Zrównoważony system przekształcania odpadów w białka przeznaczone do żywności i pasz – wykorzystanie i bezpieczeństwo surowców

Naukowcy z King’s College w Londynie w dzienniku „Green Chemistry” poddali przeglądowi zrównoważony system przekształcania odpadów w białko w celu określenia maksymalizacji wykorzystania zasobów odpadów do opracowania rozwiązań w zakresie białek spożywczych i paszowych. Skupia się on na wolnym od zanieczyszczeń organicznym składniku trzech szerokich strumieni odpadów, które mogą być przekształcone w białko nadające się do spożycia lub na paszę dla zwierząt poprzez zrównoważone technologie produkcji białka.

Pod uwagę wzięto:

• strumienie odpadów żywnościowych obecne we frakcji organicznej stałych odpadów komunalnych
• odpady lignocelulozowe, które zdefiniowano jako jako lignocelulozowe pozostałości rolnicze z upraw, odpady leśne
• odpady z przemysłu spożywczego w postaci organicznych strumieni gazowych, płynnych i stałych generowanych z przetwarzania i produkcji w sektorze żywności i napojów.

Wybrane strumienie odpadów oferują znaczny potencjał w zakresie odzyskiwania zasobów i produkcji białka ze względu na wysokie stężenie składników odżywczych, ulegających degradacji związków organicznych oraz brak patogenów, metali toksycznych i innych niebezpiecznych zanieczyszczeń.

System przekształcania odpadów w białko zdefiniowano jako zbiór ścieżek wykorzystujących technologie procesowe do odzyskiwania białka o jakości spożywczej i/lub paszowej z wolnych od zanieczyszczeń zasobów odpadów organicznych. W związku z tym „przekształcenie odpadów w białko” odnosi się do białek pochodzących lub wyprodukowanych z niezanieczyszczonych materiałów organicznych bezpiecznych dla żywności lub bezpiecznych dla pasz, wykazujących jakość składu odpowiednią do wartościowego uszlachetniania.

Źródła przekształcania odpadów w białko

• Paszowa frakcja organiczna stałych odpadów komunalnych

Roczne globalne wytwarzanie odpadów z gospodarstw domowych odpowiada 2,01 miliarda ton stałych odpadów komunalnych (MSW). Frakcja organiczna stałych odpadów komunalnych (OFMSW) stanowi około 40% globalnych stałych odpadów komunalnych wytwarzanych każdego roku, stanowiąc obfite źródło odpadów organicznych przeznaczonych do pasz dla systemu przetwarzania odpadów w białko. Dla krajów o wysokich dochodach jest zasobem nadmiernie obfitym, a dla krajów o niskich dochodach cennym zasobem odżywczym ze względu na profil makroskładników. Regiony rozwijające się, takie jak Afryka i Azja Południowo-Wschodnia, również odpowiadają za 91,8% światowego niedożywienia, co wskazuje na pilną potrzebę zbadania nowych rozwiązań białkowych, np. przekształcania odpadów w białko, aby sprostać rosnącemu zapotrzebowaniu na składniki odżywcze i białka na tych obszarach.

Bezpieczeństwo

Uprawy mogą jednak gromadzić geny oporności na antybiotyki z nawozów organicznych (np. obornika) stosowanych w glebie, potencjalnie zanieczyszczając źródła frakcji organicznej stałych odpadów komunalnych, a także może być dalej zanieczyszczony poprzez inne odpady bogate w patogeny. Wstępna obróbka owych odpadów przed waloryzacją białka jest zatem niezbędna, aby złagodzić skutki zdrowotne powodowane przez takie zanieczyszczenia. Wstępna ich obróbka jest niezbędna, by złagodzić skutki zdrowotne powodowane przez takie zanieczyszczenia, co można zrobić przez np. ozonowanie – jest powszechnie stosowane do oczyszczania ścieków zawierających geny odporności na antybiotyki. Mimo to, proces wymaga ściśle kontrolowanych warunków zależnych od właściwości odpadów stałych np. pH, wielkość cząstek, zawartość wody. Z drugiej strony doniesiono, że obróbka techniczna (np. mikrofale) oraz technologie wysokiego ciśnienia powodują niszczenie patogenów rozrywając struktury ściany komórkowej oraz jednocześnie zwiększając rozpuszczalność cukrów i białek.

