اکستروژن با رطوبت بالا برای تولید گوشت آنالوگ

پروتئین ها جزء مهمی از رژیم غذایی انسان هستند و اکثریت قریب به اتفاق از محصولات حیوانی مشتق می شوند. با توجه به تقاضای روزافزون برای محصولات حیوانی به موازات افزایش جمعیت، جامعه بشری با چالش‌های شدیدی مواجه است زیرا تولید انبوه گوشت باتوجه به پایین بودن ضریب تبدیل ذاتی پروتئین گیاهی به حیوانی اثرات منفی متعددی بر محیط‌زیست از جمله کاربری زمین، کاهش آب شیرین، گرم شدن زمین، کاهش مراتع لازم جهت تغذیه دام و از دست دادن تنوع زیستی دارد (Steinfeld و همکاران، 2006). در این میان، یک رویکرد برای تامین پایدار پروتئین، جایگزینی جزئی پروتئین گوشت با پروتئین گیاهی است (Smil 2000). علاوه بر این، امروزه با افزایش گیاه خواری در میان جوامع بشری، توجه به حقوق حیوانات، شیوع بیماری های حیوانی نظیر جنون گاوی و نیز افزایش تقاضا برای مصرف غذای سالم (بدون کلسترول و حاوی چربی غیر اشباع تر) و حلال نگاه مثبتی بر استفاده از پروتئین های گیاهی به عنوان جایگزین پروتئین های حیوانی ایجاد نموده است [2].

علیرغم افزایش آگاهی عمومی از جنبه‌های منفی مرتبط با تولید گوشت، محصولات آنالوگ که دارای بافتی مشابه گوشت بوده و یک الگوی موفق و اقتصادی در جایگزینی پروتئین حیوانی با پروتئین های گیاهی هستند، هنوز به‌عنوان محصولات خاص شناخته می‌شوند؛ دلیل این امر را می‌توان به ویژگی‌های حسی غیرمعمول مانند ظاهر، طعم، عطر و بافت نسبت داد. از این رو، نیاز به فناوری هایی برای تبدیل پروتئین گیاهی به محصولات خوش طعم که با استقبال بالای مصرف کنندگان همراه است، وجود دارد. با اینکه می توان طعم گوشت را به راحتی به دست آورد اما ویژگی های منحصر به فرد بافت گوشت ماهیچه ای چالشی خاص را برای توسعه دهندگان گوشت آنالوگ ایجاد می کند.

از دهه 1960، پخت اکستروژن برای تولید جایگزین های گوشت با استفاده از نشاسته و پروتئین به عنوان مواد خام استفاده شده است. جایگزین‌های گوشت اکسترود شده سنتی که با اکستروژن کم رطوبت تولید می‌شوند (حدود 30 درصد، وزنی/وزنی)، بافتی اسفنج مانند داشته و قبل از مصرف نیاز به آب‌رسانی مجدد دارند (Guy، 2001). این محصولات به عنوان اکستندر گوشت[1] یا جایگزین گوشت چرخ کرده استفاده می شود. با این حال، آنها نمی توانند ظاهر و بافت ماهیچه های فیبری گوشت را تقلید کنند. یکی از فناوری‌های امیدوارکننده برای به دست آوردن جایگزین‌های گوشت با کیفیت بالا از پروتئین‌های گیاهی، فرآیند پخت اکستروژن با رطوبت بالا[2] (HMEC) است. ویژگی کلیدی جایگزین های گوشت با رطوبت بالا ساختار فیبری آنها بوده که بافتی شبیه سینه مرغ است. شباهت زیاد به گوشت ماهیچه ای را نمی توان با فناوری های قبلی به دست آورد. این فناوری می تواند سرعت افزایش تولید گوشت حیوانی را کاهش داده و به سمت تامین پایدارتر پروتئین بر اساس پروتئین های گیاهی سوق دهد.

