【學習重點】
文章目錄｜探索細胞培養肉的科學世界
- 不是大豆做的素肉，而是真正的動物肌肉組織？
- 體外養肉的三大法寶與25萬歐元的傳奇漢堡
- 細胞的指數倍增術：細胞分裂與細胞分化
- 從蒼白絞肉到3D列印和牛
- 能量塔的啟示：細胞培養肉一定更環保嗎？
- 氣候變遷下的飲食革命與我們的行動
- 附錄：科普小教室與冷知識
- 認識「細胞培養肉」的生物科技原理，並分辨其與「植物肉」的差異。
- 了解肌肉衛星細胞如何透過細胞分裂與分化，形成具有肌肉特徵的「組織」層次肉品。
- 探索 3D 生物列印與組織工程的研究進展，並思考細胞培養肉可能帶來的環境效益及其限制。
「細胞培養肉」（英文：Cultivated Meat 或 Cultured Meat），也常被稱為「實驗室培育肉」。這項結合細胞生物學與組織工程的技術，讓科學家可以從動物取得少量細胞，在受控制的培養環境中增殖與分化，再加工成肉類食品；其中的部分製程會使用生物反應器（Bioreactor）。
過去人類若想吃一塊牛排，往往需要經過飼養動物的過程；如今研究人員可以從動物取得少量組織樣本，分離並培養細胞，嘗試製作出真正源自動物細胞的肉品。這項由細胞生物學與再生醫學延伸到食品科學的創新，正在探索另一種肉類生產方式；至於能否減少土地、水與溫室氣體排放，仍需要依實際製程進行評估。
走在超市裡，我們常看到標榜環保的「未來肉」或「新興肉品」，但這些產品的原料與製造原理不一定相同。尤其「細胞培養肉」和常見的「植物肉」，若從細胞來源與生產方式來比較，就能看出重要差別：
植物肉（Plant-based Meat）：主要使用大豆、豌豆、小麥等植物性蛋白質，透過食品加工（例如擠壓成型），製作出類似肉絲的纖維口感。這類產品並不是由動物肌肉細胞培育而成。另外，某些肉類替代品使用真菌蛋白；真菌不屬於植物界，不能直接算作植物性蛋白原料。
細胞培養肉（Cultivated Meat）：以動物來源的細胞為起點，例如骨骼肌中的「肌肉衛星細胞」（Myosatellite cells），經培養增殖、分化及後續食品加工形成肉品。它的細胞來源確實屬於動物，但實際產品的肌肉、脂肪組成與口感，仍會受到細胞種類及製程影響，不能認為所有培養肉都與傳統牛排完全相同。
從「生物組成層次」看培養肉與傳統肉排的差別：
基礎培養肉以細胞或肌肉組織為核心：多細胞動物的組成層次由小到大，依序為「細胞 → 組織 → 器官 → 器官系統 → 個體」。培養中的細胞若尚未分化、排列成具特定構造的肌肉組織，不能只因為聚集在一起就稱為成熟組織；當成肌細胞分化、融合並形成具有肌肉特徵的構造時，才適合以「肌肉組織」理解。某些培養肉產品也會混合脂肪細胞或其他成分。
傳統肉排包含多種組織：來自牛隻身體的肉塊，以骨骼肌組織為主，也含有脂肪與結締組織，並可能留有血管和神經相關構造。較大的血管，其管壁由不同組織共同構成；但不能把肉排中看見的每條微血管都直接當成一個獨立「器官」。
因此，細胞培養肉與植物肉最根本的差別在於「細胞來源」。不過，若想由基本的培養細胞或肌肉組織，製作出具有油花與嚼勁的立體肉排，還必須進一步處理肌肉、脂肪的排列、支架與養分輸送等組織工程問題。
既然離開了動物的身體，肌肉細胞沒有心臟幫它打血、也沒有小腸幫它消化食物，科學家究竟是怎麼在實驗室裡把細胞養大的呢？根據組織工程學的研究，這座微型生命工廠主要仰賴三大核心法寶：
