传统肉类替代品——人造肉的研究进展

张 斌,屠 康

(南京农业大学食品科技学院,江苏南京 210095)

长期以来,人们认为肉类消费是健康饮食的重要组成部分,这是社会需要也是社会发展的指标之一[1]。随着社会发展以及发展中国家经济实力的提升,人们对肉类的需求也逐渐增大。据联合国粮食及农业组织估计,到2050年,人们对肉类的需求将会增加约70%[2-3]。而随着肉类需求量增加的同时,肉类相关的道德和环境问题也在逐渐加剧。例如,土地和水资源的需求增大,温室效应引起的生态变化[4]以及和生物多样性的丧失[5]等问题逐渐爆发。与此同时,消费者并不愿意减少对肉类的消费[6],但有些消费者已经开始担忧肉类的可持续性以及对环境和动物福利的影响。随着科学技术的发展以及传统农业系统的变化,寻找新型肉类替代品可以在解决这些问题中发挥一定的作用。一方面,通过培养肉,即在培养基中利用动物干细胞,进行一定条件的培养,制造出动物肉;另一方面,通过植物蛋白以及其他植物性成分合成全素的植物肉。通过以上方法生产人造肉,能够减少动物的屠宰,在很大程度上避免了肉类生产系统中对动物的依赖,从而进一步缓解与传统肉类相关的动物福利、公共健康以及环境等方面的问题[7]。虽然人造肉概念早已被提出,但目前国内关于培养肉以及植物性肉的研究尚处于初步阶段,为此本文综述了上述两种人造肉技术的方法,并总结了目前人们对人造肉的认识,最后提出了一些未来可能会遇到的挑战,为我国人造肉研究和生产提供参考。

1 人造肉的概念

关于人造肉的解释,国内尚无明确定义。通过查阅资料,发现目前人造肉的概念具有两层含义,一种是在培养基中利用动物干细胞进行一定条件培养,从而制造出的动物肉;另一种是利用植物蛋白以及其他植物性成分合成具有肉类特性的食品。除此之外,人造肉目前还未拥有标准的英文术语。在英文文献资料中,通过培养动物干细胞获得的动物肉具有多种称呼,如“Cultured meat”、“Synthetic meat”、“Invitromeat”和“Clean meat”等。但似乎“Cultured meat”应用最为广泛[8],且被大多数人所接受,因而本文将使用 “Cultured meat” 作为术语,并将其称为“培养肉”。其次,通过另一种方法合成的植物性肉,在英文中也有多种术语,如“Plant-based meat”、“Vegan meat”和“Simulated meat”,考虑到该方法的配方均来自不同植物,且产品具有一定的肉类特征,因而在本文中将“Plant-based meat”作为术语,并将其称为“植物性肉”。此外,对于人造肉这个名词,目前在文献中可查阅到的有“Meat alternatives”、“Meat analogues”等与之类似的翻译。著名企业家、慈善家比尔盖茨出席“The Economic Club”中曾谈论到人造肉,并将其称为“Artificial meat”[9],因而本文将人造肉暂译为“Artificial meat”。同时,本文作者期待业内专家及学者对人造肉相关的术语进行规范统一。

2 培养肉(Cultured meat)

早在1930年左右就曾有学者提出培养肉的概念,但真正开始研究利用动物细胞培养肉,是在21世纪的初期[10]。荷兰科学家马克·鲍斯特通过六年的研究于2012年推出世界首例人造培养肉[11]。紧接着人造肉汉堡也随之问世,虽然单个造价接近33万元,但这项技术的成功引起了各界人士的关注。据BBC报道国外目前已经有部分公司在进行相关工作,例如荷兰的Mosa Meat,美国的Memphis Meats与Modern Meadow和以色列的Supermeat(鸡肉)等[12]。这些公司的培养肉制作过程是不公开的,但其声称能够制作出猪肉、鸡肉和牛肉等,并且已经开展了小规模的私人口味测试。与此同时,有几个生产商家宣称将在未来五年内,面向市场销售培养肉。尽管如此,培养肉距离商业化仍需做出进一步努力,不仅存在技术上的难题,伦理道德、食品安全以及消费者的接受程度等均需纳入考虑[13]。

