Biotransformacja zamiast utylizacji: fermentowane surowce bulwiaste i strączkowe

Szacuje się, że globalne systemy rolno-spożywcze generują około 1,3 miliarda ton strat i marnotrawionej żywności rocznie, co stanowi blisko 1/3 produkcji przeznaczonej do spożycia przez ludzi. Do największych źródeł stałych odpadów należy przemysłowe przetwarzanie roślin okopowych (ziemniak, batat, maniok, pochrzyn) oraz nasion roślin strączkowych (soja, groch, ciecierzyca, fasola, soczewica). W przetwórstwie ziemniaków obierki, pulpa mogą stanowić nawet 25% surowej masy bulwy, a produkcja napojów sojowych czy tofu generuje olbrzymie ilości okary. Tradycyjnie surowce te trafiają na wysypiska, do kompostowania lub na niskowartościowe pasze, generując koszty i stwarzając wysokie ryzyko mikrobiologicznego psucia ze względu na dużą wilgotność. W odpadach pozostają białko, błonnik, skrobia oraz cenne fitozwiązki. Mikrobiologiczna biotransformacja, prowadzona jako fermentacja na podłożu stałym (SSF, dla frakcji włóknistych) lub wgłębna (SmF, dla płynów), stanowi energooszczędną i zrównoważoną alternatywę dla ekstrakcji chemicznej, pozwalając przekształcić odpady w pełnowartościowe składniki funkcjonalne.

Biochemiczne mechanizmy biotransformacji

Kluczową rolę w procesie odgrywają bezpieczne szczepy bakterii fermentacji mlekowej (Lactobacillus plantarum, Lacticaseibacillus rhamnosus, Pediococcus pentosaceus), pleśnie i grzyby (Rhizopus oligosporus, Aspergillus spp., Pleurotus ostreatus) oraz drożdże Saccharomyces cerevisiae. Ich aktywność enzymatyczna prowadzi przede wszystkim do:

• Rozkładu substancji antyodżywczych i toksyn. Fitazy, tannazy i linamarazy redukują zawartość fitynianów, garbników oraz inhibitorów trypsyny w nasionach strączkowych, a w obierkach manioku fermentacja obniża stężenie toksycznych glikozydów cyjanogennych.
• Biotransformacji i uwalniania polifenoli, poprzez enzymy drobnoustrojów, które rozluźniają struktury ściany komórkowej, uwalniając związane fenole.  Przykładem jest działanie -glukozydaz przekształcających glukozydy izoflawonowe okary (daidzynę, genistynę) w znacznie lepiej przyswajalne przez układ trawienny człowieka, aglikony tj. daidzeinę i genisteinę.
• Częściowa hydroliza polisacharydów podnosi udział rozpuszczalnego błonnika, stymulując wytwarzanie kwasów SCFA w jelitach. Natomiast proteoliza zwiększa strawność białek i ogranicza powstawanie ich nieprzyswajalnych kompleksów.

Zastosowania aplikacyjne i perspektywa żywienia precyzyjnego

Przefermentowane produkty uboczne wykazują zmodyfikowane właściwości fizykochemiczne, takie jak ulepszona zdolność wiązania wody i tłuszczu oraz odmienna reologia żeli. W piekarnictwie fermentowane skrobie z bulw poprawiają strukturę miękiszu pieczywa bezglutenowego bez konieczności stosowania tradycyjnych drożdży, a przetworzone mąki z okary i łusek strączkowych pozwalają podnieść zawartość białka i błonnika w chlebie czy przekąskach ekstrudowanych, obniżając jednocześnie ich indeks glikemiczny. Izolaty białka ziemniaczanego mają zastosowanie w produkcji alternatyw nabiału poprzez umożliwienie formulacji stabilnych analogów jogurtów. Okara znajduje zastosowanie w fermentowanych napojach, sosach i jadalnych foliach bioaktywnych. Bogactwo aglikonów, kwasów organicznych i frakcji prebiotycznych tworzy także unikalną możliwośc dla żywienia precyzyjnego, ukierunkowanego na indywidualną modulację mikrobiomu jelitowego oraz regulację glikemii i markerów stanu zapalnego.

Wyzwania technologiczne i regulacyjne

Jak zauważają autorzy publikacji, wdrożenie technologii w skali przemysłowej wiąże się jednak ze znaczącymi barierami inżynieryjnymi i prawnymi. Skład surowców wykazuje dużą zmienność zależną od odmiany, pory zbiorów i warunków klimatycznych, co utrudnia standaryzację procesu. Skalowanie fermentacji na podłożu stałym generuje poważne ograniczenia w wymianie ciepła i masy, powodując niekorzystne gradienty temperatury i wilgotności wewnątrz bioreaktorów. Niezbędna pozostaje również stała analityczna kontrola czystości mikrobiologicznej oraz poziomów glikoalkaloidów, mykotoksyn czy cyjanowodoru w każdej partii produktu. Do tego dochodzi niepewność formalna związana ze statusem nowej żywności (Novel Food) oraz ograniczona liczba badań klinicznych na ludziach, które potwierdzałyby oświadczenia zdrowotne z zakresu żywienia personalizowanego.

Podsumowanie

Biotransformacja mikrobiologiczna produktów ubocznych z przetwórstwa bulw i strączków stanowi naukowo uzasadnioną, zrównoważoną metodę przekształcania uciążliwych  odpadowych w bezpieczne, zaawansowane składniki funkcjonalne. W ocenie autorów technologia ta otwiera przed przemysłem spożywczym  szansę, pozwalając przetwórcom na realną redukcję kosztów utylizacji w duchu gospodarki o obiegu zamkniętym, a jednocześnie dostarcza rynkowi nowej generacji surowców o podwyższonej gęstości odżywczej, lepszej przyswajalności i profilu dostosowanym do modulacji mikrobioty jelitowej. Warunkiem koniecznym do pełnego wykorzystania tego potencjału w realiach rynkowych pozostaje jednak rozwiązanie problemów związanych ze skalowalnością, harmonizacja procedur autoryzacji nowej żywności oraz weryfikacja korzyści metabolicznych w badaniach klinicznych na ludziach.

Źródło: https://www.mdpi.com/2311-5637/12/9/426