科學研究 - 人工培養肉開闢新的飲食可能性，挑戰「蛋白質危機」

人們擔心，如果世界人口繼續操作以發展中國家和新興市場國家爲中心增長下去的話，僅靠畜牧業提供肉類蛋白質將遭遇極限。目前，正試圖解決這種「蛋白質危機」的是東京大學研究生院資訊理工學系研究科與生產技術研究所的竹内昌治教授。竹内教授利用先端生命科學和工程學，培養出了牛排大小的人工肉。「人工培養肉」不僅能爲以糧食問題爲首的永續發展目標SDGs做貢獻，還有望開闢新的飲食可能性。本文將帶您走進人工培養肉研究的最前緣。

竹内昌治
東京大學研究生院資訊理工學系研究科與生產技術研究所教授
2018年當選未來社會創造專案研究代表

人口持續增長，增產食材已成當務之急
還要利用食品技術開拓新市場

在全球77億人口中2020年還有多達8億多人面臨飢餓。預計2050年人口將達到97億，可以說增產糧食已成爲當務之急。然而，新增農耕用需要砍伐森林，這與全球暖化對策背道而馳。另一方面，如果增加家畜數量的話，又要與人類爭奪用作飼料的穀物和水（圖1）。作爲解決這些課題的對策，融合食品與技術的「食品技術」備受關注。

圖1：隨着世界人口的增長，對肉類和穀物的需求也將增加，但預計今後的穀物收穫面積基本不會改變。也就是說，如果不能大幅提高單位面積的產量，食用穀類和飼料用穀類都會短缺，這將導致糧食危機。

＊ 1．穀物爲小麥、稻米、玉米、大麥及高粱的統稱。 2．爲避免受每年天氣變化等造成的資料波動的影響，2010年的數值爲2009年至2011年的三年平均值。 3．2015年的數值爲根據美國農業部（USDA）2014年至2016年三年的生產、供給和分配（PSD）實際平均值計算出來的參考值。（JST根據總務省統計局《2021年全球統計》及農林水產省《2050年全球糧食供需預測—全球超長期糧食供需預測系統的預測結果—》（2019年）加工製作）

其中，作爲取代肉類的新食材，正在開拓市場的是「替代肉」。目前以大豆等植物性成分爲原料的替代肉已經上市，利用細胞培養技術再現肉類的風味和口感的「人工培養肉」也在加速開發之中。全球首次公開人工培養肉生產技術的是荷蘭馬斯特里赫特大學的馬克·波斯特教授。波斯特教授利用在醫療領域一直備受期待的細胞培養技術和組織工學，將牛等動物的細胞提取到體外進行培養，併成功製作出了食用肉（圖2）。

圖2：人工培養肉是透過在體外增殖動物細胞，並對增加的細胞進行組織培養而製作出來的。

2013年，波斯特教授在英國倫敦舉行了人工培養肉漢堡試喫會，一舉轟動了全球。然而，如果把研究經費包括在内，這樣一個漢堡的價格最初竟然要高到3,500萬日元，因此人工培養肉登上餐桌當初被認爲是不切實際的夢想。後來，隨着研究的不斷進步，因其具備無需宰殺動物以及生產環境負荷低等優點，作爲解決全球性課題的關鍵技術，世界各國都在推進研發。

東京大學研究生院資訊理工學系研究科與生產技術研究所的竹内昌治教授也是致力於人工培養肉研究的人之一。竹内教授的人工培養肉設想可以追溯到從2010年開始的進行了約6年的ERATO竹内生物融合專案。作爲使用細胞的製造應用領域，竹内教授還關注到了人工培養肉。

目前，竹内教授在未來社會創造專案「實施永續發展社會」領域擔任「透過三維組織工程學開發新一代食用肉生產技術」的研發代表，正致力於利用人工培養肉構築永續發展的資源循環型社會（圖3）。他就該專案的意義表示：「並非所有食用肉都可以只利用培養技術生產出來。但食材危機已經成爲一個嚴重問題。如果我們能用人工培養肉來代替一部分的食用肉，就可以向更多的人穩定的供應食材。」

圖3：未來社會創造專案中竹内專案的實施體制

層疊肌肉細胞片
製造出全球首個「骰子牛排」

很多企業開發的人工培養肉主要爲凝集肌肉細胞製作而成的碎肉。而竹内團隊的目標是實施以三維結構再現與天然肉相同的肌肉纖維、血管和結締組織的牛排肉。竹内教授表示：「雖然技術難度很高，但如果能實施，將會是口感和風味也與真肉完全相同的美味肉。我們的目標是要實施讓人覺得‘因爲美味，所以想喫’的人工培養肉。」

