介绍植物性肉类

什么是植物性肉类?

ob体育官方GFI使用“植物性”一词指的是由植物或其他替代动物性产品的原材料制成的产品。这包括植物性肉类、海鲜、鸡蛋和乳制品。本综述主要关注植物性肉类和海鲜的科学。

植物性肉类的概念并不是现代发展的产物。植物性肉类的流行和种类已经几个世纪以来稳步增长.然而,许多早期的植物性肉类产品是为素食消费者设计的。早期的植物性肉类并没有试图完全复制或仿造传统肉类。最近人们对可持续性、粮食安全以及工业化畜牧业对环境和公共卫生的影响已经激发了开发植物性肉类的紧迫感,以吸引主流消费者,而不是小众市场。这导致了一种爆炸的创新在过去的十年里。如今的植物性肉类选择吸引了快速增长的“弹性素食”消费者群体。

植物性肉类:预计2030年的生产需求

这个基于场景的分析概述了行业预期的成分量、制造需求和瓶颈。

植物性肉类的市场是什么?

弹性素食的消费者正在寻找植物性肉类的选择,以创造与动物性肉类相同的感官体验。这些消费者有意减少肉类消费,但并不完全放弃动物性产品。多吃植物的决定通常是出于对健康、环境或动物保护的考虑。它也可能只是一种获得新鲜和多样化的美味和负担得起的食物的方式。弹性主义的兴起正在产生相当大的影响市场增长植物性食物。

尽管植物性食品的市场增长,但植物性肉类目前是不到百分之一亚太地区肉类零售市场植物性肉类要在未来几十年成为全球肉类市场的重要组成部分,还需要进行大量的研发。只有通过协调一致的努力,将资源(财力、人力和技术)导向这一领域,植物性肉类产业的这种创新和随后的增长才能实现。

植物性肉类是如何制成的?

动物肉主要是肌肉组织。植物没有肌肉。怎么我们看到的生长在田野里的植物变成了一块肉,看起来、闻起来、吃起来和烹调起来都像动物的肉?

在最简单的层面上,动物肉是由蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水组成的。虽然植物没有肌肉,但它们含有蛋白质、脂肪、维生素、矿物质和水。植物性肉类利用了植物和动物之间的这种生化相似性。

对于我们通常食用的十几个动物物种中的每一种蛋白质、脂质或功能性化合物,我们都可以在植物王国中寻找类似物或替代品。如果自然界中不存在替代品,我们可以尝试通过对植物成分的机械、化学或生物处理来制造。

肌肉组织中蛋白质的独特空间排列造就了肉的独特质地。与大块的动物肉(如鸡胸肉和猪排)相比,切碎或剁碎的肉质地更简单,更容易复制,这些动物肉是由完整的肌肉组织制成的。在这些全肌肉类型的产品中,蛋白质的空间排列与质地密不可分。因此,毫无疑问,要想用植物成分制作出完整的动物肉块,还需要克服更多的技术挑战。

生产植物性肉类的一般方法包括三个主要步骤。首先,我们种植农作物作为原料来源。其次,我们对这些作物进行加工,去掉我们不需要的部分。在这个阶段,我们最终得到的蛋白质、脂肪和纤维成分将成为我们的植物性肉类产品。最后,我们把想要的配料混合在一起。然后,这种混合成分经过一个制造过程,创造出肉所需要的类似肌肉的质地。

无论我们是在做植物汉堡、鸡肉串、猪肉饺子还是生鱼片,这些相同的生产步骤都适用。这一页的其余部分更详细地总结了这三个技术部门——作物开发、成分优化和最终产品配方和制造。我们强调每个技术部门的现状、现有挑战和前瞻性机遇。

那其他植物性替代品呢?

有关植物性乳制品的具体资料,请参考ob体育官方GFI印度植物性乳制品网络研讨会和一个ob体育官方GFI研讨会关于植物基牛奶的胶体方法来自马萨诸塞大学阿默斯特分校的朱利安·麦克雷门茨博士。关于优化鸡蛋替代品的功能属性和应用的信息,请参阅GFI的技术论文ob体育官方植物性鸡蛋替代品

虽然真菌和藻类在生物学上不被归为植物,但植物为基础的产品包括真菌和藻类成分包括在我们对植物性食物的定义中。产品,如Meati的牛排这是由仅仅来自真菌的发酵过程不被归类为植物性肉类。想了解更多关于像Meati这样的公司如何使用真菌生物质发酵生产类似肉类的信息,请参考我们的科学的发酵页面。想了解更多关于微藻和海藻作为替代蛋白质来源的信息,请点击查看ob体育官方GFI印度的分析

