植物基替代蛋白的利用進展

趙 婧，宋 弋，劉攀航，李全宏，廖小軍

（中國農業大學食品科學與營養工程學院，國家果蔬加工工程技術研究中心，農業部果蔬加工重點開放實驗室，食品非熱加工北京市重點實驗室，北京 100083）

不斷增長的人口數量和社會的快速發展對食品的數量和品質都提出了新的要求。未來，我們需要用什么原料來生產食品，應該用什么樣的方式制造食品，以及建議消費者用何種方式來享用食品，都是食品從業者尤其是科研工作人員需要認真思考的問題。毋庸置疑的是，現代食品的生產和加工方式對人類健康和地球環境都有深遠的影響[1]。未來食品，應當在最大限度減少地球資源占有和環境負擔的基礎上，充分利用交叉學科的前沿技術，高效制造能夠滿足不同人群對安全、營養、感官等方面個性化需求的食品。一方面，隨著生物技術、材料科學、人工智能、感知科學等領域的快速發展，食品制造業面臨著前所未有的發展機遇[2]。而我國傳統的食品加工業仍然局限于產品口味、包裝和營銷等層面，還未從根本上進行概念和技術變革，不能滿足人們對營養健康和綠色環保方面的需求[3]。另一方面，未來食品加工關系到全產業鏈的發展，不但與下游的消費者息息相關，而且與上游的農作物育種和種植、土地資源利用、農產品采后流通等密不可分。對未來食品的探索和食品行業的革命，對于帶動農業種質資源的開發、增加農產品附加值、提高土地資源利用效率、推動綠色農業發展具有重要的意義。

在對營養健康和綠色可持續的共同考量下，植物基食品因為其節約環境資源的屬性和對人類健康的益處備受青睞。與動物的養殖相比，植物種植所占有的土地、消耗的水資源和產生的溫室氣體都大幅度減少[4]。如果飲食中攝入更多的植物基成分，可以大大減少肥胖、糖尿病等飲食相關健康問題的發生，對癌癥、心血管疾病等也有積極的預防作用[5]。因此，植物基食品的開發具有廣闊的前景。本文從以“植物肉”為代表的植物基食品的角度，分析闡述了植物基替代蛋白在“植物肉”中的應用和開發利用現狀及其面臨的機遇和挑戰，為未來植物基食品的發展方向提供了參考。

1 植物基食品與植物肉

美國植物基食品協會（Plant Based Food Association, PBFA）給出的植物基食品定義為：由從蔬菜、水果、谷物、堅果、種子和/或豆類等植物中獲得的成分組成的食品成品。另外，盡管藻類和菌類從生物學分類上不屬于植物，但是仍然計入植物基成分中。2018年，美國植物基食品協會和美國國家衛生基金會（NSF International）共同推出了第一個植物基食品認證項目和標志（圖1），截至目前，全美超過60家企業對其生產的600多件產品進行了植物基食品認證，可見產業和市場對植物基食品的需求和認可。據估計，未來十到二十年，消費者對植物基食品的需求將持續增長。

圖 1 “植物基食品”認證標志和植物肉市場增長（美國）[6]Fig.1 "Plant-based food" certification and market growth of plant-based meat (US)[6]

植物基肉制品，俗稱“植物肉”，是近年來植物基食品中發展勢頭迅猛和極具市場價值的產品。植物肉主要以植物蛋白為原料，通過高水分擠壓、3D打印、靜電紡絲等技術來生產具有類似肉類結構、口感和風味的動物肉替代品[7]。植物肉產業預計在2019~2026年間將以7.91%的復合年均增長率增長，其中亞太地區將成為增長最快的市場[6]。目前，西方國家的植物肉市場已經初具規模，2019年，美國植物肉銷售額為9.39億美元，增長了18.4%，而傳統肉制品銷售額僅僅增長了2.7%。相比而言，我國植物肉產業仍處于起步階段，市場占有率低，關鍵技術體系尚未建立，亟需加大研發力度和擴大產業規模。

