Identification of potential hazards and analysis of critical control points in cultured meat (in vitro meat) production

• Nina V. Zaitseva
• Sergey E. Zelenkin
• Pavel Z. Shur
• Dmitrii V. Suvorov

Abstract

The development of food technologies at the present stage is aimed at expanding the range of food raw materials, including alternative food sources. One of such sources is meat derived from in vitro stem cells or cultured meat. The stages of in vitro meat production could be divided into four blocks: preparation of raw materials, cultivation of cells in a nutrient medium, forming the final product and preparing meat for sale to the consumer. The cultured meat production process must be accompanied by the improvement, implementation and maintenance of procedures based on HACCP principles. However, the developed and approved HACCP system for the cultured meat production hasn’t been found in the scientific literature. Given the prospects for cultured meat production, the development HACCP system for this area is feasible. In this regard, it is advisable to identify critical control points in production and identify the potential hazards of cultured meat to consumers for subsequent risk assessment.

The aim of the study was to identify potential health hazards and analyze key control points in cultured meat production.

Material and methods. Previously conducted studies on in vitro meat cultivation technologies, as well as Russian regulatory and technical documentation were used as initial data on the production processes of cultured meat and the risk associated with its production. The method of studying and critical analyzing relevant scientific sources devoted to the safety of cultured meat was applied. In total, more than 120 sources were studied, from which 30 relevant ones were selected.

Results. The potential hazards associated with the consumption of cultured meat are due to physical, chemical and biological factors. In addition, the occurrence of allergic reactions is identified as a danger factor. An imbalance of amino acids in the diet may occur as a result of the consumption of novel food in a significant proportion (>50% of meat consumption). Ten critical control points have been identified, each of which is characterized by the action of potential hazard factors of a different nature. It has been established that the number of critical control points is the same at all stages of production, except for the formation of the final product. The characteristics of hazard factors, as well as information about the critical control points of these factors’ action, determine the possibility of assessing the potential hazard (and further risk assessment) and choosing measures to manage them, which meets the requirements of GOST R ISO 22000-2019.

Conclusion. Each of the identified types of hazard is not specific to a particular stage of in vitro meat production and can effect negatively at several critical control points. When organizing control (monitoring) of the safety of new type food, one should be guided by the Technical Regulations of the Custom Union “On the Safety of Food Products”, according to which the manufacturer of foods (including novel foods) must develop, implement and comply with procedures based on the HACCP. The use of HACCP is relevant under inappropriate risk for consumer health. To assess the risk level, exposure assessment (a key step in risk assessment) should be carried out for each type of hazard factor. For these purposes, it is necessary to identify the potential risk group and determine the scenarios of cultured meat’s consumption.

Keywords:cultured meat; hazard factors; critical control points; HACCP

References

1. Cultivated meat and seafood. 2022 State of the Industry Report. Good Food Institute. 2023. 96 p.

2. Treich N. Cultured meat: Promises and challenges. Environ Resour Econ (Dordr). 2021; 79 (1): 33–61. DOI: https://doi.org/10.1007/s10640-021-00551-3

3. Safety of alternative protein. Singapore food agency. Available at: https://www.sfa.gov.sg/food-information/risk-at-a-glance/safety-of-alternative-protein (date of access 15 August 2023).

4. Food safety aspects of cell-based food. Rome: FAO/WHO. 2023. 146 p. ISBN 978-92-4-007094-3

5. Chriki S., Hocquette J.F. The myth of cultured meat: A review. Front Nutr. 2020; 7: 7. DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2020.00007

6. Tomiyama A.J., Kawecki N.S., Rosenfeld D.L., Jay J.A., Rajagopal D., Rowat A.C. Bridging the gap between the science of cultured meat and public perceptions. Trends Food Sci. Technol. 2020; 104: 144–52. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.07.019

7. Tuomisto H.L., de Mattos M.J. Environmental impacts of cultured meat production. Environ Sci Technol. 2011; 45 (14): 6117–23. DOI: https://doi.org/10.1021/es200130u

8. Kumar P., Sharma N., Sharma S., Mehta N., Verma A.K., Chemmalar S., et.al. In-vitro meat: a promising solution for sustainability of meat sector. J Anim Sci Technol. 2021; 63 (4): 693–724. DOI: https://doi.org/10.5187/jast.2021.e85

9. Mengistie D. Lab-growing meat production from stem cell. J Nutr Food Sci. 2020; 3 (1): 1–7.

10. Hanga M.P., Ali J., Moutsatsou P., de la Raga F.A., Hewitt C.J., Nienow A., Wall I. Bioprocess development for scalable production of cultivated meat. Biotechnology and Bioengineering. 2020; 117 (10): 3029–39. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.27469

