植物基肉制品的研究進(jìn)展

豆康寧 趙永敢 金少舉 李超敏 鄧同興 趙志軍

(1. 漯河醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校，河南 漯河 462002; 2. 河南省營(yíng)養(yǎng)與健康工程研究中心，河南 漯河 462002)

根據(jù)聯(lián)合國(guó)糧食及農(nóng)業(yè)組織[1-2]評(píng)估，到2050年，人類對(duì)肉制品的需求將會(huì)增加70%。養(yǎng)殖業(yè)的過(guò)度發(fā)展會(huì)給生態(tài)環(huán)境帶來(lái)諸多負(fù)面影響，破壞生態(tài)環(huán)境[3-5]，還會(huì)帶來(lái)一系列健康問(wèn)題[6]。

植物基肉制品因環(huán)保、綠色、健康、安全等優(yōu)勢(shì)，目前已成為動(dòng)物肉的最佳替代品[7-8]。植物基肉制品的研究開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化雖然已有一定成果，但與動(dòng)物肉相比，植物基肉制品在口感上還有一定差距[9]。文章擬對(duì)目前有關(guān)植物基肉制品的研究應(yīng)用成果及存在的問(wèn)題進(jìn)行綜述，以期為植物基肉制品的研究開發(fā)提供理論參考。

1 植物基肉制品的概念和命名

根據(jù)中國(guó)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(T/CIFST001—2020《植物基肉制品》)有關(guān)定義，以植物為原料的人造肉被命名為植物基肉制品(Plant-based meat products)，即以植物原料(如豆類、谷類等，也包括藻類及真菌類等)或其加工品作為蛋白質(zhì)、脂肪的來(lái)源，添加或不添加其他輔料及食品添加劑(含營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑)，經(jīng)加工制成的具有類似禽、畜、水產(chǎn)等動(dòng)物肉制品質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味、形態(tài)等特征的食品。因此，該類產(chǎn)品也叫做素肉、植物肉、模擬肉[10]。

植物基肉產(chǎn)品通常采用“植物XX”“植物基XX”“植物源XX”“植物蛋白XX”“植物制成的XX”等詞匯命名，即在常見(jiàn)肉制產(chǎn)品的名稱前附加“植物”或類似限定詞，如植物漢堡肉餅、植物香腸、植物火腿等?？墒褂谩爸参镌础薄胺侵参镌础钡仍~語(yǔ)輔助描述終產(chǎn)品的原料來(lái)源，也可同時(shí)使用“素”字輔助說(shuō)明，例如，植物源肉丸、植物源素肉丸、植物源素雞等。

2 植物基肉制品的原料

植物基肉制品的主要原料有拉絲蛋白、油脂、風(fēng)味物質(zhì)、著色劑、粘合劑等[11]。將這些原料按照某一產(chǎn)品加工工藝制作成該植物基肉制品[12]。

2.1 拉絲蛋白

拉絲蛋白是一種具有組織化特性的蛋白[13]，為植物基肉制品提供類似真肉的口感和營(yíng)養(yǎng)，是植物基肉制品的關(guān)鍵原料。拉絲蛋白的來(lái)源有大豆蛋白、小麥蛋白、豌豆蛋白、鷹嘴豆蛋白、藻類蛋白、真菌類蛋白等[14]。蛋白質(zhì)種類不同，所制作出的拉絲蛋白質(zhì)構(gòu)差異也較大，此外，混合拉絲蛋白質(zhì)構(gòu)比單一蛋白質(zhì)構(gòu)更具優(yōu)勢(shì)[15]。因此，通常將多種蛋白質(zhì)按照一定的比例混合來(lái)制作拉絲蛋白。拉絲蛋白按照口感可分為細(xì)、軟、滑、硬、粗、澀型[11]。其中細(xì)、軟、滑型拉絲蛋白的口感細(xì)膩，適合做雞肉等肉質(zhì)細(xì)膩的植物基肉制品。硬、粗、澀型拉絲蛋白的口感較粗糙，適合做牛肉等質(zhì)地粗糙的植物基肉制品。

2.2 油脂及風(fēng)味物質(zhì)

油脂在植物基肉制品中不僅提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還能調(diào)節(jié)物料的潤(rùn)滑性和流動(dòng)性[16]。常用于植物基肉制品的油脂有菜籽油、葵花籽油、椰子油、大豆油等[14]。油脂在高溫加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生醛、酮、醇、酯等揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)，脂質(zhì)氧化降解物質(zhì)參與美拉德反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生肉類風(fēng)味物質(zhì)[17]。另外，還可以在植物基肉制品中添加還原糖、氨基酸、核苷酸等肉類風(fēng)味合成物質(zhì)，這些風(fēng)味合成物質(zhì)在高溫加工過(guò)程中通過(guò)美拉德反應(yīng)形成肉類風(fēng)味物質(zhì)。

