Dierlijke eiwitten… zonder dier met precisie­fer­mentatie

Precisiefermentatie is een gamechanger voor de voedingsindustrie. Met deze technologie kun je namelijk eiwitten - zoals wei-eiwitten, caseïnes als ovalbumine - produceren met een lagere milieu-impact dan wanneer ze van dieren komen, terwijl ze wél de gewenste functionaliteit en nutritionele profielen behouden. De productie ervan is echter kostbaar, wat een brede toepassing in de weg ligt. Maar daar wordt aan gewerkt!

Bij precisiefermentatie worden genetisch gemodificeerde micro-organismen gebruikt om niet-dierlijke eiwitten te produceren die identiek zijn aan dierlijke eiwitten. Deze technologie kan belangrijke eiwitten uit melk en ei vervaardigen zónder de milieuproblemen en ethische kwesties van dierlijke productie. 

Noodzaak 

De wereldwijde vraag naar duurzame alternatieven voor traditionele zuivel- en eiproducten stijgt. Natuurlijk zijn er vele plantaardige alternatieven, gemaakt met grondstoffen zoals haver, soja en amandelen, maar deze verschillen fundamenteel met hun dierlijke tegenhangers. Het verschil in eiwitvouwing resulteert in ander gedrag als het gaat om onder meer oplosbaarheid, schuimeigenschappen en gelering. Daarnaast komen er altijd niet-eiwit componenten uit de matrix mee. Dit resulteert in een wezenlijk andere smaak en textuur ten opzichte van dierlijke eiwitten. Inzicht in deze verschillen is cruciaal om met plantaardige of enkelvoudige cel-eiwitten mengsels met een hoge productie efficiëntie te ontwikkelen.

Vooroplopen in precisiefermentatie 

Aan dat ‘verkrijgen van meer inzicht’ wordt stevig doorgewerkt. Wageningen Food & Biobased Research (WFBR) loopt al decennialang voorop in precisiefermentatie, met name door het gebruik van de gist Pichia pastoris. Dertig jaar geleden al produceerden ze succesvol het belangrijkste wei-eiwit β-lactoglobuline op hoge titers (een titer is een meting van de hoeveelheid of concentratie van een stof in een oplossing). Dat was nog vóórdat de voedingsindustrie zich bezighield met dierlijkeiwit-vrije productie. WFBR was ook een pionier in de ontwikkeling van zowel gelvormende als niet-gelvormende gelatines in Pichia pastoris. Hun uitgebreide portfolio omvat talloze structuurvormende eiwitten, enzymen en peptiden voor technische, biomedische, cosmetische en voedingsdoeleinden. Momenteel is WFBR betrokken bij het NWA*-consortium ‘Animal-free Milk Proteins’ dat zich richt op de productie van caseïnes voor kaas zonder melk. De onderzoekers ontdekten dat dierlijke eiwitten uit precisiefermentatie zich niet per se identiek aan hun dierlijke tegenhangers gedragen. Een uitdaging!

Kansen voor hybride producten

Het ontwikkelen van producten die plant- en dierlijk eiwit combineren, komt tegemoet aan de consumentenvraag naar ethische, duurzame en kwalitatief hoogwaardige voedselalternatieven tegen lagere kosten. Onderzoek toont aan dat combinaties van conventionele zuiveleiwitten en plantaardige eiwitten synergetische effecten opleveren die de productkwaliteit ten goede komen. Zo laten emulsies die gestabiliseerd zijn door natriumcaseïnaat (SC) of erwteneiwitisolaat (PPI) afzonderlijk fysieke instabiliteit over tijd zien, terwijl mengsels van beiden een opmerkelijke stabiliteit vertonen. Het werk van WFBR met mengsels van conventionele dierlijke en plantaardige eiwitten toonde aan dat er synergetische effecten ontstaan door co-processing. 

Om het potentieel van deze mengsels te benutten, is het essentieel om te begrijpen hóe deze combinaties zich gedragen en hoe ze vertaald kunnen worden naar innovatieve productoplossingen. MIX-PRO (een recent goedgekeurd Publiek Privaat Partnership project) pakt deze kennishiaten aan door de fysisch-chemische en functionele eigenschappen van eiwitten uit zuivel en ei uit precisiefermentatie te onderzoeken. Het project streeft ernaar een toolbox te ontwikkelen die voedings- en ingrediëntleveranciers ondersteunt in het creëren van betaalbare, smakelijke en hoogwaardige productinnovaties op basis van mengsels van plantaardige en dierlijk-eiwitvrije eiwitten.

