KE 3/2014, s. 28: Raaka-aineita reaktorista

Elintarvikeraaka-aineiden tuotanto on murrosvaiheessa. Viime aikoina on keskusteltu keinolihasta, mutta myös muut biotekniikan keinoin tuotettavat raaka-aineet tekevät tuloaan. Joitakin raaka-aineita tuotetaan jo suuria määriä reaktoreilla.

Mahdollisuudet ovat lähes mielikuvitukselliset: kasvimassaa, kasviproteiinia, eläinproteiinia, rasvoja, makeutusaineita, aromeja ja värejä. Useat tuotantoideat ovat vanhoja, esimerkiksi sitruunahappoa on tuotettu bioteknisesti pian sata vuotta ja keinolihaa pohdittiin jo 70 vuotta sitten, aromeja on valmistettu 1950-luvulta lähtien. Geenitekniikka antaa mikrobien avulla tuotettaville raaka-aineille vielä suuremmat mahdollisuudet.

Aromeja, värejä, entsyymejä, makeuttajia…

Benzaldehydin ja vanilliinin eristämisen ja identifioinnin jälkeen (1837 ja 1874) aromien käyttö elintarvikkeissa ja kosmetiikassa on kasvanut moninkertaiseksi. Näitä kahta käytetään paljon. Molempia voidaan valmistaa bioteknisesti (taulukko). Kun mikrobien tuottamille aromeille annettiin sekä EU:ssa että USA:ssa lainsäädännöllä luontainen status, niiden tuotanto ja käyttö ovat kasvaneet nopeasti.

Aromiainetuottajia on löydetty muun muassa useista meijeriteollisuuden hapatekannoista. Hyvä maitohapon tuottajamikrobi tuottaa myös diasetyylia, joka on voin maun pääkomponentti.

Aromiaine- ja hajusteteollisuuden liikevaihdoksi arvioitiin kymmenen miljardia USA:n dollaria jo 1990-luvun puolivälissä. Vuonna 2012 liikevaihto oli 16,6 miljardia ja sen arvioidaan ylittävän 20 miljardia dollaria vuonna 2017 (Krings & Berger 1998, Galbraith 2013).

Bioteknisesti tuotetut aromit hyväksytään myös luomutuotteissa. Käyttömäärät ovat yleensä niin pieniä, että ne eivät ylitä viittä prosenttia tuotteen kokonaispainosta. Luomutuotteessa saa olla tämä määrä tavanomaisestikin tuotettua raaka-ainetta.

Entsyymien tuotannossa biotekniikalla on vakiintunut asema. Lähes kaikki teollisuuden käyttämät entsyymit, kuten amylaasit, ksylanaasit ja pektinaasit, ovat käymisteknisesti valmistettuja.

Vanilliinia sivuvirroista

Vanilliini on käytetyimpiä aromiaineita elintarvike-, juoma-, lääke- ja kosmetiikkateollisuudessa. Vain murto-osa (noin 0,2 %) on peräisin aidosta vaniljakasvista. Vanilliinia tuotetaan guajakolista kemiallisella reaktiolla yli 10 000 tonnia vuodessa. Synteettinen kemiallinen vanilliini on 300 kertaa edullisempaa kuin vastaava vaniljakasvin siemenkodista eristetty. Bioteknisestä vaniljasta ja vanilliinista ennakoidaan tuotantokustannuksiltaan vieläkin halvempaa.

Vanilliinia voidaan valmistaa puiden sisältämästä ligniinistä sekä kemiallisesti että bioteknisesti. Biotekninen valmistus tarjoaa useita etuja synteettiseen verrattuna. Esimerkiksi se ei ole riippuvainen maatalouden satovaihteluista tai tuottajamaiden poliittisesta epävakaudesta. Raaka-aineketjulla pelaaminen estyy, kun prosessin lähtöaineet, reaktoriin syötettävä mikrobien ruoka, on useimmiten yksinkertaista, kaikkialla saatavilla olevaa (Krings & Berger 1998).