اخیراً عرضه محصولات غذایی آنالوگ حیوانی مانند گوشت، ماهی، شیر، تخم مرغ و پنیر گیاهی به بازار مواد غذایی افزایش چشمگیری داشته است. بر اساس گزارش موسسه گود فود[3] که یک سازمان غیرانتفاعی است میزان خرده فروشی غذاهای گیاهی در ایالات متحده در سال 2019 به 5 میلیارد دلار افزایش یافت که نشان دهنده افزایش 29 درصدی طی دو سال است (McClements و همکاران، 2021). علاوه بر این، فروشگاه‌های خرده‌فروشی بیش از 100 محصول مختلف آنالوگ گوشت را در قفسه‌های خود عرضه می‌کنند. افزایش عرضه محصولات غذایی با پایه گیاهی تا حد زیادی بخاطر تاثیر مثبت تولید این فراورده ها بر پایداری محیط­زیست، بهداشت و درنظر گرفتن حقوق حیوانات می باشد. به عنوان مثال، مشخص شده است استفاده از رژیم‌های غذایی سرشار از گوشت و فرآورده‌های گوشتی موجب تولید بیش از دو برابر دی‌اکسید کربن (19/7 کیلوگرم،CO2  در روز) نسبت به رژیم گیاه­خواری (89/2کیلوگرم، CO2  در روز) می شود (Scarborough و همکاران، 2014). علاوه بر این، مصرف زیاد گوشت قرمز و فرآورده های آن تنها در ایالات متحده منجر به تحمیل هزینه­ی 285 میلیارد دلاری به سیستم بهداشت و درمان شده است (Springmann و همکاران، 2018).

افزایش تمایل مصرف کنندگان به استفاده از محصولات غذایی که حاوی فراورده های حیوانی نیستند منجر به رشد فعالیت های تحقیق و توسعه در زمینه تولید محصولات غذایی جایگزین مانند آنالوگ های گوشت شده است. در کلاس آنالوگ­های گوشت، فعالیت‌های تحقیقاتی اخیر منجر به معرفی و توسعه مواد خام جدید، تکنیک‌های ساختاردهی نوین و فرمولاسیون‌های جدید شده است (McClements و همکاران، 2021).

معمولاً دو نوع طبقه غذایی در مورد گوشت وجود دارد: گوشت تازه، گوشت های نیمه آماده[4] و فرآورده های گوشتی. منظور از گوشت تازه، بافت خوراکی حیوانات است که برای تهیه غذا استفاده می‌شود. گوشت های نیمه آماده، گوشت تازه‌ای هستند که به قطعات کوچکتر تبدیل شده درحالیکه فیبرهای ماهیچه‌ای هنوز در محصول قابل مشاهده هستند و فرآورده‌های گوشتی محصولاتی هستند که برای افزایش ماندگاری، راحتی مصرف، تنوع و کیفیت گوشت تازه تولید می شوند (Boada و همکاران، 2017). طبقه بندی مشابهی در مورد گوشت­های آنالوگ تعریف شده است: آنالوگ های گوشت و آنالوگ های گوشت فرآوری شده. آنالوگ های گوشت و آنالوگ های گوشت فرآوری شده به صورت زیر تعریف می شوند (McClements و همکاران، 2021):

• آنالوگ‌های گوشت از پروتئین‌ها، چربی‌ها، کربوهیدرات‌ها و سایر مواد به‌دست‌آمده از منابع غیرحیوانی تولید شده و برای تقلید بافت ماهیچه‌ای کامل با روش فیزیکی، آنزیمی یا بیولوژیکی ساختاردهی شده اند.
• آنالوگ های گوشت نیمه آماده از پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها و سایر مواد به دست آمده از منابع غیر حیوانی تولید می شود که بصورت فیزیکی، آنزیمی یا بیولوژیکی ساختاردهی شده اند تا بافتی مشابه بافت عضلانی تکه تکه شده مانند گوشت چرخ کرده بدست آید.
• آنالوگ های گوشت فراوری شده از پروتئین ها، چربی ها، کربوهیدرات ها و سایر مواد به دست آمده از منابع غیر حیوانی تولید می شود که بصورت فیزیکی، آنزیمی یا بیولوژیکی ساختاردهی شده اند تا محصولاتی مشابه سوسیس و کالباس بدست آید.

