تکنیک های بافت دهی به گوشت آنالوگ گیاهی

1- برش القا شده در دمای بالا

برش القا شده در دمای بالا در بافت­دهی پروتئین های گیاهی روشی ساده، مقرون به صرفه و کارآمد است. دو دستگاه با هندسه‌های مختلف (مخروط روی مخروط و استوانه در استوانه) برای اطمینان از ساختاردهی پروتئین‌ بوسیله برش استفاده می‌شوند. دستگاه مخروط در مخروط به گونه ای طراحی شده است که محصول در فضای بین هر دو مخروط قرار می گیرد (مخروط پایین در حال چرخش است در حالی که مخروط بالایی ثابت است) و امکان گرمایش دو طرف محصول را از طریق یک حمام روغن در دما و تنش خالص بالا را فراهم می کند (95-140 درجه سانتیگراد). در دستگاه سیلندر در سیلندر، محصول بین دو سیلندر (سیلندر بیرونی ثابت و سیلندر داخلی چرخان) قرار می گیرد که جریان برشی مشابهی با دستگاه مخروط در مخروط ایجاد می کند. در مقایسه با اکستروژن، ساختارهای ناشی از برش به دلیل ترکیب برش ساده و گرما منجر به شکل­گیری ساختارهای فیبری مشخص، می‌شود (Boukid، 2021). در این فرایند دمای گرم کردن یک پارامتر کلیدی است زیرا برش در دمای بالا (140 درجه سانتیگراد) یک بافت ناهمسانگرد را بر خلاف دماهای پایین ایجاد می کند که منجر به ساختار لایه ای می شود (Grabowska و همکاران، 2014).

2- ریسندگی مرطوب

ریسندگی مرطوب سابقه طولانی در ساخت محصولات پروتئینی فیبری دارد. در فرآیند ریسندگی مرطوب، محلول پروتئین قلیایی کهنه شده[1] با فشار از داخل یک رشته ­ساز[2] عبور داده شده و سپس برای رسوب و جامدشدن در حمام منعقد کننده که حاوی اسید است، غوطه ور می شود.. رشته های به دست آمده (ضخامت 20 میکرومتر) ممکن است با هم جمع شوند و برای جهت دهی به شکل ساختار مولکولی الیاف کشیده شوند. با این حال، این فرآیند به پروتئین های خالص، pH پایین، غلظت نمک بالا و افزودنی های شیمیایی نیاز دارد. علاوه بر این، این فرآیند مقادیر زیادی ضایعات (جریان های فاضلاب از مراحل انعقاد و شستشو) را تولید می کند (Boukid، 2021)

3- الکتروریسی

الکتروریسی اخیراً به عنوان یک فناوری مقرون به صرفه و مقیاس پذیر برای تولید فیبرهای بسیار نازک مورد توجه قرار گرفته است. در طول الکتروریسی، محلول پلیمری از طریق یک سوزن توخالی یا اسپینر تحت یک میدان الکتریکی قوی قرار می گیرد. هنگامی که نیروهای الکتریکی بر کشش سطحی محلول غلبه می کنند، محلول پلیمری دارای بار الکتریکی بصورت یک جریان نازک موسوم به جت به سمت یک صفحه جمع کننده حرکت می کند. در مسیر رسیدن محلول پلیمری به این صفحه، حلال به سرعت تبخیر می شود و جت ها بصورت فیبرهای خشک فوق نازک (≈100 نانومتر) درمی آیند (Kutzli و همکاران، 2019). در فرآیند الکتروریسی، مهمترین پارامترها شامل خواص پلیمر (نوع، وزن مولکولی، ساختار و غلظت)، خواص حلال (ویسکوزیته، کشش سطحی و هدایت الکتریکی) و پارامترهای محیطی (دما و رطوبت نسبی) می باشد. پلیمرها باید در غلظت بالا محلول باشند تا از همپوشانی کافی بین مولکول ها اطمینان حاصل شود و برای ایجاد شبکه درهم تنیده، محلول باید دارای رسانایی، ویسکوزیته و کشش سطحی مناسب باشد. به طور کلی الکتروریسی پروتئین ها به جز برای پروتئین هایی مانند زئین که ماهیت پلیمری آمفی فیلیک دارند، دشوار است. مخلوط کردن پروتئین‌های گیاهی (مانند پروتئین نخود و پروتئین سویا) با پلیمرهای قابل ریسندگی (مانند سلولز و مالتودکسترین) می‌تواند استراتژی خوبی برای اطمینان از کارایی این روش باشد (Boukid، 2021).

