Solumaatalous tarjoaa uudenlaisia mahdollisuuksia ruuantuotantoon

Ilmastonmuutos, luonnon monimuotoisuuden vähentyminen ja väestönkasvu haastavat ihmiskunnan pohtimaan ruuantuotantoa uudella tavalla. Ruokaketju − erityisesti eläintuotanto − tuottaa merkittävän määrän kasvihuonepäästöjä. Viljelyskelpoinen maa-ala vähenee, vaikka ruokaa pitäisi tuottaa enemmän. Siksi uusia ratkaisuja kestävän ruuantuotannon mahdollistamiseksi kehitetään aktiivisesti. Solumaatalous on yksi niistä.

Isoja kysymyksiä ovat lihankulutuksen vähentäminen hyvinvointivaltioissa ja kasvintuotannon parempi hyödyntäminen suoraan ruuaksirehun sijasta. Kasvintuotannon ja kasvipohjaisen ruuan kehittäminen tukee kestävään ruokaketjuun siirtymistä. Viljelytekniikoilla, viljelykierrolla ja lajikejalostuksella voidaan lisätä luonnon monimuotoisuutta ja hiilensidontaa sekä parantaa maan kasvukuntoa ja satoisuutta. Uusia, herkullisia kasvipohjaisia ruokia kehitetään myös eläinperäisten tuotteiden korvaamiseksi. Eläintuotantoketjun päästöjen vähentämiseksi on löydettävissä uusia keinoja.

Nykyisten tuotantoketjujen kehittämisen rinnalla solumaatalous tarjoaa uudenlaisen tavan tuottaa ruokaraaka-aineita. Solumaatalous tarkoittaa mikrobien ja muiden soluviljelmien hyödyntämistä ruuantuotannossa ja tarjoaa ensimmäisten laskelmien mukaan ympäristön kannalta kestävämmän tavan tuottaa ruokaa. Solumaataloutta voidaan hyödyntää erilaisiin tarkoituksiin (Kuva 1).

Mikrobeja ja muita soluja voidaan käyttää ruuan raaka-aineina, tai ne voidaan valjastaa tuottamaan ainesosia elintarviketeollisuuden käyttöön. Tarkoituksena voi olla tuottaa energiaravintoaineita, terveyttä edistäviä ainesosia tai ruokaparanteita. Solumaataloudessa tuotantoteknologioita on monenlaisia. Tuottoisännästä (bakteeri, sieni, hiiva, kasvisolu- ja eläinkudosviljely) riippuen ravintoainevaatimukset ja bioreaktorin teknologia ja jatkoprosessointitarpeet voivat olla hyvin erilaisia.

Solu- ja mikrobimassan hyödyntäminen ruokaraaka-aineina

Kun puhutaan mikrobi- ja muiden solumassojen hyödyntämisestä ruokaraaka-aineina, käytetään usein termiä yksisoluproteiini. Terminologiasta huolimatta joissakin tapauksissa kyseessä voivat olla myös monisoluiset tuottoprosessit, ja lopputuotteet sisältävät usein myös rasvoja, hiilihydraatteja ja hivenaineita. Ehkä sopivampi termi olisikin mikrobimassa tai solumassa. Solumassatuotteita on jo markkinoilla useita (Taulukko), vaikka solumaataloudesta on ryhdytty puhumaan aktiivisesti vasta viime aikoina. Siinä mielessä solumaatalous ei varsinaisesti ole uusi ruuantuotantoteknologia.

Ehkä tunnetuin jo markkinoilla oleva tuote on Quorn®, mykoproteiinivalmiste, josta tehdään lihankaltaisia tuotteita. Myös mikrolevävalmisteet Spiruliina ja Chlorella ovat monelle tuttuja luontaistuotekaupoista. Mykoproteiiniprosessi perustuu glukoosisiirapin käyttöön ravintoliuoksena, mutta mikrolevät useimmiten yhteyttävät energiaa auringon avulla. Mikrolevät voivat sisältää runsaasti vitamiineja ja hivenaineita¹.