برای تولید این محصولات می توان از انواع منابع غنی از پروتئین غیرحیوانی از جمله گیاهان، جلبک ها، قارچ ها یا گوشت کشت داده شده[5] استفاده کرد. باید توجه داشت که تا به امروز هنوز این بحث وجود دارد که آیا گوشت کشت داده شده به عنوان گوشت یا آنالوگ گوشت طبقه بندی می شود (Boada و همکاران، 2017).

مطالعات قبلی برپایه اکستروژن رطوبت بالا به سویا و گلوتن گندم به عنوان منابع پروتئین گیاهی محدود شده است که با معایبی همراه است. برخی از مشکلات در خصوص استفاده از پروتئین های سویا نظیر حضور عوامل ضد تغذیه ای و آلرژی زا ، بروز جهش های ژنتیکی در موجودات زنده و نیز بیماری سلیاک در نتیجه مصرف گلوتن گندم منجربه توجه به منابع دیگر پروتئینی گردیده است [13]. از دیدگاه اروپایی، نخود (.Pisum sativum L) به دلیل ویژگی های تغذیه ای و پتانسیل پایین برای پاسخ های آلرژیک می تواند نقش مهمی را به عنوان جایگزینی برای پروتئین گوشت در میان منابع مختلف پروتئین های گیاهی ایفا کند (نواک-وگرزین و همکاران 2003). به منظور ایجاد یک بافت فیبری، پروتئین ها در اکسترودر تحت رطوبت بالای 50% (برمبنای مرطوب) گرم می شوند و بافت دهی به پروتئین در قسمت قالب خنک کننده به ترتیب با تغییر رطوبت، دما، فشار و برش ایجاد میشود (Noguchi 1990). ایجاد ساختار فیبریلی شبیه گوشت از ویژگی های کلیدی در تولید گوشت های انالوگ رطوبت بالا می باشد که سبب ایجاد ظاهر بهتر و احساس مطلوب تر در نظر مصرف کننده میشود. تولید گوشت آنالوگ با ساختار فیبریلی مطلوب طی فرآِیند پخت اکستروژن رطوبت بالا فرآیندی پیچیده بوده که وابسته به خواص فیزیکوشیمیایی مواد تشکیل دهنده پروتئین، تعاملات آنها با دیگر مواد افزودنی و نیز شرایط اکستروژن (حرارت، رطوبت، دور هلیکس، گشتاور موتور، فشار جریان و انرژی مکانیکی ویژه) می باشد[10].  ترکیب این متغیرهای فرآیند منجر به تبدیل مولکولی و واکنش شیمیایی بین مولکول های پروتئین می شود. پیشنهاد شده است که پروتئین ها در داخل اکسترودر پلاستیکی شده و متعاقباً طی عبور از یک قالب خنک کننده جامد می شوند (Akdogan 1999). با این حال، هنوز دانش محدودی در مورد دماهای ذوب و انجماد، ویسکوزیته و پروفیل های جریان در داخل اکسترودر و قالب خنک کننده وجود دارد. برای تثبیت ساختاری اکسترودها، تغییرات در هر دو نوع پیوند کووالانسی (پیوندهای پپتیدی و دی سولفیدی) و غیرکووالانسی (پیوندهای هیدروژنی، آبگریز و یونی) را می توان انتظار داشت (Liu and Hsieh 2007؛ Chen et al. 2011).

اگرچه پخت اکستروژن با رطوبت بالا اخیراً در صنایع غذایی معرفی شده است اما فرآیندهای زیربنایی تشکیل ساختار الیاف-مانند هنوز به اندازه کافی روشن نشده اند. این امر عمدتاً به دلیل دشواری مطالعه ویژگی های پروتئین تحت شرایط دمای بالا، فشار و برش در داخل اکسترودر و همچنین پیچیدگی فرآیند اکستروژن بوده که خود متاثر از برهمکنش بین متغیرهای فرآیند، ویژگی های خوراک ورودی و ویژگی های محصول است. این وابستگی ها مانع از بیان اثر یک متغیر یا پارامتر فرآیند شده و درک محدود از ارتباط بین مواد تشکیل دهنده، فرایند و تشکیل ساختار مانع توسعه محصول می شود.

[1] -meat extenders

[2] -high moisture extrusion cooking

[3] - Good Food

[4] - meat preparations

[5] - cultured meat