植物基人造肉研究进展

肖志刚，江睿生，霍金杰，李 航，苏 爽，王海观，高育哲

(沈阳师范大学粮食学院，沈阳 110034)

随着人口的增长，关于动物肉发展的问题引发了越来越多人的担忧和讨论。从市场发展角度看，人口增长会使得对食用肉的消费需求增加，但这与实际的肉类供给是不匹配的[1]。此外，动物疫病是生产食用肉类的隐患，一旦发生也会给肉类市场造成影响[2，3]。从环境保护方面考虑，肉类生产所产生的温室气体、可耕地的占用和水污染等环境问题会随着人口增长所带动的肉的需求而日益加剧[4，5]。从生产成本上看，动物肉的生产，即饲养动物的过程，是将植物蛋白质转化为动物蛋白质，是一个高度密集的过程。然而，在产量上进行对比，蔬菜水果等作物需要的水、土地和能源相对较少，因此可以看出生产动物肉伴随的蛋白质的转化效率低下[4]。Smetana等[5]比较了鸡肉与植物基人造肉的生产进行了比较，其中植物基人造肉在生产中注重的是原料、设备以及能源的投入，而鸡肉的生产更多考虑的是土地、营养和能量摄入。Aiking[6]和David等[7]的研究也得到了类似的结论，肉类的生产需要消耗额外的植物蛋白。从日常饮食的角度来看，食用动物肉类除了提供基本营养和能量外，过度食用肉类还和某些疾病的发病率有一定的关系[8]。研究发现，每天食用120 g红肉或30 g加工肉会显著增加患直肠癌的风险[9]。Rohrmann等[10]研究表明，过多食用红肉会增加身体患心血管疾病的风险，过多摄入高嘌呤类的肉类则会增加罹患关节炎症的风险。此外，素食主义近几年也渐渐在人群中风靡开来。人们开始寻找肉类替代物用以代替日常摄入的动物肉食品，人造肉的发展备受关注。

肉类替代物的来源主要有2种，一是通过细胞培养[11，12]，能得到比较真实还原的培养动物肉，但目前仍然处于研发状态，还存在着成肉煮熟后肉感不紧致，培养条件严格，产业化难度大以及舆论价值观方面关于消费者接受度等问题[13]；二是利用高水分挤压技术对植物蛋白进行改性，得到内部具有明显纤维结构的植物基人造肉。这种由高水分挤压技术得到的组织化蛋白产品，经过成丝处理后在观感上可以得到类似熟鸡肉的纹理结构。尽管目前仍存在着咀嚼感不足、豆腥味重、工艺参数难摸索等问题，但其具备的研究开发价值、未来商业市场潜力不容小觑。

植物蛋白质的优质性、易用性和可持续性是全球绿色健康饮食的追求目标。目前对动物食品的过度依赖导致了不可持续的农业实践和环境问题，这不免让人担忧。因此，着力发展植物基人造肉也将成为不可避免的趋势，这也可以为新兴的素食主义者、具有健康饮食观念和关注未来食品的消费者提供选择。

1 植物基人造肉国内外产品概况

植物基人造肉市值增长预计从2018年的46亿美元增长到2030年的850亿美元，而在2026将达到309亿美元[14]。这一新市场还具有很强的商业投资吸引力。亚太地区的植物基人造肉市场预估值在2025年达到了212.3亿美元[15]，由此也能看出人造肉在消费市场的潜力。

国外在植物基人造肉产品的开发种类主要有素肉饼、素食牛肉汉堡、素鸡块、素肉肠等[16]，2019年，植物基牛肉汉堡成功入选为《麻省理工学院技术评论》上发布的全球十大突破性技术之一。而国内在产品开发方面发展则相对落后，更多的作为添加剂加入到肉类制品中，常见的产品有水饺、肉丸、肉肠等，市面上主要还是以低水分挤压得到的拉丝蛋白作为休闲零食为主，当然也有由素肉作为主料而开发的素肉水饺、素食肠、素肉丸等，但对比国外仍有不少差距。这主要是因为我国在植物基人造肉领域较国外存在着产业化起步晚、生产工艺不成熟、机理研究不深入、资金投入少、宣传力度不足以及相关法规未完善等问题。

2 植物基人造肉工艺原理分析

2.1 定义

人造肉经历过低水分挤压阶段，存在着需要复水，类肉程度低等问题。植物基人造肉作为近年人们研究的方向，是因为在高水分挤压的研究上取得了新突破。它是一个需要重新诠释的概念，以摆脱传统人们对它的定义，这对后期宣传推广，改变消费者对“休闲零食”的定义有重要意义。

