食品各向异性结构及其仿生构建方法

赵一果 何 君 孙翠霞 鲁 伟 方亚鹏

（上海交通大学农业与生物学院 上海200240）

当前， 全球人口不断上升， 食品需求快速增长，进而加速农业产量扩增，而这样的增长会消耗更多资源，也会带来环境问题[1]。以畜牧业为例，据估算生产1 kg 的肉消耗植物原料约2～15 kg，且当前约18%的温室气体排放来自于牲畜养殖[2-3]。 发展包括仿生肉制品在内的环境友好型仿生食品，可有效解决人类饮食多样性需求以及数量增加与当前的资源短缺、环境污染、技术滞后之间的矛盾。

现有的仿生食品常以大豆蛋白、 面筋、 低值鱼/虾糜等为原料，采用挤压、剪切等多种食品加工方法，一般从外形、风味、结构、营养等多角度模拟天然食品，涵盖仿生海洋食品、仿生肉制品、仿生发酵食品、仿生果脯[4-5]。 据调查统计，食用仿生食品时， 消费者的关注度主要在于对比仿生食品与目标食品的形态、口感和质地[6]。目前，通过风味物质和天然植物色素复配已经使得仿生食品的外观和口感都能达到一定的相似度， 然而其质地的模拟有待提升， 尤其是各向异性结构的质地模拟非常关键。

食品因组成成分、 加工方法或储藏方式的不同，形成各异的内部结构，体现各向异性特征或各向同性特征[7]。 其性质不受观测位点的限制，为各向同性；依赖于观测位点则为各向异性[8]。 食品的各向异性结构，赋予了食品多层次丰富的性质，使得食品在如弹性、黏性、断裂能、扩散性能等方面随着测量方向不同而结果各异， 丰富了消费者的感官体验和品质需求[9]。

基于食品结构复杂多层次性考虑， 通过食品加工的工艺改进和原料创新来模拟构建天然食品内部各向异性结构，从而提高仿生食品的相似度，具有重要的产业推动意义。 本文介绍不同类型食品的内在各向异性结构特征， 以及当前食品领域中各向异性结构的仿生构建方法， 进而明确食品各向异性结构在仿生食品领域的意义和重要性，以期为仿生食品的研究发展提供参考。

1 食品中各向异性结构

食品结构的分析是食品科学基础研究的重要内容。 在宏观到微观不同的观测尺度上， 如图1所示，食品呈现丰富的结构。 常见食品包括果蔬、肉等多属于各向异性结构， 如苹果的最大压缩破裂能随着挤压的方向不同（轴向或径向）而改变，肉的应力或应变随着垂直或平行纤维方向呈现出各异性， 然而也有些食品因内部结构均匀或定向结构受到破坏而呈现各项同性，如新鲜的土豆，粉碎的肉末等[10-11]。 此外，食品级原辅料基于一般性工艺加工后，形成具有一定组织形态结构的食品，也会呈现各向异性特征。

图1 某些食品中的各向异性结构Fig.1 Anisotropic structures in some foods

1.1 天然植物源食品的各向异性结构

由于植物内部组织结构具有一定的方向取向性，如图1 所示，植物源食品如水果、蔬菜，多呈现出各向异性结构特性。在植物器官发育过程中，细胞分裂和细胞壁生长并不是完全随机， 而是具有倾向性，因此最终形成有取向的组织结构，整体上呈现出各向异性特征[15]。 这种各向异性结构不仅是植物生理的需要，该性能还对于对水果、蔬菜的采摘、贮运、加工等方面均具有重要的指导意义。