1. 肌肉衛星細胞（生命的種子）： 隱藏在肌肉纖維旁的修補專家。
⚫ 活體微創採樣：在動物的骨骼肌纖維中，肌肉衛星細胞位於肌纖維的細胞膜與基底膜之間，是參與肌肉修復的成體幹細胞。科學家可採集少量肌肉組織，分離出衛星細胞再進行培養。活體採樣通常不需屠宰動物，但仍須注意採樣對動物造成的傷害、術後照護與動物福利。
2. 細胞培養液（模擬血液的營養湯）： 直接供應細胞代謝與合成所需的原料。
⚫ 精準的生理配方：培養液可提供葡萄糖（供應細胞代謝所需能量）、胺基酸（合成蛋白質的原料）、脂肪酸、無機鹽類以及調控生長的因子，並維持適當的酸鹼值與滲透壓。培養環境需控制溫度、氣體與衛生條件；例如牛的部分細胞常在接近 37°C 的環境中培養，但不同細胞與製程的條件並不完全相同。
3. 可食用立體支架（細胞的攀爬架與健身房）： 引導細胞排隊站好、長出嚼勁。
⚫ 定向排列與收縮訓練：要製作具有立體構造與嚼勁的肉品，科學家可利用海藻酸鹽、植物蛋白或膠原蛋白等材料製成「可食用立體支架」（Scaffold），引導肌肉細胞附著、排列並形成纖維；有些研究也嘗試施加機械張力或電刺激，促進肌肉成熟。但並非所有培養肉產品或細胞增殖階段都一定需要立體支架或電刺激。
🔬 【科學大發現：2013 年第一顆公開試吃的「25 萬歐元」培養牛肉漢堡】2013 年 8 月 5 日，荷蘭馬斯垂克大學（Maastricht University）的血管生理學家馬克・波斯特（Mark Post）教授，在倫敦公開展示並試吃培養牛肉漢堡。根據 New Harvest 細胞農業基金會的紀錄與英國《衛報》（The Guardian）的現場報導，研究團隊將牛的肌肉細胞培養成約 20,000 條細小肌纖維，再組合成約 142 公克（5 盎司）的漢堡排。當時整項示範研究的費用約為 25 萬歐元，並非一塊漢堡在商業量產時的正常售價。這場試吃證明利用動物細胞製作可食肉品在技術上具有可行性，但距離大規模平價生產，當時仍有很大挑戰。
為什麼研究人員可以從少量動物細胞開始，逐漸培養出更多細胞，並進一步製作肉品？這個概念可以和國中生物學過的「細胞分裂」及「細胞分化」相互連結。實際大規模生產還需要合適的細胞株、培養設備與製程控制，並不是單靠細胞自然倍增就能輕易得到數百公斤的肉。
- 第一棒——靠「細胞分裂」增加數量：肌肉衛星細胞在合適的培養條件下，可透過有絲分裂（Mitosis）增殖。理想情況下，若從 1 顆細胞開始且每輪都成功分裂，經過 n 輪分裂，數量可達 2ⁿ 顆（1 → 2 → 4 → 8……）；實際培養會受細胞生長與死亡等因素影響，並非永遠如此倍增。有絲分裂通常能使子細胞保有與母細胞相同的染色體數目；例如正常牛體細胞為雙套染色體（2n）。不過，長期培養仍可能發生遺傳變異，因此不能說 DNA 或基因「絕對不會改變」。
- 第二棒——靠「細胞分化」形成肌肉纖維：如果細胞只持續增殖，還不足以做出具有肌肉構造與口感的肉品。研究人員可調整培養條件，引導成肌細胞（Myoblasts）停止增殖並開始分化；許多單核成肌細胞會互相融合，形成細長的多核肌管（Myotubes），接著逐漸產生肌動蛋白與肌凝蛋白等收縮蛋白，形成更具肌肉特徵的構造。
四、 從「蒼白絞肉」到「3D 列印和牛」：厚實肉排的養分輸送難關
