多糖在人造肉制备中的应用研究

朱芙蓉，黄俊逸 ，张 志，周 辉，周 凯，徐宝才,

（1.上海大学生命科学学院，上海 200444；2.合肥工业大学食品工程学院，安徽合肥 230009；3.淮北辣魔王食品有限公司，安徽淮北 235099）

随着社会发展以及发展中国家经济实力的提升，数百万人逐渐摆脱贫困，人们对肉类的需求也逐渐增大。据联合国粮食及农业组织此前估计，到2050年，人们对肉类的需求将会增加约70%[1-2]。如果完全依赖传统肉类生产经营模式，可能需要政府增加30%～50%的土地用于肉类农业生产。而畜牧业生产是造成气候变化、土壤流失、水和营养物质污染的主要原因，同时减少食物链顶端的食肉动物和野生食草动物，也相应加重了保护动物生态系统平衡和维持自然生物多样性的压力[3]。家禽还易受疾病、气候等因素影响，使得市场价格极其不稳定。如：2019年初受非洲猪瘟等因素的影响，我国生猪和猪肉产量与2018年同期相比分别下降了约30.3%、29.1%，而猪肉市场价格持续走高，从2019年2月的12.2元/公斤升至2020年2月的36.1元/公斤[4-5]。

综合自然环境压力加剧、人口数量持续攀升、全球肉类短缺危机、健康与环保的消费风潮以及食品创新等多方面因素影响，全球农业和肉类工业面临巨大挑战[6-7]。部分企业逐渐将注意力从传统肉制品生产工艺优化转向重点研发替代传统肉制品产品，探索可持续发展和健康饮食的人造肉产品生产体系。目前，市售人造肉产品在口感、营养、风味和质地等方面与动物肉制品还存在较大差距[8]。随着科学技术的不断发展，开发和完善人造肉加工工艺和配方，探索各原材料对人造肉的影响，将是今后的研究重点。但国内外对人造肉的研究主要集中在蛋白的选料和加工上，而对能降低表面张力、增加黏度、阻止相分离、保持肉制品稳定性和改善肉制品质构的多糖相关研究较少。因此，本文首先介绍现有人造肉的种类、加工工艺、现存质量问题；随后探究多糖的结构和功能、多糖经过改性后在人造肉当中的应用和研究；最后对人造肉和动物肉在风味、营养和口感上进行了阐述。以期为丰富人造肉的品类，拓展多糖的应用范围提供理论参考。

1 人造肉的研究现状

1.1 人造肉的分类

当前，人造肉的制作方法主要有两类。一类是细胞培植肉，细胞培植肉的生产是从动物身上抽取干细胞扩增培养成肌肉细胞，随后分化成肌肉纤维而得到的肉；另一类是植物蛋白素肉[9-10]，植物蛋白素肉是以植物中提取的植物蛋白为主要原料，通过加入植物油和其他有效助剂来模拟肉的风味，经高压蒸煮和挤压等技术改变其组织结构，使之达到与肉类特性和纤维状结构一致的一种植物蛋白深加工产品[11-12]。

1.2 人造植物蛋白肉

人造植物肉通常以大豆蛋白为主要原料，通过挤压、蒸煮等现代食品加工工艺热加工形成类似于肉的组织口感，经美拉德反应或添加肉味香精来形成类似于肉的风味[12]。根据Egbert等[13]报道，植物性肉包含：水（50%～80%）、纹理植物蛋白（10%～25%）、无纹理蛋白（4%～20%）、脂肪（0%～15%）、调味剂（3%～10%）、结合剂（1%～5%）和着色剂（0%～0.5%）。

胡小静等[14]通过将魔芋多糖和大豆分离蛋白比例3:2、碳酸钠添加量2%、鸡肉抽提物添加量10%，并加入适量的糯米粉、羧甲基纤维素钠、香料、色素，结果表明魔芋仿生鸡肉风味较好、口感俱佳。张富新等[15]通过选用魔芋胶和大豆分离蛋白进行复配来提高其粘稠度，凝胶特性和乳化性能，再加碱催熟，随后添加香料，最后进行高温蒸煮，制得仿生牛肉肠口感上佳。

