傳統肉類替代品
——人造肉的研究進展

張 斌,屠 康

(南京農業大學食品科技學院,江蘇南京 210095)

長期以來,人們認為肉類消費是健康飲食的重要組成部分,這是社會需要也是社會發展的指標之一[1]。隨著社會發展以及發展中國家經濟實力的提升,人們對肉類的需求也逐漸增大。據聯合國糧食及農業組織估計,到2050年,人們對肉類的需求將會增加約70%[2-3]。而隨著肉類需求量增加的同時,肉類相關的道德和環境問題也在逐漸加劇。例如,土地和水資源的需求增大,溫室效應引起的生態變化[4]以及和生物多樣性的喪失[5]等問題逐漸爆發。與此同時,消費者并不愿意減少對肉類的消費[6],但有些消費者已經開始擔憂肉類的可持續性以及對環境和動物福利的影響。隨著科學技術的發展以及傳統農業系統的變化,尋找新型肉類替代品可以在解決這些問題中發揮一定的作用。一方面,通過培養肉,即在培養基中利用動物干細胞,進行一定條件的培養,制造出動物肉;另一方面,通過植物蛋白以及其他植物性成分合成全素的植物肉。通過以上方法生產人造肉,能夠減少動物的屠宰,在很大程度上避免了肉類生產系統中對動物的依賴,從而進一步緩解與傳統肉類相關的動物福利、公共健康以及環境等方面的問題[7]。雖然人造肉概念早已被提出,但目前國內關于培養肉以及植物性肉的研究尚處于初步階段,為此本文綜述了上述兩種人造肉技術的方法,并總結了目前人們對人造肉的認識,最后提出了一些未來可能會遇到的挑戰,為我國人造肉研究和生產提供參考。

1 人造肉的概念

關于人造肉的解釋,國內尚無明確定義。通過查閱資料,發現目前人造肉的概念具有兩層含義,一種是在培養基中利用動物干細胞進行一定條件培養,從而制造出的動物肉;另一種是利用植物蛋白以及其他植物性成分合成具有肉類特性的食品。除此之外,人造肉目前還未擁有標準的英文術語。在英文文獻資料中,通過培養動物干細胞獲得的動物肉具有多種稱呼,如“Cultured meat”、“Synthetic meat”、“Invitromeat”和“Clean meat”等。但似乎“Cultured meat”應用最為廣泛[8],且被大多數人所接受,因而本文將使用 “Cultured meat” 作為術語,并將其稱為“培養肉”。其次,通過另一種方法合成的植物性肉,在英文中也有多種術語,如“Plant-based meat”、“Vegan meat”和“Simulated meat”,考慮到該方法的配方均來自不同植物,且產品具有一定的肉類特征,因而在本文中將“Plant-based meat”作為術語,并將其稱為“植物性肉”。此外,對于人造肉這個名詞,目前在文獻中可查閱到的有“Meat alternatives”、“Meat analogues”等與之類似的翻譯。著名企業家、慈善家比爾蓋茨出席“The Economic Club”中曾談論到人造肉,并將其稱為“Artificial meat”[9],因而本文將人造肉暫譯為“Artificial meat”。同時,本文作者期待業內專家及學者對人造肉相關的術語進行規范統一。

2 培養肉(Cultured meat)

早在1930年左右就曾有學者提出培養肉的概念,但真正開始研究利用動物細胞培養肉,是在21世紀的初期[10]。荷蘭科學家馬克·鮑斯特通過六年的研究于2012年推出世界首例人造培養肉[11]。緊接著人造肉漢堡也隨之問世,雖然單個造價接近33萬元,但這項技術的成功引起了各界人士的關注。據BBC報道國外目前已經有部分公司在進行相關工作,例如荷蘭的Mosa Meat,美國的Memphis Meats與Modern Meadow和以色列的Supermeat(雞肉)等[12]。這些公司的培養肉制作過程是不公開的,但其聲稱能夠制作出豬肉、雞肉和牛肉等,并且已經開展了小規模的私人口味測試。與此同時,有幾個生產商家宣稱將在未來五年內,面向市場銷售培養肉。盡管如此,培養肉距離商業化仍需做出進一步努力,不僅存在技術上的難題,倫理道德、食品安全以及消費者的接受程度等均需納入考慮[13]。

