artikel

Natuurlijke nutraceuticals via fermentatie

Algemeen

Via natuurlijke fermentatie kan voeding met minder calorieën en meer B-vitaminen worden geproduceerd. Het voordeel van dergelijke nutraceuticals zit vooral in de natuurlijke productiemethode. De componenten worden van nature gemaakt door micro-organismen die voedselveilig zijn. Geen declaraties op het etiket dus.

Het verhogen van de nutritionele waarde van voedingsmiddelen door middel van fermentatie – dat was het doel van het Nutra Cells-project. Dit heeft een aantal nieuwe fermentatieprocessen opgeleverd die niet alleen geschikt zijn om laagcalorische voedingsmiddelen en voedsel met een verhoogd B-vitaminegehalte te produceren, maar ook om ongewenste bestanddelen zoals slecht verteerbare suikers in zuivel (lactose, galactose) en in soja (raffinose en stachyose) te verwijderen. Dit artikel gaat in op de laagcalorische suikerproductie en de vitamine-B-productie door middel van natuurlijke fermentatie.

Sorbitol
Met het oog op de groeiende vetzucht in de Westerse wereld, werkten de Belgische KU Louvain-la-Neuve, het Portugese Biotechnologisch Onderzoeksinstituut ITQB en NIZO food research samen om hoogcalorische suikers, zoals lactose in melk, via fermentatie om te zetten in laagcalorisch suikers. Twee succesvolle voorbeelden zijn de vorming van sorbitol (uit glucose) door de melkzuurbacterie Lactobacillus plantarum en trehalose (uit lactose) door de propionzuurbacterie Propionibacterium freudenreichii.

Sorbitol is een suikeralcohol met een zoetkracht die vergelijkbaar is met die van glucose en fructose en (veel) hoger dan lactose. Sorbitol wordt niet tot nauwelijks opgenomen tijdens de passage door het menselijke maagdarmkanaal en draagt zodoende nauwelijks bij aan de calorische waarde van de voeding. Een echt laagcalorische suiker dus. Bovendien wordt sorbitol nauwelijks gebruikt door de micro-organismen in de mondholte, wat tandbederf helpt voorkomen.

In tegenstelling tot andere suikeralcoholen (mannitol, erythritol), komt sorbitol vrijwel nooit als fermentatieproduct voor. Maar een aantal melkzuurbacteriën, waaronder Lactobacillus plantarum, hebben wel de mogelijkheid om sorbitol als suikerbron te fermenteren. De Nutra Cells-onderzoeksgroep uit België, onder leiding van dr. Pascal Hols, benutte deze eigenschap om tot sorbitolproductie te komen. Twee genen die betrokken zijn bij het sorbitolmetabolisme, zijn tot overexpressie gebracht in Lb. plantarum. In een ‘normale’ lactobacil heeft dit geen enkel effect, maar in een stam die geen melkzuur meer kan maken, leidt dit tot significante productie van sorbitol (figuur 1). In eerste instantie bleek de sorbitol alleen te vinden in niet-groeiende cellen, maar met hulp van NIZO food research werd een fermentatie verkregen waarbij 50% van de aanwezige suiker kon worden omgezet in sorbitol.

Hoewel hiervoor genetisch gemodificeerde (melkzuur)bacteriën worden gebruikt, lijkt dit toepassing niet in de weg te staan. De modificaties zijn verkregen via self-cloning, dus zonder introductie van soortvreemd DNA. Dit betekent dat zo verkregen producten zonder labeling verkoopbaar zijn in bijvoorbeeld de Verenigde Staten. Bovendien zijn de nu kunstmatig aangebrachte modificaties ongetwijfeld ook via natuurlijke weg te selecteren, net als bij de LDH-deficiëntie. De grootste hindernis is nog het feit dat niet elk suiker zich even goed leent voor omzetting in sorbitol en dat een omzettingspercentage van 50% tot nu toe het maximaal haalbare is.

Trehalose
Trehalose is een tri-saccharide die ook matig wordt opgenomen door het menselijk lichaam. Het is vooral bekend als tandvriendelijke suiker, nog niet echt als laagcalorisch. Trehalose heeft ook een algemene beschermende werking als antioxidant, en als stabilisator van eiwitten en zelfs levende weefsels (bij weefsel en orgaantransplantaties).

De propionzuurbacterie, Propionibacterium freudenreichii, die wordt gebruikt in de bereiding van Zwitserse kaastypen zoals Emmental en Maasdammer, maken onder stresscondities grote hoeveelheden trehalose. Dit blijkt uit onderzoek van het Portugese IBET, onder leiding van prof. Helena Santos. Vooral tijdens groei in hoog zout-, lage pH- en zuurstofrijke condities, wordt een enorme ophoping – tot meer dan 60% van de totale celmassa – van deze laagcalorische suiker waargenomen (figuur 2). Het is gebleken dat het vermogen om trehalose te vormen nogal kan verschillen binnen de propionzuurbacteriën [1]. Via selectie van de meest geschikte bacterie is het al mogelijk om, tijdens een melkfermentatie, 10% van de lactose in trehalose om te zetten. Ook hier is volledige omzetting van hoogcalorische suiker in laagcalorische suiker (nog) niet mogelijk, maar dit volledige natuurlijke proces (niet-ggo) lijkt toch goede mogelijkheden te bieden.

Riboflavine
Een te lage inname van de B-vitaminen riboflavine (B2), foliumzuur (B11) en cobalamine (B12) kan leiden tot ernstige ziekten zoals bloedarmoede, hart- en vaatziekten, huidafwijkingen en open ruggetjes bij zuigelingen. Het Nutra Cells-project had ten doel om via natuurlijke fermentatie voedingsmiddelen te verrijken met juist deze drie B-vitaminen. Hierbij is steeds nadrukkelijk gekozen voor twee parallelle ontwikkelingsroutes: die van de ‘natuurlijke’ (niet-ggo) selectie en die van de genetische modificatie, via metabolic engineering.

