植物蛋白肉(plant protein meat,PPM)作为一种基于植物蛋白组分的创新型食品,在传统肉类消费与植物基饮食之间构建了重要桥梁。在“大食物观”的战略框架下,PPM代表了从植物资源中获取优质蛋白的重要发展方向。它既不同于单纯的素食衍生产品,也有别于传统加工肉制品,是通过现代食品工艺打造的一个具有独特属性的“新型蛋白” 食品类别[1-2]。作为一种兼具营养健康价值与可持续发展优势的肉类替代品,PPM不仅能够满足人体营养需求,还能显著降低与动物性食品相关的慢性疾病风险[3-4]。更值得注意的是,PPM产品可根据不同人群的特殊营养需求进行个性化定制[5]。
近年来,随着消费者健康和可持续发展理念的不断提升,PPM的市场需求呈现快速增长态势,2024年全球PPM市场规模已达171亿美元,预计到2035年将突破548亿美元,展现出PPM的强劲发展潜力。这一市场扩张的背后,主要得益于全球范围内生态环境保护意识的普遍增强、食品加工技术的持续创新以及产品营养价值的显著提升。
当前国际学术界对PPM的研究主要集中在3大方向:营养均衡性评估、超加工食品健康风险分析以及长期摄入PPM对人体健康的影响。相比之下,国内研究则更侧重于市场开发潜力分析、消费者购买行为数据挖掘及生产工艺优化。虽然国内企业如齐善食品、素莲食品和双塔食品等已建立起较为成熟的PPM生产线,但在整体市场份额方面仍处于相对弱势地位。究其原因,主要受限于产品口感还原度和生产成本控制两大技术瓶颈,这些挑战与原料选择、工艺设计及关键参数调控因素密切相关。综上,基于我国PPM食品工业化发展的需求,依据PPM国内外研究进展,本文重点综述了PPM原料来源、加工新技术、食用特性及应用前景,以期为我国植物蛋白肉领域产品开发、工业化生产及可持续发展提供参考和科学依据。
1 PPM原料来源
植物蛋白质是PPM的主要成分,占总量的50%～70%[6],其原料蛋白的食用功能及加工性能直接影响产品质地、营养和感官品质。目前,PPM分为单一蛋白源、复合蛋白源和新兴蛋白源,以下从原料特性、加工工艺、功能性质等方面进行综述。
1.1 单一植物蛋白源
仅使用一种植物源蛋白作为核心原料加工PPM,优势在于原料成分简单、生产流程简化、生产成本低、工艺控制稳定,能够充分发挥植物蛋白的功能特性。
目前用于生产PPM的单一植物蛋白源主要有大豆蛋白、豌豆蛋白和花生蛋白等。其中大豆蛋白源的PPM产品居多,大豆蛋白尤其是大豆分离蛋白(soybean protein isolate,SPI) 和大豆浓缩蛋白(soybean protein concentrate,SPC)能够形成类似动物肉的纤维状结构,成为植物基肉类似物的核心原料[7]。RIBEIRO等[8]将SPI和SPC混合通过高水分双螺杆挤压方法处理发现,产品质地结构均匀、稳定,可形成更多纵向纤维,能模拟出更接近真实肉类的外观和口感。岳程程等[9]以低温大豆粕为原料制得的高水分PPM具有较好咀嚼感和弹性,更接近动物蛋白肉。
与大豆蛋白相比,豌豆蛋白在可持续性、低致敏风险、加工能耗和风味创新等方面具有显著优势。其来源广泛、价格低廉且加工过程相对简单[10]。HELMICK等[11]以豌豆分离蛋白为原料,通过低温双螺杆挤压方法,利用冷变性机制削弱疏水相互作用,选择性暴露疏水区域,形成脂肪样柔软质地,更大化地模拟了脂肪和软质肉类。
花生作为油籽类常用于榨油,脱脂花生粕中含有近一半蛋白质[12],花生蛋白成本相对较低,是生产植物蛋白肉的优质原料。HARIHARAN等[13]以花生粕蛋白为原料,结合单螺杆挤压技术和酶解改性处理方法,使花生粕蛋白形成致密纤维结构,模拟动物肉的纹理特征。通过中性或碱性蛋白酶的有限水解,显著提升溶解度、乳化性和泡沫稳定性,使PPM的咀嚼感和口感顺滑度增强。
