新時(shí)期“大食物觀”背景下食品原料學(xué)課程教學(xué)創(chuàng)新與實(shí)踐

曹錦軒 張?jiān)旅? 王金鵬 王穎 滕雯迪

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)思維模式認(rèn)為耕地是提供食物來源的主要方式，然而隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民群眾的生活正由“吃得飽”向“吃得好、吃得健康營養(yǎng)”發(fā)展，同時(shí)也給我國食物結(jié)構(gòu)優(yōu)化和供給來源提出了新的挑戰(zhàn)——從傳統(tǒng)向耕地要食物逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛏帧⒉菰?、江河湖海和設(shè)施農(nóng)業(yè)要食物，向植物、動(dòng)物、微生物要熱量、要蛋白，這一拓展食物來源的概念被稱為“大食物觀”。在我國新時(shí)期“大食物觀”的背景基礎(chǔ)上，新型食品原料的挖掘與開發(fā)顯得尤為重要。

作為食品科學(xué)與工程本科專業(yè)的必修課程之一，食品原料學(xué)課程主要講授食品原料的基本特性與開發(fā)利用，是一門理論與實(shí)踐相結(jié)合的綜合性課程，有助于學(xué)生掌握各類食品原料的基本理論知識以及食品優(yōu)質(zhì)資源開發(fā)過程中的利用原理和方法。然而，目前食品原料學(xué)課程的教學(xué)仍以教材中的基礎(chǔ)理論為主，前沿性內(nèi)容不足，無法滿足新時(shí)期“大食物觀”的發(fā)展要求，需要與時(shí)俱進(jìn)，及時(shí)補(bǔ)充更多優(yōu)質(zhì)食品原料開發(fā)與應(yīng)用的研究進(jìn)展。

蛋白質(zhì)是人體必需營養(yǎng)元素之一，是生命體的重要組成部分。隨著世界人口總數(shù)的增長，人類對于優(yōu)質(zhì)食品蛋白的需求量也逐年增高，預(yù)計(jì)到2050年其增量將達(dá)到30%-50%。然而，傳統(tǒng)蛋白質(zhì)獲取大量依賴于畜牧養(yǎng)殖業(yè)，嚴(yán)重影響生存環(huán)境和耗費(fèi)自然資源，也難以滿足人口持續(xù)增長帶來的對蛋白質(zhì)的巨大需求，這意味著必須有區(qū)別于目前蛋白食品原料的“新蛋白”原料產(chǎn)業(yè)彌補(bǔ)供需。目前以植物、動(dòng)物細(xì)胞和微生物等為代表的新型蛋白基食品原料的研究與開發(fā)在國際范圍內(nèi)受到大力追捧，替代蛋白的開發(fā)也有助于從數(shù)量和質(zhì)量上更好地滿足人民群眾對于美好生活的需求。

在新時(shí)期“大食物觀”背景下，針對食品原料學(xué)課程傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容前沿性不足等問題，本文根據(jù)“向植物、動(dòng)物細(xì)胞和微生物要蛋白”等熱點(diǎn)課題的研究進(jìn)展，主要從替代蛋白角度討論食品原料學(xué)課程教學(xué)內(nèi)容改革創(chuàng)新，結(jié)合糧油食品原料、畜產(chǎn)食品原料和新資源食品原料等不同食品原料的前沿性科學(xué)研究，對糧油、畜產(chǎn)和新資源食品原料等章節(jié)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了創(chuàng)新。通過激發(fā)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)興趣以及課后科學(xué)探索實(shí)踐熱情，采用科研與教學(xué)相結(jié)合的“雙主線式”教學(xué)，提高學(xué)生的學(xué)術(shù)前沿國際視野，培養(yǎng)符合“大食物觀”要求的創(chuàng)新型專業(yè)人才，為學(xué)生未來從事新型食品原料開發(fā)及相關(guān)工作打下良好的基礎(chǔ)。

