曾 艷,郝學(xué)財(cái),董 婷,孫媛霞,*

(1.中國科學(xué)院天津工業(yè)生物技術(shù)研究所,天津 300308; 2.天津春發(fā)生物科技集團(tuán)有限公司,天津 300300; 3.天津美康食品有限公司,天津 300300)

肉類是人類攝取蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)和B族維生素的重要及良好來源。隨著生活水平的提高,人類對(duì)肉類消費(fèi)需求在不斷增加。從1961年到2011年,全球人均肉類消費(fèi)量從23千克/人/年增加到40千克/人/年[1]。預(yù)計(jì)至2050年全球人口將超過90 億,而肉類需求量將增至4.64億噸[2]。動(dòng)物飼養(yǎng)與肉類生產(chǎn)會(huì)占用大量的土地、糧食和水,產(chǎn)生大量的糞便、污水與二氧化碳,加劇環(huán)境污染與溫室效應(yīng)。以牛肉生產(chǎn)為例,生產(chǎn)1 kg牛肉需占用約190 m2土地,消耗6～8 kg谷物飼料和15～16 m3水,同時(shí)產(chǎn)生至少14～19 kg二氧化碳[3-5]。同時(shí),醫(yī)學(xué)研究證實(shí)肉類特別是紅肉的過度攝入,會(huì)造成高血壓、高血脂與心腦血管病等隱患[6],而畜牧業(yè)的抗生素濫用會(huì)導(dǎo)致耐藥菌蔓延,威脅公共衛(wèi)生和生態(tài)安全[7]。因此,為解決人類對(duì)肉類的需求和由傳統(tǒng)養(yǎng)殖業(yè)帶來的環(huán)境資源壓力,減少肉類過度攝入導(dǎo)致的健康問題,提高國民身體健康水平,非動(dòng)物養(yǎng)殖來源蛋白質(zhì)的開發(fā)受到廣泛關(guān)注,食品行業(yè)的研發(fā)人員致力探索通過細(xì)胞培育或植物加工生產(chǎn)出肉類替代食品。

2013年,荷蘭馬斯特里赫特大學(xué)Mark Post教授從牛細(xì)胞組織中分離出干細(xì)胞進(jìn)行體外培養(yǎng),讓細(xì)胞通過繁殖生長分化作用依托于膠原蛋白支架形成肌肉纖維,進(jìn)而形成肌肉團(tuán)塊,生產(chǎn)出第一塊細(xì)胞培育的人造牛肉漢堡,引起世界轟動(dòng)[8]。然而,細(xì)胞培育肉通常需要使用價(jià)格昂貴的胎牛血清培養(yǎng)基,培養(yǎng)過程容易受到酵母或霉菌等雜菌污染,操作需要嚴(yán)格無菌,并保證適宜的pH、滲透壓、溫度以及二氧化碳濃度,而且,有限的細(xì)胞分裂速度導(dǎo)致細(xì)胞培育肉無法顯著提高產(chǎn)量,此外,細(xì)胞培養(yǎng)肉也面臨消費(fèi)者認(rèn)可與監(jiān)管法規(guī)許可的考驗(yàn)[9]。與此對(duì)比,植物蛋白肉以植物蛋白為主要原料,經(jīng)過高溫高壓工藝提高蛋白質(zhì)的類肉纖維結(jié)構(gòu)組成,并添加油脂、色素等非動(dòng)物性食品配料,使其形態(tài)口感風(fēng)味更接近真肉,具有成本相對(duì)低廉、食品安全系數(shù)高、容易批量生產(chǎn)、可以滿足素食消費(fèi)需求的特點(diǎn),被認(rèn)為是目前更具市場(chǎng)潛力的肉類替代食品生產(chǎn)方式之一[10-12]。

人類食用植物蛋白質(zhì)的歷史悠久,植物蛋白質(zhì)在世界飲食文化結(jié)構(gòu)中占有重要地位。如由大豆加工而來的中國食品豆腐流傳至今已經(jīng)有2100多年,發(fā)源于印尼與日本的大豆發(fā)酵食品tempeh與納豆、流行于阿拉伯地區(qū)的油炸鷹嘴豆丸子falafel廣為人知[13]。然而,盡管中國國民對(duì)植物蛋白素肉的概念并不陌生,從最早的豆腐到后續(xù)由豆制品衍生而來的素雞、素鴨、素魚以及面筋、腐竹等都是在中國人舌尖上容易出現(xiàn)的替肉食品,植物蛋白肉與傳統(tǒng)的植物蛋白素肉依舊有所區(qū)別。其一,雖然在宗教信仰引導(dǎo)下傳統(tǒng)的植物蛋白素肉流傳于東方國家,而植物蛋白肉的興起卻源于過去幾十年內(nèi)西方國家對(duì)植物蛋白質(zhì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值與營養(yǎng)功能的認(rèn)知普及;其二,傳統(tǒng)的植物蛋白素肉以豆制品為原料,制作依賴于廚房式運(yùn)作,對(duì)工人的烹飪專業(yè)技巧要求高,研發(fā)產(chǎn)品以中式食物為主,而植物蛋白肉的原料不再局限于豆類,開發(fā)了菌類、藻類等多元化食材,而且加工工藝能夠?qū)崿F(xiàn)高度機(jī)械化與工業(yè)規(guī)?；?產(chǎn)品更符合西方消費(fèi)理念需求;其三,傳統(tǒng)的植物蛋白素肉對(duì)動(dòng)物肉的模擬主要停留在形的層面,而植物蛋白肉在質(zhì)地特性、風(fēng)味口感與營養(yǎng)功能上研究深入,對(duì)動(dòng)物肉的仿真模擬發(fā)生了質(zhì)的變化。