1.3 人造肉现存问题

江南大学陈坚教授在“2019年未来食品论坛——植物蛋白肉和细胞培养肉制造技术高峰论坛”上公开表示，当前我国在人造肉的研究和应用方面缺乏系统的研究，对植物蛋白肉结构、风味、营养等理性设计和改造上还需要进一步进行探讨和研究[11]。

1.3.1 营养方面 植物蛋白中缺乏赖氨酸和蛋氨酸，是不完全蛋白，在品质上劣于动物肉[16]。动物肉中含有如生长因子、免疫球蛋白等具有生物功效的活性物质，人造肉无法完全模拟动物肉中的成分和功效[17]。此外，人造肉在烹饪过程中需要加入油、盐等调味，易导致油、盐摄入过量，影响人的身体健康。

1.3.2 风味方面 肉品在加工过程中会经历美拉德反应、脂肪氧化、氨基酸及硫胺素的降解等过程，并产生数百种甚至上千种挥发性香气成分[18]。在人造肉制备过程中，调味料和肉味香精的添加是主要挥发性风味来源，但存在包埋效果差、香味稳定性差等问题，也在一定程度上对人造肉食品的开发造成阻碍。

1.3.3 口感方面 目前植物肉主要是由植物原料经挤压、剪切等技术成型，导致其结构质地松散、咀嚼性和弹性弱，缺乏肉类口感和质构特性[19]。因此，多糖在人造肉应用过程中对人造肉立体感、纤维硬度、嫩度、多汁性和弹性等方面的影响还需要做进一步的探索。

1.3.4 其他 与此同时，人造肉的生产仍存在一些问题，如不同厂家的设备存在差异性，因工艺参数不配套而不能保证产品的一致性；工艺机理的研究和设备的研发也存在脱节现象；对挤压后的包装技术、杀菌技术、贮藏环境等工艺研究尚少；以及在人造肉的评价标准制定缺乏统一性[20-21]。这也在一定程度上制约了人造肉的发展。

2 多糖制备人造肉研究现状

2.1 多糖的概述

多糖及其复合物广泛存在于高等动植物细胞膜和微生物细胞壁中，与蛋白质、核酸、脂类构成了最基本的生命物质，对维持生命活动起着至关重要的作用[22]。多糖是一类由20个以上单糖分子构成，通过糖苷键连接在一起的长链聚合物[23]，如淀粉、纤维素、糖原等。多糖的结构范围从线性到高度分支。其主要结构复杂多样，但多糖主链的基本结构通常是葡聚糖、果聚糖、木聚糖、甘露聚糖等，或者是两种或几种单糖的聚合物如半乳甘露聚糖、果胶。它们的支链结构是影响多糖的多样性的主要因素之一[24]。

根据组成不同，多糖可以分为同多糖和杂多糖两大类。同多糖是指由相同的糖基组成的多糖，如纤维素、淀粉。杂多糖是指由两种及以上的不同单糖单位组成的多糖，如果胶质、粘多糖[25]。多糖也可以根据功能的不同分为活性多糖和非活性多糖[26]。活性多糖具有较好的免疫调节、抗肿瘤、降血糖、抗氧化、调节肠道菌群等生理功能[27]。其中部分植物多糖具有粘性、弹性、凝胶性等流变学行为，如菊粉、柑橘纤维、圆苞车前子壳粉等[28-29]。

根据多糖在人造肉中应用目的的不同，多糖还可以分为用于改善人造肉产品质地和稠度的淀粉类物质，如木薯淀粉、马铃薯淀粉等[30]；以及可用于改善产品稳定性、凝胶性和增稠性的胶体成分，如黄原胶、魔芋胶、卡拉胶等[7,30]。

2.2 改性多糖在人造肉制备中的应用

在人造肉制品实际生产过程中，常常出现析水、析油、组织松散、弹性差等问题。以多糖为主的亲水胶体往往被要求添加到人造肉制品中来提高肉制品的持水性、凝胶强度、粘弹性等品质，赋予肉制品良好的感官体验，同时提高人造肉的出品率。