• Odpady lignocelulozowe

Pozostałości rolnicze

Odpady lignocelulozowe z rolnictwa są rozproszonym na całym świecie, bogatym w węgiel, niezanieczyszczonym i bezpiecznym dla żywności zasobem, który stanowi potencjalnego kandydata do odzyskiwania białka o wartości odżywczej. Chociaż różne kraje i regiony wykazują różne wskaźniki produkcji upraw rolnych, wszystkie kraje wytwarzają odpady lignocelulozowe w postaci pozostałości rolniczych. Zawartość białka surowego często stanowi mniej niż 8% pozostałości rolniczych. Można jednak zastosować zrównoważone technologie w celu przekształcenia składnika lignocelulozowego w białko. Na przykład szczepy drobnoustrojów zdolne do metabolizowania surowca lignocelulozowego można wykorzystać do produkcji białka spożywczego lub paszowego.

Pozostałości leśne

Globalne zasoby leśne wynoszą 600 066 megaton rocznie i składają się z biomasy nadziemnej i podziemnej oraz 67 000 megaton martwego drewna rocznie. Pozyskiwanie białka z odpadów leśnych do spożycia przez ludzi jest szczególnie problematyczne, ponieważ grunty leśne mogą być znacznie skażone, np. te wykorzystywane do fitoremediacji.

Bezpieczeństwo

Ze względów bezpieczeństwa może być wymagana wstępna obróbka w celu usunięcia szkodliwych toksyn przed procesami ekstrakcji białek lub węglowodanów. Technologie takie jak ekstrakcja cieczą pod ciśnieniem, ekstrakcja cieczą w stanie nadkrytycznym i ekstrakcja wodą podkrytyczną wykazały obiecującą skuteczność w zmniejszaniu zawartości pestycydów organicznych i metali ciężkich zawartych w strumieniach odpadów lignocelulozowych. Ze względu na wysoki koszt są jednak rzadko wykorzystywane do przetwórstwa przemysłowego. Co więcej, względu na wysokie wymagania dotyczące czystości wymagane do spożycia przez ludzi i zwierzęta, wymagane są intensywne wysiłki badawcze w celu optymalizacji obróbki wstępnej w celu osiągnięcia maksymalnej redukcji zanieczyszczeń, przy jednoczesnym łagodzeniu szkodliwych zmian chemicznych związków surowca, które mogą znacznie obniżyć wydajność i wydajność ekstrakcji białek i procesy biokonwersji.

• Odpady przemysłu spożywczego i napojów

Kwantyfikacja produkcji odpadów przemysłu spożywczego jest trudna ze względu na jej złożony charakter i ogromną skalę. Dlatego wybrano wymierne strumienie odpadów z dwóch gałęzi przemysłu (połowy krewetek i młóto browarnicze) jako przykłady pokazujące potencjał odpadów przemysłu spożywczego w systemie przetwarzania odpadów w białko.

Odpady z krewetek

Przemysł połowów krewetek jest dobrym celem do odzyskiwania zasobów z odpadów na białko, ponieważ ma ugruntowaną pozycję w Afryce i Azji Południowo-Wschodniej i generuje 6–8 megaton rocznie odpadów organicznych bogatych w białko (40% białka) podczas fazy przetwarzania. Odpady z krewetek zawierają również chitynę, która stanowi 20–30% ich biomasy. Chitynę można przekształcić w rozpuszczalny w wodzie chitozan, polisacharyd o wartości dodanej o szeregu właściwości funkcjonalnych i zastosowaniach przemysłowych (np. dostarczanie leków, zagęszczanie i stabilizowanie żywności). Połączone odzyskiwanie białka i polisacharydów o wartości dodanej, takich jak chitozan, może potencjalnie poprawić ekonomikę i zrównoważony charakter procesów przetwarzania odpadów w białko.