2.3 黏合劑

植物基肉制品的原料彼此之間結(jié)合力較小，需要黏合劑增強(qiáng)這些物料之間的黏結(jié)力。常用的黏合劑有谷朊粉、大豆蛋白粉、多糖膠體、變性淀粉、轉(zhuǎn)谷氨酰胺氨酶等[14]。多糖膠體具有親水性，能夠使植物基肉制品的原料混合物變濃稠并使其凝膠化[18]從而達(dá)到保持水分、保證口感、提高貯藏和凍融穩(wěn)定性等目的[19]。在轉(zhuǎn)谷氨酰胺氨酶催化下，蛋白質(zhì)中賴氨酸和谷氨酸兩者之間會(huì)發(fā)生交聯(lián)，形成更大的蛋白分子[20]，從而起到植物蛋白黏合劑的作用。通過(guò)微生物發(fā)酵產(chǎn)生的褐藻酸鈉、殼聚糖、甲殼素等[21]也可用作食物黏合劑。黏合劑具有分子間作用力和共價(jià)鍵交聯(lián)作用，對(duì)維持植物基肉制品的結(jié)構(gòu)發(fā)揮重要作用。

2.4 著色劑

植物基肉制品為了模仿動(dòng)物肉色澤需要添加著色劑。肌紅蛋白是動(dòng)物肉色澤的主要來(lái)源，在肉類的黏結(jié)性和風(fēng)味物質(zhì)產(chǎn)生中也起著重要作用[8]。因此，開發(fā)肌紅蛋白生產(chǎn)技術(shù)是解決植物基肉制品色澤的首選手段。據(jù)報(bào)道，Yang等[22]利用基因工程技術(shù)改造了酵母菌基因，經(jīng)發(fā)酵后生產(chǎn)了大豆血紅蛋白，其性質(zhì)接近肌紅蛋白。此外，人工或天然色素也常用于植物基肉制品的著色，如紅曲紅、辣椒紅、玫瑰紅、甜菜提取物、胡蘿卜色素、焦糖色素、番茄色素等。楊竺紅[8]研究發(fā)現(xiàn)，色素之間搭配使用所產(chǎn)生的色澤效果更好，如將0.08%紅曲紅和0.02% 辣椒紅復(fù)配，混合色素的紅度值、黃度值以及整體色澤都更接近于牛肉色澤。甜菜提取色素與干制、熏制、腌制等動(dòng)物肉色澤接近，將其應(yīng)用到植物漢堡肉餅非常適宜。在選擇植物基肉制品的色素時(shí)，除了考慮色素色澤是否接近產(chǎn)品色澤外，還要考慮色素本身穩(wěn)定性及原料pH對(duì)色素穩(wěn)定性的影響。

3 植物基肉制品的加工工藝

植物基肉制品的通用加工工藝為[23]：拉絲蛋白的制作、拆絲、原料復(fù)配、斬拌、成型、熟制。拉絲蛋白即組織化蛋白，具有肌肉纖維的類似結(jié)構(gòu)，其制作方法主要有紡絲法[24]、熱剪切法[25]、3D打印法[26]和擠壓法[27]。紡絲法是指植物蛋白在堿性溶液中變性處理后形成紡絲液，再經(jīng)擠壓并通過(guò)噴絲板后在酸性鹽溶液中凝固，得到的纖維物質(zhì)即為拉絲蛋白；熱剪切法是指植物蛋白水溶液通過(guò)兩個(gè)嵌套圓筒的間隙后，通過(guò)調(diào)節(jié)圓筒的相對(duì)轉(zhuǎn)速和加熱溫度，在圓筒剪切力作用下將植物蛋白切成分層的纖維物質(zhì)，即得拉絲蛋白；3D 打印是指采用擠壓式打印技術(shù)，先將植物蛋白熔融，再通過(guò)噴頭擠壓，層層覆蓋，形成纖維結(jié)構(gòu)，即得拉絲蛋白；擠壓法是指植物蛋白在螺桿擠壓機(jī)中，在溫度、水蒸氣、壓力、剪切力、摩擦力的共同作用下，蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)被破壞，由球狀變成絲狀，蛋白物料經(jīng)過(guò)模頭定向排列，形成纖維組織狀結(jié)構(gòu)，即得拉絲蛋白。