Pǎduret 等[16]研究了3 个不同品种草莓（Coral，Darselect 和Elsanta）的质构， 在韧性和抗压力方面，Darselect 品种的草莓具有最高各向异性度，达到1.22 至1.26；同时，研究不同成熟状态（初熟、成熟、过熟）下的草莓结构，仍然呈现出各向异性特征，而且处于初熟期的草莓韧性最高，这为果蔬的采摘提供了一定的理论指导。吕俊龙等[17]运用电子式拉力试验机测得白萝卜轴向压缩时弹性模量为2.19 MPa，径向弹性模量为1.98 MPa，表现出各向异性，而且白萝卜的弹性模量越大，抗压能力越强，因此，在白萝卜运输和储藏过程中，尽量竖着进行分装，从而避免径向受力，保护白萝卜不受损伤。 对甘肃省靖远县的小口大枣分别沿着纵向或横向进行压缩力学试验，结果如表1 所示，纵向的弹性模量、破裂负载、破裂相对变形量等力学性能均优于横向，呈现出各向异性特征，这也为鲜枣选择合理的运输、储存、包装等提供了理论参考[18]。

常见的苹果和梨，鉴于各向异性结构特征，其衰变弹性模量、平衡弹性模量、松弛时间和粘滞系数等均受到取样方向的显著影响， 呈现出高度的依赖性[19-20]。 在表征具有各向异性结构的水果、蔬菜时，也需要考虑方向对于性质的影响，测量该类样品需保证每次测量方向位点相同。 各向异性结构的机械性能为果蔬的加工、 储藏提供了有力的参考，为消费者提供了丰富的口感体验。

表1 加载速率30 mm/min 时鲜枣的压缩机械性能[13]Table 1 Compression mechanical properties of fresh jujube under 30 mm/min loading rate[13]

1.2 天然动物源食品的各向异性结构

天然植物源食品如蔬菜， 基于多面形植物细胞组织形成的为相对温和的各向异性结构， 然而对于天然动物源食品——肉，如图2 所示，是基于定向肌肉纤维束结构导致显著的各向异性特征[16]。 肌动蛋白、肌凝蛋白和胶原蛋白等肉中的纤维蛋白，在氢键的相互作用下形成α-螺旋、反平行β-折叠或者三螺旋立体结构，再经自组装成高度规则且具有层次的纤维束， 从而形成各向异性结构[11，21]。

图2 肌肉层次结构示意图[22]Fig.2 The hierarchical structure of the skeletal muscle[22]

以肉类为主的动物源食品， 由于其富含高质量的蛋白质和多汁口感， 是人类从食物中获取优质蛋白质资源的重要方式， 一般可将肉分成红肉（如牛肉、羊肉、猪肉等）、白肉（如鸡肉、鱼肉等）和加工肉（如烟熏的肉、火腿、培根、香肠、汉堡等）[23]。Krintiras 等[3]分别沿着平行或者垂直纤维束方向研究生牛肉的拉伸性质，结果表明：平行纤维方向的拉伸应力和拉伸应变均高于垂直纤维方向，呈现各向异性结构， 应力各向异性度和应变各向异性度分别是2 和1.8 左右。Chiang 等[24]测量了煮熟的鸡胸肉成分和性质， 其蛋白质含量28.97%，pH值6.26，水分含量由75%降至69%。由于肌肉蛋白的变性，引起鸡肉的收缩，导致水分流失，沿着平行或垂直纤维方向，记录切割力，得出各向异性度1.63，表明蒸煮并未破坏鸡肉的定向纤维结构。

肉类食品的各向异性度的变化可用来表征其品质。 基于极化微波法（10～24 GHz），分别沿着平行或垂直肌肉纤维的方向， 在不破坏样品情况下测量牛肉或鱼肉的介电性能，计算各向异性度，通过对比不同老化程度的牛肉和不同新鲜程度的鱼肉， 表明各向异性度的衰减程度与牛肉的老化度或者鱼肉新鲜度呈现相关性， 进而可建立各向异性度与肉品质关系，达到实时监控的目的[25]。

1.3 加工食品的各向异性结构

食品级物料经挤压、切片、揉捏、加热等加工工艺后，可制备出具有一定组织形态结构的食品，宏观呈现出各向异性特征。 马苏里拉（Mozzarella）奶酪制备涉及在热水中对凝乳进行揉捏和拉伸，导致蛋白质纤维和脂肪沿着拉伸力的方向而取向， 该组织结构使平行蛋白取向的马苏里拉奶酪的拉伸性能远高于垂直蛋白取向的拉伸性能，如图1c 所示，形成各向异性特征[26-27]。