11. Ong K.J., Johnston J., Datar I., Sewalt V., Holmes D., Shatkin J.A. Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2021; 20 (6): 5421–48. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12853

12. Ben-Arye T., Levenberg S. Tissue engineering for clean meat production. Front Sustain Food Syst. 2019; 3; 46. DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2019.00046

13. Li X., Zhang G., Zhao X., Zhou J., Du G., Chen J. A Conceptual air-lift reactor design for large scale animal cell cultivation in the context of in vitro meat production. Chemical Engineering Science. 2020; 211. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.115269

14. Zhang G., Zhao X., Li X., Du G., Zhou J., Chen J. Challenges and possibilities for bio-manufacturing cultured meat. Trends Food Sci Technol. 2020; 97: 443–50. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.01.026

15. Bhat Z.F., Morton J.D., Mason S.L., Bekhit A.E.D.A., Bhat H.F. Technological, regulatory, and ethical aspects of in vitro meat: A future slaughter-free harvest. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2019; 18 (4): 1192–208. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12473

16. Hazard identification: Identification of hazards in meat products manufactured from cultured animal cells / Ed. by Richard Smith-Uchotski and Priscilla Wanjiru. Food Standards Agency, 2023. 32 с. Available at: https://www.food.gov.uk/sites/default/files/media/document/Cultured%20meat%20hazard%20identification%20final_0.pdf

17. Fish K.D., Rubio N.R., Stout A.J., Yuen J.S.K., Kaplan D.L. Prospects and challenges for cell-cultured fat as a novel food ingredient. Trends Food Sci. Technol. 2020; 98: 53–67. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.tifs.2020.02.005.

18. Balasubramanian B., Liu W., Pushparaj K., Park S. The epic of in vitro meat production – a fiction into reality. Foods. 2021; 10 (6): 1395. DOI: dx.doi.org/10.3390/foods10061395

19. Ververis E., Ackerl R., Azzollini D., Colombo P.A., de Sesmaisons A., Dumas C., et.al. Novel foods in the European Union: Scientific requirements and challenges of the risk assessment process by the European Food Safety Authority. Food Res Int. 2020; 137: 109515. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109515

20. Woll S., Boehm I. In-vitro meat: A solution for problems of meat production and meat consumption? Ernährungs Umschau. 2018; 65 (1): 12–21. DOI: https://doi.org/10.4455/eu.2018.003

21. Fernandes A.M., de Souza Teixeira O., Palma Revillion J.P., de Souza Â.R.L. Conceptual evolution and scientific approaches about synthetic meat. J Food Sci Technol. 2020; 57 (6): 1991–9. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-019-04155-0

22. Wollschlaeger J.O., Maatz R., Albrecht F.B., Klatt A., Heine S., Blaeser A., et al. Scaffolds for cultured meat on the basis of polysaccharide hydrogels enriched with plant-based proteins. Gels. 2022; 8: 94. DOI: https://doi.org/10.3390/gels8020094

23. Pasini E., Corsetti G., Aquilani R., Romano C., Picca A., Calvani R., et al. Protein-amino acid metabolism disarrangements: The hidden enemy of chronic age-related conditions. Nutrients. 2018; 10 (4): 391. DOI: https://doi.org/10.3390/nu10040391

24. Shur P.Z., Suvorov D.V., Zelenkin S.E., Lir D.N. Identification of potential hazard of consumption of novel products to public health (systematic review). Gigiena i sanitariya [Hygiene and Sanitation]. 2023; 102 (5): 495–501. DOI: https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-5-495-501 (in Russian)

25. Somova Yu.V., Avdyushina I.V., Koldin I.V. Quality management processes for meat products // Quality of products, technologies and education: Materials of the XVI International Scientific and Practical Conference, Magnitogorsk State Technical University named after G.I. Nosov, 30 April 2021. Magnitogorsk, 2021: 25–31. (in Russian)

26. Ketelings L., Kremers S., de Boer A. The barriers and drivers of a safe market introduction of cultured meat: A qualitative study. Food Control. 2021; 130: 108299. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108299

27. Kurt E., Klont E., Ergun O., Klont R. White paper cell cultured meat. Austin Food Sci. 2021; 6 (1): 1041.

28. Hadi J., Brightwell G. Safety of alternative proteins: Technological, environmental and regulatory aspects of cultured meat, plant-based meat, insect protein and single-cell protein. Foods. 2021; 10: 1226. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10061226

