Dit zijn volgens Siegfried Vlaeminck de (vele) voordelen van microbiële eiwitten

De groeiende vraag naar duurzame en gezonde voeding opent de deur naar microbiële eiwitten. Siegfried Vlaeminck, bio-ingenieur aan de Universiteit van Antwerpen, ziet diverse kansen in biomassafermentatie. Niet alleen zijn de microbiële eiwitten duurzaam en functioneel, ze blijken ook gezondheidsbevorderende eigenschappen te hebben. Hiervoor is verder onderzoek nodig.

Siegfried Vlaeminck heeft een achtergrond in (duurzame) biotechnologie. “Wij willen zo duurzaam mogelijke processen ontwikkelen die passen binnen de voedselproductieketen. Dan kom je al heel snel uit bij microbieel eiwit. Hiermee kun je een enorme impact maken. Zowel wat betreft landgebruik, als watergebruik en nutriëntenuitstoot.”

Als microbieel biotechnoloog aan de Universiteit van Antwerpen werkt Vlaeminck veel met bacteriën en microalgen. Microbiële eiwitten hebben volgens hem verschillende voordelen ten opzichte van plantaardige eiwitten. “Bacteriële eiwitten kan je ontzettend snel produceren. Bij de kweek ben je niet afhankelijk van weer of klimaatzone en niet van bodemtype of landbouwgrond. Ze groeien bijvoorbeeld op waterstofgas en koolstofdioxide of op methanol, maar het kan ook op landbouwproducten of biomassa. Zelfs in de woestijn kun je een gebouw met een bioreactor plaatsen. Daardoor is een lokale voedselketen mogelijk als de gekozen feedstock nabij. Dat is met plantaardige eiwitten niet altijd haalbaar. Veel interessante peulvruchten, zoals sojabonen, linzen en kikkererwten bijvoorbeeld, kan je niet vlot in ons klimaat kweken. Daardoor blijven we sterk afhankelijk van import. Microbieel eiwit kan een belangrijke rol spelen om zelfvoorzienend te worden.”

Een ander voordeel is dat de uitstoot van nutriënten nagenoeg nihil is. “Plantaardige eiwitten stoten nitraat en ammoniak uit, en bovendien lachgas. In de bodem kunnen vlinderbloemigen de stikstof fixeren, maar veelal vindt er bemesting plaats om de opbrengst per hectare te verhogen. Daardoor is er toch stikstofuitstoot.”

Biomassafermentatie

In zijn onderzoeken focust Vlaeminck zich op eencellige micro-organismen, zoals bacteriën en microalgen. “Hierbij zijn er twee grote domeinen: precisiefermentatie en biomassafermentatie. Bij precisiefermentatie wordt een microbiële stam genetisch gemodificeerd om het gewenste eiwit in grote hoeveelheden te produceren. Bij biomassafermentatie wordt de eiwitrijke biomassa van het micro-organisme zelf geoogst. Op dat gebied werken wij voornamelijk.”

Lees ook: Moderne fermentatie: precisiefermentatie en biomassafermentatie uitgelegd

Biomassafermentatie kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld via zuurstof en via licht. Vlaeminck licht toe: “De op licht gebaseerde methode wordt gebruikt voor het kweken van microalgen, zoals spirulina en chlorella. Deze algen waren al voor 1997 op de markt. Daardoor is er geen Novel Food-procedure nodig.  We kunnen ze in Europa kweken, maar dat is niet erg kostenefficiënt. Deze efficiëntie hangt onder meer samen met beschikbaarheid van zonlicht. Daardoor is het vrijwel onmogelijk om te concurreren met de zeer grote productie in China.”