Młóto browarnicze

Najobficiej występującym produktem ubocznym generowanym przez przemysł browarniczy jest młóto browarnicze które dzięki składowi chemicznemu bogatemu w białko i węgiel ma ogromny potencjał w zakresie odzyskiwania białka. Głównym składnikiem tkanek młóta są ściany komórkowe składające się głównie z polisacharydów nieskrobiowych, z których część jest zdrewniała.

Bezpieczeństwo

Pomimo względnego braku zanieczyszczeń chemicznych (np. metalami ciężkimi), strumienie odpadów z sektora żywności i napojów są bardzo podatne na zanieczyszczenie poprzez wzrost potencjalnie chorobotwórczych drobnoustrojów. Kontrolowana pasteryzacja w odpowiednio wysokiej temperaturze przed przetworzeniem jest więc stosowana by zapobiec zanieczyszczeniu produktów końcowych. Przez i po procesie należy pamiętać o stosowaniu badań toksykologicznych oraz patogenetycznych. Konieczne są jednak badania i rozwój nowych technologii pasteryzacji, takich jak obróbka wysokociśnieniowa, ponieważ wykazano, że obecne procesy wysokotemperaturowe wpływają na właściwości sensoryczne i funkcjonalne waloryzowanego białka.

• Owady

Wolne od zanieczyszczeń bioodpady stanowią teoretyczny strumień paszy dla owadów, które działają jako biokonwertery odpadów na białko. Owady można zbierać i przetwarzać na żywność dla ludzi dzięki prostym metodom przetwarzania np. gąsienice i mączniki są przygotowywane przez oparzanie, suszenie i gotowanie, a batoniki białkowe z owadów są przygotowywane przez mielenie i przetwarzanie. szacuje się, że miliard światowej populacji polega na owadach jako głównym źródle białka, szczególnie w krajach Afryki, Ameryki Południowej i Azji Południowo-Wschodniej. Większość owadów jest bogata w białko i inne składniki odżywcze, takie jak żelazo i witamina A. W zależności od gatunku odpadów organicznych wykorzystywanych jako substrat, technologie hodowli owadów stanowią źródło białka przeznaczonego do spożycia przez ludzi lub na paszę dla zwierząt. Jako wydajne biokonwertery odpadów na białko, owady osiągają wysoką wydajność konwersji, przekształcając odpady niskiej jakości w źródła białka.

Bezpieczeństwo

Jeżeli chodzi o bezpieczeństwo i zapewnienie jakości owadów przeznaczonych do celów żywnościowych i paszowych, głównym problemem komplikującym jest wysoka zawartość drobnoustrojów przenoszonych przez owady, które w przypadku braku skutecznego leczenia mogą być źródłem chorób przenoszonych przez żywność/paszę. Powszechnie stosowane techniki mikrobiobójcze, takie jak gotowanie komercyjne i domowe (np. gotowanie), skutecznie niszczą mikrobiom po zbiorze, a następnie można zastosować suszenie i chłodzenie w celu utrzymania sterylności. Ze względu na dużą różnorodność biologiczną owadów, a co za tym idzie dużą zmienność składu mikrobiomu, zapewnienie bezpieczeństwa może stać się bardziej skomplikowane.

Odkryto ponad 80 gatunków drobnoustrojów, które umożliwiają skuteczne odzyskiwanie białek drobnoustrojów z preferowanymi profilami aminokwasów, które są charakterystyczne dla białek o wysokiej wartości biologicznej. Uzasadnione są skoordynowane wysiłki by poszerzyć zakres mikroorganizmów, niezależnie lub w połączeniu z mikrobiomami lub zaprojektowanymi kulturami, które można uznać za bezpieczne dla ulepszenia zasobów wtórnych w kierunku bezpiecznej paszy i żywności dla zwierząt. Owady jako biokonwertery oferują skuteczne mechanizmy przekształcania różnych rodzajów odpadów w białka żywności lub pasz, które są na ogół bogate w białko, witaminy i minerały, takie jak żelazo, wapń, mangan i cynk, w porównaniu z innymi białkami pochodzenia zwierzęcego.

Źródło: Green Chemistry