El creciente impacto ambiental de la ganadería tradicional, en particular la producción de carne vacuna, ha estimulado la búsqueda de alternativas cárnicas sostenibles.
Este estudio presenta un novedoso enfoque de ingeniería de tejidos a base de plantas (PBTE), para replicar la estructura compleja y la experiencia sensorial de cortes de carne de músculo entero utilizando ingredientes de origen vegetal. Aprovechando los principios de la ingeniería de tejidos y las tecnologías avanzadas de fabricación de alimentos, PBTE deconstruye la carne en sus componentes fundamentales: músculo, grasa y tejido conectivo, y los reconstruye utilizando una combinación de proteínas vegetales, grasas y materiales polisacáridos. El componente muscular se vuelve a ensamblar para imitar la estructura fibrosa anisotrópica de la carne de res, mientras que el componente graso se diseña mediante encapsulación de lípidos dentro de una matriz hidrocoloide. Se utilizan técnicas de fabricación avanzadas, incluida la fabricación aditiva y la robótica, para la configuración espacial y el ensamblaje precisos de estos componentes. Nuestros hallazgos demuestran que el PBTE puede replicar eficazmente la integridad mecánica, la textura y los atributos sensoriales de la carne tradicional, presentando una alternativa prometedora que podría reducir significativamente la huella ambiental de la producción de carne. Este enfoque se alinea con los principios de Soft Matter en la manipulación de estructuras y materiales artificiales para imitar diseños naturales, como alimentos cárnicos enteros cortados. También tiene un potencial sustancial para revolucionar la industria de las proteínas alternativas al atender a una base de consumidores más amplia, incluidos los flexitarianos y los consumidores de carne.
1— Introducción
La producción de carne de vacuno es una industria especialmente intensiva en recursos. Cada vez hay más pruebas que vinculan la ganadería con las elevadas emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) y el cambio climático (Steinfeld, 2006; Garnett, 2009; Heng et al., 2022). La elevada huella ecológica de la industria de la carne de vacuno subraya la urgente necesidad de encontrar alternativas ambientalmente racionales a los productos de carne de vacuno tradicionales, incluidos los cortes de músculo entero, que constituyen una parte sustancial de las ventas en el mercado (Close, 2014). Como resultado, son las comunidades tecnológica y científica las que trabajan en soluciones creativas para hacer más sostenible la producción de carne (Kumar et al., 2022).
Los sustitutos de la carne han sido una parte activa de la industria alimentaria moderna, comenzando con Kellogg’s Protose (Protose, 1900). Pero a pesar de los avances del siglo pasado, los productos cárnicos alternativos a menudo se han comercializado principalmente entre consumidores vegetarianos y veganos, excluyendo a segmentos más amplios de la población, como los flexitarianos. Una razón de esto es la aparente insatisfacción del mercado con el sabor y la textura de las alternativas a la carne (Appiani et al., 2023). Otro desafío es la limitada sofisticación estructural, que ha priorizado el desarrollo de productos de gran volumen y bajo valor, como carne picada y nuggets de pollo, y ha excluido los matices complejos de productos premium como cortes de carne de músculo entero (Schreuders et al., 2021). ; Bushnell et al., 2022).
Nuevos enfoques, como mejores métodos de texturización de proteínas (Dekkers et al., 2018), están mejorando el atractivo sensorial de la carne de origen vegetal. Aún así, al mercado le falta un enfoque sistémico que aborde las características multifacéticas de la carne. Este artículo propone una metodología pionera que se basa en los principios de la ingeniería de tejidos y los reutiliza utilizando componentes de origen vegetal, respaldados por tecnologías de fabricación avanzadas. El enfoque de ingeniería de tejidos a base de plantas (PBTE, por sus siglas en inglés) originado por Redefine Meat (Ben-Shitrit et al., 2020; redefinemeat) no solo aborda los desafíos estructurales y sensoriales de los productos heredados de origen vegetal, sino que tiene el potencial de imitar el espectro completo. de productos cárnicos animales. Afirmamos que PBTE podría alterar significativamente el panorama del consumo de carne al abordar las expectativas de calidad, variedad y versatilidad de una base más amplia de consumidores que, a diferencia de los segmentos del mercado cautivo de veganos y vegetarianos, consumen carne animal hoy (Broad, 2020).
2— La carne desde la perspectiva de la ingeniería de tejidos
2.1 Introducción a la ingeniería de tejidos y estructura de la carne.
La ingeniería de tejidos, una disciplina establecida en la década de 1960, describe los organismos vivos como conjuntos de diversos tejidos, cada uno caracterizado por arquitecturas complejas que involucran diversos tipos de células y matrices extracelulares que cumplen distintas funciones biológicas y biomecánicas (Ikada, 2006; Vacanti, 2006). Aunque se centran principalmente en aplicaciones biomédicas para la reparación de tejidos vivos, estos principios también pueden ofrecer una nueva lente a través de la cual estudiar y replicar la estructura de la carne de ganado, un «producto» que comprende tejido muscular, tejido conectivo, tejido adiposo y hueso (Ben-Arye y Levenberg, 2019) (Figura 1).
2.2 Comprender la complejidad de la carne
En su forma procesada, los elementos de la carne están intrincadamente organizados para formar elementos o “productos” familiares, como los filetes, que ofrecen una experiencia culinaria y organoléptica única. La carne animal, con su estructura heterogénea inherente (como la variada distribución de grasa y músculo) y características anisotrópicas (debido a las fibras musculares y la orientación del tejido conectivo), presenta un desafío sofisticado en la tecnología alimentaria. La compleja transición térmica durante la cocción, impulsada por las reacciones de las proteínas y otras biomoléculas al calor, influye significativamente en la calidad percibida y la experiencia del consumidor (Tornberg, 2005; Yu et al., 2017). Los intentos anteriores de replicar cortes de músculo entero con ingredientes de origen vegetal (Dekkers et al., 2018) a menudo no cumplieron con las expectativas, lo que resultó en productos con un atractivo limitado para los omnívoros y una penetración mínima más allá del mercado vegetariano (Szenderák et al., 2022).
