Zoektocht naar alternatieve en duurzame eiwitten uit planten, micro-organismen en schimmels

Kaas zonder koe

Koemelk is een belangrijke bron van eiwitten in het Westerse dieet, maar de productie ervan heeft flinke impact op het klimaat en dierenwelzijn. De vraag naar diervrije zuivelproducten neemt dan ook toe en er zijn al veel vegan producten op de markt, maar kaas is nog steeds lastig na te maken. Zuivelproducten op basis van plantaardige eiwitten krijgen niet dezelfde smaak en structuur als de kaas van melk. Daarom onderzoekt WUR de mogelijkheden om duurzame, voedzame en smaakvolle kaas te maken met behulp van micro-organismen.

‘In koemelk zitten caseïnes. Deze eiwitten vormen clusters (zogenaamde micellen), en die zorgen voor de gelstructuur van zuivelproducten’, vertelt Etske Bijl, onderzoeker Food Quality and Design. Bijl en haar collega’s zijn van plan om gisten caseïne te laten produceren, een diervrij route naar de productie van eiwit met dezelfde voedingswaarde en eigenschappen als eiwit uit koemelk. Ze hopen dat het dan mogelijk wordt om kaas te maken die lijkt op ‘echte’ kaas. Bijl: ‘Er zijn nu ook vegan kazen op de markt, die bijvoorbeeld worden gemaakt van zetmeel of samengeperste noten. Die kunnen ook lekker zijn, maar het is niet hetzelfde als kaas.’

Het plan is om de genetische code die codeert voor caseïne in te bouwen in gisten, zodat die het koemelkeiwit gaan produceren. De genetische code wordt gemaakt in een lab, dus daar komt geen koe aan te pas. ‘Vervolgens zal worden gekeken of de gisten inderdaad het eiwit maken’, vertelt Bijl. ‘En of ze er niet zelf nog aanpassingen aan maken, iets wat gisten wel eens doen. De vraag is of het honderd procent identiek moet zijn aan caseïne uit de koe, of dat een iets ander eiwit nog steeds de gewenste eigenschappen heeft, zoals het vormen van de micellen want anders heb je nog die structuur niet. Dat zijn dingen die we nog gaan onderzoeken.’

De onderzoekers werken samen met Those Vegan Cowboys. ‘We doen parallel hetzelfde type onderzoek. Uniek is dat we alle kennis delen, iets wat in de industrie niet gebruikelijk is. Er zijn veel start-ups bezig met vergelijkbare onderzoeken, maar die schermen hun werk vaak af, bijvoorbeeld omdat ze het willen patenteren. Wij zijn het eerste wetenschappelijke project op dit gebied. Ons doel is uiteindelijk om vegan melkeiwit te maken. Dat kunnen we beter bereiken door samen te werken.’

‘Als ons project slaagt dan kan de industrie met deze eiwitten nieuwe producten ontwikkelen en inspelen op de toenemende vraag naar diervrije zuivelproducten.’ De vraag is wel hoe de consument aankijkt tegen een eiwit dat wordt gemaakt door een genetisch aangepaste gist, een GMO. ‘We werken samen met de filosofiegroep van WUR om te onderzoeken hoe consumenten aankijken tegen GMO, want vaak is het veel complexer dan simpelweg voor of tegen.’

Daarnaast spreken de onderzoekers regelmatig met boeren. Bijl: ‘In eerste instantie zou je denken dat zij het niks vinden, omdat het mogelijk concurreert met hun product. Maar we werken samen met landbouwinnovatieplatform Brabant en zien dat boerenbedrijven, vaak familiebedrijven, nadenken over de toekomst. Er zijn zeker boeren die interesse hebben. Ze zouden bijvoorbeeld zelf de eiwitten kunnen produceren en daar hun eigen boerenkaas mee maken. We zoeken ook naar startups die kunnen helpen met het maken van eenvoudige installaties waarmee boeren dit zelf kunnen. Een soort microbrouwerij, maar dan voor eiwitten.’

Als alles goed gaat zal het volgens Bijl nog wel even duren voordat de vegan kaas, met door gist gemaakt melkeiwit, op de markt is. ‘Momenteel mag het in Europa nog niet verkocht worden, omdat het een GMO-product is. We hopen dat onze kennis ook zal bijdragen aan het aanpassen van wetgeving. In landen als Singapore en de V.S. is het al wel toegestaan. Zo maakt Perfect Day ijs van diervrije eiwitten, maar dat is nog wel erg duur.’ Naast wetgeving is het ook de vraag of de techniek op een betaalbare en duurzame manier kan worden opgeschaald. Bijl: ‘We verwachten dat het proces duurzamer is dan industrieel geproduceerde caseïne, die uit melk worden gehaald. Want gisten hebben weinig voeding nodig en zijn zeer efficiënt. Dat gaan we berekenen als we eenmaal zover zijn dat de gisten werken.’

De smaak van peulvruchten verbeteren

Naast diervrije zuivelproducten, vragen het bedrijfsleven en de consument ook steeds meer naar eiwitten uit peulvruchten in producten zoals vlees- en zuivelvervangers, als alternatief voor dierlijke eiwitten. Maar de smaak van peulvruchten is niet optimaal voor deze toepassing. Met name in zuivelvervangers proef je dat. ‘De smaak wordt wel eens vergeleken met karton’, zegt Laurice Pouvreau, Wageningen Food & Biobased Research.

