巴西Susan Grace Karp研究综述
Enzymes in the production of cultivated meat products
酶类在细胞培养肉技术中应用进展
原文链接
https://doi.org/10.1007/s43393-024-00284-6
酶在肉类加工和成熟中起着举足轻重的作用，其可以通过催化部分蛋白质水解来影响肉制品的口感和风味。除了靠天然肉类内源的酶发挥作用，人们也开始尝试在加工过程中添加外源酶来对肉类进行处理，以期改善及提高肉制品的质地和风味。作者在本文中介绍了酶在传统肉制品及新兴的细胞培养肉生产中的主要应用。例如在细胞培养的早期阶段可以使用如组织蛋白酶和钙蛋白酶等酶处理来提高细胞培育肉的口感；而转谷氨酰胺酶的使用则可以促进蛋白质间的交联反应来调节细胞培养肉的质地。作者总结了当前最新的细胞培养肉技术中使用酶的研究进展以及未来产业化技术挑战，并对细胞培养肉技术的未来重点研究方向进行展望。
图一 细胞培养肉制备及应用
研究背景
现代肉制品加工工艺中，酶在改善肉质的嫩度、风味、质感和保鲜方面起着至关重要的作用。在传统肉制品加工工艺中，主要依靠细胞死亡后激活的内源性蛋白酶促进蛋白质的部分水解来提升其嫩度和风味。随后为进一步改善肉制品的适口性，一些来源于植物的外源性蛋白酶也被用于传统肉产品工过程，以此进一步软化肉质并提升口感。近来，人们逐渐开始青睐新兴的细胞培养肉产品。2021年，市场在细胞培养肉类产业的投资高达13.8亿美元，占到历史总投资的70%。尽管相关产业投资日益增多，但细胞培养肉技术的发展及应用仍然掣肘于高昂的生产成本与较高的技术门槛。更重要的是，当前的细胞培养肉在生产过程中使用了抗生素及生长因子等组分，可能会导致最终产品的感官属性如质地、风味和香气等与天然肉类存在差距，而如何让消费者接受此类产品也是问题。于是科研人员开始分析如何更好利用酶来提高这类细胞培养肉的质量。
科学发现
在传统肉类加工过程中，动物肉通过一系列自身细胞内源酶催化反应转变成适合使用的肉制品。在动物被屠宰后，其肌肉细胞从有氧代谢转为无氧代谢，此时肌糖原被快速消耗产生ATP及乳酸，导致细胞内pH值在6至8小时内从7.0下降到5.6-5.7。当ATP最终耗尽后，肌动蛋白和肌球蛋白之间发生不可逆的相互作用，导致肌肉整体变僵硬（图二）。而在屠宰后三至四天肉类逐渐成熟，这一阶段中关键的内源性酶如钙蛋白酶、抑钙蛋白酶和组织蛋白酶各自针对特定肌肉结构发挥作用，以改善肉的风味、嫩度并延长保质期。
图二 传统肉类在加工过程的变化
此外，作者总结了许多研究中使用的各种来源于植物的外源性酶来进一步增加肉的嫩度，如菠萝中的溴梅酶、无花果中的酶、生姜中的生姜酶、猕猴桃和鹅莓中的激肽酶以及木瓜中的木瓜酶。这些酶能通过粉末、提取物、腌制液或直接注射的形式添加到肉类中来软化肉质（表一）。
表一 肉质嫩化所使用的植物酶
在这些酶中，木瓜蛋白酶是来源于木瓜乳液的重要植物来源酶，可以用来促进肉类的成熟和嫩化。然而，由于木瓜蛋白酶对肌原纤维和胶原蛋白催化可能影响肉制品的观感，过度使用会导致肉制品呈现粘稠态，并使得肉类汁液过度流失、口感发苦。但是，研究发现在使用木瓜蛋白酶时添加抗坏血酸来改变环境pH减少负面影响，因为木瓜蛋白酶在pH 5.5至6.0之间有效，而其分解胶原蛋白的活性在pH 6.0、50至60°C的温度范围时最高；此外，在90°C时，木瓜蛋白酶也会丧失活性，而在6.0°C时，其活性也急剧降低到6%。
因此，作者认为，肉制品加工中植物来源蛋白酶的添加可以进行定制化与统一化，以提高加工嫩化肉类批次间一致性。作者总结了不同植物来源酶的温度-pH活性谱（图三）。与上文提及的木瓜蛋白酶可以在pH值为5.5-6.0和温度为50-60°C时广泛作用于肉类蛋白质和胶原蛋白的条件不同，菠萝蛋白酶则在pH 5.4、10-20°C的催化条件下效果最好，可以使得肉制品汁水更多、口感更嫩。而组织蛋白酶在高达70°C的酸性环境中依旧具有活性，可以在传统肉制品的后期成熟阶段添加。作者认为未来需要在细胞培养肉工艺的不同阶段分别优化使用酶的组合与条件，以克服传统肉类嫩化方法面临的一些如过度嫩化或肉质破坏等问题。
图三 各类蛋白酶的温度-pH活性谱
