La extrusión y la elaboración de análogos cárnicos

Por: Grau Matas Ferrer, Pere Gou Botó. IRTA, Calidad y Tecnología Alimentarias. España

El gran reto que se nos presenta es el aumento paulatino y constante de la población mundial que, para el año 2050, superará los 10 mil millones, con el consiguiente aumento en la demanda de producción de alimentos en general, y de proteína en particular.

La producción de proteína animal tiene un impacto negativo en el medio ambiente por la gran demanda de recursos naturales necesarios para su obtención. Se estima que se necesita una media de 4,9 kg de proteína vegetal para obtener un kg de carne (Norman et al., 2020), por lo que, una de las alternativas para reducir el impacto de la ganadería sobre los recursos naturales es incrementar el consumo de proteínas de origen vegetal. Otra realidad es que la producción de proteína animal utiliza, en parte, recursos alimenticios que se podrían utilizar para la alimentación humana.

Añádase a estas consideraciones el hecho de que, en la actualidad, el consumidor en los países desarrollados busca alternativas protéicas saludables, nutritivas y con un menor impacto ambiental, y son los responsables de la popularidad y la gran demanda de análogos cárnicos. Sin embargo, y por curioso o contradictorio que pueda parecer, si bien el consumidor actual tiende a cambiar el consumo de carne o de proteína animal por proteínas vegetales (productos plant-based), muchos consumidores son reacios a cambiar su aspecto, por lo que los fabricantes no solamente conservan el formato (hamburguesa, salchicha, etc.), sino que dedican notables esfuerzos por imitar, no solo su sabor, sino el color o la textura de la carne.

Esta demanda de los consumidores ha provocado el desarrollo de un nuevo segmento de mercado, el de los análogos o sustitutos de la carne (aunque también de la leche, los huevos o el pescado), por lo que se ha creado un nuevo segmento sustitutivo de la proteína animal (plant-based). 

De hecho, se trata de un nuevo segmento de mercado en constante alza. Se prevé que, solamente el mercado de sustitutos de la carne alcance un valor a nivel mundial de 7.200 millones de euros en 2026, con una tasa de crecimiento anual compuesta prevista en el 7,8%, según Allied Market Research. Estos nuevos productos pueden ayudar a reducir el impacto negativo de la producción de carne sobre el medio ambiente, en términos de cambio climático, uso del suelo y del agua, emisiones de gases de efecto invernadero y consumo de energía (Smetana et al., 2015; Ritchie et al., 2018).

Bajo el término de análogos cárnicos se engloban aquellos productos que buscan imitar la estructura fibrosa, el color y el aroma, tanto de una carne fresca como sería una pechuga de pollo o un filete de ternera, como de un producto cárnico procesado, como sería el caso de las hamburguesas, salchichas, etc.

¿Cómo se obtienen los análogos cárnicos?

Desde el punto de vista nutricional, formulando con diferentes ingredientes y aditivos se pueden desarrollar productos con características, sino iguales, sí muy similares a los de la carne, así como imitar su sabor prestando, además, especial atención a algunas vitaminas (especialmente la B₁₂), algunos aminoácidos esenciales, el hierro asimilable o el cinc. Sin embargo, la cosa se complica cuando, a partir de materias primas vegetales, lo que se pretende imitar es la textura cárnica. Y es en este punto donde la tecnología de la extrusión ha mostrado sus posibilidades. Tradicionalmente utilizada para la elaboración de, por ejemplo, pastas o galletas para la alimentación humana o de piensos para la alimentación animal, es por ello una tecnología bien desarrollada y conocida.

La fuente de proteína que se utiliza mayoritariamente en la actualidad para la elaboración de los análogos cárnicos es de base vegetal, la cual es texturizada mediante un proceso de extrusión.

