植物基肉制品的研究進展

豆康寧 趙永敢 金少舉 李超敏 鄧同興 趙志軍

(1. 漯河醫學高等專科學校，河南 漯河 462002; 2. 河南省營養與健康工程研究中心，河南 漯河 462002)

根據聯合國糧食及農業組織[1-2]評估，到2050年，人類對肉制品的需求將會增加70%。養殖業的過度發展會給生態環境帶來諸多負面影響，破壞生態環境[3-5]，還會帶來一系列健康問題[6]。

植物基肉制品因環保、綠色、健康、安全等優勢，目前已成為動物肉的最佳替代品[7-8]。植物基肉制品的研究開發及產業化雖然已有一定成果，但與動物肉相比，植物基肉制品在口感上還有一定差距[9]。文章擬對目前有關植物基肉制品的研究應用成果及存在的問題進行綜述，以期為植物基肉制品的研究開發提供理論參考。

1 植物基肉制品的概念和命名

根據中國團體標準(T/CIFST001—2020《植物基肉制品》)有關定義，以植物為原料的人造肉被命名為植物基肉制品(Plant-based meat products)，即以植物原料(如豆類、谷類等，也包括藻類及真菌類等)或其加工品作為蛋白質、脂肪的來源，添加或不添加其他輔料及食品添加劑(含營養強化劑)，經加工制成的具有類似禽、畜、水產等動物肉制品質構、風味、形態等特征的食品。因此，該類產品也叫做素肉、植物肉、模擬肉[10]。

植物基肉產品通常采用“植物XX”“植物基XX”“植物源XX”“植物蛋白XX”“植物制成的XX”等詞匯命名，即在常見肉制產品的名稱前附加“植物”或類似限定詞，如植物漢堡肉餅、植物香腸、植物火腿等。可使用“植物源”“非植物源”等詞語輔助描述終產品的原料來源，也可同時使用“素”字輔助說明，例如，植物源肉丸、植物源素肉丸、植物源素雞等。

2 植物基肉制品的原料

植物基肉制品的主要原料有拉絲蛋白、油脂、風味物質、著色劑、粘合劑等[11]。將這些原料按照某一產品加工工藝制作成該植物基肉制品[12]。

2.1 拉絲蛋白

拉絲蛋白是一種具有組織化特性的蛋白[13]，為植物基肉制品提供類似真肉的口感和營養，是植物基肉制品的關鍵原料。拉絲蛋白的來源有大豆蛋白、小麥蛋白、豌豆蛋白、鷹嘴豆蛋白、藻類蛋白、真菌類蛋白等[14]。蛋白質種類不同，所制作出的拉絲蛋白質構差異也較大，此外，混合拉絲蛋白質構比單一蛋白質構更具優勢[15]。因此，通常將多種蛋白質按照一定的比例混合來制作拉絲蛋白。拉絲蛋白按照口感可分為細、軟、滑、硬、粗、澀型[11]。其中細、軟、滑型拉絲蛋白的口感細膩，適合做雞肉等肉質細膩的植物基肉制品。硬、粗、澀型拉絲蛋白的口感較粗糙，適合做牛肉等質地粗糙的植物基肉制品。

2.2 油脂及風味物質

油脂在植物基肉制品中不僅提供營養物質，還能調節物料的潤滑性和流動性[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]。油脂在高溫加工過程中會產生醛、酮、醇、酯等揮發性風味物質，脂質氧化降解物質參與美拉德反應也會產生肉類風味物質[17]。另外，還可以在植物基肉制品中添加還原糖、氨基酸、核苷酸等肉類風味合成物質，這些風味合成物質在高溫加工過程中通過美拉德反應形成肉類風味物質。

2.3 黏合劑

植物基肉制品的原料彼此之間結合力較小，需要黏合劑增強這些物料之間的黏結力。常用的黏合劑有谷朊粉、大豆蛋白粉、多糖膠體、變性淀粉、轉谷氨酰胺氨酶等[14]。多糖膠體具有親水性，能夠使植物基肉制品的原料混合物變濃稠并使其凝膠化[18]從而達到保持水分、保證口感、提高貯藏和凍融穩定性等目的[19]。在轉谷氨酰胺氨酶催化下，蛋白質中賴氨酸和谷氨酸兩者之間會發生交聯，形成更大的蛋白分子[20]，從而起到植物蛋白黏合劑的作用。通過微生物發酵產生的褐藻酸鈉、殼聚糖、甲殼素等[21]也可用作食物黏合劑。黏合劑具有分子間作用力和共價鍵交聯作用，對維持植物基肉制品的結構發揮重要作用。

