3D打印“世界最貴牛肉”！72根纖維打造日本和牛牛排，或可精確定制脂肪與肌肉配比 | 專訪

此次，大阪大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用干細(xì)胞提取法和 3D 打印，并結(jié)合日本傳統(tǒng)糖果金太郎糖的制作手法，制備出此次號(hào)稱是全球第一塊人造和牛肉，并將這一獨(dú)特的制備方法命名為“金太郎糖 3D 打印術(shù)”。
從外觀來看，它看起來就像一塊真實(shí)的牛排，具備復(fù)雜的紋路，并含有肌肉、脂肪和血管。
和牛肉是一種日本特產(chǎn)，因此和牛也叫“日本牛”，它是世界上最昂貴的肉類之一，并因富含肌內(nèi)脂肪而聞名于世，人們還專門將這種脂肪稱為大理石紋。
據(jù)悉，大理石花紋是此次研究的獨(dú)特之處，這種花紋是和牛肉的招牌性亮點(diǎn)，可帶來濃郁口感和獨(dú)特的風(fēng)味。
8 月 24 日，相關(guān)論文以《通過使用肌腱凝膠集成生物打印技術(shù)組裝細(xì)胞纖維來設(shè)計(jì)整塊切肉狀組織》（ Engineered whole cut meat-like tissue by the assembly of cell fibers using tendon-gel integrated
bioprinting ）為題，發(fā)表在 Nature Communications 上

如此“以假亂真”的牛肉，到底是怎么做出來的？
其實(shí)用的是從牛身上分離出來的兩種干細(xì)胞，分別是牛肌肉衛(wèi)星細(xì)胞、和脂肪干細(xì)胞。
然后，研究人員孵育并誘導(dǎo)這些細(xì)胞成為可生成肌肉、脂肪和血管所需的纖維組織，接著把這些不同種類的纖維組織，以 3D 打印方式將它們排列成跟和牛肉相似的結(jié)構(gòu)，具體來說是把模擬大理石花紋的“肉片”進(jìn)行堆疊，再垂直切片，借此即可精細(xì)復(fù)刻和牛肉大理石花紋。
整個(gè)過程大致如下：
1、從動(dòng)物牛肉中收集可食用牛衛(wèi)星細(xì)胞（ bSCs ）、以及牛脂肪來源的干細(xì)胞（ bADSCs ），并進(jìn)行培養(yǎng)增殖；
2、使用“肌腱凝膠集成生物打印法”（ TIP， tendon-gel-integrated bioprinting  ）方法來制造細(xì)胞纖維，隨后使其分化為骨骼肌、脂肪和毛細(xì)血管纖維；
3、通過模擬實(shí)際牛排的組織結(jié)構(gòu)，對(duì)牛排樣肉進(jìn)行組裝。由于肌腱是肌纖維排列的關(guān)鍵組織，研究人員還通過“肌腱凝膠集成生物打印法”制作了肌腱凝膠，使其與肌細(xì)胞纖維連接，進(jìn)而制作出完整的肌纖維。
3D 打印機(jī)上的軟件會(huì)在生產(chǎn)肉類時(shí)定好放置血液、肌肉和脂肪的最佳位置。打印完成后將肉壓緊，再把所有層粘在一起，這時(shí)人造和牛肉就誕生了。
而人造和牛肉越重，制備時(shí)間就越長(zhǎng)。但即使是最小的肉片，也需要幾個(gè)小時(shí)才能完成制作。
他們還借鑒了日本金太郎糖的制作方法，這是一種古老的傳統(tǒng)糖果，制作時(shí)首先要把原材料制成長(zhǎng)管狀，然后再將不同原料堆疊，最后垂直切割成薄片。使用類似于金太郎糖的生產(chǎn)方法，他們把實(shí)驗(yàn)室培育的纖維組織堆疊起來，然后進(jìn)行垂直切割，如此就能定制不同結(jié)構(gòu)的人造肉。
該團(tuán)隊(duì)把這種方法叫“金太郎糖 3D 打印術(shù)”，即通過 3D 打印肌肉、脂肪、血管等不同的纖維組織，像制作金太郎糖一樣將其整合，從而再現(xiàn)肉的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。
在一塊真正牛排肉中，會(huì)有很多由骨骼肌纖維組成的肌束結(jié)構(gòu)，它們與肌腱相連，具有收縮和放松運(yùn)動(dòng)的功能。其中，肌纖維被筋膜覆蓋，肌束被脂肪和毛細(xì)血管包圍。而牛排的肌肉、脂肪和毛細(xì)血管占比，則因肉類類型而異。
例如，日本和牛其臀部的瘦肉只有 10.7 % 的脂肪組織，而西冷（牛腰肉）的脂肪比例卻高達(dá) 47.5 % 。因此，按所需的位置、比例和數(shù)量，去組裝三種纖維的方法，將是制造牛排的關(guān)鍵技術(shù)。
此前的人造肉生產(chǎn)技術(shù)，大多只能制造出由肌肉纖維構(gòu)成的接近碎肉末的結(jié)構(gòu)，很難再現(xiàn)肉的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。而“金太郎糖 3D 打印術(shù)”可定制出類似于真正肉類的復(fù)雜組織結(jié)構(gòu)。
該團(tuán)隊(duì)表示日后通過技術(shù)改善，還可做出讓人造肉具備天然和牛肉那樣的大理石紋，也可通過控制脂肪和肌肉的成分含量，來讓人造肉看起來更肥美，或者具備不同的口感

