植物基蛋白肉产品的蛋白质平衡与营养优化设计_李若男.pdf

食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES3062023 Vol.49 No.5(Total 473)DOI:10 13995/j cnki 11 1802/ts 031683引用格式:李若男，田晓静，赵凯旋，等 植物基蛋白肉产品的蛋白质平衡与营养优化设计J 食品与发酵工业，2023，49(5):306 312 LI uonan，TIAN Xiaojing，ZHAO Kaixuan，et al Design on protein balance and nutritional optimization of plant-based protein meat products J Food and Fermentation Industries，2023，49(5):306 312植物基蛋白肉产品的蛋白质平衡与营养优化设计李若男1，田晓静1，赵凯旋1，张亚飞1，王稳航1，2*1(天津科技大学 食品科学与工程学院，天津，300457)2(星甲(天津)生物技术有限公司卡勒贞产品开发中心，天津，300457)摘要植物基蛋白肉作为新一代健康食品，近年来得到迅速发展。其主要是通过模拟动物肉制品的营养、质地、口感和风味等特性来迎合人们的饮食习惯，同时满足人们对健康营养食品的追求，以及降低饲养和宰杀动物时所导致的一系列负面影响。该文从蛋白质平衡和营养优化两方面进行考量，旨在为植物基蛋白肉产品配方提供理论基础和设计思路。首先，基于不同植物蛋白质的氨基酸水平和可消化吸收性，利用新近的蛋白质质量评估方法，进行植物基蛋白的复配以完全代替肉类，满足人体营养需求。然后，在达到基本蛋白质平衡的基础上，通过评估不同年龄和性别所需的宏量营养素、微量元素和维生素，可以使植物基蛋白肉从多方面满足人体营养需求。在对以上两方面的设计与评价中，穿插进行了营养健康的设计理念。该文有望为倡导人类饮食健康，制造出成分丰富，营养平衡的植物基蛋白肉提供理论基础与技术支持。关键词植物基蛋白肉;蛋白质平衡;营养密度;组分配伍;健康导向第一作者:硕士研究生(王稳航研究员为通信作者，E-mail:wangwenhang tust edu cn)基金项目:天津市合成生物技术创新能力提升行动专项(TSBICIP-KJGG-004);国家自然基金面上项目(32172249)收稿日期:2022-04-06，改回日期:2022-06-06人类吃肉的历史可以追溯到 250 万年前1。最初的目的是生存，而后随着文明发展，人们发现肉类含有 6 大营养素，即蛋白质、油脂、碳水化合物、维生素、无机盐和水。尤其是其中的蛋白质，含有成人必需的 8 种氨基酸，是优质的完全蛋白质，因此肉类一直被认为是最具营养价值的食物之一。但近年来，随着人口持续增长，肉类需求急剧扩大，而肉类生产要消耗大量土地和水资源，并且会造成环境污染2，供需矛盾日益突出。同时，过量吃肉会加大糖尿病、心脏病和癌症等非传染性疾病风险3，人们逐渐倾向于追求更加健康营养的饮食。因此，寻找肉类替代品，也称为“人造肉”，成为近年来的热潮，受到人们的广泛关注。植物基蛋白肉，作为一类重要的“人造肉”产品，当前大多是以植物蛋白为原料，通过重塑蛋白质的聚合行为，添加油脂、色素和黏合剂等植物源配料来加工模拟出真实动物肉制品的纤维结构、口感及色泽风味。植物蛋白与动物蛋白相比，大部分是不完全蛋白质，但有数据表明4，植物蛋白经过一定比例复配可以满足人体的营养需求。评价蛋白质质量主要取决于两种因素:氨基酸组成与消化率。目前主要有 3 种评价方法5，即氨基酸评分(amino acid score，AAS)、蛋白质消化率校正氨基酸评分(protein digestibilitycorrected amino acid score，PDCAAS)和可消化必需氨基酸评分(digestible indispensable amino acid score，DIAAS)。