2.3 El enfoque PBTE para la replicación de la carne
El enfoque de ingeniería de tejidos a base de plantas (PBTE) aborda estas complejidades deconstruyendo la carne en elementos más simples y luego imitándolos utilizando tecnologías de fabricación de alimentos accesibles, antes de volver a ensamblarlos utilizando métodos de fabricación innovadores inspirados en la fabricación aditiva (Hertafeld et al., 2019) y robótica. Esta sección describe cada uno de los principales elementos del tejido y sus características relevantes, destacando los aspectos que son cruciales para replicar la experiencia de comer carne. Describe los elementos estructurales suficientes y los comportamientos que se requieren para una imitación exitosa de las cualidades organolépticas de la carne, pero al mismo tiempo se esfuerza por limitar la complejidad de los componentes del tejido sometidos a ingeniería inversa y su precisión de resolución espacial para evitar costos innecesarios de desarrollo y producción. (GFI, 2022).
2.3.1 Tejido muscular
El tejido del músculo esquelético (Figura 1B) relevante para la carne está compuesto por aproximadamente 65% –75% de agua y 18% –23% de proteína, formando una estructura jerárquica de fibras musculares interconectadas por una red de tejido conectivo (Purslow, 2023). Estas fibras, organizadas en sarcómeros, miofibrillas, fascículos y músculos completos, están además interconectadas por elementos del tejido conectivo como el endomisio, el perimisio y el epimisio (Nishimura, 2010a; Purslow, 2020). Por lo general, los cortes de músculo entero se sacrifican para orientar las fibras musculares de manera consistente, lo que contribuye a las características anisotrópicas de la carne, como comportamientos variables de tracción, compresión y corte (Lepetit y Culioli, 1994), lo que resulta en valores sustancialmente diferentes cuando se miden a lo largo de las fibras o a lo largo de ellas. dirección. La morfología y orientación fibrosa son evidentes durante la descomposición manual u oral de la carne (Lillford, 2001), impactando la experiencia organoléptica de su consumo. Las propiedades físicas de estas fibras también influyen en el comportamiento de la carne cruda y cocida. Tras el procesamiento térmico, por ejemplo, las fibras musculares se contraen (Purslow et al., 2016), expulsando exudado cárnico rico en péptidos y metabolitos cruciales para la reacción de Maillard y el desarrollo del sabor (Mottram, 1998), alterando simultáneamente el aroma, la jugosidad, y apariencia de la carne (Flores, 2023).
2.3.2 Tejido adiposo (grasa)
Los cortes de carne de res suelen contener entre un 10% y un 25% de grasa, lo que varía según el tipo de corte y la raza. Este tejido está compuesto por aproximadamente un 90% de lípidos, un 8% de agua y un 2% de proteínas y se distribuye como grandes inclusiones intermusculares y subcutáneas o capas intramusculares más delgadas (Figura 1A), lo que influye significativamente en la calidad de la carne y la experiencia culinaria (Wood et al., 2008). . El tejido adiposo consiste en células adiposas ricas en lípidos encapsuladas en una matriz de tejido conectivo colágeno (Figura 1C), con células de aproximadamente 0,1 mm de diámetro y el tejido colágeno circundante de menos de 0,01 mm de espesor (Tordjman, 2012). El componente lipídico de la grasa de res, conocido como sebo, tiene un punto de fusión de alrededor de 40°C a 45°C (Grompone, 1989). Durante la cocción, los lípidos se derriten, alterando la apariencia y textura de la grasa, pero dejando intacta la estructura general debido a la matriz de tejido conectivo térmicamente estable, que libera la mayoría de los lípidos durante la masticación en lugar de la cocción y contribuye a la sensación en boca característica de la grasa (Frank et al., 2016).
2.3.3 Tejido conectivo
En el tejido muscular, las estructuras del tejido conectivo (CT), como el endomisio, el perimisio y el epimisio (Figura 1B), desempeñan funciones vitales en la textura y la integridad (Purslow, 2002; Nishimura, 2010; Purslow, 2018). El perimisio, particularmente importante debido a que encierra estructuras de fascículos, es una estructura delgada y fuerte de capas cruzadas compuesta de fibras de colágeno parcialmente reticuladas, que constituye aproximadamente el 10% de la masa seca del músculo (Bendall, 1967). Sus propiedades, incluidas una resistencia y flexibilidad significativas, contribuyen de manera importante a la dureza de la carne, y las fracciones de CT más altas generalmente conducen a una menor ternura (Roy y Bruce, 2023). Cuando se cocina, el colágeno se derrite parcialmente, pero la fracción reticulada permanece, manteniendo la interconectividad de las fibras musculares. La cocción prolongada puede degradar el CT, afectando las propiedades texturales de la carne (Weston et al., 2002).
2.3.4 La organización de cortes de todo el músculo.
La diversidad de cortes de músculo entero en la carne de res refleja la variada disposición de los músculos y la grasa (Figura 1A), lo que contribuye a las características únicas de los diferentes tipos de bistec. Estas variaciones están influenciadas por múltiples factores, incluida la raza del animal, las condiciones de crecimiento, la alimentación, la edad y las técnicas de carnicería, como el área específica del corte, el envejecimiento de la carne y las condiciones de procesamiento (Chriki et al., 2013). Cada filete se puede analizar en términos de composición de proteínas y grasas, cantidad de tejido conectivo, distribución de grasa y presencia de huesos, todo lo cual contribuye a la clasificación culinaria, la calidad percibida y el valor de mercado (Dransfield, 1977).