近年來植物蛋白肉產(chǎn)業(yè)擴(kuò)張勢(shì)頭兇猛。據(jù)市場(chǎng)研究公司Mordor Intelligence的報(bào)告,現(xiàn)代植物蛋白肉市場(chǎng)在2019～2025年內(nèi)將以8.6%的年復(fù)合增長率增速,亞太地區(qū)市場(chǎng)增速最快,歐洲則成為最大市場(chǎng)。預(yù)計(jì)至2025年,植物蛋白肉行業(yè)總值將達(dá)212.3億美元[14]。歐美發(fā)達(dá)國家的多家食品公司已經(jīng)提前布局實(shí)現(xiàn)植物蛋白肉的市場(chǎng)化,不僅獲得了可觀的風(fēng)險(xiǎn)投資,而且擁有眾多核心專利技術(shù),推出了多款產(chǎn)品。然而,國內(nèi)的植物蛋白肉產(chǎn)業(yè)才剛起步,企業(yè)與市場(chǎng)分散、產(chǎn)品配方及加工技術(shù)有待加強(qiáng)。

鑒于國內(nèi)的植物蛋白肉產(chǎn)業(yè)發(fā)展落后于歐美,而國內(nèi)缺少對(duì)植物蛋白肉的原料篩選、加工技術(shù)工藝以及產(chǎn)品質(zhì)構(gòu)營養(yǎng)特性等方面研究的系統(tǒng)總結(jié),本文將對(duì)國內(nèi)外植物蛋白肉相關(guān)研究進(jìn)展進(jìn)行綜述,以期為國內(nèi)植物蛋白肉的研發(fā)生產(chǎn)與應(yīng)用推廣提供參考。

1 植物蛋白肉原料

按重量比例計(jì),植物蛋白肉通常由50%～80%水分、10%～25%植物組織化蛋白、4%～20%植物非組織化蛋白、3%～10%的風(fēng)味著色物質(zhì)、0～15%的油脂以及1%～5%的粘合劑組成[15]。其中,高含量水分不僅可以提供類肉多汁感,還可以在加工過程中發(fā)揮降粘、增塑、產(chǎn)生氣化熱及作為反應(yīng)溶劑等作用。植物蛋白質(zhì)在加工過程中的溫度、剪切力、壓力和水共同作用下,從天然的球狀聚集態(tài)重組轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂蓄愃苿?dòng)物肉纖維結(jié)構(gòu)和咀嚼感的組織化植物蛋白,構(gòu)架了植物蛋白肉產(chǎn)品的骨架結(jié)構(gòu)。而非組織化蛋白可與多糖等粘合劑協(xié)同作用,提高組織化植物蛋白骨架的持水凝膠能力,促進(jìn)類肉有序組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定形成。風(fēng)味著色物質(zhì)與油脂主要用于提升植物蛋白肉的類肉外觀與香氣風(fēng)味的像真性。

1.1 蛋白質(zhì)

蛋白質(zhì)的溶解性、持水性、持油性、乳化性、發(fā)泡性、凝膠性等,是植物蛋白肉模擬動(dòng)物肉形成類肉纖維結(jié)構(gòu)所必需的功能特性。油料蛋白中的大豆蛋白(包括脫脂大豆粕、濃縮大豆蛋白、分離大豆蛋白、大豆組織化蛋白和水解大豆蛋白),氨基酸組成均衡,價(jià)格相對(duì)低廉,具有良好的溶解性、持水性、乳化性、凝膠性,是植物蛋白肉最常見的蛋白質(zhì)原料[15-17]。來自谷物蛋白的小麥麥麩蛋白具有良好的吸水性、黏彈性、薄膜成型性、熱固性,也是植物蛋白肉常見的原料,其發(fā)生水合作用可形成由二硫鍵維持的三維蛋白質(zhì)網(wǎng)絡(luò),增加產(chǎn)品的黏彈性和硬度,提高色澤穩(wěn)定性、出汁率和保水性[18]。近年來,盡管豆類蛋白中的豌豆蛋白熱誘導(dǎo)膠凝能力弱于大豆蛋白,卻由于非轉(zhuǎn)基因、非過敏源、不含雌激素、生物利用度高等優(yōu)點(diǎn),被視為是大豆蛋白更好的替代品,備受植物蛋白肉市場(chǎng)追捧。比爾-蓋茨投資的美國人造肉公司Beyond Meat公司推出以豌豆蛋白為主要原料的植物蛋白肉漢堡[19-21]。此外,由于蛋白質(zhì)的化學(xué)組成、氨基酸序列和高級(jí)結(jié)構(gòu)以及pH、溫度、離子強(qiáng)度等環(huán)境因素變化對(duì)蛋白質(zhì)的物理性能具有重要影響,不同來源的植物蛋白質(zhì),包括花生蛋白[22-23]、油菜籽蛋白[24]等油料蛋白,羽扇豆蛋白[25]、鷹嘴豆[26]等豆類蛋白,大米蛋白、玉米蛋白[27-28]等谷物蛋白以及鐮孢霉[29]、側(cè)耳[30]、雙孢蘑菇[31]等菌類蛋白和原始小球藻[32]、螺旋藻[33]等藻類蛋白也被嘗試應(yīng)用于植物蛋白肉的制造,以提高產(chǎn)品品質(zhì)。

1.2 油脂及風(fēng)味物質(zhì)