Mikrobit tarvitsevat vain hiili- ja typpilähteen sekä ravintosuoloja elääkseen ja tuottaakseen haluttuja aineita. Hiililähteenä mikrobit suosivat nopeasti hyödynnettäviä sokereita, esimerkiksi sakkaroosia. Typpilähde voi yksinkertaisimmillaan olla ammoniakkivesi tai jokin ammoniumsuola. Sokeriteollisuuden sivuvirta melassi on paljon käytetty käymisteollisuuden raaka-aine.

Maamme metsäteollisuudessa tehtiin 1970-luvulla vanilliinin valmistukseen liittyvää tutkimusta, kokeiluja ja saatiin jopa patenttejakin, mutta ne eivät silloisessa markkina- ja kilpailutilanteessa johtaneet tuotantoon (Ahonen 2013). Norjalainen Borregaard AS valmistaa vanilliinia juuri sulfiittisellun keittoliemestä, mitä Suomessakin kokeiltiin. Menetelmä tosin on kemiallinen.

Sitruunat sisältävät sitruunahappoa 7−9 prosenttia. Happoa eristettiin mehusta vuoteen 1919 saakka, jolloin Belgiassa käynnistettiin ensimmäinen Aspergillus niger -homeeseen perustuva käymistekninen tehdas. Sen jälkeen on löydetty useita muitakin sitruunahappoa tuottavia homeita (esimerkiksi Penicillium, Trichoderma, Candida ja Pichia), mutta A. niger on säilynyt päätuotantomikrobina sen hyvän tuotantokyvyn ja sivutuotteiden vähäisyyden vuoksi.

Maitohappoa tuotetaan nimensä mukaisesti maitohappobakteereilla, glutamaattia ja lysiiniä tuotetaan esimerkiksi Corynebacterium -suvun mikrobeilla (Belen et al. 2010).
Karoteinoidit ovat yleisimmät bioteknisesti tuotetut elintarvikevärit. Maailmanmarkkinan on arvioitu olevan 1,4 miljardia USA:n dollaria (Mata-Gomez 2010). Safram on maailman kallein mauste (1500 USD/kg). Sen maailmanmarkkinoiden arvioidaan olevan vähän vajaa 500 miljoonaa dollaria. Sveitsiläinen Evolva-yhtiö selvittää saframin ja vaniljan valmistamista bioteknisesti. Yhtiön mukaan markkinat voisivat jopa kaksinkertaistua uuden tuotantomenetelmän myötä. Yritys tutkii hiivoihin perustuvaa prosessia.
Stevia, tai oikeammin kasvin makea yhdiste stevioliglykosidi valloitti keinomakeuttajamarkkinat muutama vuosi sitten. Makeuttaja voidaan eristää kasvista tai sitä voidaan tuottaa puhtaana bioteknisesti. Stevioliglykosidin bioteknistä valmistusta tutkivat Evolva ja Cargill Kööpenhaminassa. Yrityksillä on monta patenttia aiheesta. Maailman makeuttajamarkkinat ovat noin 60 miljardia USD, josta sokerin osuus on 85 prosenttia (Anon 2014).

Yksisoluproteiinia ja lihaa

Hiivojen tuottamaa yksisoluproteiinia on pitkään pohdittu ratkaisuna maailman proteiinipulaan. Sodan aikana monessa suomalaisessa sulfiittisellutehtaassa tuotettiin Candida albicans-hiivalla (tuolloinen nimi oli Torulopsis holmii) Torula-valkuaista, jota käytettiin pääasiassa eläinten rehuna, mutta joidenkin tietojen mukaan sitä söivät myös ihmiset. Suomessa oli vielä 1970- ja 1980-luvuilla käynnissä kaksi rehuvalkuaista tuottanutta pekilotehdasta, mutta ne lopettivat toimintansa raaka-ainetta toimittaneiden sulfiittisellutehtaiden sulkemisen myötä. Valkuaisen tuotti Paecilomyces varioti -hiiva (Fuhrman 2011).

Lihantuotannon ongelmien ratkaisuksi on esitetty keinolihan tuotantoa. Ensimmäisen kerran ideaa pohdittiin jo 1930-luvulla. Keinolihasta käytetään myös nimityksiä in vitro -liha ja koeputkiliha.

