Precyzyjna fermentacja zwiększa poziom zrównoważenia sektora produkcji nabiału
08 Jan 2024
W branży produkcji nabiału ma miejsce cicha rewolucja. Gospodarstwa mleczne wdrażają nowoczesne technologie, aby osiągać kolejne poziomy wydajności, zamienniki roślinne zwiększają udziały w rynku, a precyzyjna fermentacja umożliwia produkcję nabiału niezawierającego produktów pochodzenia zwierzęcego, które wyglądają, smakują i przypominają w dotyku prawdziwy nabiał. Dla firm z sektora spożywczego starających się odpowiadać na rosnące na całym świecie zapotrzebowanie na nabiał produkowany w sposób bardziej zrównoważony precyzyjna fermentacja coraz częściej okazuje się kluczowym elementem układanki. Spełnienie tej obietnicy będzie w dużej mierze zależeć od efektywności produkcji na skalę przemysłową.
Wpływ nabiału
Świat kocha produkty mleczne. Obok Indii, niekwestionowanego lidera produkcji i spożycia mleka, największymi producentami, konsumentami i eksporterami pozostają UE i USA.[1, 2] Chiny to z kolei największy na świecie importer produktów mlecznych i kraj, w którym spożycie nabiału w przeliczeniu na mieszkańca stale rośnie.[3] Zgodnie z wynikami badania przeprowadzonego w czerwcu 2023 roku szacuje się, że w latach od 2022 do 2028 wartość światowego rynku produkcji nabiału wzrośnie o prawie 40% (do poziomu 1 243 000 000 dolarów).[4] Cały sekret tkwi w samym mleku – bogatym w składniki odżywcze źródle pełnowartościowego białka, które pozycję jednego z cenionych produktów spożywczych i napojów zawdzięcza swojemu smakowi i właściwościom fizycznym. Nabiał to także bogata tradycja zapewniania od najmłodszych lat zarówno odżywienia fizycznego, jak i emocjonalnego. W wielu częściach świata i według wielu interpretacji uważany jest za wyjątkowo zdrową żywność.
Ale choć imponujący postęp w dziedzinie farm mlecznych spowodował ogromny wzrost produkcji mleka z jednej krowy, nie możemy oczekiwać, że te wierne zwierzęta będą nadal w stanie odpowiadać na ciągle rosnący popyt na produkty mleczne. Ponadto planeta mówi nam, że lepiej nawet nie próbować. Oto dobra wiadomość: Coraz więcej ekspertów, firm z branży produkcji żywności oraz inwestorów wierzy, że precyzyjna fermentacja daje możliwość łączenia wymogów etycznych i związanych ze zrównoważonym rozwojem w obszarze produkcji mleka roślinnego o niezrównanym smaku, teksturze i właściwościach odżywczych „prawdziwego” produktu.
Nowe białko serwatkowe przyszłości
Do takich firm należy między innymi ImaginDairy, izraelskie przedsiębiorstwo z Hajfy, pionier w dziedzinie technologii żywności i jeden z pierwszych zakładów wytwarzających białka mleczne w procesie precyzyjnej fermentacji. ImaginDairy wykorzystuje zaawansowane technologie z zakresu biologii obliczeniowej oraz biologii molekularnej, by w szybkim czasie rozwijać precyzyjną fermentację i zwiększać wydajność i uzysk z produkcji białka mlecznego. Roni Zidon-Eyal, wiceprezes ImaginDairy odpowiedzialna za rozwój biznesowy firmy przekłada to na powszechnie zrozumiały język. „Naszą misją jest dostarczanie źródła białka do produkcji rewelacyjnych produktów mlecznych pochodzenia niezwierzęcego bez uszczerbku dla jakości tradycyjnego nabiału, którą znamy i cenimy” – tłumaczy.
