Gaan microbiële eiwitten de wereld redden?

Microbieel eiwit, ook wel ‘Single Cell Protein’ (SCP) genoemd, is de eiwitrijke biomassa van micro-organismen zoals fungi, bacteriën en microalgen. SCP bevat naast hoge gehaltes aan kwalitatief eiwit ook gunstige hoeveelheden koolhydraten, vetten, vitaminen en mineralen, en zijn daarom uitermate geschikt als vleesvervanger in onze voeding.

De kweek van SCP vergt een veel lager gebruik in landbouwoppervlakte, zoet water en energie in vergelijking met traditionele vleesproducten. Bovendien werkt men volop aan methoden om stikstof en fosfor, noodzakelijk voor de groei van SCP, op veilige manier terug te winnen uit rest- en afvalstromen. Op die manier zouden SCP het mogelijk maken nutriënten uit deze stromen te recycleren en nagenoeg rechtstreeks terug op te waarderen tot hoogwaardige voedingsmiddelen.

Waarom vleesvervangers?

Tegenwoordig is het verminderen van onze vleesconsumptie en het promoten van vleesvervangers een hot topic. Maar aan welke voorwaarden voldoet een goede vleesvervanger en waarom hebben we ze nodig?

Een goede vleesvervanger bevat een hoog gehalte aan eiwitten. Bepaalde aminozuren – de bouwstenen van eiwitten – zijn essentieel voor het menselijk dieet en deze moeten bovendien in optimale verhoudingen aanwezig zijn, net zoals dit bij vlees het geval is.

Bekende voorbeelden van vleesvervangers zijn voedingsmiddelen geproduceerd uit soja (zoals tofu en tempeh) of uit fungi (zoals quorn), en ook exotische vormen zoals kweekvlees en eetbare insecten.

Naast fungi hebben ook andere micro-organismen zoals microalgen en bacteriën een groot potentieel als vleesvervanger. Niet alleen bevat hun biomassa nutritioneel hoogwaardige eiwitten, vetten en vitaminen, maar ze hebben ook de capaciteit om op extreem efficiënte manier om te springen met nutriënten, landbouwoppervlakte, zoet water en energie. En net in deze vier ‘pijlers’ van de voedselproductie knelt het schoentje vandaag.

De pijlers van de voedselproductie

Nutriënten, als eerste van de vier productiepijlers, beïnvloeden rechtstreeks de productiviteit van een landbouwgebied. Zo worden stikstof- en fosformeststoffen massaal gebruikt om hogere opbrengsten te verwezenlijken. Dit veroorzaakt echter een toenemende druk op het milieu en onze reserves natuurlijke grondstoffen. Het traditionele landbouwsysteem kampt bovendien met een reeks inefficiënties en verliezen doorheen de voedselproductieketen, van gewasproductie, verwerking tot veevoeder en veeteelt, tot verwerking tot voedingsmiddelen.

Zelfs in Westerse landen komt naar schatting slechts zo’n 14% van de originele stikstof en fosfor uit meststoffen terecht in een consumeerbaar stuk vlees.

Zelfs in Westerse landen, waar de landbouw bijzonder efficiënt is, komt naar schatting slechts zo’n 14% van de originele stikstof en fosfor uit meststoffen terecht in een consumeerbaar stuk vlees. De overige hoeveelheid stikstof en fosfor gaat onderweg verloren in de vorm van dierlijke mest, verwerkingsafval en emissies naar het milieu. Voor groenten ligt de efficiëntie een stuk hoger. Hier zal uiteindelijk ongeveer de helft van de stikstof en fosfor terechtkomen in het eindproduct. Door bijkomende verliezen tijdens de voedselverwerking, distributie en bereiding wordt ten slotte slechts zowat een tiende van de stikstof en fosfor daadwerkelijk door de mens geconsumeerd. Voor stikstof kunnen verliezen worden opgevangen door het ‘fixeren’ van atmosferische stikstof tot nieuwe meststoffen via het Haber-Bosch proces, maar voor fosfor is men nagenoeg volledig afhankelijk van natuurlijke ertsen en hergebruik

SCP kunnen hier een duurzame oplossing bieden. Microbiële culturen kunnen stikstof en fosfor namelijk rechtstreeks opnemen uit rest- en afvalstromen afkomstig van de landbouw- en voedingsindustrie en, met inachtneming van alle veiligheidsvoorschriften, verwerkt worden tot hoogwaardige, duurzame vleesvervangers.

