植物基肉制品的研究进展

2022-03-23豆康宁赵永敢金少举李超敏邓同兴赵志军

食品与机械 2022年11期

豆康宁赵永敢金少举李超敏邓同兴赵志军

(1. 漯河医学高等专科学校，河南漯河 462002; 2. 河南省营养与健康工程研究中心，河南漯河 462002)

根据联合国粮食及农业组织[1-2]评估，到2050年，人类对肉制品的需求将会增加70%。养殖业的过度发展会给生态环境带来诸多负面影响，破坏生态环境[3-5]，还会带来一系列健康问题[6]。

植物基肉制品因环保、绿色、健康、安全等优势，目前已成为动物肉的最佳替代品[7-8]。植物基肉制品的研究开发及产业化虽然已有一定成果，但与动物肉相比，植物基肉制品在口感上还有一定差距[9]。文章拟对目前有关植物基肉制品的研究应用成果及存在的问题进行综述，以期为植物基肉制品的研究开发提供理论参考。

1 植物基肉制品的概念和命名

根据中国团体标准(T/CIFST001—2020《植物基肉制品》)有关定义，以植物为原料的人造肉被命名为植物基肉制品(Plant-based meat products)，即以植物原料(如豆类、谷类等，也包括藻类及真菌类等)或其加工品作为蛋白质、脂肪的来源，添加或不添加其他辅料及食品添加剂(含营养强化剂)，经加工制成的具有类似禽、畜、水产等动物肉制品质构、风味、形态等特征的食品。因此，该类产品也叫做素肉、植物肉、模拟肉[10]。

植物基肉产品通常采用“植物XX”“植物基XX”“植物源XX”“植物蛋白XX”“植物制成的XX”等词汇命名，即在常见肉制产品的名称前附加“植物”或类似限定词，如植物汉堡肉饼、植物香肠、植物火腿等。可使用“植物源”“非植物源”等词语辅助描述终产品的原料来源，也可同时使用“素”字辅助说明，例如，植物源肉丸、植物源素肉丸、植物源素鸡等。

2 植物基肉制品的原料

植物基肉制品的主要原料有拉丝蛋白、油脂、风味物质、着色剂、粘合剂等[11]。将这些原料按照某一产品加工工艺制作成该植物基肉制品[12]。

2.1 拉丝蛋白

拉丝蛋白是一种具有组织化特性的蛋白[13]，为植物基肉制品提供类似真肉的口感和营养，是植物基肉制品的关键原料。拉丝蛋白的来源有大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白、鹰嘴豆蛋白、藻类蛋白、真菌类蛋白等[14]。蛋白质种类不同，所制作出的拉丝蛋白质构差异也较大，此外，混合拉丝蛋白质构比单一蛋白质构更具优势[15]。因此，通常将多种蛋白质按照一定的比例混合来制作拉丝蛋白。拉丝蛋白按照口感可分为细、软、滑、硬、粗、涩型[11]。其中细、软、滑型拉丝蛋白的口感细腻，适合做鸡肉等肉质细腻的植物基肉制品。硬、粗、涩型拉丝蛋白的口感较粗糙，适合做牛肉等质地粗糙的植物基肉制品。

2.2 油脂及风味物质

油脂在植物基肉制品中不仅提供营养物质，还能调节物料的润滑性和流动性[16]。常用于植物基肉制品的油脂有菜籽油、葵花籽油、椰子油、大豆油等[14]。油脂在高温加工过程中会产生醛、酮、醇、酯等挥发性风味物质，脂质氧化降解物质参与美拉德反应也会产生肉类风味物质[17]。另外，还可以在植物基肉制品中添加还原糖、氨基酸、核苷酸等肉类风味合成物质，这些风味合成物质在高温加工过程中通过美拉德反应形成肉类风味物质。