2.1 培养肉制作的主要步骤

培养肉作为一种人工制造的肉,拥有动物肉的细胞,具有传统肉类的风味、口感及营养特征。培养肉主要通过提取动物骨骼肌中的成肌细胞或肌卫星细胞等,在一定的生物反应器中进行培养,最终形成具有三维结构的培养肉。参考Alfieri[14]、Kadim等[8]总结的培养肉制作步骤如下:

首先,选择合适动物,并采集其肌肉样本;再分离肌肉样本中的干细胞,包括肌细胞和能够被编译为成肌细胞的多能干细胞;然后选择合适的条件(温度,氧气等)、培养基成分、营养素和生长因子等诱导细胞(成肌细胞)生长和增殖;接着便是诱导细胞合并形成多核肌管并提供一些框架或支架,促进肌肉纤维的形成;直到其持续合成新成肌细胞和肌管分化形成新肌纤维,进一步获得增长;再添加谷氨酰胺转氨酶(TG酶)和蛋白质结合(催化蛋白质交联);最后快速沉淀,获取培养的成品。

当然培养肉主要经过特定条件培养而成,因此无论从商业角度还是生物学角度,均应该确保各个步骤的运作良好,以获取最大利益。

2.2 现存在的技术问题

利用现有的技术虽然能够培养出具有一定组织的培养肉,但其与传统的肉仍有较大的差别,同时该制造过程忽视了一些与传统肉相关的问题:一方面,传统动物肉的肌肉组织不仅仅是由成肌细胞形成的肌细胞组成的[15],还存在一些神经、血液和脂肪细胞,但这些组织细胞在目前培养肉中缺乏或者及仅存在极低的比例。其次,动物被屠宰后会失去氧气供应,肌肉中的糖会分解成乳酸降低肌肉中的pH,从而激活一系列酶[16]。酶活性会使得肌肉内蛋白质得到分解促进肉的嫩化,这也是动物肉后熟的过程之一[17]。然而,目前培养肉尚未出现此过程。

除了与传统肉类相关的问题,目前培养肉的制作过程也存在大量技术难点。a.肌肉、脂肪和其他细胞共同培养出复杂的肌肉组织仍然是一个需要克服的主要技术难题;b.细胞大量繁殖,可能会引起细胞遗传不稳定,导致癌细胞的产生。虽然这些癌细胞在食用前会死亡,并且都会被胃和肠道消化,但这对消费者来说是一个敏感问题;c.干细胞通常在含有一些营养素和动物血清的培养基中进行培养,而该血清的成分尚未明确,在工业化生产时需明确培养基以及其他营养素无菌且对人体无害;d.环境供氧的条件下抑制肌红蛋白表达,生产出的肌纤维呈黄色,而非传统肉的粉红色;e.能够在一定条件下,大规模喂养细胞,并生产培养肉的大型生物反应器尚未完善。

总而言之,虽然较多学者认为人造培养肉技术已经取得了很大的进步,但目前在动物体外培养肉的技术仍处于初步阶段。实现低成本、可持续、低能耗且被消费者接受的安全、优质的培养肉是未来相关领域科学家们共同努力的目标。

2.3 消费者对培养肉的看法

Kadim等[8]分析了2015年前关于生产体外培养肉的一些看法和认识,并总结了其所阐述的主要内容和结论。本文在其基础上,进一步总结了继2015之后相关研究者的看法,具体见表1。与之前的分析相比,目前仍然对道德以及成本问题较为关心;但也有新的调查发现,随着技术的发展,较多年轻、受过高等教育的消费者认为培养肉可能是未来的一种趋势[18]。

表1 近4年人们对生产培养肉的认识Table 1 The reviews on producing cultured meat in the past 4 years