目前，紡絲法、熱剪切法和3D打印法存在技術(shù)不成熟和研發(fā)生產(chǎn)成本高的問(wèn)題，尚未應(yīng)用到生產(chǎn)中。擠壓法技術(shù)比較成熟，生產(chǎn)成本低，因而得到了廣泛應(yīng)用[28]。

拉絲蛋白可直接通過(guò)鹵制、腌制、干制等方法得到即食的植物肉產(chǎn)品，如雙匯集團(tuán)、南街村集團(tuán)開發(fā)的素食界植物肉。若要開發(fā)植物漢堡肉餅、植物香腸、植物火腿等非即食植物基肉制品，則需要將拉絲蛋白拆絲[29]。拆絲是將拉絲蛋白用水浸泡透，然后用粉碎機(jī)進(jìn)行破碎，使組織化蛋白成絲狀，再將絲狀植物蛋白代替動(dòng)物肉，按照肉制品配方與工藝，如原料復(fù)配、斬拌、成型、熟制等工序，制作成相關(guān)植物基肉制品。

4 植物基肉制品的質(zhì)構(gòu)與感官

T/CIFST001—2020將植物基肉制品的感官品質(zhì)分為形態(tài)、氣味與滋味、色澤、雜質(zhì)四方面，但未涉及口感，可能是因?yàn)橹参锘庵破返目诟须y以主觀判定。因此，植物基肉制品的口感需要借助質(zhì)構(gòu)來(lái)輔助判斷。有關(guān)植物基肉制品的質(zhì)構(gòu)指標(biāo)主要有硬度、彈性、咀嚼性[8]。目前，植物基肉制品加工技術(shù)已取得了很大進(jìn)步，但在口感上與動(dòng)物肉還有一定差距。

評(píng)估植物基肉制品品質(zhì)的方法和技術(shù)包括：感官評(píng)價(jià)[30]、質(zhì)構(gòu)儀[31]、掃描電子顯微鏡[32]、共聚焦熒光顯微鏡[33]、三維X射線斷層成像技術(shù)[34]、核磁共振成像技術(shù)[35]和傅里葉變換紅外光譜[36]。

曾艷等[14]指出植物基肉制品和動(dòng)物肉制品口感差距的根本原因是肌肉的組織結(jié)構(gòu)不同。動(dòng)物肉的獨(dú)特口感來(lái)源于肌凝蛋白與肌動(dòng)蛋白相互交疊形成的肌纖維結(jié)構(gòu)，肌纖維的直徑大小和排列結(jié)構(gòu)直接影響肌肉的質(zhì)構(gòu)與口感，而植物蛋白中的拉絲蛋白在加工過(guò)程中，由于技術(shù)所限，其組織結(jié)構(gòu)很難達(dá)到動(dòng)物肉的組織結(jié)構(gòu)，因此質(zhì)構(gòu)與口感就會(huì)出現(xiàn)差異。

5 植物基肉制品的營(yíng)養(yǎng)

通過(guò)營(yíng)養(yǎng)復(fù)配技術(shù)植物基肉制品營(yíng)養(yǎng)水平可以達(dá)到甚至超過(guò)動(dòng)物肉營(yíng)養(yǎng)水平。大豆蛋白蛋白質(zhì)含量高(約為40%～50%)，是瘦豬肉或牛肉的2倍[37]，而且氨基酸種類豐富, 其中必需氨基酸含量較高, 接近WHO/FAO 推薦標(biāo)準(zhǔn)[38]。大豆蛋白質(zhì)中蛋氨酸含量偏低，賴氨酸含量偏高，而谷類蛋白質(zhì)則相反，因此，可以通過(guò)植物蛋白復(fù)配技術(shù)，提高氨基酸的含量。大豆蛋白質(zhì)和小麥蛋白質(zhì)復(fù)配后，其蛋白質(zhì)營(yíng)養(yǎng)價(jià)值與動(dòng)物肉相當(dāng)[39]。

植物基肉制品的原料配方中通常配有淀粉、膠體多糖等碳水化合物，因此，植物基肉制品中碳水化合物含量遠(yuǎn)高于動(dòng)物肉的，這些碳水化合物類物質(zhì)不僅能提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，還起到粘合原料成分、提高產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)品質(zhì)、減少產(chǎn)品脫水的作用[40]。

與動(dòng)物肉中的脂肪相比，植物基肉制品中添加的植物油不含膽固醇，并且必需脂肪酸亞油酸、亞麻酸和花生四烯酸的含量高，因此，植物基肉制品中的油脂比動(dòng)物肉油脂更健康[41-42]。

