植物基人造肉研究進展

肖志剛，江睿生，霍金杰，李 航，蘇 爽，王海觀，高育哲

(沈陽師范大學糧食學院，沈陽 110034)

隨著人口的增長，關于動物肉發展的問題引發了越來越多人的擔憂和討論。從市場發展角度看，人口增長會使得對食用肉的消費需求增加，但這與實際的肉類供給是不匹配的[1]。此外，動物疫病是生產食用肉類的隱患，一旦發生也會給肉類市場造成影響[2，3]。從環境保護方面考慮，肉類生產所產生的溫室氣體、可耕地的占用和水污染等環境問題會隨著人口增長所帶動的肉的需求而日益加劇[4，5]。從生產成本上看，動物肉的生產，即飼養動物的過程，是將植物蛋白質轉化為動物蛋白質，是一個高度密集的過程。然而，在產量上進行對比，蔬菜水果等作物需要的水、土地和能源相對較少，因此可以看出生產動物肉伴隨的蛋白質的轉化效率低下[4]。Smetana等[5]比較了雞肉與植物基人造肉的生產進行了比較，其中植物基人造肉在生產中注重的是原料、設備以及能源的投入，而雞肉的生產更多考慮的是土地、營養和能量攝入。Aiking[6]和David等[7]的研究也得到了類似的結論，肉類的生產需要消耗額外的植物蛋白。從日常飲食的角度來看，食用動物肉類除了提供基本營養和能量外，過度食用肉類還和某些疾病的發病率有一定的關系[8]。研究發現，每天食用120 g紅肉或30 g加工肉會顯著增加患直腸癌的風險[9]。Rohrmann等[10]研究表明，過多食用紅肉會增加身體患心血管疾病的風險，過多攝入高嘌呤類的肉類則會增加罹患關節炎癥的風險。此外，素食主義近幾年也漸漸在人群中風靡開來。人們開始尋找肉類替代物用以代替日常攝入的動物肉食品，人造肉的發展備受關注。

肉類替代物的來源主要有2種，一是通過細胞培養[11，12]，能得到比較真實還原的培養動物肉，但目前仍然處于研發狀態，還存在著成肉煮熟后肉感不緊致，培養條件嚴格，產業化難度大以及輿論價值觀方面關于消費者接受度等問題[13]；二是利用高水分擠壓技術對植物蛋白進行改性，得到內部具有明顯纖維結構的植物基人造肉。這種由高水分擠壓技術得到的組織化蛋白產品，經過成絲處理后在觀感上可以得到類似熟雞肉的紋理結構。盡管目前仍存在著咀嚼感不足、豆腥味重、工藝參數難摸索等問題，但其具備的研究開發價值、未來商業市場潛力不容小覷。

植物蛋白質的優質性、易用性和可持續性是全球綠色健康飲食的追求目標。目前對動物食品的過度依賴導致了不可持續的農業實踐和環境問題，這不免讓人擔憂。因此，著力發展植物基人造肉也將成為不可避免的趨勢，這也可以為新興的素食主義者、具有健康飲食觀念和關注未來食品的消費者提供選擇。

1 植物基人造肉國內外產品概況

植物基人造肉市值增長預計從2018年的46億美元增長到2030年的850億美元，而在2026將達到309億美元[14]。這一新市場還具有很強的商業投資吸引力。亞太地區的植物基人造肉市場預估值在2025年達到了212.3億美元[15]，由此也能看出人造肉在消費市場的潛力。

國外在植物基人造肉產品的開發種類主要有素肉餅、素食牛肉漢堡、素雞塊、素肉腸等[16]，2019年，植物基牛肉漢堡成功入選為《麻省理工學院技術評論》上發布的全球十大突破性技術之一。而國內在產品開發方面發展則相對落后，更多的作為添加劑加入到肉類制品中，常見的產品有水餃、肉丸、肉腸等，市面上主要還是以低水分擠壓得到的拉絲蛋白作為休閑零食為主，當然也有由素肉作為主料而開發的素肉水餃、素食腸、素肉丸等，但對比國外仍有不少差距。這主要是因為我國在植物基人造肉領域較國外存在著產業化起步晚、生產工藝不成熟、機理研究不深入、資金投入少、宣傳力度不足以及相關法規未完善等問題。