2 植物基替代蛋白在植物肉中的應用

植物肉生產中植物蛋白被用來替代動物蛋白，因此稱為植物基替代蛋白（plant-based alternative protein）。目前市售的植物肉產品中應用的植物替代蛋白以大豆蛋白、豌豆蛋白和小麥蛋白為主，其次還有馬鈴薯蛋白、大米蛋白、綠豆蛋白等（表1）?？梢钥闯?，豆類蛋白仍然是植物替代蛋白的主戰場，而其他品類的蛋白則應用較少。從營養的角度，攝入單一品類的蛋白質往往在營養上不能滿足人體的全部需求，例如豆類蛋白大多甲硫氨酸和半胱氨酸含量較低，而谷物蛋白中往往賴氨酸含量低[8]。從加工的角度，單一的蛋白組分生產的產品往往在加工品質（持水性、持油性、延展性等）方面也會有所欠缺，因此傾向于混合多種蛋白組分，例如大豆-豌豆、大豆-小麥、豌豆-綠豆等。由此可見，多品類的植物蛋白資源的挖掘有助于植物肉產品的結構與品質的改進。另外，大豆蛋白如果加工處理不當容易產生“豆腥味”，影響消費者的喜愛度。更多的優質植物蛋白質資源有待開發，以打破“大豆壟斷”，緩解蛋白質資源短缺。

表 1 國內外部分市售植物肉產品中應用的植物基替代蛋白[9]Table 1 Plant-based alternative proteins used in some commercial plant-based meat[9]

3 植物基替代蛋白的開發

3.1 植物基替代蛋白的來源

從表1可以看出，目前市場上的植物基替代蛋白種類仍然較為單一，限制了植物基肉制品的多樣化和個性化開發。除了大豆、豌豆、小麥等常見植物蛋白來源外，小米、燕麥、青稞等谷物[10?11]，芝麻、亞麻、油菜等油料作物種子[12?13]，南瓜、番茄等蔬菜籽以及螺旋藻、小球藻等微藻中都含有豐富的蛋白質[14?16]。同時，許多農產品加工的副產物，例如辣椒干制中產生的辣椒籽、花生榨油后殘留的餅粕，都富含優質蛋白質，然而這些副產物僅作為飼料原料來利用，附加值低。挖掘這些蛋白質資源并將其應用于以植物肉為代表的植物基食品，將帶來巨大的經濟價值和社會效益。研究者針對各種植物品類進行了大量的植物蛋白制備的研究（表2），然而目前多數仍停留在實驗室研究的階段，還未達到商業化應用的條件。

3.2 植物基替代蛋白的制備

3.2.1 化學法 傳統的蛋白質提取采用化學法，主要包括水提、堿提、酸提和有機溶劑提取。水提法一般在水中加入鹽（NaCl）或表面活性劑（SDS、Triton100等）提高蛋白質溶解度[17?18]，堿提和酸提利用的是蛋白質在pH遠離等電點的溶液中溶解度高（植物蛋白的等電點多在pH4.5左右）[19?20]，有機溶劑法利用乙醇、甲醇等提取醇溶蛋白[21?22]，或利用尿素、苯酚等變性劑使蛋白質變性析出[17,23]。盡管傳統方法耗時耗能，但是由于工藝簡單，方法成熟，堿溶酸沉仍然是工業上應用最廣泛的植物蛋白提取方式，通常用NaOH或KOH使提取液的pH在9~12左右[19,24]。料液比、堿濃度、提取溫度、提取時間等都是影響提取效率的因素。利用堿提酸沉法提取大豆等油料作物中蛋白質，回收率可以達到90%[25]。然而，堿液在提高蛋白質溶解度的同時，會對某些植物蛋白的結構造成不可逆的破壞，降低蛋白質的品質。同時，工業上利用堿溶酸沉法制備植物蛋白的過程中會產生大量含鹽量高的廢水，回收利用難度大，給環境帶來了較大的負擔。因此，研究者們也在不斷尋找更加溫和、高效、環保的提取方式。