當年馬克・波斯特教授展示第一顆培養漢堡時，現場試吃的營養學家指出，肉排具有肉類的口感，但因脂肪不足而不夠多汁；當時培養出的肌纖維顏色偏淡，團隊也使用甜菜根汁等材料調整成品外觀。若要進一步從簡單的肉末或肉排，發展成具有油花的厚實牛排，科學家仍須努力解決下列難題：
- 破解「擴散作用」的養分輸送限制：細胞需要氧氣與養分；但在缺乏血管或灌流通道的厚實組織中，物質只能從外部向內擴散，距離愈遠就愈容易供應不足。研究常指出氧氣在許多組織中的有效擴散距離約為數十至數百微米，實際距離受細胞密度、耗氧速率與培養條件影響，並不存在超過固定「0.5 毫米」就一定死亡的通用界線。2013 年的漢堡以約 2 萬條細小肌纖維組合成形，是早期概念驗證的做法；若要培養較厚的立體肉塊，則需另外設計氧氣與養分的供應方式。
- 共培養「脂肪細胞」與調整肉色：傳統牛排的油花主要來自脂肪組織，而肉的紅色與肌肉細胞中的「肌紅蛋白」（Myoglobin）有關。研究人員正在探索培養肌肉細胞與脂肪細胞的方法，並調整成熟條件，以改善培養肉的風味、質地與顏色；但不同產品能達到的效果仍有差異。
- 生物列印模擬「和牛大理石紋油花」：根據《TechNews 科技新報》報導及大阪大學團隊於 2021 年發表的研究，研究人員利用 3D 生物列印與組織組裝方法，製作肌肉、脂肪及血管相關的纖維構造，再將它們排列成模仿和牛油花的微型組織。當時展示的樣品約直徑 5 毫米、長 10 毫米，屬於研究階段的概念驗證，並非已能大量製造、在市場上販售的厚切和牛牛排。未來若要製作更大塊的肉品，仍需解決養分輸送、結構、成本與食品安全等問題。
（補充：早期細胞培養常使用取自牛胎兒的「胎牛血清」。目前已有多種無動物血清培養液的研究與應用，可減少對動物來源原料的依賴，但成本、配方與量產效率仍需改善。食品法規方面，新加坡已准許部分經安全評估的細胞培養食品，美國也有特定產品完成 FDA 上市前安全諮詢，並須依產品類別符合 FDA 與 USDA 的相關要求。這不是所有細胞培養肉都已獲准上市的意思。）
除了滿足味蕾，細胞培養肉也引發另一個值得思考的問題：與傳統畜牧業相比，它是否能降低資源消耗與氣候衝擊？我們可以用國中生物的「能量塔（Energy Pyramid）」與「碳循環」作為起點，再透過完整的生命週期評估（Life Cycle Assessment，LCA）分析實際影響。
🌱 從「十分之一法則」思考能量傳遞：在食物鏈中，植物把太陽能轉為化學能；草食動物攝食植物後，部分能量用於呼吸、活動及生命維持，只有一部分能儲存在生物體內，進入下一營養階層。教科書常用「十分之一法則」概略說明營養階層之間的能量傳遞，但這不是牛隻把飼料轉成「可食牛肉」時固定為 10% 的生產效率。細胞培養肉不必先飼養整隻動物，可能減少某些非食用部位的資源消耗；然而，細胞培養液、設備、溫度控制與無菌操作本身也需要能量，不能據此推論它一定更省能源。
🌍 氣候與生態效益，需要看整體製程：根據聯合國糧農組織（FAO）的農業資源資料，農業約占全球淡水「取水量」的 70% 以上，而不是占地球全部淡水資源的 70%。牛羊等反芻動物的消化過程會排放甲烷（CH₄），因此不需飼養反芻動物的細胞培養肉，有機會降低這部分排放，也可能減少某些土地使用需求。不過，細胞培養肉仍有培養液製造與用電所造成的排放；是否真的比較減碳、節水，必須考慮能源來源、生產規模與整體生命週期，不能一概而論。
