是LCA1的一半，由于LCA5將細胞培養過程中的降溫和設備清洗所需淡水資源都計算在內，使LCA5的水資源消耗量出現了大幅度增加。3）影響能源消耗的關鍵因素?，F階段由于培育肉的工業化生產工藝尚未形成，因此對于細胞的培養參數和品控參數都是無法確定的，這就導致不同LCA中關于能源消耗的計算由于側重點不同出現較大的差異。如圖2（c）所示，由于LCA1、LCA2和LCA4中對生物反應器中細胞最高生長密度的預測不同（分別是1×1010、1×108、4×106個/mL），因此最終的能源消耗量出現明顯差異，細胞生長密度越高則能源消耗越低，說明細胞的生長密度是影響培育肉LCA中能源消耗的關鍵因素。4）影響溫室氣體排放量的關鍵因素。能源消耗過程是培育肉工業化生產過程產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））呈現出一致性。上述LCA都是在數據計算基礎上得出的理論分析結果，但是現階段對于工業化生產工藝的模擬仍不充分，影響培育肉LCA的關鍵點是多方面的（見圖3）。由于無血清培養基的制備技術尚未獲得實質性突破，因此在培養基的生產環節僅僅模擬計算了糖類和氨基酸兩類基礎營養物質的生產，而對于細胞生長所必需的多種生長因子、無機鹽和維生素等要素尚未計算在內，近年來隨著技術的不斷發展，已經有團隊陸續宣稱開發出了可用于培育肉生產的無血清生產技術，這將為更加精準化的培育肉LCA提供技術支撐。另外，隨著培育肉工業化生產工藝的加快完善和具體工藝參數的確定，培育肉生產過程所需的裝備、耗材、輔料等因素對環境影響的計算也將進一步精準化，LCA結果也將更接近于實際生產值。

圖2 不同計算模式下培育肉生產過程中不同環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的關鍵控制點Fig.3 Key control points affecting the LCA of cultivated meat

3.3 培育肉與傳統肉類的對比

培育肉與3種代表性傳統肉類牛肉、豬肉和禽肉的LCA對比結果見圖4。培育肉生產過程中占用的土地面積明顯少于傳統肉類，這是由于培育肉是依靠生物反應器這一集約化生產形式實現蛋白質高效轉化，具有更高的空間利用率。另外，利用節約的土地進行綠化會進一步降低溫室氣體排放、保護淡水資源和物種多樣性。由圖4（b）可知，生產培育肉消耗的淡水資源幾乎可以忽略不計，節約的淡水資源可以補充地下水，并有助于形成更多的濕地面積等。而傳統肉類的生產過程中不僅需要淡水資源生產飼料作物，更需要大量淡水資源維持動物的代謝等重要生理功能。另外，傳統肉類生產過程中動物可以利用環境溫度和自身的產熱、降溫系統實現體溫恒定，而培育肉的生產過程中要維持動物細胞生長所需的恒定溫度，則只能完全依靠主動加熱或降溫的方式，同時培育肉生產車間嚴格的環境控制也需要消耗能源，因此培育肉在依靠技術創新降低單位能耗方面有較大提升空間。由圖4（c）可知，將L1生產工藝中的細胞培養密度提升至1×1010個/mL，可實現單位能耗優于牛肉并接近豬肉和禽肉。另外，隨著風能、太陽能、潮汐能等可再生能源在電力生產中的廣泛應用，培育肉生產過程的單位能耗將會進一步下降。由圖4（d）可知，在溫室氣體排放方面L1、L2、L4和L5都優于傳統肉類，由于培育肉生產中溫室氣體排放主要與能源消耗有關，因此若使用清潔電力能源必將進一步降低其溫室氣體排放量。

圖4 不同肉類生產過程中的環境影響Fig.4 Environmental impacts of different meat production processes

上述分析說明培育肉工業化生產過程在土地資源占用、淡水資源利用和溫室氣體排放方面比傳統肉類生產體現出明顯的優勢，而在能源消耗方面需要通過技術突破進一步降低單位能耗，從而體現培育肉的環保優勢，降低生產成本。

4 展望

培育肉的出現既是人類科技和文明發展的必然，也是解決當下資源困境的重要舉措。長期以來，傳統肉類生產方式給人類帶來了越來越豐富的肉類蛋白質供應，有效解決了食物短缺和營養缺乏問題。近年來，隨著科技發展，傳統肉類依靠集約化、規?；壬a方式大幅提升了生產效率，并開始嘗試利用基因改造等手段排除影響動物生長的不利因素，進一步提升傳統肉類的生產效率和營養價值。但與生物反應器中規?；瘮U增的細胞相比較，傳統肉類生產是依靠動物個體生產蛋白質，生產效率仍然較低。

上述分析結果表明在土地占用、淡水資源消耗和溫室氣體排放3個方面，培育肉均體現出比傳統肉類更加明顯的環保優勢，同時在能量消耗方面需通過科研攻關和生產工藝優化使其進一步降低，為培育肉工業化發展奠定基礎。具體技術開發建議包括：1）高效細胞培養技術，通過培養基、生物反應器和培養工藝參數等的優化提升細胞的生長速率和生長密度；2）培養基高效利用技術，通過培養基再生、生物反應器創新、培養基熱量回收等技術提升培養基利用效率；3）無血清培養基生產技術，通過開發具有確定配方的高效培養基擺脫細胞培養過程對動物源性成分的依賴，僅利用生長因子和基礎培養基實現發酵生產；4）集約化生物反應器制造技術，開發低成本的超大體積高效生物反應器制造技術；5）工業化生產工藝流程優化，利用節約的土地進行可再生能源生產，擺脫對化石能源的依賴，開發適于工業化生產和符合食品工業標準的裝備、生產線和生產車間。

目前，對于培育肉LCA的研究結果是基于現有科技水平和合理推斷基礎上的測算，對于具體參數設置和細節量化仍然存在一定傾向性和隨意性，一個或幾個控制點參數設置差異或計算方式改變都可能導致統計結果出現明顯變化，因此，為促進培育肉產業化發展需盡快確定培育肉的工業化生產工藝，按照目前我國的裝備試劑工業基礎水平明確符合我國技術發展現狀的培育肉LCA，為我國制定相關培育肉產業化發展政策提供理論依據。