多糖在人造肉制備中的應用研究

朱芙蓉，黃俊逸 ，張 志，周 輝，周 凱，徐寶才,

（1.上海大學生命科學學院，上海 200444；2.合肥工業(yè)大學食品工程學院，安徽合肥 230009；3.淮北辣魔王食品有限公司，安徽淮北 235099）

隨著社會發(fā)展以及發(fā)展中國家經(jīng)濟實力的提升，數(shù)百萬人逐漸擺脫貧困，人們對肉類的需求也逐漸增大。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織此前估計，到2050年，人們對肉類的需求將會增加約70%[1-2]。如果完全依賴傳統(tǒng)肉類生產(chǎn)經(jīng)營模式，可能需要政府增加30%～50%的土地用于肉類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。而畜牧業(yè)生產(chǎn)是造成氣候變化、土壤流失、水和營養(yǎng)物質(zhì)污染的主要原因，同時減少食物鏈頂端的食肉動物和野生食草動物，也相應加重了保護動物生態(tài)系統(tǒng)平衡和維持自然生物多樣性的壓力[3]。家禽還易受疾病、氣候等因素影響，使得市場價格極其不穩(wěn)定。如：2019年初受非洲豬瘟等因素的影響，我國生豬和豬肉產(chǎn)量與2018年同期相比分別下降了約30.3%、29.1%，而豬肉市場價格持續(xù)走高，從2019年2月的12.2元/公斤升至2020年2月的36.1元/公斤[4-5]。

綜合自然環(huán)境壓力加劇、人口數(shù)量持續(xù)攀升、全球肉類短缺危機、健康與環(huán)保的消費風潮以及食品創(chuàng)新等多方面因素影響，全球農(nóng)業(yè)和肉類工業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)[6-7]。部分企業(yè)逐漸將注意力從傳統(tǒng)肉制品生產(chǎn)工藝優(yōu)化轉(zhuǎn)向重點研發(fā)替代傳統(tǒng)肉制品產(chǎn)品，探索可持續(xù)發(fā)展和健康飲食的人造肉產(chǎn)品生產(chǎn)體系。目前，市售人造肉產(chǎn)品在口感、營養(yǎng)、風味和質(zhì)地等方面與動物肉制品還存在較大差距[8]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，開發(fā)和完善人造肉加工工藝和配方，探索各原材料對人造肉的影響，將是今后的研究重點。但國內(nèi)外對人造肉的研究主要集中在蛋白的選料和加工上，而對能降低表面張力、增加黏度、阻止相分離、保持肉制品穩(wěn)定性和改善肉制品質(zhì)構(gòu)的多糖相關研究較少。因此，本文首先介紹現(xiàn)有人造肉的種類、加工工藝、現(xiàn)存質(zhì)量問題；隨后探究多糖的結(jié)構(gòu)和功能、多糖經(jīng)過改性后在人造肉當中的應用和研究；最后對人造肉和動物肉在風味、營養(yǎng)和口感上進行了闡述。以期為豐富人造肉的品類，拓展多糖的應用范圍提供理論參考。

1 人造肉的研究現(xiàn)狀

1.1 人造肉的分類

當前，人造肉的制作方法主要有兩類。一類是細胞培植肉，細胞培植肉的生產(chǎn)是從動物身上抽取干細胞擴增培養(yǎng)成肌肉細胞，隨后分化成肌肉纖維而得到的肉；另一類是植物蛋白素肉[9-10]，植物蛋白素肉是以植物中提取的植物蛋白為主要原料，通過加入植物油和其他有效助劑來模擬肉的風味，經(jīng)高壓蒸煮和擠壓等技術改變其組織結(jié)構(gòu)，使之達到與肉類特性和纖維狀結(jié)構(gòu)一致的一種植物蛋白深加工產(chǎn)品[11-12]。