2.1 培養肉制作的主要步驟

培養肉作為一種人工制造的肉,擁有動物肉的細胞,具有傳統肉類的風味、口感及營養特征。培養肉主要通過提取動物骨骼肌中的成肌細胞或肌衛星細胞等,在一定的生物反應器中進行培養,最終形成具有三維結構的培養肉。參考Alfieri[14]、Kadim等[8]總結的培養肉制作步驟如下:

首先,選擇合適動物,并采集其肌肉樣本;再分離肌肉樣本中的干細胞,包括肌細胞和能夠被編譯為成肌細胞的多能干細胞;然后選擇合適的條件(溫度,氧氣等)、培養基成分、營養素和生長因子等誘導細胞(成肌細胞)生長和增殖;接著便是誘導細胞合并形成多核肌管并提供一些框架或支架,促進肌肉纖維的形成;直到其持續合成新成肌細胞和肌管分化形成新肌纖維,進一步獲得增長;再添加谷氨酰胺轉氨酶(TG酶)和蛋白質結合(催化蛋白質交聯);最后快速沉淀,獲取培養的成品。

當然培養肉主要經過特定條件培養而成,因此無論從商業角度還是生物學角度,均應該確保各個步驟的運作良好,以獲取最大利益。

2.2 現存在的技術問題

利用現有的技術雖然能夠培養出具有一定組織的培養肉,但其與傳統的肉仍有較大的差別,同時該制造過程忽視了一些與傳統肉相關的問題:一方面,傳統動物肉的肌肉組織不僅僅是由成肌細胞形成的肌細胞組成的[15],還存在一些神經、血液和脂肪細胞,但這些組織細胞在目前培養肉中缺乏或者及僅存在極低的比例。其次,動物被屠宰后會失去氧氣供應,肌肉中的糖會分解成乳酸降低肌肉中的pH,從而激活一系列酶[16]。酶活性會使得肌肉內蛋白質得到分解促進肉的嫩化,這也是動物肉后熟的過程之一[17]。然而,目前培養肉尚未出現此過程。

除了與傳統肉類相關的問題,目前培養肉的制作過程也存在大量技術難點。a.肌肉、脂肪和其他細胞共同培養出復雜的肌肉組織仍然是一個需要克服的主要技術難題;b.細胞大量繁殖,可能會引起細胞遺傳不穩定,導致癌細胞的產生。雖然這些癌細胞在食用前會死亡,并且都會被胃和腸道消化,但這對消費者來說是一個敏感問題;c.干細胞通常在含有一些營養素和動物血清的培養基中進行培養,而該血清的成分尚未明確,在工業化生產時需明確培養基以及其他營養素無菌且對人體無害;d.環境供氧的條件下抑制肌紅蛋白表達,生產出的肌纖維呈黃色,而非傳統肉的粉紅色;e.能夠在一定條件下,大規模喂養細胞,并生產培養肉的大型生物反應器尚未完善。

總而言之,雖然較多學者認為人造培養肉技術已經取得了很大的進步,但目前在動物體外培養肉的技術仍處于初步階段。實現低成本、可持續、低能耗且被消費者接受的安全、優質的培養肉是未來相關領域科學家們共同努力的目標。

2.3 消費者對培養肉的看法

Kadim等[8]分析了2015年前關于生產體外培養肉的一些看法和認識,并總結了其所闡述的主要內容和結論。本文在其基礎上,進一步總結了繼2015之后相關研究者的看法,具體見表1。與之前的分析相比,目前仍然對道德以及成本問題較為關心;但也有新的調查發現,隨著技術的發展,較多年輕、受過高等教育的消費者認為培養肉可能是未來的一種趨勢[18]。

表1 近4年人們對生產培養肉的認識Table 1 The reviews on producing cultured meat in the past 4 years