油脂是直接影響動(dòng)物肉多汁、柔嫩和風(fēng)味釋放的重要屬性,也是植物蛋白肉的必需原料,不僅如此,油脂能減少加工過程中物料與設(shè)備的摩擦系數(shù),改善物料的流動(dòng)性。然而,油脂用量過高會(huì)導(dǎo)致物料在強(qiáng)烈剪切下發(fā)生滑移,擠出物無法穩(wěn)定成型[34]。因此,植物蛋白肉配方中的油脂用量會(huì)控制在15%以下。目前已報(bào)道用于植物蛋白肉的油脂包括葵花籽油、菜籽油、玉米油、棕櫚油、椰子油和大豆油等[12]。油脂在高溫高壓下氧化降解產(chǎn)生的醛、酮、醇、酯等揮發(fā)性物質(zhì),是參與肉類特征風(fēng)味形成的重要成分。除脂質(zhì)氧化外,脂質(zhì)氧化降解產(chǎn)物參與的Maillard反應(yīng)也是肉類特征風(fēng)味產(chǎn)生的重要途徑。因此,在植物蛋白肉的加工過程中,除直接添加Maillard反應(yīng)類型的肉類香精外[35-36],還可添加還原糖、氨基酸、硫胺素和核苷酸等肉類香氣前體物質(zhì),在高溫下進(jìn)行氧化降解與Maillard反應(yīng),形成肉類特征風(fēng)味物質(zhì)[37]。此外,為掩蓋大豆蛋白的腥味和苦澀味,植物蛋白肉制品還會(huì)加入大蒜、洋蔥、芹菜、辣椒以及鼠尾草等香辛料。

1.3 著色劑

動(dòng)物肉的肉色主要由肌紅蛋白決定,其所含血紅素鐵離子的價(jià)位、配體以及配體的空間位阻是肉色變化的關(guān)鍵所在。不僅如此,由于血紅素鐵能夠催化加速脂類氧化,促進(jìn)肉制品揮發(fā)性風(fēng)味物質(zhì)生成,而且,肌紅蛋白粘膠性強(qiáng)、能夠增加組織致密性,提高韌性口感,呈現(xiàn)動(dòng)物肉肉色、肉味以及肉感的肌紅蛋白替代品成為最引人關(guān)注的植物蛋白肉原料。含有血紅素鐵的大豆血紅蛋白雖然氨基酸序列與肌紅蛋白差異大,α、β鏈的三級(jí)結(jié)構(gòu)卻與肌紅蛋白相似,有與肌紅蛋白相近的食品化學(xué)性質(zhì)[38],美國植物蛋白肉龍頭企業(yè)Impossible Foods公司通過基因工程改造畢赤酵母發(fā)酵生產(chǎn)大豆血紅蛋白(美國專利公開號(hào):US9808029B2),經(jīng)美國食品和藥物管理局FDA批準(zhǔn)作為著色劑用于旗下產(chǎn)品。目前在食品安全菌株中導(dǎo)入生物合成基因生產(chǎn)動(dòng)物血紅蛋白的研究已見報(bào)道,同時(shí),有關(guān)科研機(jī)構(gòu)也開展了借助合成生物學(xué)技術(shù)制造動(dòng)物肌紅蛋白并應(yīng)用于細(xì)胞培育肉或植物蛋白肉的研究。

除大豆血紅蛋白外,甜菜提取物、焦糖色素、胡蘿卜色素、番茄醬、石榴果粉等也被用于植物蛋白肉產(chǎn)品著色,如紅甜菜根汁提取物擁有良好的水相分散性,能有效模擬熟、熏、半干和發(fā)酵腌肉等動(dòng)物肉類加工產(chǎn)品的色澤[39],已作為色素用于Beyond Meat公司的植物蛋白肉漢堡上。色素的應(yīng)用可能影響植物蛋白肉制品的質(zhì)構(gòu)性能。Singh等[40]發(fā)現(xiàn)甜菜粉不僅增加了玉米蛋白擠壓物的紅色色澤,而且提高了擠壓物的密度、硬度和膳食纖維含量,同時(shí)降低了擠壓物的吸水性、水溶性指數(shù)、膨脹率和吸油能力。由于植物蛋白肉的纖維結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，易受pH影響,選擇著色劑時(shí)需要考慮原料的pH適配性與固色穩(wěn)定性。

