Hvis kløvergræs skal kunne anvendes som ny ressource til udvinding af fødevareproteiner, kan membranteknologi være vejen frem.
Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 3, 2025 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder
(læs originalartiklen her)
Af Mette Lübeck, Mads Koustrup Jørgensen, Simon Gregersen, Anders Kjær Jørgensen og Peter Stephensen Lübeck, Institut for Kemi og Biovidenskab, Aalborg Universitet
Verden står over for store udfordringer med hensyn til produktion af fødevarer i fremtiden. Den nuværende produktion er i høj grad baseret på animalsk produktion, hvilket ikke er bæredygtigt på grund af et meget højt negativt klimaaftryk. Men i vores kost har vi brug for en vis mængde protein indeholdende essentielle aminosyrer, og de kommer primært fra animalske produkter. Nogle af de animalske proteiner, for eksempel fra æg og mælk, har også nogle gode teknofunktionelle egenskaber, som er eftertragtede som fødevareingredienser. Derfor arbejdes der intenst på at finde alternative løsninger til produktion af fødevareingredienser, der indeholder proteiner med essentielle aminosyrer og med lignende teknofunktionelle egenskaber, så det bliver muligt at reducere den nuværende animalske produktion. En vej er at producere fødevareproteiner fra planter, som for eksempel kløvergræs.
Kløvergræs giver klima- og miljøgevinster
Kløvergræs dyrkes i dag i landbruget som foder til køer og får. Kløvergræs har nogle gode dyrkningsmæssige egenskaber i forhold til miljø og klima, idet de på mange måder er optimale til at understøtte landbrugets omstilling. De kan dyrkes uden brug af pesticider, med mindre eller ingen gødning, og bidrager samtidig til kulstoflagring, reduceret næringsstofudvaskning og giver mulighed for høst, selv efter længere tørkeperioder takket være deres dybe rodnet.
Flerårige kløvergræsser er med deres lange vækstsæson i stand til at udnytte sollyset i højere grad gennem sæsonen end etårige planter. De kan derved opnå højere tørstof og proteinudbytte per hektar end andre landbrugsafgrøder. Der har gennem en årrække været stor fokus på at udvinde proteiner af foderkvalitet fra kløvergræs til enmavede dyr, der ellers vanskeligt kan omsætte græs på grund af det høje indhold af ufordøjelige fibre [1]. Proteinerne udvindes i grønne bioraffinaderier, hvor alle plantens komponenter kan anvendes i en fuldt cirkulær proces.
Den anvendte metode til udvinding af foderproteiner foregår ved at høste frisk kløvergræs og skruepresse det for at få en proteinrig saft. Proteinerne udvindes gennem en varmebehandling, der koagulerer proteinerne, som så fanges gennem centrifugering. Denne proces er i Danmark kommercialiseret og anvendes for eksempel på Herregården Ausumgaard i samarbejde med fodervirksomheden Vestjyllands Andel og af firmaet Biorefine, der er dannet af grovvareselskaberne DLG og Danish Agro sammen med græsfrøfirmaet DLF. De udvundne græsproteiner anvendes som foder til fjerkræ og grise, og en hel del undersøgelser har påvist, at græsproteinerne kan erstatte importeret sojaprotein [1].
Græsprotein udvundet ved denne metode er uegnet til mennesker på grund af den kraftige smag og duft af græs, der ikke kan maskeres og som vanskeligt efterfølgende kan fjernes. Desuden ødelægger varmeudfældningen proteinstrukturen, opløseligheden i vand og de gode funktionelle egenskaber, som er kendt for fotosynteseproteinet RuBisCO [2].
Udvinding af fødevareproteiner
For at skabe økonomisk bæredygtige grønne bioraffinaderier vil udvinding af fødevareproteiner – med foderproteiner som biprodukt – forbedre økonomien markant.
Alle grønne, fotosyntetisk aktive blade, som for eksempel kløverplanter og græsser, har et højt indhold af proteiner, især RuBisCO, der indeholder tilstrækkeligt af de essentielle aminosyrer, som vi mennesker har brug for. Der har gennem tiden været en række forsøg på at udvinde RuBisCO til fødevareformål fra forskellige typer af grønne blade inklusive kløvergræsser. De fleste metoder anvender en mild varmeudfældning, hvor det er muligt at fjerne en del fibre og klorofyl fra saften, inden de vandopløselige proteiner udfældes, enten ved endnu en varmebehandling ved høj temperatur eller ved at sænke pH til cirka 4.
I begge tilfælde kan proteinerne udvindes, men den efterfølgende opløselighed mistes helt ved varme og delvist ved syreudfældning, selv når pH justeres tilbage til neutral på grund af hel eller delvis irreversibel denaturering af proteinerne. Alternativt kan proteinerne opsamles ved membranteknologi gennem ultrafiltrering, der kan tilbageholde de vandopløselige, native proteiner, efter den første initiale milde varmeudfældning. I dette trin mistes langt det meste protein, som dog stadig kan anvendes til foderprotein til enmavede dyr.
