植物蛋白肉研究進展

歐雨嘉，鄭明靜，曾紅亮，曾紹校，鄭寶東*

1(福建農(nóng)林大學 食品科學學院，福建 福州，350002)2(中愛國際合作食品物質學與結構設計研究中心，福建 福州，350002) 3(集美大學 食品與生物工程學院，福建 廈門，361021)

消費水平的逐年攀升，動物蛋白逐漸供不應求，尋求肉類代替品已成為趨勢?！叭嗽烊狻笔强赏ㄟ^科技手段生產(chǎn)的肉類替代品，其本質是更可控的工業(yè)化生產(chǎn)，代替肉類工業(yè)從養(yǎng)殖、屠宰、儲運等一系列過程，這意味著“人造肉”可以不受環(huán)境污染和動物病疫影響，從而更加安全化和營養(yǎng)化，致使其可更加穩(wěn)定有效地生產(chǎn)[1-2]。目前“人造肉”大致分為兩種，一是由植物性蛋白為原料的植物蛋白肉；二是由動物干細胞培養(yǎng)的細胞培養(yǎng)肉[3]。細胞培養(yǎng)肉尚處于實驗室階段，生產(chǎn)成本高，規(guī)?；a(chǎn)困難；而植物蛋白肉已具備市場基礎，市售產(chǎn)品逐年增多[4]。植物蛋白肉是以植物性蛋白或植物性成分為原料，通過靜電紡絲、擠壓技術和3D打印技術等，將植物組織蛋白加工形成具有類似肉類的纖維結構，從而模仿真肉的質構、風味和口感[5-6]。其發(fā)展歷程包括傳統(tǒng)純素肉、傳統(tǒng)素肉、新型植物蛋白肉3個階段，新型植物蛋白肉正成為全球投資熱點，商業(yè)前景廣闊[7]。

工業(yè)化生產(chǎn)植物蛋白肉，將節(jié)約肉類資源從而保護環(huán)境；其獨特的食用品質更有利于健康，降低患病風險[8-9]。但植物蛋白肉在質構、色澤、風味及口感等方面與真肉仍然存在較大的差距，亟需進一步研究植物蛋白肉的感官特性，使其在視覺、味覺、嗅覺等方面模擬肉類，以滿足消費者對肉類的要求，從而實現(xiàn)植物蛋白肉市場持續(xù)增長，并在未來得到更多消費者的青睞[10]。因此，本文論述了植物蛋白肉的加工技術及其原理，著重分析加工與生產(chǎn)中影響植物蛋白肉品質的主要因素，綜述了植物蛋白肉國內外研究進展，并探討植物蛋白肉存在的問題和未來發(fā)展趨勢，旨在為我國植物蛋白肉研究和開發(fā)提供參考。

1 植物蛋白肉的加工技術及其原理

1.1 靜電紡絲

靜電紡絲是一種能夠制造直徑為幾納米的連續(xù)纖維的技術，是將高黏度的蛋白溶液(通常在堿性溶液中)通過噴絲板(帶有幾個小孔的板，通常直徑約為0.025 mm)變成酸性凝固液，產(chǎn)生定向纖維的過程[11]。這些纖維比未處理的蛋白質具有更好的功能特性，可以用于一系列配方產(chǎn)品中，也可以與適當?shù)恼澈蟿┮黄鹗褂?，從而產(chǎn)生各種各樣的組織化食品[12]。將大豆分離蛋白溶解于堿液中，大豆蛋白發(fā)生變性，天然結構破裂，而后使用凝膠黏合劑黏結壓制，擠入酸液中凝固析出形成纖維狀，洗滌后即得到組織化大豆蛋白[13]。但是，此過程成本很高，且不適用于所有蛋白質，且堿處理會產(chǎn)生一些不利影響(例如產(chǎn)生有毒二肽的賴氨酸、丙氨酸)，因此該技術難以商業(yè)化，逐漸被擠壓技術所取代[14]。