1.4 粘合劑

植物蛋白肉是以植物組織化蛋白、脂肪風(fēng)味物質(zhì)以及水為主體形成的高水分三維聚合物凝膠網(wǎng)絡(luò),能在壓力下抵抗流動(dòng)并保留適當(dāng)機(jī)械強(qiáng)度,但一旦遭到破壞,結(jié)構(gòu)所結(jié)合的水分、脂肪風(fēng)味物質(zhì)會(huì)快速流失直接影響植物蛋白肉的口感。因此,具有弱分子間力與共價(jià)鍵交聯(lián)作用的粘合劑對(duì)維持植物蛋白肉微觀結(jié)構(gòu)意義重大。除持水、持油、凝膠性能良好的蛋白質(zhì)如小麥麥麩蛋白、大豆分離蛋白、大豆?jié)饪s蛋白外,羧甲基纖維素、阿拉伯膠、黃原膠、卡拉膠、褐藻酸鈉、魔芋葡甘聚糖和變性淀粉等多糖類物質(zhì)也能改善油脂與風(fēng)味物質(zhì)在蛋白質(zhì)凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的包埋分布,減少油脂聚集絮凝,粘合原料形成更加緊湊穩(wěn)定的各向異性基質(zhì),增加風(fēng)味物質(zhì)釋放位阻效應(yīng)[41-42]。研究發(fā)現(xiàn)0.1%褐藻酸鈉的加入提高了花生蛋白質(zhì)在高水分?jǐn)D壓下的纖維化程度,擠出物的氫鍵作用與疏水性相互作用增強(qiáng),膠體結(jié)構(gòu)更為緊密均一,彈性、拉伸性、硬度以及咀嚼感都有大幅度提升[43]。粘合劑的弱分子作用力包括氫鍵、靜電吸引、范德瓦爾力和疏水性相互作用等,共價(jià)鍵交聯(lián)則主要來自蛋白質(zhì)分子間的二硫鍵交聯(lián)與在轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶催化下由蛋白質(zhì)賴氨酸和谷氨酸相互作用形成ε-(γ-谷氨酰胺基)賴氨酸鍵交聯(lián)[44]。因此,轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶等酶類蛋白交聯(lián)劑也可用作植物蛋白肉粘合劑。迄今已有借助合成生物學(xué)策略通過微生物發(fā)酵生產(chǎn)纖維素、褐藻酸鈉、甲殼素、殼聚糖等粘合劑的報(bào)道[45],而通過蛋白質(zhì)工程技術(shù)提高轉(zhuǎn)谷氨酰胺酶、漆酶等蛋白交聯(lián)劑酶學(xué)性能的研究也在不斷深入。鑒于與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與化學(xué)制造工業(yè)相比,生物制造技術(shù)在土地利用、能源消耗以及原料轉(zhuǎn)化方面具有強(qiáng)大優(yōu)勢(shì),來源于生物制造符合食品安全法律法規(guī)要求的新型粘合劑在植物蛋白肉上的應(yīng)用大有潛力可挖。

2 植物蛋白肉加工

目前,能有效形成纖維狀蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、規(guī)?；a(chǎn)可行性高的植物蛋白肉加工工藝主要包括紡絲法、擠壓法和剪切法。

2.1 紡絲法

紡絲法制造植物蛋白肉可分為濕法紡絲技術(shù)和靜電紡絲技術(shù)。在濕法紡絲中,高純度的植物蛋白質(zhì)與粘合劑混合溶解在稀堿溶液中形成“紡絲液”,經(jīng)多孔板或噴嘴擠壓到酸性鹽溶液后凝固拉伸纖維化成型[46]。靜電紡絲利用高壓靜電場(chǎng)對(duì)植物蛋白質(zhì)高分子溶液或熔體的擊穿作用,在噴射裝置和接收裝置間施加高壓靜電場(chǎng),噴射裝置前端的紡絲液滴形成圓錐形泰勒錐,并向接收裝置方向拉伸形成射流,溶劑揮發(fā)后最終在接收裝置上形成無紡狀態(tài)的蛋白質(zhì)納米纖維[47]。

濕法紡絲需要使用大量酸和堿,化學(xué)污染大,食用安全性低,在植物蛋白肉的生產(chǎn)上已被逐步淘汰。靜電紡絲要求植物蛋白質(zhì)原料不僅溶解度高、粘度高、電導(dǎo)率高、表面張力高,而且需要在溶解狀態(tài)下以無規(guī)卷曲形態(tài)存在,以促使噴絲過程中原料相互作用發(fā)生纏繞。然而,植物蛋白肉的常見原料豆類蛋白主要以球蛋白形式存在,在水溶液中容易凝聚。雖然化學(xué)改性或添加助溶劑能夠提高靜電紡絲原料性能,在入口食品制造上卻并不適用。目前,只有在乙醇水溶液中以無規(guī)卷曲形態(tài)存在的玉米醇溶蛋白[48]以及加熱狀態(tài)下成無規(guī)卷曲形態(tài)的明膠、乳清蛋白[49]被發(fā)現(xiàn)具有靜電紡絲加工植物蛋白肉的可能,但明膠或乳清蛋白是否符合植物蛋白肉生產(chǎn)的原料許可還待商榷。由此可見,受原料約束,靜電紡絲在植物蛋白肉上的應(yīng)用發(fā)展空間有限。

2.2 擠壓法

擠壓加工集物料的混合、均質(zhì)、熟化、成型等多個(gè)單元操作于一體,植物蛋白肉原料通過螺桿輸送壓縮,在加熱的機(jī)筒中受到剪切力和摩擦力雙重作用形成熔融流體,維持蛋白質(zhì)高級(jí)結(jié)構(gòu)的氫鍵、范德華力、離子鍵和雙硫鍵遭到破壞,蛋白質(zhì)高度規(guī)則的空間結(jié)構(gòu)瓦解,肽鏈松散伸展呈相對(duì)線性,隨著剪切不斷進(jìn)行,不斷增多的呈線性蛋白質(zhì)分子鏈相互靠近吸引;當(dāng)物料被擠壓經(jīng)過模頭時(shí),在定向流動(dòng)作用下產(chǎn)生一定程度的取向排列,形成纖維狀組織結(jié)構(gòu)。擠壓加工具有原料適用性寬、連續(xù)性較好、工藝集成性高、無污染物排放等特點(diǎn),是目前植物蛋白肉最常見的生產(chǎn)加工方式。

由于生態(tài)和區(qū)位的不同，北京城市副中心相對(duì)應(yīng)的每個(gè)鎮(zhèn)變化的建設(shè)用地均不相同，其變化的建設(shè)用地面積大小代表了2030年期限內(nèi)每個(gè)鎮(zhèn)的發(fā)展?jié)摿?。因此，城市增長模擬的各鎮(zhèn)發(fā)展?jié)摿A(chǔ)可作為考慮各鎮(zhèn)區(qū)的主觀發(fā)展需求的依據(jù)，在此基礎(chǔ)上可反推出未來通州各鎮(zhèn)集體建設(shè)用地的減量面積，作為未來通州各鎮(zhèn)集體建設(shè)用地指標(biāo)分配的參考條件。規(guī)劃中，將北京城市副中心各鎮(zhèn)的建設(shè)用地變化量進(jìn)行計(jì)算，得出各鎮(zhèn)的現(xiàn)狀建設(shè)用地變化比例。集體建設(shè)用地指標(biāo)轉(zhuǎn)換流程如圖4所示。

