植物蛋白基仿生肉制品研究進(jìn)展

孫翠霞，葛姣，何君，甘人友，方亞鵬,*

a Department of Food Science and Engineering, School of Agriculture and Biology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China

b Institute of Urban Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Chengdu 610213, China

1. 引言

蛋白質(zhì)是人類健康生活必需的營(yíng)養(yǎng)元素，攝取高蛋白質(zhì)食物成為一種飲食趨勢(shì)。動(dòng)物源肉制品是人體補(bǔ)充蛋白質(zhì)的主要來(lái)源，然而牲畜飼養(yǎng)占用大量土地和水資源，并排放大量二氧化碳，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響[1-3]。此外，動(dòng)物源肉制品由于“瘋牛病”“禽流感”“非洲豬瘟”等對(duì)人體健康存在安全隱患[4]。現(xiàn)有研究表明，紅肉的攝入會(huì)導(dǎo)致缺血性心臟病、肥胖癥流行，增加關(guān)節(jié)發(fā)炎[5]和直腸癌[6]的風(fēng)險(xiǎn)。為減輕環(huán)境壓力、貫徹可持續(xù)發(fā)展的理念，開(kāi)發(fā)仿生肉用于替代動(dòng)物肉成為食品行業(yè)的研究熱點(diǎn)。仿生肉（artificial meat）是一種模擬動(dòng)物肉的某些特性如具有動(dòng)物肉的纖維結(jié)構(gòu)、質(zhì)構(gòu)、顏色、風(fēng)味、口感、外觀而本質(zhì)上并不是肉[7,8]。作為傳統(tǒng)肉類的替代品，仿生肉不僅具備綠色、環(huán)保、節(jié)能、安全、營(yíng)養(yǎng)、健康等特點(diǎn)，而且充分體現(xiàn)了動(dòng)物福利和人道主義[9]。根據(jù)仿生肉的概念及制造工藝，可分為兩大類，一類是細(xì)胞培養(yǎng)肉（cultured meat），一類是植物蛋白肉（plant-based meat analogues）。細(xì)胞培養(yǎng)肉是從動(dòng)物肌肉組織分離提取干細(xì)胞后在培養(yǎng)基中培養(yǎng)、生長(zhǎng)與分化形成的[10,11]。優(yōu)點(diǎn)是相似度高，因?yàn)槠湓醋杂趧?dòng)物肌肉組織細(xì)胞，缺點(diǎn)是生產(chǎn)成本高、技術(shù)難度大、不易規(guī)?；a(chǎn)、消費(fèi)者接受度低[12,13]。植物蛋白肉是指多孔絲狀結(jié)構(gòu)的低水分拉絲蛋白經(jīng)過(guò)復(fù)水、抽絲、斬拌、黏合等工藝制備而來(lái)的仿生肉制品。因植物蛋白資源豐富、廉價(jià)易得、氨基酸組成均衡，且具有降血糖、預(yù)防心血管疾病等多種生理功能，故植物蛋白肉可作為傳統(tǒng)動(dòng)物肉的良好替代品。本文聚焦植物蛋白基仿生肉，重點(diǎn)綜述了仿生肉的產(chǎn)品配方和制備技術(shù)，并基于營(yíng)養(yǎng)安全角度分析了消費(fèi)者對(duì)仿生肉的接受程度。此外，總結(jié)了仿生肉現(xiàn)階段存在的挑戰(zhàn)，并展望了其發(fā)展前景。

