Vezels en actieve stoffen van groenten en fruit nevenstromen voor voedings- en voedertoepassingen met volledige uitwerking van pectineproductie
Opportuniteit en probleemstelling
Vandaag produceert de voedingsindustrie grote hoeveelheden nevenstromen die ze vaak tegen betaling moeten laten afvoeren waarna ze hoogstens als veevoeder of als grondstof voor energieproductie via vergisting kunnen worden gebruikt. Een optimalisatie van de landbouwketen door een verlaging van deze tonnages ‘afval’ of de verkoop van deze nevenstromen als grondstof voor verdere verwerking verhoogt de rendabiliteit en competitiviteit van de voedingssector. Anderzijds staat de voedingsverwerkende industrie open voor innovatie en is ze momenteel op zoek naar natuurlijke grondstoffen ter vervanging van synthetische ingrediënten. Bijkomend wordt deze vraag naar alternatieve ingrediënten versterkt door stijgende grondstofprijzen. Het samenbrengen van complementaire partijen in dit project biedt oplossingen voor deze verschillende behoeften.
Het potentiëel van groenten en fuit nevenstromen is echter niet voldoende gekend. Een betere kennis over de samenstelling maakt het mogelijk de nevenstromen te waarderen en het potentieel te erkennen. Dit project is dan ook in eerste instantie gericht op de karakterisatie van belangrijke groenten en fruit nevenstromen op vlak van vezels, vitaminen, anti-oxidanten en mineralen. De kennis van de samenstelling zal gecombineerd worden met een literatuurstudie naar gezondheidsbevorderende eigenschappen en de resultaten van een bio-assay welke de effecten van consumptie van deze nevenstromen op de performantie van landbouwhuisdieren meet. Deze studie legt aldus de basis voor het uitbreiden van het productengamma door verwerking van nevenstromen met bijgevolg spreiding van het risico.
Essentiële voedingsstoffen zoals voedingsvezels, vitaminen, anti-oxidanten en mineralen worden voldoende ingenomen via een dieet van verse en gevarieerde voeding. Veranderende voedingsgewoonten echter creëeren mogelijke tekorten die nadelig zijn voor de gezondheid van de bevolking met bijhorend verhoogde kosten voor de gezondheidszorg. Zowel Europa als Vlaanderen willen inspelen op deze veranderende levensstijl en grotere vraag naar verwerkte producten door te streven naar innovatieve voedingsmiddelen met gezondheidsbevorderende eigenschappen (Witboek van de Vlaamse voedingsindustrie 2010). Omdat wordt aangenomen dat voedingsvezels een essentieel onderdeel vormen van ons Westers dieet, maar de dagelijkse inname van vezels veel lager is dan de hoeveelheid aanbevolen door de Hoge Gezondheidsraad (30 g/dag) (De Geeter et al., Nutrinews, 3, 19-23, 2009), ligt in NOWaste de nadruk op de ontwikkeling van innovatieve, vezelhoudende ingrediënten. Het winnen van de pectinefractie uit groenten en fruit nevenstromen in een duurzaam en economisch proces zal voor de valorisatie van de nevenstromen in detail uitgewerkt worden. Met oog op implementatie zal de technologische ontwikkeling ondersteund worden door een marktstudie en enkele opschalingseffecten tot een simulatie van de economie op industriële schaal. Door de resultaten te vergelijken met het huidige pectineproductieproces kan mogelijks het bestaande proces verbeterd worden.
Verwerkte voedingsproducten met hoog vezelgehalte die vandaag op markt zijn bevatten nagenoeg altijd gluten (uitzondering is Knorr Vie). Voor consumenten met gluten allergie is het moeilijk de aanbevolen dagelijkse hoeveelheid vezels in te nemen mits elke bron van vezels afkomstig van graanproducten vermeden dient te worden. Nieuwe verwerkte voedingsproducten met een glutenvrije bron van vezels zoals de pectinefractie van groenten en fruit nevenstromen, zouden het dieet en de gezondheid van deze consumenten ten goede komen. Omdat een gekende hoeveelheid vezel toegevoegd kan worden aan verwerkte voedingsproducten, kan volgens de Europese Verordening Nr. 1924/2006 mogelijk een claim “bron van vezels” of “vezelrijk” vermeld worden op de verpakking.