1.2 擠壓技術

擠壓技術是用于處理食品成分連續(xù)加熱的機械過程，在高溫短時間中依次進行混合、水合、剪切、均質化、壓縮、除氣、溫度和壓力積累、巴氏滅菌、料流對齊、成型、膨脹以及食品原料的部分干燥等一系列操作[15-16]。植物蛋白在擠壓過程中經(jīng)高溫、高壓、高剪切等作用發(fā)生變性，使維持蛋白結構的氫鍵、二硫鍵、離子鍵等被破壞，形成可塑化的熔融體，經(jīng)分子鏈展開、團聚、聚集、交聯(lián)形成纖維結構[17-18]。生產(chǎn)制備植物蛋白肉技術包括單螺桿擠壓技術、低水分擠壓技術和高水分擠壓技術。單螺桿擠壓技術制備植物蛋白肉具有操作簡單、產(chǎn)品成本低等優(yōu)勢，但只適用于簡單的食品膨化和作為肉制品填充物；低水分擠壓技術制備植物蛋白肉具有工藝條件成熟，產(chǎn)品柔韌性強等優(yōu)勢，但需復水等后續(xù)工藝，費時；高水分擠壓技術具有工藝集成度高，產(chǎn)品質地更接近真肉等優(yōu)勢，但口感和風味需進一步調整。

擠壓機根據(jù)螺桿數(shù)不同分為單螺桿擠壓機和雙螺桿擠壓機。單、雙螺桿擠壓機功能作用各有不同，其區(qū)別見表1。

表1 單、雙螺桿擠壓機區(qū)別Table 1 Differences between single and twin screw extruders

單螺桿擠壓機是靠1根螺桿在機筒內對物料進行摩擦來輸送物料和形成一定的壓力[19]；雙螺桿擠壓機是在單螺桿擠壓機基礎上發(fā)展改進的，可分為低水分擠壓和高水分擠壓，研究表明隨著物料水分含量的增加，植物蛋白組織化程度增加[20]。水分含量60%大豆蛋白其組織化度最高[21]，45%時小麥蛋白組織化度最高[22]，45%～55%時花生蛋白組織化度最佳[23]，50%時豌豆蛋白組織化度最高[24]。但高水分擠壓過程仍是一個“黑箱”，纖維結構形成過程的分子機制尚不明確，纖維結構等品質無法有效調控[25]。

1.3 食品3D打印

3D打印技術也稱為增材制造和固體自由形式制造，其特點是直接從預先設計的文件中采用一層一層的材料沉積模式[26～27]。目前，食品領域中可用的3D打印技術通常包括4種類型：擠壓式打印，選擇性燒結印刷，粘合劑噴射和噴墨打印[28]，其原理、優(yōu)勢、局限性和適用范圍見表2。人造肉是利用擠壓式打印技術，將“肉泥”進行擠壓，使蛋白質熔融從噴頭擠出后凝固形成層狀纖維結構進而仿真肉制品，但因受到擠出噴頭的限制，仿真的肉制品與真肉纖維結構還存在一定差距[29-30]。

