植物蛋白基肉制品的營養安全性分析

劉素素，沙磊

(渤海大學 食品科學與工程學院，生鮮農產品貯藏加工及安全控制技術國家地方聯合工程研究中心，遼寧 錦州，121013)

隨著世界人口的增長，導致對糧食需求大幅增長，據聯合國預測，到2050年世界人口將達到97億[1]。不斷增加的人口數量及增長速率，將會加劇全球食物資源的緊缺問題。世界正面臨著人口增長、資源短缺、環境污染等挑戰，從而引發糧食資源短缺及食品安全等方面的問題。人們逐漸認識到肉類消費給個人及全球產生的負面影響，因此，越來越多的消費者選擇植物蛋白基肉制品取代傳統肉制品[2]。肉制品高脂肪、高熱量、高膽固醇，植物蛋白基肉制品低脂肪、高蛋白、零膽固醇、零抗生素。近幾年的非洲豬瘟、近期的新型冠狀病毒、肉禽類中存在的化學殘留、抗生素耐藥性及人畜共患病也給肉類安全帶來挑戰。食用紅肉和加工肉制品會引起肥胖、2型糖尿病、心血管疾病及各種癌癥等慢性疾病[3-4]。2015年10月26日，世界衛生組織下屬國際癌癥研究機構將火腿、培根、香腸等加工肉制品列為一級致癌物。據美國“超越肉類”公司(Beyond Meat)報道，長期食用肉類會使癌癥及心臟病患病風險分別增加16%和21%。植物蛋白基肉制品作為一種傳統肉類替代品，不僅與傳統肉制品在外觀、質地、風味等方面相似，還可以有效緩解環境污染、資源短缺、動物福利及經濟方面的壓力[5-7]。

人造肉主要包括動物細胞培養肉和植物蛋白基肉制品。動物細胞培養肉利用干細胞進行體外培養，但價格昂貴且對培養環境苛刻，仍處于實驗室研發階段。植物蛋白基肉制品主要是以植物蛋白為原料，通過擠壓、成絲、調理等技術加工而成的仿肉制品，來替代傳統肉制品[8]。但植物蛋白基肉制品在生產加工過程可能存在營養及安全方面的問題，例如抗營養因子、蛋白和油脂氧化等營養方面的問題；食品添加劑、加工方式、植物蛋白致敏性、微生物污染、化學反應等安全方面的問題。目前國內外對人造肉的研究主要集中在面臨的困難及挑戰、消費者態度及接受度、配方成分的營養及功能性領域，而關于人造肉安全方面的研究還鮮見報道。因此，本文介紹了國內外植物蛋白基代表產品，闡述植物蛋白基肉制品的發展現狀，著重論述植物蛋白基肉制品的營養安全性，分析可能影響植物蛋白基肉制品加工過程的安全因素，以期為我國植物蛋白基肉制品的營養及安全提供理論參考。

1 植物蛋白基肉制品

植物蛋白基肉制品由大豆、豌豆、小麥等植物原料經擠壓、剪切等技術加工而成，模擬動物肌肉的組織結構[8]。生產植物蛋白基肉制品常見的蛋白源包括大豆蛋白、豌豆蛋白、小麥蛋白，從營養角度講，植物蛋白具有低脂肪、高蛋白、零膽固醇、零抗生素的特點；從氨基酸角度講，植物蛋白富含人體必需氨基酸，幾乎不含限制性氨基酸；從功能性質角度講，植物蛋白具有良好的溶解度、乳化性、持水性、發泡性、界面性質、凝膠性等[9]。從肯德基推出的“素食炸雞塊”，到全國范圍內推出的“超越漢堡”(Beyond Burger)，預計到2025年，植物蛋白基肉制品的市場份額將較2019年(約121億美元)翻一番[10]。

傳統植物性素肉早已存在，例如，豆腐、豆豉、面筋、菌菇等。這些傳統植物性素肉為人體提供豐富的蛋白以及其他營養物質。在植物蛋白中，植物組織蛋白占比最大，約為35%(圖1)。2017—2025年，預計植物組織蛋白、豆腐、面筋的市場份額略有下降，豆豉和其他植物性蛋白占比有所升高，真菌蛋白保持穩定[11]，由此可以看出，短期內我國植物性素肉產品不會出現明顯波動。我國植物性素肉與西方國家植物蛋白基肉制品都利用大豆及其他豆類、面筋蛋白等原料，在蛋白質和氨基酸營養方面相類似[12]，但是由于產品配方上的差異導致傳統植物性肉類替代品缺乏肉類的口感、風味和質地特性，因此我國植物蛋白基產品不能真正替代肉制品。