2.4 著色劑

植物基肉制品為了模仿動物肉色澤需要添加著色劑。肌紅蛋白是動物肉色澤的主要來源，在肉類的黏結性和風味物質產生中也起著重要作用[8]。因此，開發肌紅蛋白生產技術是解決植物基肉制品色澤的首選手段。據報道，Yang等[22]利用基因工程技術改造了酵母菌基因，經發酵后生產了大豆血紅蛋白，其性質接近肌紅蛋白。此外，人工或天然色素也常用于植物基肉制品的著色，如紅曲紅、辣椒紅、玫瑰紅、甜菜提取物、胡蘿卜色素、焦糖色素、番茄色素等。楊竺紅[8]研究發現，色素之間搭配使用所產生的色澤效果更好，如將0.08%紅曲紅和0.02% 辣椒紅復配，混合色素的紅度值、黃度值以及整體色澤都更接近于牛肉色澤。甜菜提取色素與干制、熏制、腌制等動物肉色澤接近，將其應用到植物漢堡肉餅非常適宜。在選擇植物基肉制品的色素時，除了考慮色素色澤是否接近產品色澤外，還要考慮色素本身穩定性及原料pH對色素穩定性的影響。

3 植物基肉制品的加工工藝

植物基肉制品的通用加工工藝為[23]：拉絲蛋白的制作、拆絲、原料復配、斬拌、成型、熟制。拉絲蛋白即組織化蛋白，具有肌肉纖維的類似結構，其制作方法主要有紡絲法[24]、熱剪切法[25]、3D打印法[26]和擠壓法[27]。紡絲法是指植物蛋白在堿性溶液中變性處理后形成紡絲液，再經擠壓并通過噴絲板后在酸性鹽溶液中凝固，得到的纖維物質即為拉絲蛋白；熱剪切法是指植物蛋白水溶液通過兩個嵌套圓筒的間隙后，通過調節圓筒的相對轉速和加熱溫度，在圓筒剪切力作用下將植物蛋白切成分層的纖維物質，即得拉絲蛋白；3D 打印是指采用擠壓式打印技術，先將植物蛋白熔融，再通過噴頭擠壓，層層覆蓋，形成纖維結構，即得拉絲蛋白；擠壓法是指植物蛋白在螺桿擠壓機中，在溫度、水蒸氣、壓力、剪切力、摩擦力的共同作用下，蛋白質結構被破壞，由球狀變成絲狀，蛋白物料經過模頭定向排列，形成纖維組織狀結構，即得拉絲蛋白。

目前，紡絲法、熱剪切法和3D打印法存在技術不成熟和研發生產成本高的問題，尚未應用到生產中。擠壓法技術比較成熟，生產成本低，因而得到了廣泛應用[28]。

拉絲蛋白可直接通過鹵制、腌制、干制等方法得到即食的植物肉產品，如雙匯集團、南街村集團開發的素食界植物肉。若要開發植物漢堡肉餅、植物香腸、植物火腿等非即食植物基肉制品，則需要將拉絲蛋白拆絲[29]。拆絲是將拉絲蛋白用水浸泡透，然后用粉碎機進行破碎，使組織化蛋白成絲狀，再將絲狀植物蛋白代替動物肉，按照肉制品配方與工藝，如原料復配、斬拌、成型、熟制等工序，制作成相關植物基肉制品。

4 植物基肉制品的質構與感官

T/CIFST001—2020將植物基肉制品的感官品質分為形態、氣味與滋味、色澤、雜質四方面，但未涉及口感，可能是因為植物基肉制品的口感難以主觀判定。因此，植物基肉制品的口感需要借助質構來輔助判斷。有關植物基肉制品的質構指標主要有硬度、彈性、咀嚼性[8]。目前，植物基肉制品加工技術已取得了很大進步，但在口感上與動物肉還有一定差距。

評估植物基肉制品品質的方法和技術包括：感官評價[30]、質構儀[31]、掃描電子顯微鏡[32]、共聚焦熒光顯微鏡[33]、三維X射線斷層成像技術[34]、核磁共振成像技術[35]和傅里葉變換紅外光譜[36]。