1.2 人造植物蛋白肉

人造植物肉通常以大豆蛋白為主要原料，通過擠壓、蒸煮等現(xiàn)代食品加工工藝熱加工形成類似于肉的組織口感，經(jīng)美拉德反應或添加肉味香精來形成類似于肉的風味[12]。根據(jù)Egbert等[13]報道，植物性肉包含：水（50%～80%）、紋理植物蛋白（10%～25%）、無紋理蛋白（4%～20%）、脂肪（0%～15%）、調(diào)味劑（3%～10%）、結(jié)合劑（1%～5%）和著色劑（0%～0.5%）。

胡小靜等[14]通過將魔芋多糖和大豆分離蛋白比例3:2、碳酸鈉添加量2%、雞肉抽提物添加量10%，并加入適量的糯米粉、羧甲基纖維素鈉、香料、色素，結(jié)果表明魔芋仿生雞肉風味較好、口感俱佳。張富新等[15]通過選用魔芋膠和大豆分離蛋白進行復配來提高其粘稠度，凝膠特性和乳化性能，再加堿催熟，隨后添加香料，最后進行高溫蒸煮，制得仿生牛肉腸口感上佳。

1.3 人造肉現(xiàn)存問題

江南大學陳堅教授在“2019年未來食品論壇——植物蛋白肉和細胞培養(yǎng)肉制造技術高峰論壇”上公開表示，當前我國在人造肉的研究和應用方面缺乏系統(tǒng)的研究，對植物蛋白肉結(jié)構(gòu)、風味、營養(yǎng)等理性設計和改造上還需要進一步進行探討和研究[11]。

1.3.1 營養(yǎng)方面 植物蛋白中缺乏賴氨酸和蛋氨酸，是不完全蛋白，在品質(zhì)上劣于動物肉[16]。動物肉中含有如生長因子、免疫球蛋白等具有生物功效的活性物質(zhì)，人造肉無法完全模擬動物肉中的成分和功效[17]。此外，人造肉在烹飪過程中需要加入油、鹽等調(diào)味，易導致油、鹽攝入過量，影響人的身體健康。

1.3.2 風味方面 肉品在加工過程中會經(jīng)歷美拉德反應、脂肪氧化、氨基酸及硫胺素的降解等過程，并產(chǎn)生數(shù)百種甚至上千種揮發(fā)性香氣成分[18]。在人造肉制備過程中，調(diào)味料和肉味香精的添加是主要揮發(fā)性風味來源，但存在包埋效果差、香味穩(wěn)定性差等問題，也在一定程度上對人造肉食品的開發(fā)造成阻礙。

1.3.3 口感方面 目前植物肉主要是由植物原料經(jīng)擠壓、剪切等技術成型，導致其結(jié)構(gòu)質(zhì)地松散、咀嚼性和彈性弱，缺乏肉類口感和質(zhì)構(gòu)特性[19]。因此，多糖在人造肉應用過程中對人造肉立體感、纖維硬度、嫩度、多汁性和彈性等方面的影響還需要做進一步的探索。

1.3.4 其他 與此同時，人造肉的生產(chǎn)仍存在一些問題，如不同廠家的設備存在差異性，因工藝參數(shù)不配套而不能保證產(chǎn)品的一致性；工藝機理的研究和設備的研發(fā)也存在脫節(jié)現(xiàn)象；對擠壓后的包裝技術、殺菌技術、貯藏環(huán)境等工藝研究尚少；以及在人造肉的評價標準制定缺乏統(tǒng)一性[20-21]。這也在一定程度上制約了人造肉的發(fā)展。

2 多糖制備人造肉研究現(xiàn)狀

2.1 多糖的概述

多糖及其復合物廣泛存在于高等動植物細胞膜和微生物細胞壁中，與蛋白質(zhì)、核酸、脂類構(gòu)成了最基本的生命物質(zhì)，對維持生命活動起著至關重要的作用[22]。多糖是一類由20個以上單糖分子構(gòu)成，通過糖苷鍵連接在一起的長鏈聚合物[23]，如淀粉、纖維素、糖原等。多糖的結(jié)構(gòu)范圍從線性到高度分支。其主要結(jié)構(gòu)復雜多樣，但多糖主鏈的基本結(jié)構(gòu)通常是葡聚糖、果聚糖、木聚糖、甘露聚糖等，或者是兩種或幾種單糖的聚合物如半乳甘露聚糖、果膠。它們的支鏈結(jié)構(gòu)是影響多糖的多樣性的主要因素之一[24]。