動(dòng)物肉是人體攝入礦物質(zhì)與B族維生素的重要來(lái)源，而植物基肉制品則需通過(guò)原料組合以及添加營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化劑的途徑滿足人體對(duì)礦物質(zhì)與B族維生素的需求[43]。Hegarty等[44]將大豆蛋白肉與牛肉成分進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化的大豆蛋白肉中的B族維生素和鉀、鈣、磷、鈉等礦物質(zhì)含量比牛肉的高。

綜上，植物基肉制品通過(guò)原料復(fù)配和營(yíng)養(yǎng)強(qiáng)化技術(shù)能夠達(dá)到動(dòng)物肉的營(yíng)養(yǎng)水平。

6 植物基肉制品的市場(chǎng)

2019年，中國(guó)植物基肉制品產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模約為70億元，過(guò)去5年的年復(fù)合增長(zhǎng)率在14%左右[45]，保持快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。2020年杜邦營(yíng)養(yǎng)與生物科學(xué)公司調(diào)查結(jié)果[46]顯示，中國(guó)對(duì)植物基肉制品的需求還在不斷增加，到2025年，中國(guó)植物肉市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到154億元左右。在中國(guó)，植物基肉制品市場(chǎng)已經(jīng)初具規(guī)模，并且還在不斷擴(kuò)大。

國(guó)外不少公司成功開發(fā)出了植物基肉制產(chǎn)品并已上市[47]。例如，美國(guó)Beyongd meat公司利用豌豆蛋白開發(fā)出了漢堡素肉餅(The Beyond Buger)；美國(guó)Impossible公司利用小麥蛋白、馬鈴薯蛋白和大豆分離蛋白的復(fù)配蛋白開發(fā)出了漢堡素肉餅(Impossible Buger)，其口感與牛肉十分相似；美國(guó)Morning star Farm公司利用擠壓植物蛋白(小麥面筋、大豆?jié)饪s蛋白)、水解植物蛋白(玉米面筋、小麥面筋、大豆蛋白)和大豆分離蛋白的復(fù)配蛋白，開發(fā)出了漢堡素肉餅(Grills original burgers)，其口感、風(fēng)味、色澤接近動(dòng)物肉；美國(guó)杜邦公司開發(fā)出了植物肉腸、炸雞塊和涮火鍋材料植物肉等；法國(guó)Toreos公司利用小麥蛋白和鷹嘴蛋白開發(fā)出了漢堡素肉餅(Le Sauté Végétal)；加拿大Gardein公司利用大豆分離蛋白、小麥面筋和豌豆蛋白開發(fā)出了植物脆雞肉(Mandarin crispy Chicken)，可替代炸雞塊；英國(guó)Sgaia’s vegan meats公司利用小麥面筋和大豆蛋白開發(fā)出了漢堡素肉餅(Mheat buger)。

中國(guó)盡管在植物基肉制品技術(shù)落后于歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，但技術(shù)發(fā)展速度非?？?。金華金字火腿有限公司利用大豆和小麥蛋白開發(fā)出了牛肉味植物肉餅；珍肉(北京)食品科技有限公司利用豌豆蛋白開發(fā)出了人造植物肉月餅；寧波素蓮食品有限公司利用大豆組織蛋白開發(fā)出了素火腿午餐肉、牛肉粒、素干腸。雙匯集團(tuán)、雙塔集團(tuán)、雪榕生物、星期零等知名公司也緊跟其后，開始涉足植物基肉制品產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品在市場(chǎng)上初具規(guī)模，且具有一定的市場(chǎng)影響力。

7 植物基肉制品的專利

隨著植物基肉制品商業(yè)化發(fā)展，有關(guān)植物基肉制品技術(shù)的專利保護(hù)顯得尤為重要。植物基肉制品技術(shù)專利主要涉及領(lǐng)域?yàn)橹参锘庵破吩祥_發(fā)、植物蛋白纖維化技術(shù)、植物基肉制品加工技術(shù)及細(xì)胞肉培養(yǎng)技術(shù)[48]。植物基肉制品原料開發(fā)主要涉及植物蛋白原料開發(fā)、仿血紅蛋白色素開發(fā)及仿肉風(fēng)味物質(zhì)的開發(fā)應(yīng)用；植物蛋白纖維化技術(shù)主要指植物蛋白的組織化工藝技術(shù)，即使組織化的植物蛋白的口感更類似于肌肉纖維；植物基肉制品加工技術(shù)主要是用于開發(fā)出商品化的產(chǎn)品，如素肉漢堡、素肉香腸、素肉丸子等；細(xì)胞肉培養(yǎng)技術(shù)主要指用動(dòng)物細(xì)胞培養(yǎng)出細(xì)胞肉，使其口感更類似于動(dòng)物肉，盡管技術(shù)難度大，成本高，但該技術(shù)仍然被給予厚望。目前，美國(guó)Beyongd meat公司、Impossible公司等國(guó)外知名公司在植物基肉制品商品化方面專利布局做得比較好，中國(guó)貴州省貝真食業(yè)有限公司、佛山市聚成生化技術(shù)研發(fā)有限公司等知名公司在功能和營(yíng)養(yǎng)化植物基肉制品方面專利布局做得比較好。