根據(jù)物料含水率不同,擠壓工藝可分為物料水分含量低于40%的低水分?jǐn)D壓和物料水分含量高于40%高水分?jǐn)D壓,其中,始于20世紀(jì)60年代的低水分?jǐn)D壓技術(shù)對(duì)原料的蛋白質(zhì)含量要求不高,設(shè)備可為單螺桿或雙螺桿擠壓機(jī),機(jī)筒的溫度設(shè)置由喂料端到模頭端依次為低-高-高,濕物料以高溫狀態(tài)流經(jīng)模頭,物料水分瞬間變成熱蒸汽導(dǎo)致擠出物發(fā)生膨脹,制得的產(chǎn)品含水量低,結(jié)構(gòu)呈膨化海綿狀,大小、形狀和風(fēng)味多樣,口感松軟,主要用于植物蛋白肉的香腸和肉餅制作,使用前需要復(fù)水處理。始于20世紀(jì)80年代的高水分?jǐn)D壓技術(shù)需采用帶有冷卻模具的雙螺桿擠壓機(jī),要求原料中的蛋白質(zhì)含量在60%以上,機(jī)筒的溫度設(shè)置由喂料端到模頭端依次為低-高-低,擠出物中的水分得以保留,制品組織化程度高、富有彈性和韌性,更接近動(dòng)物肉制品,可直接食用[18,50-51]。模具設(shè)計(jì)以及操作參數(shù)如機(jī)筒溫度、物料含水率、喂料速度、螺桿轉(zhuǎn)速等會(huì)在蛋白質(zhì)原料特性的基礎(chǔ)上對(duì)植物蛋白肉擠壓成品的色澤、外觀、質(zhì)構(gòu)造成重要影響[52-55]。Palanisamy等[56]發(fā)現(xiàn)水分是影響乳扇豆擠壓形成蛋白質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。含水率低于40%時(shí),乳扇豆蛋白的水化作用不完全,無法有效交聯(lián)。含水率高于68%時(shí),蛋白變性程度減少,物料粘度減小,蛋白質(zhì)的相互作用與交聯(lián)反應(yīng)程度相應(yīng)降低。擠壓轉(zhuǎn)速顯著影響擠出物的顏色呈現(xiàn)效果,高轉(zhuǎn)速能夠提高擠出物的持水性能。由于能耗低、制品性能好,高水分?jǐn)D壓工技術(shù)在植物蛋白肉生產(chǎn)上的應(yīng)用潛力獲得行業(yè)普遍認(rèn)同。

2.3 熱剪切法

植物蛋白肉的熱剪切法加工技術(shù)與所需設(shè)備由荷蘭瓦赫寧根大學(xué)的Atze Jan van der Goot教授發(fā)明改進(jìn)。熱剪切法工藝借用剪切流概念,設(shè)備核心主體已經(jīng)從小型的嵌套圓錐“Shear Cell”發(fā)展到適合規(guī)模生產(chǎn)的“Couette Cell”,后者由兩個(gè)嵌套圓筒組成,外層圓筒保持固定不動(dòng),內(nèi)層圓筒可以勻速旋轉(zhuǎn)。將植物蛋白原料和水混合加入所謂的“剪切區(qū)”即圓筒間隙后,通過調(diào)節(jié)圓筒轉(zhuǎn)速與溫度,控制加工時(shí)間,即可在剪切力和加熱的簡單組合下將植物蛋白質(zhì)原料加工為均一、分層的纖維結(jié)構(gòu)[57-58]。

Atze Jan van der Goot團(tuán)隊(duì)使用Couette Cell,在溫度90～110 ℃、內(nèi)圓筒轉(zhuǎn)速5～50 r/min、作用時(shí)長5～25 min下剪切大豆分離蛋白與小麥麥麩蛋白的混合原料,獲得了微觀尺度各向異性的多層纖維狀植物蛋白肉[60]。此外,他們還應(yīng)用Couette Cell成功加工了果膠與大豆分離蛋白混合物[59]以及大豆?jié)饪s蛋白[61]的纖維結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)在剪切法中高溫可以降低混合原料粘度,加速蛋白質(zhì)伸展,直接改變混合物的相分離和變形過程,提高剪切成型物的柔韌性,是影響剪切工藝重構(gòu)植物蛋白結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素。原料屬性不同,所需加工溫度不同,使用Couette Cell在不同溫度下剪切豌豆分離蛋白與小麥麥麩蛋白混合物,95 ℃的剪切成型物呈軟面團(tuán)狀,110 ℃為含小部分纖維的形態(tài)弱凝膠,120 ℃為纖維結(jié)構(gòu),130 ℃為脆性的纖維結(jié)構(gòu),140 ℃則是層狀結(jié)構(gòu)。采用相同條件、在95～140 ℃下剪切大豆分離蛋白與小麥麥麩蛋白混合物,不管溫度如何變化,剪切成型物均具有明顯的纖維結(jié)構(gòu)[62]。由于Couette Cell加工植物蛋白肉的剪切力恒定、機(jī)械能耗比擠壓工藝下降約10%,加工容量擴(kuò)大時(shí)不需要重新設(shè)計(jì)設(shè)備,增加剪切區(qū)長度即可,極具工業(yè)應(yīng)用生產(chǎn)植物蛋白肉潛力,熱剪切技術(shù)已獲得聯(lián)合利華、奇華頓、宜瑞安等公司共同投資,相關(guān)研發(fā)試用正在推廣階段。