曾艷等[14]指出植物基肉制品和動物肉制品口感差距的根本原因是肌肉的組織結構不同。動物肉的獨特口感來源于肌凝蛋白與肌動蛋白相互交疊形成的肌纖維結構，肌纖維的直徑大小和排列結構直接影響肌肉的質構與口感，而植物蛋白中的拉絲蛋白在加工過程中，由于技術所限，其組織結構很難達到動物肉的組織結構，因此質構與口感就會出現差異。

5 植物基肉制品的營養

通過營養復配技術植物基肉制品營養水平可以達到甚至超過動物肉營養水平。大豆蛋白蛋白質含量高(約為40%～50%)，是瘦豬肉或牛肉的2倍[37]，而且氨基酸種類豐富, 其中必需氨基酸含量較高, 接近WHO/FAO 推薦標準[38]。大豆蛋白質中蛋氨酸含量偏低，賴氨酸含量偏高，而谷類蛋白質則相反，因此，可以通過植物蛋白復配技術，提高氨基酸的含量。大豆蛋白質和小麥蛋白質復配后，其蛋白質營養價值與動物肉相當[39]。

植物基肉制品的原料配方中通常配有淀粉、膠體多糖等碳水化合物，因此，植物基肉制品中碳水化合物含量遠高于動物肉的，這些碳水化合物類物質不僅能提供營養物質，還起到粘合原料成分、提高產品質構品質、減少產品脫水的作用[40]。

與動物肉中的脂肪相比，植物基肉制品中添加的植物油不含膽固醇，并且必需脂肪酸亞油酸、亞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動物肉油脂更健康[41-42]。

動物肉是人體攝入礦物質與B族維生素的重要來源，而植物基肉制品則需通過原料組合以及添加營養強化劑的途徑滿足人體對礦物質與B族維生素的需求[43]。Hegarty等[44]將大豆蛋白肉與牛肉成分進行對比，發現經過營養強化的大豆蛋白肉中的B族維生素和鉀、鈣、磷、鈉等礦物質含量比牛肉的高。

綜上，植物基肉制品通過原料復配和營養強化技術能夠達到動物肉的營養水平。

6 植物基肉制品的市場

2019年，中國植物基肉制品產業的市場規模約為70億元，過去5年的年復合增長率在14%左右[45]，保持快速增長態勢。2020年杜邦營養與生物科學公司調查結果[46]顯示，中國對植物基肉制品的需求還在不斷增加，到2025年，中國植物肉市場規模將達到154億元左右。在中國，植物基肉制品市場已經初具規模，并且還在不斷擴大。

國外不少公司成功開發出了植物基肉制產品并已上市[47]。例如，美國Beyongd meat公司利用豌豆蛋白開發出了漢堡素肉餅(The Beyond Buger)；美國Impossible公司利用小麥蛋白、馬鈴薯蛋白和大豆分離蛋白的復配蛋白開發出了漢堡素肉餅(Impossible Buger)，其口感與牛肉十分相似；美國Morning star Farm公司利用擠壓植物蛋白(小麥面筋、大豆濃縮蛋白)、水解植物蛋白(玉米面筋、小麥面筋、大豆蛋白)和大豆分離蛋白的復配蛋白，開發出了漢堡素肉餅(Grills original burgers)，其口感、風味、色澤接近動物肉；美國杜邦公司開發出了植物肉腸、炸雞塊和涮火鍋材料植物肉等；法國Toreos公司利用小麥蛋白和鷹嘴蛋白開發出了漢堡素肉餅(Le Sauté Végétal)；加拿大Gardein公司利用大豆分離蛋白、小麥面筋和豌豆蛋白開發出了植物脆雞肉(Mandarin crispy Chicken)，可替代炸雞塊；英國Sgaia’s vegan meats公司利用小麥面筋和大豆蛋白開發出了漢堡素肉餅(Mheat buger)。

中國盡管在植物基肉制品技術落后于歐美發達國家，但技術發展速度非常快。金華金字火腿有限公司利用大豆和小麥蛋白開發出了牛肉味植物肉餅；珍肉(北京)食品科技有限公司利用豌豆蛋白開發出了人造植物肉月餅；寧波素蓮食品有限公司利用大豆組織蛋白開發出了素火腿午餐肉、牛肉粒、素干腸。雙匯集團、雙塔集團、雪榕生物、星期零等知名公司也緊跟其后，開始涉足植物基肉制品產業，其產品在市場上初具規模，且具有一定的市場影響力。