Las cualidades gastronómicas de la carne no están determinadas únicamente por las propiedades intrínsecas sino que también están influenciadas significativamente por el proceso culinario. Los métodos, temperaturas y duraciones de cocción pueden alterar drásticamente la textura, el sabor y el valor nutricional de la carne. Por ejemplo, la reacción de Maillard, que ocurre durante ciertos tipos de cocción, mejora en gran medida el sabor y el aroma, contribuyendo al atractivo general del plato (Bailey, 1994; Mottram y Elmore, 2005).
Este intrincado equilibrio entre la estructura biológica y la ciencia culinaria subraya el desafío de replicar estas características en alternativas basadas en plantas. Es crucial considerar estos parámetros al intentar recrear la compleja arquitectura de los cortes de todo el músculo. El enfoque PBTE tiene como objetivo abordar estos desafíos analizando e imitando meticulosamente estas propiedades utilizando ingredientes de origen vegetal, ensamblándolos de una manera que reproduzca la estructura matizada y la experiencia sensorial de los cortes de carne tradicionales. Las secciones siguientes detallarán cómo se analiza cada tipo de tejido, se identifican sus parámetros estructurales y físicos clave y los métodos utilizados para reconstruir estos elementos con materiales de origen vegetal antes de ensamblarlos en una estructura cohesiva similar a un filete.
3— Reconstrucción de cortes de carne de músculo entero utilizando el enfoque PBTE
3.1 Componente muscular: generación de fascículos
Uno de los principios rectores de nuestro proceso de desarrollo fue que sería necesario abordar un conjunto de características clave para imitar con éxito los componentes musculares:
a. Alto contenido en proteínas: Es fundamental si queremos igualar el perfil nutricional de la carne.
b. Estructura fibrosa anisotrópica: hebras musculares visibles (de 1 a 5 mm de espesor) densamente empaquetadas y separables, que reflejan la morfología de la interfaz dentada de la carne natural. La resistencia al corte debe ser mayor a lo largo de las fibras que a lo largo de ellas, alineándose con los valores observados en la carne de ganado.
c. Textura y dureza: definidas mediante pruebas típicas de análisis de perfil de textura (TPA), las muestras de 20 mm cúbicos con una deformación del 70% deben cumplir con los valores de resistencia a la carga de la carne de ganado cruda (aproximadamente 20 a 40 N) y cocida (aprox. 50 a 80 N).
d. Capacidad de fabricación: Permitir que se forme en un factor de forma relevante para el bistec, digamos que tenga unas dimensiones de al menos 150 × 80 × 15 mm.
e. Líquidos: Contienen al menos un 60% de agua y normalmente también algunos lípidos. Estos componentes líquidos son responsables de la experiencia de jugosidad y del desarrollo y entrega del sabor y aroma durante la cocción y el consumo.
f. Color: Rojo púrpura cuando está crudo, pasando a marrón grisáceo después de cocinarlo.
Es importante mencionar que se trata de un conjunto mínimo de características que proporcionan el punto de entrada a la textura relevante para el bistec. Un análisis más detallado del comportamiento de tracción, el comportamiento de corte y el análisis sensorial son cruciales para generar un producto que sea aceptado por los consumidores.
Los métodos alternativos actuales de producción de carne, como la extrusión de proteínas (Areas, 1992; Dekkers et al., 2018), son inadecuados para cumplir con todos los requisitos anteriores. Las técnicas TVP (proteína vegetal texturizada) (Emin y Schuchmann, 2017) y HME (extrusión de alta humedad) (Lin et al., 2000) no logran imitar todos los requisitos anteriores para replicar la textura específica y la integridad estructural de la carne. El TVP es demasiado poroso y el HME es demasiado denso e impermeable, y ninguno de los dos puede adoptar la forma de un filete (por ejemplo, al menos 150 × 80 × 15 mm), al tiempo que proporciona una orientación relevante de las fibras. Métodos como el de celda de corte (Krintiras et al., 2016) abordan los requisitos dimensionales pero no logran proporcionar una textura relevante para la carne. Otras técnicas, como el hilado (Mattis y Marangoni, 2020), no logran proporcionar un rendimiento suficiente a un costo aceptable. Los enfoques de bioingeniería, como el micelio (Kyoungju et al., 2011) o el cultivo de tejidos animales (Post, 2012) aún carecen de las demandas de textura requeridas y requieren complementarlas con elementos de textura de origen vegetal (Ben-Arye et al., 2020), pero incluso entonces, no logran ofrecer el rendimiento cárnico relevante en entornos industriales (Post et al., 2020).