Inhoud voorgesteld onderzoek
Het project NOWaste (New Opportunities for Waste) zal in eerste instantie leiden tot kennisuitbreiding in zake de samenstelling van rest- en nevenstromen van de betrokken groenten en fruit verwerkende bedrijven wat de basis zal leggen voor mogelijkheden tot product diversificatie vanuit 1 grondstof. De kennis over de samenstelling zal worden gecombineerd met een literatuurstudie naar gezondheidsbevorderende eigenschappen om het potentieel van deze stromen voor verdere valorisatie in voeding, voeder en zelfs cosmetica of farmacie in te schatten. Deze theoretisch onderbouwde studie zal in praktijk getoest worden in een bio-assay waar het effect van de nevenstromen op de performantie van landbouwhuisdieren gemeten zal worden.
Op basis van vakliteratuur en de resultaten van de analyses zullen enkele nevenstromen geselecteerd worden als grondstof voor een mild extractieproces voor de productie van pectine. Om de competivitviteit van dit nieuw proces te evalueren zal het project aanvangen met een uitgebreide en gedetailleerde marktstudie. Na optimalisatie van de milde extractie zal een eerste opschaling en computer simulatie op industriële schaal de marktstudie met meer accurate parameters aanvullen. Dit zal vervolgens vergeleken worden met de huidige productiemethode van pectine uit citrus waardoor mogelijk verbeteringen van bestaande technologie voorgesteld kunnen worden. Daarnaast worden met oog op toepassingen in de voedingsindustrie de pectinestructuur en reologische eigenschappen van het extract bepaald, gerapporteerd en besproken.
Voor de grondstoffen en producten van het NOWaste project zal tevens de chemische en microbiële veiligheid en houdbaarheid geëvalueerd en gerapporteerd worden.
Werkpakketten
n WP 1 - Karakterisering nevenstromen
n DP 1.1 - Samenstelling van de grondstoffen
n DP 1.2 - Structuurbepaling pectinefractie
n DP 1.3 - Microbiologische stabiliteit nevenstromen
n DP 1.4 - Voedselveiligheid
n WP 2 - Optimalisatie milde extractie van pectines
n DP 2.1 - Optimalisatie milde voorbehandeling voor extractie
n DP 2.2 - Optimalisatie milde extractie van pectines
n DP 2.3 - Extractie-efficiëntie en karakterisering geëxtraheerde fractie
n DP 2.4 - Opschaling milde voorbehandeling en milde extractie
n DP 2.5 - Economische analyse via modellering van het proces op industriële schaal
n WP 3 - Eigenschappen eindproducten
n DP 3.1 - Chemische voedselveiligheid
n DP 3.2 - Microbiële voedselveiligheid en houdbaarheid
n DP 3.3 - Structuur en reologische eigenschappen van extract
n WP 4 – Marktstudie en wetgevend kader
Verwachte resultaten en toegevoegde waarde voor bedrijven
Voor de primaire producenten kan de rendabiliteit en competitiviteit verhogen doordat ze voor bepaalde groenten en fruit nevenstromen in plaats van kosten inkomsten kunnen verwerven. Deze inkomsten zullen voortvloeien door zelf nieuwe producten vanuit nevenstromen te produceren of door de verkoop van nevenstromen als grondstof voor nieuwe toepassingen.
Het project NOWaste zal leiden tot een duurzame verwerking en opwaardering van nevenstromen uit de agricultuur en groenten en fruit verwerking tot producten voor de voedingsindustrie, nl. pectine fracties. Doordat tevens het vitamine, mineraal-, totaal vezelgehalte en samenstelling van anti-oxidanten (polyfenolen en carotenoïden) van de biomassa gekarakteriseerd zullen worden, zal een basis gelegd worden voor de toekomstige productie van functionele ingrediënten voor de voedings- en voederindustrie en zullen potentiële grondstoffen voor de cosmetica en/of farmacie aangeduid worden. Naast karakterisatie zal een begeleidende literatuurstudie over de gezondheidsbevorderende eigenschappen en de resultaten van een bio-assay uitgevoerd op landbouwhuisdieren deze studie zowel theoretisch als praktisch ondersteunen.
Het project zal de volledige uitwerking en ontwikkeling van een mild proces voor het afzonderen van de pectinefractie uit groenten- en fruit nevenstromen omvatten om de basis te leggen voor een vezelrijk én glutenvrij voedingsingrediënt. De competitiviteit van het proces zal worden geëvalueerd door middel van een marktstudie en eerste opschaling. Met oog op implementatie zullen de gegevens uit deze studie gebruikt worden in een modellering van het proces op industriële schaal. Dit alles zal vergeleken worden met het huidige pectine productieproces vanuit citrus waardoor mogelijk verbeteringen van de bestaande technologie voorgesteld kunnen worden.