7 植物基肉制品的專利

隨著植物基肉制品商業化發展，有關植物基肉制品技術的專利保護顯得尤為重要。植物基肉制品技術專利主要涉及領域為植物基肉制品原料開發、植物蛋白纖維化技術、植物基肉制品加工技術及細胞肉培養技術[48]。植物基肉制品原料開發主要涉及植物蛋白原料開發、仿血紅蛋白色素開發及仿肉風味物質的開發應用；植物蛋白纖維化技術主要指植物蛋白的組織化工藝技術，即使組織化的植物蛋白的口感更類似于肌肉纖維；植物基肉制品加工技術主要是用于開發出商品化的產品，如素肉漢堡、素肉香腸、素肉丸子等；細胞肉培養技術主要指用動物細胞培養出細胞肉，使其口感更類似于動物肉，盡管技術難度大，成本高，但該技術仍然被給予厚望。目前，美國Beyongd meat公司、Impossible公司等國外知名公司在植物基肉制品商品化方面專利布局做得比較好，中國貴州省貝真食業有限公司、佛山市聚成生化技術研發有限公司等知名公司在功能和營養化植物基肉制品方面專利布局做得比較好。

就專利申請量方面而言，從2000年開始，海外有關植物基肉制品的專利申請量呈遞增趨勢，其中美國和日本專利申請量最大，這兩個國家也是植物基肉制品研發、生產、銷售大國，2017年專利申請量達到最高，之后呈下降趨勢[48]，這可能與植物基肉制品技術發展到瓶頸期有關。從2000年開始，中國有關植物基肉制品的專利申請量呈遞增趨勢，2016年專利申請量達到最高，為36件，超過同時期國外專利申請量總和(22件)，之后呈下降趨勢，但專利申請量每年仍高于國外專利申請量總和[48]。這說明中國是植物基肉制品研發銷售大國，擁有巨大的市場空間。盡管中國有關植物基肉制品專利申請量比較多，但也存在一些不足。一是專利整體價值不高；二是專利布局不佳，高新技術專利較少；三是專利轉化率比較低。這些專利不足之處也反映了中國植物基肉制品技術研發相對薄弱，應加大投入，提高科技研發和成果轉化。

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隱患[49]，主要包括物理、化學、生物、過敏原因素。物理因素方面，在加工植物基肉制品的過程中，可能會有金屬物質、砂子、塵埃、紙屑、木屑及其他雜質混入。化學因素方面，安全問題主要來源于是鉛、鎘、汞、砷、錫、鎳、鉻、亞硝酸鹽、硝酸鹽等化學污染物以及真菌毒素，這些化學污染物需符合GB 2762—2012 《食品安全國家標準 食品中污染物限量》的規定；真菌毒素如黃曲霉毒素B1、黃曲霉毒素M1、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、展青霉素、赭曲霉毒素A及玉米赤霉烯酮需符合GB 2761—2017 《食品安全國家標準 食品中真菌毒素限量》的規定。生物因素方面，致病源主要是沙門氏菌、金黃色葡萄球菌及微生物大腸桿菌，需符合T/CIFST001—2020 《植物基肉制品》的規定。過敏原因素方面，用于制作植物基肉制品的大豆蛋白、小麥蛋白、花生蛋白等植物蛋白可能存在致敏性[50-57]。因此，在保證植物基肉制品品質的前提下，盡量使用低過敏原蛋白，如豌豆蛋白[58]。除此之外，應在產品包裝上明確寫明原料成分，引起消費者注意。

總之，植物基肉制品加工企業應當參照GMP、SSOP、HACCP體系[59]建立完善的食品安全控制體系，確保所生產植物基肉制品的安全性。

9 總結與展望

近年來，植物基肉制品的開發應用已取得顯著成果，但植物基肉制品的口感仍然和動物肉有一定差距。針對此問題，建議從蛋白原料種類、蛋白質分子改性、拉絲蛋白生產工藝技術等方面著手研究。

目前植物基肉制品主要利用豆類、谷類蛋白質，而對藻類及真菌蛋白研究應用較少。未來可利用基因工程技術改造藻類及真菌類微生物的基因，從而得到符合消費需求的蛋白，同時拓寬植物蛋白的來源。