拖拉机收割麦田

作物发展

开发以植物为基础的肉类最终用途的作物将减少下游加工的成本和耗时。它还可以改善植物性肉制品的感官和营养状况。

作物发展的现状

有必要优化作物以生产植物性肉类。

除了淀粉、纤维和油等成分外,植物还含有蛋白质。不同种类的植物和植物的不同部位具有不同的蛋白质类型和结构组合。从植物中提取的蛋白质的种类和数量在植物性肉类、鸡蛋和乳制品中产生了不同的功能特性。

这些植物性蛋白质是植物性肉类的主要原料。直到最近几年,大豆和小麦蛋白一直主要用于植物性肉类。但这些作物的育种、种植、收获和加工考虑已经优化为其他产品,而不是植物性肉类。例如,大豆主要被优化为油料作物。

最近,豌豆和土豆等作物在植物性肉类中得到了广泛的应用。但历史上,这些作物的培育和种植都着眼于淀粉的生产。这意味着,目前大豆、小麦、豌豆和马铃薯的商业品种可能牺牲了蛋白质含量、成分、分离难易性、溶解性和风味,以追求最大限度地提高油或淀粉生产所需的特性。

需要建立连接植物蛋白结构-功能的开放获取数据库。

一些公司正在建立内部数据库,其中包含各种作物蛋白质的特性和功能的数据。然而,这些数据并不公开。

有一些学术研究正在进行,以开发作物作为植物性肉类的原料来源。其中一项研究包括培育具有更丰富和更高质量蛋白质的作物品种。另一种研究途径是确定和利用现有农业和食品供应链中的副产品,作为植物蛋白质和成分的来源。

2020年3月,本森希尔生物系统公司宣布第一个商业化的超高蛋白大豆品种。Equinom是另一家致力于此的公司培育专门作为蛋白质来源的植物植物性肉类,鸡蛋和奶制品。

作物发展挑战

大多数作物还没有被开发用于植物性肉类。

很少有公开的育种和作物开发专注于优化植物性肉类的植物蛋白质来源。绝大多数作物尚未探索其在植物性肉类应用中的适用性。在许多情况下,企业家或现有的植物性肉类公司无法获得适当的原材料来测试这种适用性。

植物性产品的必要功能范围很广。例如,一种在植物性牛奶中具有高溶解度的豌豆蛋白成分,可能在植物性肉制品中溶性太强,无法形成纤维结构。因此,需要各种商业化的豌豆蛋白成分,具有溶解性、持水性、凝胶性和其他功能特性,以适应特定的最终用途。然而,植物性肉类制造商目前在商业上可获得的植物成分的来源和种类方面选择有限。

新颖的功能性植物蛋白的供应太有限了。

即使有新的蛋白质,它们的供应也往往非常有限,无法成为植物性肉制品新系列的主要原料。这种有限的供应可能是由于产量低或没有足够的独特供应商。此外,与商品作物相比,产量较低和相对缺乏优化,导致不太常见的植物蛋白质每磅价格较高。这进一步抑制了它们在植物性肉制品中的利用。

最后,种植地点和条件影响作物品质和蛋白质特性。这增加了供应链中起始原料的可变性,造成了中游原料的不一致性。这反过来又会对最终的植物性肉类产品产生负面影响。如果没有原位和高通量筛选技术来快速和容易地表征作物的分子成分,要弄清楚特定批次的作物作为植物性肉类原料的表现会有多好,就会耗费大量时间和资源。

作物发展的下一步是什么

以植物为基础的肉类生产需要优化作物的蛋白质含量、质量和功能。

我们有机会通过培育增加蛋白质含量和质量的作物品种和其他有机体来提高植物性肉类生产的效率。应该开发多种高蛋白作物的品系,以优化它们的植物性肉类应用。从传统育种方法到现代基因工程方法,可以使用一系列育种技术来实现这一目标。

各种各样的高蛋白豆类、种子和草类可以为特定类型的植物性肉类和海鲜提供这一目的。此外,应该种植和商业种植资源密集度低于陆地植物(需要耕地和大量投入)的新型蛋白质来源。这些来源可能包括微藻和大藻、真菌和其他微生物。