一、糧油食品原料章節(jié)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

從營養(yǎng)需求和人類飲食歷史來講，糧油食品一直是人類膳食的主要組成部分，可以為人類提供必需的蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素。糧油食品原料主要是指從田間栽培的各種糧食作物中收獲的果實(shí)和種子，按照化學(xué)成分和用途主要可以分為谷類、豆類、油料作物和薯類作物。在食品原料學(xué)課程中，糧油食品原料章節(jié)的授課內(nèi)容主要基于這些傳統(tǒng)農(nóng)作物的基礎(chǔ)性狀與成分、加工與保存特性以及生產(chǎn)、消費(fèi)與流通狀況等展開，較少關(guān)注糧油原料作為替代蛋白來源的前沿性研究。因此，將“向植物要蛋白”引入課堂具有一定的實(shí)踐意義。

不同糧油食品原料的蛋白質(zhì)含量各不相同，如谷類的蛋白質(zhì)含量一般為6%-14%，大米為7%，小麥為12.5%，玉米為6.5%-13.2%，豆類和油料作物的蛋白質(zhì)含量則較高，一般可以達(dá)到20%-40%。目前關(guān)于糧油食品原料作為替代蛋白質(zhì)來源的前沿研究常見于蛋白含量較高的豆類植物，其中利用大豆蛋白、豌豆蛋白等合成的植物基人造肉食品是近年來國內(nèi)外研究開發(fā)替代蛋白的熱點(diǎn)方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球植物人造肉的市場規(guī)模達(dá)到了121億美元，預(yù)計(jì)到2025年將再翻一番，商業(yè)前景非常廣闊。

當(dāng)前關(guān)于植物蛋白肉的生產(chǎn)工藝，使用最多的方法為紡絲法、熱塑擠壓法和熱剪切法，在高溫、高壓和極強(qiáng)剪切力的作用下，植物蛋白分子變性，空間結(jié)構(gòu)發(fā)生展開、交聯(lián)和聚集等一系列變化，從天然的球狀聚集態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蓄愃萍∪饫w維結(jié)構(gòu)的多孔組織化蛋白狀態(tài)，以此構(gòu)成植物基人造肉的基礎(chǔ)骨架結(jié)構(gòu)。

植物蛋白肉的質(zhì)構(gòu)、風(fēng)味和營養(yǎng)價(jià)值被認(rèn)為是影響人造肉產(chǎn)品品質(zhì)的決定性因素。研究發(fā)現(xiàn)，混合多種糧油食品原料蛋白組分，比如大豆-豌豆-小麥等，有助于植物基蛋白食品結(jié)構(gòu)和口感的提升?？紤]到大豆蛋白加工過程中“豆腥味”的產(chǎn)生會在一定程度上降低消費(fèi)者的滿意度，因此，更多的優(yōu)質(zhì)糧油食品原料蛋白質(zhì)資源仍有待開發(fā)，進(jìn)而在“大食物觀”背景下更好滿足人民群眾的美好生活需求。

二、畜產(chǎn)食品原料章節(jié)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

畜產(chǎn)食品原料指的是能夠供人們食用的肉類產(chǎn)品及其相關(guān)的乳品和蛋品等。一般來說，可供人類食肉的畜禽種類主要有豬、牛、羊、雞、鴨、鵝等。畜產(chǎn)食品原料章節(jié)的傳統(tǒng)授課內(nèi)容主要包括畜禽動(dòng)物的分類和品種，屠宰和檢測，冷卻和分割，肉、乳、蛋的形態(tài)結(jié)構(gòu)，化學(xué)成分與加工特性，貯藏過程中的質(zhì)量變化等。肉食原料含有較為豐富的蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和礦物質(zhì)等營養(yǎng)元素，自古以來就在人類膳食中占據(jù)重要地位。全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人口數(shù)量的迅速增長，將會引起畜產(chǎn)食品消費(fèi)量快速增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，預(yù)計(jì)到2050年，全球肉類食品的消費(fèi)量將會增加50%以上，肉制品市值將高達(dá)21萬億元。畜牧養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境和氣候問題以及非洲豬瘟等動(dòng)物疫病的流行，也給肉類食品原料的安全生產(chǎn)和綠色加工帶來異常嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

