De toekomst van Texturized vegetable proteins

Getextureerd plantaardig eiwit kan de vezelachtige structuur van dierlijk spiervlees nabootsen. Veel vleesvervangers bevatten zo’n voorgestructureerde vorm van plantaardig eiwit, ook wel Texturized Vegetable Protein (TVP) genoemd. Hoewel TVPs al volop worden toegepast in burgers, worstjes en balletjes, zijn er nog veel onderzoeksvragen en uitdagingen. 

We weten al best veel over de ingrediënteigenschappen, procesparameters en eigenschappen van TVPs. Over de verbanden tussen deze eigenschappen en de procesparameters is echter veel minder bekend. Het is voor productontwikkelaars nog steeds een uitdaging om een TVP te vinden die geschikt is voor de toepassing die men wenst. Om een betere, gerichtere keuze te kunnen maken, is het noodzakelijk om te achterhalen hoe bepaalde structurele kenmerken van TVPs bijdragen aan de functionele eigenschappen van de vleesvervangers waarin deze gebruikt worden. Wageningen University & Research doet er onderzoek naar.

Waarom TVPs?

De productie, ontwikkeling en consumptie van TVPs heeft een enorme vlucht genomen door de opkomst van vleesvervangers. Die vraag wordt opgestuwd door een groeiende zorg om dierenwelzijn en het besef dat het consumeren van dierlijke eiwitten een grote impact heeft op broeikasgassen – en daarmee op klimaatverandering. Bekende plantaardige producten als tofu (van soja) en seitan (van tarwegluten) voldoen voor de meeste consumenten uit de westerse wereld niet zo goed als vleesvervanger: ze missen de verzelachtige structuur waarmee dierlijk vlees benaderd kan worden. Hier komen TVPs in beeld. TVPs zijn eiwitrijke ingrediënten (45–70% eiwit) met een voorgevormde structuur die wordt verkregen door droge extrusie. Ze zijn er in allerlei maten en vormen: van vezels, snippers en brokken tot korrels en plakjes. Het droge karakter van TVPs maakt dat het ook voor landen in bijvoorbeeld Afrika een interessant eiwitrijk plantaardig product is; het is relatief lang houdbaar en een gekoelde keten is niet nodig. TVPs worden daar bijvoorbeeld toegepast als vleesvervanging in verschillende maaltijden, zoals een stoofpot. Consumentenstudies door One Acre Fund (OAF) in Rwanda toonden aan dat TVPs als maaltijdcomponenten erg gewaardeerd worden. Een volgende wens is om lokale boeren hun eigen gewassen te kunnen laten verwerken tot TVPs. Hier doet Wageningen Food & Biobased Research onderzoek naar in samenwerking met OAF.

Geschiktheid  

Verreweg de meeste TVPs worden gemaakt van eiwitten uit soja, tarwe, erwt en/of tuinbonen. Deze gewassen zijn relatief goed beschikbaar en betaalbaar. Daarnaast hebben ze de gewenste technische functionaliteiten én smaak- en geureigenschappen om tot TVP verwerkt te kunnen worden. Voor de structuur van de TVP zijn vooral het netwerk dat de eiwitten maken en de sterkte van het netwerk belangrijk. Typische eiwitconcentraties die nodig zijn om de structuur te kunnen vormen, verschillen voor soja, tarwe en erwt/tuinbonen. Dit is mede gerelateerd aan de specifieke eigenschappen van de eiwitten van deze gewassen. Voor soja kan men werken met ~50% eiwit, voor tarwe ligt dit op gemiddeld 68% eiwit en voor de combinatie van erwt en tuinboon op ~70% eiwit (Hong et al 2022). Om deze eiwitgehalten te bereiken, worden poeders van eiwitconcentraten (met meer dan 60% eiwit) en eiwitisolaten (met meer dan 80% eiwitten) gebruikt. Voor soja wordt ook wel eens ontvet bloem gebruikt, aangezien die al redelijk veel eiwit bevat en soja bij relatief lage concentraties een goede structuur kan behouden. Bij gebruik van concentraten en bloemen bevat de TVP ook zetmeel en/of vezels. Zetmeel (uit tarwe, mais of tapioca) wordt ook wel toegevoegd om de structuur te verstijfselen. Ook toegevoegde vezels (bijvoorbeeld haver- of erwtenvezels) dragen bij aan het creëren van de gewenste structuur. Daarnaast is water een belangrijk ingrediënt. Dat heeft als doel de eiwitten en andere poeders (in ieder geval deels) te hydrateren tijdens het productieproces van TVP. 