2.3 黏合剂

植物基肉制品的原料彼此之间结合力较小，需要黏合剂增强这些物料之间的黏结力。常用的黏合剂有谷朊粉、大豆蛋白粉、多糖胶体、变性淀粉、转谷氨酰胺氨酶等[14]。多糖胶体具有亲水性，能够使植物基肉制品的原料混合物变浓稠并使其凝胶化[18]从而达到保持水分、保证口感、提高贮藏和冻融稳定性等目的[19]。在转谷氨酰胺氨酶催化下，蛋白质中赖氨酸和谷氨酸两者之间会发生交联，形成更大的蛋白分子[20]，从而起到植物蛋白黏合剂的作用。通过微生物发酵产生的褐藻酸钠、壳聚糖、甲壳素等[21]也可用作食物黏合剂。黏合剂具有分子间作用力和共价键交联作用，对维持植物基肉制品的结构发挥重要作用。

2.4 着色剂

植物基肉制品为了模仿动物肉色泽需要添加着色剂。肌红蛋白是动物肉色泽的主要来源，在肉类的黏结性和风味物质产生中也起着重要作用[8]。因此，开发肌红蛋白生产技术是解决植物基肉制品色泽的首选手段。据报道，Yang等[22]利用基因工程技术改造了酵母菌基因，经发酵后生产了大豆血红蛋白，其性质接近肌红蛋白。此外，人工或天然色素也常用于植物基肉制品的着色，如红曲红、辣椒红、玫瑰红、甜菜提取物、胡萝卜色素、焦糖色素、番茄色素等。杨竺红[8]研究发现，色素之间搭配使用所产生的色泽效果更好，如将0.08%红曲红和0.02% 辣椒红复配，混合色素的红度值、黄度值以及整体色泽都更接近于牛肉色泽。甜菜提取色素与干制、熏制、腌制等动物肉色泽接近，将其应用到植物汉堡肉饼非常适宜。在选择植物基肉制品的色素时，除了考虑色素色泽是否接近产品色泽外，还要考虑色素本身稳定性及原料pH对色素稳定性的影响。

3 植物基肉制品的加工工艺

植物基肉制品的通用加工工艺为[23]：拉丝蛋白的制作、拆丝、原料复配、斩拌、成型、熟制。拉丝蛋白即组织化蛋白，具有肌肉纤维的类似结构，其制作方法主要有纺丝法[24]、热剪切法[25]、3D打印法[26]和挤压法[27]。纺丝法是指植物蛋白在碱性溶液中变性处理后形成纺丝液，再经挤压并通过喷丝板后在酸性盐溶液中凝固，得到的纤维物质即为拉丝蛋白；热剪切法是指植物蛋白水溶液通过两个嵌套圆筒的间隙后，通过调节圆筒的相对转速和加热温度，在圆筒剪切力作用下将植物蛋白切成分层的纤维物质，即得拉丝蛋白；3D 打印是指采用挤压式打印技术，先将植物蛋白熔融，再通过喷头挤压，层层覆盖，形成纤维结构，即得拉丝蛋白；挤压法是指植物蛋白在螺杆挤压机中，在温度、水蒸气、压力、剪切力、摩擦力的共同作用下，蛋白质结构被破坏，由球状变成丝状，蛋白物料经过模头定向排列，形成纤维组织状结构，即得拉丝蛋白。

目前，纺丝法、热剪切法和3D打印法存在技术不成熟和研发生产成本高的问题，尚未应用到生产中。挤压法技术比较成熟，生产成本低，因而得到了广泛应用[28]。

拉丝蛋白可直接通过卤制、腌制、干制等方法得到即食的植物肉产品，如双汇集团、南街村集团开发的素食界植物肉。若要开发植物汉堡肉饼、植物香肠、植物火腿等非即食植物基肉制品，则需要将拉丝蛋白拆丝[29]。拆丝是将拉丝蛋白用水浸泡透，然后用粉碎机进行破碎，使组织化蛋白成丝状，再将丝状植物蛋白代替动物肉，按照肉制品配方与工艺，如原料复配、斩拌、成型、熟制等工序，制作成相关植物基肉制品。

4 植物基肉制品的质构与感官

T/CIFST001—2020将植物基肉制品的感官品质分为形态、气味与滋味、色泽、杂质四方面，但未涉及口感，可能是因为植物基肉制品的口感难以主观判定。因此，植物基肉制品的口感需要借助质构来辅助判断。有关植物基肉制品的质构指标主要有硬度、弹性、咀嚼性[8]。目前，植物基肉制品加工技术已取得了很大进步，但在口感上与动物肉还有一定差距。

