3d打印产业链分析「3D打印肉类全产业链解析2大技术流派头部机构和食品企业参与」

肯德基和星巴克等几家餐饮巨头最近大动作推出了植物肉产品，国内老牌的金字火腿去于去年十月上架与杜邦合作开发的牛肉味植物肉饼，植物肉的市场上众家齐鸣，好不热闹。对照植物基替代肉的大张旗鼓，替代肉竞赛中的另外一个流派 – 3D打印肉还在沈潜养兵，这期食品创新专题拟细细剖析3D打印肉，在可期的市场剧变前为行业进行梳理。

图：3D打印建模的牛排

资料来源：Novameat

根据Research and Markets的研究估算，至2025年，全球食用3D打印市场的复合年增长率将达到32.05％，市场规模将达到4840.04亿美元(注：新冠肺炎带来经济衰退的同时，因感染而停工的肉品工业也令市场嗅到了替代肉品的机会，未来的3D打印食品趋势有待时间验证)。

3D打印技术应用在食品领域可以追溯至2006年康乃尔大学计算合成实验室的Fab @ Home项目，学生们研发出第一台使用复合材料与增材制造技术(Additive Manufacturing Technology)的食品级打印机，用于打印巧克力、饼干面团与起司等；2012年Choc Edge的3D巧克力打印机则是实现了3D食品打印机的商业化；2013年，父子档创业公司Modern Meadow试图以3D生物打印技术生产人造肉，正式开启了3D打印技术被应用于替代肉生产的赛道(注：由于投资与效益考量，Modern Meadow目前已经转为专注于更高单价的人造皮革)。一直到了2018年，风起云涌的植物基替代肉风潮则催生了3D打印的植物肉，代表企业是Novameat与Redefine Meat。

替代肉想要解决的共通问题

畜牧业长期释放甲烷（甲烷的效力比二氧化碳高20到30倍），被认为是全球暖化的重要罪魁祸首，地球上将近30％的无冰表面被开垦用来畜牧，是森林砍伐、土地退化、水污染和荒漠化的最大原因。随着全球人口持续成长，联合国粮食及农业组织（FAO）估计，2050年全球对肉的需求将比现在增长70％。

畜牧业伴随着动物福利与道德问题，根据FAO统计，人类一年饲养和宰杀560亿只陆生动物以供食用。畜牧业为了加快动物生长，往往使用生长激素，为了避免动物感染病毒，更长期滥用抗生素，导致整个自然环境的细菌出现变化。身为食物链终端的人类深陷抗生素和激素类添加物质超标的风险。

替代肉的崛起被视为翻转传统畜牧业的重要一步，对抗日趋严重的全球暖化问题，避免动物屠杀，更能避免人类长期食用饲养动物的健康风险。

3D食品打印的优势

食品工业添加过多的人工防腐剂、添加剂和其他化学物质，3D食品打印使用新鲜的食材制作各种食材，而且还可以更严格地控制食品的份量，从而减少过度食用，促进更健康的饮食方式。

食品加工仅取用部分的动物部位或切割原料后将边角料丢弃，造成过多的浪费，3D食品打印可以通过仅使用所需量的原料制作食品来减少浪费。

3D食品打印可以对食物的质地和组合进行自由变化，应用在老年患者和其他吞咽困难患者可以增加他们的食品选择，改善进食情况。同样地，也可以应用在特殊食品的制造上，例如：军用食品，太空食品等。

3D打印肉的独到解方

撇开国内存在已久的素牛排、素鸡等品类，新进的替代肉竞争者绝大多数是肉糜和碎肉为主体的各式产品，包括：汉堡肉、香肠、包装绞肉等。再看看中外各地饕客对于植物肉的品头论足，”吃不到肉的口感” 、”欠缺真汉堡肉排的紧密口感” 、”肉排松软容易崩塌”，非素食的消费者对于肉的执念不只是味道，还有那种大口咬下肉的独特口感与嚼劲。