Daarom richt de Universiteit van Antwerpen zich op alternatieve routes zoals de zuurstofgebaseerde of aerobe kweek van een bacterieel consortium of microbioom. “Hierbij creëren de verschillende bacteriën een metabool netwerk. Groot voordeel is dat je bij deze methode niet hoeft te steriliseren, waardoor je goedkoper kunt produceren. Een nadeel is echter dat deze mengculturen door de wetgeving niet toegelaten kunnen worden voor humane consumptie. Daarom richten we ons momenteel op voeding voor de aquacultuur, kippen, koeien, varkens en huisdieren.”

Gezondheidsbevorderende effecten

Een kleine tien jaar geleden is de Universiteit van Antwerpen gestart met de kweek van purperbacteriën. “Deze bacteriën zijn vrij nieuw in onderzoeken naar voedingstoepassingen. Ze kunnen op heel veel substraten worden geproduceerd. Van organisch afval of afvalwater tot azijnzuur, ethanol en waterstofgas. Ze zijn de meest efficiënte organismen om organische koolstof om te zetten in biomassa.” In diervoedertesten blijken deze bacteriën diverse voordelen te hebben, zowel op het gebied van milieu als gezondheid.

Over de gezondheidsvoordelen zegt hij: “Inmiddels hebben we meerdere interessante testen gedaan. Bij garnalenkweek bleken de purperbacteriën een sterke stimulans te geven aan de groei.” Testen met guppy’s en kippen laten eveneens een goed beeld zien. “De guppy’s groeien sneller en produceren meer nakomelingen die mooier gekleurd zijn. Ook lijkt de immuniteit gestimuleerd te worden. Als je kleine hoeveelheden van purperbacteriën aan leghennen voert, dan is er een pigmentoverdracht naar het ei en worden de dooiers mooi donkergekleurd. Dat zijn zeer interessante uitkomsten. Vooral omdat er productvoordeel bovenop de nutritionele waarde ontstaat”. Het onderzoek naar de gezondheidsbevorderende effecten bij mensen staat nog in de kinderschoenen. “Op dit moment onderzoeken we de antioxiderende werking. Eerder werk toont een cholesterolverbeterend effect aan van het innemen van purperbacteriën.”

We onderzoeken de antioxiderende werking. Eerder werk toont een cholesterolverbeterend effect aan van het innemen van purperbacteriën

Techno-functionele eigenschappen

Ook de techno-functionele eigenschappen van de microbiële eiwitten, zoals emulgering, schuimvorming en gellering, zijn zeer interessant. “We onderzoeken hoe we de eigenschappen kunnen sturen. Dat kan op veel verschillende manieren: de keuze van de stam en de gebruikte grondstoffen en het spelen met de gehaltes van nutriënten. Ook andere condities in de bioreactor spelen een rol, zoals de keuze van zuurtegraad en de temperatuur.”

De processing na oogsten speelt eveneens een rol. “Om de eiwitfractie eruit te halen, moeten we de cellen openbreken. Hoe milder de stappen, hoe stabieler het eiwit blijft.” Ook dat wordt de komende tijd onderzocht. “We hebben zowel een sproeidroger als een vriesdroger aangeschaft. Sproeidrogen is goedkoper, maar kan voor wat verlies van de productkwaliteit zorgen. We onderzoeken hoe we onder meer de antioxiderende werking zo goed mogelijk kunnen behouden.”

Hoe milder de stappen, hoe stabieler het eiwit blijft

Economische haalbaarheid

De functionaliteit en de gezondheidsbevorderende eigenschappen gaan niet altijd samen. “Als je voor functionaliteit kiest, dan ga je typisch fractioneren. Daardoor wordt misschien een deel van de gezondheidsbevorderende eigenschappen ontkoppeld van de eiwitten. Onderzocht moet worden of deze dan op een andere manier van waarde kunnen zijn om het maximale uit de microbiële biomassa te halen. Dat is hard nodig, want bij de bouw van fabriek met bioreactoren gaat het om serieuze investeringskosten.”