评估植物基肉制品品质的方法和技术包括：感官评价[30]、质构仪[31]、扫描电子显微镜[32]、共聚焦荧光显微镜[33]、三维X射线断层成像技术[34]、核磁共振成像技术[35]和傅里叶变换红外光谱[36]。

曾艳等[14]指出植物基肉制品和动物肉制品口感差距的根本原因是肌肉的组织结构不同。动物肉的独特口感来源于肌凝蛋白与肌动蛋白相互交叠形成的肌纤维结构，肌纤维的直径大小和排列结构直接影响肌肉的质构与口感，而植物蛋白中的拉丝蛋白在加工过程中，由于技术所限，其组织结构很难达到动物肉的组织结构，因此质构与口感就会出现差异。

5 植物基肉制品的营养

通过营养复配技术植物基肉制品营养水平可以达到甚至超过动物肉营养水平。大豆蛋白蛋白质含量高(约为40%～50%)，是瘦猪肉或牛肉的2倍[37]，而且氨基酸种类丰富, 其中必需氨基酸含量较高, 接近WHO/FAO 推荐标准[38]。大豆蛋白质中蛋氨酸含量偏低，赖氨酸含量偏高，而谷类蛋白质则相反，因此，可以通过植物蛋白复配技术，提高氨基酸的含量。大豆蛋白质和小麦蛋白质复配后，其蛋白质营养价值与动物肉相当[39]。

植物基肉制品的原料配方中通常配有淀粉、胶体多糖等碳水化合物，因此，植物基肉制品中碳水化合物含量远高于动物肉的，这些碳水化合物类物质不仅能提供营养物质，还起到粘合原料成分、提高产品质构品质、减少产品脱水的作用[40]。

与动物肉中的脂肪相比，植物基肉制品中添加的植物油不含胆固醇，并且必需脂肪酸亚油酸、亚麻酸和花生四烯酸的含量高，因此，植物基肉制品中的油脂比动物肉油脂更健康[41-42]。

动物肉是人体摄入矿物质与B族维生素的重要来源，而植物基肉制品则需通过原料组合以及添加营养强化剂的途径满足人体对矿物质与B族维生素的需求[43]。Hegarty等[44]将大豆蛋白肉与牛肉成分进行对比，发现经过营养强化的大豆蛋白肉中的B族维生素和钾、钙、磷、钠等矿物质含量比牛肉的高。

综上，植物基肉制品通过原料复配和营养强化技术能够达到动物肉的营养水平。

6 植物基肉制品的市场

2019年，中国植物基肉制品产业的市场规模约为70亿元，过去5年的年复合增长率在14%左右[45]，保持快速增长态势。2020年杜邦营养与生物科学公司调查结果[46]显示，中国对植物基肉制品的需求还在不断增加，到2025年，中国植物肉市场规模将达到154亿元左右。在中国，植物基肉制品市场已经初具规模，并且还在不断扩大。

国外不少公司成功开发出了植物基肉制产品并已上市[47]。例如，美国Beyongd meat公司利用豌豆蛋白开发出了汉堡素肉饼(The Beyond Buger)；美国Impossible公司利用小麦蛋白、马铃薯蛋白和大豆分离蛋白的复配蛋白开发出了汉堡素肉饼(Impossible Buger)，其口感与牛肉十分相似；美国Morning star Farm公司利用挤压植物蛋白(小麦面筋、大豆浓缩蛋白)、水解植物蛋白(玉米面筋、小麦面筋、大豆蛋白)和大豆分离蛋白的复配蛋白，开发出了汉堡素肉饼(Grills original burgers)，其口感、风味、色泽接近动物肉；美国杜邦公司开发出了植物肉肠、炸鸡块和涮火锅材料植物肉等；法国Toreos公司利用小麦蛋白和鹰嘴蛋白开发出了汉堡素肉饼(Le Sauté Végétal)；加拿大Gardein公司利用大豆分离蛋白、小麦面筋和豌豆蛋白开发出了植物脆鸡肉(Mandarin crispy Chicken)，可替代炸鸡块；英国Sgaia’s vegan meats公司利用小麦面筋和大豆蛋白开发出了汉堡素肉饼(Mheat buger)。

