植物基蛋白肉產品的蛋白質平衡與營養優化設計

李若男，田曉靜，趙凱旋，張亞飛，王穩航,2*

1(天津科技大學 食品科學與工程學院，天津，300457)2(星甲(天津)生物技術有限公司卡勒貞產品開發中心，天津，300457)

人類吃肉的歷史可以追溯到250萬年前[1]。最初的目的是生存，而后隨著文明發展，人們發現肉類含有6大營養素，即蛋白質、油脂、碳水化合物、維生素、無機鹽和水。尤其是其中的蛋白質，含有成人必需的8種氨基酸，是優質的完全蛋白質，因此肉類一直被認為是最具營養價值的食物之一。但近年來，隨著人口持續增長，肉類需求急劇擴大，而肉類生產要消耗大量土地和水資源，并且會造成環境污染[2]，供需矛盾日益突出。同時，過量吃肉會加大糖尿病、心臟病和癌癥等非傳染性疾病風險[3]，人們逐漸傾向于追求更加健康營養的飲食。因此，尋找肉類替代品，也稱為“人造肉”，成為近年來的熱潮，受到人們的廣泛關注。

植物基蛋白肉，作為一類重要的“人造肉”產品，當前大多是以植物蛋白為原料，通過重塑蛋白質的聚合行為，添加油脂、色素和黏合劑等植物源配料來加工模擬出真實動物肉制品的纖維結構、口感及色澤風味。植物蛋白與動物蛋白相比，大部分是不完全蛋白質，但有數據表明[4]，植物蛋白經過一定比例復配可以滿足人體的營養需求。評價蛋白質質量主要取決于兩種因素：氨基酸組成與消化率。目前主要有3種評價方法[5]，即氨基酸評分(amino acid score, AAS)、蛋白質消化率校正氨基酸評分(protein digestibility corrected amino acid score, PDCAAS)和可消化必需氨基酸評分(digestible indispensable amino acid score, DIAAS)。通過標準評估，有望通過植物蛋白復配生產出高蛋白“人造肉”產品。

高植物蛋白“人造肉”產品在達到基本營養平衡后可與肉類相媲美。美國農業部(United States Department of Agriculture, USDA)和美國衛生與公眾服務部(United States Department of Health and Human Services, HHS)提出了營養密度一詞，大致定義為：在基礎熱量相同的情況下營養物質的濃度[6]。這不僅可以幫助人類從個人需求方面選擇真正營養豐富的食物，還會減少非傳染性疾病的發生，對人的飲食平衡和身體健康起著至關重要的作用。目前對營養密度的研究涵蓋了蛋白質、礦物質和維生素等多種營養物質以及限制性元素，并從年齡和性別上進行了詳細劃分。這也將是植物基蛋白肉研究未來的發展方向。

目前，植物基蛋白肉的發展仍處于初級階段，其基礎研究與應用開發非常匱乏，研究人員與企業主要集中于其形、色、味等感官品質，而對其營養、功能以及健康性的研究基本屬于空白，亟待加強與深入。為此，本文主要綜述了食物蛋白質的基本性質、合成與分解代謝途徑、當前有效的評估體系、植物蛋白按比例復配代替動物蛋白的趨勢和前景。其中，在達到基本營養平衡后，基于營養密度角度從宏量營養素、微量元素和維生素出發，探討了對于復配更健康的植物基蛋白肉的考量。

1 蛋白質

1.1 蛋白質的來源和性質

蛋白質是由1條或多條氨基酸連成的肽鏈經折疊而成的生物大分子。其膳食來源極其廣泛，主要包括動物性和植物性食物。在全球范圍內，相較于肉類蛋白質日攝入量18%來說，植物性食物中蛋白質日攝入量最大，可達到57%，乳制品與魚貝類分別是10%和6%[7]。大部分的完全蛋白質(含有足量且適當比例必需氨基酸的蛋白質)來源于動物性食物，如奶[8]、肉[9]、蛋[10]等，它們的攝入可以促進人體的生長和發育，維持人體正常生理活動。而植物源性蛋白質大部分是不完全蛋白質(缺少足量的1種或多種必需氨基酸)。比如豆類(大豆、豌豆等)的限制性氨基酸是含硫氨基酸(甲硫氨酸與半胱氨酸)[11]，而谷物(小麥、玉米等)中的賴氨酸含量極低[12]。同時，不同來源蛋白質的化學組成、pH、熱變性溫度以及分子量等也有很大差別，對蛋白質的物理性能有著重要影響。其中，不同來源植物蛋白被嘗試應用于植物基蛋白肉的開發，以提高肉類替代品品質。肉、蛋、奶及部分植物蛋白性質見表1[13-19]。