圖1 2017年和2025年全球肉類替代品市場份額評估Fig.1 Assessment of global market value share of meat substitutes in 2017 and 2025

西方出現的植物蛋白基肉制品包括植物蛋白基漢堡、肉塊、肉餅、肉碎等，相比于我國的植物性素肉的成本較高?！安豢赡苁称贰?Impossible Foods)和“超越肉類”(Beyond Meat)是美國兩家主要的人造肉公司。“不可能食品”公司生產的“不可能漢堡”(Impossible Burger)中添加了大豆血紅蛋白，模擬肉類加工過程中的“流血”狀態，同時賦予產品肉的“血腥味”；“超越肉類”公司生產的“超越漢堡”(Beyond Burger)中添加了豌豆分離蛋白[13]和甜菜提取物，口感與牛肉漢堡相似；加拿大的“Gardein無肉肉丸”使用了還原鐵化合物[14]。2019年5月，“不可能食品”與“漢堡王”合作研發出了無肉植物蛋白基產品“巨無霸漢堡”(Impossible Whoppers)[15]?！俺饺忸悺焙汀拜p生活”(Light Life)合作研發出了植物蛋白基“無骨雞翅”和“素食雞塊”，肯德基于2019年8月開始銷售這兩種產品，2020年3月起，加拿大1 200家星巴克與“超越肉類”合作，銷售“人造肉三明治”。美國最大供應商克羅格公司推出了豌豆蛋白基“牛肉碎”、“漢堡”等無肉產品[2]。

2 植物蛋白基肉制品的營養性分析

相比于傳統肉制品，植物蛋白基肉制品作為肉制品替代品，被認為是一種更健康、綠色可持續的產品[16]。在過去10年，全球肉類市場需求較高，尤其是美國、德國、法國和英國等發達國家對肉制品的需求較高。雖然肉類蛋白能夠提供人體必需氨基酸，但膽固醇含量較高，這也成為驅動植物蛋白基肉制品市場增加的主要原因之一。攝入較高的動物蛋白與心血管死亡率呈正相關，而攝入較高的植物蛋白與死亡風險呈負相關，與動物蛋白相比，食用植物蛋白可降低心腦血管疾病的發病率。

植物蛋白營養較全面，但與動物蛋白相比，會缺乏一種或幾種人體必需氨基酸[17]。豆類蛋白中蛋氨酸含量較低，谷物蛋白中缺乏賴氨酸，同時人體對植物蛋白的消化利用率較低[18]，并增加了氮排放量。未加工蛋白的蛋白消化率校正氨基酸評分(protein digestibility corrected amino acid score，PDCAAS)一般在0.40～0.70，遠低于加工的豆類蛋白及肉類蛋白[17]。食品中的碳水化合物和蛋白經加熱會發生美拉德反應，蛋白質功能性和消化率下降，必需氨基酸利用率降低。在植物蛋白基肉制品中通常會添加鋅、鐵等無機礦物元素，但其與肉中天然存在的礦物元素之間的生物活性存在的差異仍尚不明確[2]。此外，過度加工使產品的部分營養物質流失，降低了產品的食用價值。食品營養和安全是人造肉發展的關鍵，營養物質的吸收、消化與代謝會影響人體健康，因此需要關注植物蛋白基肉制品加工過程中可能出現的營養問題，如抗營養因子及蛋白和油脂氧化等問題。