就專利申請(qǐng)量方面而言，從2000年開始，海外有關(guān)植物基肉制品的專利申請(qǐng)量呈遞增趨勢(shì)，其中美國(guó)和日本專利申請(qǐng)量最大，這兩個(gè)國(guó)家也是植物基肉制品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售大國(guó)，2017年專利申請(qǐng)量達(dá)到最高，之后呈下降趨勢(shì)[48]，這可能與植物基肉制品技術(shù)發(fā)展到瓶頸期有關(guān)。從2000年開始，中國(guó)有關(guān)植物基肉制品的專利申請(qǐng)量呈遞增趨勢(shì)，2016年專利申請(qǐng)量達(dá)到最高，為36件，超過(guò)同時(shí)期國(guó)外專利申請(qǐng)量總和(22件)，之后呈下降趨勢(shì)，但專利申請(qǐng)量每年仍高于國(guó)外專利申請(qǐng)量總和[48]。這說(shuō)明中國(guó)是植物基肉制品研發(fā)銷售大國(guó)，擁有巨大的市場(chǎng)空間。盡管中國(guó)有關(guān)植物基肉制品專利申請(qǐng)量比較多，但也存在一些不足。一是專利整體價(jià)值不高；二是專利布局不佳，高新技術(shù)專利較少；三是專利轉(zhuǎn)化率比較低。這些專利不足之處也反映了中國(guó)植物基肉制品技術(shù)研發(fā)相對(duì)薄弱，應(yīng)加大投入，提高科技研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化。

8 植物基肉制品的安全性

植物基肉制品也存在一定的安全隱患[49]，主要包括物理、化學(xué)、生物、過(guò)敏原因素。物理因素方面，在加工植物基肉制品的過(guò)程中，可能會(huì)有金屬物質(zhì)、砂子、塵埃、紙屑、木屑及其他雜質(zhì)混入?；瘜W(xué)因素方面，安全問(wèn)題主要來(lái)源于是鉛、鎘、汞、砷、錫、鎳、鉻、亞硝酸鹽、硝酸鹽等化學(xué)污染物以及真菌毒素，這些化學(xué)污染物需符合GB 2762—2012 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中污染物限量》的規(guī)定；真菌毒素如黃曲霉毒素B1、黃曲霉毒素M1、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、展青霉素、赭曲霉毒素A及玉米赤霉烯酮需符合GB 2761—2017 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中真菌毒素限量》的規(guī)定。生物因素方面，致病源主要是沙門氏菌、金黃色葡萄球菌及微生物大腸桿菌，需符合T/CIFST001—2020 《植物基肉制品》的規(guī)定。過(guò)敏原因素方面，用于制作植物基肉制品的大豆蛋白、小麥蛋白、花生蛋白等植物蛋白可能存在致敏性[50-57]。因此，在保證植物基肉制品品質(zhì)的前提下，盡量使用低過(guò)敏原蛋白，如豌豆蛋白[58]。除此之外，應(yīng)在產(chǎn)品包裝上明確寫明原料成分，引起消費(fèi)者注意。

總之，植物基肉制品加工企業(yè)應(yīng)當(dāng)參照GMP、SSOP、HACCP體系[59]建立完善的食品安全控制體系，確保所生產(chǎn)植物基肉制品的安全性。

9 總結(jié)與展望

近年來(lái)，植物基肉制品的開發(fā)應(yīng)用已取得顯著成果，但植物基肉制品的口感仍然和動(dòng)物肉有一定差距。針對(duì)此問(wèn)題，建議從蛋白原料種類、蛋白質(zhì)分子改性、拉絲蛋白生產(chǎn)工藝技術(shù)等方面著手研究。

目前植物基肉制品主要利用豆類、谷類蛋白質(zhì)，而對(duì)藻類及真菌蛋白研究應(yīng)用較少。未來(lái)可利用基因工程技術(shù)改造藻類及真菌類微生物的基因，從而得到符合消費(fèi)需求的蛋白，同時(shí)拓寬植物蛋白的來(lái)源。