綜合來看,目前一部分消費者對體外培養肉還保留著懷疑態度,一方面是對技術的不確定性擔憂,另一方面是對未來肉類市場的未知;但也存在部分消費者表示能夠接受培養肉,并且愿意食用,因為他們相信科學技術能夠使培養肉變得健康環保;此外也有少部分人表示自己能夠接受培養肉,但并不會食用,或許是因為安全及傳統觀念等原因[22]。

就國內而言,大部分消費者對培養肉的認知尚淺。雖然部分媒體報道能夠提高消費者的認知,但產品的缺乏仍讓消費者懷遲疑的態度。此外,目前國內尚未出現明確的定義和行業規范,這讓培養肉處既不能被稱為肉或肉質品,又無法與傳統的畜肉相比擬。因此,培養肉仍需找到核心定位。當然,培養肉仍然是未來的發展方向,能耗的壓力以及大量肉的需求,使得培養肉是一個未來可期的替代品。

3 植物性肉(Plant-based meat)

植物性肉是結構化植物衍生的產品,是一種為替代傳統肉類而開發的具有肉品食用特性的仿肉制品[23]。在我國博大精深的歷史文化中,傳統的植物性肉類替代品早已存在,例如,菌菇、豆腐、豆豉和面筋等[24]。這些產品主要由蘑菇、大豆蛋白、小麥面筋以及豆類等組成,能夠補充人體所需的蛋白及其他相關的營養物質等。但傳統的植物性肉類替代品缺乏肉類的口感、質地及風味,無法替代真正的肉類[25]。因而,科學家們致力于開發一種具有肉類特征的植物性肉,利用具有紋理的植物性蛋白,輔助一些具有特性的植物性成分,來改善其色澤、風味以及口感[26]。

3.1 植物性肉的組成

根據Egbert等報道[27],植物性肉包含:水(50%～80%)、紋理植物蛋白(10%～25%)、無紋理蛋白(4%～20%)、脂肪(0%～15%)、調味劑(3%～10%)、結合劑(1%～5%)和著色劑(0%～0.5%)。從近期植物性肉的研究中發現,其成分決定了最終產品的風味、色澤和質地。為了進一步了解成分對植物肉感官品質的影響,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,豐富的含量水量保證了成品的多汁性。同時在加工過程中,水不僅能夠起到增塑劑的作用,還有助于成品的乳化[28]。此外,添加較大量的水還降低了成本,從而使產品的價格更易于被消費者接受。

蛋白質作為植物肉的主要結構形成物,不僅需要提供一定的結構特性,還應滿足營養的需要[29],因此在植物性肉中,蛋白質的地位尤為重要。其中,大豆蛋白在營養價值上,可與動物蛋白接近等同;在基因結構上也是最接近人體氨基酸[30];再加上大豆蛋白低廉的價格,使得其被應用于大多數植物性肉的生產中。除此之外,其他油籽作物的蛋白、富含蛋白質的前體材料(如小麥、大米及其他膳食類物質)等,也逐漸在探索其功能特性,并進一步應用于植物性肉的工業生產中[31-32]。豆類蛋白的功能特性,如凝膠、穩定性及乳化特性也正在被研究[33-34]。而目前的研究表明:大多豆類蛋白的結構更加柔軟,不利于形成良好的凝膠結構,因此有學者考慮到改變其氫鍵,從而增強凝膠強度。雖然如此,但美國Beyond meat公司的一款漢堡中的植物性肉,使用的正是豌豆蛋白質分離物。當然,目前人們主要關注點在大豆等油籽作物、富含高蛋白的谷物以及豆類,較少的人對葉子以及藻類植物的蛋白進行探究,或許未來葉子和藻類植物蛋白會作為新型材料來制作植物性肉[35]。目前植物性蛋白質的研究較為廣泛,主要的植物蛋白及其來源見表2[36]。

