Fermentacja biomasy i fermentacja precyzyjna implikacje dla branży pet food

Tekst: Joanna Zarzyńska

W odróżnieniu od tradycyjnych procesów fermentacyjnych (np. produkcja jogurtu czy piwa) precyzyjna fermentacja projektuje lub wykorzystuje mikroorganizmy tak, aby one wytwarzały konkretny produkt o z góry określonych cechach. Ta kategoria obejmuje zarówno produkcję „biomasy białkowej” (ang. single-cell protein, SCP), jak i biosyntezę pojedynczych składników
(np. białek mleka czy hemu nadającego „mięsny” aromat). W praktyce stosuje się szerokie spektrum szczepów – bakterie (np. Methylococcus, inne bakterie metanotroficzne), drożdże przemysłowe (Saccharomyces, Pichia), grzyby filamentowe (np. Fusarium) oraz mikroalgi. Wybór zależy od celu: produkcji biomasy wysokobiałkowej, syntezy konkretnego białka funkcyjnego czy metabolitów.

Czym się różnią procesy fermentacji?

Fermentacja biomasy (ang. biomass fermentation, SCP) to proces, którego celem jest namnażanie biomasy mikroorganizmów o wysokiej zawartości białka. Dalej mikroorganizmy są inaktywowane, a suszone białko może być wykorzystane jako składnik do produkcji żywności czy pasz. Przykłady: bakterie przetwarzające gaz na białko czy grzyby Fusarium venenatum, z których powstaje mykoproteina (np. Quorn – substytut mięsa, mykoproteina jest też stosowana w karmach dla psów i kotów) oraz inne biomasy drożdżowe. Biomasa może zawierać >60% białka, ma pełny profil aminokwasowy oraz dobre właściwości technologiczne.

Fermentację precyzyjną (ang. precision fermentation) wykorzystuje się do biosyntezy składników. Czyli mikroorganizmy (czasem genetycznie modyfikowane) stają się biofabryką i syntetyzują określone białka (np. kazeina, albuminy), enzymy lub aromaty, które następnie są oczyszczane. Zwykle stosowane są jako składnik funkcjonalny w niższych koncentracjach niż SCP.

Jeśli w procesie użyto organizmów modyfikowanych genetycznie (GMM), standardem jest skuteczna inaktywacja (np. UHT) i procedury potwierdzające, że w końcowym produkcie nie ma żywych mikroorganizmów ani pozostałości wektorów. W przypadku biomasy stosuje się deklaracje o braku żywych kultur i testy PCR.

Regulacje prawne

W Unii Europejskiej składniki wytworzone tymi metodami zwykle kwalifikowane są jako „nowa żywność” (ang. novel food) i podlegają ocenie EFSA zgodnie z Rozporządzeniem (UE) 2015/2283. Zakres i metodologia oceny zależą od natury produktu (biomasa vs oczyszczony białkowy składnik), obecności GMM i planowanego zastosowania (żywność dla ludzi vs pasza/ karma dla zwierząt). W praktyce wymogi obejmują kompleksowe dane toksykologiczne, oceny alergenowości i dowody technologiczne. W USA firmy produkujące składniki na bazie fermentacji wybierają zgłoszenia GRAS dla swoich produktów.

Czy taka produkcja daje korzyści dla środowiska?

Dla skali przemysłowej niezbędne są duże inwestycje kapitałowe. Zmniejszenie kosztów wymaga innowacji w bioprocesie, skalowaniu i wykorzystaniu tanich strumieni odpadowych.

Podkreślane są korzyści dla środowiska w porównaniu z produkcją zwierzęcą. Są to niższe zapotrzebowanie na grunt, krótszy cykl produkcji, możliwość wykorzystania tanich substratów (gaz ziemny/ CO₂, odpady organiczne) oraz znaczne zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych w porównaniu z hodowlą zwierząt w niektórych scenariuszach LCA. Modele energetyczno-geograficzne sugerują, że przy zastosowaniu energii odnawialnej i skalowalnych platform (np. produkcja SCP z CO₂ + H₂ z OZE) możliwe jest wytworzenie dziesiątek milionów ton białka rocznie do 2050 r., co mogłoby istotnie odciążyć rolnictwo konwencjonalne. Analizy LCA wskazują, że SCP oparte na biogazie czy CO₂/H₂ z OZE mogą redukować emisje gazów cieplarnianych nawet o 60–80% w porównaniu z mięsem drobiowym czy z ryb. Dodatkowo oszczędność powierzchni ziemi jest radykalna – produkcja SCP wymaga nawet 90% mniej gruntu niż uprawa soi. Technologia ma duży potencjał do zmiany źródeł białka w żywieniu ludzi i zwierząt, ale skala transformacji zależy od: dalszych badań bezpieczeństwa, optymalizacji kosztów, akceptacji konsumentów i jasnych ram regulacji prawnych. Należy pamiętać, że precyzyjnie fermentowane składniki wymagają często bardziej energochłonnych etapów oczyszczania.

