植物蛋白素肉原料與工藝的研究進展

劉夢然，毛衍偉，羅欣，董鵬程，張一敏

(山東農業大學 食品科學與工程學院，山東 泰安，271018)

肉是人們日常食品消費的重要組成部分，世界范圍內對肉類需求的持續增長引起了人們對肉類產品供給的擔憂[1]。在食品生產中，將植物蛋白轉化為動物蛋白是低效的，且動物養殖給環境帶來一定的負擔[2]。據聯合國糧農組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)統計，全球牧場面積是農田面積的2倍多，在飼養過程中又消耗了大約1/3的農作物作為飼料[3]，并且畜牧業產生了高達總排放量12%的溫室氣體[4]。因此，肉類消費需求與供給之間的矛盾成為亟待解決的問題，而人造肉產品的出現為轉變傳統肉類消費模式提供了一個新的選擇。

目前人造肉主要分為2種，基于人造肉命名對于產業發展和消費者接受程度具有的重要影響而提出的規范化建議，分別稱2種人造肉為細胞培育肉和植物蛋白素肉[5]。

細胞培育肉又可稱為invitromeat, cell-based meat, synthetic meat, culture meat等[6-7]，它是通過提取動物身上的胚胎干細胞，利用組織培養方法生產的動物蛋白[8]。由于細胞培育肉的生產需要復雜的技術和大量資金支撐，目前還處于實驗室研究階段。并且有調研發現大多數消費者因為細胞培育肉是非天然的而不能接受[9]。而另一種人造肉是植物蛋白素肉，可稱為plant-based meat、imitation meat, meat analogues[10-11]，是應用植物蛋白質、脂肪等原料，結合功能性添加物并經過特定的加工技術使其具有類似傳統肉類質構、風味、顏色的新產品。植物蛋白素肉的生產成本相對較低并且成分天然，具有不飽和脂肪酸含量豐富等健康優勢，并且在風味、質構等多個方面都接近真實肉類，是具有傳統肉制品的質地、感官和化學特性的食品。在對消費者接受人造肉意愿調查中發現，植物蛋白素肉產品具有良好的市場基礎，被認為是最合適并且容易被接受的產品[12]，并且有學者認為植物蛋白素肉將對傳統肉類市場產生強烈的競爭[13]。

基于植物蛋白素肉的產品優勢和市場潛力，各學者為提升其生產工藝進行了大量研究，并且通過了解消費者對產品的需求以期獲得與傳統肉類在感官特性及營養等方面的一致性。本文綜述了植物蛋白素肉的質構、顏色、風味、營養等品質和加工技術，分析了消費者對于植物蛋白素肉的接受程度，最后闡明了植物蛋白素肉存在的問題和發展前景。

1 植物蛋白素肉的基礎成分

在生產植物蛋白素肉時，質地、外觀、風味、口感是產品最重要的感官品質。因此為了使植物蛋白素肉在感官特性和營養成分上更貼近真實肉，必須要更嚴格地選擇植物蛋白素肉的基礎成分配方。根據相關研究[14]，表1列舉了制備植物蛋白素肉的基本配方。

表1 植物蛋白素肉的基本配方表Table 1 Basic formula of plant-based meat

1.1 蛋白質成分

蛋白質是植物蛋白素肉的最主要成分。有研究表明，在飲食中用優質的植物蛋白質替代傳統肉類有益于人體健康[15]，因此現在已有不同來源的蛋白質用于植物蛋白素肉的生產和研發，不同植物蛋白用于植物蛋白素肉生產的優化研究見表2。

表2 不同來源的植物蛋白在植物蛋白素肉上的研究Table 2 Studies on the plant-based meat from different protein sources