Keinolihan tuotannossa eläimestä eristettyjä kantasoluja kasvatetaan bioreaktoreissa liuoksessa joko vapaana tai alustaan kiinnitettynä. Tarvittavat ravinteet tuotetaan erillisessä bioreaktorissa hiiva- tai leväviljelmillä (esim. yksisoluproteiinia). Ne voivat puolestaan käyttää ravintonaan yksinkertaisia hiilihydraatteja, erilaisia elintarviketeollisuuden sivuvirtoja tai jopa jätteitä, kuten Japanista on kantautunut tietoja. Energia bioreaktoreihin tuotetaan aurinkopaneeleilla tai biokaasureaktoreilla. Viime mainittu mahdollistaa ravinteiden ja lihamassan tuotannon jätteiden hyödyntämisen ja suljetun kierron, jota pidetään tavoitteena.

Solujen kasvatus on hallittu jo kauan. Sen sijaan solujen järjestyminen lihassäikeiksi, lihaksiksi, siis syötävän lihan kaltaiseksi tuotteeksi tarvitsee vielä tutkimusta ja kehittämistä. Kantasolun erikoistuminen lihassoluksi vaatii ravinteiden lisäksi edellä mainitun kiinnittymisalustan sekä erikoistumisen laukaisevan ja ohjaavan tekijän.

Tähän asti lupaavimmaksi kiinnittymisalustaksi on osoittautunut kollageeniverkko, joka sekin voidaan tuottaa soluviljelmässä. Soluja on stimuloitu sähköllä, magneetti- ja painovoimakentällä sekä erilaisilla ravintotekijöillä lihassoluksi erikoistumisen aikaansaamiseksi, mutta lopputuote ei vielä muistuta tähän asti syömäämme lihaa. Tuotantoprosessi on lisäksi liian kallis.

Keinolihan tuotanto on periaatteessa hyvin tehokasta: yksi kantasolu voi sopivissa olosuhteissa jakautua lähes loputtomasti. Teoreettisesti on laskettu, että yksi kalkkunan kantasolu pystyy tuottamaan koko ihmiskunnan vuosittain kuluttaman määrän lihaa (Edelman et al. 2005). Tuotanto hallitaan laboratoriossa, mutta siirto tuotantomittakaavaan vaatii tutkimusta.

Perinteisellä tavalla tuotetun lihan makuun vaikuttavat teurastuksen jälkeiset tapahtumat, varsinkin pH:n laskun myötä lihaksissa oleva glykogeenin muuttuminen maitohapoksi. Keinolihan muuttuminen elävästä ”kuolleeksi” ja siinä tapahtuvat vastaavat muutokset ovat vielä epäselviä eikä niitä ole tähänastisissa tutkimuksissa käsitelty (Puolanne 2012).

Maidon tai kananmunien bioteknisestä tuotannosta elintarviketeollisuuden raaka-aineeksi ei ainakaan vielä löydy viitteitä, vaikka ihmismaidon komponentteja jo valmistetaan mikrobi- ja entsymaattisella prosessilla lääketeollisuuteen (Han et al. 2011). Naudan maidon tuotannon alkuvaihe itse asiassa on jo olemassa – biokaasureaktorihan on suuri lehmän pötsi, jossa syntyvät kaikki maidon lähtöaineet, rasvahapot, peptidit ja glukoosi. Erotustekniikatkin niiden eristämiseksi ovat olemassa, komponentit on vain emulgoitava veteen oikeassa suhteessa maidoksi.

Rasvoja leväreaktorilla

Vuonna 2011 perustettu Simris Alg Ruotsin Simrishamnissa tuottaa leväreaktorilla omega 3 -rasvahappoja ravintolisäkäyttöön. Se on rakentanut lasiputkireaktorin entiseen kasvihuoneeseen (levät tarvitsevat valoa) vuonna 2012.

Simris Alg pystyy tuottamaan 2000 m²:n kasvihuoneessa arviolta 0,5−1 miljoonan euron arvosta omega-rasvahappoja. Putkissa kiertää vesiliuos, johon levien ravinnoksi lisätään hiilidioksidia ja ravintosuoloja. Muutaman kerran viikossa liuoksesta erotetaan separoimalla rasvajae, joka jauhetaan ja pakkaskuivataan. Rasvahappojen lisäksi levien avulla voidaan tuottaa karoteenivärejä, luteiinia tai betaglukaania.