根據(jù)組成不同，多糖可以分為同多糖和雜多糖兩大類。同多糖是指由相同的糖基組成的多糖，如纖維素、淀粉。雜多糖是指由兩種及以上的不同單糖單位組成的多糖，如果膠質(zhì)、粘多糖[25]。多糖也可以根據(jù)功能的不同分為活性多糖和非活性多糖[26]?；钚远嗵蔷哂休^好的免疫調(diào)節(jié)、抗腫瘤、降血糖、抗氧化、調(diào)節(jié)腸道菌群等生理功能[27]。其中部分植物多糖具有粘性、彈性、凝膠性等流變學行為，如菊粉、柑橘纖維、圓苞車前子殼粉等[28-29]。

根據(jù)多糖在人造肉中應用目的的不同，多糖還可以分為用于改善人造肉產(chǎn)品質(zhì)地和稠度的淀粉類物質(zhì)，如木薯淀粉、馬鈴薯淀粉等[30]；以及可用于改善產(chǎn)品穩(wěn)定性、凝膠性和增稠性的膠體成分，如黃原膠、魔芋膠、卡拉膠等[7,30]。

2.2 改性多糖在人造肉制備中的應用

在人造肉制品實際生產(chǎn)過程中，常常出現(xiàn)析水、析油、組織松散、彈性差等問題。以多糖為主的親水膠體往往被要求添加到人造肉制品中來提高肉制品的持水性、凝膠強度、粘彈性等品質(zhì)，賦予肉制品良好的感官體驗，同時提高人造肉的出品率。

盡管天然多糖具有增稠、成膠、黏附、保水、增強分散體系的穩(wěn)定性和生物降解等特性，但在研究過程中發(fā)現(xiàn)天然多糖的功能特性會受到糖苷鍵類型、相對分子質(zhì)量和空間結(jié)構(gòu)的限制，影響多糖在食品、藥品和材料等領域的應用[31]。通過研究改變多糖空間結(jié)構(gòu)、取代基的種類和數(shù)量等改性方法，可增強多糖熱穩(wěn)定性、凝膠性、溶解性、乳化性、增稠性以及改善淀粉老化等理化性能，甚至獲得具有特定結(jié)構(gòu)的功能性新材料，拓展天然多糖的新的功能特性和應用[32]。

目前，天然多糖的改性方法包括共混改性、濕熱改性、超聲改性等物理改性方法，酯化改性、醚化改性、交聯(lián)改性、接枝共聚改性、氧化改性、絡合改性等化學改性方法，以及酶法改性、微生物改性等生物改性方法[33]。

以改性多糖為主要原料制備人造肉在過去已有較多研究。Chen等[34]先將黃原膠和乳清蛋白混合物以1:2至1:10 的比例混合，隨后將混合物酸化至等電點，形成的纖維結(jié)構(gòu)與動物肌肉纖維類似。Wen等[35]應用物理改性和化學改性相結(jié)合的方法，將魔芋葡苷聚糖（KGM）在 pH9～12，加熱溫度為85～100 ℃的條件下轉(zhuǎn)變?yōu)闊岵豢赡婺z，并將制得凝膠制作素食鮑魚、牛百葉、素食海參等中國傳統(tǒng)食物。但KGM熱不可逆凝膠在堿性條件下單獨使用時，存在著協(xié)同率高、耐低溫性能差、堿性強、顏色偏深等問題，在人造肉中的應用受到了極大限制。Wang等[36]創(chuàng)新性的利用直流電場設計和開發(fā)KGM凝膠來取代傳統(tǒng)堿、硼砂等膠料的使用，結(jié)果表明該方法很好地提高了KGM凝膠的安全性和質(zhì)構(gòu)特性。KGM凝膠性能的改善，可為調(diào)節(jié)素肉制品質(zhì)地提供參考方向。