1.1.1 大豆蛋白

大豆中通常含有35%～40%的蛋白質，具有較高的營養價值和豐富的功能特性，其在香腸、火腿等加工肉制品中得到廣泛應用，提高了肉制品的營養和食用品質。在蛋白質消化率修正氨基酸得分(protein digestibility corrected amino acid score，PDCAAS)表上，加工后的大豆蛋白與動物蛋白的得分相當[21]，因此大豆蛋白是傳統動物蛋白的最佳替代品。

在植物蛋白素肉中所應用的組織化蛋白是通過脫脂、部分或全部去除碳水化合物得到大豆分離蛋白或大豆濃縮蛋白后(這種非組織化蛋白成分在植物蛋白素肉產品當中起到黏附物質、固定脂肪和結合水分的凝膠特性)，經過水化、高溫擠壓以及機械剪切加工后使得蛋白質變性，內部的分子空間結構重新排列分布，從而獲得具有分層、纖維狀的組織結構[22]。與傳統動物蛋白相比，這種優質的植物蛋白不含膽固醇、低脂肪、低卡路里，是一種健康食品。因此以大豆蛋白作為植物蛋白素肉具有較大的市場潛力，有學者為改善大豆組織蛋白的質地特性進行了工藝優化研究[16]。但是由于大豆中存在的致敏性物質以及豆腥味，其他來源的蛋白質也逐步用于人造肉產品的生產研發。

1.1.2 豌豆蛋白

豌豆蛋白富含優質氨基酸，由于營養豐富和致敏性低而備受關注[17]。相對于大豆蛋白，豌豆蛋白在相同含水量下還可以吸收更多的脂肪，并且還能通過鹽離子或者加工條件來改變蛋白質中分子力之間的穩定性，優化產品的凝膠強度[23]，有效地提高肉制品的質構。因此有學者以豌豆蛋白為原料對提高植物蛋白素肉產品纖維化程度進行了工藝參數的優化研究。KYRIAKOPOULOU等[10]認為豌豆蛋白是現在已知的最具有制造植物蛋白素肉前景的物質。BEYOND MEAT公司的植物蛋白素肉產品就以豌豆蛋白為主要原料，同樣植物豬肉品牌OMNIPORK也是主打豌豆植物蛋白素肉產品。

1.1.3 小麥蛋白

小麥含有13%的蛋白質，營養價值較高。從功能上看，小麥蛋白具有較好的吸水性，經過水化后它的結構伸展開，可被拉成絲、線或膜狀，形成內聚彈性網絡，這對形成肉的纖維狀結構具有促進作用。在微觀結構上，氫鍵是形成和穩定植物蛋白素肉質構的主要力量，而二硫鍵是形成高水分擠壓植物蛋白纖維結構的關鍵力量，小麥蛋白在增加二硫鍵含量，促進形成纖維結構中發揮了重要作用[24]。在擠壓的過程中，利用小麥蛋白促進纖維結構形成的性質能夠開發出高品質的植物蛋白素肉產品。

1.1.4 真菌蛋白

準確地講，真菌蛋白并不能被歸類于植物蛋白，但是以其為原料開發的人造肉由于咀嚼感和風味與肉類相似受到了廣泛的歡迎?；谡婢鞍椎膬瀯?，有學者通過開發新型真菌蛋白來制造品質優良的人造肉產品。雖然與動物蛋白相比，真菌蛋白中鐵和VB12的含量較低[25]，但PDCAAS為0.91，與動物蛋白相近并且富含鋅和硒元素，是一種低能量、高膳食纖維、富含不飽和脂肪酸和多種必需氨基酸的優質蛋白質來源[26]，是極具營養價值的膳食補充。真菌蛋白不但不含膽固醇，并且由于其高纖維含量，還可以顯著降低血液中膽固醇以及低密度脂蛋白水平，有效地控制血糖含量[27]。相對于動物蛋白，真菌蛋白生產原料充足、節能環保，產品健康營養，是未來食品的發展方向。KYOUNGJU等[20]認為以菌絲體形式存在的真菌蛋白肉，比植物蛋白素肉具有更大的市場潛力。ELZERMAN等[12]研究表明，消費者對真菌蛋白肉的總體喜愛程度明顯高于其他肉類替代品。以真菌蛋白為基礎的產品研發具有擴充肉類替代產品消費市場的前景。