Gonzalez 等[28]发现应用质构仪的标准TA-47刀片切割熟的意大利烤宽面条（Lasagna）时，垂直于生产中挤压烤宽面条方向时所需的切割力远高于平行其挤压方向， 说明该食品在加工过程中形成了各向异性结构。在我国及东南亚地区，食用传统的豆类加工食品如面筋、素鸡、印尼豆豉等，产品内部富有多层次规则的结构， 具有一定肉的相似质感；同时，其富含蛋白质，受到素食主义者的喜爱[29]。 比如素鸡，以素仿荤，其风味和口感与鸡肉相似，形似白条鸡，颇受消费者喜欢，通过研究其制作工艺发现，在制作过程中涉及缠卷、造型、蒸煮等步骤，将豆腐坯结实地卷成圆柱体，再经高温挤压定形即可制备出具有肉感的素鸡[30]。 常见的加工工艺为食品各向异性结构的模拟构建提供了方法和灵感，可优化仿生食品的生产。

2 食品中各向异性结构的仿生构建方法

根据构建原理不同， 基于构建各向异性结构的加工尺度， 常见主要食品中的各向异性结构的构建方法可分为“自下而上（bottom-up）”和“自上而下（top-down）”两大类。 “自下而上”的方法是先形成独立定向的结构微元素， 通常为微观纳米级的加工， 然后组装成具有多层次各向异性结构的宏观食品，具体方法包括细胞培养（In vitro culture cells）、纺丝（Spinning）；“自上而下”的方法是直接作用于宏观食品， 内部大分子在外力的作用下，形成定向聚集，构成各向异性特征，其缺乏天然食品的内部多层次结构， 具体方法包括挤压（Extrusion）、定向冷冻（Directional Freezing）、剪切技术（Shear technology），还包括3D 打印技术（3D Printing）[31]。

2.1 食品中“自下而上”类的各向异性结构的构建方法

2.1.1 细胞培养 体外细胞培养方法可用于制作培养肉（Cultured Meat），该产品不同于直接从被屠宰的家畜身上获得的肉， 而是在实验室培养皿里通过动物的肌肉细胞培养而成[32]。 首先将成肌细胞从动物的骨骼肌中提取出来， 应用标准的细胞培养法放大复制培养成肌细胞；然后，当细胞培养的数量足够时， 被转移到带有锚点的生物支架上以连接和排列细胞，再结合电场或其它方法，确保肌肉纤维的定向排列生长；最后，经过大约3 周的培养，可形成长度约2～3 cm，厚度小于1 mm 的肌肉纤维，进一步扩大培养，即可形成具有各向异性结构的仿生肉[33]。 从微观的细胞培养到最后宏观的肌肉组织形成， 该方法几乎可以模拟出肉的所有结构特征，然而规模因素、安全因素、成本因素、 道德因素等等均制约着其在仿生食品方面的进一步应用以及扩大化生产培养肉[34-35]。

2.1.2 纺丝 纺丝是用来构造富含蛋白质食物的各向异性结构传统加工方法，如图3a 基于分散相的变形和定向固化，最终形成取向结构[9]。 当生物聚合物液体经喷丝头挤压喷出时， 经过拉伸得到纤维；然后应用盐、酸或碱溶液等固化所得纤维；经洗涤后得到最终纤维有序排列的结构， 纺成的纤维厚度约为喷丝孔尺寸，数百微米左右[37]。 应用纺丝技术，不仅可以在生物、化工等领域制备出定向结构的DNA、碳纳米管，而且在食品领域也可制备具有排列取向性的纤维，如图3b 所示，基于食品级乳清蛋白经过静电纺丝所形成各向异性结构[36，38-39]。 目前食品蛋白为来源的纺丝材料较为常见，不同的食品蛋白因氨基酸组成及构象不同，最终形成的结构也有所差异，比如经纺丝后，豌豆蛋白和蚕豆蛋白的结构发生改变， 蛋白颗粒结构展开，形成定向立体纤维结构，具备各向异性特征，然而大豆分离蛋白经纺丝后，并没有明显的取向，无各向异性特征[37，40]。虽然纺丝技术能够制备出均一的定向食品纤维，但是由于固有技术弊端，如制备过程中使用化学试剂，产生大量的废汽，同时，食品工业上将单根纤维组装成宏观食品的技术复杂性等， 因此纺丝在食品方面的应用研究比较欠缺[9]。