Naast een rendabele productie zijn er nog andere uitdagingen. De grootste is de Novel Food-goedkeuring. Al heeft Vlaeminck goede hoop. “Het Finse bedrijf Solar Foods heeft goedkeuring gekregen om het ingrediënt Solein, gemaakt van eiwitten uit CO2 en H2, in Singapore op de markt te brengen. Het heeft inmiddels ook in Europa een aanvraag ingediend.” Ook de acceptatie van de consument mag volgens hem niet worden onderschat. “Marketing en communicatie kan helpen door goed te communiceren over het potentieel en de vele voordelen, want zo hangen aan de term ‘schimmel’ of ‘bacterie’ natuurlijk allerlei percepties.”

Vertaalslag microbiële eiwitten naar praktijk

Om de vertaalslag naar de praktijk en commerciële implementaties van microbiële eiwitten in kaart te brengen, is in Vlaanderen enkele jaren geleden The ProteInn Club opgericht. Hierin zijn industriële spelers rond de waardenketens voor microbieel eiwit samengebracht voor kennisopbouw en -uitwisseling. De club werkt als katalysator en facilitator voor deze jonge innovatieve sector. Vanuit het onderzoekplatform Capture volg Vlaminck deze activiteiten.

Stap van pet-grade naar food-grade

Het laaghangende fruit is voorlopig pet food, aldus Vlaeminck. “Doordat je geen Novel Food-goedkeuring hoeft te hebben, kun je een snelle marktbetreding maken. Zo kun je ervoor zorgen dat de productiecapaciteit geschaald wordt en kan je vertrouwen creëren voor afnemers van microbiële biomassa. Wellicht kan er daarna al direct op schaal gestart worden met de food-gradeproductie. De stap van pet-grade naar food-grade is in sommige gevallen maar klein.”

Hij verwacht dat zowel microbiële als plantaardige eiwitten een belangrijke rol spelen in de toekomst. “Er is geen ‘silver bullet solution’. We hebben alle domeinen keihard nodig om de verschuiving te maken naar 60% plantaardig (én microbieel) en 40% dierlijk.”

De groeiende vraag naar duurzame en gezonde voeding opent de deur naar microbiële eiwitten. Siegfried Vlaeminck, bio-ingenieur aan de Universiteit van Antwerpen, ziet diverse kansen in biomassafermentatie. Niet alleen zijn de microbiële eiwitten duurzaam en functioneel, ze blijken ook gezondheidsbevorderende eigenschappen te hebben. Hiervoor is verder onderzoek nodig.

Siegfried Vlaeminck heeft een achtergrond in (duurzame) biotechnologie. “Wij willen zo duurzaam mogelijke processen ontwikkelen die passen binnen de voedselproductieketen. Dan kom je al heel snel uit bij microbieel eiwit. Hiermee kun je een enorme impact maken. Zowel wat betreft landgebruik, als watergebruik en nutriëntenuitstoot.”

Als microbieel biotechnoloog aan de Universiteit van Antwerpen werkt Vlaeminck veel met bacteriën en microalgen. Microbiële eiwitten hebben volgens hem verschillende voordelen ten opzichte van plantaardige eiwitten. “Bacteriële eiwitten kan je ontzettend snel produceren. Bij de kweek ben je niet afhankelijk van weer of klimaatzone en niet van bodemtype of landbouwgrond. Ze groeien bijvoorbeeld op waterstofgas en koolstofdioxide of op methanol, maar het kan ook op landbouwproducten of biomassa. Zelfs in de woestijn kun je een gebouw met een bioreactor plaatsen. Daardoor is een lokale voedselketen mogelijk als de gekozen feedstock nabij. Dat is met plantaardige eiwitten niet altijd haalbaar. Veel interessante peulvruchten, zoals sojabonen, linzen en kikkererwten bijvoorbeeld, kan je niet vlot in ons klimaat kweken. Daardoor blijven we sterk afhankelijk van import. Microbieel eiwit kan een belangrijke rol spelen om zelfvoorzienend te worden.”