Landbouwoppervlakte is de tweede pijler van de voedselproductie. De klassieke landbouw gebruikt 38% van het landoppervlak, en maar liefst twee derde daarvan dient direct of indirect voor de veeteelt. De ontwikkeling van vleesvervangers met een lagere productieoppervlakte of een hogere productiesnelheid kan dus een groter deel van de wereldbevolking van kwalitatief, eiwitrijk voedsel voorzien. Zo kan de productiecapaciteit voor microalgen tot 35 ton per hectare per jaar bedragen, terwijl dit voor soja maar 2,31 ton is.

De beschikbaarheid van zoet water, de derde pijler, zal er de komende decennia volledig anders gaan uitzien. Met de klimaatopwarming, het verdwijnen van natuurlijke waterreservoirs en het veranderen van de weerspatronen wordt zoet water een van de meest onvoorspelbare en gegeerde natuurlijke hulpbronnen voor de landbouw.

Voor de productie van 1 kilogram rundvlees is meer dan 15.000 liter zoet water nodig in de vorm van zowel drinkwater als water voor irrigatie van veevoedergewassen. In vergelijking daarmee springen SCP veel efficiënter om met zoet water. Daarnaast kunnen heel wat microalgen zelfs gekweekt worden in zout water.

Tot slot kan energieverbruik, als vierder pijler van de voedselproductie, de doorslaggevende factor zijn in de ‘duurzaamheidsscore’ van een voedingsproduct. Met name de productie van stikstofrijke meststoffen is vandaag een energieverslindend proces. Ongeveer de helft van de stikstof in onze voeding wordt in de landbouwcyclus momenteel geïntroduceerd via het Haber-Boschproces. Hierbij reageren inert stikstofgas en waterstofgas tot ammonium bij hoge temperatuur en druk. Dit proces maakt naar schatting momenteel 2,5% van het wereldwijde energieverbruik uit.

SCP: een oud idee in een nieuw jasje

Enkele algen-, fungi-, en bacteriesoorten worden al commercieel op de markt gebracht als voeding. Het ontwikkelen van grootschalige productieprocessen voor microbiële biomassa begon in de late jaren zestig. Het imago van de ‘vuile’ chemische industrie zorgde er samen met economische laagconjunctuur voor dat veel van deze productieprocessen niet rendabel waren.

Micro-organismen zullen wellicht eerst vooral als diervoeder gebruikt worden, en pas later als voeding voor mensen.

Het ‘Pruteen’-proces van het Britse Imperial Chemical Industries (ICI) daarentegen was wel succesvol en een mijlpaal in de productie van SCP als dierenvoeder. In dit proces werd op grote schaal methanol uit aardgas geconverteerd naar microbieel eiwit.

De technische expertise werd verder gebruikt, in samenwerking met Rank Hovis McDougall (RHM), om biomassa afkomstig van fungi te produceren. Het werd in 1985 op de markt gebracht werd als Quorn.

SCP wordt tegenwoordig echter in beperkte mate geproduceerd en geconsumeerd. Tot een echte doorbraak bij het grote publiek is het nog niet gekomen, en het kleine aantal producenten heeft momenteel weinig middelen om een doorbraak te bevorderen. Micro-organismen zullen, net zoals insecten, wellicht in een eerste stadium vooral als diervoeder gebruikt worden, waarna het in een later stadium als menselijke voeding kan dienen.

Welke beestjes?

Zoals vermeld kunnen heel wat micro-organismen dienst doen als bron van SCP. Zo is er de biomassa van microalgen, fungi en bacteriën. Elk van deze groepen micro-organismen behoren tot een verschillend rijk waardoor de mogelijkheden zeer divers zijn en een groot aantal soorten in aanmerking komen om als voedselbron gebruikt te worden.