表 2 植物蛋白主要來源a,bTable 2 Major sources of plant-based proteinsa,b

3.2.2 酶輔助法 酶輔助法可以提高植物蛋白的提取效率和品質。植物細胞壁由纖維素、半纖維素、果膠等物質互相交聯，組成致密的結構，是蛋白質溶出的主要阻礙。纖維素酶、半纖維素酶、木聚糖酶、阿拉伯聚糖酶、果膠酶等的加入可以破壞細胞壁完整性，促進植物蛋白的溶出。蛋白酶一方面可以將植物蛋白從糖蛋白、脂蛋白等復合物中解離，另一方面可以降低蛋白質的分子量，提高溶解性。Hanmoungjai等[26]發現米糠經木瓜蛋白酶處理后蛋白得率明顯提高，而纖維素酶、果膠酶、木聚糖酶等無顯著影響。Rommi等[27]利用果膠水解酶使得從油菜籽餅粕中提取蛋白的效率提高了1.7倍。酶輔助法不但可以提高植物蛋白的提取效率，而且由于其處理條件相對溫和，對蛋白質的結構、理化特性和功能特性有一定的保護作用[28?30]。盡管由于加酶后的目標物存在產率不穩定等問題，酶法提取植物蛋白尚未工業化大規模應用，但其環境友好性和高蛋白產量還是使得酶法提取成為未來的發展方向之一。

3.2.3 物理輔助法 超聲、微波、脈沖電場、高壓等物理手段被用來輔助植物蛋白的提取，以提高提取效率和蛋白質的品質。超聲波在溶液中產生大量氣泡突然破滅帶來的空化作用、微流和沖擊波產生高剪切和機械力可以破壞細胞壁和細胞膜，使得溶劑更容易進入胞內，溶出蛋白質。超聲頻率、時長、間隔、溫度等都是影響蛋白質提取效果的重要因素[31?32]。微波處理使細胞中的極性物質，尤其是水吸收熱量迅速升溫，促使植物細胞膨脹，破壞細胞壁。微波處理的強度和時間也是影響蛋白質提取效率的因素[33]。脈沖電場和高壓提取是輔助蛋白質提取的兩種非熱處理方式，相對于超聲和微波對蛋白質結構的影響更小。利用短時（μm-mm）、高強度（10~80 kV/cm）的電場處理物料，脈沖電場產生的磁場和電離作用使細胞膜通透性增加，細胞內容物流出[34?36]。高壓處理使物料在100~1000 MPa的壓力下保持，細胞壁破裂，溶劑的穿透率增加，從而提高蛋白質的提取效率[37?38]。

3.3 植物基替代蛋白的加工技術

以生產“植物肉”為目的的植物基替代蛋白加工技術主要有低水分擠壓、高水分擠壓、3D打印和其他技術，其中目前最具商業化前景的是高水分擠壓技術，3D打印技術由于其數字化和定制化的優勢也備受關注[9,39]。

3.3.1 低水分擠壓 低水分擠壓技術是指在物料水分含量20%~40%時對蛋白質進行擠壓膨化的工藝，分為單螺桿擠壓和雙螺桿擠壓。單螺桿擠壓的混合、分散和均化效果差，物料溫差大，只適用于簡單的膨化處理，而雙螺桿擠壓的擠出物具類似肉類的有海綿狀的外觀、產品柔韌性強[9,40]。低水分擠壓對原料的要求范圍較寬，脫脂大豆粉、大豆濃縮蛋白、大豆分離蛋白等均可作為原料。雖然低水分雙螺桿擠壓的產品形成的纖維結構與真肉差異較大、使用前需要復水，但由于其技術成熟、設備成本低，仍然是目前應用較多的植物蛋白肉加工技術。

3.3.2 高水分擠壓 高水分擠壓是在低水分擠壓技術上發展起來的新型植物肉加工技術，被擠壓物料的含水量約在40%~80%，一般要求物料的蛋白質含量達到60%以上[41?43]。其生產的產品具有纖維化程度較高、彈性強、營養成分損失少、無需復水等優點。高水分擠壓工藝雖然還未達到大規模工業化應用，但是其技術和市場日趨成熟，將是未來的發展方向。