1.2 脂質成分

脂質含量是產品多汁性、嫩度以及風味的重要影響因素，所以脂類是植物蛋白素肉必不可少的成分。為了滿足消費者對產品品質的要求，在傳統肉制品如香腸和火腿中通常含有較高含量的脂肪。但是在加工植物蛋白素肉時，需要嚴格控制脂質含量，過多的脂肪會使產品在擠壓或者剪切時出現過度潤滑和黏性過度的現象，對蛋白質等大分子排列產生負面影響，導致擠壓和剪切工藝不能形成恒定的纖維結構，降低產品的氧化穩定性。王洪武等[28]發現添加2%～5%的油脂可以提高豆類蛋白產品的組織化程度和風味，然而油脂添加量超過5%會使產品質地結構緊密性變差，不能很好的形成類似于肉的纖維狀結構。植物蛋白素肉中添加的脂肪通常是植物油，例如菜籽油、椰子油、橄欖油、玉米油等。在“珍肉”牌豌豆蛋白素肉月餅添加的就是椰子油和橄欖油，同樣Impossible Food公司主打的植物蛋白素肉系列產品中也加入了椰子油。這種植物性油脂中存在的脂肪酸成分可以減少脂肪在人體內的囤積，加速體內脂肪的轉化率[29]，相對于動物油脂而言不含膽固醇并且具有更好的品質，符合植物蛋白素肉產品品牌打造的營養、健康優勢。

1.3 黏合物質

黏合物質一般分為兩類：一種是改善產品質地和稠度的淀粉類，另一種是用于改善產品穩定性和形狀的凝膠劑或纖維素如甲基纖維素、菊粉、明膠、黃原膠等[30]。面粉和淀粉類黏合物質是通過物理方式將水和脂肪結合在一起，通常起填充作用[10]，有利于產品中蛋白質、水和脂質成分的結合，使其形成穩定的結構，并且具有良好的成型性，常見于生產傳統肉制品。

在植物蛋白素肉中，添加淀粉使得產品表面粗糙，組織化程度降低，但是添加一定量的淀粉可以改善產品的感官品質，是植物蛋白素肉成型的必要條件[31]。由于淀粉在加工過程中會降解為還原糖，經過美拉德等生物化學反應，植物蛋白素肉的顏色也會發生相應的變化。洪濱等[32]研究發現添加淀粉降低了植物蛋白素肉的亮度，但添加4%的淀粉可以提高產品質構和產品的成型穩定性。

甲基纖維素是一種改性的纖維素，適量的添加到植物蛋白素肉中將起到良好的黏合作用。其具有的保水、增稠、乳化等功能使產品有更好的成型性和多汁性，因此可以彌補植物蛋白素肉缺乏的肉質感、多汁性，在素肉食品當中得到廣泛應用，并且甲基纖維素以天然纖維素為原料，熱量低，可以通過向肉制品中添加甲基纖維素凝膠來替代脂肪生產出與傳統肉制品相似口感和風味的低脂產品[33]。同時由于菊粉與甲基纖維素的相似性質，也有學者將其作為肉類脂肪的替代產品研究其理化特性和食用品質[34]。因為傳統肉中不含纖維，在不降低口感和質地的情況下，向植物性蛋白肉產品中加入天然植物纖維，將為這些產品提供比動物肉類更有營養價值的優勢。