通过标准评估，有望通过植物蛋白复配生产出高蛋白“人造肉”产品。高植物蛋白“人造肉”产品在达到基本营养平衡后可与肉类相媲美。美国农业部(United States De-partment of Agriculture，USDA)和美国卫生与公众服务部(United States Department of Health and HumanServices，HHS)提出了营养密度一词，大致定义为:在基础热量相同的情况下营养物质的浓度6。这不仅可以帮助人类从个人需求方面选择真正营养丰富的食物，还会减少非传染性疾病的发生，对人的饮食平衡和身体健康起着至关重要的作用。目前对营养密度的研究涵盖了蛋白质、矿物质和维生素等多种营养物质以及限制性元素，并从年龄和性别上进行了详细划分。这也将是植物基蛋白肉研究未来的发展方向。目前，植物基蛋白肉的发展仍处于初级阶段，其基础研究与应用开发非常匮乏，研究人员与企业主要集中于其形、色、味等感官品质，而对其营养、功能以及健康性的研究基本属于空白，亟待加强与深入。为此，本文主要综述了食物蛋白质的基本性质、合成与分解代谢途径、当前有效的评估体系、植物蛋白按比综述与专题评论2023 年第49 卷第5 期(总第473 期)307例复配代替动物蛋白的趋势和前景。其中，在达到基本营养平衡后，基于营养密度角度从宏量营养素、微量元素和维生素出发，探讨了对于复配更健康的植物基蛋白肉的考量。1蛋白质1 1蛋白质的来源和性质蛋白质是由 1 条或多条氨基酸连成的肽链经折叠而成的生物大分子。其膳食来源极其广泛，主要包括动物性和植物性食物。在全球范围内，相较于肉类蛋白质日摄入量 18%来说，植物性食物中蛋白质日摄入量最大，可达到 57%，乳制品与鱼贝类分别是10%和 6%7。大部分的完全蛋白质(含有足量且适当比例必需氨基酸的蛋白质)来源于动物性食物，如奶8、肉9、蛋10 等，它们的摄入可以促进人体的生长和发育，维持人体正常生理活动。而植物源性蛋白质大部分是不完全蛋白质(缺少足量的 1 种或多种必需氨基酸)。比如豆类(大豆、豌豆等)的限制性氨基酸是含硫氨基酸(甲硫氨酸与半胱氨酸)11，而谷物(小麦、玉米等)中的赖氨酸含量极低12。同时，不同来源蛋白质的化学组成、pH、热变性温度以及分子量等也有很大差别，对蛋白质的物理性能有着重要影响。其中，不同来源植物蛋白被尝试应用于植物基蛋白肉的开发，以提高肉类替代品品质。肉、蛋、奶及部分植物蛋白性质见表 113 19。另外，蛋白质从分子结构来讲可以分为 3 类20:纤维状蛋白质、球状蛋白质以及柔性蛋白质(图 1)。具有类似纤维的纤维状蛋白大多是动物源性蛋白质，可使肉类具有良好的质地属性，比如存在于结缔组织中的胶原蛋白，肌肉组织中的肌球蛋白和肌动蛋白等。而植物源性蛋白中只有少量含有纤维状蛋白，比如谷蛋白。球状蛋白质类似于足球，主要是由折叠成紧密堆积结构的多肽链组成。而驱动蛋白质折叠的作用力主要有疏水效应、范德华力、氢键(-螺旋、-转角和-折叠)、二硫键和静电力。目前最常见的植物蛋白大部分是球状的，包括豌豆蛋白、大豆蛋白、大米蛋白等21。当然，动物蛋白中也有球状蛋白，但与植物蛋白相比，它们的分子特征和功能属性有很大不同(分子质量、电荷及热变性温度等)，这也意味着它们在食品应用中大有不同。柔性蛋白质(无序且相对柔性的蛋白)存在于少数食物中，比如酪蛋白和明胶，也属于动物蛋白。表 1肉、蛋、牛奶及部分植物蛋白的性质Table 1Properties of meat，eggs，milk and somevegetable proteins来源蛋白质/%MW/kDapITm/肌肉血红蛋白3676867肌红蛋白117 186 8 7 279肌动蛋白13435270 80肌球蛋白294805340 60肌浆2920 100不同50 70结缔组织胶原50 903005 860 70蛋黄60卵黄高磷蛋白7354080 0高密度脂蛋白12胶体低密度脂蛋白68胶体35蛋白45卵清蛋白58454685伴清蛋白13806663卵类黏蛋白11283970卵球蛋白830 