Bij het kiezen van een micro-organisme dat op industriële schaal kan instaan voor de productie van SCP zijn er enkele voorwaarden en vereisten. Zo is het evident dat om economische redenen de groeisnelheid zo hoog mogelijk moet liggen. Wanneer de groeiomstandigheden gunstig zijn, kunnen bacteriën een celdeling uitvoeren in slechts twintig minuten. Onder ideale omstandigheden kan één bacteriële cel zich zo vermenigvuldigen tot 2 cellen na 20 minuten, 8 cellen na een uur, en bijna 70 miljard cellen na een halve dag. In de praktijk loopt het door allerlei sub-optimale omstandigheden vaak niet zo’n vaart, maar bacteriën scoren toch zeer goed op vlak van productiesnelheid. Microalgen daarentegen delen gemiddeld slechts een keer per dag, waarbij wel opgemerkt moet worden dat algencellen gemiddeld groter zijn dan bacteriële cellen.

Naast een snelle groei is een hoog eiwitgehalte met een gunstig aminozuurprofiel een belangrijk criterium om een soort tot goede voedselproducent te maken. Een goede verteerbaarheid moet er vervolgens voor zorgen dat de eiwitten grotendeels vrijgesteld worden uit de biomassa tijdens de vertering. De meeste microalgen zoals Chlorella sp. en Scenedesmus sp. hebben bijvoorbeeld een celwand die tot 10% cellulose bevat, een vezel die door de mens slecht verteerbaar is. Om deze algen als voedselbron te gebruiken kan daarom een voorbehandeling nodig zijn om deze celwand te breken en de verteerbaarheid te verhogen.

Sommige bacteriën en enkele microalgensoorten, zoals Spirulina sp., hebben echter een cellulosevrije celwand die nauwelijks voorbehandeling nodig heeft en waardoor de voedingsstoffen tijdens de vertering zeer snel beschikbaar worden gesteld.

Tot slot zijn er micro-organismen die toxines produceren als afweermechanisme, en dus best vermeden worden. Door de grote variatie aan eigenschappen onder micro-organismen en de veelheid aan criteria waaraan een soort moet voldoen om geschikt te zijn voor consumptie en grootschalige productie, is dan ook telkens een uitgebreide screening nodig in het laboratorium en onderzoek op pilootschaal.

Een innovatieve potentiële bron van SCP zijn de purper niet-zwavelbacteriën (PNSB) uit de familie Rhodospirillaceae. Net zoals de microalgen groeien deze bacteriën fototroof, waarbij ze hun energie die nodig is voor de groei uit zonlicht halen. In tegenstelling tot microalgen produceert deze groep echter geen zuurstof en consumeert ze organische koolstof in plaats van koolstofdioxide. De PNSB hebben de eigenschap uiterst efficiënt organische koolstof te gebruiken voor de groei, waardoor er ongeveer drie keer minder organische voeding nodig zou zijn voor de productie van SCP dan bij andere bacteriën en fungi. Hoewel de PNSB net zoals microalgen een lichtbron nodig hebben, bezitten ze de unieke eigenschap om licht met golflengtes in het infrarood gebied te gebruiken (licht met een lagere energetische waarde), wat toelaat het energieverbruik te minimaliseren.

Benelux

Verschillende bedrijven zien een groot potentieel in het onderzoek en de ontwikkeling van een efficiëntere en duurzamere voedselproductie. Zo is er het Belgische Nutrition Sciences N.V., dat inzet op SCP voor gebruik als veevoeder.

‘In vergelijking met de traditionele landbouw bieden SCP het voordeel dat hun productie niet seizoensafhankelijk is.’

‘In vergelijking met de traditionele landbouw bieden SCP het voordeel dat hun productie niet seizoensafhankelijk is. SCP helpen bovendien onze afhankelijkheid af te bouwen van soja en andere traditionele eiwitbronnen in de landbouwcyclus. Tachtig procent van het eiwit bestemd voor veevoeder in de EU wordt momenteel geïmporteerd. Het is dus aangewezen om naar andere bronnen uit te kijken, zoals SCP,’ aldus Geert Bruggeman van Nutrition Sciences.

Een mogelijk struikelblok, volgens Bruggeman, is echter de aanwezigheid van hoge concentraties aan nucleïnezuren, vooral in de vorm van RNA in micro-organismen.

