植物蛋白素肉原料与工艺的研究进展

刘梦然，毛衍伟，罗欣，董鹏程，张一敏

(山东农业大学 食品科学与工程学院，山东 泰安，271018)

肉是人们日常食品消费的重要组成部分，世界范围内对肉类需求的持续增长引起了人们对肉类产品供给的担忧[1]。在食品生产中，将植物蛋白转化为动物蛋白是低效的，且动物养殖给环境带来一定的负担[2]。据联合国粮农组织(Food and Agriculture Organization of the United Nations，FAO)统计，全球牧场面积是农田面积的2倍多，在饲养过程中又消耗了大约1/3的农作物作为饲料[3]，并且畜牧业产生了高达总排放量12%的温室气体[4]。因此，肉类消费需求与供给之间的矛盾成为亟待解决的问题，而人造肉产品的出现为转变传统肉类消费模式提供了一个新的选择。

目前人造肉主要分为2种，基于人造肉命名对于产业发展和消费者接受程度具有的重要影响而提出的规范化建议，分别称2种人造肉为细胞培育肉和植物蛋白素肉[5]。

细胞培育肉又可称为invitromeat, cell-based meat, synthetic meat, culture meat等[6-7]，它是通过提取动物身上的胚胎干细胞，利用组织培养方法生产的动物蛋白[8]。由于细胞培育肉的生产需要复杂的技术和大量资金支撑，目前还处于实验室研究阶段。并且有调研发现大多数消费者因为细胞培育肉是非天然的而不能接受[9]。而另一种人造肉是植物蛋白素肉，可称为plant-based meat、imitation meat, meat analogues[10-11]，是应用植物蛋白质、脂肪等原料，结合功能性添加物并经过特定的加工技术使其具有类似传统肉类质构、风味、颜色的新产品。植物蛋白素肉的生产成本相对较低并且成分天然，具有不饱和脂肪酸含量丰富等健康优势，并且在风味、质构等多个方面都接近真实肉类，是具有传统肉制品的质地、感官和化学特性的食品。在对消费者接受人造肉意愿调查中发现，植物蛋白素肉产品具有良好的市场基础，被认为是最合适并且容易被接受的产品[12]，并且有学者认为植物蛋白素肉将对传统肉类市场产生强烈的竞争[13]。

基于植物蛋白素肉的产品优势和市场潜力，各学者为提升其生产工艺进行了大量研究，并且通过了解消费者对产品的需求以期获得与传统肉类在感官特性及营养等方面的一致性。本文综述了植物蛋白素肉的质构、颜色、风味、营养等品质和加工技术，分析了消费者对于植物蛋白素肉的接受程度，最后阐明了植物蛋白素肉存在的问题和发展前景。

1 植物蛋白素肉的基础成分

在生产植物蛋白素肉时，质地、外观、风味、口感是产品最重要的感官品质。因此为了使植物蛋白素肉在感官特性和营养成分上更贴近真实肉，必须要更严格地选择植物蛋白素肉的基础成分配方。根据相关研究[14]，表1列举了制备植物蛋白素肉的基本配方。

表1 植物蛋白素肉的基本配方表Table 1 Basic formula of plant-based meat

1.1 蛋白质成分

蛋白质是植物蛋白素肉的最主要成分。有研究表明，在饮食中用优质的植物蛋白质替代传统肉类有益于人体健康[15]，因此现在已有不同来源的蛋白质用于植物蛋白素肉的生产和研发，不同植物蛋白用于植物蛋白素肉生产的优化研究见表2。

表2 不同来源的植物蛋白在植物蛋白素肉上的研究Table 2 Studies on the plant-based meat from different protein sources

1.1.1 大豆蛋白

大豆中通常含有35%～40%的蛋白质，具有较高的营养价值和丰富的功能特性，其在香肠、火腿等加工肉制品中得到广泛应用，提高了肉制品的营养和食用品质。在蛋白质消化率修正氨基酸得分(protein digestibility corrected amino acid score，PDCAAS)表上，加工后的大豆蛋白与动物蛋白的得分相当[21]，因此大豆蛋白是传统动物蛋白的最佳替代品。

在植物蛋白素肉中所应用的组织化蛋白是通过脱脂、部分或全部去除碳水化合物得到大豆分离蛋白或大豆浓缩蛋白后(这种非组织化蛋白成分在植物蛋白素肉产品当中起到黏附物质、固定脂肪和结合水分的凝胶特性)，经过水化、高温挤压以及机械剪切加工后使得蛋白质变性，内部的分子空间结构重新排列分布，从而获得具有分层、纤维状的组织结构[22]。与传统动物蛋白相比，这种优质的植物蛋白不含胆固醇、低脂肪、低卡路里，是一种健康食品。因此以大豆蛋白作为植物蛋白素肉具有较大的市场潜力，有学者为改善大豆组织蛋白的质地特性进行了工艺优化研究[16]。但是由于大豆中存在的致敏性物质以及豆腥味，其他来源的蛋白质也逐步用于人造肉产品的生产研发。