3.3.2.1 高水分擠壓蛋白質纖維化的原理 在高水分擠壓過程中，植物蛋白在高溫高剪切的作用下，維持蛋白結構的化學鍵（氫鍵、離子鍵、二硫鍵）和疏水作用力被破壞，蛋白質鏈解聚和變性，蛋白質分子鏈展開，團聚形成熔融體，而后發生聚集、交聯和相分離，形成各向異性的取向結構，最終形成組織化蛋白[44]。蛋白質原料經高水分擠壓形成組織化結構是一個復雜的過程，其中涉及了蛋白質構象轉變、分子重排、親疏水相分離等多個過程。研究表明，蛋白質相互作用力引起的分子重排主要發生在混合和蒸煮區[45?46]，其中蛋白質原有的二硫鍵的破壞和新的二硫鍵的形成發揮著關鍵的作用[45,47?48]。而在成型和冷卻區，蛋白質的基本分子排布已經形成，連續的蛋白質疏水相與水相的分離是形成纖維化結構的主要驅動力[49]。Sandoval等[50]利用Navier-Stokes/相分離模型模擬了在成型和冷卻區，蛋白質熔融體在黏性流場（a）、溫度梯度（b）和相分離動力學（c）的綜合作用下，形成組織化蛋白的過程（圖2）。

圖 2 高水分擠壓示意圖[51]和Navier-Strokes/相分離模型[50]Fig.2 Schematic diagram of high moisture extrusion[51] and Navier-Strokes/phase separation model[50]

3.3.2.2 高水分擠壓蛋白質纖維化的影響因素 植物蛋白的纖維化效果受到溫度、水分含量、原料組成等各種因素的影響。溫度對蛋白質纖維結構的形成至關重要。Patrick等比較了124和135 ℃擠壓溫度下的大豆蛋白纖維結構，發現135 ℃下的產品各向異性程度更高、纖維化片層更薄[49]。Pietsch等發現增加擠壓溫度沒有影響蛋白質間的相互作用，推測溫度是通過改變原料中多糖的結構來影響流變特特性和各向異性結構的形成[52]。水分含量在纖維化形成過程中也起著關鍵的作用，魏益民等[53]認為原料中的水分在高溫下汽化形成“膜狀氣腔”，而后被壓縮形成纖維結構。增加物料含水率有利于二硫鍵與氫鍵、二硫鍵與疏水作用之間協同作用的形成和蛋白質的伸展變性，從而提高蛋白質的組織化質量[54]。原料組成對纖維化結構的形成有著決定性的影響。Chiang等[55]研究表明，大豆濃縮蛋白中加入30%的小麥蛋白具有更好的組織化效果，并且與氫鍵的形成有關。Ning等[56]比較了大豆蛋白11S組分和7S組分對纖維化結構的影響，發現11S組分的提高使產品的延展性和保水性更好，而11S:7S比值為1.5:1時，產品的組織化結構最好。Zhang等[44]利用其構建的多尺度可視化平臺，發現以花生蛋白為原料進行高水分擠壓得到的植物肉纖維結構中，α-螺旋>β-折疊>β-轉角>無規則卷曲；而如果利用轉谷氨酰胺酶（TGase）改性后的花生蛋白為原料，得到的纖維結構中β-折疊>α-螺旋>β-轉角>無規則卷曲，說明TGase改性能夠調控產品的微觀結構[57]。另外，該團隊還發現在纖維化結構的形成中，花生球蛋白（arachin）比伴花生球蛋白（conarachin）起著更關鍵的作用，尤其是分子量為42、39和22 kDa的亞基[44]。同時，卡拉膠、海藻酸鈉和淀粉都能夠促進花生蛋白的α-螺旋向β-折疊和無規則卷曲的構象轉變，促進纖維化結構的形成[58]。然而，原料的組成和結構究竟如何影響蛋白質整體構象、分子重排和親疏水相分離等纖維化的各個過程，仍有待于探討。

3.3.3 3D打印 3D打印又稱為增材制造（additive manufacturing, AM），是基于計算機輔助設計和控制，按照預先設定的參數和路徑進行層層打印，堆積成型的加工制造技術[59?60]。相較于傳統制造方式，3D打印具有定制化、快速、工藝簡化和形狀基本不受限制等優點。目前在食品領域應用的3D打印技術有4種類型，分別是擠壓式打?。╡xtrusion）、選擇性燒結（selective sintering）、粘合劑噴射（binder jetting）和噴墨打?。↖nject printing）[59,61]。

