FLANDERS' FOOD RADAR

Fundamenteel onderzoek maakt procesoptimalisatie mogelijk in de suikerindustrie

Eén enkele extremofiele bacterie, Tetragenococcus halophilus, blijkt verantwoordelijk te zijn voor de microbiële degradatie van suiker diksap, het geconcentreerde tussenproduct net voor de kristallisatie tot commercieel suiker. Dit concludeert Annelies Justé in haar doctoraatsonderzoek uitgevoerd in samenwerking met KULeuven, Scientia Terrae Research Institute en het De Nayer Instituut.

Suikerbieten (Beta vulgaris L.) zijn een belangrijk gewas in Europa en België neemt hier met een nationale productie van 0.8% van de wereldproductie een behoorlijke positie in. Bieten zijn éénjarige planten die 25-40 cm diep in de grond groeien, waarna ze verwerkt worden tot suiker in een industrieel raffinageproces. De opeenvolgende stappen in de raffinage omvatten het oogsten, wassen, extractie van sucrose, opzuivering, evaporatie en uiteindelijk kristallisatie (Figuur 1).


Figuur 1: Flow chart van de verschillende stappen in de raffinage van suikerbieten tot suiker.

Suiker diksap is het geconcentreerde tussenproduct net voor de kristallisatie tot commercieel suiker. Verschillende suikerraffinaderijen stockeren diksap gedurende drie tot negen maanden. De capaciteit van de raffinaderijen laat niet toe om al het diksap onmiddellijk te verwerken. Bovendien produceren ze liefst continu zodat het kostelijk opstarten van het kristallisatieproces vermeden wordt. Tot nog toe was enkel de observatie van het fenomeen welgekend, namelijk willekeurige degradatie van het waardevolle diksap, ongeacht good storage practices, ten gevolge van microbiële activiteit. De meest opvallende symptomen zijn een daling van de pH van pH 9 tot 5-6 en een stijging van de concentratie reducerende suikers glucose en fructose door microbiële groei, met als resultaat financiële verliezen die gemakkelijk tot 1% van de winst kunnen bedragen.

Het uitgevoerde doctoraatsonderzoek was een samenwerking tussen de KULeuven, Scientia Terrae Research Institute, het De Nayer Instituut en het IWT enerzijds, en de industriële partners Südzucker en de Tiense Suikerraffinaderij anderzijds. Vier jaar onderzoek resulteerde in een doorbraak voor de diksapstockage met enkele belangrijke conclusies:

Het suikerverlies tijdens opslag van de vloeibare suikersiroop wordt veroorzaakt door één dominante extremofiele bacterie, met name door Tetragenococcus halophilus. Deze oorspronkelijk halofiele bacterie is geen onbekende in de voedingsindustrie en werd reeds geassocieerd met de productie van sojasaus, gezouten ansjovis, Turkse kaas,… Echter, deze bacterie werd tot nog toe enkel in zoute media geïsoleerd. T. halophilus kan zowel sucrose, glucose als fructose consumeren en produceert hieruit voornamelijk melkzuur. De gekende symptomen van diksapdegradatie zoals de pH daling en stijging van reducerende suikers kunnen verklaard worden door de groei van T. halophilus.

Met behulp van zowel pilootschaal- als laboratoriumexperimenten (Figuur 2), werd het belang van de huidige ‘good storage practices’ statistisch onderbouwd. Diksap wordt het best bewaard bij een initieel hoge Brixindex (droge stof) van 69°Bx, een lage temperatuur en een zo hoog mogelijke pH zonder het maximum van 9.5 te overschrijden. Een te hoge pH resulteert immers in een achteruitgang van zowel de opbrengst als de kwaliteit van het suiker. Bovendien werd aangetoond dat dominantie van T. halophilus degradatie kàn veroorzaken, maar niet noodzakelijk deze nefaste gevolgen heeft. Onder sommige omstandigheden produceert eenzelfde dominante populatie T. halophilus geen melkzuur en wordt er ook geen stijging van reducerende suikers opgemeten. Lage temperatuur en hoge Brixindex blijken de geschikte combinatie om de typische melkzuurproductie te vermijden. Momenteel is de rationale van dit fenotypisch verschillende gedrag van eenzelfde stam onder variërende diksapcondities nog niet duidelijk, maar zonder twijfel is een dominante populatie van 106 kve/ml niet ideaal voor stabiele opslag van de waardevolle suikersiroop.

In tegenstelling tot bepaalde fermentaties waar deze bacterie bewust wordt toegevoegd, is de oorsprong van T. halophilus in diksap momenteel nog een vraagteken. Opmerkelijk is echter dat alle andere diksapflora zoals Staphylococcus spp., Bacillus spp. en andere, eveneens voorkomen in de omgevingslucht. Bovendien zijn de industriële tanken bovenaan voorzien van een mangat, zodat een uitwisseling van de luchtflora met het diksap op zijn minst aannemelijk is. Installatie van een luchtfilter boven aan de tank kan bijgevolg mogelijk het fenomeen van diksapdegradatie beperken of verhinderen.

Figuur 2: Pilootschaal- en laboratoriumexperiment voor het opvolgen van diksapstockage

Meer gedetailleerde informatie vindt u in volgende wetenschappelijke artikels:

  • Justé, A., Krause, M.S., Lievens, B., Klingeberg, M., Michiels, C.W. and Willems, K.A., 2008a. Protective effect of hop β-acids on microbial degradation of thick juice during storage. J. Appl. Microbiol. 104, 51–59.
  • Justé, A., Lievens, B., Klingeberg, M., Michiels, C.W., Marsh, T.L. and Willems, K.A., 2008b. Predominance of Tetragenococcus halophilus as the cause for sugar thick juice degradation. Food Microbiol. 25, 413-421.
  • Justé, A., Lievens, B., Frans, I., Klingeberg, M., Michiels, C.W., Marsh, T.L. and Willems, K.A., 2008c. Development of a DNA macroarray for monitoring microbial population dynamics during sugar thick juice storage. Communications in Agricultural and Applied Biological Sciences. Ghent University, 73(1), 1-6.
  • Justé, A., Lievens, B., Frans, I., Klingeberg, M., Michiels, C.W. and Willems, K.A., 2008d. Present knowledge of the bacterial microflora in the extreme environment of sugar thick juice. Food Microbiol. doi:10.1016/j.fm.2008.04.010.
  • Justé, A., Thomma, B.P.H.J. and Lievens, B., 2008e. Recent advances in molecular techniques to study microbial communities in food-associated matrices and processes. Food Microbiol. Doi:10.1016.j.fm.2008.04.009.
  • Justé, A., Lievens, B., Frans, I., Klingeberg, M., Marsh, T.L., Michiels, C.W. and Willems, K.A., 2008f. Genetic and physiological diversity of Tetragenococcus halophilusstrains isolated from sugar- and salt-rich environments. Microbiology. In Press.

Nuttige links