2 植物基人造肉工藝原理分析

2.1 定義

人造肉經歷過低水分擠壓階段，存在著需要復水，類肉程度低等問題。植物基人造肉作為近年人們研究的方向，是因為在高水分擠壓的研究上取得了新突破。它是一個需要重新詮釋的概念，以擺脫傳統人們對它的定義，這對后期宣傳推廣，改變消費者對“休閑零食”的定義有重要意義。

植物基人造肉是由含水量>40%的蛋白原料在雙螺桿擠壓機內部受到高溫、高剪切力和高壓作用下，蛋白分子發生不可逆變性，再經過一段長的冷卻模具后得到的內部具有明顯纖維結構，且具有類似熟雞肉紋理的組織化蛋白，其成品蛋白質量分數>50%[17]。

2.2 機理分析

植物基人造肉的生產是應用雙螺桿擠壓機采用高水分擠壓技術得到的。這種技術的原理是通過在擠壓過程控制料斗中的蛋白原料定量進入擠壓機中，螺桿轉動輸送物料，與此同時，水作為反應溶劑也通過進水喂料器進入擠壓機內部，伴隨著擠壓機各區段溫度的升高，螺桿轉動帶來的剪切力，封閉的腔體內壓力增大，此時高溫打破了蛋白質結構，蛋白質發生變性，蛋白分子鏈經展開、團聚、聚集和交聯[18]，在暴露分子鏈中巰基的同時，經氧化生成新的二硫鍵[19]，伴隨著與其他物質分子的作用，球蛋白分子重新排列，得到內部具有凝膠網絡結構的組織化蛋白產品(如圖1)。由于擠壓機內特殊的反應作用，這也就要求作為原料的蛋白質其本身的球蛋白具備良好的性質，即球蛋白分子鏈中含有較多的含硫氨基酸。

圖1 不同放大倍數(×30、×500、×1 500)下大豆組織化蛋白凝膠網絡結構

這一組織化過程與蛋白質的凝膠機理相似但又有所不同。擠壓過程中構成纖維化結構的作用力有二硫鍵、疏水相互作用和氫鍵，而其中二硫鍵被許多研究者[20-23]認為是蛋白熔融體在擠壓機內部相互作用并結合的主要作用力。另一方面，與組織化作用類似的蛋白凝膠化的主要作用力也是二硫鍵和氫鍵。其不同之處在于以氫鍵為主的蛋白凝膠化是可逆的，而蛋白組織化的過程并不可逆[24]。康立寧等[25]采用傅里葉紅外光譜研究了擠壓參數對蛋白二級結構變化的影響發現，分子二級結構的變化是組織化大豆的必要條件，通過改變溫度(>140 ℃)可以促進β折疊向無規則卷曲結構轉化。有研究指出擠壓過程中破壞的往往是蛋白分子中結合得比較弱的化學鍵，而作為蛋白鏈組分的肽鍵等結合得比較牢固，很少參與過程中的反應[2,18]。因此，植物蛋白組織化過程可以類似地看作是一種不可逆的蛋白熱凝膠反應，其涉及的蛋白質分子二級結構、三級結構的變化，但很少涉及一級結構的轉變。

2.3 植物蛋白原料特性

植物基模擬肉具有優質的蛋白原料來源，而單一的植物蛋白也常被作為研究植物基人造肉的基礎原料蛋白。目前常見的植物蛋白有大豆蛋白、小麥蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白。