表2 主要植物蛋白來源Table 2 Main sources of vegetable proteins

脂肪的添加一方面能夠提供部分營養與能量;另一方面能夠使產品變得多汁、柔軟、風味濃郁,這使得植物性肉具有傳統肉的質地與口感,更易于消費者接受。雖然脂肪有利于植物性肉的特征形成,但過多的脂肪會引起物料松散,影響擠壓過程中的剪切力[37]。Gwiazda等[38]通過研究表明了物料中超過15%(m/m)的脂肪會使材料變滑,不利于大分子排列。因此,在生產植物性肉時,應充分考慮脂肪的含量。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、玉米油和棕櫚油等。

調味劑能夠賦予植物性肉具有真正肉的特殊風味,目前主要用于模擬肉類香氣的有還原糖(葡萄糖、木糖、果糖和核糖)、氨基酸(半胱氨酸、胱氨酸、脯氨酸、賴氨酸、絲氨酸、蛋氨酸、蘇氨酸)、硫胺素和核苷酸等[39]。特殊風味形成一方面能夠消除傳統肉類替代品的“豆腥味”,更重要的是形成肉的風味能夠讓消費者更加易于接受。當然,如何在儲藏及加工過程中讓這些特殊的風味得以保留,不產生其他異味是值得探索的問題。

結合劑主要用于水或脂肪與蛋白質的粘合,其濃度會影響到最終產品的品質[40]。結合劑不僅可以來源于植物,還可以來自于動物。目前常用于植物性肉的結合劑主要包括大豆分離蛋白及其濃縮物,小麥面筋、乳蛋白、卡拉膠、黃原膠等。其中蛋白含量高的結合劑主要以結合水和形成蛋白質網絡為主[41],蛋白含量低或者不含蛋白的結合劑通常起到填充作用。

最后,著色劑也是植物性肉中至關重要的配方之一,良好的色澤能使人產生食欲,而具有肉類的色澤也會使得消費者更加愿意挑戰植物性肉。根據最終產品的特性,將熱不穩定著色劑和還原糖組合使用,高溫下不穩定的顏色會降解[42],其次還原糖褐變會使得植物性肉產生類似“美拉德”反應,這就使得植物性肉有生肉與熟肉之分。此外,與著色劑一起使用的還有顏色助留劑,如麥芽糖糊精和水合藻酸鹽,通過顏色抑制或控制植物性肉的顏色遷移。

3.2 植物性肉的制作方法

目前擠壓、剪切和紡絲等技術已經應用于生產出具有紋理特征的植物性肉中[43]。其中擠壓技術實際是一個熱機械加工的過程[44],將植物性配料擠壓、加熱以及機械剪切后推送到模具中,從而擠壓成型。擠壓技術一般包括樣品預處理、擠壓機筒內混合或蒸煮和模具中冷卻三個主要步驟。

剪切技術是一種基于流動誘導結構的技術[45]。一般剪切發生在剪切槽中,該槽主要分為兩種:一種是基于錐板流變儀的圓錐形裝置(圖1a[36]),還有一種呈現圓柱狀的環形Couette剪切槽[46-48](圖1b)。圖1a中圓錐形剪切裝置能夠較好地在內部定義物料形變并保持恒定,這是擠壓技術不具備的優勢。而圖1b中的環形Couette剪切裝置相比擠壓裝置能夠節約10%左右的能耗[45]。

而紡絲技術分為靜電紡絲和濕法紡絲,其中濕紡主要包括制備紡絲原液、擠壓噴出形成細流、凝固形成初生纖維和纖維包裝與后處理等四個步驟[49]。濕紡在制作過程中必須要進行洗滌,易留下大量廢物流。而另一種技術——靜電紡絲技術是在聚合物溶液上施加高電壓,產生具有高縱橫比的納米級原生纖維[50]。在植物性肉制作過程中,靜電紡絲技術要求蛋白質及其他聚合物溶液需滿足一定的條件,如高溶解度、粘度、表面張力、導電性等,否則溶液無法形成泰勒錐,并進一步被電吸引到金屬收集器中[51]。