图3 静电纺丝的原理（a）[36]和排列的静电纺丝纤维（b）[36]Fig.3 Principle of electrospinning（a）[36] and aligned electrospun fibers（b）[36]

2.2 食品中“自上而下”类的各向异性结构的构建方法

2.2.1 挤压 挤压组织化工艺是最常用的将植物基原料转化为纤维化产品的商业技术， 分为低水分挤压和高水分挤压[31]。 20 世纪60年代初，Wenger 实验室应用低水分挤压技术首次制造了具有多孔肉状结构的块状产品[43]。20 世纪90年代初，随着双螺杆食品挤压机的开发，高水分挤压技术被应用于制造仿生肉[44]。 传统挤压仿生肉多是通过低水分挤压技术制备，具有海绵状结构，并且食用前需要复水， 然而利用高水分挤压技术获得的高水分组织化植物蛋白具有类似动物肌肉的纤维结构，无需复水、可直接食用[45]。 高水分挤压制备各向异性结构过程主要涉及两个部分： 挤压部分和冷冻模具部分， 蛋白质混合物首先经过挤压部分的高温加热和机械搅拌等处理， 原始结构受到破坏，同时，蛋白分子聚集形成可溶或不可溶的聚合物，再经过冷冻模具，蛋白质分子在挤出流动方向牵引下进行重新排列，形成各向异性结构[42]。

对比3 种豌豆蛋白和不同挤压温度（100，120，140，160 ℃），发现当温度超过120 ℃时，3 种豌豆蛋白样品均形成各向异性结构，挤压过程中，蛋白纤维的形成主要依赖于温度[46]。Chiang 等[24]研究了不同大豆蛋白浓缩物和面筋比例对挤压纤维结构的影响，同时以煮熟的鸡胸肉作为对照物，结果如表2 所示，随着面筋含量的增加，各向异性度逐渐升高，形成定向纤维结构。由于挤压整个过程涉及复杂的输出、输入，因此将挤压工艺涉及参数分为三大类：工艺参数（包括螺杆转速、含水量、筒体温度、螺杆结构、模具尺寸、原材料特性等）、系统参数（包括能量输入、停留时间等）、产品特性（包括颜色、营养、质地、口感等），其中，工艺参数和系统参数均会对产品特性产生影响[47]。 尽管挤压加工已被广泛研究多年， 对挤压产品的工艺和设计的控制还主要基于经验知识[48]。 挤压构建各向异性结构，虽然属于能源密集型技术，但是由于简单、有效，仍被广泛应用于仿生食品。

2.2.2 定向冷冻 定向冷冻的关键在于控制冰晶的生长取向， 因溶质在溶剂晶体中溶解度极低而被析出，诱发溶质和溶剂产生相分离，再经过真空冷冻干燥，晶体升华挥发后，原有位置形成定向孔道结构，使得整个体系呈现各向异性[49]。 该方法主要应用于高分子材料领域，经过定向冷冻后，大分子单体等溶质被定向分离富集， 在辐照等合成方法激发下，引起大分子单体的原位聚合反应，从而制备出各向异性结构[50]。 此外，食品大分子如家禽骨头蛋白、虾蛋白等（图5b），经过定向冷冻后，也可制备出定向纤维片状结构，呈现各向异性[51-52]。