大豆蛋白作為應用最廣泛的原料蛋白，從原料性質上看，由于其蛋白中球蛋白分子鏈中含有較多的含硫氨基酸，當受到熱剪切作用時容易開鏈，暴露分子結合位點，并進一步氧化生成二硫鍵，能促進纖維網狀結構的形成；從營養價值方面上看，大豆蛋白的攝入可以改善人體內的脂質代謝[26]和預防心血管疾病的發生[27]，而大豆分離蛋白和大豆濃縮蛋白含有更多必不可少的氨基酸[28，29]，這使得加工后的大豆蛋白能夠獲得蛋白質消化率校正的氨基酸評分(PDCAAS)為1.00，可與動物衍生食品如肉類、雞蛋和乳制品媲美[30]。

小麥蛋白，即谷朊粉，是一種常見的用作生產植物基人造肉的輔料蛋白。Lee等[31]研究表明小麥蛋白中含有能促進組織化蛋白纖維取向的兩類蛋白，即谷蛋白和麥醇溶蛋白。谷朊粉在植物蛋白擠壓組織化過程中，通常需要與其他植物蛋白混合使用[32，33]。在高水分擠壓條件下，低蛋白含量的原料也可以通過與面筋蛋白相互作用，這是由于小麥蛋白經高溫高壓條件下，其分子鏈易于解開并與其他分子結合的能力相較于其他蛋白強，能在高水分擠壓條件下生成穩固的二硫鍵，進而促進蛋白質重排，形成具有網狀的纖維結構，即組織化。同時，谷朊粉在關于擠壓組織化領域的研究在國內外研究中的報道很多。Yao等[34]和Day等[35]的研究都認為谷朊粉的添加可以改善組織化蛋白的纖維網狀結構，有助于改善擠出物產品的品質。賈旭等[36]認為谷朊粉與水結合容易形成網狀結構，不宜單獨用作原料進行擠壓組織化。

花生蛋白和豌豆蛋白都是具有發展潛力的大豆分離蛋白替代品，但由于生產技術以及產業化規模的限制，這其中也有原料來源、經營成本、加工難度等諸多因素[37，38]，目前不能得到有效推廣，需要時間以及市場的考驗。花生蛋白作為原料蛋白，相比大豆蛋白，其自身含有的抗營養物質較少，可溶性蛋白質和氮溶解指數高，易被人體接受和消化，且本身存在獨特的香味，能使擠出物呈現獨特的芳香，反觀大豆蛋白由于本身存在的豆腥味導致擠出物在風味上的評價下降，因此花生蛋白也被視為一種優良的大豆蛋白的替代品。豌豆蛋白近幾年在國內外關于擠壓組織化的研究越來越多[39-42]，豌豆蛋白產品與大豆蛋白產品具有可比性和互補性。雖然豌豆蛋白在熱凝膠性質上比大豆蛋白差[43，44]，但仍被視為大豆蛋白的優良替代品[45]，主要是因為在加工過程中鹽離子的加入和加工條件的改良可以增強豌豆蛋白分子力之間的穩定性，提高其凝膠性質[46]。

植物蛋白作為植物基人造肉的原料蛋白，目前來說可應用在生產的蛋白種類相對較少。但是，隨著生產技術的進步，各種植物蛋白產業化發展，必然也能帶動植物基人造肉原料蛋白復配體系的多樣化。優質蛋白帶來的營養附加值也能在未來植物基人造肉市場的推廣上增加契機。

2.4 擠壓工藝參數

植物基人造肉依托擠壓工藝的可操作性，可調節擠壓參數來使產品得到適宜的口感，類肉的色澤以及接近熟肉的感官表現。擠壓參數條件的適宜性影響著組織化程度的高低。一般可以通過調節雙螺桿擠壓機各區間的機筒溫度、進水速度、喂料速度以及螺桿轉速從而改變蛋白原料在機筒內部的所受溫度、壓力、剪切程度的高低，以此還能進一步影響雙螺桿擠壓機的系統參數變化，如物料停留時間、扭矩、模口壓力和模口溫度等。對于擠壓工藝要求，旨在找到合適的擠壓參數，得到纖維化程度較優的擠壓條件。