Biotekniset prosessit vaativat suurehkon alkuinvestoinnin. Esimerkiksi Simris Algiin on sijoitettu varoja kymmenkertaisesti viimevuotiseen liikevaihtoon nähden (Simris Alg).

Bioteknisen tuotannon etuja

Mata-Gomez et al. (2010) toteavat yhteenvedossaan, että esimerkiksi karoteenituotannossa bioteknisten menetelmien edut ovat kiistattomat: karoteenivärien vakioiminen kasvimateriaalista uutettuna on vaikeaa: tulee erilaisia värisävyjä eri vuoden aikoina ja eri tuotantoalueilla. Valmistus kemiallisella synteesillä tuottaa puolestaan ongelmallista ja ympäristölle vaarallista jätettä.

Kun karoteinoideja tuotetaan levillä ja hiivoilla, voidaan syöteaineena käyttää halpoja tai toisarvoisia sivuvirtoja esimerkiksi maa- tai metsätaloudesta (sellutehtaan keittolientä, mehujen puristemassaa, turvetta tai olkea). Jätevedet vaativat vain tavanomaisen puhdistuksen tai ne puolestaan voidaan käyttää biokaasun valmistuksen syötteenä, värin sävy on vakio, tuote on puhdas ja tuotantoprosessi on suurennettavissa. Tuotanto on tehokasta ja edullista. Kun käytetään tunnettuja GRAS -luokiteltuja mikrobikantoja, tuotteita pidetään myös turvallisina.

Kuvaavaa Simris Algin rasvahappojen tuotannon tehokkuudelle on, että vastaavan öljymäärän tuottaminen perinteisellä maanviljelyllä tarvitsisi 20 kertaa suuremman pinta-alan. Rasvahappojen reaktorituotanto korvaa kuitenkin kaloista saatavaa öljyä ja vähentää siten kalastuksen tarvetta (Simris Alg).

Useassa artikkelissa mainitaan kuluttajien hyväksyntä; kun elintarviketeollisuuden raaka-aine on valmistettu kemiallisen synteesin sijaan bioteknisesti, kuluttajat mieltävät sen luontaiseksi (Belen et al 2010., Georgi et al. 2005, ,Krings & Berger 1998, Mata-Gomez et al. 2010). Sitä tukee myös tämänhetkinen lainsäädäntö.

Heikki Manner

Viitteet

Ahonen H. 2013. Vanilliinia sellutehtaan jäteliemestä. www.papermakerswiki.fi.

Anon 2014. Resveratrol, vanilla, stevia, saffron, pomecins. www.evolva.com.

Belen, M. et al. 2010. Biotechnical production of citric acid. Brasilian J. Micr. vol 1, 4.

Edelman et al. 2005. In Vitro-Cultured Meat Production. Tissue Eng. vol 11, 5−6.

Fuhrman, A. 2011. Pekilo -prosessi. www.papermakerswiki.fi

Galbraith, C. 2013. An overview of the global flavours & fragrances market, 8. edition. www.ialconsultants.com

Georgi T. et al. 2005. Lysine and glutamate production by Corynebacterium glutamicum. Metab. Eng. July; 7:291−301.

Han N.S et al 2012: Biotechnological producton of human milk oligosaccharides. Biotechnol. Adv. 30 (6) 1268–1278.

Krings U. & Berger R.G. 1998. Biotechnical production of flavours and fragrances. Appl. Microbiol. Biotechnol. 49: 1−8.

Mata-Gomez L. et al. 2010. Biotechnological production of carotenoids by yeasts: an overview.
www.microbialcellfactories.com.

Puolanne E. 2012: Koeputkikinkku. Duodecim 128:2459−64.