2.1 抗營養因子

植物蛋白營養價值高，但存在一些抗營養因子，例如大豆分離蛋白中存在的胰蛋白酶抑制劑、低聚糖，豆科植物種子中存在的植酸，此外還有α-半乳糖苷、蠶豆嘧啶葡糖苷、鞣質、生物堿等抗營養因子。胰蛋白酶抑制劑強烈抑制胰蛋白酶和糜蛋白酶的活性，通過形成復合物抑制蛋白的消化吸收[19]。低聚糖會引起人體脹氣、腹脹等不良生理反應。植酸與無機陽離子、蛋白及淀粉結合形成植酸鹽(肌醇磷酸鹽)，會降低基本營養素的生物利用率[20]。這些抗營養因子也會干擾其他營養物質的吸收，食用后可能出現脹氣等生理反應[21]。因此，在產品生產過程中需要合理添加大豆蛋白，對豆類蛋白進行超高溫處理以降低胰蛋白酶抑制劑活性[2]，也可以采用超聲、超過濾、浸泡、高靜水壓、膨化技術等物理方法使大豆胰蛋白酶失活，從而提高人體對蛋白的消化吸收。

2.2 蛋白質和油脂氧化

蛋白質和油脂氧化問題普遍存在于肉及肉制品中。植物蛋白基肉制品在生產過程中也可能出現氧化問題，從而影響食品品質，因此蛋白氧化也受到廣泛關注[22]。熱機械加工方式、植物油的加入、微量營養素(鐵)以及營養強化劑(硫酸亞鐵)的添加都可能誘導蛋白氧化[17]。加熱會使大豆蛋白產生活性氧自由基，當加熱到100 ℃時，大豆蛋白及小麥肽會產生羰基基團。大豆蛋白本身存在的脂氧合酶也會催化脂質氧化進而促進蛋白氧化。植物油在儲存、銷售或高溫油炸過程中會發生氧化變質，多不飽和脂肪酸在形成氫過氧化物的過程中發生雙鍵重排，形成共軛二烯和共軛三烯。氫過氧化物是主要的氧化產物，會分解為酯、內酯、醛、醇、酮、碳氫化合物等次級產物，這些產物會對食品的風味、香氣、味道、營養價值和整體質量產生不利影響[23]。植物油中油脂的不飽和程度越高，特別是亞油酸和亞麻酸含量越高，越易引發油脂氧化鏈式反應。其中以亞油酸為代表的ω-6多不飽和脂肪酸會促進氧化應激反應，氧化低密度脂蛋白，導致慢性低度炎癥、動脈粥樣硬化及冠心病的發生[24]。鐵元素和硫酸亞鐵都具有促氧化的作用，會進一步加速油脂和蛋白氧化反應。蛋白氧化過程會發生一系列化學改變，包括羰基的形成、巰基氧化以及蛋白空間結構的改變。此外，活性氧自由基或者脂質氧化產物可以直接進攻蛋白質，影響氨基酸或者肽鏈結構，從而降低氨基酸利用率及蛋白消化率[23-25]。

目前已經規定植物蛋白基肉制品的過氧化值不可超過0.25 g/100g，因此在產品加工過程中需不斷測定產品的過氧化值，以了解產品的氧化劣變程度。目前有研究表明，可以將鐵元素以包埋的形式添加到人造肉中[11]，也有研究將硫酸亞鐵以包裹的形式添加到豌豆蛋白噴霧干燥顆粒中[26]，從而降低蛋白的氧化程度。此外通過添加天然抗氧化劑也可以抑制產品氧化。

3 植物蛋白基肉制品的安全性分析

與其他食品一樣，植物蛋白基肉制品加工過程的安全性問題是關鍵。對于微生物及化學安全性等方面的研究已比較深入，但對于植物蛋白基肉制品的安全性研究較少。然而，植物蛋白基肉制品生產加工過程也會帶來一些安全性問題，如添加劑的使用、高溫加熱過程產生的有害物質、食品過度加工、蛋白致敏性、微生物污染問題等。安全可靠性是生產人造肉的關鍵和重點，因此有必要對植物蛋白基肉制品的安全性因素進行分析。

3.1 配方成分及添加劑

3.1.1 基本配方成分

一些植物蛋白基肉制品中會添加大量鹽，有的產品含鹽量甚至超出了肉制品的含鹽量[2]。素食漢堡中鈉含量為327.43～609.38 mg/100g(未考慮調味品及面包中的鈉鹽)，與未添加調料的牛肉相比，添加調料的牛肉餅中鈉含量約增加5.5倍[14]?！八厥碀h堡”低脂肪、高纖維，但為了模擬牛肉漢堡的口感添加了大量食鹽。高血壓和心腦血管等疾病與食鹽攝入過量相關，應該降低鈉鹽的添加。降低鹽的添加量會減弱產品風味，影響產品的質地，因此，可通過添加天然風味添加劑以減少鹽的添加，同時彌補低鹽帶來的風味不佳的問題。利用海洋植物提取物、微粉化鹽、氯化鉀、硫酸鉀、氯化鈣和硫酸鎂替代鈉鹽或者添加植物源蛋白水解物從而減少鈉鹽的添加[27]。同時有學者發現，蛋白酶解物、植物油、氨基酸、還原糖等經美拉德反應合成肉味香精、利用酵母菌株合成風味強化肽可以提升人造肉呈肉香味[28]。