植物基人造肉是由含水量>40%的蛋白原料在双螺杆挤压机内部受到高温、高剪切力和高压作用下，蛋白分子发生不可逆变性，再经过一段长的冷却模具后得到的内部具有明显纤维结构，且具有类似熟鸡肉纹理的组织化蛋白，其成品蛋白质量分数>50%[17]。

2.2 机理分析

植物基人造肉的生产是应用双螺杆挤压机采用高水分挤压技术得到的。这种技术的原理是通过在挤压过程控制料斗中的蛋白原料定量进入挤压机中，螺杆转动输送物料，与此同时，水作为反应溶剂也通过进水喂料器进入挤压机内部，伴随着挤压机各区段温度的升高，螺杆转动带来的剪切力，封闭的腔体内压力增大，此时高温打破了蛋白质结构，蛋白质发生变性，蛋白分子链经展开、团聚、聚集和交联[18]，在暴露分子链中巯基的同时，经氧化生成新的二硫键[19]，伴随着与其他物质分子的作用，球蛋白分子重新排列，得到内部具有凝胶网络结构的组织化蛋白产品(如图1)。由于挤压机内特殊的反应作用，这也就要求作为原料的蛋白质其本身的球蛋白具备良好的性质，即球蛋白分子链中含有较多的含硫氨基酸。

图1 不同放大倍数(×30、×500、×1 500)下大豆组织化蛋白凝胶网络结构

这一组织化过程与蛋白质的凝胶机理相似但又有所不同。挤压过程中构成纤维化结构的作用力有二硫键、疏水相互作用和氢键，而其中二硫键被许多研究者[20-23]认为是蛋白熔融体在挤压机内部相互作用并结合的主要作用力。另一方面，与组织化作用类似的蛋白凝胶化的主要作用力也是二硫键和氢键。其不同之处在于以氢键为主的蛋白凝胶化是可逆的，而蛋白组织化的过程并不可逆[24]。康立宁等[25]采用傅里叶红外光谱研究了挤压参数对蛋白二级结构变化的影响发现，分子二级结构的变化是组织化大豆的必要条件，通过改变温度(>140 ℃)可以促进β折叠向无规则卷曲结构转化。有研究指出挤压过程中破坏的往往是蛋白分子中结合得比较弱的化学键，而作为蛋白链组分的肽键等结合得比较牢固，很少参与过程中的反应[2,18]。因此，植物蛋白组织化过程可以类似地看作是一种不可逆的蛋白热凝胶反应，其涉及的蛋白质分子二级结构、三级结构的变化，但很少涉及一级结构的转变。

2.3 植物蛋白原料特性

植物基模拟肉具有优质的蛋白原料来源，而单一的植物蛋白也常被作为研究植物基人造肉的基础原料蛋白。目前常见的植物蛋白有大豆蛋白、小麦蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白。

大豆蛋白作为应用最广泛的原料蛋白，从原料性质上看，由于其蛋白中球蛋白分子链中含有较多的含硫氨基酸，当受到热剪切作用时容易开链，暴露分子结合位点，并进一步氧化生成二硫键，能促进纤维网状结构的形成；从营养价值方面上看，大豆蛋白的摄入可以改善人体内的脂质代谢[26]和预防心血管疾病的发生[27]，而大豆分离蛋白和大豆浓缩蛋白含有更多必不可少的氨基酸[28，29]，这使得加工后的大豆蛋白能够获得蛋白质消化率校正的氨基酸评分(PDCAAS)为1.00，可与动物衍生食品如肉类、鸡蛋和乳制品媲美[30]。

小麦蛋白，即谷朊粉，是一种常见的用作生产植物基人造肉的辅料蛋白。Lee等[31]研究表明小麦蛋白中含有能促进组织化蛋白纤维取向的两类蛋白，即谷蛋白和麦醇溶蛋白。谷朊粉在植物蛋白挤压组织化过程中，通常需要与其他植物蛋白混合使用[32，33]。在高水分挤压条件下，低蛋白含量的原料也可以通过与面筋蛋白相互作用，这是由于小麦蛋白经高温高压条件下，其分子链易于解开并与其他分子结合的能力相较于其他蛋白强，能在高水分挤压条件下生成稳固的二硫键，进而促进蛋白质重排，形成具有网状的纤维结构，即组织化。同时，谷朊粉在关于挤压组织化领域的研究在国内外研究中的报道很多。Yao等[34]和Day等[35]的研究都认为谷朊粉的添加可以改善组织化蛋白的纤维网状结构，有助于改善挤出物产品的品质。贾旭等[36]认为谷朊粉与水结合容易形成网状结构，不宜单独用作原料进行挤压组织化。