Een ander voordeel is dat de uitstoot van nutriënten nagenoeg nihil is. “Plantaardige eiwitten stoten nitraat en ammoniak uit, en bovendien lachgas. In de bodem kunnen vlinderbloemigen de stikstof fixeren, maar veelal vindt er bemesting plaats om de opbrengst per hectare te verhogen. Daardoor is er toch stikstofuitstoot.”

Biomassafermentatie

In zijn onderzoeken focust Vlaeminck zich op eencellige micro-organismen, zoals bacteriën en microalgen. “Hierbij zijn er twee grote domeinen: precisiefermentatie en biomassafermentatie. Bij precisiefermentatie wordt een microbiële stam genetisch gemodificeerd om het gewenste eiwit in grote hoeveelheden te produceren. Bij biomassafermentatie wordt de eiwitrijke biomassa van het micro-organisme zelf geoogst. Op dat gebied werken wij voornamelijk.”

Lees ook: Moderne fermentatie: precisiefermentatie en biomassafermentatie uitgelegd

Biomassafermentatie kan op verschillende manieren, bijvoorbeeld via zuurstof en via licht. Vlaeminck licht toe: “De op licht gebaseerde methode wordt gebruikt voor het kweken van microalgen, zoals spirulina en chlorella. Deze algen waren al voor 1997 op de markt. Daardoor is er geen Novel Food-procedure nodig.  We kunnen ze in Europa kweken, maar dat is niet erg kostenefficiënt. Deze efficiëntie hangt onder meer samen met beschikbaarheid van zonlicht. Daardoor is het vrijwel onmogelijk om te concurreren met de zeer grote productie in China.”

Daarom richt de Universiteit van Antwerpen zich op alternatieve routes zoals de zuurstofgebaseerde of aerobe kweek van een bacterieel consortium of microbioom. “Hierbij creëren de verschillende bacteriën een metabool netwerk. Groot voordeel is dat je bij deze methode niet hoeft te steriliseren, waardoor je goedkoper kunt produceren. Een nadeel is echter dat deze mengculturen door de wetgeving niet toegelaten kunnen worden voor humane consumptie. Daarom richten we ons momenteel op voeding voor de aquacultuur, kippen, koeien, varkens en huisdieren.”

Gezondheidsbevorderende effecten

Een kleine tien jaar geleden is de Universiteit van Antwerpen gestart met de kweek van purperbacteriën. “Deze bacteriën zijn vrij nieuw in onderzoeken naar voedingstoepassingen. Ze kunnen op heel veel substraten worden geproduceerd. Van organisch afval of afvalwater tot azijnzuur, ethanol en waterstofgas. Ze zijn de meest efficiënte organismen om organische koolstof om te zetten in biomassa.” In diervoedertesten blijken deze bacteriën diverse voordelen te hebben, zowel op het gebied van milieu als gezondheid.

Over de gezondheidsvoordelen zegt hij: “Inmiddels hebben we meerdere interessante testen gedaan. Bij garnalenkweek bleken de purperbacteriën een sterke stimulans te geven aan de groei.” Testen met guppy’s en kippen laten eveneens een goed beeld zien. “De guppy’s groeien sneller en produceren meer nakomelingen die mooier gekleurd zijn. Ook lijkt de immuniteit gestimuleerd te worden. Als je kleine hoeveelheden van purperbacteriën aan leghennen voert, dan is er een pigmentoverdracht naar het ei en worden de dooiers mooi donkergekleurd. Dat zijn zeer interessante uitkomsten. Vooral omdat er productvoordeel bovenop de nutritionele waarde ontstaat”. Het onderzoek naar de gezondheidsbevorderende effecten bij mensen staat nog in de kinderschoenen. “Op dit moment onderzoeken we de antioxiderende werking. Eerder werk toont een cholesterolverbeterend effect aan van het innemen van purperbacteriën.”

