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3D打印“世界最贵牛肉”!72根纤维打造日本和牛

发布时间 2021-10-07 15:02

  3D打印“世界最贵牛肉”!72根纤维打造日本和牛牛排,或可精确定制脂肪与肌肉配比 专访

  近日,日本大阪大学的科学家打印 42 条肌肉纤维、 28 条脂肪组织、 2 条毛细血管,将其束在一起后,制造出直径 5 mm 、全长 15 mm 的肉块

  该团队表示,将纤维组织束在一起后,即可让人造肉口感接近真实牛肉。此前联合造出中国第一块细胞培养肉的南京农业大学食品科技学院副教授丁世杰告诉 DeepTech :“这给大块的培养肉生产提供了一个很好的产品解决方案。”

  此次,大阪大学团队采用干细胞提取法和 3D 打印,并结合日本传统糖果金太郎糖的制作手法,制备出此次号称是全球第一块人造和牛肉,并将这一独特的制备方法命名为“金太郎糖 3D 打印术”。

  从外观来看,它看起来就像一块真实的牛排,具备复杂的纹路,并含有肌肉、脂肪和血管。

  和牛肉是一种日本特产,因此和牛也叫“日本牛”,它是世界上最昂贵的肉类之一,并因富含肌内脂肪而闻名于世,人们还专门将这种脂肪称为大理石纹。

  据悉,大理石花纹是此次研究的独特之处,这种花纹是和牛肉的招牌性亮点,可带来浓郁口感和独特的风味。

  其实用的是从牛身上分离出来的两种干细胞,分别是牛肌肉卫星细胞、和脂肪干细胞。

  然后,研究人员孵育并诱导这些细胞成为可生成肌肉、脂肪和血管所需的纤维组织,接着把这些不同种类的纤维组织,以 3D 打印方式将它们排列成跟和牛肉相似的结构,具体来说是把模拟大理石花纹的“肉片”进行堆叠,再垂直切片,借此即可精细复刻和牛肉大理石花纹。

  1、从动物牛肉中收集可食用牛卫星细胞( bSCs )、以及牛脂肪来源的干细胞( bADSCs ),并进行培养增殖;

  2、使用“肌腱凝胶集成生物打印法”( TIP, tendon-gel-integrated bioprinting )方法来制造细胞纤维,随后使其分化为骨骼肌、脂肪和毛细血管纤维;

  3、通过模拟实际牛排的组织结构,对牛排样肉进行组装。由于肌腱是肌纤维排列的关键组织,研究人员还通过“肌腱凝胶集成生物打印法”制作了肌腱凝胶,使其与肌细胞纤维连接,进而制作出完整的肌纤维。

  3D 打印机上的软件会在生产肉类时定好放置血液、肌肉和脂肪的最佳位置。打印完成后将肉压紧,再把所有层粘在一起,这时人造和牛肉就诞生了。

  而人造和牛肉越重,制备时间就越长。但即使是最小的肉片,也需要几个小时才能完成制作。

  他们还借鉴了日本金太郎糖的制作方法,这是一种古老的传统糖果,制作时首先要把原材料制成长管状,然后再将不同原料堆叠,最后垂直切割成薄片。使用类似于金太郎糖的生产方法,他们把实验室培育的纤维组织堆叠起来,然后进行垂直切割,如此就能定制不同结构的人造肉。

  该团队把这种方法叫“金太郎糖 3D 打印术”,即通过 3D 打印肌肉、脂肪、血管等不同的纤维组织,像制作金太郎糖一样将其整合,从而再现肉的复杂结构。

  在一块真正牛排肉中,会有很多由骨骼肌纤维组成的肌束结构,它们与肌腱相连,具有收缩和放松运动的功能。其中,肌纤维被筋膜覆盖,肌束被脂肪和毛细血管包围。而牛排的肌肉、脂肪和毛细血管占比,则因肉类类型而异。

  例如,日本和牛其臀部的瘦肉只有 10.7 % 的脂肪组织,而西冷(牛腰肉)的脂肪比例却高达 47.5 % 。因此,按所需的位置、比例和数量,去组装三种纤维的方法,将是制造牛排的关键技术。