同时,减少异味和改善感官特征的育种可以增加消费者对植物性肉类的接受度。虽然新培育的品种进入商业生产可能需要时间,但为植物性肉类原料增加多样性和规模的一个更快的方法是对现有的农业侧流进行定价。

未来的作物开发可能会采用像高通量筛选这样的新技术。

不可能准确预测和控制干旱或洪水等可能对作物产量和质量产生一系列有害影响的恶劣天气事件。将室内农业和垂直农业技术结合起来,有助于更严格地控制生长条件,可能会提高用于植物性肉类的原材料的一致性。然而,目前还不清楚植物性肉类所需要的作物类型和数量是否能够以经济的方式垂直种植。

另一个机会领域是采用高通量筛选方法和设备来测量功能特性。为了评估成百上千种未被开发的蛋白质来源的功能特性,并捕捉哪些特性会因生长条件和地理位置的变化而改变,这些高通量和系统的方法需要易于获得。

对于那些不能轻易缩小规模用于高通量使用的检测方法,可以使用计算或机器学习方法将容易获得的参数与更复杂的检测方法中的性能关联起来。

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一碗磨碎的豆类

成分优化

工业最终将为植物的几乎每个部分创造用途,为成分创新带来更多可能性。需要新的原料加工方法来适应不同的植物来源,并解决植物性肉类和海鲜原料的独特功能需求。

成分优化的当前状态

许多植物性肉类需要在收获后进行原料加工。

一些植物性肉类,如由菠萝蜜或某些种类的蘑菇制成的肉类,只需要极少的采后加工。然而,目前市场上的许多其他植物性肉制品依赖植物蛋白浓缩物或分离物作为原料。

为了从植物中获得精制的成分,如蛋白质、脂肪和淀粉,源植物通常经过研磨和加工,以获得更纯化和浓缩的成分馏分。蛋白质部分通常被加工成蛋白质浓缩物(蛋白质含量约为60- 70%)或分离物(蛋白质含量约为80- 90%)。

植物蛋白可以进一步加工,以选择特定的功能属性集。

例如,溶解性更好的大豆分离蛋白可能更适合用于高蛋白饮料,使生产商避免砂砾或白垩味。植物性肉类应用可能受益于具有较高凝胶性和保水能力的分离株。然而,除了大豆和小麦以外,许多作物都没有这种具有严格功能参数的蛋白质制剂。

一些供应商正开始拓展多个产品线,生产浓缩蛋白和从豌豆等作物中分离出来的蛋白质。这些新原料最近才开始接近传统商品作物的多样性。

一般来说,蛋白质浓缩物和分离物是植物性肉类的基本成分。脂肪和淀粉也是必需的,必须在食谱中少量添加。尽管淀粉、脂肪和蛋白质可能来自同一种植物,但它们作为单独的部分出售,在植物性肉类生产过程中被重新组合。

这种对各种植物成分(最显著的是蛋白质和淀粉)的分馏和重组系统有助于最终配方中比例的一致性和可重复性,并允许原料作为耐货架的干馏分储存。

原料优化的挑战

像分馏和重组这样的过程限制了具有成本效益的蛋白质来源的数量。

分馏和重组的过程是有效的为各种各样的应用创建库存成分。然而,这种对成分纯度的关注带来了挑战,因为纯度和产量之间通常存在权衡。分馏和重组也增加了产品过程的时间和成本,这最终限制了可用于植物性肉类应用的高性价比蛋白质来源的数量。

此外,分馏和重组使用了植物性肉类生产所需的相当大一部分总能量。在最坏的情况下,这一过程中的能源消耗可能会使植物性肉类几乎与传统动物肉类一样消耗能源。生命周期评估分析指出了使用可再生能源实现可持续发展目标的重要性。

此外,从豆类、扁豆、海藻和其他新的植物蛋白质来源中未得到充分利用的蛋白质可能需要独特的研磨和分馏方法。这些方法中有许多是最近才开发出来的,或尚未被研究。

水的消耗也是生产植物蛋白浓缩物的主要资源问题。正在努力实施干分馏,以支持更可持续的植物生产。

蛋白质提取过程中产生的副产物也存在问题。例如,对豌豆蛋白的需求正在增长。但这会产生多余的豌豆淀粉和纤维,这是豌豆蛋白提取过程中产生的主要副产物。如果这些副产品没有用处,那么植物性肉类的植物蛋白供应链就会产生大量的浪费。需要更多的研究来探索潜在的废物流利用。

