Leipomosivuvirrat hyötykäyttöön biotransformaatiotekniikoilla

Entsymaattisten ja mikrobiologisten biotransformaatiotekniikoiden avulla on mahdollista nostaa elintarviketuotannon resurssitehokkuus ja raaka-aineiden hyödyntäminen uudelle tasolle.

Helsingin yliopiston tekemän kyselyn mukaan leipomoteollisuuden tuotannosta 5–10 prosenttia, 10–20 miljoonaa kiloa vuodessa, päätyy Suomessa tällä hetkellä jätteeksi. Selvästi suurin osa leipomojätteestä on periaatteessa elintarvikekelpoista, mutta se käytetään nyt enimmäkseen bioetanolin tuotantoon, osa rehukäyttöön tai kompostointiin sekä pieni osa mädätykseen tai biojätteeksi. Kukaan toimijoista ei raportoinut prosessoivansa elintarvikekelpoista jätettä uudelleenkäyttöä varten.

Wastebake -projekti valottaa uusia mahdollisuuksia hyödyntää tehokkaasti viljan prosessoinnin sivuvirtoja ensisijaisesti kierrätysprosessien avulla. Projektissa VTT on kehittänyt muun muassa leseen ja leivän entsymaattisia käsittelymenetelmiä sekä leipomojätteen biokaasutusta ja mallintanut kokonaisprosessien tekno-ekonomista kannattavuutta. Helsingin yliopistossa puolestaan on tutkittu fermentointitekniikoita, eri käsittelyjen vaikutusta sivuvirtojen uudelleen käytettävyyteen leivonnassa sekä leipomojätteen kierrätyksen turvallisuutta.

Esimerkiksi Itä-Euroopassa leipää, erityisesti ruisleipää, kierrätetään niin kutsutun sulputuksen avulla, jossa vanhaa leipää liotetaan veteen ja käytetään osana uutta taikinaa. Tieteellisessä kirjallisuudessa on kuitenkin erittäin rajallisesti tietoa leivän kierrättämisen vaikutuksista uuden tuotteen hygieeniseen ja teknologiseen laatuun.

Projektissa on selvitetty kierrätyksen vaikutusta uuden leivän leivontalaatuun sekä erilaisten biotransformaatiotekniikoiden hyödyntämismahdollisuuksia kierrätyksen apuna. Helsingin yliopiston tutkimusten mukaan biotransformaatiotekniikoita tarvitaan, jotta leivän laatu pysyy hyväksyttävällä tasolla ja kierrätys taloudellisesti kannattavana.

Ylijäämäleivän hygieeninen laatu hyvä

Suurin osa jätteeksi päätyvästä leivästä on ylijäämää ja lähtökohtaisesti hygieeniseltä laadultaan hyvää. On huomioitava kuitenkin lämmönkestävät itiöt, joita tiedetään esiintyvän luonnostaan leivontaraaka-aineissa. Ne saattavat selvitä leivän paistamisesta ja aktivoituessaan kierrätyksen aikana aiheuttaa riskin terveydelle ja leivontalaadulle.

Kenties tehokkain keino itiöiden aktivoitumisen estämiseksi on leivän fermentointi. Käyttökelpoinen vaihtoehto on tuottaa jäteleivästä raski eli taikinanjuuri fermentoimalla leipää sopivissa olosuhteissa valikoitujen maitohappobakteerien avulla. Leivän fermentointi halutuilla mikrobikannoilla on teoriassa jopa helpompaa kuin jauhon fermentointi, koska kilpailua jauhoissa luontaisesti esiintyviä mikrobeja vastaan ei ole.

Hankkeen tärkeimpiä tutkimuskysymyksiä on ollut, mitä tapahtuu leivän teknologiselle laadulle, kun taikinaan lisätään kierrätettyä leipää? Leivontakokeiden mukaan laatu kärsii merkittävästi; leivän tilavuus pienenee ja kovettuminen nopeutuu. Haitallinen vaikutus lisääntyy sitä mukaan, mitä enemmän leipää kierrätetään. Erityisesti vehnäleivonnassa tilavuus ja pehmeys ovat laatukriteereitä, joiden alenemista on vaikea hyväksyä. Siksi hankkeessa kehitetään edelleen biotransformaatiokeinoja näiden ominaisuuksien ylläpitämiseksi.

Kuva 1. Testileivonnoissa tuotettujen leipien kovuus neljäntenä päivänä leivonnan jälkeen. Ylijäämäleivän lisäys taikinaan lisää merkittävästi kovuutta ja vanhenemista sitä mukaa, mitä enemmän leipää lisätään. Tämä pystytään kuitenkin välttämään räätälöidyllä fermentoinnilla.

Entsymaattinen käsittely pilkkoo tärkkelystä

Merkittävimpiä eroja jauhon ja valmiin leivän välillä on tärkkelyksen ja gluteeniproteiinien tila. Leivässä tärkkelys on jo valmiiksi liisteröitynyt ja siten vaikuttaa leivontaominaisuuksiin hyvin eri tavalla kuin jauhon natiivitärkkelys. Liisteröitynyt tärkkelys imee itseensä enemmän vettä, mutta toisaalta rajoittaa leivän kohoamista ja nopeuttaa tärkkelyksen uudelleenkiteytymistä. Leivässä olevat proteiinit puolestaan ovat denaturoituneet eivätkä siten osallistu jauhon gluteeniproteiinien tavoin gluteeniverkon muodostukseen.

Entsymaattisella käsittelyllä jäteleivän liisteröitynyt tärkkelys voidaan pilkkoa esimerkiksi dekstriineiksi, maltoosiksi tai glukoosiksi ja proteiinit peptideiksi ja aminohapoiksi. Siten leivän tärkkelyksen haitallista vaikutusta voidaan vähentää ja samalla vapautunutta glukoosia hyödyntää korvaamaan leivän nostatuksen avuksi lisättävää sokeria.