脂質是維持產品嫩度、多汁性、口感、風味釋放的重要成分，同時提供營養及能量，同時也應該關注在產品加工過程中油脂引起的黏性問題，從營養角度講，人類膳食中攝入的油脂也備受爭議。植物蛋白基肉制品中會添加大量飽和脂肪酸，飽和脂肪和反式脂肪會增加低密度脂蛋白膽固醇水平，降低高密度脂蛋白膽固醇水平，攝入過量飽和脂肪會增加血液中的膽固醇水平，不利于人體健康。在植物蛋白基肉制品生產過程中通常會添加椰子油、橄欖油、菜籽油、玉米油、芝麻油、可可脂以及其他植物油[14](表1)?！俺綕h堡”和“不可能漢堡”2種現代人造肉的脂肪含量與麥當勞牛肉類似，前者為15.93 g/100g和12.39 g/100g，后者為20.00 g/100g；前者飽和脂肪含量為5.31 g/100g和7.08 g/100g，后者為8.33 g/100g。其中，“超越漢堡”中添加了可可脂，構成可可脂主要的脂肪酸為長鏈脂肪酸，每100 g長鏈脂肪酸含有59.70 g飽和脂肪，32.90 g單不飽和脂肪和3.00 g多不飽和脂肪[16]。研究表明，飽和脂肪會激活人體炎癥基因的表達，游離或者結合的脂肪酸通常結合到膽固醇或者蛋白質分子上，降低肥胖脂肪組織的胰島素抗脂能力以及肥胖細胞對脂肪酸的酯化能力[29]。

表1 不同植物油的組成 單位：g/100g

3.1.2 添加劑

肉制品中通常會添加一些添加劑，主要包括：防腐劑、抗氧化劑、營養強化劑及提高產品品質的添加劑。山梨酸鈉和山梨酸鉀是肉制品中主要的防腐劑、抗氧化劑、穩定劑，山梨酸鈉對人體外周血淋巴細胞具有遺傳毒性作用，而山梨酸鉀與抗壞血酸結合使用具有致突變性[30]，規定肉制品中山梨酸鉀的最大添加量不能超過0.075 g/kg，灌腸類肉制品不能超過1.5 g/kg。亞硝酸鹽及硝酸鹽是肉制品生產過程中經常添加的一種發色劑，保持肉鮮紅的色澤，但亞硝酸鹽容易生成具有強烈致癌性的亞硝胺，規定肉類中的最大添加量不能超過0.15 g/kg。谷氨酸鈉可以提高產品的風味，但這種風味添加劑可以引起肥胖、代謝紊亂、人體代謝綜合癥、神經毒性效應等疾病[31]。

植物蛋白基肉制品也會添加一些添加劑，包括增稠劑、黏結劑、著色劑、調味料、抗菌劑、抗氧化劑等[2](表2)，從而賦予產品良好的色澤、口感、新鮮度，并提高產品貨架期。淀粉、菊粉、甲基纖維素、阿拉伯膠、黃原膠、卡拉膠等作為增稠劑，用于與水或脂肪與蛋白結合提高產品的穩定性，但關于人造肉中的黏合劑和膠體物質對消費者的安全影響廣受爭論。著色劑賦予產品良好的色澤，增加消費者的可接受度，應用于植物蛋白基肉制品的著色劑主要有紅曲紅、甜菜紅、番茄紅、高梁紅、焦糖色等，天然色素的安全性較高，可以放心使用。具有代表性的是化學結構與血紅蛋白和肌紅蛋白相似的大豆來源化合物——大豆血紅素，“不可能漢堡”中添加了這種著色劑，賦予了植物蛋白基肉制品與牛肉類似的色澤與質地[14]，加熱過程產生肉的顏色并且散發肉的香氣。2019年12月19日，美國食品藥品監督管理局正式批準大豆血紅素為一種安全著色劑[32]，而在歐盟、日本等發達國家以及中國還未得到批準。目前，植物蛋白基肉制品市場主要受到消費渠道及對產品成分的擔憂，因此應減少添加劑的使用或者添加一些天然添加劑，同時添加劑的使用要嚴格按照法律規定合理添加，更好地保障食品質量安全。