1.1.2 豌豆蛋白

豌豆蛋白富含优质氨基酸，由于营养丰富和致敏性低而备受关注[17]。相对于大豆蛋白，豌豆蛋白在相同含水量下还可以吸收更多的脂肪，并且还能通过盐离子或者加工条件来改变蛋白质中分子力之间的稳定性，优化产品的凝胶强度[23]，有效地提高肉制品的质构。因此有学者以豌豆蛋白为原料对提高植物蛋白素肉产品纤维化程度进行了工艺参数的优化研究。KYRIAKOPOULOU等[10]认为豌豆蛋白是现在已知的最具有制造植物蛋白素肉前景的物质。BEYOND MEAT公司的植物蛋白素肉产品就以豌豆蛋白为主要原料，同样植物猪肉品牌OMNIPORK也是主打豌豆植物蛋白素肉产品。

1.1.3 小麦蛋白

小麦含有13%的蛋白质，营养价值较高。从功能上看，小麦蛋白具有较好的吸水性，经过水化后它的结构伸展开，可被拉成丝、线或膜状，形成内聚弹性网络，这对形成肉的纤维状结构具有促进作用。在微观结构上，氢键是形成和稳定植物蛋白素肉质构的主要力量，而二硫键是形成高水分挤压植物蛋白纤维结构的关键力量，小麦蛋白在增加二硫键含量，促进形成纤维结构中发挥了重要作用[24]。在挤压的过程中，利用小麦蛋白促进纤维结构形成的性质能够开发出高品质的植物蛋白素肉产品。

1.1.4 真菌蛋白

准确地讲，真菌蛋白并不能被归类于植物蛋白，但是以其为原料开发的人造肉由于咀嚼感和风味与肉类相似受到了广泛的欢迎。基于真菌蛋白的优势，有学者通过开发新型真菌蛋白来制造品质优良的人造肉产品。虽然与动物蛋白相比，真菌蛋白中铁和VB12的含量较低[25]，但PDCAAS为0.91，与动物蛋白相近并且富含锌和硒元素，是一种低能量、高膳食纤维、富含不饱和脂肪酸和多种必需氨基酸的优质蛋白质来源[26]，是极具营养价值的膳食补充。真菌蛋白不但不含胆固醇，并且由于其高纤维含量，还可以显著降低血液中胆固醇以及低密度脂蛋白水平，有效地控制血糖含量[27]。相对于动物蛋白，真菌蛋白生产原料充足、节能环保，产品健康营养，是未来食品的发展方向。KYOUNGJU等[20]认为以菌丝体形式存在的真菌蛋白肉，比植物蛋白素肉具有更大的市场潜力。ELZERMAN等[12]研究表明，消费者对真菌蛋白肉的总体喜爱程度明显高于其他肉类替代品。以真菌蛋白为基础的产品研发具有扩充肉类替代产品消费市场的前景。

1.2 脂质成分

脂质含量是产品多汁性、嫩度以及风味的重要影响因素，所以脂类是植物蛋白素肉必不可少的成分。为了满足消费者对产品品质的要求，在传统肉制品如香肠和火腿中通常含有较高含量的脂肪。但是在加工植物蛋白素肉时，需要严格控制脂质含量，过多的脂肪会使产品在挤压或者剪切时出现过度润滑和黏性过度的现象，对蛋白质等大分子排列产生负面影响，导致挤压和剪切工艺不能形成恒定的纤维结构，降低产品的氧化稳定性。王洪武等[28]发现添加2%～5%的油脂可以提高豆类蛋白产品的组织化程度和风味，然而油脂添加量超过5%会使产品质地结构紧密性变差，不能很好的形成类似于肉的纤维状结构。植物蛋白素肉中添加的脂肪通常是植物油，例如菜籽油、椰子油、橄榄油、玉米油等。在“珍肉”牌豌豆蛋白素肉月饼添加的就是椰子油和橄榄油，同样Impossible Food公司主打的植物蛋白素肉系列产品中也加入了椰子油。这种植物性油脂中存在的脂肪酸成分可以减少脂肪在人体内的囤积，加速体内脂肪的转化率[29]，相对于动物油脂而言不含胆固醇并且具有更好的品质，符合植物蛋白素肉产品品牌打造的营养、健康优势。