尽管天然多糖具有增稠、成胶、黏附、保水、增强分散体系的稳定性和生物降解等特性，但在研究过程中发现天然多糖的功能特性会受到糖苷键类型、相对分子质量和空间结构的限制，影响多糖在食品、药品和材料等领域的应用[31]。通过研究改变多糖空间结构、取代基的种类和数量等改性方法，可增强多糖热稳定性、凝胶性、溶解性、乳化性、增稠性以及改善淀粉老化等理化性能，甚至获得具有特定结构的功能性新材料，拓展天然多糖的新的功能特性和应用[32]。

目前，天然多糖的改性方法包括共混改性、湿热改性、超声改性等物理改性方法，酯化改性、醚化改性、交联改性、接枝共聚改性、氧化改性、络合改性等化学改性方法，以及酶法改性、微生物改性等生物改性方法[33]。

以改性多糖为主要原料制备人造肉在过去已有较多研究。Chen等[34]先将黄原胶和乳清蛋白混合物以1:2至1:10 的比例混合，随后将混合物酸化至等电点，形成的纤维结构与动物肌肉纤维类似。Wen等[35]应用物理改性和化学改性相结合的方法，将魔芋葡苷聚糖（KGM）在 pH9～12，加热温度为85～100 ℃的条件下转变为热不可逆凝胶，并将制得凝胶制作素食鲍鱼、牛百叶、素食海参等中国传统食物。但KGM热不可逆凝胶在碱性条件下单独使用时，存在着协同率高、耐低温性能差、碱性强、颜色偏深等问题，在人造肉中的应用受到了极大限制。Wang等[36]创新性的利用直流电场设计和开发KGM凝胶来取代传统碱、硼砂等胶料的使用，结果表明该方法很好地提高了KGM凝胶的安全性和质构特性。KGM凝胶性能的改善，可为调节素肉制品质地提供参考方向。

以改性多糖为主的亲水胶体不仅可在外观、口感和持水等方面模拟动物脂肪，而且在改善人类健康方面有重要意义。在未来，脂肪模拟物在人造肉中应用会成为人造肉产品开发的主要研究方向之一。Jiménez-Colmenero等[37]报道了魔芋胶、角叉菜胶和预凝胶化的玉米淀粉粉末三种物质相互协同作用形成复合魔芋胶，随后与不同类型猪脂肪的理化、流变和热学特性进行比较研究，结果表明，复合魔芋胶在质地、热稳定性、颜色和流变性等脂肪特性方面与猪背脂肪类似。Jiménez-Colmenerod等[38]随后又评估了该复合魔芋胶在冷冻过程中理化、流变性和微观结构的变化，结果表明魔芋凝胶的水结合能力在80%～90%之间，在冷藏条件下具有高稳定性，极大的改善了脂肪替代物在冷冻和加热过程中水分的流失，可作为脂肪模拟物添加到人造肉中以增强其热稳定性和冷冻保存耐受性。

此外，改性多糖还可作为食品添加剂添加到人造肉中，提高人造肉产品的切片性和弹性。王卫等[39]以鸡蛋清为原料，将刺槐豆胶、卡拉胶和魔芋胶为粘合剂，并加入葱末、调味汁、食用菌丁等辅料，经调制、灌装、蒸煮熟化等工艺得到的高蛋白素肉肠具有极佳可切片性和弹性，同时具有成本低、营养均衡、色泽、口感和风味佳等特点。

3 多糖制备人造肉特性分析

目前市场常见的多糖肉制品主要有素牛百叶以及素鱿鱼、素虾仁等产品，产品品种较为单一，大多数都是通过将多糖和其他物质进行复配得到的。吴先辉等[40]以传统海蚂蝗冻加工工艺为模型，通过复配和优化魔芋葡甘聚糖、卡拉胶、鲜竹笋等原料比例，制得的仿生“海蚂蝗冻”肉酸甜可口、冻体透明、脆度适中、口感上佳。