Toisaalta hydrolysoidun, entsymaattisesti pilkotun, leivän korkea glukoosipitoisuus rajoittaa kierrätettävää määrää. Esimerkiksi, jos tavallisen vehnäleivän liisteröitynyt tärkkelys hydrolysoidaan lähes täydellisesti, vain 4,2 prosenttia hydrolysoitua leipää taikinan jauhonpainosta riittää korvaamaan tavanomaisen sokerilisäyksen uudessa taikinassa. Jos leipää tulee kierrättää tätä enemmän, tulisi tärkkelyksen hydrolyysiastetta vähentää, käyttää erilaisia entsyymiyhdistelmiä ja määriä, tai hyödyntää tuotetta uuden leivän sijaan vaikkapa makeiden leivonnaisten valmistuksessa.

Räätälöidyllä fermentoinnilla parempia kierrätysominaisuuksia

Entsymaattisten keinojen lisäksi leivän kierrätysominaisuuksia voidaan parantaa räätälöidyillä fermentoinnilla. Projektissa tutkimuksen painopisteenä ovat olleet eksopolysakkarideja (limaa) tai homeenestoaineita tuottavat maitohappobakteerit ja propionihappobakteerit. Tietyt eksopolysakkaridit parantavat leivän teknologisia ominaisuuksia ja pystyvät kompensoimaan leivän kierrätyksestä aiheutuvaa tilavuuden pienenemistä ja erityisesti nopeutunutta vanhenemista suurillakin kierrätysmäärillä (Kuva 1).

Dekstraanin tuotto fermentoinnin avulla on osoittautunut hyvin toimivaksi keinoksi hapattaa miedosti ylijäämäleipää ja parantaa leivän kierrätettävyyttä entsyymien kanssa tai ilman. Tosin dekstraanin tuottamista varten leipään täytyy lisätä sakkaroosia lähtöaineeksi uudelle glukoosipolymeerille. Bakteerien tuottaman β-glukaanin lähtöaineeksi sen sijaan riittää liisteröidystä tärkkelyksestä hydrolysoitu glukoosi. Toistaiseksi on vielä epäselvää, onko tällä eksopolysakkaridilla suotuisaa vaikutusta leivonnassa.

Eräät mikrobikannat ovat osoittautuneet tehokkaiksi homeenestoaineiden tuottajiksi. Näissä tapauksissa hydrolysoituun leipään lisätyt bakteerit tuottavat orgaanisia happoja ja joissakin tapauksissa bioaktiivisia peptidejä, jotka estävät uudessa leivässä merkittävästi homeiden kasvua.

Projektissa saavutetut tulokset osoittavat, että soveltavan tutkimuksen avulla on mahdollista muuttaa elintarvikesivuvirtoja arvokkaiksi raaka-aineiksi. Lisäksi on kehitetty kierrätysprosesseja mahdollisimman yksinkertaiseksi ja taloudellisesti kannattavaksi, jotta toteutus voisi tapahtua pienissäkin leipomoissa ilman suurempia laite- tai työvoimainvestointeja.

Tekno-ekonomiset mallinnukset näyttävätkin tällä hetkellä vihreää valoa kehitetyille kierrätysmenetelmille verrattuna tämänhetkisiin jätteenkäsittelykäytäntöihin. Myös parhaillaan käynnissä olevat teollisuustestit vaikuttavat lupaavilta tiettyjen menetelmien osalta.

Biotransformaation hienosäätö leipomoiden yksilöllisiin olosuhteisiin edellyttää kuitenkin tapauskohtaista prosessinkehitystä ja hyvin suunniteltua materiaalivirtojen jäljitettävyyttä. Kestävien ruuantuotantomenetelmien kehittäminen on välttämätöntä, jotta vähenevillä raaka-ainemäärillä voidaan vastata kasvavan kuluttajakunnan tarpeisiin. Ruuan poisheittäminen poistuu pian vaihtoehtovalikoimasta.

Mikä biotransformaatio?

Jutun yhteydessä biotransformaatiolla tarkoitetaan laajasti mikrobiologisia ja/tai entsymaattisia keinoja materiaalin kemiallisen koostumuksen muokkaamiseen.

Tällaisella käsittelyllä voidaan esimerkiksi päästä eroon haitallisista aineista, tuottaa uusia, ravitsemuksellisesti tai teknologisesti hyödyllisiä yhdisteitä, alentaa tai kasvattaa materiaalin viskositeettia/vedensidontaa tai muuttaa pH:ta.

Biotransformaatioon liittyy usein myös fysikaalista käsittelyä kuten lämpötilan säätöä ja sekoittamista.

.


Wastebake -projekti

  • Wastebake -hankkeen tutkimusryhmässä on mukana Helsingin yliopiston ja VTT:n tutkijoita.
  • Hankkeen koordinaattori on apulaisprofessori Kati Katina ja VTT:llä tutkimusryhmän vetäjä tiimipäällikkö Emilia Nordlund.
  • Helsingin yliopistosta tutkimuksessa ovat olleet mukana Rossana Coda, Ndegwa Maina, Mikko Immonen, Luana Nionelli, Hanna Nihtilä ja Yaqin Wang. VTT:n tutkimusryhmässä ovat olleet mukana Matti SiikaAho, Natalia RosaSibakov, Outi Mattila, Ville Pihlajaniemi, Lotta Sorsamäki, Tommi Kaartinen, Taru Koitto, Lauri Kujanpää ja Markus Nikinmaa.
  • Kaksivuotisessa, Tekesin (nykyisin Business Finland) hankkeessa on ollut mukana kuusi suomalaista yrityskumppania.