We onderzoeken de antioxiderende werking. Eerder werk toont een cholesterolverbeterend effect aan van het innemen van purperbacteriën

Techno-functionele eigenschappen

Ook de techno-functionele eigenschappen van de microbiële eiwitten, zoals emulgering, schuimvorming en gellering, zijn zeer interessant. “We onderzoeken hoe we de eigenschappen kunnen sturen. Dat kan op veel verschillende manieren: de keuze van de stam en de gebruikte grondstoffen en het spelen met de gehaltes van nutriënten. Ook andere condities in de bioreactor spelen een rol, zoals de keuze van zuurtegraad en de temperatuur.”

De processing na oogsten speelt eveneens een rol. “Om de eiwitfractie eruit te halen, moeten we de cellen openbreken. Hoe milder de stappen, hoe stabieler het eiwit blijft.” Ook dat wordt de komende tijd onderzocht. “We hebben zowel een sproeidroger als een vriesdroger aangeschaft. Sproeidrogen is goedkoper, maar kan voor wat verlies van de productkwaliteit zorgen. We onderzoeken hoe we onder meer de antioxiderende werking zo goed mogelijk kunnen behouden.”

Hoe milder de stappen, hoe stabieler het eiwit blijft

Economische haalbaarheid

De functionaliteit en de gezondheidsbevorderende eigenschappen gaan niet altijd samen. “Als je voor functionaliteit kiest, dan ga je typisch fractioneren. Daardoor wordt misschien een deel van de gezondheidsbevorderende eigenschappen ontkoppeld van de eiwitten. Onderzocht moet worden of deze dan op een andere manier van waarde kunnen zijn om het maximale uit de microbiële biomassa te halen. Dat is hard nodig, want bij de bouw van fabriek met bioreactoren gaat het om serieuze investeringskosten.”

Naast een rendabele productie zijn er nog andere uitdagingen. De grootste is de Novel Food-goedkeuring. Al heeft Vlaeminck goede hoop. “Het Finse bedrijf Solar Foods heeft goedkeuring gekregen om het ingrediënt Solein, gemaakt van eiwitten uit CO2 en H2, in Singapore op de markt te brengen. Het heeft inmiddels ook in Europa een aanvraag ingediend.” Ook de acceptatie van de consument mag volgens hem niet worden onderschat. “Marketing en communicatie kan helpen door goed te communiceren over het potentieel en de vele voordelen, want zo hangen aan de term ‘schimmel’ of ‘bacterie’ natuurlijk allerlei percepties.”

Vertaalslag microbiële eiwitten naar praktijk

Om de vertaalslag naar de praktijk en commerciële implementaties van microbiële eiwitten in kaart te brengen, is in Vlaanderen enkele jaren geleden The ProteInn Club opgericht. Hierin zijn industriële spelers rond de waardenketens voor microbieel eiwit samengebracht voor kennisopbouw en -uitwisseling. De club werkt als katalysator en facilitator voor deze jonge innovatieve sector. Vanuit het onderzoekplatform Capture volg Vlaminck deze activiteiten.

Stap van pet-grade naar food-grade

Het laaghangende fruit is voorlopig pet food, aldus Vlaeminck. “Doordat je geen Novel Food-goedkeuring hoeft te hebben, kun je een snelle marktbetreding maken. Zo kun je ervoor zorgen dat de productiecapaciteit geschaald wordt en kan je vertrouwen creëren voor afnemers van microbiële biomassa. Wellicht kan er daarna al direct op schaal gestart worden met de food-gradeproductie. De stap van pet-grade naar food-grade is in sommige gevallen maar klein.”

Hij verwacht dat zowel microbiële als plantaardige eiwitten een belangrijke rol spelen in de toekomst. “Er is geen ‘silver bullet solution’. We hebben alle domeinen keihard nodig om de verschuiving te maken naar 60% plantaardig (én microbieel) en 40% dierlijk.”