在多糖加工工艺上，应尽可能使人造肉在风味、质构及营养等方面都能满足消费者的需求，并尽可能降低其生产成本。

3.1 模拟肉风味分析

肉制品中的风味是指生鲜肉或加工时各种风味前体物质经过降解、氧化、美拉德反应等许多复杂的化学反应得到的极其复杂的混合物[41-42]。肉的风味又分为滋味和香味两大部分。肉的滋味主要分为甜味、咸味、酸味、苦味、鲜味五大类，相关呈味物质主要有葡萄糖、果糖、无机盐类、天门冬氨酸、肌酸、苦味肽、谷氨酸单钠盐、次黄嘌呤等[18]。一些学者通过研究发现，经加工处理后的肉制品种香气主要化合物有五大类，如内酯、呋喃、吡嗪、噁唑类以及含硫化合物[43]。

不同肉类的特种风味化合物主要来源于脂类，尤其是磷脂[42-45]。吴肖等[46]通过研究发现肉香化合物的来源分为以下3种途径：热反应过程，抽提、浓缩和萃取等过程，酶解过程。除了脂类对肉类风味的影响，肉类食品中还原糖类中碳基化合物与氨基酸或蛋白质中氨基化合物经脱水缩合、裂解、聚合等反应后，生成噻吩、吡咯、吡啶、和呋喃酮等具有肉类风味物质的副产物[30]。如王智勇[47]用盐酸将木薯淀粉糖浆转化为还原性淀粉糖浆，随后将其与氨基酸溶液混合进行美拉德反应，获得的海鲜调味品香基营养丰富且虾味浓郁，可像大多数加工食品和预制食品一样，以调味料的形式适当添加到人造肉制品中，使人造肉产品获得海鲜的风味[46]。因此，选用适当的加工处理方式是决定素肉风味的关键性因素。此外，人造肉中添加的挥发性风味成分在空气、光照、热、氧等外界环境影响下存在不稳定性，多糖具有与风味物质作用的能力，在改善封装人造肉制品风味成分的稳定性和可控的释放性起着至关重要的作用。

3.2 模拟肉组织质构分析

模拟动物肉组织质构的研究一般包含硬度、脆性、粘着力、弹性、内聚性、胶着性、咀嚼性和回复性等方面。当前，人们改善人造肉质构特性的研究主要集中在两个方面。一方面通过调整原配料的用量和配比来改善人造肉的口感。李雪莲等[48]通过选用柔韧性和咀嚼性较好的魔芋精粉与拉丝蛋白、蛋白粉和植物油等基本原料代替猪肉、鸡肉等动物肉，经加工得到的原味素火腿肠具有显著的纤维丝质感、柔性性强、口感纯正以及咀嚼性好等优点。

另一方面，一些学者通过研究植物性配料不同加工技术，来模仿肉类纤维结构和凝胶特性。刘骞等[49]以魔芋粉和卡拉胶为原料，经均质、碱性胶凝剂改性和加热等加工过程得到不可逆的凝胶，随后将不可逆凝胶作为猪背脂肪的替代物加到风干肠内，结果表明它不仅保留传统脂肪的物理感官性能，还能产生较低能量。陈松伟[50]将植物茎、叶捣碎，经浸泡、烘干、粉碎、加碱真空反应等处理步骤制备所得的高分子植物纤维素及其衍生物与甲壳类生物中提取的甲壳多糖及其衍生物进行物理吸附与络合反应得到的人造肉，既能获得肉类相似的组织结构又保持了原肉制品的风味。此外，挤压技术的使用也为人造肉质构和风味的改进提供了一条新的途径，物料在挤压筒内受到剪切、高压、高温等综合作用，其组分之间发生物理-化学变化、分子重排和相互作用得到的产品质地均匀，富有弹性和韧性[51]。如张靖豪等[52]将不同比例的香菇菌柄膳食纤维、大豆分离蛋白、木薯淀粉、粘米粉、皂角米汁、棕榈油、甜菜粉、碳酸氢钠、磷酸二钙混匀，随后加入处理好的TG酶，最后通过双螺旋挤压机挤压得到的植物肉产品在感官、风味及营养成分三方面均有显著提高。杨勇等[53]以高直链玉米淀粉、大豆分离蛋白、谷朊粉为原料，通过响应面优化高湿挤压工艺参数对素肉的持水、持油性的影响，结果表明在最优的条件下，素肉的持水、持油性分别为1.454和0.738 g/g。随后将该工艺条件下制备的素肉样品与市售素肉的质构特性和显微结构进行比较分析发现，素肉样品的纤维组织状结构紧密、切片表面平整、弹性和内聚性更佳，为未来素肉机理研究和产业化提供了数据参考。