另外，蛋白質從分子結構來講可以分為3類[20]：纖維狀蛋白質、球狀蛋白質以及柔性蛋白質(圖1)。具有類似纖維的纖維狀蛋白大多是動物源性蛋白質，可使肉類具有良好的質地屬性，比如存在于結締組織中的膠原蛋白，肌肉組織中的肌球蛋白和肌動蛋白等。而植物源性蛋白中只有少量含有纖維狀蛋白，比如谷蛋白。球狀蛋白質類似于足球，主要是由折疊成緊密堆積結構的多肽鏈組成。而驅動蛋白質折疊的作用力主要有疏水效應、范德華力、氫鍵(α-螺旋、β-轉角和β-折疊)、二硫鍵和靜電力。目前最常見的植物蛋白大部分是球狀的，包括豌豆蛋白、大豆蛋白、大米蛋白等[21]。當然，動物蛋白中也有球狀蛋白，但與植物蛋白相比，它們的分子特征和功能屬性有很大不同(分子質量、電荷及熱變性溫度等)，這也意味著它們在食品應用中大有不同。柔性蛋白質(無序且相對柔性的蛋白)存在于少數食物中，比如酪蛋白和明膠，也屬于動物蛋白。

表1 肉、蛋、牛奶及部分植物蛋白的性質Table 1 Properties of meat, eggs, milk and some vegetable proteins

圖1 三類常見蛋白質分子結構圖Fig.1 Molecular structure diagram of three common proteins

蛋白質作為食品中最重要的功能成分，具有獨特的結構、乳化、質地以及營養等特性[18]。其食品加工特性大多不同，作為植物蛋白基產品，如何使球狀蛋白與柔性蛋白轉化為纖維狀以滿足類肉質地要求，是未來的重要研究方向。

1.2 人體對蛋白質的需求、攝入與代謝

蛋白質是人體最重要的營養素之一，是身體構建、能量代謝以及形成活性物質的重要來源。氨基酸作為蛋白質的基本組成單位，在合成肽、蛋白質以及谷胱甘肽等低分子質量物質方面發揮了極其重要的作用。目前已知的蛋白質大致含有20種非等量氨基酸，其中對于成人來說，必需氨基酸有8種，分別是蘇氨酸、色氨酸、亮氨酸、纈氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、異亮氨酸和賴氨酸；對于嬰幼兒來說，除以上8種外，還應包含組氨酸。

如圖2所示，蛋白質在經過口腔進入胃、小腸以及大腸時會發生多種物理和化學變化[22]。首先食物經過口腔加工，與唾液結合進入胃中。其中唾液中含有黏蛋白、電解質等，但大部分是水[23]。在胃中，由于胃壁肌肉收縮蠕動，食糜會與胃蛋白酶、蛋白水解酶及酸稍稍混合，酸使蛋白變性，進而部分蛋白質被胃蛋白酶水解成多肽。同時，十二指腸中也含有水解酶，即胰蛋白酶和糜蛋白酶，食糜在進入十二指腸后，大部分蛋白質被還原為氨基酸、二肽或三肽。

一部分還原為小分子的氨基酸被吸收，而未被上消化道吸收的氨基酸、肽和蛋白質則扮演著調節胃腸道的角色。微生物遍布整個胃腸道，主要集中在結腸和回腸下部。有報道指出，腸道微生物群在對高蛋白飲食進行代謝時，可能會產生對宿主有害的物質[24]。

圖2 蛋白質在人體內的消化過程Fig.2 Digestion process of protein in the human body

植物源與動物源蛋白質在消化過程中的成分不同[25]，尤其是營養物質。許多動物性食物，如肉、蛋、魚等，它們的碳水化合物很少，主要由蛋白質和脂肪組成。而植物性食物中則含有許多碳水化合物，如膳食纖維、糖和淀粉等[26]。因此兩類蛋白質在胃腸道內消化吸收程度、位置以及速度的不同，影響了荷爾蒙的分泌以及心臟病和糖尿病的易感性[27]。有報道指出，不同的植物性與動物性蛋白在胃腸道的消化率有著顯著差異[28]。一般來看，大豆蛋白比其他蛋白有更低的消化率。另外，膳食纖維也影響著植物性食物的消化。這意味著轉向植物源蛋白質飲食對人體營養吸收和健康的影響有待進一步研究。

1.3 蛋白質質量評估方法

由于人體對蛋白質的合成與分解代謝受到諸多因素的影響，比如年齡和健康狀況等。因此，蛋白質的營養價值需要綜合考量，不僅要考慮到蛋白質含量以及氨基酸組成，還需要對能量攝入，消化率以及生物利用率等進行考察。有數據顯示，為了刺激肌肉蛋白質合成并防止老年人肌肉減少癥的發生，其需要更多的必需氨基酸，蛋白質每日推薦攝入量至少為1.2 g/kg[29]。低蛋白質攝入量會導致因糖尿病、心血管病等疾病而死亡的風險大大增加[30]。這意味著蛋白質的營養價值必須考慮到消化率，而消化率的高低可能會因年齡及飲食而異[31]。