從 2013 年需要高額研發經費的實驗室漢堡，到近年透過 3D 生物列印技術嘗試模擬和牛油花，生物科技正在探索新的肉類生產方式。但這些技術仍面臨成本、量產與環境評估等挑戰。在日常生活中，我們也能透過較有依據的飲食選擇，為環境盡一份心力。
惜食零浪費：
理解每一塊肉品背後消耗的龐大生態能量，做到「吃多少、盛多少」，減少廚餘與食物浪費。
實踐低碳飲食：
可適度以豆製品、堅果及其他植物性蛋白質來源取代部分紅肉；若選擇動物性食品，也可參考不同食材及其生產方式的碳足跡資訊。雞肉與部分魚類的排放可能較低，但仍會因養殖、捕撈及運輸方式而不同。
支持在地當季食材：
挑選臺灣在地生產的當季蔬果與農畜產品，可能有助於減少部分長途運輸或儲存需求；但食材的總碳足跡還會受到生產方式、冷鏈與保存條件影響，不能只憑「食物里程」（Food Miles）判定高低。
成為科普小達人：
運用學到的「細胞分裂」與「生物組成層次」知識，向家人解釋「植物肉」與「細胞培養肉」的不同，用科學實證精神破除飲食謠言！
保護地球的生態平衡，不必等到未來科技全面普及。從今天餐桌上的每一口珍惜開始，減少浪費、學習查證科學資訊，你我都能成為守護地球的科學實踐家！
1. Q：如果科學家把牛的成肌細胞培養、分化，並使它們排列形成肌肉構造，這種培養出來的肉在生物組成層次上算是一個「器官」嗎？
➢ A：一般不算器官，主要可理解為「肌肉組織」。組織是由具有相似構造與功能的細胞及相關物質形成；器官則通常包含不同種類的組織，共同執行特定功能。若培養物只是尚未分化的細胞聚集，也不能直接當成成熟的肌肉組織。
2. Q：肌肉衛星細胞在生物反應器裡從「一顆變兩顆、兩顆變四顆」增加數量時，進行的是「有絲分裂」還是「減數分裂」？基因會完全不變嗎？
➢ A：主要是「有絲分裂」，不是形成精子或卵子時會發生的減數分裂。正常情況下，子細胞通常具有與母細胞相同的染色體數目；例如牛的正常體細胞為雙套染色體（2n）。不過，DNA 複製及細胞培養過程仍可能產生遺傳變異，因此不能保證基因永遠完全相同。
3. Q：為什麼實驗室不能只靠增加厚度，就做出非常厚實的純肌肉組織？
➢ A：因為缺少有效的血管或灌流通道時，氧氣與養分主要靠擴散進入細胞層；組織愈厚，內部細胞愈可能供應不足。不同條件下的有效擴散距離並不固定，因此不能說超過 0.5 毫米就一定死亡。研究人員可利用薄層堆疊、可灌流結構與 3D 生物列印等方法，嘗試改善厚實組織的養分輸送。
➢ 給細胞「做重訓」長肌肉：
部分組織工程研究會利用凝膠支架、機械張力或微弱電刺激，幫助肌肉細胞排列及成熟，就像讓細胞在適當環境中「練習收縮」。這些技術有助於探索肌肉質地，但不是每種培養肉製程都必須使用。
➢ 用「甜菜根汁」化妝的千萬漢堡：
2013 年展示的培養牛肉漢堡，由大量細小肌纖維組成，因脂肪較少而不夠多汁，色澤也較淡。研究團隊使用甜菜根汁、番紅花及麵包屑等材料調整成品的外觀與風味，讓它更接近一般人熟悉的漢堡排。➢ 太空人的未來牛排：
2019 年，研究團隊曾在國際太空站（ISS）利用動物細胞進行微重力環境中的生物製造實驗，探索長途太空任務中製造蛋白質食品的可能性。但這類實驗並不代表太空人現在已經能在太空船上隨時「列印」出可食用的厚切牛排；真正應用仍須克服培養、衛生安全。