图：消费者对于植物基替代肉的部分评论

在替代肉的新兴市场中，一小群专家与创业者将3D打印技术应用在替代肉领域，志在解决替代肉的质地与口感问题。味道、质地、外观和营养特性是替代肉是否能成功仿真的四个要素。目前，植物型汉堡包已经掌握了味道，大豆挤出机已经使口感得到了掌握，但是很少人能够同时实现。而3D打印肉最大的创新之处就在纹理，创造出具有与肌肉组织相同质地的微纤维。

大多数纯素肉在生产过程中都使用传统的食品挤出机，这通常无法制造肌肉纤维或“切割肉块”的替代品，这意味着此类制造商通常必须以大豆和小麦面筋为原料。 3D打印机企业则声称，通过使用他们的技术，以植物为基础的行业将能够避免这种成分，并使用更多的纤维选项，例如豌豆蛋白和大米蛋白。

此外，规模化生产也是植物基替代肉的公敌，Impossible Food和Beyond Meat都曾一度在渠道扩展地同时面对产量跟不上的困境。因此导入3D打印技术也许能突破目前替代肉规模化生产的瓶颈，进而带动替代肉价格下降，以与真肉一较高下。

3D打印肉主要是将增材制造工艺应用在”肉品”制造，使用特殊制备的可食用墨水，经过3D打印机逐点逐层累积叠加形成三维的”肉块”，以创造食品挤出机( food extrusion machine)无法比拟的成块肉质。推敲起来，3D打印肉的技术差异主要体现在3D打印机与墨水上。

正如同替代肉市场有植物肉(plant-based meat)与培养肉(cultured meat)两种不同的路线，3D打印肉也有。采用植物基墨水的植物肉与采用生物墨水的培养肉各有拥护者。前者是由豌豆、大豆、小麦、薯仔、海藻抽取物等各式植物蛋白结合油脂、谷氨酰胺转氨酶（TGase）、明胶等添加物组成，代表企业包括：Novameat、Redefine Meat；后者则是由活体动物干细胞所培养的异体卫星细胞与培养液所构成，代表企业包括：转为耕耘人造皮市场的Modern Meadow与在太空打印培养肉的Alpha Farms。

一般而言，使用生物墨水的3D打印技术被称为3D生物打印技术。从活着的动物身上取出可复制的干细胞，并从中分离出异体卫星细胞，在控制环境下给予富含营养的培养液以利细胞复制繁殖，然后将这些细胞与基质和营养物质混合成生物墨水放入生物打印机墨盒中，生物打印机将生物墨水依设计图逐层堆叠成具生物相容性的生物支架，再将细胞分配到生物支架上，最终形成组织状的活体三维结构。

其后将组织放入生物反应器中，并给予低频刺激以使肌肉纤维发展、熔合。使用3D生物打印的培养肉基本上具有真肉的一切感官体验，但能避免畜牧业的资源消耗与屠宰动物的人道争议，因此被寄予很高的期待，然而3D生物打印肉的技术复杂，同时结合了3D打印与组织工程学，需要庞大的资金投入与冗长的开发时间，商业化的进程缓慢。

因此，当植物基的替代肉走上C位将市场炒的火热时，原本钻研于3D生物打印与组织工程学的Giuseppe Scionti也坐不住了，于2018年创立了Novameat，以自家研发的支架建构技术(scaffolding technology)结合植物基的墨水打造植物肉，吸引了众家创业者纷纷投入3D打印植物肉技术开发，因为这些使用植物基的3D打印机比使用活体生物组织的竞争者更早看到商业化的可能性，在现下这个时空似乎更加实际。

俄罗斯科学院食品系统联邦研究中心的学者Nataliya A. Gorbunova最近发表了一篇论文，探讨梳理了3D打印增材技术与其应用在替代肉制造的可能性。 3D打印食品领域常用三种打印技术：热熔融层积(FDM，fused deposition modeling)、粘合剂喷射成形(PBP，powder binder printing)、雷射粉末烧结(SLS，selective laser sintering)，其中还是以挤出成型式的技术(FDM)最普遍适用于打印肉。