擠壓溫度的變化主要與蛋白原料在擠壓機內部的變性以及纖維結構形成的品質有關，且在擠壓機各區溫度分布均可調節，影響著物料從混合到熔融，再進一步變性及組織化品質的形成[47]，其重要性不言而喻。此外，模口溫度雖然作為系統參數，并不直接由人為控制，但其影響著蛋白物料在模口處的壓力、扭矩以及擠出物的單位質量產能，從而進一步影響了從擠壓機出口處熔融體的黏度。黏度則與蛋白組織化結構的最終形成有重要的聯系[39,48]。

調節進水速度和進料速度的本質是調節機筒內部蛋白原料的水分含量，即物料在機筒內部的填充程度，從而進一步影響蛋白熔融體在機筒內的流動方式和混合程度[49]。Tolstoguzov[50]認為水分在擠壓過程中發揮著重要的作用，水分能降低蛋白原料的變性溫度和蛋白熔融體的黏度，使得物料在機筒內形成相容體系。水分含量增加，蛋白原料熔融時黏度降低，進而使擠壓機的機械能輸入降低，物料在機筒內停留時間降低。水分含量的變化還可以影響擠出物的質構和色澤，進一步影響了產品的質地，口感以及其整體可接受度。另一方面，水分含量的適當增加，能促進擠壓機內蛋白分子間作用力之間的協同作用，這主要是水分增加，塑化作用增強，蛋白質結構片段的柔韌性增加，進而促進分子鏈的伸展和定向排列。但是，水分含量過高，則會使得體系內蛋白原料所受到的剪切減弱，會減弱蛋白聚集體之間的交聯作用[22,51]。

螺桿轉速的變化最為直觀的影響，是改變蛋白原料在機筒內部的剪切力以及其所受的推動力。Thiébaud的研究表明，適當提高螺桿轉速有利于體系中分散相在連續相中的分散，可以在模口處形成更為致密的纖維網狀結構[52]。同時螺桿轉動所帶來的剪切力的大小，有賴于螺桿的構型以及排布的改變[53]。Emin等[54]研究發現螺桿轉速影響著擠壓機內對蛋白原料的剪切力大小。低的剪切作用能促進蛋白分子的聚集，而強的剪切作用可以促進蛋白分子鏈的解開、團聚、聚集、交聯，使蛋白質原料在機筒內部進一步地變性，分子顆粒破裂，分子質量減小。

3 植物基人造肉發展中存在的問題及分析

3.1 公眾接受度

公眾接受度是指產品在感官上給消費者群體的評價以及消費者在心理上對產品的定位。它不僅僅是依賴于產品直觀上的感官評分，還兼顧著產品的營養價值評分、可持續性等方面的附加評價。植物基人造肉作為商品推向市場，首先要面對的是消費群眾的接受度問題。直觀上評分以及食用后所帶來的感官體驗對于人造肉產品而言非常重要。其次人們才會去關心它的營養價值、是否能替代動物肉、是否作為日常食用食品等問題[55，56]。而植物基人造肉存在著咀嚼感差，肉感不足等缺點也成為了其推向市場并由消費者所接受的主要問題之一。造成這個問題的原因很多，有研發上的因素，也有后期加工的因素，當然重要的還有人造肉產品的宣傳。宣傳的思路可以從兩方面出發，一方面，是以肉類替代物為主要宣傳主題，推廣由高水分擠壓得到的組織化蛋白。國內目前仍然以低水分擠壓得到的大豆拉絲蛋白為主，在流通的食品中也以休閑零食、肉類制品添加物為主，產品定位較為小眾。未來的宣傳則需要打破消費者對人造肉的傳統定位認知，從休閑零食轉移到日常飲食，從普通食品到健康食品，從小眾零食到大眾飲食。另一方面則是以未來綠色健康食品作為宣傳主題，組織化蛋白本身豐富且優越的原料來源使其在營養功能上具備先天的優勢，而經過一系列加工可以成為滿足人們日常營養素攝入需求的健康食品。這種脫離只作為肉類替代物的定義的宣傳可能會為它的發展拓寬渠道。