455 5 5 893溶酶菌3514610 778卵黏蛋白152104 5 5 0乳清52-乳球蛋白511845472-乳白蛋白191424435血清蛋白66634964乳铁蛋白1 2788 970酪蛋白46S1-酪蛋白3923644 4 76S2-酪蛋白1025245-酪蛋白36240483 507-酪蛋白131905 3 5 8大豆-伴大豆球蛋白(7S)17 24150 200580大豆球蛋白(11S)36 51300 3804593豌豆豆球蛋白(11S)55 803604575 79豌豆球蛋白(7S)55 801504575 79副豌豆球蛋白55 802804575 79白蛋白(2S)18 255060110鹰嘴豆球蛋白7415 924590白蛋白1620 824590醇溶谷蛋白0517 644590玉米醇溶蛋白-玉米蛋白75 8519 246489-玉米蛋白10 1514 156489-玉米蛋白5 1016 276489加拿大油菜球蛋白6014 594584 102白蛋白2014 594584 102谷蛋白15 2014 594584 102醇溶谷蛋白2 514 594584 102注:Mw 分子质量;pI 等电点;Tm 热变性温度蛋白质作为食品中最重要的功能成分，具有独特的结构、乳化、质地以及营养等特性18。其食品加工食品与发酵工业FOOD AND FEMENTATION INDUSTIES3082023 Vol.49 No.5(Total 473)图 1三类常见蛋白质分子结构图Fig 1Molecular structure diagram of three common proteins特性大多不同，作为植物蛋白基产品，如何使球状蛋白与柔性蛋白转化为纤维状以满足类肉质地要求，是未来的重要研究方向。1 2人体对蛋白质的需求、摄入与代谢蛋白质是人体最重要的营养素之一，是身体构建、能量代谢以及形成活性物质的重要来源。氨基酸作为蛋白质的基本组成单位，在合成肽、蛋白质以及谷胱甘肽等低分子质量物质方面发挥了极其重要的作用。目前已知的蛋白质大致含有 20 种非等量氨基酸，其中对于成人来说，必需氨基酸有 8 种，分别是苏氨酸、色氨酸、亮氨酸、缬氨酸、苯丙氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸和赖氨酸;对于婴幼儿来说，除以上 8 种外，还应包含组氨酸。如图 2 所示，蛋白质在经过口腔进入胃、小肠以及大肠时会发生多种物理和化学变化22。首先食物经过口腔加工，与唾液结合进入胃中。其中唾液中含有黏蛋白、电解质等，但大部分是水23。在胃中，由于胃壁肌肉收缩蠕动，食糜会与胃蛋白酶、蛋白水解酶及酸稍稍混合，酸使蛋白变性，进而部分蛋白质被胃蛋白酶水解成多肽。同时，十二指肠中也含有水解酶，即胰蛋白酶和糜蛋白酶，食糜在进入十二指肠后，大部分蛋白质被还原为氨基酸、二肽或三肽。一部分还原为小分子的氨基酸被吸收，而未被上消化道吸收的氨基酸、肽和蛋白质则扮演着调节胃肠道的角色。微生物遍布整个胃肠道，主要集中在结肠和回肠下部。有报道指出，肠道微生物群在对高蛋白饮食进行代谢时，可能会产生对宿主有害的物质24。植物源与动物源蛋白质在消化过程中的成分不同25，尤其是营养物质。许多动物性食物，如肉、蛋、鱼等，它们的碳水化合物很少，主要由蛋白质和脂肪组成。而植物性食物中则含有许多碳水化合物，如膳图 2蛋白质在人体内的消化过程Fig 2Digestion process of protein in the human body食纤维、糖和淀粉等26。因此两类蛋白质在胃肠道内消化吸收程度、位置以及速度的不同，影响了荷尔蒙的分泌以及心脏病和糖尿病的易感性27。有报道指出，不同的植物性与动物性蛋白在胃肠道的消化率有着显著差异28。一般来看，大豆蛋白比其他蛋白有更低的消化率。另外，膳食纤维也影响着植物性食物的消化。这意味着转向植物源蛋白质饮食对人体营养吸收和健康的影响有待进