影响印刷结构的几何精度的关键参数是喷嘴速度、喷嘴直径、喷嘴高度（喷嘴和用于沉积的平台表面和/或上个列印层的高度差）、挤出速率和填充百分比。但除了机器本身，还可以透过改变孔隙率以及图案和调整墨水配方（添加剂和粘合剂）来改变纹理。早先有研究人员在火鸡肉汁中加入谷氨酰胺转氨酶与熏肉脂肪作为墨水，打印出来的3D肉在味道和质地上都有显著的改善。

表：3D打印肉企业基本信息

数据来源：35斗整理

表：3D打印肉企业产品信息

数据来源：35斗整理

通过crunchbase数据库与信息公开，我们列出了7家与“3D打印肉”相关的几家公司，这些公司中有些是以3D打印技术为卖点，有些则是制造可供作3D打印肉的材料，与3D打印密切相关的程度则依公司有所差异。除了来自美国的Modern Meadow，其他公司都位于3D打印肉的重镇 – 欧洲，其中3家是来自以创新立国的以色列，西班牙、芬兰、荷兰则各有一家。

由技术路线探讨，这些公司中有4家自行开发3D打印技术与墨水配方，3家则是专注于替代肉（蛋白）的原材料研发，3D打印技术采取外援合作模式，有趣的是，其中2家都相中了太空食物的潜能，分别与俄罗斯3D打印企业和欧洲太空总署合作。

原材料方面，4家企业是从活体干细胞取材，然后进行复制和培育，2家是以植物蛋白为主，1家则是从空气中提取出二氧化碳后，再与水、营养素和维生素结合制成非动物性蛋白。

7家公司成立的时间横跨2011年至2018年，值得注意的是，2家从事3D打印植物肉开发的企业Novameat 和Redefine Meat都成立于2018年，这是在植物基替代肉企业大放异彩后的事，再仔细推敲其商业模式，两家企业有志一同，预计先与餐厅合作推出3D打印肉餐点，接着与肉类经销商和零售商合作上架，并将提供整套3D打印肉的解决方案，包括：3D打印设备、3D 肉类建模系统与植物基墨水配方。 Novameat和Redefine Meat卖的可真的不是肉，而是新兴饮食浪潮下的创新生产方案。

从融资角度来看，7家企业吸引了近9000万美元的投资，主要集中在培养肉技术型企业，相较于产品已经问世的植物肉企业，融资金额偏小，集中在A轮以前，整体融资金额加总还落后于植物肉吸金前四强（请详见35斗“人造肉”头部企业盘点：11家公司融资总额12.8亿美元，多数为植物蛋白肉）。

引人注意的是，唯一的C轮企业Modern Meadow已经转向作人造皮革，也许是人造皮革市场利多，也许是替代肉品市场竞争过高，又也许技术复杂的培育肉问世过程漫长，但值得庆幸的是，资本市场开始注意到3D打印概念企业，7家企业最近一轮融资都在一年内完成，其中5家企业集中在2019年第四季。

投资机构方面，位于美国华盛顿的New Crop Capital和来自英国伦敦专注于替代蛋白及创新食品投资的CPT Capital投资了列表中多家企业，两家投资机构同时投资Aleph Farms外，也分别押宝Novameat和Redefine Meat。

其他著名投资机构淡马锡Temasek、红杉资本Sequoia、创投教父彼得· 蒂尔（Peter Thiel）创建的Breakout Labs等也现身投资人名单，此外，大型企业旗下的战略投资机构也纷纷看好此投资方向，包括：德国医药巨头默克Merck旗下的M Ventures、化工巨头Evonik旗下的Evonik Ventrue Capital、嘉吉Cargill、瑞士最大零售商Migros Swiss旗下的M-Industry、德国最大的家禽公司PHW Group等。

案例：Novameat

组织工程和生物医学专家Giuseppe Scionti在巴塞罗那的加泰罗尼亚理工大学（UPC）使用生物印刷技术制作不同的组织已经工作了十多年。在他的一个项目中，他创建了人耳的原型。他很快意识到该纹理几乎完全类似于人体组织的实际纹理，如果3D打印机能够很好地模仿人体组织，那么也可以生产出具有与动物组织相同质地的肉类替代品。于是他在2018年6月离开学系，申请这项技术的专利，并继续创Novameat。