1.2 复合植物蛋白源
尽管单一蛋白基PPM的研究已经很成熟,但其氨基酸水平不平衡、质地和口感差、功能特性不足等问题显著[14],因此通过将2种或多种不同植物来源的蛋白质进行复配,以达到优化PPM营养、功能特性及质构的目的。
目前PPM市场中,以大豆蛋白与小麦蛋白复配较为广泛。SRIKANLAYA等[15] 将小麦面筋蛋白(wheat gluten protein,WG)与SPI按质量比6∶4混合,通过热空气-微波耦合加工,促使外观改善、质构优化、硬度和咀嚼性提高,使产品口感更接近动物肉的弹性和嚼劲。此外,WG和SPI氨基酸互补,持水性和持油性显著提高,使PPM的食用性、体验感更强。
俎新宇等[16]以大豆分离蛋白、豌豆分离蛋白和小麦面筋蛋白为原料,按质量比5∶2∶3通过高水分双螺杆挤压技术,形成致密网状结构,硬度和咀嚼性随小麦面筋蛋白比例增加而明显提升,持水率从44.2%提升至52.8%,增强PPM的多汁感。混合蛋白产品形成均匀、细密的多孔状纤维网络,纤维形态与真实肉类相似度更高。
张瑞鑫[17]将花生蛋白和小麦面筋蛋白按质量比5∶5混合,与0.5%(质量分数)的海藻酸钠通过高水分挤压工艺控制(模口压力3.66 MPa、温度100.20 ℃),获得质地柔软有弹性、纤维结构致密、持水性优异、冻融稳定性强的PPM,为PPM工业化生产提供可靠参数依据。
1.3 新兴植物蛋白源
近年来,除大豆、豌豆、小麦、花生等主流植物蛋白源外,还有部分新兴蛋白资源(图1)可用于生产PPM产品,其在营养价值、功能特性、环境资源保护及技术适配性等方面表现出极大优势[18],为PPM产业发展开辟了新途径。
图1 新兴植物蛋白的种类、蛋白含量与适配产品
Fig.1 Types,protein content,and compatible products of emerging plant proteins
2 PPM加工新技术
目前,PPM的生产主要依赖于传统加工技术,包括挤压技术(高湿挤压、低湿挤压)、纺丝技术(静电纺丝、湿纺丝)及剪切技术等。随着科技进步,3D打印技术逐渐成为加工PPM产品的关键技术,可复合微流控技术(微流控-3D打印技术),提升PPM产品的感官真实性。近年来,人工智能(artificial intelligence,AI)在食品领域的研究与应用不断深化,为PPM生产提供多样化可行性方案,包括人工智能集成高湿挤压技术(AI-high moisture extrusion,AI-HME)与人工智能辅助3D打印技术(AI-3D打印技术)等。这些新技术可简化加工流程、缩短生产周期、满足复杂产品生产需求,增强PPM质构与风味。并在原料适配与形态创新方面远优于传统加工技术,是PPM产品从简单替代向感官与营养双重优化方向发展的重要体现。
2.1 3D打印技术及微流控-3D打印技术
2.1.1 3D打印技术
3D打印技术在PPM生产中是一项融合数字化设计与材料科学的创新工艺,核心原理是通过逐层堆积植物蛋白原料,精准重构三维食品结构,从而制备出具有复杂几何形态、精细纹理和可控营养成分的PPM产品[19]。通过半固态挤出,3D打印技术能够精确控制植物蛋白的空间结构,模拟动物肌肉纤维的纹理与口感,显著提升产品的质构和感官特性[20]。此外,3D打印还可以通过调整配方,优化蛋白质、脂肪和膳食纤维的比例,实现营养成分的精准调控,满足消费者对低脂、高蛋白等特殊饮食需求。此外,3D打印技术在生产过程中可降低资源消耗,符合可持续发展需求[21-22]。
