Scaffolds de okara e soja funcionalizados com erva-mate: caracterização e potencial aplicação em carne cultivada

Abstract

A produção de carne cultivada requer matrizes capazes de mimetizar a matriz extracelular, sendo os hidrogéis uma alternativa promissora frente a abordagens como descelularização, impressão 3D e eletrofiação. Embora colágeno e gelatina sejam amplamente utilizados, sua origem animal limita sua aplicação nesse contexto, tornando necessário o desenvolvimento de biomateriais sustentáveis, escaláveis e economicamente viáveis. Nesse sentido, este estudo teve como objetivo desenvolver e caracterizar sistemas de alginato funcionalizados com OKP e polifenóis de erva-mate, preparados nas concentrações de 1,5%, 2,5%, 3,5% e 5% (p/v). Tratase do primeiro trabalho a integrar essas matérias-primas em hidrogéis aplicados como scaffolds para a produção de carne cultivada, combinando inovação em biomateriais e valorização de resíduos agroindustriais. Os scaffolds foram produzidos por gelificação iônica do alginato e caracterizados quanto às suas propriedades físico-químicas, estruturais e biofuncionais. A morfologia e a porosidade foram avaliadas por microscopia eletrônica de varredura (MEV), enquanto as interações químicas foram investigadas por espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR). Adicionalmente, foram analisadas propriedades como capacidade de inchaço, biodegradação, comportamento reológico e estabilidade mecânica. A biocompatibilidade foi avaliada por meio de ensaios de adesão, viabilidade e proliferação celular utilizando células musculares esqueléticas (C2C12) e mioblastos bovinos. Após 48 h, o scaffold com 5% de OKP apresentou o maior número de células (3,14 × 105), em comparação com os sistemas com 2,5% de OKP e com o controle (1,2 × 105 e 5,23 × 104, respectivamente). Após 7 dias, os valores aumentaram para 2,66 × 106 (5% OKP), 1,26 × 106 (2,5% OKP) e 6,05 × 105 (controle) evidenciando efeito positivo da incorporação de OKP nos scaffolds. Os três grupos testados apresentaram resultados promissores em cultivo estático com ambos os tipos celulares, indicando interação favorável com o material e aumento consistente da proliferação ao longo do tempo. Entre eles, os scaffolds com 5% de OKP destacaram-se pela microestrutura otimizada, com porosidade de 43,07% e rede de poros interconectados. Interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio entre OKP e alginato contribuíram para o reforço estrutural, enquanto o elevado índice de inchaço favoreceu o transporte de nutrientes. Em conjunto, os resultados demonstram que a valorização do okara promoveu a formação de um microambiente bioativo e sustentável, alinhado aos princípios da economia circular, oferecendo uma alternativa livre decomponentes de origem animal e com potencial aplicação na produção de carne cultivada.

Abstract: Cultivated meat production requires scaffolds capable of mimicking the extracellular matrix, with hydrogels emerging as a promising alternative to decellularization, 3D printing, and electrospinning. Although collagen and gelatin are widely used, their animal origin limits their applicability, highlighting the need for sustainable, scalable, and cost-effective biomaterials. Here, alginate-based hydrogels functionalized with okara protein (OKP) and yerba mate polyphenols were developed at concentrations of 1.5%, 2.5%, 3.5%, and 5% (w/v). This is the first study to integrate these raw materials into hydrogels applied as scaffolds for cultivated meat production, combining biomaterial innovation with agro-industrial waste valorization. The hydrogels were produced via ionic gelation of alginate and characterized for their physicochemical, structural, and functional properties. Morphology and porosity were evaluated by scanning electron microscopy (SEM), while chemical interactions were analyzed using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). Swelling behavior, biodegradation, rheological properties, and mechanical stability were also assessed. Biocompatibility was investigated using C2C12 murine myoblasts and bovine primary myoblasts through adhesion, viability, and proliferation assays. After 48 h, the 5% OKP scaffold showed the highest cell number (3.14 × 105), compared to 2.5% OKP and control (1.2 × 105 and 5.23 × 104, respectively). After 7 days, cell numbers increased to 2.66 × 106 (5% OKP), 1.26 × 106 (2.5% OKP), and 6.05 × 105 (control), indicating a positive effect of OKP incorporation. All groups supported cell growth under static conditions, while the 5% OKP scaffold exhibited the most optimized microstructure, with 43.07% porosity and an interconnected pore network. Electrostatic interactions and hydrogen bonding between OKP and alginate contributed to structural reinforcement, while the high swelling capacity improved nutrient transport. Overall, okara valorization enabled the formation of a bioactive and sustainable microenvironment aligned with circular economy principles, offering an animal-free platform with potential application in cultivated meat production.