Opkomende ingrediënten zijn eiwitten uit andere granen (haver, gerst en rijst), peulvruchten (kikkererwt, linzen, mungbonen) en zaden (pompoenzaad, zonnebloempitten). Hier liggen nog verschillende uitdagingen met betrekking tot de smaak, geur, kleur en de technische eigenschappen ervan. In een project met One Acre Fund onderzoekt Wageningen Food & Biobased Research welke lokale gewassen in bijvoorbeeld Rwanda geschikt zijn of gemaakt kunnen worden, om tot TVP te verwerken.

Het productieproces 

TVPs worden gemaakt met een extruder. Voorheen werden hiervoor met name  enkelschroefsextruders gebruikt. Tegenwoordig kiest men meestal voor dubbelschroefsextruders vanwege de veelzijdigheid en flexibiliteit. Soms wordt eiwitpoeder gemengd met stoom en/of water in een pre-conditioner, om het poeder vast te hydrateren en op te warmen, en zo verblijftijd te winnen. Het eiwitpoeder gaat de extruder in door de feeder. Even later wordt water toegevoegd in het extrusievat. Om het eiwitmengsel te ‘smelten’ en te kunnen vervormen, varieert de  procestemperatuur van 120 tot 160°C. Het mengsel verlaat het extrudervat via een matrijs. De vorm en afmeting bepaalt het eindproduct: stukjes, brokken, plakjes of korrels. Zodra het mengsel door de matrijs is geperst, expandeert het door de warmte (>100°C). Vaak worden de verkregen vormen nog verkleind met een cutter. Daarna worden ze gedroogd in een oven tot <12% droge stof, zodat de TVPs lange tijd bij kamertemperatuur bewaard kunnen worden. 

Geen van de gebruikte ingrediënten mag veel olie of vet bevatten. Olie kan in vrije vorm in het extrusievat zorgen voor ‘slip’. Als gevolg daarvan vindt er onvoldoende afschuiving en wrijving plaats in het extrusievat, waardoor het proces instabiel verloopt. Ook kan er olielekkage optreden. Het gevolg: de productkwaliteit verslechtert. 

Producten gemaakt met bepaalde eiwitisolaatpoeders of -concentraatpoeders hebben vaak een onprettige geur of smaak. Sommige zijn bitter en geven een samentrekkend (astringent) mondgevoel. Het verhitten van eiwitpoeders tijdens het extrusieproces kan leiden tot het versterken van die onprettige geur of smaak, of zelfs tot de ontwikkeling ervan. Door te variëren met schroefopbouw, temperatuur, debiet en vochtgehalte tijdens het extrusieproces zijn producteigenschappen zoals stevigheid, kleur en smaak verder aan te passen. Daarnaast kan men ook denken aan voorbehandeling van de ingrediënten om de functionaliteit van de ingrediënten te ‘tunen’. Op dit gebied doet Wageningen onderzoek met industriële partners in een nieuw Publiek Privaat Project (PPP).