3 植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)特性

動(dòng)物肉的獨(dú)特質(zhì)感來源于肌肉的組織結(jié)構(gòu)。肌肉的主要組分是由結(jié)締組織包圍支撐的肌纖維。肌纖維直徑為10～100 μm,長度為10～40 mm,由直徑4～16 nm的肌凝蛋白與直徑6～8 nm的肌動(dòng)蛋白相互交疊為肌絲形成。肌纖維的排列結(jié)構(gòu)和直徑大小直接影響肉的風(fēng)味質(zhì)構(gòu)。肌纖維束中的肌纖維數(shù)越多,肌纖維越細(xì),肉就越細(xì)嫩。包圍肌纖維的結(jié)締組織主要包括膠原蛋白與彈性蛋白,其在肌纖維束上的分布狀態(tài)與肉的韌性密切相關(guān),而肌纖維所吸附結(jié)合的水分狀態(tài)是影響肉多汁性的重要因素[63]。

模擬動(dòng)物肉精細(xì)復(fù)雜的肌肉組織結(jié)構(gòu),塑造動(dòng)物肉質(zhì)感是植物蛋白肉發(fā)展最為制約的難題。即使外觀相差無幾,通過感官評(píng)定結(jié)合質(zhì)地特性測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)分析,能夠清楚地區(qū)分植物蛋白肉與動(dòng)物蛋白肉的差異以及植物蛋白肉制品自身的質(zhì)構(gòu)特性好壞。Kim等人使用雙孢蘑菇菌絲體替代大豆蛋白制作植物蛋白仿牛肉餡餅,發(fā)現(xiàn)制品中的納米顆粒減少,纖維定向排列增加。然而,盡管餡餅的硬度、彈性與咀嚼感以及鮮味都有提升,專業(yè)感官評(píng)定人員仍然認(rèn)為這款產(chǎn)品與真實(shí)的牛肉餡餅相差較遠(yuǎn)[30]。Chiang等[64]在高水分?jǐn)D壓制備植物蛋白肉中改變大豆?jié)饪s蛋白與小麥麥麩蛋白比例,發(fā)現(xiàn)使用30%麥麩蛋白的擠出物具有最高的組織化程度、硬度與咀嚼感,纖維結(jié)構(gòu)由更小的纖維絲連接而成,二硫鍵是擠出物形成纖維結(jié)構(gòu)的主要?jiǎng)恿?而大量氫鍵的形成維持了纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。Chiang等[65]還使用牛骨水解物與核糖的美拉德反應(yīng)產(chǎn)物與大豆?jié)饪s蛋白混合,通過高水分?jǐn)D壓制備植物蛋白仿雞胸肉。發(fā)現(xiàn)在49%水分下的擠出物雖然質(zhì)構(gòu)特性和微觀結(jié)構(gòu)最接近白煮雞胸肉,但與白煮雞胸肉相比,顏色依舊偏暗,含水量低、硬度低。與此類似,Sharima-Abdullah制備的植物蛋白仿雞肉塊與市售雞肉塊相比,顏色偏黃,亮度、硬度、咀嚼感、彈性、粘性測(cè)試值低[26]。Samard和Ryu[66]以重量比例為40∶60大豆蛋白和小麥麥麩蛋白為原料,不添加其他配料在45%水分下擠壓制備植物蛋白肉,比較擠出物與豬肉、牛肉以及雞肉的性能差異,發(fā)現(xiàn)盡管溶解氮指數(shù)、完整性指數(shù)以及咀嚼感與雞肉相似,植物蛋白肉的吸水能力、彈性與粘聚性指標(biāo)與動(dòng)物肉差異顯著,作者推測(cè)通過掃描電子顯微鏡在擠出物定向纖維結(jié)構(gòu)中觀察到的大量無規(guī)則形狀氣泡是導(dǎo)致植物蛋白肉與動(dòng)物肉差異的主要原因。

感官評(píng)定具有主觀性,不能客觀量化評(píng)價(jià)植物蛋白肉制品的質(zhì)構(gòu)特性;質(zhì)構(gòu)儀雖然可以量化測(cè)試彈性、硬度、脆性、嫩度以及咀嚼感等指標(biāo),但測(cè)試結(jié)果容易受植物蛋白肉的水分含量影響,與纖維形成結(jié)構(gòu)的相關(guān)性不高;依賴于掃描電子顯微鏡的微觀結(jié)構(gòu)分析,在操作中需要對(duì)樣品進(jìn)行切割,容易破壞產(chǎn)品原有結(jié)構(gòu),不能準(zhǔn)確反映纖維形成的完整細(xì)節(jié)。為獲得更多的植物蛋白肉結(jié)構(gòu)信息以指導(dǎo)生產(chǎn)技術(shù)改進(jìn),一些方便快捷、無創(chuàng)性的檢測(cè)手段也開始應(yīng)用于植物蛋白肉質(zhì)構(gòu)特性考察。