Mikrobimassan tuotantoa on tutkittu paljon myös rehukäyttöä varten. Suomessa on jo 1970-luvulla tuotettu paperiteollisuuden sulfiittijäteliemessä kasvatettua proteiinirikasta Pekilo-biomassaa siipikarjalle ja lehmille. Pekilo-kannan käyttöä on tutkittu uudelleen viime aikoina nurmipohjaisia raaka-aineita hyödyntäen². Myös metaania hyödyntäviä bakteereja on tutkittu erityisesti rehuntuotannossa. Proteiinirikkaiden mikrobimassojen ruoka- ja rehukäyttöä on kuvattu tarkemmin VTT:n vuonna 2017 tekemässä katsauksessa³.

Uudempi sovellus mikrobimassa tuotantoon on SolarFoods -yrityksen kehittämä prosessi, jonka ideana on tuottaa ruokaproteiinia ilmasta bakteerien ja aurinkosähkön avulla. Ilman hiilidioksidi toimii mikrobien hiilenlähteenä, ja ilman vedestä saadaan elektrolyysin avulla vetyä mikrobien energian lähteeksi.

Yrityksen ajatuksena on, että teknologiaa voidaan hyödyntää myös ruuantuotannon kannalta epätavallisissakin olosuhteissa: esimerkiksi paikoissa, joissa voidaan hyödyntää tehokkaasti aurinkoenergiaa ja ottaa ilman tai tehtaan hiilidioksidi ja vesi hyötykäyttöön. Ruokasovelluksissa oletuksena ovat Quornin kaltaiset tuotteet, mutta maistiaiset odottavat vielä ylösskaalausta.

Mikrobien lisäksi myös muita soluja voidaan hyödyntää ruuantuotantoon. VTT:llä tutkitaan kasvisoluviljelmien ruokakäyttöä. Niiden verrattain korkea ravintokuitu-, proteiini- ja bioaktiivisuuspitoisuus on herättänyt kiinnostuksen tuottaa eri marjojen ja hedelmien kasvisolukkoa terveyttä edistäviksi ruokaraaka-aineiksi⁴.

Eläimen kantasoluista bioreaktorissa kasvatettua lihaa kehitetään aktiivisesti kohti kannattavaa tuotantoprosessia. Esimerkkeinä teknologiaan uskovista yrityksistä ovat yhdysvaltalainen Memphis Meats ja hollantilainen Mosa Meat⁵.

Solumaatalouden valjastaminen ruuan ainesosien tuottamiseen

Mikrobimassan ruoka- tai rehukäytön sijasta solut voidaan myös valjastaa tuottamaan tiettyjä arvokomponentteja, jotka tuovat lisäarvoa ruuan valmistuksessa. Näitä ovat esimerkiksi proteiinit, rasvat ja pienyhdisteet (Taulukko). Tämä tuotantoteknologia ei ole uusi, sillä bioteknisiä prosesseja on hyödynnetty pitkään vitamiinien, flavorien ja rasvojen tuotossa.

Myös elintarvike- ja juomateollisuudessa laajasti käytössä olevat entsyymit − prosessiapuaineet − tuotetaan paljolti samalla teknologialla. Esimerkiksi juustonvalmistusprosessissa käytetyt entsyymit ovat GMO-organismeilla tuotettuja. Entsyymintuotantoteknologia onkin vauhdittanut tutkimusta muun muassa VTT:llä, jossa tehokas proteiinituottaja homesieni Trichoderma reesei on entsyymituotannon sijasta muokattu tuottamaan eläinperäisiä proteiineja, kuten maidon heraproteiinia ja kanamunan valkuaisproteiinia.

Solutehtaissa voidaan mahdollisesti tuottaa tehokkaasti myös muita hyödyllisiä ainesosia, kuten kasveissa matalina pitoisuuksina esiintyviä makeita proteiineja. Amerikkalainen Impossible Burger -yritys valmistaa kasvispohjaisia hampurilaispihvejä, joissa jo käytetään hiivassa tuotettua hemiä, rautaa sisältävää yhdistettä, jonka tavoitteena on matkia lihan makua.