Para satisfacer los requisitos del componente muscular, nuestra investigación propone desintegrar el material duro y masticable de TVP en fibras separadas (de 0,2 a 2 mm de diámetro, aproximadamente de 2 a 20 mm de longitud), mezclándolas con una masa proteica hecha de soja o guisantes. aislados (Ben-Shitrit et al., 2021). Un producto TVP típico que se adapta a los criterios de dureza normalmente comprende aproximadamente un 50 % de proteína de trigo y proteína de soja y tiene una capacidad de retención de agua relativamente baja (<250 % p/p), como DuPont Danisco SUPRO® MAX 5050. Esta masa, cuando se extruye utilizando una bomba de cavidad progresiva (PCP, PCM Ecomoineau™ C) a través de una boquilla de 3 mm libera hebras que imitan la estructura jerárquica de la carne fibrosa de ganado, es decir, fascículos apilados (Ben-Shitrit et al., 2021). Para formar una sección de músculo macroscópica, la deposición se realiza según protocolos típicos de impresión 3D, de manera autoportante, ya que la viscosidad de la masa es suficientemente alta (>300 P) para evitar el flujo gravitacional o el hundimiento a la temperatura de fabricación que se ajuste a aprox. 4°C para cumplir con los requisitos de seguridad alimentaria. La deposición unidireccional de dichas hebras da como resultado una estructura que tiene un comportamiento anisotrópico prominente y su resistencia al corte es comparable a la de la carne animal. Este enfoque permite la proyección de la textura similar a la carne de TVP, pero de manera flexible y escalable. Al mismo tiempo, esta estructura muscular por sí sola es insuficiente para cumplir con los valores de comportamiento de tracción de la carne de ganado e imitar completamente sus mecanismos de falla entre fascículos. Esta deficiencia requirió el desarrollo e introducción de un componente que actuaría como tejido conectivo y reforzaría la estructura compuesta de la alternativa cárnica y mejoraría su dureza y comportamiento durante la cocción y el consumo (como la desintegración de fibras) de una manera que coincida con el comportamiento de carne animal.
3.2 De los fascículos al tejido muscular
El desarrollo de un componente de tejido conectivo (CT) planteó algunos desafíos importantes:
a. Obtención de ingredientes y procesos de calidad alimentaria: utilizar ingredientes y formulaciones que sean seguros y conformes para el consumo, cumpliendo al mismo tiempo con los requisitos estructurales que se enumeran a continuación. La mayoría de los materiales comestibles de origen vegetal carecen de la resistencia característica de los tejidos animales.
b. Formación en laminados delgados de menos de 0,05 mm de espesor, para imitar el tejido conectivo natural. Las tecnologías alimentarias convencionales no requieren una alta precisión espacial y están limitadas a la hora de proporcionar ese nivel de fidelidad estructural.
c. Resistencia y durabilidad: Resistencia a la tracción mínima de 1 MPa en un ambiente con un 70 % de agua en estado crudo y reteniendo al menos 0,2 MPa de resistencia después de calentar a 75 °C. Este nivel de humedad corresponde a hidrogeles que normalmente son débiles y quebradizos y requieren obtener una formulación con un enlace molecular excepcional para brindar dicha resistencia.
Descubrimos que los materiales a base de carragenina con temperaturas de fusión de alrededor de 90 °C cumplen estos requisitos y podrían moldearse en películas, que luego se introducen entre los fascículos durante la fabricación en capas (Figuras 2A, B), mientras se establece un entrelazado de un paso. entre las hebras (Dikovsky y Hausner, 2022). La posthidratación y el procesamiento térmico dan como resultado la fusión de las películas de carragenano y la formación de una red continua en forma de peine (Figura 2C), con resistencias a la tracción que imitan la de la carne animal. La Tabla 1 compara la resistencia a la tracción de la carne medida a lo largo y transversal de la dirección de las fibras. Muestra que la adición del componente CT mejora sustancialmente el rendimiento de la carne PB, igualando su resistencia a la de un lomo (Psoas Major) en un 90% en dirección longitudinal y un 85% en dirección transversal. Además, el músculo de origen vegetal con CT demuestra un modo de falla diferente al estirarse (Figura 3A), que es comparable a la carne de ganado (Figura 3B) y sustancialmente diferente del músculo de origen vegetal sin CT (Figura 3C). Las pruebas de panel sensorial interno (n = 30) indicaron una preferencia del 82% por muestras de carne alternativas que contenían CT en comparación con aquellas sin CT, y los comentarios específicos de los participantes notaron mejoras en la textura y la apariencia. La textura fibrosa característica de dicha carne se muestra después de la disección en la Figura 2G.
El componente muscular y el componente de tejido conectivo se integran en un sistema que emplea métodos de fabricación aditiva acompañados de deposición robótica de película, completamente controlados digitalmente, para generar una variedad de estructuras alternativas de tejido muscular cárnico. Los siguientes parámetros se pueden adaptar fácilmente para controlar la dureza, fibrosidad, masticabilidad y comportamiento de cocción de la carne alternativa:
- Tipo de TVP
- Fracción de TVP en el componente muscular.
- La composición de la masa Proteica así como su porcentaje de agua.
- Grosor de las hebras musculares
- Composición de la película CT, por ejemplo, proporción de carragenano
- Espesor de la película CT
- Capas adhesivas adicionales entre CT y hebras musculares
El último componente de la lista de componentes es la grasa, la distribución de la grasa y el veteado.
3.3 Grasa
El componente graso, crucial para lograr la textura y sensación en boca deseadas, implica encapsular una formulación lipídica (punto de fusión >35°C, utilizando principalmente grasa de cacao) en una matriz hidrocoloide. Esta matriz, compuesta de metilcelulosa, estabiliza el tejido graso durante la cocción y evita que se derrita. El alto contenido de lípidos (≥75% p/p) garantiza una fase oleosa líquida sustancial a la temperatura de servicio (50 °C), lo que contribuye a una sensación grasosa en la boca. Los diferentes tipos de grasa, como la grasa intermuscular y la grasa intramuscular, se pueden recrear, por ejemplo, mediante la variación del contenido total de lípidos y la concentración de metilcelulosa en la matriz. Este componente graso es compatible con el proceso de fabricación aditiva, lo que permite una deposición precisa para recrear patrones de veteado específicos. También en este caso, la viscosidad de la pasta del componente graso se mantiene lo suficientemente alta como para permitir la deposición autoportante usando bombas PCP típicas. Debido a la naturaleza del veteado en los filetes de res, la resolución de la deposición de grasa puede requerir boquillas más delgadas, de hasta 1 mm. La interconexión entre el componente muscular y el componente graso se ve facilitada por la presencia del componente CT que mantiene unidos los elementos unidireccionales que forman las regiones del tejido muscular y graso.
