随着世界人口不断增长,人均蛋白质需求量和全球蛋白质消费量逐年增加,由于传统蛋白质供应不足,寻找可持续的、环境友好的和优质蛋白质,是全球争相克服的重点。酵母蛋白因具有营养全面、生产高效、环境友好等特点,被视为新型蛋白质明星。2023年11月,酵母蛋白在我国被批准为新食品原料(2023年第10号公告)。现以《Trends in Food Science Technology》上的综述文章“酵母蛋白-食品应用中新的可持续替代蛋白”为主要内容,就酵母蛋白的组成及其分离提取方法、其功能特性和在食品领域的应用、基于环境友好型蛋白的应用前景,分享如下。

酵母蛋白作为优质安全的微生物蛋白的特点

1、富含多种微量营养素的完全蛋白(Complete Protein)

酵母是全球年产量最高的高蛋白微生物。酵母细胞中,蛋白质含量占干重的40%-60%。将酵母细胞的细胞壁等非蛋白部分去除后,即可得到可用于食品工业的高纯度酵母蛋白。

酵母蛋白(AnPro)含有18种氨基酸,包含2种半必需氨基酸(semi-essential amino acids)和8种必需氨基酸(essential amino acids)。赖氨酸是植物蛋白(小麦/谷物)的第一限制性氨基酸,但在酵母蛋白中含量丰富。此外,谷氨酸、谷氨酰胺、丙氨酸和支链氨基酸(异亮氨酸、亮氨酸和缬氨酸),也在酵母蛋白中占比较高。早期的研究认为,酵母蛋白含硫氨基酸(蛋氨酸和半胱氨酸)略低。但是最新的DIAAS蛋白质评价方法对酵母蛋白的氨基酸评分和回肠消化率进行研究,结果证明,酵母蛋白含硫氨基酸含量仅次于乳清蛋白,高于其他植物蛋白(表1)。此外,酵母蛋白还含有16种以上生物结合态的矿物质和维生素,其中包括8种B族维生素。完整且配比良好的氨基酸组成、丰富的微量营养素,让酵母蛋白有望成为比植物蛋白质量更佳的新型替代蛋白源。

表1 不同蛋白质的氨基酸评分(AAS)和可消化必需氨基酸评分(DIAAS)

注:WPC,乳清蛋白;WPI,乳清分离蛋白;SOY,大豆蛋白;AnPro,酵母蛋白;WHE,小麦蛋白;PEA,豌豆蛋白。

2、消化吸收率高且持续性好的“慢蛋白”

消化率是判断蛋白质营养质量的标准。综述文章中的数据显示,酵母蛋白体外消化率约81.06%,高于高粱蛋白(42%-64%)、大豆蛋白(75%-80%);也高于部分动物蛋白,如鱼蛋白(74%-81%)。需特别指出的是,安琪酵母股份有限公司研究院研究显示[1],酵母蛋白胃中体外消化率为12.1%,显著低于乳清蛋白(33.9%);但在小肠中终末消化率92.5%,与乳清蛋白接近(95.9%),且二者吸收率无显著性差异(图1)。酵母蛋白胃中消化率低,或与蛋白质和酵母β-葡聚糖结合形成复合物有关,且这种影响对胃吸收率的影响大于小肠。作为一种胃消化率相对较慢的蛋白,酵母蛋白在吸收率可以和乳清蛋白媲美的同时,或能带来更持久的饱腹感。

图1 体外模拟消化试验中,不同时间不同蛋白质消化吸收百分比[1]

YPC,酵母蛋白; WPC,乳清蛋白; SPI,大豆分离蛋白

3、环保性强的替代蛋白(Alternative Protein)

通过重复利用多种碳源,包括利用甘蔗制作蔗糖副产品糖蜜等“废料”的高能力,酵母蛋白的生产不仅能有效提高生产效率,并能降低碳排放、节约耕地和淡水资源,在可持续性和环境友好方面具有显著优势。现在的工业化生产线,已经形成了“糖蜜、水解糖-酵母-酵母蛋白-酵母发酵液-肥料-农作物”的闭环生态产业链。(图2)

图2 酵母蛋白生产的全过程

酵母蛋白的功能特性

1、溶解性和保水性

酵母蛋白在绝大多数非极端环境中具有良好的溶解性和保水性。添加酵母蛋白的素肉制品在烹饪过程中的水分流失少,提高了嫩度和多汁性。这一特性表明,酵母单在在素肉汉堡、素肉肠、素肉煎饺等食品加工中应用具有优势,可以改善食品风味,给产品带来与肉类似的咬感和纤维感。

2、与金属离子结合能力

蛋白质本身可以与带正电荷的金属离子结合。以钙离子为例,酵母蛋白与之结合形成的含钙蛋白质,能被人体运输和吸收,有希望成为补钙剂的新来源。

3、酵母蛋白肽的生物活性

酵母蛋白水解后的肽,显示出诸多健康益处,例如抗氧化、降低胆固醇、抗高血压、抗糖尿病、免疫调节和抗菌等。目前,酵母蛋白水解成的抗微生物肽,已作为食品工业中化学防腐剂的替代物得以应用。

酵母蛋白应用与未来展望

酵母蛋白与动物蛋白相比,酵母蛋白的低致敏性(几乎不含过敏原)、无乳糖的特点备受关注;与植物蛋白相比,植物蛋白对于农业投入和环境的压力,以及植物蛋白大多数必需氨基酸组成不完全、含量低,并伴随植酸、单宁、生物碱等抗营养因子的存在。已有研究表明[2],对19个月龄老龄鼠食用酵母蛋白[1.0g/(kg⋅d],持续3个月,能显著改善老鼠肌肉的超微结构,增加其肌肉纤维的粗细(图3)。原因可能是酵母蛋白通过调节肠道微生物群,改善衰老的肌纤维,提升其功能。有同类研究显示,60岁以上健康老人每日补充16g酵母蛋白或乳清蛋白,持续6个月,均能显著提高四肢骨骼肌指数、缩短6米步行用时,二者无显著性差异。上述研究一定程度上表明,将酵母蛋白作为蛋白补充剂应用于改善特定群体肌肉减少症充满希望。

图3 补充1.0g/(kg⋅d)酵母蛋白3个月老龄鼠的肌肉纤维变化

随着气候、环境和人口等全球性影响不断加剧,可持续发展、资源供应安全和人类健康之间的协同越发受到全球关注。作为粮食系统的重要组成部分,蛋白质生产体系正在重塑。酵母蛋白在我国作为新食品原料的获批,标志我国“向微生物要热量、要蛋白”的大食物观在科技上有了突破性实践。

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