artikel

Vernieuwing in fermentatie

Algemeen

Gefermenteerde voedingsmiddelen vormen een van de meest dynamische en innovatieve segmenten in de levensmiddelenindustrie. Vooral de sterk toegenomen vraag van de consument naar gezonde, natuurlijke (clean-label) producten die lekker smaken en een goede prijs-kwaliteitverhouding hebben, vraagt om nieuwe oplossingen.

Gefermenteerde voedingsmiddelen vormen een van de meest dynamische en innovatieve segmenten in de levensmiddelenindustrie. Vooral de sterk toegenomen vraag van de consument naar gezonde, natuurlijke (clean-label) producten die lekker smaken en een goede prijs-kwaliteitverhouding hebben, vraagt om nieuwe oplossingen.

De natuurlijke diversiteit van micro-organismen is enorm en bacterieculturecollecties vormen een rijk reservoir aan waardevolle stammen die kunnen worden ingezet voor de productie van gezondheidsbevorderende en goed smakende voedingsmiddelen. En daar is steeds meer vraag naar. Recente technologische ontwikkelingen maken het nu mogelijk de natuurlijke microbiële diversiteit efficiënt te exploiteren.
Er zijn ten minste drie belangrijke marktfactoren die leiden tot specifieke eisen aan startercultures. Ten eerste is er de sterke groei van gefermenteerde functionele voedingsmiddelen. Voorbeelden zijn laag-vet, laag-suiker en laag-zout varianten van gefermenteerde producten zoals yoghurt en kaas. De uitdaging is om de sensorische kwaliteit van deze producten zoveel mogelijk overeen te laten komen met die van de oorspronkelijke varianten. De keuze van de juiste starterculture is mede bepalend voor zowel smaak- als structuureigenschappen en biedt dus mogelijkheden tot sturing. Een tweede belangrijk aspect is kostenreductie, een differentiërende factor in de markt voor verse kaasproducten. Hier is de industrie op zoek naar cultures die extreem snel verzuren. Ten slotte leiden demografische ontwikkelingen in de westerse wereld en ook de snelle industrialisatie van voedselproductie in opkomende markten tot de uitdaging om industriële fermentatieprocessen te ontwikkelen van plantaardige producten die voorheen langs artisinale weg werden ontwikkeld.

Waardevolle activiteiten
Oorspronkelijk zijn de meeste voedselfermentaties ontwikkeld met het doel de houdbaarheid van voedingsmiddelen te vergroten. Al vele tientallen jaren is bekend dat de startercultures die worden gebruikt in gefermenteerde producten sterk bepalend zijn voor de smaak- en textuurontwikkeling. Meer recentelijk is aangetoond dat een heel scala aan gezondheidbevorderende activiteiten geproduceerd kan worden. Hierbij kan het gaan om de productie van zogenaamde ‘nutraceuticals’ tijdens het fermentatieproces, zoals vitaminen. Daarnaast is er een sterke belangstelling voor probiotica: bacteriën die, mits levend geconsumeerd, aantoonbaar positieve effecten hebben op de weerstand of het spijsverteringskanaal.
Onderzoek in academische en industriële laboratoria over de hele wereld heeft belangrijk inzicht geleverd in de moleculaire basis van deze functionele eigenschappen van starterbacteriën [1]. Daardoor weten we nu bijvoorbeeld hoe geur- en smaakstoffen tot stand komen en er wordt in hoog tempo gewerkt aan de opheldering van de mechanismen die ten grondslag liggen aan probiotische activiteit.
Genoemde activiteiten worden niet in alle startercultures aangetroffen, en als ze wel aanwezig zijn varieert het absolute niveau vaak sterk tussen afzonderlijke cultures.