3.3.3.1 擠壓式3D打印與蛋白質成型 利用植物蛋白為原料進行素食加工主要應用的是擠壓式3D打印。食品原料經擠壓式3D打印成型主要有三種方式：一是軟物質擠壓，比如面團和肉泥等，通過形成能夠自支撐的疊層來成型，這種方式對材料的粘度有嚴苛的要求；二是熔融擠壓，用于巧克力、軟糖等，通過材料擠出前后溫度的控制達到定形的作用；三是水凝膠構建，利用化學、離子或者復合物誘導物料中的大分子交聯形成水凝膠來定形，這種方式高度依賴物料的流變性能和成膠性能[62]。

3D打印技術已經應用于多種蛋白基物料的打印。蛋白質獨有的在等電點附近聚集的特性使其可以通過形成顆?；蛘咚z的方式成型，同時也可以利用蛋白質與多糖之間的結合，將其與明膠、海藻酸鈉等多糖交替沉積來成型[63?64]。另外，外部的壓力，包括溫度、機械力、或化學干預（酸、堿、鹽等）也可以誘導蛋白質的變性、聚集和成型[62]。這些技術有些已經應用在了蛋白基物料的3D打印中。Liu等[65]將濃縮乳蛋白與小麥分離蛋白以5:2的比例混合（總干物質含量35%），同時加入黃原膠和甘油，得到能夠成功打印和定形的物料（圖3）。將濃縮乳蛋白與酪蛋白酸鈉混合，二者可以形成三維凝膠狀結構，提高物料的打印后的自支撐性[66]。Liu等[67]在明膠、玉米淀粉和蔗糖體系中加入5%（w/w）的蛋清蛋白，提高了產品的硬度和彈性。大豆分離蛋白中加入黃原膠和NaCl，可以成功打印為預先設計的形狀。在大豆分離蛋白中加入海藻酸鈉和明膠沒有增加大豆蛋白之間的交聯，但是增加了產品的硬度和咀嚼性（圖3）[64]。

圖 3 3D打印示意圖[65]和蛋白基3D打印產品[64?65]Fig.3 Schematic diagram of 3D printing and two protein-based products[64?65]

3.3.3.2 3D打印植物肉的局限性 由于擠出式3D打印的疊層沉積方式，產品多為層狀的各向異性結構，且各向異性結構的形成要依賴于擠出物在接收盤上的定向排列，因此3D打印的植物肉制品與真實肉制品的纖維狀結構還存在一定差距。利用3D打印實現植物蛋白纖維化結構還需要更多的探索。3D打印過程中沒有螺桿的強力擠壓和剪切作用，因此需要采取附加手段來打開蛋白鏈和使蛋白質變性和解聚，比如化學或酶法輔助。同時，目前蛋白基物料的食品3D打印普遍在低溫下進行（低于60 ℃），也是蛋白質無法解聚的原因之一，因此將超高溫噴頭（>100 ℃）和分段控溫裝置應用于食品3D打印是我們探索采用熔融擠壓的方式對蛋白質進行結構重組的可能性的另一種方式。

3.3.4 其他技術 除低水分擠壓、高水分擠壓和3D打印技術外，許多其他加工技術也在逐步發展和應用到植物蛋白加工過程中。例如，雙階或多級擠壓技術（Two-stage/multi-stage extrusion）將兩臺或多臺擠壓機的并聯或串聯，使得擠壓機能量輸入控制更精確，Wenger公司利用該技術制備了片狀模擬肉。以超臨界流體擠壓技術（Supercritical fluid extrusion）為代表的的冷擠壓技術，能夠在相對低溫度（<100 ℃）、低剪切（<100 r/min）的作用下重構濃縮乳清蛋白的結構，賦予其良好的熱穩定性和水包油乳化性[68?69]。瓦赫寧根大學Atze Jan van der Goot教授團隊發明的Shear cell技術，依靠穩定的剪切流場來重塑高分子結構，能耗較低，已經開發了第6代耐高溫（>100 ℃）和實驗室通用的設備，但尚未產業化[70]。