1.3 黏合物质

黏合物质一般分为两类：一种是改善产品质地和稠度的淀粉类，另一种是用于改善产品稳定性和形状的凝胶剂或纤维素如甲基纤维素、菊粉、明胶、黄原胶等[30]。面粉和淀粉类黏合物质是通过物理方式将水和脂肪结合在一起，通常起填充作用[10]，有利于产品中蛋白质、水和脂质成分的结合，使其形成稳定的结构，并且具有良好的成型性，常见于生产传统肉制品。

在植物蛋白素肉中，添加淀粉使得产品表面粗糙，组织化程度降低，但是添加一定量的淀粉可以改善产品的感官品质，是植物蛋白素肉成型的必要条件[31]。由于淀粉在加工过程中会降解为还原糖，经过美拉德等生物化学反应，植物蛋白素肉的颜色也会发生相应的变化。洪滨等[32]研究发现添加淀粉降低了植物蛋白素肉的亮度，但添加4%的淀粉可以提高产品质构和产品的成型稳定性。

甲基纤维素是一种改性的纤维素，适量的添加到植物蛋白素肉中将起到良好的黏合作用。其具有的保水、增稠、乳化等功能使产品有更好的成型性和多汁性，因此可以弥补植物蛋白素肉缺乏的肉质感、多汁性，在素肉食品当中得到广泛应用，并且甲基纤维素以天然纤维素为原料，热量低，可以通过向肉制品中添加甲基纤维素凝胶来替代脂肪生产出与传统肉制品相似口感和风味的低脂产品[33]。同时由于菊粉与甲基纤维素的相似性质，也有学者将其作为肉类脂肪的替代产品研究其理化特性和食用品质[34]。因为传统肉中不含纤维，在不降低口感和质地的情况下，向植物性蛋白肉产品中加入天然植物纤维，将为这些产品提供比动物肉类更有营养价值的优势。

1.4 风味物质

特殊的肉香味是消费者选择肉制品的重要原因之一，在传统肉制品中会通过添加调味料或风味物质使制品更符合消费者的喜好。为了获得肉类风味，植物蛋白素肉也需要添加调味物质。KYRIAKOPOULOU等[10]认为将分离出来特定的自然挥发性化合物与多种热处理相结合，是赋予植物蛋白素肉以肉的风味和香气的主要方法，例如基于美拉德反应的原理，糖与蛋白质在热处理条件下能够相互作用产生烘烤的香气。但是由于植物蛋白素肉在生产过程中需要挤压、加热或剪切工艺，使得原料产生一些物理化学变化，从而影响预混原料中添加的香味物质的特性。植物蛋白素肉的调味是复杂又关键的工艺过程，因此如何优化植物蛋白的风味是生产植物蛋白素肉的一项挑战。

1.5 着色剂

肉的颜色是消费者决定是否购买的重要依据。其颜色主要是由肌红蛋白所决定，并且在烹饪的过程中肉由红色逐渐变成微褐色，所以植物蛋白素肉产品也应该考虑烹饪前、烹饪期间、熟制成品的颜色变化。对产品着色时，首先要选择具有热稳定性的着色成分，例如胡萝卜素、麦芽和红木、焦糖色素等[35]。然后将不稳定的着色剂和还原糖组合使用，烹调过程中不稳定的颜色在高温下降解，而还原糖羰基与蛋白质氨基发生美拉德反应产生褐变，能够更真实地模仿肉在烹调过程中的颜色转变[6]。目前，植物蛋白素肉颜色可以通过两种方式调节，第一种是加入从植物中提取的具有血红素的蛋白来呈现肉色，这种血红蛋白还可以通过对酵母的基因工程改造获得[36]，目前国内产品尚未采纳此方式；第二种则是加入植物基色素例如甜菜根汁等从而模仿肉中肌红蛋白的颜色。

2 植物蛋白素肉的加工工艺

生产植物蛋白素肉的加工工艺主要有挤压、纺丝两种形式，其中挤压是生产植物蛋白素肉的最佳技术，也是应用最广泛的技术。而纺丝技术会产生大量废水，对蛋白质混合物料的要求高，同时还需要利用化学添加剂凝固纤维[37]，使得纤维生产工艺较复杂，因此不作为植物蛋白素肉优先使用的技术。

挤压技术是通过在圆桶螺杆区域内对混合的蛋白质悬浮液进行高温、挤压的热机械处理，从而使得预混料能够充分混合。在经过冷却模具时，混合物冷却凝固后通过剪切流形成肉的结构[38]。在挤压过程中，以植物蛋白为基础的混合物受到高温、压力和剪切的作用，对产品的结构和化学性质产生很大的影响[39]。肉中均匀、分层的纤维结构是人们喜欢的口感，在植物蛋白素肉中，蛋白质是通过外界给予的压力使其中的二硫键、氢键和非共价键相互作用，因此打破了蛋白质原始结构的分子间连接，然后通过形成新的分子间的联系定位并进行链的重组，从而使得形成的三维网络结构更加立体[40]，也因此能够得到较好的肉质感。因此大量的研究通过挤压设备生产工艺的优化来改善植物蛋白素肉的产品质构[17-20]。