2. 仿生肉的制備原料與市售產(chǎn)品

蛋白質(zhì)是人體生長(zhǎng)和維持機(jī)體功能的重要成分。植物蛋白來(lái)源豐富，主要包括谷類如小麥、水稻、玉米和玉米，油料種子如油菜籽如和紅花籽，以及豆類如大豆、豌豆和鷹嘴豆[14,15]。不同的理化性質(zhì)、結(jié)構(gòu)和功能特性取決于不同的蛋白質(zhì)類型。目前用于制備植物蛋白基仿生肉的主要蛋白是大豆蛋白、谷蛋白和豌豆蛋白[16]。大豆蛋白，包括大豆分離蛋白和大豆?jié)饪s蛋白，由于其含量豐富、價(jià)格低廉，以及具有與動(dòng)物蛋白相似的優(yōu)質(zhì)氨基酸組成，是組織化蛋白產(chǎn)品的主要成分[17,18]。大豆蛋白在預(yù)防心血管疾病方面也發(fā)揮著潛在作用。如美國(guó)食品和藥品管理局批準(zhǔn)了一項(xiàng)健康聲明，稱每天攝入25 g大豆蛋白可以降低膽固醇和患冠心病的風(fēng)險(xiǎn)[19]。以大豆為基礎(chǔ)的仿生肉不僅具有較高的蛋白質(zhì)水平和與肉類相當(dāng)?shù)臓I(yíng)養(yǎng)價(jià)值，而且由于含有可選成分[20]，膽固醇和脂肪的含量很少或?yàn)榱?。然而，大豆蛋白由于含抗?fàn)I養(yǎng)因子和潛在的致敏性，在應(yīng)用領(lǐng)域受到限制[21]。谷蛋白是一種較大的二硫鏈蛋白組裝體，由于它可以形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，被廣泛用于植物蛋白基仿生肉的生產(chǎn)中[22,23]。小麥過(guò)敏作為兒童食物過(guò)敏最常見(jiàn)的致敏因素之一，通常作用于兒童早期[24]。豌豆蛋白具有低過(guò)敏、高營(yíng)養(yǎng)價(jià)值及良好的乳化和泡沫穩(wěn)定能力，是制備仿生肉最具前景的蛋白質(zhì)[25]。以豌豆為基料的仿生肉結(jié)構(gòu)比大豆為基料的產(chǎn)品更柔軟，彈性更小，因?yàn)橥愣沟鞍椎哪z凝能力更弱[26]。值得一提的是，盡管植物蛋白是很好的蛋白質(zhì)來(lái)源，但許多植物蛋白缺乏一種或多種必需氨基酸。因此，在植物蛋白基仿生肉的配方中，通常將豆類蛋白和谷類蛋白復(fù)配使用以達(dá)到營(yíng)養(yǎng)和功能方面的目的[27]。

單一蛋白質(zhì)的功能特性和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值有限，將蛋白質(zhì)與其他組分復(fù)合可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)。在大豆蛋白基仿生肉中添加谷蛋白可以改善感官性狀[28,29]。添加大豆纖維（5%～10%）可以使仿生肉具有更定向和更精細(xì)的質(zhì)地[30]。Ⅰota-卡拉膠（ⅠCGN）具有很強(qiáng)的持水能力。ⅠCGN的加入改善了仿生肉的組織化度，提高了整體接受度。研究表明，ⅠCGN添加量為1.5%的大豆蛋白仿生肉感官評(píng)分最高[31]。此外，在仿生肉的配方中添加維生素（維生素B12）和微量元素（鐵和鈣）可進(jìn)一步改善健康飲食，特別是純素食飲食，顯著提高消費(fèi)者接受度。然而，腌制、煙熏、油炸和燒烤等是食品加工為美味食物必須的烹飪過(guò)程，該過(guò)程可能會(huì)影響仿生肉的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和消費(fèi)者接受度[32,33]。與動(dòng)物源牛肉相比，植物蛋白基仿生肉具有更高含量的不飽和脂肪酸、鉀、鈣和磷，在烹飪后，其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值幾乎沒(méi)有發(fā)生變化[34]。