De grondstoffen en producten zullen geëvalueerd worden op houdbaarheid, chemische en microbiële voedselveiligheid zodat een snelle vermarkting verwezenlijkt kan worden. Ook het duurzaamheidaspect gekoppeld aan het gebruik van een ingrediënt ontwikkeld uit een anders verloren gegane nevenstroom kan gebruikt worden in de marketing van nieuwe producten en aldus imagowinst opleveren.
Naast evaluatie van de chemische en microbiële voedselveiligheid zullen tevens de reologische eigenschappen van de eindproducten onder standaard condities bepaald worden. Afhankelijk van deze resultaten kan enerzijds het product direct ingezet worden in voedingsmiddelen; anderzijds zal de structuurbepaling van de pectines leiden tot advies voor verder verwerking tot een product met gewenste geleringseigenschappen.
Doelgroepbedrijven
- Land- en tuinbouwsector
- Producenten van groenten en fruit rest- en nevenstromen
- Producenten van grondstoffen/ingrediënten voor voeding
- Producenten van grondstoffen/ingrediënten voor voeder
- Technologie leveranciers
Projectbudget
Projectbudget: 295.735 Euro
Personeelsbezetting: 1.69 VTE
Duur: 2 jaar
Uitvoerders
De unit Milieuanalyse en –techniek (MANT) van VITO heeft een jarenlange expertise opgebouwd in bemonsterings-, voorbehandelings- en analysemethoden van allerhande organische en anorganische verbindingen in een diversiteit van matrices. Specifiek voor voeding heeft zich dit in het verleden hoofdzakelijk vertaald in de ontwikkeling en validatie van analysemethoden in het kader van voedselveiligheid. Voor een groot aantal van deze analysen beschikt VITO over een ISO 17025 (BELAC) accreditatie.De focus van het Laboratorium voor Levensmiddelentechnologie aan KULeuven is het begrijpen en kwantificeren van de relatie tussen procesvoering en functionele eigenschappen van levensmiddelensystemen. De verworven inzichten worden aangewend ten voordele van het ontwerp en de optimalisatie van levensmiddelenproducten en –processen. De bestudeerde technologieën omvatten conventionele structuurvormende en conserverende eenheidsbewerkingen zoals thermische procesvoering, koelen en vriezen, evenals nieuwe procestechnieken zoals hogedruk/thermische behandelingen, hogedrukgeassisteerde fasetransities, hogedrukhomogenisatie en het gebruik van gepulseerde hoogspanning. We richten ons op functionele eigenschappen die van technologisch, organoleptisch en nutritioneel belang zijn en die gerelateerd zijn aan (bio)chemische en fysische veranderingen in levensmiddelensystemen tijdens verwerking. De belangrijkste onderzoeksvragen hebben betrekking op (i) de creatie en bewaring van levensmiddelenstructuur, (ii) gezondheidsfunctionaliteit in termen van inhoud en biotoegankelijkheid van gezondheidsgerelateerde componenten en de relatie tussen veranderingen in biotoegankelijkheid en structurele veranderingen, (iii) fysische eigenschappen en stabiliteit en (iv) de ontwikkeling van methodes voor impactevaluatie via zowel profiling methodes als analyses van gerichte componenten. De onderzoeksbenadering integreert in situ en ex situ kwantitatieve methodologieën en focust op kinetica en reactiemechanismen als basis voor predictieve modellen en indicatoren voor procesimpactevaluatie. De generische methodologieën kunnen worden toegepast op verschillende types levensmiddelensystemen en bijgevolg in verschillende sectoren. In het recente verleden lag de nadruk vooral op (i) groente- en fruitgebaseerde systemen met speciale aandacht voor pectineconversies tijdens procesvoering, (ii) veranderingen in nutriënten en hun biotoegankelijkheid (o.a. Vit C, folaten, anthocyanen en carotenoïden) en (iii) procesimpactevaluatie van nieuwe technologieën (procesgeïnduceerde contaminanten en GC-MS-gebaseerde fingerprinting).
Daar waar in het verleden vooral gekeken werd naar voedselveiligheid, ligt de huidige focus sterk op voedselkwaliteit. Onderzoek is dan ook gericht op de ontwikkeling en validatie van analysemethoden voor gezondheidsbevorderende componenten, waaronder vetzuren, vitamines, carotenoïden, flavonoïden en fenolische zuren. Het analyse platform dat in VITO ontwikkeld werd voor de karakterisering van biomassa bestaat onder andere uit een MS-am-UPLC instrument waarbij de verwerking van de resultaten gebeurt op basis van een database met biologisch actieve componenten. Dit laat toe de groenten en fruit nevenstromen van het project efficiënt te analyseren. Voor de bepaling van het totale vezelgehalte zal de AOAC 2009.01 methode toegepast worden met behulp van chromatografische en enzymatisch-gravimetrische methoden. Het laboratorium beschikt tevens over een uitgebreid analytisch instrumentarium, bestaande uit zowel routinematige als meer geavanceerde technieken. De expertise in analysen in het kader van voedselveiligheid en –kwaliteit evenals het up-to-date instrumentarium zal zeker bijdragen tot het welslagen van het NOWaste project.
