我们消耗的动物蛋白比以往任何时候都要多。但传统的动物养殖肉类生产在环境上不可持续——增加温室气体排放,并对土地和水等资源造成压力。
人造肉(或清洁肉)提供了一种减少集约化养殖方法所带来的环境影响和动物福利问题的方法。虽然人造肉行业的发展势头迅猛,但扩大生产规模和降低成本仍是其面临的主要挑战。
第一步是在称为生物反应器的巨大容器中培养大量的动物细胞。进一步加工后,动物细胞只能制成本质上是肉末的物质。虽然这样可能会生产出汉堡或鸡块之类的人造肉制品,但与牛排或鸡胸肉还相差很远。
肌肉、脂肪、血液和其他细胞类型的特殊混合,以及复杂的组织结构,赋予了天然形成的肉类独特的整体风味、味道和口感。现在,科学家们正在试图应用最新的组织工程技术,如可食用支架和 3D 生物打印技术,在人造肉中实现类似的复杂组织结构。
我们最近宣布与美国马萨诸塞州的塔夫茨大学和德国的达姆施塔特工业大学的团队开展为期三年的合作,他们正在对下一代清洁肉类和海鲜产品的开发进行基础研究。
制造肌肉纤维
在 David Kaplan 教授的带领下,塔夫茨大学生物医学工程系的一个团队正在应用纺织生物工程技术生产全肌肉肉类。他们的目标是开发一系列支持大规模生产组织工程肌肉和脂肪的技术,这些肌肉和脂肪可供人们安全食用并富含营养。
肉类肌肉由与结缔组织结合在一起的长肌纤维束组成。一块真肉含有大约 10% 到 20% 的蛋白质和 2% 到 22% 的脂肪,具体取决于类型和物种 [1]。
该团队利用 3D 打印的可食用支架作为模板来支撑肌肉和脂肪细胞,以培养并构成类似肌肉纤维的长链。他们还打算设计和建造一个可生产这些人造肉组织纤维的生物反应器,为未来的工业规模生产奠定基础。
应用工业打印技术
来自打印科学与技术研究所 (IDD) 生物医学打印实验室和达姆施塔特工业大学合成生物学中心的一个团队,在 Andreas Blaeser 教授的带领下,将开发新的 3D 生物打印工艺,用于大规模生产带纹理的清洁肉。
3D 生物打印是一项新兴技术,为模拟复杂生物组织(如骨骼肌)的结构提供了前所未有的机会。该技术的成功取决于开发“生物墨水”配方,此类配方由生物材料与活细胞和生长因子结合组成,具有适当的打印特性。
Blaeser 教授的团队将研究一种称为丝网印刷的工业打印工艺,以无与伦比的生产速度和超高的打印精度实现单片式生物制造。该工艺涉及具有可变图案的丝网,用于在打印表面上应用不同的生物墨水层。每次应用一种生物墨水,从而实现最终结构。
通过这种方式,将确立一种生产工艺;该工艺可大规模生产多层生物墨水片,而这种生物墨水片最终将形成结构化的厚肉片。首先,研究人员将开发一种实验室规模的打印工艺,并根据肉类生产的要求对现有的生物墨水组合进行微调。然后,他们将把这一概念转移到工业和全自动打印机上。
加速发展
塔夫茨大学和达姆施塔特工业大学的两个研究小组都是 2020 年“人造肉生物反应器设计”研究经费的获得者。
我们跨学科人造肉团队的重点是开发相关产品和服务,以便规模化地生产安全、营养的人造肉。与塔夫茨大学和达姆施塔特工业大学的联合项目对人造肉团队的活动进行了补充,这些项目由硅谷创新中心和我们的创新中心领导,并与我们的生命科学业务部门密切合作。
我们的硅谷和中国创新中心负责人 Thomas Herget 表示,“作为生物制药行业的领先供应商,我们的目标是加速新兴人造肉行业的发展,并成为从研发到安全、高效的规模化生产的技术推动者。塔夫茨大学和达姆施塔特工业大学开发的概念方法具有高度的创新性。这两者都非常符合我们的战略,并可作为我们内部在支架、细胞分化、生物反应器和生物工艺设计等领域的工作的补充。”
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