3D打印技术主要包含挤压式打印、粉末床熔融、喷墨式打印、粘结剂喷射4种类型。其中挤压式打印作为主流技术,能够精准模拟肉类结构、减少原料的浪费与污染[23]。用于3D打印油墨需具备剪切稀化的特性以实现流畅挤出和形状保持。将植物蛋白与多糖复合、添加转谷氨酰胺酶(transglutaminase,TG)或进行热处理可增强植物蛋白分子间的交联,改善产品的凝胶强度和持水能力[24]。CHEN等[25]以组织化大豆蛋白(textured soy protein,TSP)和拉丝大豆蛋白为原料,通过挤压式3D打印技术制备出硬度、胶质和咀嚼性接近真实牛排肉的PPM。同时,研究还发现含有TSP和黄原胶的墨水配方具有最佳的打印特性并保持了样品的完整性。
王红磊[26]以豌豆蛋白为原料,加入适量的结冷胶通过挤压式3D打印技术加工,发现打印偏差低至48.70%,可实现复杂模型的逐层堆积,显著优于传统加工方式。此外,结冷胶和TG的添加优化了打印物料的流变特性,增强了支撑性,避免打印后产生塌陷。
2.1.2 微流控-3D打印技术
微流控技术通过精确操控微尺度流体,制备具有特定形态和功能的植物蛋白基材料,为3D打印提供高精度原料。生成的植物蛋白微纤维可模拟真实肉的肌原纤维结构[27],通过3D打印逐层堆叠实现宏观肉质纹理的构建。微流控技术通过微米级通道控制流体行为,可高效制备植物蛋白基的微结构单元,这些单元可作为3D打印的墨水。在PPM生产中,微流控制备定向排列的植物蛋白纤维,通过3D打印以螺旋或束状方式组装,模拟动物肌肉的肌束结构,纤维直径与密度可进行调节,匹配不同肉类的纹理差异,提升口感真实性。利用微流控生成含植物脂肪的微颗粒或片层,通过3D打印嵌入蛋白纤维网络,实现脂肪的均匀分布或特定区域富集。还可模拟筋膜或血管鞘片层结构,增强产品的结构完整性与咀嚼韧性[28-31]。这种微流控-3D打印成型的协同技术,解决了传统挤出法难以复刻复杂肉质的局限性,通过微尺度构建的可控制备与仿生组装,有望突破传统PPM的纹理、口感及营养。
2.2 AI融合赋能技术
2.2.1 AI-HME技术
HME技术是将植物蛋白在高温、高湿和高压条件下进行挤压,促使形成动物肉的纤维质地和口感,是生产PPM的核心工艺。但存在加工参数优化效率低、复杂变量控制不足、质量调控不稳定等问题[32-33],因此将AI技术联合HME技术生产PPM可作为新兴研究方向。通过AI技术学习算法(神经网络算法、遗传算法、烟花算法)建立多参数模型,快速预测最优工艺参数,模拟复杂挤压过程实现精准调控以减少生产成本,提高生产效率。建立PPM原料数据库通过AI技术进行整合与筛选,分析原料特性与产品品质之间关系,确定最优植物蛋白原料与添加剂组合,生产出高品质PPM产品(图2)。
图2 AI-HME技术生产PPM流程
Fig.2 Flow chart of PPM production by AI-HME technology
可借助计算流体力学、有限元分析等数值模拟方法,结合AI技术对HME生产过程中的流体流动、传热传质、蛋白质结构变化等进行模拟和可视化,提高生产稳定性。同时,利用AI中的数据挖掘和模式识别技术,对设备运行数据和生产参数进行实时监测和分析,及时排除故障隐患,减少生产损失和资源消耗。
2.2.2 AI-3D打印技术