综合来看,目前一部分消费者对体外培养肉还保留着怀疑态度,一方面是对技术的不确定性担忧,另一方面是对未来肉类市场的未知;但也存在部分消费者表示能够接受培养肉,并且愿意食用,因为他们相信科学技术能够使培养肉变得健康环保;此外也有少部分人表示自己能够接受培养肉,但并不会食用,或许是因为安全及传统观念等原因[22]。

就国内而言,大部分消费者对培养肉的认知尚浅。虽然部分媒体报道能够提高消费者的认知,但产品的缺乏仍让消费者怀迟疑的态度。此外,目前国内尚未出现明确的定义和行业规范,这让培养肉处既不能被称为肉或肉质品,又无法与传统的畜肉相比拟。因此,培养肉仍需找到核心定位。当然,培养肉仍然是未来的发展方向,能耗的压力以及大量肉的需求,使得培养肉是一个未来可期的替代品。

3 植物性肉(Plant-based meat)

植物性肉是结构化植物衍生的产品,是一种为替代传统肉类而开发的具有肉品食用特性的仿肉制品[23]。在我国博大精深的历史文化中,传统的植物性肉类替代品早已存在,例如,菌菇、豆腐、豆豉和面筋等[24]。这些产品主要由蘑菇、大豆蛋白、小麦面筋以及豆类等组成,能够补充人体所需的蛋白及其他相关的营养物质等。但传统的植物性肉类替代品缺乏肉类的口感、质地及风味,无法替代真正的肉类[25]。因而,科学家们致力于开发一种具有肉类特征的植物性肉,利用具有纹理的植物性蛋白,辅助一些具有特性的植物性成分,来改善其色泽、风味以及口感[26]。

3.1 植物性肉的组成

根据Egbert等报道[27],植物性肉包含:水(50%～80%)、纹理植物蛋白(10%～25%)、无纹理蛋白(4%～20%)、脂肪(0%～15%)、调味剂(3%～10%)、结合剂(1%～5%)和着色剂(0%～0.5%)。从近期植物性肉的研究中发现,其成分决定了最终产品的风味、色泽和质地。为了进一步了解成分对植物肉感官品质的影响,需要首先研究其在典型配方中的功能和用途。

水在植物性肉中占有最高比重,丰富的含量水量保证了成品的多汁性。同时在加工过程中,水不仅能够起到增塑剂的作用,还有助于成品的乳化[28]。此外,添加较大量的水还降低了成本,从而使产品的价格更易于被消费者接受。

蛋白质作为植物肉的主要结构形成物,不仅需要提供一定的结构特性,还应满足营养的需要[29],因此在植物性肉中,蛋白质的地位尤为重要。其中,大豆蛋白在营养价值上,可与动物蛋白接近等同;在基因结构上也是最接近人体氨基酸[30];再加上大豆蛋白低廉的价格,使得其被应用于大多数植物性肉的生产中。除此之外,其他油籽作物的蛋白、富含蛋白质的前体材料(如小麦、大米及其他膳食类物质)等,也逐渐在探索其功能特性,并进一步应用于植物性肉的工业生产中[31-32]。豆类蛋白的功能特性,如凝胶、稳定性及乳化特性也正在被研究[33-34]。而目前的研究表明:大多豆类蛋白的结构更加柔软,不利于形成良好的凝胶结构,因此有学者考虑到改变其氢键,从而增强凝胶强度。虽然如此,但美国Beyond meat公司的一款汉堡中的植物性肉,使用的正是豌豆蛋白质分离物。当然,目前人们主要关注点在大豆等油籽作物、富含高蛋白的谷物以及豆类,较少的人对叶子以及藻类植物的蛋白进行探究,或许未来叶子和藻类植物蛋白会作为新型材料来制作植物性肉[35]。目前植物性蛋白质的研究较为广泛,主要的植物蛋白及其来源见表2[36]。