De unit Scheidings- en –conversietechnologie (SCT) van VITO heeft een jarenlange expertise opgebouwd in de extractie van stoffen uit vaste grondstoffen, ondermeer voor voeding, en het gebruik van scheidingstechnologie om stoffen te isoleren uit waterige en solventstromen. Dit omvat in het bijzonder expertise op vlak van extractie met superkritisch CO2 om vetoplosbare stoffen solventvrij te kunnen extraheren bij milde condities, maar ook op vlak van extractie met milieuvriendelijkere en/of minder toxische oplosmiddelen, zoals bv ethanol, ethylacetaat... De groep heeft specifieke ervaring en uitgebreide reactorfaciliteiten om waterige extracties bij zeer uiteenlopende procesomstandigheden uit te voeren, en heeft verschillende ontsluitingstechnieken (fysisch, enzymatisch) ter beschikking om de extractie te bevorderen. Daarnaast beschikt het over uitgebreide faciliteiten om de (waterige) extractievloeistof verder op te zuiveren en eventuele afscheiding van de laag en hoogmoleculaire stoffen te realiseren door middel van membraanscheiding en/of gecombineerd met adsorptie.
SCT heeft op laboratoriumschaal reactoren tot op literschaal ter beschikking die ingezet kunnen worden in het NOWaste Flanders’ FOOD project. Daarnaast is in het consortium van de geïnteresseerde bedrijven expertise aanwezig om de haalbaarheid van de extracties op grote schaal te evalueren. VITO heeft ook softwaretools (Chemcad) ter beschikking om energie- en massabalansen van het proces op te stellen in het kader van een economische evaluatie. SCT heeft in het bijzonder ervaring met de extractie van uiteenlopende stoffen waaronder vetten, vetzuren, polyfenolen,… uit verscheidene grondstoffen die uitgevoerd werden in het kader van eigen strategisch onderzoek alsook voor derden in bilaterale projecten.
De eenheid Technologie en Voeding (T&V) van het ILVO heeft gedurende de voorbije decennia een uitgebreide expertise en infrastructuur opgebouwd die kan ingezet worden voor het realiseren van innovaties in de voedingsindustrie. In het verleden waren de activiteiten vooral gericht naar de zuivelindustrie. Op dit moment werkt ILVO T&V samen met Flanders’ FOOD aan de verdere uitbouw en vernieuwing van zijn pilootfabriek ten dienste van de Vlaamse voedingsindustrie. Door het nieuwe investeringsproject zal de activiteit verbreed worden naar de hele voedingsindustrie, met o.a. aandacht voor de verwerking van groenten en fruit. Binnen ILVO T&V is er ervaring met het volledige proces van innovatie: van basisonderzoek (o.a. lopende doctoraten, waarvan één op appelpitfruit en één op prei) over toegepast onderzoek tot productontwikkeling op labo- en pilootschaal met inclusief mogelijkheid tot sensorische evaluatie. Naast de activiteiten in de pilootfabriek is ILVO reeds jaren actief op vlak van microbiologische en chemische veiligheid. In hun onderzoeken wordt niet enkele gestreefd naar meer efficiënte methoden voor detectie, maar tevens naar de bestrijding van pathogenen.
ILVO T&V was reeds in het verleden betrokken bij diverse FF projecten. Daarnaast heeft het zijn onderzoekscapaciteit en uitgebreide pilootinfrastructuur ook kunnen exploiteren in bilaterale samenwerkingen; dit zowel met grote bedrijven in het kader van IWT O&O projecten als met kleinere bedrijven (bv. ontwikkeling van Dorure voor bakkersbedrijf). Daarnaast zijn er nog talrijke andere projecten lopende met een diversiteit aan klanten, niet alleen uit de food, maar ook voederbedrijven, verpakkingsbedrijven en andere non-food spelers. Samengevat kan gesteld worden dat ILVO T&V beschikt over infrastructuur, onderzoekscapaciteit en expertise die zal bijdragen tot het welslagen van het NOWaste project, in het bijzonder in werkpakketten 1 en 3 van het project.