1.4 風味物質

特殊的肉香味是消費者選擇肉制品的重要原因之一，在傳統肉制品中會通過添加調味料或風味物質使制品更符合消費者的喜好。為了獲得肉類風味，植物蛋白素肉也需要添加調味物質。KYRIAKOPOULOU等[10]認為將分離出來特定的自然揮發性化合物與多種熱處理相結合，是賦予植物蛋白素肉以肉的風味和香氣的主要方法，例如基于美拉德反應的原理，糖與蛋白質在熱處理條件下能夠相互作用產生烘烤的香氣。但是由于植物蛋白素肉在生產過程中需要擠壓、加熱或剪切工藝，使得原料產生一些物理化學變化，從而影響預混原料中添加的香味物質的特性。植物蛋白素肉的調味是復雜又關鍵的工藝過程，因此如何優化植物蛋白的風味是生產植物蛋白素肉的一項挑戰。

1.5 著色劑

肉的顏色是消費者決定是否購買的重要依據。其顏色主要是由肌紅蛋白所決定，并且在烹飪的過程中肉由紅色逐漸變成微褐色，所以植物蛋白素肉產品也應該考慮烹飪前、烹飪期間、熟制成品的顏色變化。對產品著色時，首先要選擇具有熱穩定性的著色成分，例如胡蘿卜素、麥芽和紅木、焦糖色素等[35]。然后將不穩定的著色劑和還原糖組合使用，烹調過程中不穩定的顏色在高溫下降解，而還原糖羰基與蛋白質氨基發生美拉德反應產生褐變，能夠更真實地模仿肉在烹調過程中的顏色轉變[6]。目前，植物蛋白素肉顏色可以通過兩種方式調節，第一種是加入從植物中提取的具有血紅素的蛋白來呈現肉色，這種血紅蛋白還可以通過對酵母的基因工程改造獲得[36]，目前國內產品尚未采納此方式；第二種則是加入植物基色素例如甜菜根汁等從而模仿肉中肌紅蛋白的顏色。

2 植物蛋白素肉的加工工藝

生產植物蛋白素肉的加工工藝主要有擠壓、紡絲兩種形式，其中擠壓是生產植物蛋白素肉的最佳技術，也是應用最廣泛的技術。而紡絲技術會產生大量廢水，對蛋白質混合物料的要求高，同時還需要利用化學添加劑凝固纖維[37]，使得纖維生產工藝較復雜，因此不作為植物蛋白素肉優先使用的技術。

擠壓技術是通過在圓桶螺桿區域內對混合的蛋白質懸浮液進行高溫、擠壓的熱機械處理，從而使得預混料能夠充分混合。在經過冷卻模具時，混合物冷卻凝固后通過剪切流形成肉的結構[38]。在擠壓過程中，以植物蛋白為基礎的混合物受到高溫、壓力和剪切的作用，對產品的結構和化學性質產生很大的影響[39]。肉中均勻、分層的纖維結構是人們喜歡的口感，在植物蛋白素肉中，蛋白質是通過外界給予的壓力使其中的二硫鍵、氫鍵和非共價鍵相互作用，因此打破了蛋白質原始結構的分子間連接，然后通過形成新的分子間的聯系定位并進行鏈的重組，從而使得形成的三維網絡結構更加立體[40]，也因此能夠得到較好的肉質感。因此大量的研究通過擠壓設備生產工藝的優化來改善植物蛋白素肉的產品質構[17-20]。