仿生肉通常被切成特定形狀，市售產(chǎn)品的尺寸在6～20 mm之間[35]。目前，在仿生肉制品的創(chuàng)新研究方面，美國(guó)和德國(guó)、法國(guó)、荷蘭、英國(guó)、意大利、瑞典等歐洲國(guó)家居于領(lǐng)先地位。比爾·蓋茨、萊昂納多·迪卡普里奧、謝爾蓋·布林等投資者對(duì)該領(lǐng)域表現(xiàn)出極大興趣，投資的多家初創(chuàng)企業(yè)如Beyond Meat、Ⅰmpossible Foods等現(xiàn)已成為集研發(fā)、生產(chǎn)和銷售仿生肉制品于一體的全球知名公司。Beyond Meat成立于2009年，2016年推出植物蛋白基仿生肉Beyond Burger。2019年5月Beyond Meat在美國(guó)掛牌上市，成為“人造肉第一股”。其產(chǎn)品主要?jiǎng)澐譃榧词撑c冷凍兩類，前者有漢堡和香腸，后者有牛肉碎等。Beyond Meat已經(jīng)在超過(guò)2.8萬(wàn)家零售店和3.6萬(wàn)家餐廳出售。Beyond Meat的目標(biāo)并不是少數(shù)的素食主義者，實(shí)際上是更普遍的肉食類人群。麥當(dāng)勞、肯德基已與Beyond Meat進(jìn)行了合作，推出的仿生肉漢堡、炸雞塊反響不錯(cuò)。Ⅰmpossible Foods成立于2011年，2016年推出血色仿生肉漢堡，進(jìn)入紐約連鎖餐廳Momofuku。這款漢堡肉在烘烤時(shí)能發(fā)出絲絲聲，顏色也能和真肉一樣逐漸變深，還散發(fā)出真肉的香氣。其中加入了轉(zhuǎn)基因酵母生產(chǎn)的血紅蛋白，從結(jié)構(gòu)、口感、顏色上與真實(shí)的牛肉漢堡非常接近。Ⅰmpossible Foods主要生產(chǎn)牛肉替代品，包括肉碎和肉餅，可用于漢堡、披薩及肉丸等多種食品的制作[36]。

3. 仿生肉的制備技術(shù)

纖維紡絲技術(shù)用于早期制備仿生肉，它是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的。堿性蛋白溶液通過(guò)噴絲器擠出到酸性凝固液中，沉淀成細(xì)絲，通過(guò)結(jié)合材料組裝成肉類似物[39]。然而，紡絲過(guò)程復(fù)雜，需要高度濃縮的植物蛋白溶液，而且對(duì)大規(guī)模應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常昂貴[40]。近年來(lái)的主要技術(shù)是熱塑擠壓技術(shù)。擠壓加工作為食品工業(yè)中眾所周知的即食早餐谷物和嬰兒食品的生產(chǎn)方法，具有較高的生產(chǎn)效率和能源利用效率。一般情況下，植物蛋白通常以脫脂的形式與水、碳水化合物、鹽、調(diào)味料和可食用的脂質(zhì)材料混合，輸送入如圖1 [41]所示的雙螺桿擠出機(jī)，在高溫和不同水分條件下，形成肉纖維結(jié)構(gòu)。為了生產(chǎn)理想的產(chǎn)品和提高消費(fèi)者的接受度，需要優(yōu)化產(chǎn)品配方和加工工藝達(dá)到無(wú)限接近真正肉類的感官品質(zhì)，如質(zhì)地、味道、風(fēng)味、顏色和口感[42]。由“干法擠壓”（濕度＜ 30%）制成的仿生肉，由于口感差，接受度較低。高水分（40%～80%）條件下的“濕法擠壓”技術(shù)制備的仿生肉，具有肌肉般的肌理、外觀和咀嚼感[43-45]。高水分?jǐn)D壓（HME）工藝提供了更復(fù)雜的配方，并且不要求所有成分具有較高溶解度，是一種更可靠和更具成本效益的技術(shù)[46]。此外，滾筒剪切技術(shù)也可用于制備仿生肉。如圖2所示的剪切單元裝置中，大豆蛋白懸浮液和小麥面筋在線性拉伸流動(dòng)中凝膠化，并生成纖維產(chǎn)品[47]。該技術(shù)使從HME工藝轉(zhuǎn)移到批量工藝中模擬紋理的生產(chǎn)成為可能[48]。此外，利用高溫剪切誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)化方法形成了大豆蛋白的纖維結(jié)構(gòu)[49]。同時(shí)，開(kāi)發(fā)出一種密閉式流變儀，通過(guò)在擠壓條件下改變熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)少量食品（約6 g水合小麥面筋）的加工與生產(chǎn)[50]。