爲了實際製作人工培養肉，首先需要從牛身上提取增殖用的種子細胞。種子細胞在培養液中反復進行細胞分裂增加數量。通常的細胞培養中，細胞在二維平面上朝着不同的方向成長，無法形成三維結構，但把大量增加的肌細胞彙集到一起形成碎肉，這是可以利用目前技術低成本量產的。

然而，真正的肌肉是由單向排列的細長肌纖維構成的肌束結構，正是這種結構形成了肉的口感和韌性（圖4）。爲了再現與這種真肉相同的結構，就需要按照與真肉相同的方向培養肌纖維的技術，以及融合細胞形成肌組織特有的條狀「肌節結構」的成熟化技術（圖5）。竹内教授介紹說：「光憑現有技術無法製造出理想的人工培養肉，因此我們決定開發新的細胞培養技術。」

圖4：目前開發的還主要是纖維未定向的碎肉（左），竹内團隊計劃實施的肌肉定向牛排肉（右）

圖5：肌細胞的成熟程序。成肌細胞進行細胞融合，分化成多核肌纖維。隨着進一步進行分化，蛋白質呈條狀分佈，形成肌肉特有的結構——肌節結構。

竹内教授還發現維生素C可以促進細胞成熟，於是嘗試將牛的成肌細胞放入用膠原蛋白凝膠製作的帶有細長狹縫的模具中進行培養（圖6）。由此成功地形成了肌節結構。竹内教授笑着說：「成肌細胞會相互融合成長。我們設想，設置狹縫形成狹長的空間，細胞只能沿着長軸方向成長。事實證明的確如此。」研究團隊製作了可以排列這樣形成的肌纖維的片狀模組，透過將其重疊起來，成功製造了全球首個人工培養肉形成的骰子牛排（圖7）。

圖6：利用帶狹縫的模具培養出來的成肌細胞模組。透過交替堆疊形成空間結構。細胞沿着由狹縫分隔出來的細長空間融合，形成方向一致的肌纖維。

圖7：全球首個由人工培養肉形成的骰子牛排（左：1.0釐米×0.8釐米×0.7釐米）。利用紅色食用著色劑著色後，製成了顏色接近實際肉類的人工培養肉（右）

價格低廉且無需宰殺動物
探索可持續的製造方法

對於竹内教授而言，這只是他追求生產約100克重牛排肉的一箇中間點。他表示：「爲了更接近真肉，需要加粗加大肌纖維，並形成脂肪和血管等組織。另外，爲確立可永續利用的製造方法，需要研究的課題還有很多。」

竹内團隊目前正在攻克的課題之一是培養液的調整。培養液中含有細胞生長所需的營養成分以及含有促進細胞分裂的成長因子的血清成分。營養成分相對比較便宜，但血清成分要從胎牛的血液中提取，因此非常昂貴。竹内介紹說：「爲了將來能以不宰殺動物的方式持續製造人工培養肉，目前正探索可取代血清成分的培養液。如果能實施，還可以降低生產成本。」

第二個課題是肌細胞的增殖效率。並不是所有培養細胞都會分化成肌細胞，因此目前正在探索有助於高效增殖並分化成目標肌細胞的條件。竹内教授表示：「既有容易增殖但不會分化成肌細胞的細胞，也有完全相反的細胞，細胞的生物特性也各不相同。」雖然還沒找到一步到位能在工廠量產的培養條件，但研究團隊正努力在專案的支援期内找到解決這個問題的突破口。

第三個課題是向空間結構内部的營養供應問題。此前在二維空間培養時細胞完全浸入培養液中，每個細胞都能充分吸收營養。但立體成長時，營養成分無法抵達沒有接觸培養液的内部細胞，會造成細胞死亡。竹内教授表示：「透過層疊細胞片，可以建立空間結構，但爲了形成更大的塊體，目前正設法形成可在培養程序中供應養分的血管樣結構。」這裏應該能用到竹内教授的專業——組織工學方面的知識。

第四個課題是成熟化。已經應答到維生素C可以促進牛肌細胞成熟，此外還知道向肌纖維實施電刺激也能促進細胞成熟。然而，在實驗室環境下再現生物活體內理所當然發生的現象並不容易。因爲必須從無限的組合中找到添加維生素C和實施電刺激的最佳時機和量等條件。如果能解決這些問題，不僅可以高效製造人工培養肉，還有望爲再生醫療、組織工學和生物化學等領域帶來有用的知識。