Firma jest gotowa do szybkiego rozpoczęcia produkcji. W 2020 r. postanowiono odtworzyć wszystkie sześć białek serwatkowych i kazeinowych występujących w mleku służącym do produkcji nabiału, ponieważ konwencjonalne podejście kazało wierzyć, że do odtworzenia korzystnych właściwości mleka potrzebny jest cały ten kompleks białek. Ale szybko zauważono, że jedno białko serwatkowe, beta-laktoglobulina, radzi sobie z tym samo. „Wystarczyło użyć naszego białka serwatkowego poddanego procesowi precyzyjnej fermentacji, by uzyskać 3,4% białko występujące w mleku wykorzystywanym do produkcji nabiału, a tym samym wyprodukować pyszne mleko, lody, sery kremowe, które smakowały i wyglądały zupełnie jak prawdziwe” – tłumaczy Zidon-Eyal. Firmie udało się nawet wyprodukować jogurt z użyciem matrycy białkowej składającej się w całości z białka serwatkowego. Zdaniem Zidon-Eyal pokazuje to jedną z kluczowych zalet stosowania białek mlecznych, a nie roślinnych. „Wykorzystujemy prawdziwe białko mleczne, dlatego nie potrzebowaliśmy dodatkowych stabilizatorów ani innych składników maskujących zapach. Nasz jogurt zawiera wyłącznie cztery składniki”.
Jogurt (Zdjęcie: ImaginDairy/Sarit Goffen)
W związku z sukcesem swojego białka serwatkowego firma ImaginDairy skupia się na wprowadzeniu tego białka mlecznego do obrotu. „Wielu z nas wywodzi się z branży dodatków do żywności i rozumie, że zawężenie obszaru zainteresowań jest kluczowym elementem pozwalającym zwiększyć skalę z „fajnej firmy biotechnologicznej” do godnego zaufania przedsiębiorstwa z branży dodatków do żywności – tłumaczy Zidon-Eyal. To podejście wydaje się skuteczne. W kwietniu 2023 r. firma Danone wyodrębniła udziały mniejszościowe w przedsiębiorstwie, ustanawiając ImaginDairy pierwszą firmą z grupy Danone wytwarzającą białka mleczne w procesie fermentacji.
„Wykorzystujemy prawdziwe białka mleczne, dlatego nie potrzebujemy dodatkowych stabilizatorów ani składników maskujących zapach. Nasz jogurt zawiera tylko cztery składniki”– Roni Zidon-Eyal, wiceprezes ImaginDairy odpowiedzialna za rozwój biznesowy firmy
– Roni Zidon-Eyal, wiceprezes ImaginDairy odpowiedzialna za rozwój biznesowy firmy
Vice President of Business Development, ImaginDairy
Pokonywanie wyzwania z zakresu skalowania
Choć są niezwykle obiecujące, firmy takie jak ImaginDairy wciąż mają przed sobą trudny bój. Zapewnienie równowagi kosztów w produkcji tradycyjnych produktów nabiałowych wymaga ciągłych innowacji, zarówno w obszarze biotechnologii, jak i produkcji. Choć precyzyjna fermentacja od dekad pozwala skutecznie przetwarzać insulinę i podpuszczkę, te wysokowartościowe produkty są wytwarzane w bardzo małych ilościach. Białka spożywcze, takie jak białko serwatkowe czy kazeina, muszą być produkowane w dużo większych ilościach. „Nasze mikroorganizmy są bardzo wydajne, ale w celu osiągnięcia wymaganych wysokich wolumenów białek potrzebujemy także maksymalnie wydajnych procesów produkcji przemysłowej” – tłumaczy Zidon-Eyal.
Aby to umożliwić, zespół ImaginDairy regularnie odwiedza Ośrodek Doskonalenia Zastosowań Nowej Żywności i Technologii (ATC) w niemieckim Hildesheim. W Ośrodku ATC dostępna jest pilotażowa linia hodowli i fermentacji komórek pozwalająca firmom wdrażać szybkie ścieżki innowacji, od etapu laboratoryjnego po produkcję na skalę handlową. Dr Antje Begerad, z wykształcenia inżynier, dziś pracujący jako Zastępca Dyrektora ds. Sprzedaży Nowej Żywności w GEA, objaśnia kluczowe kwestie związane ze stosowaniem precyzyjnej fermentacji w produkcji dużych ilości białek mlecznych oraz innych składników. „Aby wytwarzały oczekiwany produkt końcowy, mikroorganizmy – tak samo jak krowy – muszą być odpowiednio pielęgnowane. Ich wymagania biologiczne są kompleksowe i bardzo trudne do spełnienia w dużych urządzeniach działających w systemie produkcji przemysłowej. Utrzymanie mikroorganizmów przy życiu w probówce jest o wiele łatwiejsze niż w kadzi fermentacyjnej o pojemności 500 lub 200 000 litrów”.