如果能做到的話，顧客可根據(jù)個(gè)人口味和健康需求，來定制相應(yīng)脂肪量的人造培養(yǎng)肉。
另外，如果可開發(fā)出除了 3D 打印以外的肌肉、脂肪、血管細(xì)胞培養(yǎng)過程的自動(dòng)裝置，那么無論在哪里都能制備人造肉，成本也會(huì)得到降低。
而之所以選擇“金太郎糖 3D 打印術(shù)”方法，是因?yàn)樵搱F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，雖然各類培植肉層出不窮。然而，培養(yǎng)成分和結(jié)構(gòu)類似于真正牛排、即具有脂肪細(xì)胞和排列整齊的肌肉組織的人造肉仍然很有挑戰(zhàn)。
這時(shí)，就可嘗試使用各種組織工程技術(shù)，如細(xì)胞片工程、細(xì)胞纖維工程、以及用于模擬牛排結(jié)構(gòu)特征的 3D 細(xì)胞打印。其中， 3D 細(xì)胞打印具有可伸縮性和結(jié)構(gòu)的可控性，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。
此次發(fā)明的“金太郎糖 3D 打印術(shù)”的前身是“水浴 3D 打印技術(shù)”（ SBP， supporting bath-assisted 3D printing ）。在 SBP 方法中，打印原材料要放置在凝膠中、或是含有硫氧熵的懸浮液中。
在剪切力的作用下，凝膠的粘度會(huì)變低，從而使打印材料均勻散布。當(dāng)剪切力釋放之后，凝膠又能恢復(fù)到支持打印的高粘度狀態(tài)。SBP 方法的好處，在于不僅能克服打印材料在凝膠中散布范圍有限的問題，還能解決在空氣環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間 3D 打印所引起的肉表面干燥等問題。

丁世杰告訴 DeepTech ：“未來在解決肌腱膠原去動(dòng)物化、 3D 打印的速度和規(guī)模等問題后，有望實(shí)現(xiàn)和真肉類似口感、質(zhì)地和風(fēng)味的培養(yǎng)肉產(chǎn)品生產(chǎn)?！?/span>
目前，該團(tuán)隊(duì)尚未透露生產(chǎn)牛排的所需成本，也沒有公開還需多久能推向市場(chǎng)，但該研究本身就是“為應(yīng)用而生”，因此必然有對(duì)應(yīng)的落地計(jì)劃。
總體而言，該研究為 3D 打印定制肉打開了一扇大門，它向人們證明了定制復(fù)雜肉組織結(jié)構(gòu)的人造肉的可能性，在方法上不僅環(huán)境友好度高，而且具備可持續(xù)性。
而人造肉的主要背景是，盡管聯(lián)合國(guó)預(yù)測(cè)世界人口在 2050 年將達(dá)到 97 億人，但是目前的人造肉技術(shù)只能達(dá)到“碎肉末”類似結(jié)構(gòu)的水平，這種人造肉在口感和味道上都相比真正的肉較差，而該團(tuán)隊(duì)則希望讓“金太郎糖 3D 打印術(shù)”，成為未來蛋白質(zhì)短缺的解決方案之一。
一直以來，養(yǎng)牛過程中都會(huì)排放大量的溫室氣體，傳統(tǒng)和牛飼養(yǎng)方式通常被認(rèn)為是不可持續(xù)的，這也是科學(xué)家大力研發(fā)人造肉的初衷。
此前的人工肉，只能達(dá)到組織相對(duì)紊亂的肌肉纖維細(xì)胞水平，也沒有相應(yīng)方法去復(fù)制真正牛排的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，而此次的人造和牛肉，實(shí)現(xiàn)了從人造碎肉到人造肉塊的跨越。
而 3D 打印和食品也并非首次結(jié)合，本世紀(jì)初康奈爾大學(xué)的學(xué)生，最先提出使用 3D 打印技術(shù)來制作奶酪、曲奇面團(tuán)和巧克力。到了 2018 年，西班牙初創(chuàng)公司 Novasteak 成為了歷史上第一家 3D 打印人造牛排的商業(yè)生產(chǎn)商。
據(jù)全球領(lǐng)先的市場(chǎng)研究咨詢公司 Markets and Markets 的數(shù)據(jù)顯示，到 2027 年，由細(xì)胞為基礎(chǔ)來制造人造肉的肉類產(chǎn)業(yè)價(jià)值或達(dá) 2000 萬美元。像此次的人造和牛肉，如果可以打入食品供應(yīng)鏈，那么 3D 打印人造肉有望替代動(dòng)物牛肉。
研究人員表示據(jù)他們所知，這是第一個(gè)演示制作全切培養(yǎng)的肉樣組織的報(bào)告。
但是此次得到的人造肉還只是一個(gè)小塊，而且不可食用。在未來，研究人員還需針對(duì)培養(yǎng)基的細(xì)胞打印可伸縮性、以及相關(guān)材料的可食用性做迭代。
此外，他們也期待“肌腱凝膠集成生物打印法”在未來可用來培養(yǎng)肌肉纖維組織，屆時(shí)人造肉的細(xì)胞打印會(huì)更方便。

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