细胞培养肉生产首先需要使用物理解离及酶消化的手段，将用于生产培养肉的细胞从骨骼肌细胞或其他干细胞组织中分离出来。作者讨论了使用分散酶II、胶原蛋白酶、胰蛋白酶等酶在细胞分离过程中的优势与不足。例如在使用胰蛋白酶与纤维蛋白酶分离牛生肌细胞的过程中，尽管这两种酶都很有效，但后者的产量更高。同时，与胰蛋白酶相比，使用链霉蛋白酶分离的细胞不仅具有更强的细胞粘附能力和也有更高的增殖率。虽然相关研究没有报道这些酶在细胞分离效率上不同的原因，以及一些蛋白酶切割的具体机制，但作者认为这与蛋白酶作用的底物谱有关，所以在细胞分离的早期阶段，酶的选择至关重要，因为它将改变细胞的行为，从而影响整个生产过程的效率和质量。。
表二 酶法细胞分离技术
更重要的是，细胞培养肉的市场推广也受到消费者接受程度的影响，特别是在其感官属性如质地、风味与天然肉制品差异方面。这些属性受到肉类分子组成的影响，包括蛋白质总量、肌红蛋白及一些挥发性化合物的含量。作者认为如何对实验室细胞培养肉进行后处理，以实现对其结构和组成的调整，对提高细胞培养肉至更佳风味的最终产品至关重要。尽管传统肉类在加工与成熟中的细胞死亡后的代谢过程已被充分研究，但关于细胞培养肉在加工与成熟的类似过程中仍缺乏相关信息。作者推断，通过额外添加细胞死亡后激活的蛋白酶 ，如钙蛋白酶或组织蛋白酶等，可以模拟这些肉类自然成熟的过程来减少细胞培养肉与天然肉制品的肉质差异。此外，通过应用转谷氨酰胺酶等具有交联蛋白质能力的酶，可以在体外使得蛋白质间形成稳定的交联来增强细胞培养肉制品的结构和保水性，进一步使得细胞培养肉成型，为大众可接受的细胞培养肉的商业化生产提供了重要技术支持。
表三 细胞培育肉成型技术
最后，作者分析了细胞培养肉的相关专利信息，发现这些专利主要由初创公司和大学提交（表四）。自2020年以来，细胞培养肉相关的专利申请数量显著增加，其中主要的申请国包括中国、韩国、美国和以色列等。其中，江南大学提交的专利文件CN111513263-A提供了一种利用转谷氨酰胺酶来改善细胞培养肉形态和口感的方法。该方法使用混合动物干细胞培养肉乳化液、磷酸盐、水、酪蛋白粉及转谷氨酰胺酶，在特定条件下搅拌即可形成密度高、风味好的细胞培养肉制品。
另一专利CN117247886-A则使用转谷氨酰胺酶与植物蛋白制造可食用的水凝胶支架用于细胞，并添加了原花青素用于模拟真实肌肉的颜色和质地。这些技术的应用不仅优化了细胞培养肉的结构和感官属性，也展示了现代生物技术在食品制造中的广泛潜力。
表四 细胞培养肉中使用转谷胺酰胺酶的专利文件
总结展望
细胞培养肉技术是近年来备受瞩目的新型食品合成生物技术，但其仍然存在许多技术瓶颈及经济成本限制。当前虽然研究人员提出了使用组织蛋白酶和钙蛋白酶等酶来提高细胞培养肉产品的适口性、利用转谷氨酰胺酶等酶促进蛋白质间的交联反应改善细胞培养肉的结构与形态的方案，但这些酶在相关肉制品中的具体效果及应用工艺仍需进一步探索与优化。作者认为，未来研究应进一步剖析内源性和外源性酶在细胞培养肉加工不同阶段的组合添加优化方案，以及转谷氨酰胺酶等具有催化蛋白交联能力酶在开发消费者可接受的细胞培养肉制品中的潜力。
引用方式
Karp, S.G., Weber, M.Z., Biagini, G. et al. Enzymes in the production of cultivated meat products. Syst Microbiol and Biomanuf (2024). https://doi.org/10.1007/s43393-024-00284-6
Systems Microbiology and Biomanufacturing(系统微生物学与生物制造，简称SMAB，ISSN：2662-7655) 是由江南大学主办，Springer Nature出版集团出版的英文期刊。期刊SMAB致力于为工业微生物与生物制造过程领域的新发现、新方法和新技术提供报道的平台，由江南大学徐岩教授和Bioresource Technology期刊原主编Ashok Pandey教授担任本刊主编，编委分布于全球近20个国家，更多内容详见期刊主页。
2
编审周期：
目前，第一轮评审时间平均为22天，稿件录用后将及时在线发表。
SMAB诚邀系统微生物学与生物制造领域的研究人员踊跃投稿！投稿范围包括但不限于：工业微生物学与发酵工程、合成生物学与代谢工程、工业酶学与生物催化、食品组学与食品生物制造、系统生物学与发酵过程优化控制等。稿件类型包括研究论文(Research article)、综述(Review)和快讯(Short communication)。
期刊主页：
https://www.springer.com/journal/43393
投稿平台：https://www.editorialmanager.com/smab/default.aspx