表2 主要植物蛋白来源Table 2 Main sources of vegetable proteins

脂肪的添加一方面能够提供部分营养与能量;另一方面能够使产品变得多汁、柔软、风味浓郁,这使得植物性肉具有传统肉的质地与口感,更易于消费者接受。虽然脂肪有利于植物性肉的特征形成,但过多的脂肪会引起物料松散,影响挤压过程中的剪切力[37]。Gwiazda等[38]通过研究表明了物料中超过15%(m/m)的脂肪会使材料变滑,不利于大分子排列。因此,在生产植物性肉时,应充分考虑脂肪的含量。目前常用于植物性肉制作中的油脂主要有:椰子油、葵花籽油、玉米油和棕榈油等。

调味剂能够赋予植物性肉具有真正肉的特殊风味,目前主要用于模拟肉类香气的有还原糖(葡萄糖、木糖、果糖和核糖)、氨基酸(半胱氨酸、胱氨酸、脯氨酸、赖氨酸、丝氨酸、蛋氨酸、苏氨酸)、硫胺素和核苷酸等[39]。特殊风味形成一方面能够消除传统肉类替代品的“豆腥味”,更重要的是形成肉的风味能够让消费者更加易于接受。当然,如何在储藏及加工过程中让这些特殊的风味得以保留,不产生其他异味是值得探索的问题。

结合剂主要用于水或脂肪与蛋白质的粘合,其浓度会影响到最终产品的品质[40]。结合剂不仅可以来源于植物,还可以来自于动物。目前常用于植物性肉的结合剂主要包括大豆分离蛋白及其浓缩物,小麦面筋、乳蛋白、卡拉胶、黄原胶等。其中蛋白含量高的结合剂主要以结合水和形成蛋白质网络为主[41],蛋白含量低或者不含蛋白的结合剂通常起到填充作用。

最后,着色剂也是植物性肉中至关重要的配方之一,良好的色泽能使人产生食欲,而具有肉类的色泽也会使得消费者更加愿意挑战植物性肉。根据最终产品的特性,将热不稳定着色剂和还原糖组合使用,高温下不稳定的颜色会降解[42],其次还原糖褐变会使得植物性肉产生类似“美拉德”反应,这就使得植物性肉有生肉与熟肉之分。此外,与着色剂一起使用的还有颜色助留剂,如麦芽糖糊精和水合藻酸盐,通过颜色抑制或控制植物性肉的颜色迁移。

3.2 植物性肉的制作方法

目前挤压、剪切和纺丝等技术已经应用于生产出具有纹理特征的植物性肉中[43]。其中挤压技术实际是一个热机械加工的过程[44],将植物性配料挤压、加热以及机械剪切后推送到模具中,从而挤压成型。挤压技术一般包括样品预处理、挤压机筒内混合或蒸煮和模具中冷却三个主要步骤。

剪切技术是一种基于流动诱导结构的技术[45]。一般剪切发生在剪切槽中,该槽主要分为两种:一种是基于锥板流变仪的圆锥形装置(图1a[36]),还有一种呈现圆柱状的环形Couette剪切槽[46-48](图1b)。图1a中圆锥形剪切装置能够较好地在内部定义物料形变并保持恒定,这是挤压技术不具备的优势。而图1b中的环形Couette剪切装置相比挤压装置能够节约10%左右的能耗[45]。

而纺丝技术分为静电纺丝和湿法纺丝,其中湿纺主要包括制备纺丝原液、挤压喷出形成细流、凝固形成初生纤维和纤维包装与后处理等四个步骤[49]。湿纺在制作过程中必须要进行洗涤,易留下大量废物流。而另一种技术——静电纺丝技术是在聚合物溶液上施加高电压,产生具有高纵横比的纳米级原生纤维[50]。在植物性肉制作过程中,静电纺丝技术要求蛋白质及其他聚合物溶液需满足一定的条件,如高溶解度、粘度、表面张力、导电性等,否则溶液无法形成泰勒锥,并进一步被电吸引到金属收集器中[51]。