4. 仿生肉的安全性及可接受度

對(duì)于食品行業(yè)來(lái)說(shuō)，消費(fèi)者的健康和食品安全尤為重要。在中國(guó)和日本等東亞國(guó)家，大豆蛋白基傳統(tǒng)食品已有兩千多年的食用歷史，這表明大豆蛋白基食品的安全性。在過(guò)去的幾十年里，大豆衍生產(chǎn)品已擴(kuò)展到西方國(guó)家，并已成為人類飲食中經(jīng)濟(jì)和高質(zhì)量的植物蛋白來(lái)源[51]。然而，研究也提出了大豆飲食可能對(duì)人類的認(rèn)知功能和情緒產(chǎn)生不利影響的擔(dān)憂[52,53]。

根據(jù)歐洲消費(fèi)者研究，仿生肉在四個(gè)主要消費(fèi)者群體中得到了特別的接受：①尋求健康和均衡營(yíng)養(yǎng)的消費(fèi)者；②關(guān)注動(dòng)物福利、可持續(xù)和倫理道德的消費(fèi)者；③注重便利性和具有成本意識(shí)的消費(fèi)者；④放縱和創(chuàng)新導(dǎo)向消費(fèi)者[33,54,55]。大豆蛋白基奶制品經(jīng)常被用于替代牛奶以避免不良反應(yīng)的發(fā)生。然而，10%～14%被診斷為牛奶過(guò)敏的受試者也對(duì)大豆過(guò)敏。小腸結(jié)腸炎等大豆過(guò)敏的臨床表現(xiàn)與牛奶過(guò)敏的臨床表現(xiàn)重疊[56,57]。玉米醇溶蛋白由于不含致敏原在仿生肉制品的制備中具有潛在的應(yīng)用能力。

此外，以大豆蛋白為基料的仿生肉不得不面對(duì)消費(fèi)者對(duì)轉(zhuǎn)基因大豆（GM）的擔(dān)憂。盡管轉(zhuǎn)基因技術(shù)在改變植物蛋白質(zhì)的物理和營(yíng)養(yǎng)特性方面在過(guò)去20年里取得了相當(dāng)大的進(jìn)展，但一些消費(fèi)者仍然懷疑它對(duì)人類健康的潛在危害。血紅素是一種含鐵分子，在動(dòng)物肌肉中含量豐富，它決定了真正肉類的顏色和味道[58]。血紅素是Ⅰmpossible Burger等植物蛋白類肉類產(chǎn)品的關(guān)鍵成分，通過(guò)基因工程酵母，將大豆血紅蛋白基因簡(jiǎn)單添加到酵母菌株中，通過(guò)發(fā)酵培養(yǎng)酵母，并從酵母中分離血紅素[59,60]。添加植物基的血紅素確實(shí)可以增強(qiáng)動(dòng)物肉類強(qiáng)烈的肉味、香氣和烹飪特性。然而，還需要進(jìn)行進(jìn)一步的試驗(yàn)以確認(rèn)其安全性。

表1 Beyond人造肉漢堡和動(dòng)物源牛肉的營(yíng)養(yǎng)成分對(duì)比

圖1. 雙螺桿高濕擠壓機(jī)示意圖。經(jīng)許可，復(fù)制自參考文獻(xiàn)[41]，American Chemical Society, ?2008。