此外，集操作简单、食品原料搭配灵活、创造空间高等优点的3D打印技术可通过控制原料理化、流变、结构和机械性能，实现消费者对肉制品形态和质构的需求[54]。将3D打印技术应用到人造肉的生产，将能极大地推进人造肉行业的发展。

3.3 模拟肉营养成分分析

目前，有关肉制品的营养成分主要包括以下四个部分：包括蛋白质及相关指标，如粗蛋白、肌原纤维蛋白、肌浆蛋白、多肽氮、非蛋白氮和氨基酸态氮等；脂肪及其降解相关指标，如粗脂肪、游离脂肪酸、脂肪酸组成、胆固醇等；可溶性糖及相关指标；重要矿物质及相关指标，如钙、铁、锌、硒、镁、铜、铬、锰、硌和铅等含量[55]。1992年武汉大学专家于国内联合首创的菌体蛋白仿生肉已出口到美国等地，采用高科技从菌体中提取并分离得到菌类纤维化蛋白，随后加入不同比例的氨基酸原料后，制得的仿生禽、畜及鱼类等素食食品，具有低脂、高蛋白等特点[56]。吕斌[57]以豆渣为主要原料，经螺杆挤压机挤压后，对素肉产品的植酸、总酚、可溶性膳食纤维、总黄酮、胰蛋白酶抑制剂含量及体外蛋白消化率等营养因子进行测定。结果显示，豆渣含量达到30%时，植酸含量、可溶性膳食纤维、体外消化率均有显著提高；而总酚含量、总黄酮含量及胰蛋白酶抑制剂活性分别降低了0.72、0.04 mg/g、339 TIU/g，挤压后各营养因子间相关系数降低。实验结果证明通过有效利用豆渣，可提高素食产品的膳食纤维及其他微量元素含量，促进人体消化吸收，丰富素肉产品的营养成分，满足人们对于健康食品的需求。

4 结语

人造肉是我国的新兴产业，能解决传统畜牧业生产方式所存在的一些问题，缓解土地资源和水资源的使用压力，且不受动物疾病的影响；与动物肉相比，人造肉在营养保健的应用方面具有低脂、低糖、高蛋白质、零胆固醇、富含膳食纤维、植物多糖、多种矿物质、维生素等优点[30]，满足素食主义者、肥胖人群和“三高”患者的需求。因此，开发药食同源的多糖、选择优质的植物蛋白或添加营养强化剂的人造肉产品有着巨大的市场前景。

但人造肉加工工艺还有待完善，未来改善人造肉的加工工艺还需要做以下几方面工作：首先，高水分挤压技术制得的产品质地致密，可产生类似于动物肌肉组织的纤维状结构。高水分挤压技术作为一项新兴人造肉重组技术，应将其从实验室理论研究转向工业生产，与国际接轨；其次，还可将高水分挤压技术与超临界二氧化碳技术或者3D打印技术等加工工艺技术结合，对真肉蛋白的三维构象、肉中的肌纤维等肉类特征进行全方位模拟，力求烹饪后的微观结构与真肉相似；此外，还应建立统一的人造肉评价标准，以保证产品的一致性；与此同时研究成品的后续杀菌技术、包装技术和贮藏条件，形成一条完整的产业链对推动人造肉产品的发展至关重要。