最早是由GRABOWSKA等[41]提出了基于简单剪切流的挤压技术来诱导生产具有纤维结构的植物蛋白素肉产品。之后，KRINTRAS等[42]通过应用加热和剪切，利用剪切流诱导结构的原理获得了植物蛋白素肉的纤维结构样本。后来，KRINTIRAS等[38-39]将基于剪切单元和同心圆筒流变仪设计的Couette Cell装置成功应用于在一定工艺条件下生产植物蛋白素肉，并证明其技术可以实现植物蛋白素肉的大规模商业化的连续生产。瓦赫宁根大学食品加工工程实验室根据剪切诱导概念也进一步研发了制备植物蛋白素肉纤维化结构的2种装置：一种是基于锥形结构的Shear Cell装置，剪切槽的几何形状使其易于填充和手动操作，因此更适用于小规模的操作；另一种是圆筒结构的Couette Cell装置，是基于扩大剪切诱导而提出的[10]。Couette Cell是由2个圆柱筒组合而成，外筒保持静止，内筒可通过轴驱动旋转，内外筒都可以用油浴加热和冷却，将材料放置在内外筒之间的剪切区，依靠2个同心圆筒的切向移动来进行剪切操作[39]，因此可以通过简单地增加设备的容量如内外筒大小、长度等来提高植物蛋白素肉的商业化生产力。与挤压相比，这种工艺设备内部的变形是确定的、恒定的，能更好地使原料形成分层的纤维结构。并且有报道称，相对于传统挤压工艺这种结构化设备的机械能输入量要低得多[10, 38-39]。Couette Cell设备的研发为大规模生产植物蛋白素肉提供了技术支持，但是目前国内还没有这种设备的开发和利用。

依据现有的加工工艺可以将植物蛋白素肉制作成休闲小零食及具有中华特色的产品，或者提供植物蛋白素肉与传统肉混合加工呈现的产品更能符合现阶段消费者的饮食需求。无肉不欢的固化饮食习惯是难以在短期内改变的，利用植物蛋白素肉部分替代传统肉对消费群体来说是一个更容易接受的方案，LANG[43]研究发现消费者对于将植物性成分混合到传统肉的食品中有较高的接受程度。同样TARREGA等[44]的研究表明，相对于100%植物蛋白素肉，肉类消费者认为植物蛋白素肉和传统肉混合(质量比1∶1)的产品是一个可行的选择，而对于那些倾向于减少肉类消费的人群来说，任何形式的植物蛋白素肉产品都是一种可以接受的选择，所以通过植物蛋白素肉与传统肉相结合的产品形式，是在保持肉类独特风味和质地的前提下提高消费者对产品的接受程度，同时生产出更健康、营养、可持续的新产品的策略之一。

3 总结与展望

由人造肉掀起的改变传统肉类饮食结构概念的热潮，引发了相关行业对于植物蛋白素肉产品的开发和市场营销策略的高度重视，目前国内生产植物基食品的行业快速发展，但几乎没有系统性的文献研究中国消费者对于人造肉的认知和消费接受情况，因此对接受用植物蛋白素肉完全或部分替代肉类的关键因素和态度还有待进行详细调研。在加工技术上，国内主要通过双螺杆挤压的加工工艺来制备植物蛋白素肉产品，并且多数以大豆、豌豆组织蛋白为主要原料，同时添加其他种类复配组织蛋白来提高植物蛋白素肉产品的质构，使其具有更均匀的肉质感以及纤维感。在风味和颜色方面通过结合不同功能特性的添加剂来呈现与传统肉类产品相似的感官特性。

面对新兴产品发展潜力巨大的机遇，人造肉产品生产和研发过程虽已有较显著成果，但仍面临着许多技术发展和市场需求的挑战。国内通过改进加工技术、风味物质和各类添加剂的结合所生产的产品与传统肉还具有一定的差异性。另外，人造肉的价格对比传统肉类的优势并不大，这是因为产品对于加工技术和功能性添加成分的要求和依赖性较强，导致生产成本居高。现研究阶段还需要进行技术革新来提高产品质量，如何将植物蛋白素肉与传统肉一样具有高度纤维化结构、细腻紧实的口感、特殊香气风味、颜色以及多汁感是一系列巨大的挑战。同时对比国外植物蛋白素肉的研发成果，国内缺乏高端工艺设备，具有风味以及着色物质的专利壁垒。因此需要进一步开发营养价值高、感官特性更能接近真实肉类并且定价合适的植物蛋白素肉产品，为未来市场上日益增大的消费需求提供更好的选择。