Dit kan gezondheidsproblemen, zoals nierstenen en gewrichtsontstekingen, veroorzaken indien aanwezig in menselijke voeding. Om onder de door de Verenigde Naties aanbevolen consumptiehoeveelheid van 2 gram per dag te blijven, zou een korte hittebehandeling bij 70°C volstaan.

Ook het Belgische Avecom N.V., dat een reeks microbiële fermentatieprocessen uitwerkt om uit verschillende voedingsbronnen SCP voor menselijke consumptie aan te maken, gelooft sterk in de productie van microbieel eiwit. Willy Verstraete, milieuexpert en oprichter van Avecom, legt uit: ‘de conventionele landbouw is prima voor het produceren van organische koolstofverbindingen zoals suikers, zetmeel, vezels, oliën en vetten, maar is en blijft problematisch als het er op aan komt op coherente wijze eiwitten aan te maken. In de nabije toekomst moeten we dagelijks zo’n acht à tien miljard mensen van minstens 100 gram eiwit voorzien, en daarom moeten we nieuwe productieprocessen ontwikkelen die heel efficiënt met stikstof omgaan. De methode die voor de hand ligt ziet er volgens mij zo uit: We zetten stikstofgas om tot meststoffen via het Haber-Boschproces – daar kunnen we niet omheen. Dat kan op basis van fossiele brandstoffen of van hernieuwbare energie. Vervolgens produceren we SCP in industriële reactoren die toelaten de stikstof te benutten met veel hogere efficiënties dan in de traditionele landbouw. Als kookstofbron voor deze reactoren gebruiken we suikers, cellulose of plantaardige oliën afkomstig van de landbouw. Deze laatste zet zich volledig in voor de productie van plantaardige voedingsbronnen. Uiteraard moeten de eindproducten van zodanige kwaliteit en voedingswaarde zijn dat ze acceptatie en waardering vinden in de bredere circuits van de voedselvoorziening.’

Microbiële eiwitten als redder in nood?

Volgens de Verenigde Naties zal de huidige wereldbevolking met meer dan één vierde toenemen tot 9,3 miljard mensen in 2050. Wereldwijd zal ook de levensstandaard stijgen, waardoor in 2050 ongeveer 3 miljard mensen tot de middenklasse zullen behoren. Deze stijging is voornamelijk te wijten aan economische groei in de huidige ontwikkelingslanden. Door de hoge druk op de vier voedselproductiepijlers zal er dus minstens een deel van het eiwit in ons conventioneel dieet vervangen moeten worden door SCP of andere duurzame alternatieven. Maar hoe groot moet dit deel zijn om in 2050 nog iedereen te kunnen voorzien van een evenwichtig dieet?

In de nabije toekomst zal een deel van onze eiwitconsumptie moeten verschuiven van dierlijke naar meer duurzame eiwitten.

Volgens de Voedsel- en Landbouworganisatie van de Verenigde Naties zal in 2050 de globale vleesproductie zo’n 450 miljoen ton bedragen, ofwel 93 miljoen ton eiwit. Daartegenover staat dat wanneer iedereen evenveel eiwit consumeert als wij in de Benelux, ongeveer 100 gram eiwit per dag, er 340 miljoen ton eiwit nodig is. Met andere woorden, vleesproductie zal slechts kunnen voorzien in 27% van onze eiwitbehoefte.

Hierbij moet opgemerkt worden dat in de Benelux op dit moment meer dan dubbel zoveel eiwit geconsumeerd wordt als de WHO aanbevolen dosis van 40 gram per dag, waarvan ongeveer één derde dierlijk eiwit is.

In de nabije toekomst zal een aanzienlijk deel van onze eiwitconsumptie moeten verschuiven van dierlijke naar meer duurzame eiwitten. Door een stijgende wereldbevolking en toenemende globale welvaart is deze verschuiving een noodzaak om de planetaire grenzen niet te overschrijden, en moeten we ons dus ten volle inzetten voor de productie van meer duurzame plantaardige eiwitbronnen en SCP.

De auteurs zijn onderzoekers aan de Universiteit Gent en/of de Universiteit Antwerpen. Francis Meerburg en Siegfried E. Vlaeminck werden gesteund door het Fonds voor Wetenschappelijk Onderzoek – Vlaanderen.