最早是由GRABOWSKA等[41]提出了基于簡單剪切流的擠壓技術來誘導生產具有纖維結構的植物蛋白素肉產品。之后，KRINTRAS等[42]通過應用加熱和剪切，利用剪切流誘導結構的原理獲得了植物蛋白素肉的纖維結構樣本。后來，KRINTIRAS等[38-39]將基于剪切單元和同心圓筒流變儀設計的Couette Cell裝置成功應用于在一定工藝條件下生產植物蛋白素肉，并證明其技術可以實現植物蛋白素肉的大規模商業化的連續生產。瓦赫寧根大學食品加工工程實驗室根據剪切誘導概念也進一步研發了制備植物蛋白素肉纖維化結構的2種裝置：一種是基于錐形結構的Shear Cell裝置，剪切槽的幾何形狀使其易于填充和手動操作，因此更適用于小規模的操作；另一種是圓筒結構的Couette Cell裝置，是基于擴大剪切誘導而提出的[10]。Couette Cell是由2個圓柱筒組合而成，外筒保持靜止，內筒可通過軸驅動旋轉，內外筒都可以用油浴加熱和冷卻，將材料放置在內外筒之間的剪切區，依靠2個同心圓筒的切向移動來進行剪切操作[39]，因此可以通過簡單地增加設備的容量如內外筒大小、長度等來提高植物蛋白素肉的商業化生產力。與擠壓相比，這種工藝設備內部的變形是確定的、恒定的，能更好地使原料形成分層的纖維結構。并且有報道稱，相對于傳統擠壓工藝這種結構化設備的機械能輸入量要低得多[10, 38-39]。Couette Cell設備的研發為大規模生產植物蛋白素肉提供了技術支持，但是目前國內還沒有這種設備的開發和利用。

依據現有的加工工藝可以將植物蛋白素肉制作成休閑小零食及具有中華特色的產品，或者提供植物蛋白素肉與傳統肉混合加工呈現的產品更能符合現階段消費者的飲食需求。無肉不歡的固化飲食習慣是難以在短期內改變的，利用植物蛋白素肉部分替代傳統肉對消費群體來說是一個更容易接受的方案，LANG[43]研究發現消費者對于將植物性成分混合到傳統肉的食品中有較高的接受程度。同樣TARREGA等[44]的研究表明，相對于100%植物蛋白素肉，肉類消費者認為植物蛋白素肉和傳統肉混合(質量比1∶1)的產品是一個可行的選擇，而對于那些傾向于減少肉類消費的人群來說，任何形式的植物蛋白素肉產品都是一種可以接受的選擇，所以通過植物蛋白素肉與傳統肉相結合的產品形式，是在保持肉類獨特風味和質地的前提下提高消費者對產品的接受程度，同時生產出更健康、營養、可持續的新產品的策略之一。

3 總結與展望

由人造肉掀起的改變傳統肉類飲食結構概念的熱潮，引發了相關行業對于植物蛋白素肉產品的開發和市場營銷策略的高度重視，目前國內生產植物基食品的行業快速發展，但幾乎沒有系統性的文獻研究中國消費者對于人造肉的認知和消費接受情況，因此對接受用植物蛋白素肉完全或部分替代肉類的關鍵因素和態度還有待進行詳細調研。在加工技術上，國內主要通過雙螺桿擠壓的加工工藝來制備植物蛋白素肉產品，并且多數以大豆、豌豆組織蛋白為主要原料，同時添加其他種類復配組織蛋白來提高植物蛋白素肉產品的質構，使其具有更均勻的肉質感以及纖維感。在風味和顏色方面通過結合不同功能特性的添加劑來呈現與傳統肉類產品相似的感官特性。

面對新興產品發展潛力巨大的機遇，人造肉產品生產和研發過程雖已有較顯著成果，但仍面臨著許多技術發展和市場需求的挑戰。國內通過改進加工技術、風味物質和各類添加劑的結合所生產的產品與傳統肉還具有一定的差異性。另外，人造肉的價格對比傳統肉類的優勢并不大，這是因為產品對于加工技術和功能性添加成分的要求和依賴性較強，導致生產成本居高?，F研究階段還需要進行技術革新來提高產品質量，如何將植物蛋白素肉與傳統肉一樣具有高度纖維化結構、細膩緊實的口感、特殊香氣風味、顏色以及多汁感是一系列巨大的挑戰。同時對比國外植物蛋白素肉的研發成果，國內缺乏高端工藝設備，具有風味以及著色物質的專利壁壘。因此需要進一步開發營養價值高、感官特性更能接近真實肉類并且定價合適的植物蛋白素肉產品，為未來市場上日益增大的消費需求提供更好的選擇。