Schreuders等[62]以大豆分離蛋白與小麥麩質(zhì)蛋白或分離豌豆蛋白與小麥麥麩蛋白為原料,使用熱剪切技術(shù)在120 ℃下加工植物蛋白肉,通過共聚焦熒光顯微鏡觀察到微觀結(jié)構(gòu)中大量定向排列的長條狀纖維,借助三維X射線斷層成像技術(shù)對(duì)植物蛋白肉微觀結(jié)構(gòu)中的氣泡量與氣泡幾何形狀變化進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)剪切溫度升高會(huì)促進(jìn)植物蛋白肉微觀結(jié)構(gòu)中的氣泡合并逃逸,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)大空洞,彈性降低。此外,Schreuders等[67]通過低場(chǎng)核磁共振技術(shù)測(cè)試了不同原料的水分橫向弛豫時(shí)間T2,用以考察纖維狀蛋白結(jié)構(gòu)在高溫下的流變學(xué)性質(zhì)變化。由于豌豆分離蛋白的T2小于小麥麥麩蛋白的T2,兩者形成的均相纖維狀蛋白中小麥麥麩蛋白的含量比豌豆分離蛋白高,而大豆分離蛋白T2大于小麥麥麩蛋白的T2,兩者所形成的均相纖維狀蛋白中的小麥麥麩蛋白的含量比大豆分離蛋白低,導(dǎo)致豌豆分離蛋白與大豆分離蛋白分別與小麥麥麩蛋白混合進(jìn)行熱剪切時(shí)的流變學(xué)性質(zhì)不同。Guo等[36]使用水分橫向弛豫時(shí)間T2分析了水分在以大豆分離蛋白與小麥麥麩蛋白為原料的植物蛋白肉中的存在狀態(tài)與遷移情況,發(fā)現(xiàn)當(dāng)小麥麥麩蛋白用量從30%增至40%時(shí),代表非結(jié)合水的橫向弛豫時(shí)間T21與T22數(shù)值增加,說明植物蛋白肉的微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部松散出現(xiàn)裂縫,水的流動(dòng)性增強(qiáng)。與此對(duì)應(yīng),紅外光譜分析也發(fā)現(xiàn)在植物蛋白肉中與氫鍵結(jié)合相關(guān)、代表蛋白質(zhì)穩(wěn)定二級(jí)結(jié)構(gòu)的α-螺旋與反向平行β-折疊的比例減少,而松散的β-轉(zhuǎn)角比例增加。豌豆蛋白的低水分?jǐn)D壓、螺旋藻與羽扇豆混合物的高水分?jǐn)D壓以及花生蛋白的高水分?jǐn)D壓研究也發(fā)現(xiàn)α-螺旋與β-折疊增加可以穩(wěn)定植物蛋白肉制品的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[20,23,25]。

4 植物蛋白肉營養(yǎng)組成

植物蛋白質(zhì)與動(dòng)物蛋白質(zhì)在氨基酸模式與蛋白質(zhì)消化率上存在較大差異。豆類蛋白的含硫氨基酸含量與谷物蛋白的賴氨酸含量均低于動(dòng)物蛋白質(zhì)[24]。而蛋白質(zhì)在高溫高壓下發(fā)生的美拉德反應(yīng)與二硫鍵交聯(lián)等作用,會(huì)進(jìn)一步降低植物蛋白肉中的賴氨酸與含硫氨基酸的含量。植物蛋白質(zhì)的消化率通常低于動(dòng)物蛋白,而且容易受加工方式等多重因素影響。作為使用最為廣泛的植物蛋白肉原料,大豆蛋白的必需氨基酸組成符合人體需求,除蛋氨酸含量略低外其余必需氨基酸豐富,更為重要的是大豆蛋白的消化率約為60%,經(jīng)熱處理后可以提高至90%,與動(dòng)物肉接近。復(fù)配不同種類的蛋白質(zhì)作為原料或添加氨基酸進(jìn)行補(bǔ)充,并且通過加熱、擠壓或發(fā)酵等預(yù)處理手段提高原料的蛋白質(zhì)消化率,是提高植物蛋白肉制品中蛋白質(zhì)質(zhì)量的有效方法。

動(dòng)物油脂的主要脂肪酸為長鏈脂肪酸,包括油酸、棕櫚酸、硬脂酸和亞油酸,以油酸含量最高。動(dòng)物油脂的飽和長鏈脂肪酸含量超過30%。而不同種類的植物油脂在脂肪酸組成上存在明顯差異。如油菜籽和葵花籽的主要脂肪酸均為長鏈脂肪酸,但油酸在油菜籽中含量最高,亞油酸在葵花籽中含量最高。椰子油主要由中鏈脂肪酸和長鏈脂肪酸組成,月桂酸、豆蔻酸以及棕櫚酸含量豐富[69]。楊春英等[70]對(duì)國內(nèi)市場(chǎng)品牌的15種食用植物油(包括菜籽油、椰子油、葵花籽油、大豆油等)的脂肪酸進(jìn)行氣相色譜-質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)除椰子油外,其余14種植物油中的不飽和脂肪酸含量均達(dá)75%以上。亞油酸等不飽和脂肪酸具有降血壓和降膽固醇等多重生理功能,中鏈脂肪酸也被證實(shí)具有降低體重、改善脂代謝的作用,因此,植物油脂被視為植物蛋白肉制品營養(yǎng)價(jià)值的重要體現(xiàn)。

雖然動(dòng)物肉的原始碳水化合物含量極低,但其加工過程中通常會(huì)添加碳水化合物以增加乳化性等加工性能。碳水化合物可以提高產(chǎn)品的風(fēng)味與形態(tài),是植物蛋白肉的必需組成要素。如單糖參與的美拉德反應(yīng)能夠生成肉類特征香氣物質(zhì),多糖的粘性與凝膠性能夠提高產(chǎn)品纖維結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。不僅如此,羧甲基纖維素、黃原膠和阿拉伯膠等植物蛋白肉粘合劑被報(bào)道具有類似膳食纖維的作用,有利于控制體重與血脂[71]。然而,植物蛋白肉所用的碳水化合物不僅包括健康的膳食纖維,也可能包括被認(rèn)為不利于健康的淀粉和精制糖。