Optimalisaties

WFBR benadert eiwitproductie via precisiefermentatie vanuit de filosofie dat het proces zo wordt ontworpen dat er een optimale prijs-/functionaliteitsratio wordt bereikt voor het industriële proces. Optimalisatie van fermentatie is cruciaal om zowel de eiwitkwaliteit als de opbrengst te verbeteren. Door fermentatiecondities zoals pH, temperatuur en voedingsstoffen te verfijnen, is de afbraak van eiwitten te minimaliseren. En het optimaliseren van voedingsregimes, co-substraten en zuurstoftoevoer kan de opbrengst aanzienlijk verhogen. Ook met genetische engineering van de stam van Pichia pastoris zijn eiwitopbrengsten te verhogen en valt de efficiëntie te verbeteren. Vaak overlappen deze optimalisaties elkaar; aanpassingen van de temperatuur bijvoorbeeld, kunnen zowel de eiwitintegriteit als de opbrengst verbeteren. Zodra processen voor precisiefermentatie zijn ontwikkeld op labschaal, blijft het opschalen naar industriële schaal echter een van de meest complexe stappen in de ontwikkeling van alternatieve eiwitten. Processen die goed presteren op kleine schaal kunnen zich heel anders gedragen bij opschaling vanwege niet-lineaire effecten in menging, zuurstofoverdracht en temperatuurgradiënten. Daarom is reproduceerbaarheid en procescontrole essentieel.

Raman-spectroscopie

Een technologie die steeds meer terrein wint, is Raman-spectroscopie. Deze niet-invasieve analysemethode biedt realtime moleculaire informatie over de fermentatievloeistof – zonder dat er monsters hoeven te worden genomen. Raman-spectroscopie kan worden ingezet om parameters te monitoren zoals substraatverbruik (bijvoorbeeld glucose, methanol), metabolietvorming (zoals organische zuren), en in sommige gevallen zelfs de productie van het doeleiwit. Bij WFBR wordt Raman-spectroscopie geïntegreerd in zowel laboratoriumfermentoren als pilotsystemen tot 100 liter. Daarnaast werkt WFBR samen met andere opschalingsfaciliteiten, zoals NIZO in Ede, om ervoor te zorgen dat deze technologie ook op grotere schaal tot 10.000 liter kan worden toegepast. Door continu data te verzamelen tijdens het fermentatieproces, krijgen onderzoekers meer inzicht in de procesdynamiek en kunnen ze tijdig bijsturen. Dit verbetert de reproduceerbaarheid en ondersteunt een soepelere overgang tussen schalen.

Een praktische toepassing is de monitoring van fermentaties met Pichia pastoris, een veelgebruikte gastheer in precisiefermentatie. In dit systeem fungeert methanol vaak als koolstofbron en als inductor voor eiwitexpressie. Nauwkeurige dosering is cruciaal: te weinig methanol verlaagt de eiwitopbrengst, terwijl te veel giftig is voor de cellen. Raman-spectroscopie maakt continue monitoring van methanol mogelijk, waardoor de voedingsstrategie optimaal kan worden afgestemd. Door het proces te optimaliseren via betere voeding en beluchting, blijft het gewenste eiwit in het extracellulaire medium én worden er minder ongewenste bijproducten gevormd. Dit vereenvoudigt de opzuivering en verlaagt de productiekosten.

Tot slot

De weg naar duurzame en innovatieve voedselsystemen kent uitdagingen, maar de kansen die dierlijkeiwit-vrije eiwitten – samen met plantaardige en andere alternatieve eiwitten – bieden, zijn immens. Door precisiefermentatie te benutten en het potentieel van eiwitmengsels te verkennen, maken we de weg vrij voor een duurzamere voedingsindustrie.

*Nationale wetenschapsagenda

www.wur.nl
Foto’s © WUR/Verse Beeldwaren