表2 植物蛋白基人造肉中常見的添加劑Table 2 Common additives found in commercial plant protein-based meat alternative products

3.2 加工方式

3.2.1 高溫加熱

一般肉制品加熱需要75 ℃就可以使蛋白發生變性，而植物蛋白需要加熱到90 ℃才可使蛋白變性。植物蛋白食品加工過程的熱處理使蛋白結構發生構象變化，蛋白發生解聚、變性、重組，吸收消化率下降，生物利用度降低。高溫加熱也會使植物蛋白基肉制品各成分之間發生相互作用，產生一些有害物質，美拉德反應過程可能產生潛在的有毒化學物質，例如丙烯酰胺和5-羥甲基-2-糠醛[33]。富含蛋白質的食品經高溫加熱也會產生雜環芳胺等致癌致突變性化學物質，肉制品經過烤制、油炸、炭烤高溫加熱會產生多種雜環胺、多環芳烴等有害化學物質，因此被國際癌癥研究機構列為一級致癌物[34]。植物蛋白基肉制品在經過高溫處理過程中也可能產生有害的化學物質。為降低高溫加熱產生的有害物質并提高蛋白利用率，可以利用乳化的方式形成凝膠以降低加熱溫度，從而提高食品安全性。

3.2.2 過度加工處理

過度加工食品是指多種成分通過化學過程進行改性，添加風味添加劑、著色劑、乳化劑等加工而成的產品，包括零食、重組肉、冷凍食品和軟飲料等[35]。過度加工產品包括從原料中提取的或經有機合成的，這種產品熱量高、蛋白及微量元素含量低、含不健康脂肪及精煉淀粉[36]。過度加工產品含有5種以上成分，其中典型的成分包括油脂、鹽、加工或經改性的成分。植物蛋白基肉制品中的蛋白、油脂、碳水化合物已被列入過度加工成分，“超越肉類”標簽上列出了17種成分，“不可能漢堡”列出了21種成分[37]。一般植物肉蛋白產品配料表越復雜，對人體健康越不利。

人們主要比較不同食品之間的營養及健康價值，而對過度加工產品的關注較少。例如經常食用的面粉作為過度加工產品添加到植物蛋白基肉制品中，而消費者往往忽視這一點。研究證明，現今肥胖及2型糖尿病發病率與過度加工產品的食用有關[38]，且食用過度加工產品產生的負面影響都與高糖，高脂，高鈉鹽，低蛋白，低纖維有關[39]，過度加工產品也可能通過改變腸道微生物來擾亂能量平衡[40]。因此應盡量減少過度加工成分的使用，使用未加工或者最低限度加工的產品或者調整產品配方比例。

3.3 致敏性

用于生產植物蛋白基肉制品的主要成分——植物蛋白提供人體必需氨基酸，但一些豆類蛋白可能引起人體過敏反應。大豆蛋白是一種較為常見的過敏源蛋白，其中微量水平(μg～mg)的大豆蛋白就會引起易過敏人群體內過敏反應[41]。11S和7S球蛋白是大豆中兩種主要的蛋白組分，這兩種組分也是存在于豆腐中的主要過敏源[42]。β-伴大豆球蛋白是7S蛋白組分的主要成分之一，研究發現，β-伴大豆球蛋白經人體消化2 h后，仍可保持完整結構，從而引起人體過敏反應[43]。比較嚴重的過敏癥是人體血清中的Ig E與蛋白結合發生的超敏反應，這種反應會引發皮膚(麻疹)、呼吸道(喘息、咳嗽)和胃腸道(惡心、嘔吐、腹瀉)等不同部位的生理反應[44]。食用含有小麥蛋白及花生蛋白的產品也可能引發過敏反應，其中濕疹是一種主要的過敏反應[45]。與大豆蛋白相比，豌豆蛋白沒有致敏性，因此越來越多的植物蛋白基肉制品中添加豌豆蛋白來代替大豆蛋白。生產商也需要明確公開商品標簽，向消費者傳遞準確有效的信息以供其參考，提示相關過敏人群謹慎食用。目前，科研人員也在致力于研究交聯劑的添加對人體蛋白消化率及過敏反應的影響。