以改性多糖為主的親水膠體不僅可在外觀、口感和持水等方面模擬動物脂肪，而且在改善人類健康方面有重要意義。在未來，脂肪模擬物在人造肉中應用會成為人造肉產(chǎn)品開發(fā)的主要研究方向之一。Jiménez-Colmenero等[37]報道了魔芋膠、角叉菜膠和預凝膠化的玉米淀粉粉末三種物質(zhì)相互協(xié)同作用形成復合魔芋膠，隨后與不同類型豬脂肪的理化、流變和熱學特性進行比較研究，結(jié)果表明，復合魔芋膠在質(zhì)地、熱穩(wěn)定性、顏色和流變性等脂肪特性方面與豬背脂肪類似。Jiménez-Colmenerod等[38]隨后又評估了該復合魔芋膠在冷凍過程中理化、流變性和微觀結(jié)構(gòu)的變化，結(jié)果表明魔芋凝膠的水結(jié)合能力在80%～90%之間，在冷藏條件下具有高穩(wěn)定性，極大的改善了脂肪替代物在冷凍和加熱過程中水分的流失，可作為脂肪模擬物添加到人造肉中以增強其熱穩(wěn)定性和冷凍保存耐受性。

此外，改性多糖還可作為食品添加劑添加到人造肉中，提高人造肉產(chǎn)品的切片性和彈性。王衛(wèi)等[39]以雞蛋清為原料，將刺槐豆膠、卡拉膠和魔芋膠為粘合劑，并加入蔥末、調(diào)味汁、食用菌丁等輔料，經(jīng)調(diào)制、灌裝、蒸煮熟化等工藝得到的高蛋白素肉腸具有極佳可切片性和彈性，同時具有成本低、營養(yǎng)均衡、色澤、口感和風味佳等特點。

3 多糖制備人造肉特性分析

目前市場常見的多糖肉制品主要有素牛百葉以及素魷魚、素蝦仁等產(chǎn)品，產(chǎn)品品種較為單一，大多數(shù)都是通過將多糖和其他物質(zhì)進行復配得到的。吳先輝等[40]以傳統(tǒng)海螞蝗凍加工工藝為模型，通過復配和優(yōu)化魔芋葡甘聚糖、卡拉膠、鮮竹筍等原料比例，制得的仿生“海螞蝗凍”肉酸甜可口、凍體透明、脆度適中、口感上佳。

在多糖加工工藝上，應盡可能使人造肉在風味、質(zhì)構(gòu)及營養(yǎng)等方面都能滿足消費者的需求，并盡可能降低其生產(chǎn)成本。

3.1 模擬肉風味分析

肉制品中的風味是指生鮮肉或加工時各種風味前體物質(zhì)經(jīng)過降解、氧化、美拉德反應等許多復雜的化學反應得到的極其復雜的混合物[41-42]。肉的風味又分為滋味和香味兩大部分。肉的滋味主要分為甜味、咸味、酸味、苦味、鮮味五大類，相關呈味物質(zhì)主要有葡萄糖、果糖、無機鹽類、天門冬氨酸、肌酸、苦味肽、谷氨酸單鈉鹽、次黃嘌呤等[18]。一些學者通過研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)加工處理后的肉制品種香氣主要化合物有五大類，如內(nèi)酯、呋喃、吡嗪、噁唑類以及含硫化合物[43]。

不同肉類的特種風味化合物主要來源于脂類，尤其是磷脂[42-45]。吳肖等[46]通過研究發(fā)現(xiàn)肉香化合物的來源分為以下3種途徑：熱反應過程，抽提、濃縮和萃取等過程，酶解過程。除了脂類對肉類風味的影響，肉類食品中還原糖類中碳基化合物與氨基酸或蛋白質(zhì)中氨基化合物經(jīng)脫水縮合、裂解、聚合等反應后，生成噻吩、吡咯、吡啶、和呋喃酮等具有肉類風味物質(zhì)的副產(chǎn)物[30]。如王智勇[47]用鹽酸將木薯淀粉糖漿轉(zhuǎn)化為還原性淀粉糖漿，隨后將其與氨基酸溶液混合進行美拉德反應，獲得的海鮮調(diào)味品香基營養(yǎng)豐富且蝦味濃郁，可像大多數(shù)加工食品和預制食品一樣，以調(diào)味料的形式適當添加到人造肉制品中，使人造肉產(chǎn)品獲得海鮮的風味[46]。因此，選用適當?shù)募庸ぬ幚矸绞绞菦Q定素肉風味的關鍵性因素。此外，人造肉中添加的揮發(fā)性風味成分在空氣、光照、熱、氧等外界環(huán)境影響下存在不穩(wěn)定性，多糖具有與風味物質(zhì)作用的能力，在改善封裝人造肉制品風味成分的穩(wěn)定性和可控的釋放性起著至關重要的作用。