29. Petetin L. Frankenburgers, risks and approval. European Journal of Risk Regulation. 2014; 5 (2): 168–86. DOI: https://doi.org/10.1017/S1867299X00003585

30. Page M.J., McKenzie J.E., Bossuyt P.M., Boutron I., Hoffmann T.C., Mulrow C.D., et al. The PRISMA 2020 statement: an updated guideline for reporting systematic reviews. BMJ. 2021; 372: n71. DOI: https://doi.org/10.1136/bmj.n71

По результатам анализа информации о производстве культивируемого мяса установлено, что технологический процесс имеет 10 ККТ, каждая из которых характеризуется действием факторов различной природы. Так, блок 1 имеет 2 контрольные точки - выбор участка тела животного для проведения биопсии и сам процесс биопсии. В обеих ККТ оказывает действие биологический фактор.

Блок 2 имеет 3 ККТ, связанные с обогащением питательной среды, посевом клеток, их ростом и дифференциацией. На этапе обогащения питательной среды ККТ связана с действием химического и аллергического факторов опасности. Посев клеток, а также рост и дифференцировка ткани характеризуются влиянием биологического фактора опасностей.

Блок 3 характеризуется наличием 2 ККТ - формирование мышечного волокна и сбор конечного продукта. На этапе формирования мышечного волокна на культивируемое мясо оказывают влияние химические факторы опасности, а также биологическая ценность белка в готовом продукте. Сбор конечного продукта характеризуется действием физического и биологического факторов.

Блок 4 представлен 4 ККТ: на этапе упаковки конечного продукта, его хранении и реализации потребителю. Упаковка конечного продукта может сопровождаться действием факторов физической и биологической природы, которые в определенной степени минимизируются. Хранение продукта связано с действием факторов биологической и химической природы. Вместе с тем при реализации культивированного мяса производителям следует учитывать возможное развитие аллергических реакций и предупреждать об этом при маркировке конечного упакованного продукта.

Информация о ККТ на производстве культивированного мяса представлена в таблице.

Таким образом, производство мяса in vitro характеризуется наличием ККТ, на которых возможно действие неблагоприятных факторов различной природы (физические, химические, биологические). Установлено, что количество критических контрольных точек ККТ одинаково на всех этапах производства (3 ККТ), кроме формирования конечного продукта (2 ККТ).

Ввиду того что система анализа опасностей и ККТ для культивируемого мяса не разработана, одним из направлений обеспечения благополучия населения при употреблении данного вида продукта является учет ККТ. Характеристика факторов опасности, а также разработанные сведения о ККТ действия этих факторов изложены, на наш взгляд, подробно; представленная информация обеспечивает возможность проведения оценки потенциальной опасности (и дальнейшей оценки риска) и выбора мер по управлению ими, что соответствует требованиям ГОСТ Р ИСО 22000-2019.

Обсуждение

Оценке потенциальных опасностей, формируемых при потреблении культивируемого мяса, посвящен ряд исследований. На основании результатов проведенного литературного обзора [23] установлено, что ККТ при производстве мяса in vitro аналогичны контрольным точкам при производстве пищевых продуктов из "традиционного" мяса (исходное сырье, прием сырья, производство, упаковка, хранение конечного продукта [24, 25]).

По результатам исследования L. Ketelings и соавт., необходима разработка системы HACCP для культивируемого мяса [26]. К похожему заключению пришли E. Kurt и соавт. [27]. Вместе с тем в обзоре J. Hadi и G. Brightwell сообщается, что культивируемое мясо стоит оценивать с точки зрения биологической безопасности, но не с точки зрения изменения биологической ценности и негативного действия химических факторов. Авторы заявляют, что система оценки безопасности данного пищевого продукта для массового потребителя нуждается в разработке [28].

В то же время L. Petetin сообщает о необходимости подведения законодательной базы Европейского союза и обеспечения системы надзора за качеством новых видов пищевых продуктов, включая культивируемое мясо. По заявлению автора, механизмы надзора должны учитывать уникальные характеристики этого пищевого продукта, основанные на допуске продукта к реализации, обязательной маркировке, правоприменении и мониторинге производства и качества конечного продукта (включая генетическое разнообразие). Новое регулирование должно быть разработано для достижения 2 основных целей: эффективного управления рисками и недопущения подавления инноваций [29].

Вместе с тем для оценки влияния потенциальных опасностей следует оценить потенциальное число потребителей культивируемого мяса, готовых заменить на него "традиционное" мясо полностью или в большей части объемов потребления.