花生蛋白和豌豆蛋白都是具有发展潜力的大豆分离蛋白替代品，但由于生产技术以及产业化规模的限制，这其中也有原料来源、经营成本、加工难度等诸多因素[37，38]，目前不能得到有效推广，需要时间以及市场的考验。花生蛋白作为原料蛋白，相比大豆蛋白，其自身含有的抗营养物质较少，可溶性蛋白质和氮溶解指数高，易被人体接受和消化，且本身存在独特的香味，能使挤出物呈现独特的芳香，反观大豆蛋白由于本身存在的豆腥味导致挤出物在风味上的评价下降，因此花生蛋白也被视为一种优良的大豆蛋白的替代品。豌豆蛋白近几年在国内外关于挤压组织化的研究越来越多[39-42]，豌豆蛋白产品与大豆蛋白产品具有可比性和互补性。虽然豌豆蛋白在热凝胶性质上比大豆蛋白差[43，44]，但仍被视为大豆蛋白的优良替代品[45]，主要是因为在加工过程中盐离子的加入和加工条件的改良可以增强豌豆蛋白分子力之间的稳定性，提高其凝胶性质[46]。

植物蛋白作为植物基人造肉的原料蛋白，目前来说可应用在生产的蛋白种类相对较少。但是，随着生产技术的进步，各种植物蛋白产业化发展，必然也能带动植物基人造肉原料蛋白复配体系的多样化。优质蛋白带来的营养附加值也能在未来植物基人造肉市场的推广上增加契机。

2.4 挤压工艺参数

植物基人造肉依托挤压工艺的可操作性，可调节挤压参数来使产品得到适宜的口感，类肉的色泽以及接近熟肉的感官表现。挤压参数条件的适宜性影响着组织化程度的高低。一般可以通过调节双螺杆挤压机各区间的机筒温度、进水速度、喂料速度以及螺杆转速从而改变蛋白原料在机筒内部的所受温度、压力、剪切程度的高低，以此还能进一步影响双螺杆挤压机的系统参数变化，如物料停留时间、扭矩、模口压力和模口温度等。对于挤压工艺要求，旨在找到合适的挤压参数，得到纤维化程度较优的挤压条件。

挤压温度的变化主要与蛋白原料在挤压机内部的变性以及纤维结构形成的品质有关，且在挤压机各区温度分布均可调节，影响着物料从混合到熔融，再进一步变性及组织化品质的形成[47]，其重要性不言而喻。此外，模口温度虽然作为系统参数，并不直接由人为控制，但其影响着蛋白物料在模口处的压力、扭矩以及挤出物的单位质量产能，从而进一步影响了从挤压机出口处熔融体的黏度。黏度则与蛋白组织化结构的最终形成有重要的联系[39,48]。

调节进水速度和进料速度的本质是调节机筒内部蛋白原料的水分含量，即物料在机筒内部的填充程度，从而进一步影响蛋白熔融体在机筒内的流动方式和混合程度[49]。Tolstoguzov[50]认为水分在挤压过程中发挥着重要的作用，水分能降低蛋白原料的变性温度和蛋白熔融体的黏度，使得物料在机筒内形成相容体系。水分含量增加，蛋白原料熔融时黏度降低，进而使挤压机的机械能输入降低，物料在机筒内停留时间降低。水分含量的变化还可以影响挤出物的质构和色泽，进一步影响了产品的质地，口感以及其整体可接受度。另一方面，水分含量的适当增加，能促进挤压机内蛋白分子间作用力之间的协同作用，这主要是水分增加，塑化作用增强，蛋白质结构片段的柔韧性增加，进而促进分子链的伸展和定向排列。但是，水分含量过高，则会使得体系内蛋白原料所受到的剪切减弱，会减弱蛋白聚集体之间的交联作用[22,51]。

螺杆转速的变化最为直观的影响，是改变蛋白原料在机筒内部的剪切力以及其所受的推动力。Thiébaud的研究表明，适当提高螺杆转速有利于体系中分散相在连续相中的分散，可以在模口处形成更为致密的纤维网状结构[52]。同时螺杆转动所带来的剪切力的大小，有赖于螺杆的构型以及排布的改变[53]。Emin等[54]研究发现螺杆转速影响着挤压机内对蛋白原料的剪切力大小。低的剪切作用能促进蛋白分子的聚集，而强的剪切作用可以促进蛋白分子链的解开、团聚、聚集、交联，使蛋白质原料在机筒内部进一步地变性，分子颗粒破裂，分子质量减小。