3.2 模擬肉組織質(zhì)構(gòu)分析

模擬動物肉組織質(zhì)構(gòu)的研究一般包含硬度、脆性、粘著力、彈性、內(nèi)聚性、膠著性、咀嚼性和回復性等方面。當前，人們改善人造肉質(zhì)構(gòu)特性的研究主要集中在兩個方面。一方面通過調(diào)整原配料的用量和配比來改善人造肉的口感。李雪蓮等[48]通過選用柔韌性和咀嚼性較好的魔芋精粉與拉絲蛋白、蛋白粉和植物油等基本原料代替豬肉、雞肉等動物肉，經(jīng)加工得到的原味素火腿腸具有顯著的纖維絲質(zhì)感、柔性性強、口感純正以及咀嚼性好等優(yōu)點。

另一方面，一些學者通過研究植物性配料不同加工技術，來模仿肉類纖維結(jié)構(gòu)和凝膠特性。劉騫等[49]以魔芋粉和卡拉膠為原料，經(jīng)均質(zhì)、堿性膠凝劑改性和加熱等加工過程得到不可逆的凝膠，隨后將不可逆凝膠作為豬背脂肪的替代物加到風干腸內(nèi)，結(jié)果表明它不僅保留傳統(tǒng)脂肪的物理感官性能，還能產(chǎn)生較低能量。陳松偉[50]將植物莖、葉搗碎，經(jīng)浸泡、烘干、粉碎、加堿真空反應等處理步驟制備所得的高分子植物纖維素及其衍生物與甲殼類生物中提取的甲殼多糖及其衍生物進行物理吸附與絡合反應得到的人造肉，既能獲得肉類相似的組織結(jié)構(gòu)又保持了原肉制品的風味。此外，擠壓技術的使用也為人造肉質(zhì)構(gòu)和風味的改進提供了一條新的途徑，物料在擠壓筒內(nèi)受到剪切、高壓、高溫等綜合作用，其組分之間發(fā)生物理-化學變化、分子重排和相互作用得到的產(chǎn)品質(zhì)地均勻，富有彈性和韌性[51]。如張靖豪等[52]將不同比例的香菇菌柄膳食纖維、大豆分離蛋白、木薯淀粉、粘米粉、皂角米汁、棕櫚油、甜菜粉、碳酸氫鈉、磷酸二鈣混勻，隨后加入處理好的TG酶，最后通過雙螺旋擠壓機擠壓得到的植物肉產(chǎn)品在感官、風味及營養(yǎng)成分三方面均有顯著提高。楊勇等[53]以高直鏈玉米淀粉、大豆分離蛋白、谷朊粉為原料，通過響應面優(yōu)化高濕擠壓工藝參數(shù)對素肉的持水、持油性的影響，結(jié)果表明在最優(yōu)的條件下，素肉的持水、持油性分別為1.454和0.738 g/g。隨后將該工藝條件下制備的素肉樣品與市售素肉的質(zhì)構(gòu)特性和顯微結(jié)構(gòu)進行比較分析發(fā)現(xiàn)，素肉樣品的纖維組織狀結(jié)構(gòu)緊密、切片表面平整、彈性和內(nèi)聚性更佳，為未來素肉機理研究和產(chǎn)業(yè)化提供了數(shù)據(jù)參考。