Заключение

Таким образом, в ходе анализа данных литературы идентифицированы факторы опасности для здоровья потребителей мяса in vitro, которые встречаются на разных стадиях производства: физические, химические, биологические, аллергические, а также изменение биологической ценности белка культивируемого мяса. Каждый идентифицированный вид опасности не является специфичным для той или иной стадии производства мяса in vitro и может оказывать свое негативное действие на нескольких ККТ.

При организации контроля (мониторинга) безопасности пищевого продукта нового вида следует руководствоваться требованиями ТР ТС 021/2011, согласно которому при изготовлении пищевой продукции (в том числе нового вида) изготовитель должен разработать, внедрить и поддерживать процедуры, основанные на принципах HACCP. Применение принципов HACCP актуально в случае установления неприемлемого уровня риска для здоровья потребителей. Для оценки уровня риска следует провести оценку экспозиции (ключевой этап оценки риска) каждого вида факторов опасностей. Для этих целей следует установить потенциальную группу риска и определить сценарии потребления культивируемого мяса.

Литература

1. Cultivated meat and seafood. 2022 State of the Industry Report. Good Food Institute, 2023. 96 p.

2. Treich N. Cultured meat: promises and challenges // Environ Resour. Econ. (Dordr). 2021. Vol. 79, N 1. Р. 33-61. DOI: https://doi.org/10.1007/s10640-021-00551-3

3. Safety of Alternative Protein. Singapore food agency. URL: https://www.sfa.gov.sg/food-information/risk-at-a-glance/safety-of-alternative-protein (дата обращения: 15.08.2023)

4. Food safety aspects of cell-based food. Rome: FAO/WHO. 2023. 146 p. ISBN 978-92-4-007094-3

5. Chriki S., Hocquette J.-F. The myth of cultured meat: A review // Front. Nutr. 2020. Vol. 7. Р. 7. DOI: https://doi.org/10.3389/fnut.2020.00007

6. Tomiyama A.J., Kawecki N.S., Rosenfeld D.L., Jay J.A., Rajagopal D., Rowat A.C. Bridging the gap between the science of cultured meat and public perceptions // Trends Food Sci. Technol. 2020. Vol. 104. Р. 144-152. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.07.019

7. Tuomisto H.L., de Mattos M.J. Environmental impacts of cultured meat production // Environ. Sci. Technol. 2011. Vol. 45, N 14. Р. 6117-6123. DOI: https://doi.org/10.1021/es200130u

8. Kumar P., Sharma N., Sharma S., Mehta N., Verma A.K., Chemmalar S. et al. In-vitro meat: a promising solution for sustainability of meat sector // J. Anim. Sci. Technol. 2021. Vol. 63, N 4. Р. 693-724. DOI: https://doi.org/10.5187/jast.2021.e85

9. Mengistie D. Lab-growing meat production from stem cell // J. Nutr. Food Sci. 2020. Vol. 3, N 1. Article No. 100015.

10. Hanga M.P., Ali J., Moutsatsou P., de la Raga F.A., Hewitt C.J., Nienow A. et al. Bioprocess development for scalable production of cultivated meat. Biotechnology and Bioengineering, 2020. Vol. 117, N 10. Р. 3029-3039. DOI: https://doi.org/10.1002/bit.27469

11. Ong K.J., Johnston J., Datar I., Sewalt V., Holmes D., Shatkin J.A. Food safety considerations and research priorities for the cultured meat and seafood industry // Compr. Rev. Food Sci. Food Saf. 2021. Vol. 20, N 6. Р. 5421-5448. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12853

12. Ben-Arye T., Levenberg S. Tissue engineering for clean meat production // Front. Sustain. Food Syst. 2019. Vol. 3. P. 46. DOI: https://doi.org/10.3389/fsufs.2019.00046

13. Li X., Zhang G., Zhao X., Zhou J., Du G., Chen J. A conceptual air-lift reactor design for large scale animal cell cultivation in the context of in vitro meat production // Chemical Engineering Science. 2020. Vol. 211. P. 115269. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ces.2019.115269

14. Zhang G., Zhao X., Li X., Du G., Zhou J., Chenm J. Challenges and possibilities for bio-manufacturing cultured meat // Trends Food Sci. Technol. 2020. Vol. 97. P. 443-450. DOI: https://doi.org/10.1016/j.tifs.2020.01.026

15. Bhat Z.F., Morton J.D., Mason S.L., Bekhit A.E.A., Bhat H.F. Technological, regulatory, and ethical aspects of In Vitro meat: A future slaughter-free harvest // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2019. Vol. 18, N 4. Р. 1192-1208. DOI: https://doi.org/10.1111/1541-4337.12473