  此前的人造肉生产技术,大多只能制造出由肌肉纤维构成的接近碎肉末的结构,很难再现肉的复杂组织结构。而“金太郎糖 3D 打印术”可定制出类似于真正肉类的复杂组织结构。

  该团队表示日后通过技术改善,还可做出让人造肉具备天然和牛肉那样的大理石纹,也可通过控制脂肪和肌肉的成分含量,来让人造肉看起来更肥美,或者具备不同的口感

  如果能做到的话,顾客可根据个人口味和健康需求,来定制相应脂肪量的人造培养肉。

  另外,如果可开发出除了 3D 打印以外的肌肉、脂肪、血管细胞培养过程的自动装置,那么无论在哪里都能制备人造肉,成本也会得到降低。

  而之所以选择“金太郎糖 3D 打印术”方法,是因为该团队发现,虽然各类培植肉层出不穷。然而,培养成分和结构类似于真正牛排、即具有脂肪细胞和排列整齐的肌肉组织的人造肉仍然很有挑战。

  这时,就可尝试使用各种组织工程技术,如细胞片工程、细胞纤维工程、以及用于模拟牛排结构特征的 3D 细胞打印。其中, 3D 细胞打印具有可伸缩性和结构的可控性,因此具有广阔的应用前景。

  此次发明的“金太郎糖 3D 打印术”的前身是“水浴 3D 打印技术”( SBP, supporting bath-assisted 3D printing )。在 SBP 方法中,打印原材料要放置在凝胶中、或是含有硫氧熵的悬浮液中。

  在剪切力的作用下,凝胶的粘度会变低,从而使打印材料均匀散布。当剪切力释放之后,凝胶又能恢复到支持打印的高粘度状态。SBP 方法的好处,在于不仅能克服打印材料在凝胶中散布范围有限的问题,还能解决在空气环境中长时间 3D 打印所引起的肉表面干燥等问题。

  丁世杰告诉 DeepTech :“未来在解决肌腱胶原去动物化、 3D 打印的速度和规模等问题后,有望实现和真肉类似口感、质地和风味的培养肉产品生产。”

  目前,该团队尚未透露生产牛排的所需成本,也没有公开还需多久能推向市场,但该研究本身就是“为应用而生”,因此必然有对应的落地计划。

  总体而言,该研究为 3D 打印定制肉打开了一扇大门,它向人们证明了定制复杂肉组织结构的人造肉的可能性,在方法上不仅环境友好度高,而且具备可持续性。

  而人造肉的主要背景是,尽管联合国预测世界人口在 2050 年将达到 97 亿人,但是目前的人造肉技术只能达到“碎肉末”类似结构的水平,这种人造肉在口感和味道上都相比真正的肉较差,而该团队则希望让“金太郎糖 3D 打印术”,成为未来蛋白质短缺的解决方案之一。

  一直以来,养牛过程中都会排放大量的温室气体,传统和牛饲养方式通常被认为是不可持续的,这也是科学家大力研发人造肉的初衷。

  此前的人工肉,只能达到组织相对紊乱的肌肉纤维细胞水平,也没有相应方法去复制真正牛排的复杂结构,而此次的人造和牛肉,实现了从人造碎肉到人造肉块的跨越。

  而 3D 打印和食品也并非首次结合,本世纪初康奈尔大学的学生,最先提出使用 3D 打印技术来制作奶酪、曲奇面团和巧克力。到了 2018 年,西班牙初创公司 Novasteak 成为了历史上第一家 3D 打印人造牛排的商业生产商。

  据全球领先的市场研究咨询公司 Markets and Markets 的数据显示,到 2027 年,由细胞为基础来制造人造肉的肉类产业价值或达 2000 万美元。像此次的人造和牛肉,如果可以打入食品供应链,那么 3D 打印人造肉有望替代动物牛肉。

  但是此次得到的人造肉还只是一个小块,而且不可食用。在未来,研究人员还需针对培养基的细胞打印可伸缩性、以及相关材料的可食用性做迭代。

  此外,他们也期待“肌腱凝胶集成生物打印法”在未来可用来培养肌肉纤维组织,届时人造肉的细胞打印会更方便。

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