中国尽管在植物基肉制品技术落后于欧美发达国家，但技术发展速度非常快。金华金字火腿有限公司利用大豆和小麦蛋白开发出了牛肉味植物肉饼；珍肉(北京)食品科技有限公司利用豌豆蛋白开发出了人造植物肉月饼；宁波素莲食品有限公司利用大豆组织蛋白开发出了素火腿午餐肉、牛肉粒、素干肠。双汇集团、双塔集团、雪榕生物、星期零等知名公司也紧跟其后，开始涉足植物基肉制品产业，其产品在市场上初具规模，且具有一定的市场影响力。

7 植物基肉制品的专利

随着植物基肉制品商业化发展，有关植物基肉制品技术的专利保护显得尤为重要。植物基肉制品技术专利主要涉及领域为植物基肉制品原料开发、植物蛋白纤维化技术、植物基肉制品加工技术及细胞肉培养技术[48]。植物基肉制品原料开发主要涉及植物蛋白原料开发、仿血红蛋白色素开发及仿肉风味物质的开发应用；植物蛋白纤维化技术主要指植物蛋白的组织化工艺技术，即使组织化的植物蛋白的口感更类似于肌肉纤维；植物基肉制品加工技术主要是用于开发出商品化的产品，如素肉汉堡、素肉香肠、素肉丸子等；细胞肉培养技术主要指用动物细胞培养出细胞肉，使其口感更类似于动物肉，尽管技术难度大，成本高，但该技术仍然被给予厚望。目前，美国Beyongd meat公司、Impossible公司等国外知名公司在植物基肉制品商品化方面专利布局做得比较好，中国贵州省贝真食业有限公司、佛山市聚成生化技术研发有限公司等知名公司在功能和营养化植物基肉制品方面专利布局做得比较好。

就专利申请量方面而言，从2000年开始，海外有关植物基肉制品的专利申请量呈递增趋势，其中美国和日本专利申请量最大，这两个国家也是植物基肉制品研发、生产、销售大国，2017年专利申请量达到最高，之后呈下降趋势[48]，这可能与植物基肉制品技术发展到瓶颈期有关。从2000年开始，中国有关植物基肉制品的专利申请量呈递增趋势，2016年专利申请量达到最高，为36件，超过同时期国外专利申请量总和(22件)，之后呈下降趋势，但专利申请量每年仍高于国外专利申请量总和[48]。这说明中国是植物基肉制品研发销售大国，拥有巨大的市场空间。尽管中国有关植物基肉制品专利申请量比较多，但也存在一些不足。一是专利整体价值不高；二是专利布局不佳，高新技术专利较少；三是专利转化率比较低。这些专利不足之处也反映了中国植物基肉制品技术研发相对薄弱，应加大投入，提高科技研发和成果转化。

8 植物基肉制品的安全性

植物基肉制品也存在一定的安全隐患[49]，主要包括物理、化学、生物、过敏原因素。物理因素方面，在加工植物基肉制品的过程中，可能会有金属物质、砂子、尘埃、纸屑、木屑及其他杂质混入。化学因素方面，安全问题主要来源于是铅、镉、汞、砷、锡、镍、铬、亚硝酸盐、硝酸盐等化学污染物以及真菌毒素，这些化学污染物需符合GB 2762—2012 《食品安全国家标准食品中污染物限量》的规定；真菌毒素如黄曲霉毒素B1、黄曲霉毒素M1、脱氧雪腐镰刀菌烯醇、展青霉素、赭曲霉毒素A及玉米赤霉烯酮需符合GB 2761—2017 《食品安全国家标准食品中真菌毒素限量》的规定。生物因素方面，致病源主要是沙门氏菌、金黄色葡萄球菌及微生物大肠杆菌，需符合T/CIFST001—2020 《植物基肉制品》的规定。过敏原因素方面，用于制作植物基肉制品的大豆蛋白、小麦蛋白、花生蛋白等植物蛋白可能存在致敏性[50-57]。因此，在保证植物基肉制品品质的前提下，尽量使用低过敏原蛋白，如豌豆蛋白[58]。除此之外，应在产品包装上明确写明原料成分，引起消费者注意。

总之，植物基肉制品加工企业应当参照GMP、SSOP、HACCP体系[59]建立完善的食品安全控制体系，确保所生产植物基肉制品的安全性。