Novameat专利的微挤压技术能够生物入侵高度蛋白质化的植物基成分，并在微米和纳米水平上对其进行加工，从而获得可模仿多种整个肌肉。对于Novameat来说，使用3D打印是达到目的的手段，而不是目的本身。 3D打印机的优点是可以精确控制食品的质地和外观。使用自动技术的另一个优势是能够以非常低的单价快速迭代新的原型版本，并个性化产品的口味、质地和营养特性。 Novameat的商业模式是由微型挤出技术开始，发展更大型的机器设备将其技术商业化，为植物肉制造商提供工具，以从多种成分中创造出不同的质地，以模仿几种肉类和海鲜。

使用由大米、豌豆、海藻等植物蛋白合成的红色糊状物为墨水配方，Novameat已经于2019年开发出现今最像的的植物基牛排，在新冠肺炎的居家工作期间，工程师更提早开发出植物基猪肉原型，另外计划在2021年春季推出植物基鱼类原型。

图：Novameat的2.0版植物基牛排

资料来源：Novameat

图：Novameat的植物基猪肉串

资料来源：Novameat

案例：Redefine Meat

总部位于以色列的Redefine Meat（前身为Jet-Eat）认为当今的食品工业缺乏工具和技术来应对寻找替代肉的挑战。这家初创公司正在研究一项技术，该技术将生产基于植物的肉类替代品，更确切地说是使用天然和可持续成分的牛排、烤肉和炖菜。他们的方法结合了专有的3D打印技术、数字建模和基于植物的食品配方，从而为消费者提供了新的肉类选项。

Redefine Meat 目前已经在以色列小范围地测试了植物基打印肉，并计划2020 年在欧洲多家餐厅中推出，但价格暂时还比传统肉类贵不少，每公斤要价28 英镑（约合250 人民币），但Redefine Meat 相信最终3D 列印肉会比传统肉类要便宜。

Redefine Meat的目标不是开发一种新的食品，而是要引进一种新的食品技术，该技术将成为快速引入当今尚不存在的新型和高级肉类替代品的平台。 Redefine Meat预计将于2021年推出这些机器，不仅提供一种产品，还提供广泛的功能。

图：Redefine Meat透过餐厅菜肴展现将3D打印植物性牛肉

资料来源：Redefine Meat

案例：Alepha Farms

Aleph Farms和俄罗斯生物打印公司3D Bioprinting Solutions合作，2019年9月在了俄罗斯国际太空站成功完成了在太空进行肉类生物打印的实验，该实验包括使用3D Bioprinting Solutions的生物打印技术来打印小型肌肉组织。概念验证试图评估在零重力环境中远离土地和水资源的情况下生产肉类的潜力。

为了制作实验室出产的肉，Aleph Farms首先通过小活检从牛身上提取细胞。然后将细胞放入营养液中，以模拟牛体内的环境，细胞在受控环境中长成一小块牛排。 Aleph Farms自认是唯一一家能够制造包括肌肉纤维和血管在内的全质地肉的公司。

图：3D打印培养肉流程

资料来源：Aleph Farms

用一段GlobalData食品记者安迪·科恩（Andy Coyne）的话作结：当我们想到3D打印和肉类，那可能是未来的某个阶段，人类在实验室中制造牛排，充满了科幻感。然而，透过3D打印，以植物为基础的替代肉行业将拥有更多的纤维选项，例如豌豆蛋白和大米蛋白，并拥有更近似于真肉的口感。 3D打印公司正处于解决植物基替代肉行业问题的风口浪尖，而这是先前他们专注于完善3D打印技术时没有预见到的。

值得注意的是，不论是植物肉、培养肉或3D打印肉，人类创造了新的食物类别，现行的食品行业规范，如食品标示与法规等也迎来全新的挑战，在技术、资本、市场的推动之下，一个全新的食物系统正在建立之中。