此外，集操作簡單、食品原料搭配靈活、創(chuàng)造空間高等優(yōu)點的3D打印技術可通過控制原料理化、流變、結(jié)構(gòu)和機械性能，實現(xiàn)消費者對肉制品形態(tài)和質(zhì)構(gòu)的需求[54]。將3D打印技術應用到人造肉的生產(chǎn)，將能極大地推進人造肉行業(yè)的發(fā)展。

3.3 模擬肉營養(yǎng)成分分析

目前，有關肉制品的營養(yǎng)成分主要包括以下四個部分：包括蛋白質(zhì)及相關指標，如粗蛋白、肌原纖維蛋白、肌漿蛋白、多肽氮、非蛋白氮和氨基酸態(tài)氮等；脂肪及其降解相關指標，如粗脂肪、游離脂肪酸、脂肪酸組成、膽固醇等；可溶性糖及相關指標；重要礦物質(zhì)及相關指標，如鈣、鐵、鋅、硒、鎂、銅、鉻、錳、硌和鉛等含量[55]。1992年武漢大學專家于國內(nèi)聯(lián)合首創(chuàng)的菌體蛋白仿生肉已出口到美國等地，采用高科技從菌體中提取并分離得到菌類纖維化蛋白，隨后加入不同比例的氨基酸原料后，制得的仿生禽、畜及魚類等素食食品，具有低脂、高蛋白等特點[56]。呂斌[57]以豆渣為主要原料，經(jīng)螺桿擠壓機擠壓后，對素肉產(chǎn)品的植酸、總酚、可溶性膳食纖維、總黃酮、胰蛋白酶抑制劑含量及體外蛋白消化率等營養(yǎng)因子進行測定。結(jié)果顯示，豆渣含量達到30%時，植酸含量、可溶性膳食纖維、體外消化率均有顯著提高；而總酚含量、總黃酮含量及胰蛋白酶抑制劑活性分別降低了0.72、0.04 mg/g、339 TIU/g，擠壓后各營養(yǎng)因子間相關系數(shù)降低。實驗結(jié)果證明通過有效利用豆渣，可提高素食產(chǎn)品的膳食纖維及其他微量元素含量，促進人體消化吸收，豐富素肉產(chǎn)品的營養(yǎng)成分，滿足人們對于健康食品的需求。

4 結(jié)語

人造肉是我國的新興產(chǎn)業(yè)，能解決傳統(tǒng)畜牧業(yè)生產(chǎn)方式所存在的一些問題，緩解土地資源和水資源的使用壓力，且不受動物疾病的影響；與動物肉相比，人造肉在營養(yǎng)保健的應用方面具有低脂、低糖、高蛋白質(zhì)、零膽固醇、富含膳食纖維、植物多糖、多種礦物質(zhì)、維生素等優(yōu)點[30]，滿足素食主義者、肥胖人群和“三高”患者的需求。因此，開發(fā)藥食同源的多糖、選擇優(yōu)質(zhì)的植物蛋白或添加營養(yǎng)強化劑的人造肉產(chǎn)品有著巨大的市場前景。

但人造肉加工工藝還有待完善，未來改善人造肉的加工工藝還需要做以下幾方面工作：首先，高水分擠壓技術制得的產(chǎn)品質(zhì)地致密，可產(chǎn)生類似于動物肌肉組織的纖維狀結(jié)構(gòu)。高水分擠壓技術作為一項新興人造肉重組技術，應將其從實驗室理論研究轉(zhuǎn)向工業(yè)生產(chǎn)，與國際接軌；其次，還可將高水分擠壓技術與超臨界二氧化碳技術或者3D打印技術等加工工藝技術結(jié)合，對真肉蛋白的三維構(gòu)象、肉中的肌纖維等肉類特征進行全方位模擬，力求烹飪后的微觀結(jié)構(gòu)與真肉相似；此外，還應建立統(tǒng)一的人造肉評價標準，以保證產(chǎn)品的一致性；與此同時研究成品的后續(xù)殺菌技術、包裝技術和貯藏條件，形成一條完整的產(chǎn)業(yè)鏈對推動人造肉產(chǎn)品的發(fā)展至關重要。