图4 双螺杆挤出机原理示意图（a）[41]和挤压仿生肉图片（b）[42]Fig.4 Schematic diagram of twin-screw extruder （a）[41] and visual images of extruded meat analogues （b）[42]

表2 不同大豆蛋白浓缩物与面筋比例的挤压物的各向异性度[24]Table 2 Degree of anisotropy of extruded products with different soy protein concentrate to wheat gluten ratios [24]

通过调控溶质的浓度、冷冻条件，可实现对孔道结构的微观形貌和性能进行调节。 提高大分子浓度，孔道壁变厚，穿透性变成非穿透性，从而影响该结构的性能；降低冷冻温度和提高冷冻速率，促进大量的晶核形成，可调节冰晶的尺寸，进而影响孔道形貌[31，53]。 随着冷冻速率从2 mm/min 提高到20 mm/min，定向冷冻形成的定向多孔道水凝胶的孔径逐渐变小，且均呈现出各向异性结构[54]。 定向冷冻常以水为溶剂，结合物理冷冻结晶过程，无其它化学反应及副产物生成， 具备环境友好的特点，同时，整个操作工艺参数简单，便于调控，适用范围广泛[55]。 该方法所有冷冻源包括液氮、有机溶液或盐溶液，虽技术较为成熟，但存在操作复杂、制冷条件可调节性差等， 在其工业化的应用方面有待进一步发展。

图5 定向冷冻诱导示意图（a）[56]和定向冷冻（-25 ℃）家禽骨头蛋白的微观组织形貌（b）[51]Fig.5 Schematic diagram of directional freezing （a）[56] and the microstructure of the protein isolate from poultry bones after directional freezing at -25 ℃（b）[51]

2.2.3 剪切技术 为了克服挤压机的挤压过程中“黑盒”（Black box）特征，受流变仪的明确剪切流程启发， 近年来国际上引入剪切变形的技术来构建各向异性结构[57-58]。 目前，根据转子形状研制出两种剪切装置：锥形剪切池（a cone-cone device/shear cell）和圆柱形剪切池（a concentric cylinder device/coquette cell），同时，以大豆分离蛋白和面筋混合物为原料，结合以上模具，均制备出各向异性结构[3]。

剪切原料特性（如蛋白浓度、种类、物料比）和剪切过程参数（如剪切速率、剪切时间、剪切温度）可影响剪切产物的内部结构[59-61]。通过研究大豆分离蛋白和面筋混合比例， 发现纯大豆分离蛋白无法制备出各向异性结构，提高面筋浓度，剪切产物的纤维结构将变成片状结构，因此，剪切诱导形成各向异性结构基于原料间的相分离和形变、 固化完成[62]。 目前，酪蛋白钙和油脂的混合物、大豆分离蛋白和面筋的混合物、 大豆分离蛋白和果胶混合物、 大豆蛋白浓缩物等均已应用剪切技术制备出片状或纤维结构，呈现出各向异性[59-61，63]。 Krintiras 等[64]应用圆柱形剪切池，以大豆分离蛋白和面筋为主要原料，完成了中试扩大试验，单次处理原料可达7.5 kg，如图4 所示，剪切温度120 ℃，剪切速率20 r/min， 剪切时间30 min 时， 形成厚度为3 cm 的纤维状结构的剪切物，呈现各向异性结构。

图6 库埃特套筒装置用于生产肉模拟纤维结构（a）[41]；剪切产物（长度596mm，厚度332mm）（b）；剪切产物横截面的纤维结构[64]（c）Fig.6 Couette cell device used to produce meat-analogue fibrous structure （a）[41]； the shear-induced product（length=596 mm， thickness=332 mm）（b）； the obtained fiber structure at the cross section of shear-induced product （c）[64]