La extrusión es un proceso de reestructuración en continuo de distintos materiales (plásticos, ingredientes, fármacos) y que, en el caso de la industria alimentaria se utiliza en la producción de una gran variedad productos mediante la aplicación de energía térmica y mecánica que le permite mezclar, cocer, formatear y texturizar ingredientes.     

Extrusora Thermo Scientific Process 11 Twin-screw extruder

Durante el proceso de extrusionado, la humedad, el binomio temperatura-presión y el tiempo de permanencia en el extrusor (que dependen en gran medida de la velocidad de los husillos), así como las características intrínsecas de las materia primas utilizadas, serán las que originarán las características de las proteínas vegetales texturizadas obtenidas. Aquí es, en el manejo de las materias primas y de las posibilidades tecnológicas, donde radica el éxito o el fracaso a la hora de conseguir imitar la textura de la carne.

Los análogos cárnicos obtenidos por extrusión se clasifican en dos procesos distintos en función del contenido de humedad del producto

• Extrusión con baja humedad (LMEC, Low Moisture Extrusion Cooking)
• Extrusión con alta humedad (HMEC, High Moisture Extrusion Cooking).

Extrusión con baja humedad (LMEC, Low Moisture Extrusion Cooking)

La cocción por extrusión con baja humedad (LMEC, Low Moisture Extrusion Cooking) produce análogos cárnicos expandidos con una estructura esponjosa. A la salida del producto, la baja humedad (20-40%), una boquilla de salida de corta distancia y un cambio en las condiciones de temperatura y presión del sistema, provocan una expansión del producto obteniendo una matriz porosa con un gran número de celdas de aire retenidas en el interior de la matriz. Después de la cocción por extrusión los productos se secan, hecho que conlleva una fácil conservación y una larga vida útil. Por otro lado, estos productos requieren de un proceso de hidratación antes de su consumo (Berk et al., 1992; Riaz, 2011). Normalmente, cuando hablamos de texturizados de proteína vegetal (TVP) nos referimos a los productos obtenidos mediante un proceso de extrusión con baja humedad.    

Ejemplos de texturizados de proteínas vegetales (TVP) por extrusión con baja humedad (A y D: guisante; B: haba; C: soja)

Extrusión con alta humedad (HMEC, High Moisture Extrusion Cooking)

La tecnología de extrusión con alta humedad (HMEC, High Moisture Extrusion Cooking) permite obtener alimentos proteicos fibrosos con características sensoriales comparables a la del músculo de la carne.

Para ello se emplea un sistema de extrusión de doble husillo co-rotantes y entrelazados, que permiten trabajar con un alto contenido de humedad, y una boquilla de salida de larga distancia, donde se enfría el producto y que es la responsable de evitar la expansión de la matriz. Este sistema de extrusión permite formar una estructura de textura similar a la de la carne.

El producto obtenido, debido a su elevado contenido de humedad (50-70%), debe conservarse en refrigeración y tiene una vida útil corta (Wild et al., 2014). Este tipo de productos se conocen como HMMA (High Moisture Meat Analogues).

Ejemplo de High Moisture Meat Analog (HMMA) obtenido por extrusión con alta humedad

Texturización de las proteínas vegetales

El proceso de texturización de las proteínas vegetales mediante extrusión con cocción depende de las características de éstas, del contenido de humedad de la matriz, de la temperatura de cocción y de la presión y tiempo de permanencia en el extrusor (que dependen en gran medida de la velocidad de los husillos).

En todo el proceso de la extrusión y en función del diseño que se haya adoptado se pueden diferenciar diversas fases.

En una primera fase, debido a los efectos de la temperatura y la fuerza de corte de los husillos, la estructura proteica tridimensional es destruida debido a la hidrólisis de los enlaces peptídicos, provocando que las cadenas de aminoácidos se desplieguen.