3.4 植物基替代蛋白利用的挑戰和發展方向

盡管以植物肉為代表的植物基食品的市場前景廣闊，植物替代蛋白的開發仍然面臨著諸多挑戰：

植物基替代蛋白的高效和綠色制備。植物替代蛋白的高效和低成本制備是其市場化應用的前提。這一方面取決于植物原料的低成本供應，另一方面依賴于成熟的產業化提取技術。低成本原料目前主要來自于農產品加工的副產物，如大豆粕、花生粕等，但這不能夠滿足未來對植物替代蛋白的多樣化的需求。在多元化植物替代蛋白的需求牽引之下，發展定向育種、立體種植、水培種植等新型農業將是未來的發展方向。成熟的產業化提取技術不但要考慮提取效率和產量，同時需要兼顧能耗、環保等方面。目前產業上廣泛應用的“堿提酸沉法”制備植物蛋白產生大量高電解質廢水，給環境帶來了極大的負擔。如何通過物理、化學和酶法的有機結合，探索綠色、環保、可持續的制備體系也是植物替代蛋白利用的發展方向[25]。

植物基替代蛋白加工的精準調控。雖然通過高水分擠壓等技術成功實現了植物蛋白的纖維化結構重組，但如何精密調控蛋白質結構仍是研究的難點。在原料層面，植物蛋白組成復雜、構象多樣，受剪切力、溫度、時間等加工參數的影響大[51]。在設備層面，對指標參數的感知、纖維化過程的數字化模擬和調控仍然具有極大的挑戰。研發擠壓-紅外光譜儀、拉曼光譜儀等設備聯用的在線檢測系統，研發軟件模擬系統和智能控制技術，構建擠壓-3D打印聯用的自動化和個性化加工系統[71]，實現擠壓過程的全程監控、精準控制、個性化設計，是今后植物替代蛋白加工的研發方向。

植物基替代蛋白的營養和安全性評價。動物蛋白長期以來為人類提供了全面的氨基酸供應和維生素等其他營養素。大多數動物源蛋白質的蛋白消化率校正后的氨基酸得分（PDCAAS）超過或接近于1.0，被認為是完全的蛋白質來源，而許多植物蛋白中往往缺乏一種或多種必需氨基酸，PDCAAS得分普遍較動物蛋白低[72]。因此，對植物基替代蛋白及其產品的營養學評價也不容忽視[73]。另外，花生、大豆等蛋白的致敏性問題也是關系到產品安全性的重要因素。

植物基替代蛋白的風味和口感調控。肉制品中的脂肪、血管等組織的存在賦予了肉類多汁、嫩滑的口感和飽滿、獨特的香氣，相比之下植物替代蛋白產品往往風味單薄、多汁性差。目前多以加入香精、色素等方式調味，遠遠不能夠還原肉類的特征風味。另外，某些植物蛋白如大豆蛋白處理不當容易產生“豆腥味”，雖然研究者們開發了酶解、氨改性等方法對大豆蛋白的風味進行改善，但是在呈味機制和安全高效改性方面還需深入的探討。

4 結語

未來食品在滿足人類對數量和質量的要求的同時，將最大程度的減少對資源的占有和對環境的負擔。以“植物肉”為代表的植物基食品受到越來越多的青睞，產業規模不斷擴大，帶動了植物替代蛋白的開發和利用。目前植物基替代蛋白的商業化面臨著品種單一、加工技術瓶頸等問題。植物基替代蛋白新資源的挖掘對產品的多元化開發和農業種質資源利用具有重要的意義。利用高水分擠壓重構植物替代蛋白的纖維化結構的技術相對成熟，而利用3D打印技術進行蛋白質成型加工還需要更多的探索，其他技術也得到逐步發展。綜上，植物基替代蛋白在低成本高效制備、加工過程精準化控制、營養和安全性評價以及風味和口感調控等方面面臨巨大的挑戰，亟需更多的研究來加快推進其產業化應用。