3.3 国内外研究进展

关于人造植物性肉已经拥有悠久的历史,传统的植物性肉类替代品仅仅是基于豆制品的一种沿伸,虽然其具有肉品相似的营养,但其尚未具备肉的口感、色泽及风味等特性。因而国内外大多数公司致力于开发类似肉的植物性产品(植物肉),目前已经有较多企业掌握一定技术并将其制作出一定的产品,具体如表3[36]所示。总的来说,大多数企业仍然以大豆蛋白作为底料,极少数企业如美国的Beyond meat和法国的Toreos采用了豆类蛋白分离物作为底料。此外可以发现几乎每个产品都添加了类似椰子油、葵花籽油、玉米油等植物油来改善风味。

表3 已知的生产植物性肉的公司及其特色产品Table 3 Known plant-based meat companies and their signature products

有些企业还提取了植物中的血红素来模拟肉中鲜腥和焦糖化的香气,并为成品带来类肉的色泽。魔芋胶、黄原胶、阿拉伯树胶等被用于粘合各种物料,使其紧凑有弹性。总而言之,不同的公司所关注的配方并不相同,但诸多植物性物料的组合均是为了更好地将植物性肉模拟得类似于动物肉,让消费者易于接受。

3.4 植物性肉与中国传统素肉的异同

国内传统素肉的产品并不鲜见,在大众食谱中类似于腐竹、素鸡、素丸子等食物层出不穷,虽然这些食物均是利用蛋白提取物制作而成,但这与西方定义的植物性肉却有着很大区别。

首先在观念上,国内消费者仅仅将这些产品当作一种具有类肉口感的素菜,而西方却将植物性肉定义为肉类的替代品,不仅营养上需要满足一定的条件,外观及质地也需要类似于肉。其次,在配方上也存在较大的差异,国内传统的素肉主要原料是大豆蛋白、面筋蛋白或者豆类蛋白,但其为了模仿出肉类的味道,添加了一些类似于肉味香精、色素等辅助剂;而植物性肉却是通过提取植物中血红素,与植物蛋白形成血红蛋白,从而给产品提供肉色及风味,进一步模拟出肉的特征。此外,配方上的差异引起产品外观、风味及质地差异也是国内传统素肉及植物性肉之间差异的一种。最后,目前欧美国家的食品管理部门已经对人造肉的安全管理及监控进行了讨论,而国内尚未出现制定相关标准及法规的迹象。

当然,植物性肉与传统的素肉也有较多的类似点。一方面两者的主要材料均是大豆蛋白或面筋蛋白或其他豆类蛋白;另一方面两者均需要对植物蛋白进行改性,形成特定的质构。此外植物性肉与传统素肉的营养上也存在一些类似点,如均能够提供大量蛋白,补充氨基酸;均不会给消费者带来肥胖的担忧等。

综合来看,国内植物性肉或许存在一定市场,但短期内可能不会影响传统素肉产品的市场,这不仅是技术上的问题,更多的可能是传统观念、素食者人群、以及对新产品接受度等因素的影响。

4 总结与展望

随着肉类消费水平的提高,许多国家动物膳食蛋白的供应已经逐渐跟不上需求,因而寻找新型肉类替代品,提供一种可持续的蛋白供应方案已成为亟需。人造肉是近几年欧美地区提出的一种肉类替代品方案,主要包括人工培养肉和植物性肉。随着研究的深入和技术的发展,无论是培养肉还是植物性肉,均已经有产品出现。因此,在未来,人造肉也许会是消费者的一种选择。与此同时,人造肉技术还存在一些不可忽视的挑战。就培养肉而言,研发大型培养罐进行大批量生产,并商业化是目前最大的难题;其次培养肉的安全性及制作成本也是需要考虑的问题;最重要的是如何让消费者接受,打破传统观念同样是一个挑战。而对植物性肉而言,一方面改进国内现有的素肉制造技术,模拟出具有肉类特征的植物性肉或许是一个发展方向;其次如何摆脱对大豆蛋白的依赖,开拓其他蛋白也是值得研究的问题;最后如何完善植物性肉的口感与质地、如何监管其安全性(例如是否具有转基因成分)、如何延长货架期等同样是其发展的制约因素。这些既是未来人造肉研究中的挑战,也是相关研究的方向。