Najważniejsze wyzwania związane z precyzyjną fermentacją na szeroką skalę:
- Warunki w fermentorze, takie jak temperatura, pH, pożywienie i tlen, muszą być stale monitorowane i utrzymywane, z uwzględnieniem tego, że każdy mikroorganizm ma swoje konkretne wymagania.
- Metabolizujące komórki uwalniają ciepło. Jeśli w fermentorze nagromadzi się zbyt duża ilość ciepła, może dojść do uszkodzenia komórek lub produktów końcowych.
- Zmieszanie składników w fermentorze umożliwia jednolite rozmieszczenie składników w całym reaktorze, ale przepływ płynu może także uszkodzić komórki.
- Najważniejsze jest utrzymanie sterylnych (aseptycznych) warunków. Jeśli dojdzie do jakiegokolwiek skażenia, konieczne może być zutylizowanie całej partii produktu, co niesie za sobą spore koszty.
W ATC inżynierowie GEA stosują metodę cyfrowych bliźniaków w celu wirtualnego stymulowania zachowania różnych płynów w czasie mieszania. „Co najistotniejsze, ATC pozwala firmom prowadzić testy bezpośrednio w bioreaktorach o pojemności 50 lub 500 litrów” – dodaje Begerad. „Tym samym na koniec testu wiedzą, czy ich komórkom było w systemie dobrze czy też nie”.
Aby powstał produkt końcowy, taki jak białko serwatkowe, należy przeprowadzić proces, w którym fermentacja stanowi tylko jeden z etapów. Poza nią są jeszcze przygotowanie, sterylizacja, oddzielenie, homogenizacja, filtrowanie i suszenie rozpyłowe nośników. „W tych dziedzinach większość firm nie ma zbyt dużego doświadczenia” – objaśnia Begerad. „Po zakończeniu fermentacji każde białko wytworzone przez dany organizm musi w procesie zostać potraktowane trochę inaczej”. W ATC GEA może we współpracy z klientami określić odpowiednie parametry dla każdego systemu i zoptymalizować ustawienia tak, aby optymalnie dostosować się do danych mikroorganizmów oraz produktu końcowego.
Dla wszystkich producentów w całym obszarze zastosowań zamienników białek – od mięsa z hodowli komórkowej po białka mleczne pochodzące z precyzyjnej fermentacji – kluczowe wyzwanie stanowi skalowanie produkcji. Ale Zidon-Eyal pragnie zaznaczyć, że praca z GEA to nie tylko skalowanie. „Piękno ATC polega na tym, że pozwala zyskać tak dokładny wgląd w sam proces produkcji – od jego rozpoczęcia aż po zakończenie” – dodaje. „Możemy swobodnie poeksperymentować z różnymi rozmiarami maszyn i całym szeregiem zmiennych. Możemy tworzyć różne konfiguracje linii przemysłowych i dowiedzieć się z pierwszej ręki, jak wpływają na wyniki końcowe. Nie chodzi więc wyłącznie o skalowanie, a o mądre skalowanie. Wiemy, że w ostatecznym rozrachunku nasz sukces – i być może także sukces całej branży – będzie zależeć od zaprojektowania ekstremalnie wydajnych procesów produkcyjnych dla każdego konkretnego produktu końcowego”.