Natuurlijke diversiteit
De afgelopen decennia hebben de levenswetenschappen enkele belangrijke technologische ontwikkelingen laten zien. Met name de opkomst van genomica en verwante ‘high-throughput’-technieken hebben de wetenschap en industriële ontwikkelaars voorzien van waardevolle tools die voorgaande generaties voor onmogelijk hebben gehouden. De genetische analyse van enkele tientallen startercultures en (potentiële) probiotica laat tot op het hoogste detailniveau zien welke eigenschappen deze hebben. Dit heeft aan de basis gelegen van industriële innovaties variërend van intellectuele eigendomsrechten tot bijvoorbeeld de optimalisatie van productieprocessen die leiden tot aanmerkelijke kostenreductie.
Het aantal gepubliceerde genoomsequenties neemt snel toe en vergelijkende analyses van deze genomen heeft verrassende resultaten opgeleverd. Zo is nu duidelijk dat de verschillen in genoomopbouw en metabole capaciteiten enorm zijn, ook tussen nauw verwante bacteriën. Het is niet ongewoon dat bij stammen binnen één bacteriesoort in meer dan 20% van het DNA en de daarin gecodeerde genen verschillen worden aangetroffen. Dit is vele malen meer dan de verschillen die in hogere organismen, inclusief de mens, worden gevonden en waarbij de verschillen tussen individuen binnen één soort vaak kleiner zijn dan 0,1%. Zelfs tussen soorten, bijvoorbeeld tussen de mens en de chimpansee, is dit vaak slechts enkele procenten.
De verschillen in de genoomsamenstelling van cultures liggen aan de basis van de verschillende activiteitsprofielen. Succesvolle innovaties in de markt zijn mede afhankelijk van de selectie van de bacterie met het juiste activiteitsprofiel en dus de juiste genoomsamenstelling. De uitdaging is deze te vinden in collecties van honderden of duizenden stammen.

Nieuwe selectietechnieken
Het vinden van de beste stam in culturecollecties is soms zoeken naar een naald in een hooiberg. Het is vaak te kostbaar om vele testproducties te maken en deze te onderwerpen aan uitgebreide sensorische of analytische evaluaties. In een poging dit proces efficiënter te maken zijn er vele laboratoriumtesten ontwikkeld die heel specifiek één of enkele eigenschappen van een culture analyseren, bijvoorbeeld de productie van een specifiek aroma. Het nadeel van deze testen is dat ze vaak een beperkte voorspellende waarde hebben voor het gedrag in de complexe productomgeving van een gefermenteerd product. Dit wordt veel beter wanneer een test wordt uitgevoerd in een productmatrix en waarbij producteigenschappen direct worden gemeten. Een goed voorbeeld hiervan is het Microcheese® model, een technologie waarbij parallel honderden individuele kaasjes van 0,2 gram worden gemaakt. Door ieder kaasje met een andere culture te maken is het mogelijk om in zeer korte tijd honderden tot duizenden cultures te vergelijken. NIZO food research heeft deze beschermde technologie recentelijk binnen het Kluyver Centre for Genomics of Industrial Fermentation ontwikkeld. De kaasjes kunnen ook zeer snel worden geanalyseerd op bijvoorbeeld de aanwezige geur- en smaakstoffen. Hoewel deze technologie nog slechts een jaar in gebruik is, is nu al duidelijk dat het een zeer krachtige selectietechniek betreft en deze wordt inmiddels op meerdere plaatsen in de industrie ingezet. Het concept van de combinatie van slimme geminiaturiseerde fermentatiesystemen en snelle high-throughput analyses is zeer krachtig en toepasbaar in diverse productcategorieën.

Culturecollectie uitgebreid
Wanneer de technieken voor de selectie van cultures worden gekoppeld aan rijke en diverse culturecollecties ontstaat een krachtige combinatie. In samenwerking met de Belgische BCCM/LMG is de NIZO-culturecollectie uitgebreid met een duplicaat van een deel van de wereldberoemde LMG-collectie. Zo is een culturecollectie ontstaan die meer dan 3900 zeer diverse voedselbacteriën bevat. De stammen in de collectie behoren tot de genera Lactococcus, Lactobacillus, Leuconostoc, Bifidobacterium en Streptococcus en zijn alle toepasbaar in fermentatieprocessen. Deze stammen zijn geschikt voor gefermenteerde zuivelproducten zowel als plant-gebaseerde producten (wijn, groenten, fruit). Ook zijn diverse potentieel probiotische stammen in de collectie opgenomen. NIZO verzamelt stamspecifieke gegevens, zoals metabolische activiteit, productie van aromacomponenten of vitaminen, groeikarakteristieken of verzuringsprofielen in zijn database. Dit gebruiksvriendelijke datamanagement systeem maakt het mogelijk om doelgericht stammen te selecteren voor screeningsprogramma’s en relevante technologische data efficiënt over te dragen naar industriële partners.
De uitgebreide culturecollectie in combinatie met het geavanceerde screeningsplatform biedt de industrie unieke kansen om innovatieve gefermenteerde producten te ontwikkelen.

Reageer op dit artikel