16. Hazard identification: Identification of hazards in meat products manufactured from cultured animal cells / Ed. by Richard Smith-Uchotski and Priscilla Wanjiru. Food Standards Agency, 2023. 32 с. URL: https://www.food.gov.uk/sites/default/files/media/document/Cultured%20meat%20hazard%20identification%20final_0.pdf

17. Fish K.D., Rubio N.R., Stout A.J., Yuen J.S.K., Kaplan D.L. Prospects and challenges for cell-cultured fat as a novel food ingredient // Trends Food Sci. Technol. 2020. Vol. 98. Р. 53-67. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.tifs.2020.02.005

18. Balasubramanian B., Liu W., Pushparaj K, Park S. The epic of in vitro meat production - a fiction into reality // Foods. 2021. Vol. 10, N 6. Р. 1395. DOI: dx.doi.org/10.3390/foods10061395

19. Ververis E., Ackerl R., Azzollini D., Colombo P.A., de Sesmaisons A., Dumas C. et.al. Novel foods in the European Union: Scientific requirements and challenges of the risk assessment process by the European Food Safety Authority // Food Res. Int. 2020. Vol. 137. Р. 109515. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodres.2020.109515

20. Woll S., Boehm I. In-vitro meat: A solution for problems of meat production and meat consumption? // Ernährungs Umschau. 2018. Vol. 65, N 1. Р. 12-21. DOI: https://doi.org/10.4455/eu.2018.003

21. Fernandes A.M., de Souza Teixeira O., Palma Revillion J.P., de Souza Â.R.L. Conceptual evolution and scientific approaches about synthetic meat // J. Food Sci. Technol. 2020. Vol. 57, N 6. Р. 1991-1999. DOI: https://doi.org/10.1007/s13197-019-04155-0

22. Wollschlaeger J.O., Maatz R., Albrecht F.B., Klatt A., Heine S., Blaeser A. et al. Scaffolds for Cultured meat on the basis of polysaccharide hydrogels enriched with plant-based proteins // Gels. 2022. Vol. 8. Р. 94. DOI: https://doi.org/10.3390/gels8020094

23. Pasini E., Corsetti G., Aquilani R., Romano C., Picca A., Calvani R. et al. Protein-amino acid metabolism disarrangements: The hidden enemy of chronic age-related conditions // Nutrients. 2018. Vol. 10, N 4. Р. 391. DOI: https://doi.org/10.3390/nu10040391

24. Шур П.З., Суворов Д.В., Зеленкин С.Е., Лир Д.Н. Идентификация потенциальной опасности потребления новых видов пищевых продуктов для здоровья населения (систематический обзор) // Гигиена и санитария. 2023. Т. 102, № 5. С. 495-501. DOI: https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-5-495-501

25. Сомова Ю.В., Авдюшина И.В., Колдин И.В. Процессы управления качеством мясной продукции // Качество продукции, технологий и образования: Материалы XVI Международной научно-практической конференции, Магнитогорск, 30 апреля 2021 года. Магнитогорск : Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2021. С. 25-31. DOI: https://elibrary.ru/item.asp?id=47446494

26. Ketelings L., Kremers S. de Boer A. The barriers and drivers of a safe market introduction of cultured meat: A qualitative study // Food Control. 2021. Vol. 130. Р. 108299. DOI: https://doi.org/10.1016/j.foodcont.2021.108299

27. Kurt E., Klont E., Ergun O., Klont R. White paper cell cultured meat // Austin Food Sci. 2021. Vol. 6, N 1. Р. 1041.

28. Hadi J., Brightwell G. Safety of alternative proteins: Technological, environmental and regulatory aspects of cultured meat, plant-based meat, insect protein and single-cell protein // Foods. 2021. Vol. 10. Р. 1226. DOI: https://doi.org/10.3390/foods10061226

29. Petetin L. Frankenburgers, risks and approval // European Journal of Risk Regulation. 2014. Vol. 5, N 2. Р. 168 - 186. DOI: https://doi.org/10.1017/S1867299X00003585

30. Page M.J., McKenzie J.E., Bossuyt P.M., Boutron I., Hoffmann T.C., Mulrow C.D. et al. The PRISMA 2020 statement: an updated guideline for reporting systematic reviews // BMJ. 2021. Vol. 372. Р. n71. DOI: https://doi.org/10.1136/bmj.n71

All articles in our journal are distributed under the CC BY-NC-ND 4.0 (Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International)

© GEOTAR-Media Publishing Group. The use of textual and illustrative content from this publication for the training of any artificial intelligence systems - including machine learning models and neural networks - is strictly prohibited without the prior written consent of the copyright holder.