Przykłady zastosowań w żywności dla ludzi i karmach dla zwierząt

Komercyjne przykłady zastosowań w żywieniu obejmują enzymy do serowarstwa (chymozyna), białka mleka produkowane przez mikroorganizmy (np. Perfect Day) oraz hem używany jako dodatek smakowy. Rośnie liczba zgłoszeń do EFSA nowych białek mlecznych.

Komercyjnym przykładem zastosowań w karmach dla zwierząt jest otrzymane z biomasy bakteryjnej białko FeedKind, które można już znaleźć w produktach na rynku. FeedKind jest w pełni zatwierdzony do stosowania w paszach dla zwierząt w Europie, zgodnie z katalogiem pasz UE. W paragrafie 12.1.13 opisano wszystkie dozwolone szczepy, w tym bakterie metanotroficzne. Wyniki z badań nad tym składnikiem zostały opublikowane¹. Badanie obejmowało 32 dorosłe psy beagle (16 samców, 16 samic). Po miesiącu żywienia kontrolnego psy otrzymywały przez sześć miesięcy diety zawierające 0, 4, 6 lub 8% białka pochodzącego z Methylococcus capsulatus (FeedKind^®), po czym nastąpił dwumiesięczny okres odstawienia. Psy utrzymały masę ciała i prawidłowy BCS przez cały okres badania; nie stwierdzono efektów długoterminowo negatywnych na wzrost czy kondycję. Białko wykazało wysoką strawność (ATTD białka i energii >80%; tłuszcz >90%) i nie wywołało trwałych zaburzeń hematologicznych ani metabolicznych.

Stwierdzono pozytywną zmianę mikrobiomu (dominacja Firmicutes), postbiotyczne efekty wspierające układ odpornościowy oraz brak reakcji alergicznych podczas badania. FeedKind^® to biomasa oparta głównie na metanotroficznej bakterii Methylococcus capsulatus
(ok. 90% biomasy) – produkt powstaje w procesie fermentacji gazowej (wzrost na metanie), następnie biomasa jest poddawana odwirowaniu/ koncentracji, inaktywacji cieplnej (UHT) i suszeniu natryskowemu. Według autorów w końcowej biomasie nie występują pozostałości podłoża. FeedKind charakteryzuje się wysoką zawartością białka (>65% w surowcu) oraz korzystnym profilem aminokwasowym. FeedKind powstaje w procesie SCP, który wymaga szczegółowego monitoringu profilu minerałów (np. Cu), składników ściany komórkowej (mogących modulować układ immunologiczny) oraz ewentualnych związków drobnocząsteczkowych (np. puryn).

Branża petfood może szybciej adoptować SCP i niektóre produkty z precyzyjnej fermentacji. Opiekunowie zaznajomieni są z tematem alternatywnych białek. Badania rynkowe wskazują, że ponad 40% konsumentów karm premium w Europie i USA oczekuje bardziej zrównoważonych źródeł białka w karmach.

Regulacje prawne są mniej restrykcyjne niż dla żywności ludzi – składniki fermentacyjne w karmach dla zwierząt domowych podlegają w UE i USA ocenie bezpieczeństwa, ale proces wprowadzania bywa krótszy niż w przypadku novel food. To jednak nie oznacza, że przyszli producenci nie powinni zwracać uwagi na funkcjonalność i bezpieczeństwo – opiekunowie zwierząt są przecież bardzo rygorystyczni w odniesieniu do zapewnienia zdrowia pupili oraz transparentności etykietowania karm.

Wskazuje się, że SCP poprawiają strukturę granuli karm suchych, mogą pełnić funkcję stabilizatora w karmach mokrych (właściwości emulgujące) i zmniejszać udział białka zwierzęcego bez utraty smakowitości. Badania jak do tej pory przeprowadzano na psach, konieczne są badania u kotów (choćby ze względu na ich wymagania co do tauryny).