表2 比較不同的3D打印技術Table 2 Comparing different 3D printing technologies

2 植物蛋白肉加工與生產(chǎn)的主要影響因素

2.1 工藝配方

2.1.1 蛋白質

蛋白質是形成類似肉類纖維結構的主要成分，亦是影響產(chǎn)品品質及產(chǎn)品差異化的重要因素，植物蛋白肉生產(chǎn)時所用的蛋白含量一般為50%～70%。許多學者認為，蛋白質熔融和變性是形成組織化的前提，其機理在于：蛋白質經(jīng)高溫高壓等作用，分子鏈沿流動方向展開，暴露出疏水基團，使之團聚形成熔融體；而后蛋白質發(fā)生變性，失去天然結構，形成各向異性的取向結構；最后熔融態(tài)的黏性面團經(jīng)高溫瞬間驟降至低溫(70 ℃)，完成向橡膠態(tài)和玻璃態(tài)的轉變，形成組織化蛋白。在加工過程中，蛋白質發(fā)生變性，使維持其結構的氫鍵、二硫鍵等被破壞，進而形成纖維結構，蛋白質變性程度也是影響組織化程度的重要因素，康立寧等[31]研究發(fā)現(xiàn)，蛋白質的溶解氮指數(shù)越高，變性程度越小，組織化能力越好，纖維結構越強，大豆蛋白產(chǎn)品品質越好。研究表明，蛋白質種類和含量能夠顯著影響蛋白組織化程度，從而影響植物蛋白肉制品的品質。增加蛋白質含量可提高蛋白質的物理性質，組織化時熱凝膠作用強，纖維結構明顯[32-33]。對于大豆蛋白，含量在53%～60%，纖維結構較好[34]；對于花生蛋白，含量在34%～63%，纖維化程度呈先升高后降低趨勢[35]；對于小麥蛋白，含量在64%～88%，纖維化程度隨蛋白含量的增加逐漸降低[36]。

植物蛋白肉配方中，添加不同品種的蛋白粉會對產(chǎn)品品質產(chǎn)生不同的影響。常曉明等[37]研究發(fā)現(xiàn)，添加15%～25%的大豆分離蛋白粉可提高組織化程度，使大豆蛋白制品結構緊致，大豆分離蛋白粉可改善植物蛋白肉產(chǎn)品松散的質地?；ㄉ鞍追劬哂蟹枷銡馕?，添加5%～10%花生蛋白粉，可使花生蛋白制品組織更加細膩[38]。趙知微[39]研究發(fā)現(xiàn)，添加3%～7%谷朊粉的植物蛋白產(chǎn)品，組織化程度和纖維結構較好，口感更接近真肉，谷朊粉是植物蛋白產(chǎn)品的必要成分，具有形成立體網(wǎng)絡結構的能力，且黏彈性、成團性以及成膜性強。

2.1.2 碳水化合物

碳水化合物中淀粉和纖維素是植物蛋白肉配方的重要組成部分，有助于催化蛋白質、脂質和水分形成穩(wěn)定的結構，從而改善產(chǎn)品質地和黏稠度、凝膠性、穩(wěn)定性。在加工過程中，碳水化合物鑲嵌于蛋白質中，影響其相互作用，阻礙蛋白質聚集和交聯(lián)，但穩(wěn)定了疏水作用，且增強了維持纖維結構的作用力。洪濱等[40]研究發(fā)現(xiàn)，淀粉含量的高低會影響組織化蛋白產(chǎn)品的形狀、硬度和風味等，在加工過程中淀粉發(fā)生降解產(chǎn)生還原糖類，經(jīng)美拉德反應影響產(chǎn)品的色澤和風味；隨著淀粉含量的增加(0%～8%)，纖維結構越來越疏松，這是由于淀粉糊化導致物料發(fā)生膨脹或變形，或是由于淀粉與蛋白的結合會降低蛋白質的聚集程度，從而降低產(chǎn)品組織化程度，但是淀粉可以作為增稠劑改善產(chǎn)品質地和穩(wěn)定性[41]。纖維素會影響植物蛋白肉產(chǎn)品的凝膠性和持水性等，在加工過程中纖維素發(fā)生膨脹，結合水能力增強，有利于提高產(chǎn)品的持水性。研究表明，甲基纖維素是一種有效的食品粘結劑，具有良好的水溶性和凝膠性，可提高植物蛋白肉產(chǎn)品的持水性和穩(wěn)定性[42]。