AI与3D打印技术的融合为PPM的研发与生产提供了突破性技术路径[34]。在配方设计层面,AI驱动的智能算法(如遗传算法)可快速筛选符合特定营养需求的植物蛋白原料组合,通过分析蛋白质构效关系与流变特性,结合多目标优化算法实现配方的精准调控。在生产过程控制中,集成温湿度与压力传感器的AI系统可实时监测挤出工艺参数(如剪切稀化行为、挤出压力波动),动态调整打印参数以维持物料流变稳定性,从而规避结构塌陷或层间分离风险。在结构成型环节,AI技术通过解析目标产品的几何特征与质构要求(如纤维取向、孔隙率),生成最优打印路径规划,显著缩短打印周期并降低材料损耗。温度梯度控制与多喷头协同打印技术的应用,进一步保障了复杂结构的成型精度。该技术体系通过同步优化配方设计、打印工艺、结构仿生三重维度,在维持产品营养均衡性的同时,显著提升PPM的质地拟真度与生产效能(图3)。
图3 AI-3D打印技术
Fig.3 AI-3D printing technology
AI与3D打印技术的集成不仅可解决植物蛋白墨水打印适应性差、结构完整性不足的行业瓶颈,更为定制化营养肉类制品的规模化生产提供了可扩展的技术平台。
3 PPM的食用功能
3.1 质构与感官特性
PPM质构的核心指标包括硬度、弹性、咀嚼性、内聚性和组织化度等,这些指标通过质构仪等仪器分析手段进行定量表征,能客观反映产品的纤维结构和口感[35]。其中,组织化度是衡量纤维排列紧密程度的核心指标,与咀嚼性和撕扯感呈正相关[36]。原料组分的优化对质构属性有决定性影响,蛋白质的种类、质量及含量是质构形成的关键因素。蛋白水平直接影响产品的紧实度和弹性,不同蛋白因其结构差异在热诱导交联过程中形成独特的三维网络结构,进而提升硬度和弹性。研究表明,当大豆蛋白含量达到40%时,这种热诱导作用能显著改善网络结构的稳定性和强度,而脂肪组分则主要影响多汁性,添加菜籽油可通过调节脂质分布增强产品的多汁性和口感[37]。对于PPM的质构评价需结合感官评估和仪器分析等方法,用于量化硬度、弹性、咀嚼性等参数。质地剖面分析模式对PPM质构属性的全面覆盖、客观性及操作效率等方面表现出诸多优点,成为PPM质构评估的首选方法。实际应用中结合成像技术进一步优化产品设计[38],实现产品质构的精准控制与科学评价。
PPM的感官特性是决定市场接受度的核心因素,涉及外观、质地和风味等多个维度的综合表现。PPM天然颜色灰暗,需借助甜菜红素、红曲红素等成分来模拟动物肉的颜色;质地上,依赖加工技术重组植物蛋白纤维结构,可添加甲基纤维素、卡拉胶、黄原胶等亲水胶体或TG,提升弹性、保水性和黏结性,赋予产品类似动物肉的咀嚼感与多汁性;风味上,因植物蛋白含酚类、皂苷等成分导致产生豆腥味、苦味等不良风味,可通过脱腥处理、添加酵母提取物、香料等天然或合成风味剂进行改善[39-40]。优化PPM感官特性需系统性整合原料、加工技术及风味调控策略,在颜色逼真度、质地相似度和风味自然度上持续突破,从而提升消费者接受度并推动产业发展。
3.2 营养与健康特性
多数PPM营养成分相对低于动物肉,需通过原料复配、副产物综合利用、配方优化、工艺提升和营养强化等手段达到可与动物肉媲美的水平[41-42]。PPM富含膳食纤维,显著高于传统肉类。不仅可改善产品质构,还可调节人体代谢速率、维护肠道健康,PPM营养健康价值见图4。有研究表明,PPM的摄入可显著降低冠状动脉硬化、肥胖、高血压和胰岛素抵抗等疾病的风险[43-44]。PPM展现出多重营养潜力及其在预防代谢性心血管疾病方面的前景,但其长期规律性摄入对人体健康的综合效应仍需深度探索。当前研究指出,PPM产品的具体健康影响高度依赖于其独特的配方构成、加工程度以及各类添加剂的应用等具体产品属性。因此,未来研究需要着重于基于不同产品类型和人群特点,进行长期、大规模的膳食干预研究,以全面评估PPM的长期安全性、营养充足性与健康效应。