圖2. 滾筒剪切制備大豆分離蛋白基仿生肉。經(jīng)許可，復(fù)制自參考文獻(xiàn)[23]，Elsevier Ltd., ?2015。

5. 仿生肉存在的挑戰(zhàn)

從宏觀層面看，動(dòng)物源肉制品的肌肉纖維可以被視覺(jué)感知，直徑在微米范圍內(nèi)[61]。仿生肉的微觀結(jié)構(gòu)決定了其在質(zhì)地和風(fēng)味方面是否與肉類具有相似的品質(zhì)[62]。目前的擠壓工藝制備的仿生肉與動(dòng)物肉在風(fēng)味、結(jié)構(gòu)和感官方面還存在較大差距，表現(xiàn)為缺乏纖維結(jié)構(gòu)，缺乏肉類的咀嚼度和多汁的口感。因此，仿生肉生產(chǎn)的最大挑戰(zhàn)是獲得真正動(dòng)物肉的質(zhì)地和口感，這可能需要專門設(shè)計(jì)仿生肉配方和優(yōu)化加工條件。開(kāi)發(fā)更多低成本和優(yōu)質(zhì)的植物蛋白資源以豐富現(xiàn)有植物蛋白品種對(duì)于實(shí)現(xiàn)仿生肉營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)的創(chuàng)新提升具有重要意義。

6. 展望

植物蛋白基仿生肉的開(kāi)發(fā)是改善人類健康、保護(hù)自然資源和維護(hù)動(dòng)物福利的一項(xiàng)重要舉措。動(dòng)物肉富含蛋白質(zhì)、維生素和礦物質(zhì)，但不含膳食纖維，而膳食纖維作為正常生理/生化過(guò)程中必不可少的營(yíng)養(yǎng)成分，可作為脂肪替代物添加到仿生肉配方中，實(shí)現(xiàn)膳食纖維含量的定量調(diào)控。食用膳食纖維可以預(yù)防糖尿病、腸易激綜合征和肥胖。因此，添加膳食纖維的仿生肉更受歡迎。

許多食用組分除了具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值外，還具有預(yù)防和治療疾病的功能，即具有藥食同源（MFH）的屬性。我國(guó)衛(wèi)生部已批準(zhǔn)80多個(gè)原材料為MFH材料，如紅豆、白扁豆、山藥和多種草藥?？梢越Y(jié)合MFH配料，開(kāi)發(fā)具有中國(guó)特色的功能性仿生肉。

在納米技術(shù)中，“自下而上”的分子自組裝技術(shù)是指結(jié)構(gòu)單元在一定條件下通過(guò)非共價(jià)作用形成特定結(jié)構(gòu)與功能聚集體的過(guò)程。在低pH值和熱處理等變性條件下，蛋白質(zhì)能夠通過(guò)成核增長(zhǎng)的方式組裝成纖維，進(jìn)而形成高度有序的聚集體結(jié)構(gòu)。因此，除了擠壓、剪切等熱、機(jī)械處理外，“自下而上”的方法也可以應(yīng)用于仿生肉的制備。隨著仿生肉制品的可選擇數(shù)量增加，我們可以享受美味健康的膳食，而不會(huì)對(duì)地球帶來(lái)危害。

致謝

感謝國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31901641、31972023）、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃重大項(xiàng)目（18JC1410801）、上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)“揚(yáng)帆計(jì)劃”項(xiàng)目（19YF1422400）、上海交通大學(xué)“新進(jìn)青年教師啟動(dòng)計(jì)劃”項(xiàng)目（18X100040057）的資助。

Compliance with ethics guidelines

Cuixia Sun, Jiao Ge, Jun He, Renyou Gan, and Yapeng Fang declare that they have no conflict of interest or financial conflicts to disclose.