2.1.3 脂肪

植物蛋白肉配方中加入脂肪的作用是促進產(chǎn)品多汁、嫩滑的口感，防止加工和烹飪過程中粘結，含量一般為2%～10%。在加工過程中，脂肪與蛋白質、淀粉等形成脂質復合物，降低脂肪氧化程度和游離脂肪酸含量，延緩淀粉糊化、延長產(chǎn)品貨架期，改善植物蛋白肉產(chǎn)品品質和口感；但是脂肪含量過高會發(fā)生滑移顯著降低剪切力導致產(chǎn)品不能穩(wěn)定擠出或者成形，從而影響產(chǎn)品品質。張汆[35]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪含量在2.5%～4%，組織化程度較高，成型時脂肪經(jīng)揮發(fā)、氧化，促進組織化花生蛋白制品外觀逐漸光滑、柔軟且富有光澤，但硬度、咀嚼度逐漸下降。目前的研究主要集中在模擬脂肪，增加產(chǎn)品咀嚼性和適口性。AKYAR[43]混合椰子油、菜籽油等植物油脂制成風味類似物，用椰子肉模仿肉糜中的大塊脂肪。JIMNEZ-COLMENERO等[44]研究表明，魔芋凝膠可作為脂肪代替品用于植物蛋白肉產(chǎn)品中。

2.1.4 其他成分

風味物質和著色劑等其他成分在影響植物蛋白肉的風味和色澤等方面發(fā)揮重要作用。風味物質可增加產(chǎn)品香味，使之有“肉味”而滿足消費者的味覺需求。通過氣相色譜質譜聯(lián)用儀可知肉香味是由含硫化合物以及一些微量的醛、酮、醇等組成，鮮味則是由肉中蛋白、脂肪等形成[45]。目前，應用于植物蛋白肉產(chǎn)品的風味物質包括基本調味料、天然香料、提取物、肉味香精等。高應瑞[46]研究表明酵母菌株合成的牛肉香精口感醇厚，香氣突出，可改善產(chǎn)品風味。著色劑是工藝配方中必不可少的成分，其可賦予產(chǎn)品“肉色”，使之增加消費者的購買欲，應用于植物蛋白肉產(chǎn)品的著色劑包括紅曲紅、甜菜紅、番茄紅、高梁紅等，這些普通著色劑可使產(chǎn)品增色，但還不足以模擬肉色。YANG等[47]利用大豆組織蛋白和畢赤酵母合成大豆血紅蛋白，結果表明，無論其顏色還是味道(主要是血腥味)都與真的血紅蛋白和肌紅蛋白很相似。

2.2 加工條件

2.2.1 水分

水分會影響植物蛋白肉產(chǎn)品的纖維結構、風味及口感，是植物蛋白肉加工的必備條件，其在一定程度上有助于蛋白質分子的展開和排列，促進纖維結構的形成。魏益民等[48]研究發(fā)現(xiàn)，水分是影響植物蛋白肉產(chǎn)品組織化纖維結構形成的重要因素，提出了“膜狀氣腔”理論假設：蛋白質發(fā)生變性，改變天然結構，水分氣化形成“膜狀氣腔”，而后“ 膜狀氣腔”經(jīng)壓縮形成具有纖維結構的蛋白產(chǎn)品。水分含量較高時(>40%)，物料間相互作用劇烈，暴露出大量疏水基團，蛋白質變性加劇，植物蛋白肉產(chǎn)品持水性高；水分含量較低時(<40%)，物料間相互作用小，組織化程度較輕。高水分條件下，蛋白分子聚集主要依靠疏水作用；低水分條件下，二硫鍵取代疏水作用成為穩(wěn)定蛋白分子聚集的作用力。水分含量從 28%升高至60%過程中，二硫鍵與疏水作用發(fā)生協(xié)同作用，有利于纖維化程度的提高[49-50]。水分含量的增加可改善加工過程中物料的流動性，降低加工強度和壓力，減少膨化現(xiàn)象，提高產(chǎn)品結構的緊密性。隨著水分含量的增加，雖然產(chǎn)品纖維化程度增加，但同時也降低了產(chǎn)品的風味[51]。