細(xì)胞培養(yǎng)肉技術(shù)是近年來國內(nèi)外研究的一項(xiàng)新興技術(shù)，目的是部分取代傳統(tǒng)畜牧業(yè)生產(chǎn)的肉食原料，提供豐富的動(dòng)物蛋白質(zhì)來源，更好滿足人民群眾對于肉食原料和動(dòng)物蛋白資源的需求。因此，畜產(chǎn)食品原料章節(jié)將會重點(diǎn)結(jié)合細(xì)胞培養(yǎng)肉的相關(guān)研究進(jìn)展，將“向細(xì)胞要蛋白”引入課堂。細(xì)胞培養(yǎng)肉主要是通過細(xì)胞生物學(xué)、食品科學(xué)與工程相關(guān)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)，人為地對動(dòng)物干細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng)以生產(chǎn)純化肌肉組織，經(jīng)過食品熱加工后得到與傳統(tǒng)肌肉結(jié)構(gòu)和口感相似的產(chǎn)品。其優(yōu)勢在于以細(xì)胞工廠化生產(chǎn)肉類和動(dòng)物蛋白質(zhì)，從而避免傳統(tǒng)畜牧養(yǎng)殖業(yè)帶來的各種問題，是一種安全、綠色、可持續(xù)的替代蛋白生產(chǎn)方式。

關(guān)于細(xì)胞培養(yǎng)肉的相關(guān)文獻(xiàn)研究，目前主要集中于技術(shù)特點(diǎn)、營養(yǎng)價(jià)值、安全評價(jià)以及產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展等方面，國內(nèi)外的一些科研院所也正在大力推動(dòng)細(xì)胞培養(yǎng)肉生物技術(shù)的改進(jìn)與完善。細(xì)胞永生化技術(shù)可以使動(dòng)物干細(xì)胞在細(xì)胞培養(yǎng)過程中得到永久性無限增值，有助于解決原代細(xì)胞傳代次數(shù)受到限制的問題，從而在生產(chǎn)端實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模的應(yīng)用。然而，由于細(xì)胞培養(yǎng)肉的生產(chǎn)技術(shù)難度較高、耗時(shí)耗力以及消費(fèi)者接受度、產(chǎn)品管理規(guī)范制定等問題，細(xì)胞培養(yǎng)肉作為替代蛋白生產(chǎn)體系真正走向市場還需要面臨很多挑戰(zhàn)，未來研究將重點(diǎn)著眼于肌肉蛋白的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，助力“大食物觀”背景下動(dòng)物蛋白優(yōu)質(zhì)資源的挖掘與開發(fā)。

三、新資源食品原料章節(jié)教學(xué)內(nèi)容創(chuàng)新

根據(jù)蛋白來源的不同，替代蛋白主要分為植物蛋白、細(xì)胞培養(yǎng)肉以及微生物蛋白。“向微生物要蛋白”可以減少傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕種和畜牧業(yè)養(yǎng)殖過程中自然資源的消耗，減少溫室氣體的排放，提高蛋白生產(chǎn)效率，以較少的資源生產(chǎn)更多的優(yōu)質(zhì)蛋白。根據(jù)相關(guān)模型計(jì)算，到2050年，如果采用微生物蛋白取代全球20%的牛肉消費(fèi)，則預(yù)期每年能夠減少約56%的森林資源砍伐和相應(yīng)的二氧化碳排放。因此，新資源食品原料章節(jié)將重點(diǎn)著眼于微生物創(chuàng)造的新蛋白食物資源，將“向微生物要蛋白”引入教學(xué)課堂。

微生物創(chuàng)造的新蛋白資源主要是指天然食用真菌中獲取的蛋白質(zhì)和微生物發(fā)酵生產(chǎn)的單細(xì)胞蛋白質(zhì)，前者以蘑菇、木耳等食用真菌的子實(shí)體或菌絲體為蛋白制備原料，后者更多是以一碳化合物、農(nóng)業(yè)或石油化工廢棄物等為制備原料，通過細(xì)菌、真菌和酵母菌的發(fā)酵培養(yǎng)后再加工獲取，單細(xì)胞蛋白的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)將有助于實(shí)現(xiàn)廢棄農(nóng)業(yè)和工業(yè)資源的再利用。