3 植物基人造肉发展中存在的问题及分析

3.1 公众接受度

公众接受度是指产品在感官上给消费者群体的评价以及消费者在心理上对产品的定位。它不仅仅是依赖于产品直观上的感官评分，还兼顾着产品的营养价值评分、可持续性等方面的附加评价。植物基人造肉作为商品推向市场，首先要面对的是消费群众的接受度问题。直观上评分以及食用后所带来的感官体验对于人造肉产品而言非常重要。其次人们才会去关心它的营养价值、是否能替代动物肉、是否作为日常食用食品等问题[55，56]。而植物基人造肉存在着咀嚼感差，肉感不足等缺点也成为了其推向市场并由消费者所接受的主要问题之一。造成这个问题的原因很多，有研发上的因素，也有后期加工的因素，当然重要的还有人造肉产品的宣传。宣传的思路可以从两方面出发，一方面，是以肉类替代物为主要宣传主题，推广由高水分挤压得到的组织化蛋白。国内目前仍然以低水分挤压得到的大豆拉丝蛋白为主，在流通的食品中也以休闲零食、肉类制品添加物为主，产品定位较为小众。未来的宣传则需要打破消费者对人造肉的传统定位认知，从休闲零食转移到日常饮食，从普通食品到健康食品，从小众零食到大众饮食。另一方面则是以未来绿色健康食品作为宣传主题，组织化蛋白本身丰富且优越的原料来源使其在营养功能上具备先天的优势，而经过一系列加工可以成为满足人们日常营养素摄入需求的健康食品。这种脱离只作为肉类替代物的定义的宣传可能会为它的发展拓宽渠道。

3.2 食品相关标准的建立与完善

第二个需要关注的问题在于植物基人造肉产品在食品领域有关的食品安全国家标准、食品安全检测指标等并未有比较明确且系统化规定[57-59]。目前现行的标准中的GB/T 22106—2008 《非发酵豆制品》、GB/T 2712—2014《食品安全国家标准 豆制品》和2008年商务部颁布的SB/T 10453—2007《膨化豆制品》行业标准虽然都有对此类豆制品进行归类并有相关指标的规定，但传统将植物基人造肉定义为非发酵豆制品并不能完全作为现今人造肉行业上的参考，而在这方面的研究目前仍然也比较少，诸如保藏、食品包装以及生产流程的食品污染防治等问题也有很多亟待明确和解决的。同时也有将植物基人造肉作为辅料添加到肉制品生产中，在节约成本的同时也能提升产品的口感。

因此，食品相关标准的建立与完善需要考虑原料、生产流通、包装保藏等方面以及参考熟肉制品的相关标准作为补充，同时还需要考虑其作为食品添加剂的规定，以避免可能会造成的市场舆论风险。

3.3 反应机理探究

高水分挤压技术的机理探究难度大，目前通过调整挤压参数、改变原料，往往需要一段时间的摸索才能找到适合的人造肉基料生产配方。究其原因，一方面是我们对蛋白与其他物质之间相互作用的机制研究的并未深入，探明机理也需靠不断的研究积累夯实；另一方面，双螺杆挤压机工作过程是一个“黑箱”，由于需要在机筒封闭且高温的环境下运作，存在实时检测内部状态的局限性，因此成为研究过程中的不可避免的阻碍。魏益民等[60]曾用“膜状气腔”理论来推测“黑箱”中变化，肯定了水在高水分挤压过程发挥的重要作用，这一理论对于后续研究挤压组织化蛋白具有重要的指导意义。为更好的了解原料、挤压工艺对于挤出产品的有关特性的影响，并获得理想的具有纤维结构的挤出物，研究工艺参数、系统参数和产品参数之间的关联性尤为重要。这一切与挤压机内部的运作过程的研究离不开联系，那么，设计并投产专门用于研究的双螺杆挤压机设备，其中挤压过程可视化、各区段压力检测、黏度检测以及各区段卸料阀等辅助功能都将成为研究这一科学“黑箱”运作机理的强大助力。

4 总结与展望

植物基人造肉依靠原料蛋白所带动的复配体系多样化和挤压工艺的可操作性，具有良好的发展潜力与市场价值。随着植物基人造肉的推广发展，其所面临的公众接受度低，产品相关食品安全标准、法规不健全以及机理研究难度大等问题成为发展所必须面对的问题。因此，加大对于植物基人造肉的前期推广宣传力度，建立健全有关食品标准和法规成为其作为商品流向市场的可行方案。此外，在科研方向则需要注重机理的探究，设计和开发有利于监测挤压过程的实验型挤压设备。

植物基人造肉可供人体吸收利用营养素仅仅只有蛋白质，随着研究和技术发展的深入，在主打绿色健康饮食的大时代背景下，显然并不能让广大消费者以及产品投资者所满意。此外，仅仅是肉类替代物这一食品定位是不能实现长足发展的。因此，开发高营养附加值的人造肉产品或能成为未来发展趋势，诸如多营养素肉产品的开发即高纤素肉，含脂肪替代物的素肉产品，多谷物复配素肉产品等。当然，植物基人造肉是否真的能与动物肉市场相竞争，并占据食品市场的很大份额，这需要时间以及市场的考验。