2.2.2 溫度

加工過程中的熱處理會影響植物蛋白肉產(chǎn)品的纖維結構和品質。溫度的控制至關重要，低溫條件下，蛋白質只發(fā)生熱變性而不發(fā)生組織化；高溫條件下，會打破蛋白質的天然結構，使蛋白質分子降解成小片段，而后通過二硫鍵形成聚合體，開始組織化[52]。隨著溫度的升高(120～160 ℃)，蛋白質分子內二硫鍵斷裂，分子間二硫鍵逐漸形成，但溫度過高(>150 ℃)會破壞二硫鍵的形成，從而降低組織化程度。AREAS[14]研究表明，大豆蛋白擠壓組織化過程中，主要是半胱氨酸殘基形成的二硫鍵和非特異性的疏水和靜電相互作用促進了蛋白質纖維結構的形成。不同品種的蛋白質，組織化時所需要的溫度不同。對于大豆蛋白，溫度在145～155 ℃時，物料充分熔融，組織化程度最好，呈現(xiàn)明顯的纖維結構，大豆蛋白肉制品咀嚼感較強[53]；對于花生蛋白，溫度在140～150 ℃時，開始組織化，形成纖維結構緊密的花生蛋白制品[35]；對于小麥蛋白，溫度在150～170 ℃時，蛋白質完全變性，交聯(lián)形成纖維結構豐富的小麥蛋白制品[36]。

3 植物蛋白肉的國內外研究現(xiàn)狀及存在問題

3.1 國內外研究現(xiàn)狀

近年來(2015～2020年)，隨著人造肉產(chǎn)品的迅速增長，植物蛋白肉市場也在不斷擴張。消費者對加工程度低、營養(yǎng)豐富且健康的食品，市場趨勢表明，消費者愿意購買肉類代替物或肉類仿真產(chǎn)品[54]。KYRIAKOPOULOU等[55]表明，歐洲和北美的肉類代替品市場已經(jīng)從素食消費市場擴展到肉食和肉類消費市場。數(shù)據(jù)表明，預計2019年至2024年植物蛋白肉市場將以7.9%的復合年增長率增長，其中增長最快的市場是亞太地區(qū)，最大的市場是[[42]?？傮w而言，全球以植物為基礎的肉類工業(yè)預計到2025年達到212.3億美元[42]。

目前，美國和歐洲等地都已開展大量人造肉相關研究，但我國在此研究和應用方面還缺乏較為系統(tǒng)的研究。國外的植物蛋白肉產(chǎn)品主要以素肉餅、素肉腸和素雞塊為主，可加工成漢堡、熱狗、炸雞塊等，成本較高。而國內主要以傳統(tǒng)素肉為主，通過加工植物蛋白制成素肉餅、素雞、素鴨等產(chǎn)品，成本較低。由表3可以看出，國產(chǎn)植物蛋白肉在價格上已經(jīng)比國外植物蛋白肉更具優(yōu)勢，且中國傳統(tǒng)素肉產(chǎn)業(yè)鏈完整，可實現(xiàn)規(guī)模化、集約化生產(chǎn)，從而更好的降低成本。但國產(chǎn)植物蛋白肉與真肉差距較大，肉色較深無光澤感且肉質感差，無咀嚼脂肪、軟骨等口感等。深入研究植物蛋白肉的感官特性，使其在視覺、味覺、嗅覺等方面模擬肉類是國內外研究人員未來的研究方向。

表3 市售植物蛋白肉基本信息Table 3 Basic information of commercially available plant-based meat

3.2 存在問題及發(fā)展趨勢

植物蛋白肉尚存在諸多問題，包括色澤、口感、質地和風味等方面。

首先，顏色常被認為是增強消費者購買欲的重要指標之一，植物蛋白肉的顏色應具備其在烹飪前、烹飪中和烹飪后都與真肉相類似的特性。但目前應用于植物蛋白肉的食品色素，顏色較深、不自然、易氧化且缺乏肉色的光澤感。為解決這一問題，模擬肉色的研究主要集中在開發(fā)食品級菌株來合成植物血紅素和血紅蛋白[47]。因此，今后的研究方向或是應用此技術開發(fā)食品級菌株合成不同動物來源的血色，使植物蛋白肉色澤更接近真肉，滿足消費者的視覺需求。