A continuación, las cadenas de aminoácidos se realinean debido a la formación de enlaces cruzados entre las cadenas proteicas desnaturalizadas por medio de amidas, puentes disulfuro y enlaces de hidrógeno y, finalmente, se transforman en una estructura fibrosa a partir de nuevos enlaces isopeptídicos (Liu et al., 2008; Akdogan, 1999; Stanley, 1989).

En el cabezal de salida tiene lugar la formación de enlaces no covalentes (enlaces de hidrógeno, interacciones hidrofóbicas y la interacción entre enlaces de hidrógeno e interacciones hidrofóbicas), enlaces covalentes (enlaces disulfuro) e interacciones entre enlaces covalentes y enlaces no covalentes (Liu et al., 2008; Chen et al., 2011).

En la siguiente figura se ilustra el proceso de texturización de las proteínas en los análogos cárnicos de baja (LMEC) y alta humedad (HMEC).

Comparación de la desnaturalización y la texturización de las proteínas entre los procesos de LMEC y HMEC (adaptación de figura mostrada por Samard, 2019)

Comparando la extrusión por baja (LMEC) y alta humedad (HMEC)

La longitud de la boquilla de salida de larga distancia o no, y el contenido final en humedad del producto son las dos principales diferencias entre los dos procesos de extrusionado y son los responsables de que el producto obtenido mediante extrusión a alta humedad (HMEC) tenga una textura fibrosa similar a la de la carne.

En el interior de la extrusora, la humedad actúa como lubricante. El aumento del contenido de humedad disminuye la fuerza requerida para mover el material a través de la salida. En consecuencia, la fricción que ocurre entre el material y el husillo se reduce modificando los parámetros del sistema (Lin et al., 2000, Wang et al. 2001). También hay que destacar que el aumento del contenido de humedad disminuye las interacciones entre proteínas y aminoácidos provocadas por el calentamiento durante la extrusión pero, por el contrario, mejora la formación de enlaces cruzados como enlaces amidas, puentes disulfuro y enlaces de hidrógeno (Chen et al., 2011).

En la extrusión con baja humedad (LMEC), el vapor sobrecalentado dentro de la matriz, al salir por la boquilla sufre una caída de presión repentina que provoca el hinchamiento de la matriz proteica. Este hinchamiento de la matriz depende de la presión en la boquilla de salida, de la humedad y de las propiedades físicas de la proteína fundida (Kinsella, 1978). Mientras que, en el caso de la extrusión con alta humedad, donde utilizamos una boquilla de salida de larga distancia, el vapor sobrecalentado se licua y el volumen específico no aumenta y, por lo tanto, no se produce el hinchamiento de la matriz. Posteriormente, la proteína fundida se texturiza en una estructura fibrosa debido a la alineación de las cadenas peptídicas (Ryu, 2003)^.

Los HMMA o análogos cárnicos con alta humedad obtenidos mediante la HMEC, poseen una mayor dureza e integridad que los texturizados de proteína vegetal (TVP), obtenidos por LMEC y, además, pueden consumirse directamente. Los TVP tienen un índice de solubilidad en nitrógeno (NSI) más alto que los HMMA y, después de la extrusión, se secan y requieren un procesamiento adicional antes de consumirse (Chen et al., 2010).

En la siguiente tabla de detallan las características de cada uno de los dos procesos:

También hay que destacar que, con relación a las materias primas utilizadas, actualmente la mayoría de las referencias que encontramos en el mercado se elaboran a partir de proteína de soja y proteína de trigo (gluten). Si bien es cierto que están apareciendo productos con alternativas a estas fuentes de proteína alergénicas como la proteína de guisante, se están dedicando muchos recursos a estudios para obtener análogos cárnicos a partir de proteínas vegetales de legumbres o de cereales no alergénicos como el haba, el trigo sarraceno, la lenteja, etc., con la finalidad de incrementar el consumo de proteínas de origen vegetal y, consecuentemente, disminuir el incremento previsto de consumo de proteínas de origen animal y reducir el impacto negativo sobre el medio ambiente.