Eigenlijk was Julita Manski helemaal niet bezig om een vleesvervanger te maken. Ze begon haar promotieonderzoek vier jaar geleden bij de Wageningse Food and Bioproces Enginering Group met een onderzoek aan de rijping van kaas en bestudeerde daartoe de reologische eigenschappen van geconcentreerde natriumcaseïnaatoplossingen tijdens enzymatische crosslinking.

Dit als model voor het maken van kaas uit melk. Ze mat het reologische gedrag van wrongel door de geconcentreerde oplossing op afschuiving te belasten. Niets aan de hand, de structuur van de wrongel bleef homogeen, zoals in kaas. Totdat anderhalf jaar geleden zich een merkwaardig verschijnsel voordeed toen een student van haar de proef herhaalde met calciumcaseïnaat: In het afschuifveld ontstond een onbetwistbaar vezelige structuur die zich in tegenstelling tot kaas niet gemakkelijk liet fijnknijpen.

Vezels
Onder de scanning elektronenmicroscoop werden vezels zichtbaar van 100 tot 200 nm dik, vergelijkbaar met de diameter van calciumcaseïnedeeltjes. Manski: “Waarschijnlijk rangschikken de micellen in het afschuifveld zich achter elkaar en wordt de kralenstructuur vervolgens gefixeerd door de activiteit van het enzym transglutamase. Een kaas als mozzarella heeft ook iets vezelachtigs, door het stretchen van de wrongel (traditioneel met de hand) bij ongeveer 60°C, maar daar ligt de diameter van de kleinste vezel een factor 100 tot 1.000 hoger (10-100 µm).

Het bijzondere van de nu gevonden eiwitstructuur is dat het op macroniveau een met het blote oog zichtbare vezelstructuur heeft die zich dus ontspint vanaf het kleinste niveau. En al kunnen wij die nanovezels niet zien, ze hebben een grote invloed op de sensoriek en op de stevigheid die wij ervaren.”

Voor het maken van eiwitproducten met een op vlees gelijkende structuur wordt al langer gezocht naar een verfijnde vezelstructuur. “Tot nog toe zijn de meeste patenten voor het maken van vezelachtige materialen gebaseerd op een extrusieproces”, aldus Manski, “maar daar vind je op nanoschaal niets van een vezelstructuur in terug.

Je kunt de vezeligheid van een materiaal definiëren als het verschil in treksterkte in de lengte- en in de breedte (anisotropie). Bij extrusie bedraagt de anisotropieratio 2 tot 4, wij vinden een ratio van 8 tot 14. Friesland Foods, dat de eerste rechten op de resultaten uit het onderzoek bezit, heeft op de vinding dan ook patent aangevraagd.

Onconventioneel
Eiwitstructuren maken in een afschuifveld is overigens niet nieuw. Er zijn al patenten uit de jaren zeventig van onder andere Friesland Foods en Unilever. Maar het onconventionele aan Manski’s opzet was dat ze werkte bij concentraties van 30% eiwit (kaas bevat 20 tot 30% eiwit). Die hoge concentratie is volgens Manski nodig om voldoende interacties tussen de micellen en clusters in het afschuifveld te verkrijgen voor het uitlijneffect.

Een tweede aspect van de vinding betreft het calcium-ion. Want het interessante is dat bij de verwisseling van natrium voor calcium zich plotseling een anisotroop materiaal vormt. Het calcium-ion vormt bruggen met sommige aminozuren in het caseïne waardoor de primaire deeltjes veel groter worden (100-300 nm) dan bij natrium (10-50 nm). Die sterke interactie leidt tot een soort schiftingsproces op nanoschaal waarbij water wordt uitgestoten. Anders gezegd: Een oplossing van calciumcaseïne is thermodynamisch instabiel. En dat heeft grote gevolgen voor wat er gebeurt in een afschuifveld.

Grip
Het is volgens Manski moeilijk aan te geven waar het proces van vezelvorming mee begint: “De oplossing heeft al een neiging tot fasescheiding en als je daar een afschuifkracht op uitoefent gaat die instabiliteit zich manifesteren. En naarmate er zich grotere clusters vormen, krijgt de afschuifspanning meer grip en worden ze nog makkelijker een bepaalde richting opgeduwd.

Zo lijnen ze zich uit tot vezels. Een extra factor is het enzym transglutamase dat door crosslinking de clusters verder vergroot, en wat weer bijdraagt aan de fasescheiding en de uitlijning. Transglutamase fixeert uiteindelijk de anisotropie. De vezels van het resulterende product kunnen over de hele lengte losgetrokken worden, als draadjesvlees. Het vezelige eiwit dat de onderzoekster produceert heeft nog wel een rubberachtige textuur. Palmvet als extra ingrediënt heeft een iets verstevigend effect. De sensorische testen vinden plaats bij Friesland Foods.

Conisch
De productie van het materiaal vereist ook nieuwe procesapparatuur. De apparatuur die Manski gebruikte voor haar proeven werd aan de universiteit zelf ontwikkeld en is geschikt voor batches van 70 tot 200 gram. De afschuifreactor is ontworpen als een conische uitsparing waarin een conische vorm ronddraait met enkele millimeters speling tussen beide. In de tussenruimte zitten de ingrediënten in een afschuifveld.

De procescondities zijn mild: gemiddeld een half uur bij 50°C. “We zijn eigenlijk nog maar net bezig”, verklaart Manski, “dus ideeën voor industriële procesapparatuur zitten nog helemaal in de brainstormfase. Bij een continureactor kun je denken aan twee grote cilinders die met een kleine speling er tussen langs elkaar draaien. Het zou ideaal zijn als je tijdens het proces materiaal kunt toevoegen. En dan misschien een soort kaasschaaf die het vaste product eraf haalt. Maar afhankelijk van de kostprijs van het product is een batchreactor ook mogelijk. Kaas wordt tenslotte ook nog steeds in batches gemaakt.”

Opaque
“We zijn op zoek naar de sleutel hoe je dit principe toe kunt passen op systemen als bijvoorbeeld soja-eiwit. Daarvoor is eerst onderzoek nodig naar de reologische eigenschappen en interacties van calciumcaseïne. Mijn aanbeveling is dat te doen in geconcentreerde eiwitoplossingen. Tot nu toe werd altijd gewerkt met verdunde systemen want dan is de grootte van de deeltjes makkelijker te bepalen met behulp van licht.

Maar het extrapoleren van de interacties en de reologie werkt niet. Dan hadden we zelf wel kunnen bedenken dat dit zou gebeuren. Daarom moeten we nu verder werken aan geconcentreerde opaque-systemen.”