目前主要有3種營養評分來比較蛋白質質量，分別是AAS、PDCAAS和DIAAS[5]。AAS是每克蛋白質中的氨基酸質量(mg)，用以比較蛋白質中限制性氨基酸的含量。盡管AAS的評分方式比較簡單，但未考慮到消化率問題。因此PDCAAS與DIAAS在氨基酸評分的基礎上進行了改進。PDCAAS最開始是1993年，由聯合國糧農組織及世界衛生組織首選作為蛋白質質量評價標準。它通過利用粗蛋白的總消化率進行計算，并根據糞便的真實消化率進行調整。而DIAAS則是對個別氨基酸的標準回腸消化率進行校正[8]，在小腸末端確定氨基酸消化率，按公式(1)計算：

(1)

式中：參考值需根據不同年齡段的氨基酸需求模式及蛋白質攝入量計算得出[32]。

PDCAAS與DIAAS兩者的區別在于，由于微生物的降解作用，PDCAAS經糞便的真實消化率進行調整后可能導致數值被高估，而DIAAS經標準回腸消化率調整后則更加準確地反映了胃腸道吸收的氨基酸值。因此，相較于PDCAAS，更建議將DIAAS作為比較蛋白質質量的方法[33]，而之所以PDCAAS繼續被使用，主要是因為當前沒有足夠的數據來支撐所有來源氨基酸的回腸消化率[34]。

優質蛋白質應含有足量的必需氨基酸以及高的消化率。蛋白質消化率主要與碳水化合物、多酚和酶抑制劑的影響和食物結構質地有關。因此，植物源性蛋白質相較于動物源性蛋白質消化率較低，DIAAS評分也相對較低。根據聯合國糧農組織關于蛋白質質量評估的建議，采用0.5～3歲的參考模式來評估除嬰兒以外的所有年齡組的蛋白質質量，具體見表2[33,35-36]。

表2 根據0.5～3歲參考模式得，各種蛋白質來源的 可消化必需氨基酸得分Table 2 Digestible essential amino acid scores for various protein sources based on a 0.5-3 year old reference model

1.4 蛋白質配伍以提高DIAAS評分

由表2可知，動物源蛋白比植物源蛋白質具有更高的DIAAS評分，但有報道指出，喂食6 kg植物蛋白才能得到1 kg優質動物蛋白，這不僅使土地及水資源更加緊張，而且與畜牧業相關的溫室氣體也在逐年增加。為了尋求可持續性、成本及營養功能的最佳平衡，開發與設計出富含蛋白質且氣候友好型的食品非常必要[37-38]。

為了滿足人體健康需求，提供平衡的氨基酸組成，主要有2種方式，即攝入足夠多的植物源蛋白質或將不同植物源蛋白質進行合適搭配，使其達到最佳互補效果。由于人體具有的飽腹感以及植物蛋白中某些氨基酸含量極低，因此人類很難通過單純地攝入大量植物蛋白來滿足人體所需氨基酸。但有研究顯示，蛋白質種類是滿足必需氨基酸需求的關鍵，豆類富含賴氨酸，谷物有大量含硫氨基酸，因此將它們混合后可以提高蛋白質量[39]。部分優化植物蛋白組合見表3[36]。

表3 基于0.5～3歲的參考模式得分、部分優化 植物蛋白DIAAS評分和比例Table 3 Based on the reference model score of 0.5-3 years old, the score and proportion of plant protein DIAAS are partially

蛋白質之間具有極大的互補潛力，而互補程度主要取決于組合蛋白源的比例[40]，并不是所有的豆類/谷類蛋白質組合都會達到較高的分數。通過表3可以看到，添加一定比例的大豆或者土豆可以將大部分植物蛋白的DIAAS評分達到90以上，甚至100，接近于肉類蛋白。

2 植物基蛋白肉與營養密度

除了蛋白質平衡外，植物基蛋白肉的營養密度設計也尤為重要。隨著社會的經濟發展，中國的人均攝入熱量顯著提升，營養不良患病率小于10%，基本擺脫了饑餓風險，但營養失衡問題日益凸顯[4, 41]。因此，形成健康的飲食模式，既能要減少飲食能量，又要保證充足的營養攝入非常重要[42]。