„GEA może we współpracy z klientami określić odpowiednie parametry dla każdego systemu i zoptymalizować te ustawienia tak, aby optymalnie dostosować wykorzystywane mikroorganizmy oraz produkt końcowy”.– Dr Antje Begerad, Zastępca Dyrektora ds. Sprzedaży Nowej Żywności w GEA
– Dr Antje Begerad, Zastępca Dyrektora ds. Sprzedaży Nowej Żywności w GEA
Deputy Head of Sales New Food, GEA
Nawet gdy ImaginDairy rozpoczyna produkcję na szeroką skalę we współpracy z organizacjami zajmującymi się produkcją w ramach umowy, nadal pracuje z GEA nad poprawą procesów pod kątem inżynieryjnym. „Chcemy projektować wielkie linie do wytwarzania naszych produktów w przyszłości. GEA i ATC pozwalają nam dowiedzieć się o wiele więcej o sposobach optymalizacji procesów przemysłowych. Dlatego, gdy będziemy gotowi, by rozpocząć własną produkcję, będziemy mogli wdrożyć najlepszą możliwą linię” – tłumaczy Zidon-Eyal.
„Zaletą centrum zastosowań i technologii jest to, że uzyskujemy dokładny wgląd w sam proces produkcji – od jego rozpoczęcia do zakończenia. Nie chodzi więc wyłącznie o skalowanie, a o mądre skalowanie”.– Roni Zidon-Eyal, wiceprezes odpowiedzialna za rozwój biznesowy firmy ImaginDairy
– Roni Zidon-Eyal, wiceprezes odpowiedzialna za rozwój biznesowy firmy ImaginDairy
Vice President of Business Development, ImaginDairy
Więcej opcji to więcej zainteresowanych
Odkąd w 2020 r. w sklepach pojawiły się pierwsze produkty mleczne wyprodukowane w procesie precyzyjnej fermentacji z produktów niezwierzęcych, w branży nastąpił szybki rozwój i wzrost. Zgodnie z danymi Good Food Institute od 2022 r. w proces wykorzystywania precyzyjnej fermentacji na potrzeby wytwarzania alternatywnych białek zaangażowały się 62 firmy, z których 40 skupiło się na białkach mlecznych.[5]
ImaginDairy oraz amerykańska firma Perfect Day należą do tych, które skupiły się na produkcji białka serwatkowego. Inne, np. Change Foods, postawiły na kazeinę wykorzystywaną do produkcji sera z produktów niezwierzęcych. Yali Bio z kolei jest firmą rozpoczynającą swoją przygodę z precyzyjną fermentacją w celu produkcji tłuszczów mlecznych. Część firm, na przykład Bored Cow, tworzy swoje własne marki produktów, podczas gdy inne działają w 100% w schemacie B2B. Jedne z nich są start-upami, a inne gigantami sektora spożywczego (General Mills, Danone). Jest między nimi rywalizacja, ale Zidon-Eyal podkreśla kooperacyjny charakter ich wspólnego przedsięwzięcia: „Chcemy doprowadzić do ogromnej zmiany; żadna firma nie jest w stanie osiągnąć tego celu samodzielnie”.
Celem nie jest zastąpienie nabiału zwierzęcego ani roślinnego. Białka mleczne pozyskiwane w procesie precyzyjnej fermentacji mogą być wykorzystywane do produkcji nowych „prawie takich samych jak prawdziwe” wersji mleka, lodów, serów kremowych i jogurtów, a także do poprawiania dostępnych produktów roślinnych. Ponadto można je łączyć z tradycyjnym nabiałem, aby ograniczać ślad węglowy.
Obecnie najważniejszym wyzwaniem jest sprawić, by wykorzystywane mikroorganizmy wytwarzały ilości odpowiednio duże, by gwarantować dostawy producentom żywności i napojów. Tylko tak można osiągnąć równowagę między jakością a kosztem. A później klienci będą mogli ocenić sami. „To nasz największy cel” – tłumaczy Zidon-Eyal. „Zapewnić klientom większy wybór i przyciągnąć ich do siebie w większej liczbie”.
Lody (Zdjęcie: ImaginDairy/Sarit Goffen)
Źródła:
[1] https://ourworldindata.org/grapher/milk-production-tonnes?tab=chart
[2] https://www.statista.com/statistics/272003/global-annual-consumption-of-milk-by-region/
[4] https://www.statista.com/statistics/502280/global-dairy-market-value/
[5] https://gfi.org/wp-content/uploads/2023/01/2022-Fermentation-State-of-the-Industry-Report-1.pdf