3.4 微生物污染

食品微生物污染一直是影響我國食品安全的首要因素。植物蛋白基肉制品高水分、中性pH容易引起微生物污染。植物蛋白基肉制品在生產過程中，添加的植物成分、食品添加劑、調味料和生產設備中存在的微生物會帶到整個加工過程中。影響微生物生長繁殖的主要因素為水分、pH值等，其中主要的腐敗菌包括清酒乳桿菌和明串珠菌[18]。例如生面粉中存在一些潛在的有害物質主要是小麥生產運輸過程產生的微生物及真菌毒素，若處理不當會對消費者健康產生危害[46]；豆豉是由大豆蛋白經過霉菌發酵制成，發酵過程也可能產生有害微生物，從而導致食品腐敗或其他食品安全問題[47]。產品加工過程中通常會添加一些生的配料或者高水分含量的配料，加熱處理會降低產品的水分含量，但微生物仍可在中性pH值及適量鹽環境下生長繁殖。產品中風味物質、香辛料的添加也是微生物污染途徑之一[48]。在產品包裝、運輸及儲藏過程也會存在微生物污染問題。因此，為了防止微生物在整個生產過程中的生長繁殖，需要結合物理及化學手段抑制微生物污染問題：(1)需要對原材料進行嚴格篩選，對生產設備進行嚴格清潔、對加工過程的條件參數進行嚴格控制、對包裝運輸過程進行智能化監測；(2)目前大多植物蛋白基肉制品都采用冷凍方式進行儲存，氣調包裝可以使產品保存一個月[49]，選擇冷凍加氣調包裝的方式可有效延長產品的貨架期，WILD等[50]研究發現，經過熱擠壓處理的人造肉經進一步滅菌，并將其置于6 ℃環境下儲存時，微生物活性顯著降低；(3)針對植物蛋白基肉制品和肉制品中共同存在的腐敗菌，可以利用乳酸或醋酸降低其水分活度，抑制單核細胞增生李斯特菌等腐敗菌的生長繁殖，研究表明，在“素食雞塊”中添加高濃度的混合醋酸鉀和乳酸鉀、1.5%濃度的液體醋和風味添加劑抑制了乳酸菌的生長，從而提高了產品的貨架期[27]；(4)基因組測序技術也是未來食品微生物檢測的一種有效手段[47]。

4 結論與展望

面對人造肉在營養健康、食品安全、價格、產品標簽等方面問題的出現，針對具體問題找到其解決方案，使植物蛋白基肉制品在風味、口感、質地、外觀等方面更接近于肉制品，同時更應加強食品安全管理，重視質量安全防控，使食品安全監管向智能化、檢測可追溯系統化、產品質量向國際化方向發展，通過提升過程控制和測試可追溯性，構建新食品安全的智能監管。具體措施包括：(1)在生產植物蛋白基肉制品過程中要嚴格控制配料成分，對從原料端到包裝的整個生產加工過程進行嚴格監測，控制微生物的生長繁殖；(2)產品包裝應具有良好的密封性、牢固性和完整性；(3)通過添加天然抗氧化劑抑制脂質及蛋白氧化問題；(4)減少高溫加熱處理，通過蛋白乳化以降低加熱溫度，從而降低有害物質的形成。減少消費者對于植物蛋白基肉制品安全問題的擔憂，推動我國植物蛋白基肉制品的創新和研發。

此外，科研人員應對產品配方成分進行深入研究：(1)了解各成分的物化性質和功能性以及各成分之間的相互作用；(2)結合營養學方面的知識，不斷探索不同配方成分之間如何達到平衡濃度，從而更有效地解決植物蛋白基肉制品可能出現的潛在安全問題，讓消費者及生產商更好地了解植物蛋白基肉制品的安全性，最終使植物蛋白基肉制品兼顧安全、營養、口感、質地和外觀方面的優勢，這可能是未來植物蛋白基肉制品市場不斷擴大的關鍵。