“營養密度”可以反映健康飲食指標。2005年， USDA和美國HHS發布的“美國膳食指南”，建議選擇營養密集型食品[43]，從廣義上來說，營養密集型食品是健康飲食的基礎[44]。2010年，世界衛生組織提出“營養成分分析”概念并延伸出“營養密度”概念。自此，人們開始關注營養密度，以評估和分析單個食品的營養素質量[44]。當前有關營養密度的推薦值主要從年齡和性別兩方面對宏量營養素、微量元素和維生素等進行了確定。國家衛生健康委員會也于2018年發表了最新的中國居民膳食營養素參考攝入量。其中從宏量營養素、常量元素、微量元素和維生素多方面進行了詳細劃分并給出了最佳參考攝入量，這也反映了我國對于食品營養密度的重視，是未來新食品研究開發的主要方向。

但當前對于營養的研究主要集中于單一元素的含量，根據調查，消費者也主要通過單一元素(糖、脂肪等)含量來判定此類食品是否具有營養[45]。這可能意味著人們認為無糖、無脂肪的食品就是健康的，最終導致由于一個單一成分而放棄真正營養豐富的食品。中國居民膳食營養素參考攝入量中指出，4歲以上人群飽和脂肪酸攝入量<8%(能量百分比)是可以接受的。因此僅僅將重點放在能量密度、糖和脂肪上，并非真實的營養密度?！懊绹攀持改稀痹诤罄m版本中也多次強調能量和多種營養元素含量等都是影響營養密度的關鍵[6]。

雖然近年來中國飲食得到改善，但仍然缺乏優質食品。世界衛生組織在2004年和2007～2012年的歐洲行動計劃中多次呼吁食品業必須著手調整食品配方，生產健康且營養的食品。因此，提高食品營養密度迫在眉睫，開發新的營養豐富的食品成為必然。肉類替代品——植物基蛋白肉產品有望作為新一代的營養豐富的健康食品出現。

3 植物基蛋白肉成分優化

肉類替代品最早可追溯到公元965年的豆腐制品，而現今的植物基蛋白肉主要指模擬傳統肉制品的口感、質地和營養價值的食品[46]。當今市場上植物基蛋白肉產品品類眾多，比如漢堡、肉丸、火腿、肉餅以及雞塊等，而產品是否健康還是取決于所選用的成分[47]。其中用于制造植物基蛋白肉的蛋白質主要為大豆蛋白、豌豆蛋白等，但某些必需氨基酸含量較低。為獲得更好的營養與功能，需經由DIAAS優化，與谷類蛋白、豆類蛋白和菌體蛋白等復配，使之成為與肉類相媲美甚至超越肉類的優質蛋白質。

肉類中不含碳水化合物，但碳水化合物不足則會過度消耗蛋白質來滿足機體所需能量。同時，添加碳水化合物也可改善產品質地和穩定性，促進腸道蠕動[48]。因此，當前植物基蛋白肉中主要添加甲基纖維素、黃原膠和卡拉膠等來滿足這些功能和營養特性。

油脂可以使肉更加多汁、嫩滑，有更好的風味[4]，但肉類脂肪含有較多飽和脂肪酸。因此這恰恰可以通過植物脂肪來代替，比如菜籽油、葵花籽油和玉米油等，以減少飽和脂肪酸的攝入。同時，基于不同肉制品的顏色以及烹飪過程中的顏色變化，主要添加甜菜汁、番茄醬和豆血紅蛋白等來實現。

近年來肉類替代品市場在全球持續擴張，甚至跨越素食主義者走向了普通吃肉消費者，前景廣闊[4]。因此，基于植物基蛋白肉健康的設計理念，我們應使用更多天然成分進行配伍，制造出更加符合健康且環保的植物基蛋白肉。

4 展望

當今植物基蛋白肉市場日益擴大，消費者接受度大幅提高，植物基蛋白肉成為食品產業發展的主流指日可待。食品業也需著手調整植物基蛋白肉產品配方，生產出與肉類營養、功能和質地相當，乃至超越肉類營養的肉類替代品。

要達到以上目的，我們首先應解決蛋白高值化難題，尋找一些優質的植物蛋白質資源，比如藻類蛋白，蘑菇蛋白，菌體蛋白和昆蟲蛋白等。其次，通過利用一些微生物來獲取營養豐富的微量元素和維生素，比如酵母抽提物及卟啉鐵血紅素等。再次，在制備過程中充分利用生物大分子間的弱鍵相互作用，依靠生物酶交聯機制，仿照人體生物組織合成原理，即采取生物體內物理溫和的組裝形式，外力輔助成型形成最終產品。最后，相關研究者與食品業也應加大宣傳，引領消費者獲得更營養健康的飲食模式。力爭達到不僅可以模擬肉的色澤及質地，還能在營養方面與肉制品相媲美，甚至超越肉類，最終為人類生命健康提供服務。