單細(xì)胞蛋白是由蛋白質(zhì)、碳水化合物、脂肪、核酸、含氮化合物、維生素和礦物質(zhì)等混合物組成的細(xì)胞質(zhì)團(tuán)。研究發(fā)現(xiàn)，單細(xì)胞蛋白中蛋白質(zhì)的含量可以達(dá)到40%-80%，遠(yuǎn)高于大豆和肉制品中蛋白的含量，而且氨基酸組成豐富，含有賴氨酸等8種必需氨基酸，能夠滿足人類膳食的日常需求。與植物蛋白和細(xì)胞培養(yǎng)蛋白相比，利用微生物發(fā)酵生產(chǎn)菌體蛋白，具備周期短、生產(chǎn)效率高、原料來源廣泛及工業(yè)化生產(chǎn)過程不易受到季節(jié)和天氣變化影響等優(yōu)勢。

單細(xì)胞蛋白作為一種新型的食品蛋白原料，在食品和飼料等領(lǐng)域具備廣闊的應(yīng)用前景。然而，單細(xì)胞蛋白可能存在核酸含量過高、消化率較低、含有部分毒性物質(zhì)等問題，在一定程度上限制了單細(xì)胞蛋白作為替代蛋白資源的應(yīng)用。未來的研究應(yīng)重點(diǎn)聚焦于單細(xì)胞蛋白安全性評價(jià)和性能改善、核酸含量的降低工藝和方法以及新型培育菌株的發(fā)掘和培養(yǎng)過程優(yōu)化等，助力“大食物觀”背景下微生物蛋白資源的市場化生產(chǎn)和應(yīng)用。

四、食品原料學(xué)課程教學(xué)實(shí)踐總結(jié)與思考

隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速增長和人口規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，人類對于蛋白質(zhì)的需求量不斷上漲，將導(dǎo)致全球糧食和畜產(chǎn)資源供應(yīng)的壓力持續(xù)增加。基于我國提出的“大食物觀”背景，新的食品蛋白原料不斷被挖掘，替代蛋白資源的開發(fā)逐漸成為市場關(guān)注的焦點(diǎn)。因此，踐行“大食物觀”，將植物、動(dòng)物細(xì)胞和微生物等新型替代蛋白資源的最新研究進(jìn)展，融入食品原料學(xué)課程的糧油食品原料、畜產(chǎn)食品原料和新資源食品原料等章節(jié)，具有一定的實(shí)踐意義，有助于實(shí)現(xiàn)課程思政與科研前沿領(lǐng)域的結(jié)合教學(xué)。

在新的教學(xué)模式實(shí)施過程中，學(xué)生的課堂參與度明顯提高，課堂反響熱烈，教學(xué)效果得到了顯著提升。學(xué)生普遍認(rèn)為，結(jié)合“向植物、動(dòng)物細(xì)胞、微生物要蛋白”等熱點(diǎn)研究領(lǐng)域的內(nèi)容，有助于提高學(xué)習(xí)興趣和課堂體驗(yàn)感，及時(shí)了解和掌握食品領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢，拓展學(xué)術(shù)前沿國際視野，培養(yǎng)科研創(chuàng)新思維。學(xué)生們也表現(xiàn)出極大的學(xué)習(xí)興趣，課后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室參與了大豆蛋白濕法拉絲、植物肉調(diào)味與研發(fā)、骨骼肌干細(xì)胞干性維持與分化過程中細(xì)胞骨架表達(dá)促進(jìn)等相應(yīng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，將課堂教學(xué)內(nèi)容與課后科研實(shí)踐進(jìn)行了有機(jī)融合，實(shí)現(xiàn)了科研與教學(xué)相結(jié)合的“雙主線式”教學(xué)。

作者簡介：曹錦軒（1982-），男，湖北人，教授，博士，研究方向?yàn)樾螽a(chǎn)品加工與資源功能化利用。

*通信作者：張?jiān)旅溃?991-），女，天津人，副教授，博士，研究方向?yàn)樾螽a(chǎn)品加工與資源功能化利用。