动物和植物蛋白质之间的差异带来了挑战。

与动物蛋白相比,植物蛋白在大小、氨基酸组成和功能上有所不同。当试图用植物蛋白仿生学动物蛋白时,这自然会带来挑战。味道不同,自然结构和质地不同,蛋白质在溶液中或作为食物基质一部分的表现方式也不同。

不同的植物蛋白质也不同。

甚至不是所有的植物蛋白质都是相似的。植物蛋白质的结构和功能性质各不相同。这些内在的差异影响着加工的效果。例如,酶处理的效果是特定于每个植物的主要存储蛋白质的蛋白质序列。这意味着水解和其他形式的酶功能化可以产生不同的结果,这取决于蛋白质来源。

此外,蛋白质提取过程本身也会影响植物蛋白质的功能和感官特性。商业成分之间存在着不一致——比如说,比较不同公司分离的豌豆蛋白——这是因为蛋白质的处理和提取方法不同。即使在一家公司内,对于特定的成分也可能存在显著的批与批之间的差异。

这可能与作物生长的时间和地点有关。关于蛋白质特性和功能化的全面数据集,以及这些参数如何受生长条件、提取和其他处理的影响,目前尚未公开。

下一步的成分优化是什么?

通过实施环境友好的蛋白质调节方法,植物性肉类的质量和性能将大大提高。蛋白质调节或处理可以增加蛋白质的理想特性,如凝胶能力、持水能力和风味。

此外,将作物加工成功能组分而不是单一类型大分子的高度纯化组分可能是有益的。这可以使植物性肉类的生产更加高效、经济和可持续。它还可以改善产品本身的感官特征。

这也是为什么培育高蛋白作物和开发以植物性肉类为最终用途的品种是有益的。优化的作物应该允许较少的分馏过程,使功能分馏的创建更容易和更有效。最后,为植物性肉类不需要的植物部分找到新的市场,对植物性肉类供应链的可持续性非常重要。淀粉和纤维的侧流最终可能被用作原料发酵而且培养肉.随着替代蛋白质发酵行业和人工养殖肉类行业的发展,将这些过程中的成分纳入植物性肉类产品可能有助于解决目前植物性肉类行业面临的一些功能、感官和营养方面的挑战。

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植物肉饼放在盘子里,旁边是谷物和胡萝卜

最终产品的制定和制造

在植物性肉类终端产品的配方和制造中,艺术和科学结合在一起。把植物变成肉需要了解每一种成分,这些成分如何相互作用,生产条件如何创造肉一样的质地,以及如何提供消费者想要的外观、香气和味道。

最终产品配方和制造的现状

产品配方必须考虑口感、质地和营养。

产品配方是一个复杂的过程,包括成分之间的相互作用,以及对所需质地和感官属性的测试。调味的烹饪艺术对于创造植物性肉类至关重要,它复制了动物肉类的感官调色板。考虑到产品配方的复杂性,这一过程应该包括烹饪专家和食品科学家。

配方还必须考虑到最终产品所需的营养质量。在某些情况下,目标是尽可能精确地复制动物性肉类的营养成分。

在其他情况下,产品开发人员可能有意地以有益的方式改变植物性肉制品的营养成分。例如,在植物性肉制品中加入植物纤维(通常用于功能目的,如捆绑),而不牺牲口感和质地,这为这些产品提供了与动物性肉类(不含纤维)相比的营养优势。

配方成功后,配料混合物必须被构造成合适的形状。

将植物成分混合物转化为肉制品的方法包括各种制造过程,如拉伸、揉捏、剪切细胞加工、压成型、折叠、分层、3D打印和挤压。

每一个过程都可以产生独特的植物性肉类的形式和质地。加工过程也会影响最终产品的营养质量。此外,不同的植物蛋白由于其独特的组成和功能特性,在每个制造过程中表现不同。因此,了解特定的植物蛋白或其组合对特定生产技术的反应是非常必要的。

有两种常用的制备纹理蛋白的方法:低水分挤压蒸煮(LMEC)和高水分挤压蒸煮(HMEC)。最近,荷兰瓦赫宁根大学的研究人员证明了一种中试尺度剪切单元法纤维植物性肉类的形成。测试表明,它比挤压(常压而不是高压)消耗更少的能量,产生更温和的蛋白质结构。剪切电池技术目前处于发展阶段。

