Extractie en fermentatie van nevenstromen: 2 voor de prijs van 1

Tijdens de verwerking van landbouwgrondstoffen tot voeding ontstaan diverse nevenstromen die momenteel nog vaak ingezet worden als veevoeder, voor de opwekking van bio-energie of voor compostering. Maar deze nevenstromen zijn ook nog een bron van macronutriënten zoals suikers, eiwitten en vetten en zijn vaak rijk aan micronutriënten zoals polyfenolen en carotenoïden. Voedingsbedrijven zijn op zoek om hun nevenstromen zo optimaal mogelijk te valoriseren, bij voorkeur richting voeding. De cascade van waardebehoud is hierbij belangrijk (zie artikel ‘Plantaardige reststromen: haal eruit wat erin zit’). Bedrijven zetten dan ook vaker in op hoogwaardige valorisatie van nevenstromen.

Model2Bio

In het Model2Bio project zochten onderzoekers van Celabor, Wageningen University & Research en Ceit naar een gecombineerde valorisatie: eerst extractie van macro- of micronutriënten en daarna aerobe of anaerobe fermentatie van de reststroom (Afbeelding 1). Nevenstromen uit verschillende sectoren (aardappel, groenten, zuivel, wijn en bier) werden eerst op laboschaal onderzocht en de meest veelbelovende routes werden daarna verder getest op pilootschaal. Een overzicht van deze routes wordt gegeven in onderstaande tabel.

Extractie van eiwit of secundaire plantenmetabolieten

Nevenstromen zoals kaaswei en bierdraf bevatten nog veel eiwit. Opgelost eiwit in de kaaswei werd afgescheiden met membraanfiltratie (cut-off molecuulgewicht 5 kDa). Het eiwit van bierdraf werd klassiek geëxtraheerd met een alkalisch solvent en verder aangerijkt door membraanfiltratie (cut-off molecuulgewicht 50 kDa), zure precipitatie en droging. Zo was het eiwitgehalte in het droog extract uit bierdraf ongeveer 46%.

Nevenstromen afkomstig van groenten en fruit zijn rijk aan polyfenolen met een anti-oxidatieve werking of glycoalkaloïden met een vraatwerende werking. Deze secundaire plantenmetabolieten werden geëxtraheerd door koude extractie met een hydro-alcoholisch solvent (ethanol 50%). Dit extractieproces wordt ook wel maceratie genoemd. Secundaire metabolieten zijn in lage concentratie aanwezig in de plant en dus ook in het extract, zodat een concentratiestap nodig is. Hiervoor werd een adsorptiehars (Amberlite XAD-7) gebruikt met als resultaat een extract aangerijkt met polyfenolen of glycoalkaloïden.

Fermentatie van reststroom na extractie

Na extractie van het eiwit of de secundaire metabolieten blijft er nog een reststroom over, vaak rijk aan overgebleven suikers die een uitstekend substraat zijn voor aerobe of anaerobe fermentatie. Zo werd de reststroom van bierdraf opgewerkt via aerobe fermentatie tot eiwitrijke schimmels (Pleurotis ostreatus of Trametes versicolor). Wijndruivenpulp werd nogmaals geperst met een schroefpers en gescheiden in een vezelfractie (voor extractie polyfenolen) en een suikerrijke vloeibare fractie. Deze vloeibare fractie werd verder gebruikt voor de aerobe fermentatie tot erythritol, een caloriearme zoetstof en suikervervanger, met behulp van een schimmel (Moniliella pollinis). De productie van erythritol was ongeveer 0,5 g/L per uur.

De reststroom van de kaaswei bleek een uitstekend substraat voor de groei van de gist Cutaneotrichosporon oleaginosus, rijk aan olie met meer dan 50% onverzadigde vetzuren en een mogelijk alternatief voor palmolie. Met anaerobe fermentatie werden vluchtige vetzuren verkregen uit de reststromen van kaaswei en aardappelstoomschillen.

Om bacteriële groei te vermijden in de aerobe fermentaties was het nodig om de reststromen na extractie te steriliseren, vooraleer een startercultuur van schimmels of gist toe te voegen. Vaak was neutralisatie van pH nodig voor een goede schimmelgroei. Voor de anaerobe fermentaties werden de reststromen niet gesteriliseerd. 

Geïntegreerd proces van extractie en fermentatie

Deze voorbeelden tonen aan dat een geïntegreerd proces van extractie en fermentatie meerdere producten kan opleveren, die gebruikt kunnen worden als voedingsingrediënt, maar ook kunnen ingezet worden in andere toepassingen voor bijvoorbeeld farmacie, cosmetica of als biologische gewasbescherming (in het geval van glycoalkaloïden). Ze tonen extra mogelijkheden voor een meer hoogwaardige valorisatie van nevenstromen dan rechtstreeks gebruik als dierenvoeder. Zo worden nevenstromen van de agrovoedingsindustrie een volwaardige grondstof voor een circulaire bio-economie.

Bron(nen):

Di Fidio N., Minonne F., Antonetti C., Raspolli Galletti A.M. (2021). Cutaneotrichosporon oleaginosus: a versatile whole-cell biocatalyst for the production of single-cell oil from agro-industrial wastes. Catalysts 11: 1291.