2.2.4 3D 打印技术 食品3D 打印步骤主要包括软件建模、程序控制、物料挤出、固化成形，如图7a 所示牛奶蛋白浓缩物（MPC）和乳清蛋白分离物（WPI）糊状物的3D 打印效果图。 相比于材料类的3D 打印，食品3D 打印的原料较为特别，需考虑在挤出过程中的流动性和固化成形过程中可塑性，以及一定的刚度来支撑结构[65]。 基于打印材料的不同，食品3D 打印可分为：软物质挤压，比如将面团、肉泥、奶酪等通过其自支撑混合和沉积，达到最终结构成形的目的；熔融挤压，通过材料挤出前后温度的改动达到定形的作用， 常用于包括巧克力、糖果等食品；水凝胶构建挤出，通过物料中大分子在离子或者交联剂的诱导下凝胶化的特点，固化食品结构[66]。 3D 打印食品不一定都存在各向异性的结构，一般认为，只有当喷头挤出物接收盘上有序的定向排列时， 才能较为宏观形成各向异性的结构如图7a、7b，7c；另外，在3D 打印挤出的过程中，基于食品混合物的黏性流动机理，可能会出现分散相的拉伸定向或者排列定向， 因此一定程度上微观也可能会出现各向异性的结构， 这主要取决于剪切速率，混合物料的流变学性质[67]。

现有的3D 仿生食品打印的研究与实践应用主要集中在产值较高的仿生肉制品方面，如图7a，7b，7c， 因受到打印设备挤出喷头尺寸的限制，仿生肉制品多为层状的各向异性结构， 与真实肉制品的纤维状结构还存在一定差距。 此外，3D 食品打印在打印效率方面还需要进一步提升，图如7d所示结合多个喷头同时打印， 可在提高效率的同时产生更为精细的各向异性结构。

图7 牛奶蛋白浓缩物（MPC）和乳清蛋白分离物（WPI）糊状物的3D 打印效果图（a）[68]；基于3D 打印设计的仿生肉制品：香肠、牛排“重组肉”、肉饼（b）[69]；六喷头3D 打印机及其最终产品（c）[70]Fig.7 3D printing illustration of milk protein concentrate （MPC）and whey protein isolate （WPI）based paste hypothetical food designs based on 3D printing （a）[68]； meat analog produced by 3D printer： sausage， steak‘recombined meat’， and patty （b）[69]； examples of a filament six-head 3D printers and the resulting final product （c）[70]

2.3 其它

基于食品软物质体系的本质特质， 可参考目前在高分材料领域中， 尤其是与食品凝胶相似的材料类水凝胶构建各向异性结构较为成熟的方法，包括利用电场、磁场和力场等定向牵引，离子的定向扩散以及影印石板术构造技术来构建各向异性结构材料的方法， 通过调节食品组分间的相互作用及结构模型， 构建具有各向异性结构的仿生食品[71]。 然而，基于食品材料的安全性以及化学性质较为活泼的因素， 也需要考虑食品级的原材料在电磁场作用下的稳定性， 离子的定向扩散中所涉及的离子浓度对人体影响， 以及影印技术中相关有机溶液的残留等问题。再者限于上述方法，目前大规模研究以及生产实践的局限性， 还需对其材料/食品加工工艺的优化创新做进一步探索。

3 小结

仿生食品技术是解决资源短缺、 环境保护和食品需求三者之间矛盾的重要手段， 也是实现食品精准高效制造产业化的有效途径。 以现有天然食品中极具特点的各向异性结构入手， 解析其结构形成机理和微观宏观的表现形式， 对于研究制备仿生食品有重要意义。 基于食品材料各向异性特征， 从微观纳米级别到宏观肉眼可见级别的多尺度性， 目前还需要深入挖掘食品组分在加工条件下多尺度的结构变化与组分分子间的相互作用机制，从而精准调控食品结构，有效构建各向异性仿生结构。 此外，融合多学科交叉发展，参考水凝胶、 软物质以及材料学科中物质结构创新的新思路，借助机械、电子元器件开发对于加工单元及设备的设计制造，可改进现有技术手段及加工方法，从而进一步优化创新食品各向异性仿生结构的搭建。