Simris Alg, www.simrisalg.se

Esimerkkejä mikrobien tuottamista aromiaineista

HomeetAromiaine
Pycnoporous cinnabarinus – vanilliini
Ischnoderma benzoinum – bentsaldehydi
Mycena pura – citronelloli
Wolfiporia cocos – linaloli
Pleurotus euosmus – kumariinit

Hiivat
Zygosaccharomuces rouxii – furaneoli
Saccharomyces cerevisae – laktonit
Kluyveromyces lactis – geranioli, linaloli

Bakteerit
Lactobacillus lactis – diasetyyli
Pseudomonas oleovorans – metyyliketonit
Pseudomonas pseudomallei – borneoli

Kommentti: Halpaa ja eettistä reaktoriruokaa?

Biotekniikka on ollut tulevaisuuden lupaus viimeiset 30 vuotta. Sen on pitänyt mullistaa kemikaalien ja ruuan tuotanto sekä lääketiede. Yhtä suurta mullistusta ei kuitenkaan ole tapahtunut, vaan bioteknisiä tuotantomenetelmiä on vähitellen sovellettu eri prosesseihin. Hieman yllättävää onkin se, kuinka paljon elintarviketeollisuuden lisä- ja apuaineista tuotetaan nykyisin mikrobeilla.

Biotekniset tuotantomenetelmät muuttavat koko elintarvikeketjun, jolloin syntyy uusia elinkeinoja ja vanhoja katoaa. Vaikutus tulee olemaan suurin alkutuotannossa, kuten maataloudessa tai vaikkapa kalastuksessa.

Jos vaniljaa tai saframia valmistetaan edullisesti reaktoreilla kulutuksen äärellä, Madagaskarin tai Iranin viljelmät käyvät tarpeettomiksi. Jos lihaa tai maitoa tuotetaan kaupungeissa markkinoiden keskellä, maaseudun tuotantorakennuksille pitää etsiä uusiokäyttö. Toivoa vain sopii, että nykyisen investointiaallon navetat ehditään tilojen tuloslaskelmissa poistamaan ennen reaktoritekniikan läpimurtoa. Maatalous muuttuu, mutta maanviljelijöitä tarvitaan tuottamaan reaktoreille raaka-aineita. Kasvinviljelyn tarve lisääntyy, kotieläintuotannon vähenee.

Eläinsuojelun näkökulmasta ruuan biotekninen tuotanto on hyväksyttävämpää kuin nykyinen kotieläintalous. Globaalitalouden näkökulmasta huolet ovat osin samat kuin vihreän vallankumouksen tai geenitekniikan aiheuttamat, monopolistinen markkinatilanne, jossa harvat toimijat omistavat siemenet, mikrobien tuotantokannat tai tuotantoprosessit ja voivat siten hallita koko ruokaketjua. Maailmalla käytävä Monsantoa koskeva keskustelu on tunnettu esimerkki.

Keinolihan hinta on vielä monikymmenkertainen perinteisesti tuotettuun verrattuna. Vieneekin aikaa, ennen kuin uusi tuotantomenetelmä on kilpailukykyinen vanhan kanssa. Sen sijaan esimerkiksi happamuuden säätö- ja aromiaineita tuotetaan jo nyt edullisemmin kuin perinteisillä menetelmillä.

Uuden kuluttajatietoasetuksen keskeinen ajatus on, ettei kuluttajaa saa johtaa harhaan. Bioteknisesti tuotettuja elintarvikkeiden raaka-aineita selaillessa herää kysymys, onko esimerkiksi aromi luontaista, kun se on tuotettu reaktorissa. Maun antava molekyyli on sama, mutta johdetaanko kuluttajaa harhaan? Pitäisikö pakkausselosteessa kertoa, että esimerkiksi mansikkajogurtin mansikan maku on mikrobin tuottama, ei mansikasta peräisin? Keinolihan tai -maidon kohdalla tuotantotapa joudutaan todennäköisesti kertomaan.

Kehitys jatkuu ja reaktoreissa tuotettujen raaka-aineiden – tai valmiin ruuan määrä kasvaa. Bioteknistä elintarviketuotantoa tutkitaan paljon maailmalla: jokaisen yliopiston, korkeakoulun tai alan merkittävän yrityksen kotisivuilta löytyy jotain siihen viittaavaa.

Heikki Manner