3.3 國內外研究進展

關于人造植物性肉已經擁有悠久的歷史,傳統的植物性肉類替代品僅僅是基于豆制品的一種沿伸,雖然其具有肉品相似的營養,但其尚未具備肉的口感、色澤及風味等特性。因而國內外大多數公司致力于開發類似肉的植物性產品(植物肉),目前已經有較多企業掌握一定技術并將其制作出一定的產品,具體如表3[36]所示。總的來說,大多數企業仍然以大豆蛋白作為底料,極少數企業如美國的Beyond meat和法國的Toreos采用了豆類蛋白分離物作為底料。此外可以發現幾乎每個產品都添加了類似椰子油、葵花籽油、玉米油等植物油來改善風味。

表3 已知的生產植物性肉的公司及其特色產品Table 3 Known plant-based meat companies and their signature products

有些企業還提取了植物中的血紅素來模擬肉中鮮腥和焦糖化的香氣,并為成品帶來類肉的色澤。魔芋膠、黃原膠、阿拉伯樹膠等被用于粘合各種物料,使其緊湊有彈性。總而言之,不同的公司所關注的配方并不相同,但諸多植物性物料的組合均是為了更好地將植物性肉模擬得類似于動物肉,讓消費者易于接受。

3.4 植物性肉與中國傳統素肉的異同

國內傳統素肉的產品并不鮮見,在大眾食譜中類似于腐竹、素雞、素丸子等食物層出不窮,雖然這些食物均是利用蛋白提取物制作而成,但這與西方定義的植物性肉卻有著很大區別。

首先在觀念上,國內消費者僅僅將這些產品當作一種具有類肉口感的素菜,而西方卻將植物性肉定義為肉類的替代品,不僅營養上需要滿足一定的條件,外觀及質地也需要類似于肉。其次,在配方上也存在較大的差異,國內傳統的素肉主要原料是大豆蛋白、面筋蛋白或者豆類蛋白,但其為了模仿出肉類的味道,添加了一些類似于肉味香精、色素等輔助劑;而植物性肉卻是通過提取植物中血紅素,與植物蛋白形成血紅蛋白,從而給產品提供肉色及風味,進一步模擬出肉的特征。此外,配方上的差異引起產品外觀、風味及質地差異也是國內傳統素肉及植物性肉之間差異的一種。最后,目前歐美國家的食品管理部門已經對人造肉的安全管理及監控進行了討論,而國內尚未出現制定相關標準及法規的跡象。

當然,植物性肉與傳統的素肉也有較多的類似點。一方面兩者的主要材料均是大豆蛋白或面筋蛋白或其他豆類蛋白;另一方面兩者均需要對植物蛋白進行改性,形成特定的質構。此外植物性肉與傳統素肉的營養上也存在一些類似點,如均能夠提供大量蛋白,補充氨基酸;均不會給消費者帶來肥胖的擔憂等。

綜合來看,國內植物性肉或許存在一定市場,但短期內可能不會影響傳統素肉產品的市場,這不僅是技術上的問題,更多的可能是傳統觀念、素食者人群、以及對新產品接受度等因素的影響。

4 總結與展望

隨著肉類消費水平的提高,許多國家動物膳食蛋白的供應已經逐漸跟不上需求,因而尋找新型肉類替代品,提供一種可持續的蛋白供應方案已成為亟需。人造肉是近幾年歐美地區提出的一種肉類替代品方案,主要包括人工培養肉和植物性肉。隨著研究的深入和技術的發展,無論是培養肉還是植物性肉,均已經有產品出現。因此,在未來,人造肉也許會是消費者的一種選擇。與此同時,人造肉技術還存在一些不可忽視的挑戰。就培養肉而言,研發大型培養罐進行大批量生產,并商業化是目前最大的難題;其次培養肉的安全性及制作成本也是需要考慮的問題;最重要的是如何讓消費者接受,打破傳統觀念同樣是一個挑戰。而對植物性肉而言,一方面改進國內現有的素肉制造技術,模擬出具有肉類特征的植物性肉或許是一個發展方向;其次如何擺脫對大豆蛋白的依賴,開拓其他蛋白也是值得研究的問題;最后如何完善植物性肉的口感與質地、如何監管其安全性(例如是否具有轉基因成分)、如何延長貨架期等同樣是其發展的制約因素。這些既是未來人造肉研究中的挑戰,也是相關研究的方向。