4- ساختاردهی انجمادی

ساختاردهی انجمادی می تواند تشکیل یک ساختار فیبری را امکان پذیر کند اما به شدت به منبع پروتئین گیاهی و ویژگی های آن (ظرفیت نگهداری آب، حلالیت و ژل شدن) و شرایط انجماد/خشک کردن (دما و مدت) مرتبط است. در طی این فرآیند، پروتئین ها با سایر اجزاء مخلوط می شوند تا امولسیون یکنواختی به دست آید. سپس مخلوط حاصل قالب گیری، منجمد (برای تشکیل لایه های کریستال یخ) و خشک (بخار دادن، پختن یا سرخ کردن) می شود. خشک کردن در دمای بالا تضمین می کند که بافت فیبری پروتئین (شکل نامحلول غیر قابل برگشت) بدون ذوب شدن کریستال های یخ ایجاد شود. خواص بافتی پروتئین ها را می توان با تعدیل شرایط انجماد (میزان انجماد، pH، میزان ماده جامد، اثرات سطحی، اثرات تبادل حرارت و اثرات فشار) تنظیم کرد (Boukid، 2021).

5- مخلوط کردن پروتئین‌های گیاهی و هیدروکلوئیدها

مخلوط کردن پروتئین‌های گیاهی و هیدروکلوئیدها نیز یک روش ثبت شده برای ایجاد محصولاتی شبیه گوشت است. مخلوطی از آب، یک چربی گیاهی یا روغن با یک پروتئین (به عنوان مثال پروتئین لوپین، پروتئین نخود، پروتئین سیب زمینی یا پروتئین کلزا)، هیدروکلوئید(ها) (مانند آلژینات سدیم و متیل سلولز) برای تشکیل یک امولسیون پایدار و یک محلول کلوئیدی تحت تنش قرار داده می شود. به منظور شروع فرایند تشکیل فیبر، کازئین که دارای قابلیت کوآگولاسیون در حضور کاتیون‌هاست، به کاتیون‌های امولسیونی اضافه شده تا از گیرافتادن ساختارهای ناهمسانگرد اطمینان حاصل شود. ساختار فیبری تشکیل شده را می توان از طریق غلظت هیدروکلوئیدها و همچنین کاتیون های فلزی دو ظرفیتی که برای رسوب و تشکیل کازئین میسلی مورد نیاز است، کنترل کرد (Boukid، 2021).

6- چاپ زیستی (فناوری چاپ سه بعدی)

چاپ زیستی اخیراً برای پرینت آنالوگ های گوشتی که با استفاده از پروتئین های گیاهی فرموله شده اند، استفاده شده است. اساس این تکنیک بر پایه اکستروژن خمیر ساخته شده با پروتئین های گیاهی و سایر اجزاء (مانند آب، چربی، پلی ساکاریدها) از طریق یک نازل نازک برای ساخت بلوک های چند لایه است. ویسکوزیته خمیر یک پارامتر حیاتی برای به دست آوردن ساختار مورد نیاز است و معمولاً از برخی اصلاح کننده های رئولوژیکی برای دستیابی به خواص رئولوژیکی مورد نظر استفاده می شود. گوشت آنالوگ ساخته شده از یک بیوراکتور تحت شرایط خاص عبور می کند تا از پایداری ساختار اطمینان حاصل شود (Voon و همکاران، 2019). این تکنیک طراحی محصولاتی با بافتی مشابه فیبرهای عضلانی و محتوای تغذیه ای متناسب را امکان پذیر می کند. با این وجود، اشکالات عمده آن مربوط به هزینه تولید، پیچیدگی ساختار فضایی و فرآیند پایدارسازی طولانی است (Boukid، 2021).

7- مایکوپروتئین

قارچ رشته ای Fusarium venenatum از اواسط دهه 1980 به عنوان پایه ای برای گوشت های آنالوگ استفاده می شود که با نام تجاری Quorn به بازار عرضه می شوند. قارچ در یک فرآیند تخمیر مداوم در بیوراکتورها تولید می شود. شرایط موجود در بیوراکتور برای تولید قارچ حیاتی است؛ به عنوان مثال دما و pH باید نظارت و به شدت کنترل شود. پس از تخمیر، RNA باید با عملیات حرارتی به مونومر تجزیه شود. زیست توده باقیمانده گرم شده و سانتریفیوژ می شود تا محصول خمیر مانند با 20 درصد وزنی ماده جامد به دست آید. بعد از سانتریفیوژ، ساختار قارچ رشته ای بصورت نامنظم در آمده و بنابراین مراحل بعدی فرآیند مانند شکل دهی، بخار دهی، سرد کردن و بافت سازی برای به دست آوردن محصولات فیبری مورد نیاز است. محصولات چرخ شده مانند سوسیس و برگر به صورت تجاری از این مواد در دسترس هستند. با اینکه این روش برای چندین دهه موفقیت تجاری داشته است، در این فرآیند مقدار بالایی انرژی مصرف می شود.

8- اکستروژن

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[3] 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[4] (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.

[1] - aged, alkaline protein solution

[2] - spinnerette

[3] -meat extenders

[4] -high moisture extrusion cooking