探討如何確保安全
還需要評估「美味程度」

新加坡已從2020年開始銷售使用人工培養肉製作的小麥樂雞塊，但竹内教授目前還沒喫過自己製作的人工培養肉。他遺憾地表示：「我一直想自己品嚐一下，但還沒有試過」。因爲哪怕是自己在研究室裏製作的，如果實際試喫就會變成人體實驗。需要向大學的研究倫理委員會申請並獲批後才能試喫。竹内教授很有信心地表示：「由於是史無前例的申請，需要自行制定標準，經過與專案成員反復討論，現在終於到了可以申請的階段。希望不久研究人員就能試喫。」

不僅是大學内部，日本國内也在慎重地討論如何確保人工培養肉的安全問題。用於培養的試劑雖然在醫療用途透過了審批，但並沒有作爲食品流通。以培養液爲例，需要選用已被用於食品的產品，或者需要在國家指定的「食品添加劑清單」的範圍内選擇材料。

農林水產省從強化包括食用肉生產在内的食品安全的角度出發，於2020年成立了食品技術官民協議會。在充分考慮現有畜牧業的同時，仔細調查了人工培養肉流通時的課題，目前在討論立法事宜。竹内教授表示：「以食品標籤爲例，正討論應該使用什麼名稱等。由於與海外存在競爭，可能也有人希望能儘快上市銷售。但因爲是一項新技術，很多相關人士正聚集在一起，從不同的角度慎重討論」，他在冷靜地關注情況的進展。

作爲消費者，與安全同樣令人在意的應該是味道。慣用的「美味」評價是基於人的感覺來評價喜好和品質的「感官評價」。然而，評價是一項需要熟練技能和敏銳感覺的特殊工作。專門針對人工培養肉訓練這樣的評價人員並不現實。另外，牛肉分爲A5等不同的等級，不同等級表示可以從一頭牛身上獲得的肉量和初霜度，並不是評價美味程度的指標。

以製造真肉爲目標開展研究的竹内教授正重新思考肉的美味是什麼？這個根本性的問題。他還準備了向專家學習的機會，但目前尚未找到明確的答案。竹内教授從工程師的角度提議說：「評價美味涉及很多因素，很難進行評價，所以還是用數值表示更容易理解。食用時也是有客觀的評價更令人放心」。如果能開發出美味感測器，還可應用於現有食品，因此也十分期待感測器開發。

提供資訊讓消費者從「否定」轉向接受
日本品牌世界通用的

即使能製造出美味又安全的人工培養肉，消費者也不一定會購買。新技術出現時遭到一定程度的排斥並不少見，在食品中這種情況尤其嚴重，比如轉基因作物。同時也有很多像冷凍食品那樣已經融入日常生活的例子。因此，竹内教授正與開展聯合研究的日清食品控股公司和弘前大學的日比野愛子副教授等人持續實施關於人工培養肉的市民意識調查。

在製造出骰子大小牛排的人工培養肉的2019年，聯合研究團隊實施了2,000人規模的問卷調查（圖8）。回答願意嘗試人工培養肉的人佔27％，而回答不想嘗試的人達到44％。隨後再介紹了人工培養肉的優點，即有望成爲幫助解決糧食危機的技術以及爲動物福利做貢獻的技術，之後再次詢問是否想食用人工培養肉時，兩種情況均有50％的人回答願意嘗試。

圖8：2019年利用網際網路針對全國20～59歲的2,000名男女實施了人工培養肉的社會接受度調查。透過提供人工培養肉的資訊，回答願意嘗試人工培養肉的人出現增加。

可以說，這項問卷調查表明，即使是對人工培養肉持否定態度的人，如果能告訴他們爲何這項技術很重要，以及這項技術可以改變什麼等資訊，人工培養肉也可能會被接受。竹内教授表示：「這個結果再次讓我意識到與公衆對話的重要性。截至2019年，大多數人對人工培養肉並不是特別感興趣。如果也能向這些人普及人工培養肉的資訊，我覺得人工培養肉應該會被接受。」

爲此，竹内教授與女子美術大學的佐藤曉子特任副教授推進了合作專案。利用女大學生的感性運動，製作了傳達人工培養肉資訊的作品（圖9）。他笑着說：「大家絞盡腦汁思考應該如何以通俗易懂的方式介紹人工培養肉。我也思考了宣傳語，程序非常愉快。」另外，還與企業和相關團體舉行了研究會和研討會，竹内教授覺得人們對人工培養肉的認識和關注度正在穩步提高。

再生醫療領域和三維組織工程學是日本擅長的領域。此外，日本還有長期培養起來的和食文化和製造業文化。竹内教授就人工培養肉的未來充滿期待地表示：「日本品牌的人工培養肉應該也會被全世界廣泛接受。希望能利用日本的優點創造一個新的產業。」專案才剛剛起步，也離不開福斯的理解和政府的支援。竹内教授堅定地表示「讓我們一起實施對環境、動物和人類都友好的人工培養肉吧。」