其次，肉質感是消費者接受植物蛋白肉最重要的指標，應與真肉類似，具有組織纖維緊密且富有彈性、柔嫩多汁且有嚼勁的特性。但目前市售的植物蛋白肉肉質纖維感不強、整體質地較松散、無咀嚼脂肪、軟骨、筋膜等口感，為解決這一問題，需繼續(xù)研究高水分擠壓技術，組織化植物蛋白使其產(chǎn)生纖維結構緊密且富有彈性的即食蛋白；開發(fā)食品黏結劑和親水膠體增強凝膠性和提高持水性，從而減少烹飪中汁液的損失；利用植物油和魔芋凝膠等模擬動物脂肪和軟骨增加口感。朱嵩[23]研究了高水分擠壓技術應用于花生蛋白素腸的生產(chǎn)制備，結果表明，高水分擠壓技術可生產(chǎn)出具有較好纖維結構的即食蛋白。SCHUH等[56]研究了甲基纖維素對乳化香腸特性的影響，結果表明，甲基纖維素添加量在0.7%～2%，可降低香腸制品的水分損失，同時增強結合水的能力，從而提高產(chǎn)品的持水性。JIMNEZ-COLMENERO等[57]研究了魔芋凝膠作為脂肪代謝物的特性，結果表明，其穩(wěn)定的凝膠性能特別適合作為豬肉脂肪代替品。因此，今后的研究方向將是繼續(xù)深入研究高水分擠壓技術大規(guī)模生產(chǎn)制備即食蛋白產(chǎn)品，開發(fā)新的材料和技術模擬脂肪和軟骨組織，增加凝膠性和持水性，提高肉質感以及增強適口性，滿足消費者的味覺要求。

風味物質是消費者接受植物蛋白肉的重要指標之一，應具備在烹飪中和烹飪后都存在“肉味”。目前用于植物蛋白肉的調味品和肉味香精，包埋效果差、香氣弱，粉味重，為解決這一問題，需通過分析肉類的風味物質從而研發(fā)香氣逼真的肉味香精，采用蛋白酶解物、植物油、氨基酸、還原糖等經(jīng)美拉德反應合成肉味香精；利用酵母菌株合成風味強化肽仿真肉香提升呈味作用。沈軍衛(wèi)[58]研究了利用大豆蛋白酶解物制備豬肉香精的工藝，結果表明所制備的豬肉香精具有較好的肉香味、脂香味和醬香味。高應瑞[46]研究了利用畢赤酵母發(fā)酵制備牛肉香精的工藝，結果表明所制備的牛肉香精香氣突出，口感醇厚，留香時間長。未來的研究方向將是研究多種不同技術開發(fā)多種香氣濃郁的肉味香精，使植物蛋白肉風味更接近真肉，滿足消費者的嗅覺需求。

4 總結與展望

綜上所述，目前國內外均已具備植物蛋白肉市場基礎且市售產(chǎn)品逐漸增多，其生產(chǎn)工藝逐步完善走向工業(yè)化。但仍存在以下兩點問題，其一是市售產(chǎn)品與真肉相比仍存在肉色不自然、缺乏光澤感，結構松散咀嚼感差，風味差異大等差距；其二是生產(chǎn)成本較高尚未達到大規(guī)模生產(chǎn)條件。針對這些問題，未來研究方向有：(1)擴展植物蛋白來源，改良植物蛋白品質，優(yōu)化生產(chǎn)設備對原料的高要求，降低生產(chǎn)成本，推進植物蛋白商業(yè)化；(2)研發(fā)價格低廉的食品級菌株生產(chǎn)血紅蛋白、脂肪、風味肽等輔料；(3)研究肉質纖維結構改善植物蛋白纖維感弱、咀嚼感差等問題；(4)推動食品3D打印技術在人造肉方面的應用，塑造纖維緊密的肉類三維結構。

植物蛋白肉商業(yè)化潛力巨大，我國食品界應加強對植物蛋白肉的系統(tǒng)研究，特別是加強植物蛋白肉纖維結構、肉色、風味等研究，提高消費者對植物蛋白肉的接受度和喜愛度，節(jié)約動物蛋白資源，保護環(huán)境。