3.4 Fabricación avanzada de alimentos
Dividir la carne en componentes y abordar cada componente por separado permite una imitación más precisa del uso de ingredientes de origen vegetal. Sin embargo, el ensamblaje de estos componentes en un producto cárnico completo requiere nuevos enfoques en la fabricación de alimentos. Inspirándonos en la fabricación aditiva (AM) y la robótica, desarrollamos un proceso que utiliza dispositivos de extrusión de alta presión y una matriz estática de múltiples boquillas, entregando pastas de componentes de alta viscosidad en una plataforma XYZ controlada digitalmente (Ben-Shitrit et al., 2020 ). Otros elementos de la carne de origen vegetal, como los laminados CT, se dispensan a través de módulos robóticos dedicados. El uso de este método de fabricación avanzado permite la creación de cualquier configuración espacial de músculo y grasa, lo que respalda la producción de análogos relevantes de corte de músculo completo.
El proceso de Fabricación Aditiva (AM) facilita:
- Control de la configuración espacial de músculo y grasa y veteado realista.
- Personalización masiva de filetes y cortes.
- Inducir la orientación de las fibras TVP en las hebras musculares de origen vegetal.
- La fabricación de estructuras compuestas, como músculo con TC integrada.
- Deposición unidireccional de fibras musculares, lo que da como resultado un grano de relevancia culinaria cuando se cortan los filetes (Figura 1).
Si bien se explotan con éxito los beneficios de la fabricación aditiva, era importante abordar sus principales puntos débiles, a saber, el costo y el rendimiento, que con frecuencia limitan su implementación en aplicaciones industriales y podrían afectar el potencial de mercado de la solución actual. Esto se logró mediante un enfoque de diseño para la función, donde el sistema de fabricación se optimizó únicamente para la aplicación de cortes de músculo entero de res, al tiempo que se maximizaba el rendimiento. En la práctica, esto dio como resultado un sistema que opera con una resolución espacial relativamente gruesa, depositando cordones de aproximadamente 3 mm, sin necesidad de material de soporte o curado, con todos los cordones colocados en la misma orientación formando losas largas, de aproximadamente 1 m de longitud. En conjunto, esto dio como resultado un tiempo de inactividad mínimo de la bandeja, una velocidad de desplazamiento maximizada y un bajo desperdicio. Una vez combinado con una placa de 12 boquillas que deposita material simultáneamente, el sistema generó un rendimiento de más de 10 kg/h, el equivalente a aproximadamente una vaca por día de productos cárnicos alternativos (Mandelik et al., 2021).
La Figura 3E muestra un conjunto de cortes de músculo entero sin animales elaborados utilizando el concepto PBTE y que combinan con algunos de los cortes premium comunes, como lomo, solomillo, chuletón y wagyu. Todos estos fueron cortados a partir de losas hechas con el mismo conjunto de componentes de músculo, grasa y tejido conectivo y manipulados digitalmente para formar el factor de forma y los patrones de veteado deseados.
4— Discusión y conclusión
Este artículo presenta un enfoque novedoso de ingeniería de tejidos a base de plantas (PBTE), que aprovecha los principios de la ingeniería de tejidos y la fabricación avanzada de alimentos para recrear la compleja estructura de los cortes de carne de músculo entero. Nuestros hallazgos demuestran que el método PBTE aborda eficazmente los desafíos multifacéticos inherentes a la replicación de la textura, estructura y atributos sensoriales de los productos cárnicos tradicionales.
4.1 Importancia en el campo de la Materia Blanda
El enfoque PBTE representa una contribución significativa al campo de la materia blanda, particularmente en la ciencia de los alimentos. Muestra cómo la manipulación de materiales de origen vegetal a nivel microestructural puede conducir al desarrollo de sistemas alimentarios complejos de múltiples componentes. Al imitar la estructura jerárquica de los tejidos musculares, adiposos y conectivos de la carne, podemos cerrar una brecha crucial en la industria de las proteínas alternativas, alineándonos con los principios de Soft Matter para comprender e diseñar estructuras y materiales complejos.
4.2 Hallazgos clave
- Replicación del tejido muscular: mediante la desintegración de TVP en fibras mezcladas con masa proteica, imitamos con éxito la estructura anisotrópica y fibrosa del tejido muscular. La introducción de un componente de tejido conectivo mejoró aún más la integridad mecánica y los atributos sensoriales del análogo muscular, muy parecido a los de la carne animal.
- Ingeniería de tejido graso: la encapsulación de la formulación lipídica dentro de una matriz hidrocoloide recreó eficazmente la sensación en boca y la textura de la grasa intramuscular, un elemento clave en el perfil sensorial de la carne.
- Técnicas de fabricación avanzadas: nuestra adopción de sistemas robóticos y de fabricación aditiva permitió una configuración espacial precisa de los componentes de músculo y grasa, ofreciendo una plataforma versátil para producir una amplia gama de análogos de carne. Este aspecto es particularmente innovador y muestra el potencial de la impresión 3D multimaterial y la robótica para revolucionar la fabricación de alimentos.
4.3 Implicaciones y direcciones futuras
- Impacto ambiental: Dada la naturaleza intensiva en recursos de la producción tradicional de carne, el método PBTE ofrece una alternativa más sustentable a la carne, reduciendo potencialmente las emisiones de gases de efecto invernadero y el uso de recursos como el agua, la tierra y la energía.