Bohrer[72]對(duì)不同品牌的植物蛋白肉制品與動(dòng)物肉的同類產(chǎn)品進(jìn)行了營養(yǎng)差異對(duì)比分析。發(fā)現(xiàn)來自Beyond Meat以及Impossible Food的植物蛋白肉漢堡餅雖然熱量值與麥當(dāng)勞牛肉漢堡餅接近,但蛋白質(zhì)、脂肪與飽和脂肪酸含量低,碳水化合物和膳食纖維含量高,并且不含膽固醇;Gardein品牌的植物蛋白肉仿牛肉丸的蛋白質(zhì)含量與Tyson品牌的牛肉丸相似,但脂肪含量低,膳食纖維含量高;與Tyson品牌的雞肉塊相比,Quorn品牌的植物蛋白肉仿雞肉塊的蛋白質(zhì)含量、脂肪含量以及熱量低,膳食纖維含量高。Sharima-Abdullah等[26]使用鷹嘴豆粉、小麥粉、大豆分離蛋白、鹽、多聚磷酸鈉、洋蔥粉、雞肉香精與棕櫚油硬脂等制備植物蛋白仿雞肉塊,發(fā)現(xiàn)與市售雞肉塊相比,產(chǎn)品的蛋白質(zhì)、碳水化合物以及灰分的含量高,含水量與脂肪含量低。上述對(duì)比測(cè)試顯示植物蛋白肉制品具有低膽固醇、低脂肪與高膳食纖維的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。

動(dòng)物肉制品是人類攝入微量元素與B族維生素的重要來源。植物蛋白肉制品可以通過變更原料組合、添加營養(yǎng)素強(qiáng)化劑,提供與動(dòng)物肉接近的微量營養(yǎng)素指標(biāo)。Kumar等[73]使用大豆蛋白、蘑菇、小麥麥麩等制備了植物蛋白肉的仿雞肉塊,發(fā)現(xiàn)制品的油脂、膽固醇、游離脂肪酸以及鈉的含量均低于雞肉塊,而鉀、鋅和鐵的含量顯著高于雞肉塊。Caporgno等[31]以大豆分離蛋白與原始小球藻為主要原料通過高水分?jǐn)D壓制備植物蛋白肉,發(fā)現(xiàn)添加原始小球藻能夠提高制品的維生素B和維生素E含量。Fresán等[74]從市場(chǎng)收集了56種植物蛋白肉制品,發(fā)現(xiàn)以大豆為主要原料的植物蛋白肉制品不僅含有更多膳食纖維與ω-3脂肪酸,微量元素鐵、鋅、維生素B1、維生素B2、維生素B6以及葉酸的含量也更高;而以堅(jiān)果為主要原料的植物蛋白肉制品的脂肪、單不飽和脂肪酸與煙酸的含量更高。Cutain和Grafenauer[75]發(fā)現(xiàn)從市場(chǎng)收集的137種植物蛋白肉制品(包括植物蛋白肉漢堡、植物蛋白肉餡、植物蛋白肉香腸等)中,有18%的產(chǎn)品添加了鋅強(qiáng)化劑,20%的產(chǎn)品添加了鐵強(qiáng)化劑,24%的產(chǎn)品添加了維生素B12強(qiáng)化劑。Gonowrie等[76]從特立尼達(dá)和多巴哥地區(qū)收集了多款植物蛋白肉產(chǎn)品,發(fā)現(xiàn)收集的植物蛋白肉產(chǎn)品不但鐵含量接近動(dòng)物肉制品,而且鈣、維生素B12與維生素B6含量的平均值都高于動(dòng)物肉制品。但是,不同品牌產(chǎn)品的微營養(yǎng)素測(cè)試結(jié)果相差極大。由此可見,基于原料性質(zhì)和加工工藝的差異,只有對(duì)植物蛋白肉制品的營養(yǎng)組分進(jìn)行準(zhǔn)確的分析測(cè)試,才能客觀真實(shí)地評(píng)價(jià)市場(chǎng)所售植物蛋白肉與動(dòng)物肉制品營養(yǎng)價(jià)值孰優(yōu)孰劣。

5 結(jié)論

在環(huán)境資源保護(hù)壓力、消費(fèi)者生活理念改變以及風(fēng)險(xiǎn)資本市場(chǎng)運(yùn)作的共同推動(dòng)下,近年來現(xiàn)代植物蛋白肉發(fā)展迅速。然而,植物蛋白肉制品與動(dòng)物肉同類產(chǎn)品仍然存在一定差距。鑒于原料組分與加工工藝是共同決定植物蛋白肉制品質(zhì)量的關(guān)鍵因素,植物蛋白肉的后續(xù)研發(fā)仍然應(yīng)該以動(dòng)物蛋白肉的風(fēng)味質(zhì)構(gòu)與營養(yǎng)價(jià)值為導(dǎo)向,在加強(qiáng)對(duì)植物蛋白肉的風(fēng)味、微觀質(zhì)構(gòu)與營養(yǎng)全方位了解的基礎(chǔ)上,充分借助合成生物學(xué)等新技術(shù)挖掘開發(fā)生產(chǎn)各類優(yōu)質(zhì)原料,深入探討原料組分的相互作用與加工工藝對(duì)原料組分特性的動(dòng)態(tài)影響作用機(jī)制,才更有可能制造出“不是肉勝是肉”、滿足消費(fèi)者感官與健康需求的植物蛋白肉產(chǎn)品。