3.2 食品相關標準的建立與完善

第二個需要關注的問題在于植物基人造肉產品在食品領域有關的食品安全國家標準、食品安全檢測指標等并未有比較明確且系統化規定[57-59]。目前現行的標準中的GB/T 22106—2008 《非發酵豆制品》、GB/T 2712—2014《食品安全國家標準 豆制品》和2008年商務部頒布的SB/T 10453—2007《膨化豆制品》行業標準雖然都有對此類豆制品進行歸類并有相關指標的規定，但傳統將植物基人造肉定義為非發酵豆制品并不能完全作為現今人造肉行業上的參考，而在這方面的研究目前仍然也比較少，諸如保藏、食品包裝以及生產流程的食品污染防治等問題也有很多亟待明確和解決的。同時也有將植物基人造肉作為輔料添加到肉制品生產中，在節約成本的同時也能提升產品的口感。

因此，食品相關標準的建立與完善需要考慮原料、生產流通、包裝保藏等方面以及參考熟肉制品的相關標準作為補充，同時還需要考慮其作為食品添加劑的規定，以避免可能會造成的市場輿論風險。

3.3 反應機理探究

高水分擠壓技術的機理探究難度大，目前通過調整擠壓參數、改變原料，往往需要一段時間的摸索才能找到適合的人造肉基料生產配方。究其原因，一方面是我們對蛋白與其他物質之間相互作用的機制研究的并未深入，探明機理也需靠不斷的研究積累夯實；另一方面，雙螺桿擠壓機工作過程是一個“黑箱”，由于需要在機筒封閉且高溫的環境下運作，存在實時檢測內部狀態的局限性，因此成為研究過程中的不可避免的阻礙。魏益民等[60]曾用“膜狀氣腔”理論來推測“黑箱”中變化，肯定了水在高水分擠壓過程發揮的重要作用，這一理論對于后續研究擠壓組織化蛋白具有重要的指導意義。為更好的了解原料、擠壓工藝對于擠出產品的有關特性的影響，并獲得理想的具有纖維結構的擠出物，研究工藝參數、系統參數和產品參數之間的關聯性尤為重要。這一切與擠壓機內部的運作過程的研究離不開聯系，那么，設計并投產專門用于研究的雙螺桿擠壓機設備，其中擠壓過程可視化、各區段壓力檢測、黏度檢測以及各區段卸料閥等輔助功能都將成為研究這一科學“黑箱”運作機理的強大助力。

4 總結與展望

植物基人造肉依靠原料蛋白所帶動的復配體系多樣化和擠壓工藝的可操作性，具有良好的發展潛力與市場價值。隨著植物基人造肉的推廣發展，其所面臨的公眾接受度低，產品相關食品安全標準、法規不健全以及機理研究難度大等問題成為發展所必須面對的問題。因此，加大對于植物基人造肉的前期推廣宣傳力度，建立健全有關食品標準和法規成為其作為商品流向市場的可行方案。此外，在科研方向則需要注重機理的探究，設計和開發有利于監測擠壓過程的實驗型擠壓設備。

植物基人造肉可供人體吸收利用營養素僅僅只有蛋白質，隨著研究和技術發展的深入，在主打綠色健康飲食的大時代背景下，顯然并不能讓廣大消費者以及產品投資者所滿意。此外，僅僅是肉類替代物這一食品定位是不能實現長足發展的。因此，開發高營養附加值的人造肉產品或能成為未來發展趨勢，諸如多營養素肉產品的開發即高纖素肉，含脂肪替代物的素肉產品，多谷物復配素肉產品等。當然，植物基人造肉是否真的能與動物肉市場相競爭，并占據食品市場的很大份額，這需要時間以及市場的考驗。