- Potencial de mercado: El consumo de carne en todo el mundo continúa aumentando, a pesar de una creciente conciencia del impacto negativo de la ganadería. Esto también a pesar de la introducción en el mercado de análogos de carne de origen vegetal, que hasta ahora se han centrado principalmente en imitar hamburguesas, nuggets de pollo u otros productos cárnicos en el extremo inferior de la cadena de valor. Creemos que esta tecnología abre nuevas vías para que la industria de la carne alternativa atienda a una base de consumidores más amplia, incluidos los flexitarianos y los consumidores de carne, al ofrecer productos que replican fielmente la experiencia sensorial de la carne animal, incluidos los cortes de músculo entero.
- Relevancia para otras carnes: el enfoque PBTE puede ampliarse para imitar otros tipos de carne, además de la carne de res. La reconstrucción de estructuras sofisticadas de origen natural mediante su descomposición en un conjunto de componentes más simples y su reconstrucción independiente con un conjunto diferente de materiales, seguida de un ensamblaje digital para parecerse a la arquitectura compleja del objeto original, se puede aplicar a otros alimentos. Naturalmente, esto requiere un análisis específico de la carne objetivo para determinar las características de sus tejidos y su organización. Luego, los componentes análogos de origen vegetal deben ajustarse para que coincidan con estas características. Sin embargo, confiamos en que el conjunto de ingredientes de origen vegetal, métodos de formulación y métodos de fabricación avanzados que se describen aquí pueden abordar una amplia gama de productos cárnicos.
- Investigación futura: Creemos que la versatilidad de nuestro enfoque junto con su potencial de mercado y su impacto ambiental esperado pueden atraer mayor interés y potencial de investigación dentro de los dominios industrial y académico, y ayudar a acelerar su expansión a mercados y tipos de productos adicionales. Destacamos la importancia de seguir avanzando en el desarrollo de componentes de origen vegetal que tengan texturas más duras, buena procesabilidad, bajos niveles de sabores desagradables, buenos perfiles nutricionales, costos competitivos y disponibilidad a escala, al mismo tiempo que tengan una baja huella ambiental. Paralelamente, esperamos una mayor aceleración de este ámbito mediante el desarrollo y la adaptación de técnicas de fabricación avanzadas a los entornos de producción de alimentos.
En conclusión, el enfoque PBTE marca un paso fundamental en la evolución de las alternativas a la carne. Al replicar intrincadamente la estructura y textura de la carne animal utilizando ingredientes de origen vegetal, no solo abordamos preocupaciones ambientales y éticas, sino que también atendemos la creciente demanda de fuentes de proteínas sostenibles y diversas que satisfagan las expectativas de los consumidores en cuanto a sabor, textura y otros parámetros de la carne. Los principios y metodologías desarrollados en este estudio tienen un potencial significativo para futuras innovaciones en el campo de la materia blanda, particularmente para ayudar a desarrollar sistemas alimentarios sostenibles.
Daniel Dikovsky
Redefine Meat Ltd., Rehovot, Israel
Fondos
El autor declara haber recibido apoyo financiero para la investigación, autoría y/o publicación de este artículo. El trabajo fue financiado por Redefine Meat Ltd. y parcialmente por la Autoridad de Innovación de Israel (IIA). El número de subvención para el IIA es #71520. Redefine Meat Ltd. no participó en el diseño del estudio, la recopilación, el análisis, la interpretación de los datos, la redacción de este artículo ni la decisión de enviarlo para su publicación.
Expresiones de gratitud
El autor desea agradecer al prof. Peter Purslow por su asesoramiento sobre este proyecto y a los organizadores de la primera Soft Matter Conference: prof. Alejandro Marangoni, prof. Raffaele Mezzenga, prof. Ali Miserez y el prof. Franco Alexis.
Referencias
— Appiani, M., Cattaneo, C., and Laureati, M. (2023). Sensory properties and consumer acceptance of plant-based meat, dairy, fish and eggs analogs: a systematic review. Front. Sustain. Food Syst. 7, 1–23. doi:10.3389/fsufs.2023.1268068 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Areas, J. (1992). Extrusion of food proteins. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 32 (4), 365–392. doi:10.1080/10408399209527604 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Bailey, M. E. (1994). “Maillard reactions and meat flavour development,” in Flavor of meat and meat products (Boston, MA: Springer US), 153–173. CrossRef Full Text | Google Scholar
— Ben-Arye, T., and Levenberg, S. (2019). Tissue engineering for clean meat production. Front. Sustain. Food Syst. 3, 46. doi:10.3389/fsufs.2019.00046 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Ben-Arye, T., Shandalov, Y., Ben-Shaul, S., Landau, S., Zagury, Y., Ianovici, I., et al. (2020). Textured soy protein scaffolds enable the generation of three-dimensional bovine skeletal muscle tissue for cell-based meat. Nat. Food 1, 210–220. doi:10.1038/s43016-020-0046-5 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Bendall, J. R. (1967). The elastin content of various muscles of beef animals. J. Sci. Food Agric. 18 (12), 553–558. doi:10.1002/jsfa.2740181201 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Ben-Shitrit, E., Tomsov, A., Mandelik, D., Dikovsky, D., and Silberstein, S. (2020). Meat analogues and methods of producing the same. Google Scholar
— Ben-Shitrit, E., Tomsov, A., Mandelik, D., Hazan, N., Bochner, N., Dikovsky, D., et al. (2021). Whole muscle meat substitute and methods of obtaining the same. WO2021095034A1. Google Scholar
— Broad, G. M. (2020). Making meat, better: the metaphors of plant-based and cell-based meat innovation. Environ. Commun. 14 (7), 919–932. doi:10.1080/17524032.2020.1725085 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Bushnell, C., Specht, L., and Almy, J. (2022). State of the Industry Report | Plant-based meat, seafood, eggs, and dairy. Google Scholar
— Chriki, S., Renand, G., Picard, B., Micol, D., Journaux, L., and Hocquette, J. F. (2013). Meta-analysis of the relationships between beef tenderness and muscle characteristics. Livest. Sci. 155 (2-3), 424–434. doi:10.1016/j.livsci.2013.04.009 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Close, D. (2014). Ground Beef Nation: the effect of changing consumer tastes and preferences on the US cattle industry. Google Scholar