图4 PPM营养健康价值
Fig.4 Nutritional and health value of PPM
4 PPM的应用前景
4.1 精准化营养定制
作为动物蛋白替代物,近年来PPM在精准化营养定制领域展现出极大潜力。通过优化配方、技术创新和营养强化策略,使PPM在满足感官需求的同时,针对特殊人群(如老年人、运动员、素食主义者等)的代谢特征和健康需求进行营养定制。通过调整PPM配方,调控盐分、膳食纤维、钙元素及微量元素含量,对患糖尿病或心血管疾病老年人所需营养进行精准化定制,从而改善血糖控制和心血管健康[45-46];运动健身人群需高蛋白、低胆固醇产品,可将多种优质蛋白混合优化必需氨基酸分布,以接近动物蛋白的肌肉合成效果[47]。PPM的精准化营养定制通过跨学科技术创新,不仅弥补了传统植物基产品在营养均衡性、口感与可持续性上的短板,也为个性化健康管理提供了新的解决方案。
4.2 多样化产品开发
PPM产品开发已从单一的重组肉糜类产品,向结构更为精细的肉类替代品拓展。当前主流产品形态主要包括汉堡肉饼、肉丸、鸡肉块、牛排切片等半结构化品类。在技术层面,应用植物蛋白重组技术,有望开发出模拟整体肌肉组织质地特征的全肌肉类似物,以满足消费者对“整块肉”形态的烹饪需求与感官期待[48]。风味多元化开发是提升产品吸引力的关键方向,针对不同地域消费偏好,开发具有特色风味的PPM产品,不仅能强化地域饮食文化宣传,还能显著提升产品的感官吸引力与市场竞争力。此外,开发低敏型PPM产品亦具有重要意义,降低豆源或麸质等常见致敏原含量,满足过敏人群的健康需求。PPM多样化产品的开发还需要结合消费者的实际需求,才能突破市场瓶颈,推动PPM行业的可持续发展。
4.3 资源利用及可持续发展
PPM的生产对资源利用和可持续发展显著优于动物蛋白肉,生产无需依赖大规模牧场养殖或饲料种植,可有效减少对自然生态系统的压力,PPM对生态环境的优势见图5。豆类、谷物、油籽类副产物的规模化利用进一步降低对环境影响,减少资源浪费并促进可持续食品系统。PPM的生产可减少甲烷、二氧化碳和温室气体的排放,有效缩减整体碳足迹。动物肉类生产需占用全球约77% 的农业用地,而植物蛋白仅需约十分之一的土地面积即可提供同等蛋白质产量。此外,植物蛋白的耗水量较动物肉减少约90%,对水土资源保护起至关重要的作用[49-50]。
图5 PPM对生态环境的优势
Fig.5 Environmental benefits of PPM
5 结语与展望
PPM作为未来食品的重要代表,正驱动全球食品产业向绿色、健康方向转型,这既顺应可持续发展趋势,也满足消费升级需求。本文系统梳理了PPM的核心原料来源、创新加工技术、感官特性及产品应用前景,强调现代科技与传统工艺的深度融合是突破产业瓶颈的关键。然而,当前PPM研发仍面临多重挑战:a)口感真实性与生产成本控制;b)营养组分的系统性失衡;c)消费者认知差异与市场推广障碍;d)加工技术融合创新不足;e)质量标准与监管体系缺失。未来PPM产业发展应依托科技创新与配方研究,优先攻克口感、营养及可持续性平衡的技术壁垒,并建立统一监管体系框架以保障产品的安全与透明度,开发符合主流需求的PPM产品。这将推动其成为人类餐桌的核心食材,最终实现食品产业的绿色转型与健康升级。
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