Melkzuurbacteriën, zoals Lactococcus lactis en Lactobacillus plantarum, en ook propionzuurbacteriën blijken riboflavine in slechts kleine hoeveelheden te kunnen maken. Deze productie blijkt bij lange na niet voldoende voor verrijking van gefermenteerde voedingsmiddelen. Onderzoek bij de Unversity College Cork in Ierland, onder leiding van prof. Douwe van Sinderen, heeft geleid tot selectie en ontwikkeling van L. lactis-stammen die riboflavine in hoeveelheden van mg kunnen produceren.

Door L. lactis-cultures bloot te stellen aan toxische gehaltes van roseoflavine ontstaan spontaan resistente varianten. Bij analyse van deze spontaan verkregen varianten, bleek er vaak sprake te zijn van verhoogde riboflavineproductie [2]. De melkzuurbacterie L. lactis bleek veranderd te zijn in een riboflavineproducent. Tijdens fermentaties in melk werd ongeveer 1 mg/L extra riboflavine aangetroffen in gefermenteerde (karne)melk. Eenzelfde exercitie, met vergelijkbaar resultaat, is ook uitgevoerd bij NIZO food research voor de propionzuurbacterie Propionibacterium freudenreichii.

Veel hogere riboflavineproductie kon worden bereikt door overexpressie van de genen coderend voor de riboflavinebiosynthese in dit organisme. Dit leverde riboflavineproducties op van meer dan 25 mg/L, wat leidde tot een geelkleuring en soms zelfs uitkristallisering van riboflavine [3]. De toepassing van dit concept in voedingsmiddelen lijkt nabij, omdat riboflavinedeficiëntie algemeen voorkomt, ook in de Westerse wereld, en omdat de riboflavineverrijking juist via de natuurlijke weg kan worden bereikt.

Foliumzuur
Veel bacteriën, waaronder melkzuur- en propionzuurbacteriën, kunnen foliumzuur in meetbare hoeveelheden produceren. Deze productie kan zelfs leiden tot significante verhoging van het foliumzuurgehalte in gefermenteerde producten (yoghurt) in vergelijking met het uitgangsmateriaal (melk).

Dr. Wilbert Sybesma van het WCFS onderzocht de mogelijkheden om meer foliumzuur te produceren via metabolic engineering, waarbij de genen verantwoordelijk voor (hoge) foliumzuurproductie worden geïdentificeerd (figuur 3) en vervolgens tot hogere expressie worden gebracht. Naast enorme verhoging van de foliumzuurproductie (1.000x) door L. lactis, heeft dit onderzoek ook belangrijke inzichten opgeleverd in de biobeschikbaarheid van foliumzuur. Zo blijkt dat de structuur van het foliumzuur (figuur 4), en in het bijzonder die van de polyglutamaatstaart, zeer bepalend is voor de biobeschikbaarheid [4]. Afhankelijk van de lengte van de polyglutamaatstaart kwam meer of minder van het geproduceerde foliumzuur buiten de cel, in de fermentatievloeistof, terecht. Dit kan van grote invloed zijn op de uiteindelijke beschikbaarheid van het foliumzuur voor de mens, na consumptie. Dit is een van de aspecten waarin natuurlijk geproduceerd foliumzuur anders (beter) is dan chemisch gesynthetiseerd foliumzuur. Ook zijn er duidelijke aanwijzingen dat bepaalde natuurlijke vormen van foliumzuur veel stabieler zijn dan chemisch foliumzuur.

Deze algemene inzichten in de productie en de eigenschappen van foliumzuur kunnen uitstekend worden gebruikt voor het natuurlijk verrijken van voedingsmiddelen met deze B-vitamine.

Cobalamine
Cobalamine (vitamine B12) wordt slechts geproduceerd door (een klein aantal) micro-organismen en komt niet voor in planten. Van de bacteriën die worden gebruikt bij voedselfermentaties was tot voor kort alleen Propionibacterium freudenreichii bekend als vitamine-B12-producent. Recent is ontdekt dat een melkzuurbacterie, Lactobacillus reuteri, vergelijkbare hoeveelheden vitamine B12 kan produceren [5]. Aangezien er veel meer voedselfermentaties zijn waarbij melkzuurbacteriën worden gebruikt dan propionzuurbacteriën, opent dit nieuwe mogelijkheden voor natuurlijke verrijking van voedingsmiddelen met vitamine B12.

Toekomstperspectief
Het Nutra Cells-project heeft laten zien dat de calorische waarde van voedsel kan worden verlaagd en het gehalte aan verschillende B-vitaminen kan worden verhoogd via natuurlijke fermentatie. Dergelijke producten spelen in op twee belangrijke consumentenbehoeften, namelijk dat voedsel de algemene gezondheid bevordert en dat het op natuurlijke wijze is bereid. Een hele nieuwe lijn van voedingsmiddelen met toegevoegde waarde op het gebied van gezondheid ligt in het (nabije) verschiet. Behalve aan vitaminen en zoetstoffen wordt ook aan andere gezondheidbevorderende ingrediënten gedacht, zoals antioxidanten (bètacaroteen), onverzadigde vetzuren (PUFA’s – linolzuur, visolie) en gewricht- en kraakbeenbestanddelen (glucosamine en chondroïtine). Dit lijkt absoluut haalbaar, aangezien deze componenten van nature worden gemaakt door micro-organismen die voedselveilig zijn, en zal een logisch vervolg zijn op de activiteiten uitgevoerd binnen het Nutra Cells-project.

Reageer op dit artikel