— Dekkers, B. L., Boom, R. M., and van der Goot, A. J. (2018). Structuring processes for meat analogues. Trends Food Sci. Technol. 81, 25–36. doi:10.1016/j.tifs.2018.08.011 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Dikovsky, D., and Hausner, J. (2022). Meat analogue and method of producing the same. WO2022089717. Google Scholar
— Dransfield, E. (1977). Intramuscular composition and texture of beef muscles. J. Sci. Food Agric. 28 (9), 833–842. doi:10.1002/jsfa.2740280910 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Emin, M. A., and Schuchmann, H. P. (2017). A mechanistic approach to analyze extrusion processing of biopolymers by numerical, rheological, and optical methods. Trends Food Sci. Technol. 60, 88–95. doi:10.1016/j.tifs.2016.10.003 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Flores, M. (2023). The eating quality of meat: III—flavor. Lawrie’s Meat Sci., 421–455. doi:10.1016/b978-0-323-85408-5.00014-5 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Frank, D., Joo, S. T., and Warner, R. (2016). Consumer acceptability of intramuscular fat. Korean J. food Sci. animal Resour. 36 (6), 699–708. doi:10.5851/kosfa.2016.36.6.699 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Garnett, T. (2009). Livestock-related greenhouse gas emissions: impacts and options for policy makers. Environ. Sci. policy 12 (4), 491–503. doi:10.1016/j.envsci.2009.01.006 CrossRef Full Text | Google Scholar
— GFI (2022). Reducing the price of alternative proteins. Google Scholar
— Grompone, M. A. (1989). Physicochemical properties of fractionated beef tallows. J. Am. Oil Chem. Soc. 66 (2), 253–255. doi:10.1007/bf02546070 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Heng, M., McCarl, B., and Fei, C. (2022). Climate change and livestock production: a literature review. Atmosphere 13 (1), 140. doi:10.3390/atmos13010140 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Hertafeld, E., Zhang, C., Jin, Z., Jakub, A., Russell, K., Lakehal, Y., et al. (2019). Multi-material three-dimensional food printing with simultaneous infrared cooking. 3D Print. Addit. Manuf. 6 (1), 13–19. doi:10.1089/3dp.2018.0042 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Ikada, Y. (2006). Challenges in tissue engineering. J. R. Soc. Interface 3 (10), 589–601. doi:10.1098/rsif.2006.0124 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Krintiras, G. A., Gadea Diaz, J., van der Goot, A. J., Stankiewicz, A. I., and Stefanidis, G. D. (2016). On the use of the Couette Cell technology for large scale production of textured soy-based meat replacers. J. Food Eng. 169, 205–213. doi:10.1016/j.jfoodeng.2015.08.021 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Kumar, P., Abubakar, A. A., Verma, A. K., Umaraw, P., Adewale Ahmed, M., Mehta, N., et al. (2022). New insights in improving sustainability in meat production: opportunities and challenges. Crit. Rev. Food Sci. Nutr. 63, 11830–11858. doi:10.1080/10408398.2022.2096562 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Kyoungju, K., Byungsun, C., Inhee, L., Hyeyoung, L., Soonhyang, K., Kyoungyoung, O., et al. (2011). Bioproduction of mushroom mycelium of Agaricus bisporus by commercial submerged fermentation for the production of meat analogue. J. Sci. Food Agric. 91 (9), 1561–1568. doi:10.1002/jsfa.4348 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Lepetit, J., and Culioli, J. (1994). Mechanical properties of meat. Mech. Prop. meat 36 (1-2), 203–237. doi:10.1016/0309-1740(94)90042-6 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Lillford, P. J. (2001). Mechanisms of fracture in foods. J. Texture Stud. 32 (5-6), 397–417. doi:10.1111/j.1745-4603.2001.tb01244.x CrossRef Full Text | Google Scholar
— Lin, S., Huff, H. E., and Hsieh, F. (2000). Texture and chemical characteristics of soy protein meat analog extruded at high moisture. J. Food Sci. 65 (2), 264–269. doi:10.1111/j.1365-2621.2000.tb15991.x CrossRef Full Text | Google Scholar
— Mandelik, D., Comforti, E., Schachter, S., Shapira, G., and Dikovsky, D. (2021). System and method for fabrication of a three-dimensional edible product. WO2022079718. Google Scholar
— Mattis, K. D., and Marangoni, A. G. (2020). Comparing methods to produce fibrous material from zein. Food Res. Int. 128, 108804. doi:10.1016/j.foodres.2019.108804 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Mottram, D. S. (1998). Flavour formation in meat and meat products: a review. Food Chem. 62 (4), 415–424. doi:10.1016/s0308-8146(98)00076-4 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Mottram, D. S., and Elmore, J. S. (2005). “The interaction of lipid-derived aldehydes with the Maillard reaction in meat systems,” in The maillard reaction in foods and medicine (USA: Woodhead Publishing), 198–203. CrossRef Full Text | Google Scholar
— Nishimura, T. (2010a). The role of intramuscular connective tissue in meat texture. Animal Sci. J. 81 (1), 21–27. doi:10.1111/j.1740-0929.2009.00696.x PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Post, M. J. (2012). Cultured meat from stem cells: challenges and prospects. Meat Sci. 92 (3), 297–301. doi:10.1016/j.meatsci.2012.04.008 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Post, M. J., Levenberg, S., Kaplan, D. L., Genovese, N., Fu, J., Bryant, C. J., et al. (2020). Scientific, sustainability and regulatory challenges of cultured meat. Nat. Food 1, 403–415. doi:10.1038/s43016-020-0112-z CrossRef Full Text | Google Scholar
— Protose (1900). The new food that is all food. Mod. Med. 6, 144. Google Scholar
— Purslow, P. P. (2002). The structure and functional significance of variations in the connective tissue within muscle. Comp. Biochem. Physiology Part A Mol. Integr. Physiology 133 (4), 947–966. doi:10.1016/s1095-6433(02)00141-1 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Purslow, P. P. (2018). Contribution of collagen and connective tissue to cooked meat toughness; some paradigms reviewed. Meat Sci. 144, 127–134. doi:10.1016/j.meatsci.2018.03.026 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Purslow, P. P. (2020). The structure and role of intramuscular connective tissue in muscle function. Front. Physiology 11, 495. doi:10.3389/fphys.2020.00495 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Purslow, P. P. (2023). “The structure and growth of muscle,” in Lawrie’s meat science (China: Woodhead Publishing), 51–103. CrossRef Full Text | Google Scholar
— Purslow, P. P., Oiseth, S., Hughes, J., and Warner, R. D. (2016). The structural basis of cooking loss in beef: variations with temperature and ageing. Food Res. Int. 89, 739–748. doi:10.1016/j.foodres.2016.09.010 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— redefinemeat. Available at: https://www.redefinemeat.com/technology.