最终产品配方和制造的挑战

植物性肉类的挤压生产具有局限性。

目前最流行的加工方法是,挤压机对蛋白质施加剪切应力,使其排列或“结构化”,以产生纤维状的、类似肉类的质地。然而,挤压用于制造植物性肉类也有局限性,包括挤压材料中脂肪的夹杂对剪切力产生的干扰,以及挤压机内产生的高温度和高压力导致的氨基酸的差异分解。后者导致最终产品的营养质量下降。

此外,挤压加工受制于相当大的产品质量控制问题,因为不同的挤出机参数控制和机器对机器的操作差异的制造商。如果不仔细控制这些参数,产品的质量和特性可能会发生显著变化。

开发基于植物的肉类生产的创新技术也将是有用的,因为挤压是能源密集型的。挤压设备的高资本成本(每台机器超过100万美元)可能成为新植物性肉类公司的障碍。此外,较新的植物性肉类制造方法,如剪切细胞技术和3D打印方法,正使该行业更接近于整个植物性肉类的生产(例如,鸡胸肉、牛排和鲑鱼片)。

到目前为止,只有汉堡、香肠和鸡块等肉制品能够真正模仿动物的同类。

另一个挑战是创建可规模化的生产流程。

另一个制造和配方方面的挑战包括确定蛋白质与其他成分结合的最佳方法和时间表,以确保该过程是可扩展的,同时不损害最终产品的营养质量或感官方面。例如,如何以及何时将脂肪、维生素和碳水化合物与蛋白质混合,以确保最终产品正确烹饪,具有所需的营养成分、味道和质地,并在食用时不分解?

目前迫切需要优化当前技术和开发新的制造技术来制造植物性肉类。该领域应特别强调优化资源利用、产生最少废物、并可易于适应在农村地区和发展中国家使用的技术。

在其他行业,包括传统的肉类行业,生产过程的发展和对生产系统变化的适应是通过建模来辅助的。这使制造商能够在实施之前或在故障的事后分析中了解和控制参数。不幸的是,很少有针对植物蛋白挤压目的的建模研究。

根据挤出专家提供的信息,大多数生产过程都是通过对新(或可变)材料、复杂挤出机参数和训练有素的自适应操作人员进行知情的试验和错误完成的。这种制造系统对轻微(或重大)故障非常敏感,需要熟练的操作人员在场。因此,特定的生产过程经常不能很好地转化为其他系统——无论是大规模生产还是由不同的制造商生产。这提高了产品的整体成本,限制了使用联合制造设施来增加产能的尝试。

终端产品的配方和制造下一步是什么?

改善植物性肉类的质地、味道和颜色是首要任务。

植物性蛋白质——尤其是水解蛋白质,它们更容易溶解,因此表现出更强的功能——往往容易产生苦味或“豆味”。这可以通过创造新的苦味阻断剂来解决,这是开发新的调味成分的更大机会的一部分,特别是那些来自自然来源的,专门设计来解决与植物蛋白合作的挑战。

除了味道,还需要为植物性肉类开发颜色指标。动物肉在烹饪过程中红到棕色的转变对消费者来说是一个关键的视觉提示。许多植物性肉类与它们试图复制的动物性肉类在相同的烹饪时间或以相同的方式改变颜色。新的成分正在开发,以改善植物性肉类的颜色指标。

减少能源和资本需求对工业增长也至关重要。

新的生产方法——无论是机械的还是化学的——必须开发和规模化,以更低的能源消耗和更低的资本成本生产植物性肉类。此外,可能需要新的制造技术来分离、组合和加工复制特定种类肉类所需的适当的植物性成分。

非常需要能够在其他国家,包括世界发展中地区安装的植物性肉类生产系统。预挤压蛋白的生产方法应该广泛用于低成本食品的生产,如植物性鸡块和鱼棒。

该领域研究的一个具体例子是对非挤压方法的探索。化学或生物过程——或它们的组合——可能能够温和地使蛋白质变性并交联成纤维结构,而不需要高温、高压和昂贵的设备。探索非挤压生产方法将有助于确定这种替代方法是否更适合大规模的植物性肉类生产。

建立基于植物的生产模型需要软件开发,以允许系统分析和预测能力。这还需要来自现有操作的反馈数据来完善这些模型。

最终,通过进一步创新我们使用的作物和原材料,我们生产植物性肉类的能力可能会更好。如果我们为植物性肉类培育或设计更好的作物,我们就可以不再需要额外的加工步骤来去除味道和不断微调生产参数。通过优化上游投入,我们可以提高生产效率和消费者对下游终端产品的接受度。

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