Tuotantopanoksilla ja prosessiratkaisuilla on merkitystä

Solumaatalouden arvioidaan olevan ympäristön kannalta kestävä tuotantotapa, mutta tuotantoprosessien kehittämisessä on tärkeää huomioida ravintoaineiden, energian ja veden lähteet⁶. Prosessit todennäköisesti voidaan rakentaa kestävälle pohjalle, jos esimerkiksi hiilidioksidia tai muita hiilirikkaita sivuvirtoja on käytettävissä solutehtaiden ravinnon lähteinä ja energiantuotanto perustuu uusiutuvaan energiaan. Erityisen mielenkiintoista on selvittää, miten solumaatalouden ratkaisuja voidaan integroida nykyisen teollisuuden ja ruuantuotannon prosesseihin. Voidaanko esimerkiksi vilja- tai maitoteollisuuden sivuvirtoja hyödyntää solutehtaiden ravintolähteinä?

Kun mikrobi- ja muiden solumassojen tuotantoprosessia verrataan teknologiaan, jossa solut tuottavat arvokomponentteja, kuten eläinproteiineja, mahdollisuudet ja haasteet ovat erilaisia. Solumassojen hyödyntämisessä on tärkeää varmistaa, että ne eivät tuota haitallisia yhdisteitä. Tavallista on korkea nukleiinihappopitoisuus, joka saattaa aiheuttaa terveyshaittoja. Toisaalta nukleiinihappopitoisuutta voidaan alentaa kuumennus- tai entsyymikäsittelyllä.

Mikrobi- ja solumassojen osalta myös proteiinin ja muiden ravintoaineiden biosaatavuus sekä mahdolliset allergiset reaktiot ovat tärkeitä tutkittavia asioita ennen ruokakäyttöä. Yksittäisten ainesosien tuotossa solutehdasprosesseissa on oltava riittävät erotusteknologiat, jotta tuote on puhdas, eikä sisällä jäämiä esimerkiksi tuottomikrobista. Myös veden kierrätys ja solumassan hyötykäyttö edelleen ravintolähteenä esimerkiksi rehuksi tai energian tuotannossa pitää ratkaista. Kuvassa 2 on valkuaisproteiinin tuoton osalta esitetty hypoteettinen prosessikuvaus mahdolliselle solutehtaalle.

Viitteet:

¹ Wells ML ym. 2016. Algae as nutritional and functional food sources: revisiting our understanding. J. Appl Phycol. 29(2):949–982. doi:10.1007/s10811-016-0974-5

² INNOFEED, Industrial Biotechnology Cluster Finland 2018. Biorefining ensiled grass into inventive feed products, INNOFEED. https://www.ibcfinland.fi/projects/innofeed/

³ Ritala A ym. 2017. Single Cell Protein-State-of-the-Art, Industrial Landscape and Patents 2001−2016. Front Microbiol. Oct 13;8:2009. doi: 10.3389/fmicb.2017.02009.

⁴ Nordlund E ym. 2018. Plant Cells as food – concept taking shape, Food Res. Int. 107, 297−305.

⁵ Specht Liz. 2018. An analysis of culture medium costs and production volumes for cell-based meat, GFI.ORG, https://www.gfi.org/files/sci-tech/clean-meat-production-volume-and-medium-cost.pdf

⁶ Parodi, A ym. 2018. The potential of future foods for sustainable and healthy diets, Nature Sustainability, vol. 782–789

⁷ Penttilä M. 2017. www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2017 syntheticbiologyroadmap_eng.pdf

Survaise S.A. ym. 2006. Production of Vitamins, Food Technol. Biotechnol. 44 (3) 381–396

Carroll, A L ym. 2016. Microbial production of scent and flavor compounds, Current Opinion in Biotechnology. 37, 8−15, https://doi.org/10.1016/j.copbio.2015.09.003.