(Product)eigenschappen 

Afhankelijk van de toegevoegde ingrediënten en het ontwerp van het productieproces, hebben de TVPs specifieke structurele kenmerken zoals lengte, diameter en dichtheid. In een recent onderzoek (Van Esbroeck et al., 2024) worden ook dichtheid, porositeit, poriegrootte, lameldikte en lameldichtheid genoemd als structurele eigenschappen van TVPs. De technische functionaliteit van TVPs, zoals water- en olie-opnemend vermogen, waterverlies na compressie, en hardheid na wateropname zijn ook beschreven in dit onderzoek. Verder is door Van Esbroeck et al. onderzocht wat het effect is van de structurele eigenschappen (dichtheid, porositeit, poriegrootte, lameldikte en lameldichtheid) van TVPs op de functionaliteit ervan. Wat vooral duidelijk werd, was dat er een enorme spreiding is in de structurele eigenschappen. En dat het wateropnemend vermogen hoger was voor TVPs met dunne wanden en hoge porositeit.  

De structurele eigenschappen en de technische functionaliteit zijn van invloed op de uiteindelijke toepassing waarin de TVP verwerkt zit. Zo wordt de stevigheid van ‘rauwe’ vleesvervangers door andere structurele eigenschappen van de TVPs bepaald dan  van gebakken varianten. Vleesvervangers gemaakt met TVPs met dikkere wanden zijn bijvoorbeeld steviger vóór het bakken, terwijl TVPs met een kleinere porie-grootte meer stevigheid gaven ná bereiding (Van Esbroeck et al, 2024). 

Andere eigenschappen van de vleesvervangers waarin de TVPs verwerkt waren (vochtverlies tijdens het bakken en na compressie) konden niet gerelateerd worden aan de structurele eigenschappen ervan. Er is meer onderzoek nodig naar de relatie tussen TVP-eigenschappen en hun functionaliteit in vleesvervangers. Er wordt verondersteld dat de functionele eigenschappen ‘water- en olie opnemend vermogen’ en ‘waterverlies bij compressie’ de mate van sappigheid van vleesvervangers bepalen, en dat ‘hardheid na wateropname’ is gerelateerd aan de stugheid van het geproduceerde vleesalternatief. Diverse wetenschappelijke onderzoeken (Maningat et al., 2022; Flory et al, 2023; Van Esbroeck et al. 2024) tonen aan dat deze relaties bestaan; ze zijn alleen nog niet eenduidig beschreven.

Gezocht: industriële partners

Het is wenselijk en nuttig om te achterhalen hóe deze TVP-eigenschappen precies verkregen kunnen worden. Daartoe dienen de relaties tussen enerzijds de ingrediënten en het productieproces, en anderzijds de TVP-eigenschappen beschreven te worden. Wageningen Food & Biobased Research wil samen met industriële partners meer inzicht in deze relaties genereren middels een nieuw onderzoeksproject (TKI call 2024).

Bijschrift hoofdfoto: Uit eiwitrijke peulvruchten (rechtsonder) worden eiwitpoeders (linksonder) geëxtraheerd, waarvan door middel van extrusie TVPs in verschillende vormen en maten (middenboven) worden gemaakt.

Bronnen:
• Hong, S., Shen, Y., & Li, Y. (2022). Physicochemical and Functional Properties of Texturized Vegetable Proteins and Cooked Patty Textures: Comprehensive Characterization and Correlation Analysis. Foods, 11(17).
• Van Esbroeck, T., Sala, G., Stieger, M., Scholten, E. (2024) Effect of structural characteristics on functional properties of textured vegetable proteins, Food Hydrocolloids, 149, 109529.
• Maningat, C.C., Jeradechachai, T., Buttshaw, M.R. (2022) Textured wheat and pea proteins for meat alternative applications, Cereal Chemistry, 99 (1), 37-66.
• Flory, J., Xiao, R., Li, Y., Dogan, H., Talavera, M.J., Alavi, S. (2023) Understanding Protein Functionality and Its Impact on Quality of Plant-Based Meat Analogues, Foods 12(17), 3232.
• WUR and OAF (Wageningen University & Research and One Acre Fund) Alternative protein products from local crops in Rwanda (phase 1) - WUR.