— Roy, B. C., and Bruce, H. L. (2023). Contribution of intramuscular connective tissue and its structural components on meat tenderness-revisited: a review. Crit. Rev. Food Sci. Nutr., 1–31. doi:10.1080/10408398.2023.2211671 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Schreuders, F., Schlangen, M., Kyriakopoulou, K., Boom, R., and van der Goot, A. J. (2021). Texture methods for evaluating meat and meat analogue structures: a review. Food control. 127, 108103. doi:10.1016/j.foodcont.2021.108103 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Steinfeld, H. (2006). Livestock’s long shadow: environmental issues and options. Food and Agric. Org. Google Scholar
— Szenderák, J., Fróna, D., and Rákos, M. (2022). Consumer acceptance of plant-based meat substitutes: a narrative review. Foods 11 (9), 1274. doi:10.3390/foods11091274 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Tordjman, J. (2012). “Histology of adipose tissue,” in Physiology and physiopathology of adipose tissue (Paris: Springer Paris), 67–75. CrossRef Full Text | Google Scholar
— Tornberg, E. V. A. (2005). Effects of heat on meat proteins–Implications on structure and quality of meat products. Meat Sci. 70 (3), 493–508. doi:10.1016/j.meatsci.2004.11.021 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Vacanti, C. A. (2006). The history of tissue engineering. J. Cell. Mol. Med. 10 (3), 569–576. doi:10.2755/jcmm010.003.20 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Weston, A. R., Rogers, R. W., and Althen, T. G. (2002). Review: the role of collagen in meat tenderness. Prof. Animal Sci. 18 (2), 107–111. doi:10.15232/s1080-7446(15)31497-2 CrossRef Full Text | Google Scholar
— Wood, J. D., Enser, M., Fisher, A. V., Nute, G. R., Sheard, P. R., Richardson, R. I., et al. (2008). Fat deposition, fatty acid composition and meat quality: a review. Meat Sci. 78 (4), 343–358. doi:10.1016/j.meatsci.2007.07.019 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
— Yu, T. Y., Morton, J. D., Clerens, S., and Dyer, J. M. (2017). Cooking-induced protein modifications in meat. Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 16 (1), 141–159. doi:10.1111/1541-4337.12243 PubMed Abstract | CrossRef Full Text | Google Scholar
Keywords:
meat analog, beef, connective tissue, additive manufacturing, tissue engineering, plant-based meat, análogo de carne, carne de res, tejido conectivo, fabricación aditiva, ingeniería de tejidos, carne de origen vegetal
Citation:
Dikovsky D (2024) Addressing the structural sophistication of meat via plant-based tissue engineering. Front. Soft Matter 4:1343906. doi: 10.3389/frsfm.2024.1343906
Recibido: 24 November 2023
Aceptado: 22 January 2024;
Publicado: 06 February 2024.
Editado por:
Raffaele Mezzenga, ETH Zürich, Switzerland
Revisado por:
Mike Boland, Massey University, New Zealand
Lilia Ahrné, University of Copenhagen, Denmark
Copyright © 2024 Dikovsky. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de Atribución Creative Commons (CC BY). Se permite el uso, distribución o reproducción en otros foros, siempre que se cite al autor(es) original(es) y al(los) propietario(s) de los derechos de autor y se cite la publicación original en esta revista, de acuerdo con la práctica académica aceptada. No se permite ningún uso, distribución o reproducción que no cumpla con estos términos.
Contacto:
Daniel Dikovsky, daniel.dikovsky@redefinemeat.com
Descargo de responsabilidad:
Todas las afirmaciones expresadas en este artículo son únicamente responsabilidad de los autores y no necesariamente representan las de sus organizaciones afiliadas, ni las del editor, los editores y los revisores. Cualquier producto que pueda evaluarse en este artículo o afirmación que pueda hacer su fabricante no está garantizado ni respaldado por el editor.
Editorial Cultura Vegana
www.culturavegana.com
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
1— frontiersin.org, «Addressing the structural sophistication of meat via plant-based tissue engineering», Daniel Dikovsky, Frontiers in Soft Matter, 6 de febrero de 2024.
Comparte este post sobre carne vegetal en redes sociales