Het voordeel van peulvruchten is dat het een duurzame bron van eiwitten is. ‘Gewassen als erwten en tuinbonen groeien goed in het Europese klimaat’, vertelt Pouvreau. ‘Wat betekent dat er minder import nodig is van bijvoorbeeld soja. Daarnaast hebben ze een relatief hoge opbrengst en binden ze stikstof.’

Pouvreau en haar collega plant- en voedingswetenschappers werken samen aan een project om peulvruchten te veredelen (bijvoorbeeld door kruisen en genetische selectie), zodat ze onder andere een betere smaak hebben voor toepassing in levensmiddelen. ‘We weten wat de kartonachtige smaak veroorzaakt en met veredeling willen we bestaande rassen vinden, of nieuwe rassen ontwikkelen, die een minder onaangename smaak hebben.’ Daarnaast kijken de onderzoekers naar andere eigenschappen, zoals op wat voor een bodem en in welk klimaat een ras het best groeit. Pouvreau: ‘Europa is divers, en het klimaat en de bodem in Groningen is heel anders dan in Zuid-Frankrijk bijvoorbeeld.’ Daarnaast moet het gewas ook een goede opbrengst geven, want het moet voor boeren wel financieel aantrekkelijk zijn om peulvruchten te verbouwen.’

Uniek aan dit project is volgens Pouvreau de reverse-engineering aanpak. ‘We spreken eerst met voedselproducenten om te onderzoeken wat de vereisten zijn qua smaak en functionaliteit van de eiwitten, en vanuit daar gaan we weer terug naar het begin: het zaadje. We kijken dus naar de hele productieketen. Met als uiteindelijk doel om peulvruchtenrassen te veredelen die de beste smaak en eigenschappen hebben voor vlees- en zuivelvervangers.’

Eiwittekort tegengaan met fermentatie

Een derde voorbeeld van alternatieve eiwitbronnen zijn gefermenteerde producten (met bacteriën of schimmels) zoals tempé en kimchi. Het proces van fermenteren is al eeuwenoud, maar kan beter worden benut. Daarom onderzocht Jasper Zwinkels, van Food Microbiology, of schimmelfermentatie de voedingswaarde van een product kan verbeteren. Hij deed dat met rijst en gerst. Zwinkels: ‘Die hebben we gekozen omdat dit gewassen zijn die in grote hoeveelheid worden gegeten, ook in lage-inkomenslanden, waar mensen juist behoefte hebben aan kwalitatief goed eiwit. Eiwitten uit schimmels hebben namelijk een andere samenstelling dan planteneiwitten. In een gefermenteerd product komen deze eiwitbronnen samen. Zo kunnen ze een aminozuursamenstelling vormen die beter past bij onze voedingsbehoeften.

’Fermenteren is al zo oud als de weg naar Rome. Toch is nog niet eerder onderzocht wat dit precies doet met de eiwitkwaliteit van het product. ‘Dat verbaasde ons eigenlijk’, zegt Zwinkels. ‘De methode an sich is niet ingewikkeld. Je neemt een substraat, zoals rijst of gerst, en groeit daar de schimmels op.’ Dat is precies wat Zwinkels en zijn collega’s hebben gedaan. De eerste resultaten zijn veelbelovend: ‘We zagen dat de eiwitkwaliteit omhoog ging. Er was tien procent meer microbiële biomassa na fermentatie met schimmels in vergelijking met de gangbare hoeveelheid na bacteriële fermentatie. Ook hebben schimmeleiwitten een betere aminozuursamenstelling. Lysine is bijvoorbeeld een essentieel aminozuur, dat ons lichaam niet zelf maakt en we dus uit voeding moeten halen. Lysine zit in hoge concentratie in vlees, zuivel en vis, maar heel weinig in granen. In schimmeleiwit zit veel lysine.’ Dat is volgens Zwinkels erg waardevol voor veel lage-inkomenslanden, waar granen, rijst en knolgewassen de basisvoeding zijn. ‘Fermentatie is een simpele manier om dit voedzamer te maken. Het enige wat je nodig hebt is een warme en vochtige plek. Het biedt voordeel boven fermentatie met schimmels in bioreactoren, dat duur is en lastiger om op locatie toe te passen.’

Zwinkels denkt dat het onderzoek vooral bij zou kunnen dragen aan richtlijnen voor goede voeding. ‘We hebben geen nieuwe methode ontwikkeld. Maar we laten zien dat je met een bestaande methode op een duurzame en betaalbare manier eiwittekorten tegen kunt gaan.’

In vervolgonderzoeken zal verder worden onderzocht hoe het fermentatieproces precies in zijn werk gaat. ‘Nu hebben we alleen gekeken naar de aminozuurverhouding in producten met en zonder fermentatie’, zegt Zwinkels. ‘Maar we willen ook op detailniveau kijken wat voor soort eiwitten er precies door de schimmels worden gemaakt. Wat best lastig te onderzoeken is, omdat de schimmel helemaal verweven is met de plantenzaden.’ Ook wil Zwinkels meer schimmelsoorten en substraten onderzoeken, om per product de aminozuursamenstelling te verbeteren.