Hvis man skal udvinde proteiner fra planter til fødevarer, hvor de naturlige egenskaber bevares, skal der mere nænsomme metoder til. Inspireret af valleeventyret, hvor membranfiltreringsteknologi har øget værdien af valle gennem produktion af en portefølje af produkter (valleprotein, proteinisolater, specialproteiner, laktose mv.), har vi visionen, at tilsvarende fremskridt kan ske for bæredygtig udnyttelse af saften fra kløvergræs. Vi har derfor udviklet en metode, hvor vi har fjernet den ovennævnte beskrevne milde varmeudfældning for at få større udbytte af de vandopløselige proteiner, særligt RuBisCO. I stedet har vi erstattet det med en proces, hvor membranfiltrering anvendes til tilbageholdelse af de uønskede komponenter i saften som cellerester, og fibre fra skruepresningen, samt mikroorganismer, som uvægerligt lander i saften.
På grund af indholdet af cellerester og fibre i grønsaften, tilstopper membranen let, hvilket har været en udfordring i udviklingen af teknologien. Gennem et intensivt udviklingsarbejde og tests af en lang række af både procesparametre og membraner af forskelligt materiale og med forskellige egenskaber og permeabilitet, er det lykkedes at udvikle en to-trins-membranfiltreringsmetode. I denne metode kan der kan høstes ikke-grønt, lugt- og smagsneutralt protein, som primært består af RuBisCO.
I det første membranfiltreringstrin tilbageholdes fibre, cellerester, klorofyl og mikroorganismer, samt farven, smagen og duften fra græsset, mens der i det andet membranfiltreringstrin anvendes en tættere membran, som tilbageholder de vandopløselige proteiner (figur 1) [3]. Ved hjælp af diafiltrering kan mindre molekyler som sukre og salte udvaskes fra de tilbageholdte proteiner, og proteinindholdet øges. Efter endt filtrering kan fødevareproteinerne spraytørres.
Et af de allervanskeligste problemer, som vi har arbejdet med, er, at der – umiddelbart efter høst af friskt plantemateriale – går en lang række enzymatiske processer i gang, som dels stammer fra planterne selv, når de såres og dels stammer fra mikrobiel aktivitet. På grund af disse udfordringer, og for at forhindre nedbrydning af proteinerne, er det vigtigt at processere plantematerialet så hurtigt som muligt efter høst og skruepresning, at tilsætte kemikalier som for eksempel sulfit, der er almindeligt i fødevareindustrien, til at hæmme de mikrobielle og enzymatiske processer, og i videst muligt omfang at undgå oxidering ved, at processen foregår så iltfrit som muligt.
Fødevareproteinproduktets egenskaber
Det har vist sig, at det første filtreringstrin fuldstændigt fjerner den grønne farve (klorofylet) samt duft og smag af græs. Det opsamlede fødevareprotein er derfor lyst til brunligt, og det har bevaret sin naturlige form, som gør det anvendeligt i forskellige fødevaresammenhænge. Ved hjælp af avancerede proteomics metoder har vi klarlagt, hvor meget RuBisCO udgør af det udvundne protein. Gennem proteinkarakterisering har vi fundet en forklaring på, hvorfor klorofylet, som er et mindre molekyle end de fleste proteiner, tilbageholdes i det første membranfiltreringstrin.
I samarbejde med Fødevareinstituttet ved DTU har vi undersøgt indholdet af potentielle allergene proteiner in silico, hvor det er muligt, ud fra kendskab til allergene proteinfamilier, at klarlægge indholdet af sådanne proteiner. Dette er vigtig viden, eftersom proteiner fra kløvergræs betragtes som ”novel food” i EU og er underlagt regulering, så der skal søges om godkendelse til at kunne markedsføre græsprotein som fødevareingrediens.
Vi har også undersøgt de teknofunktionelle egenskaber af membranfiltreret kløvergræsprotein i samarbejde med Institut for Fødevarevidenskab ved Københavns Universitet, hvor der også ses på, hvilke fødevaretyper proteinerne vil kunne anvendes til. Da RuBisCO bibeholder sin naturlige form ved membranoprensningen, bevarer det egenskaber som opløselighed, gelering, skumning og emulgering, hvilket, ud over sit indhold af essentielle aminosyrer, giver mulighed for mange forskellige fødevareapplikationer.
Den udviklede membranfiltreringsmetode, som lige nu testes på pilotskala i samarbejde med virksomheden BiomassProtein, er skalerbar til industriel skala, og kan med stor sandsynlighed også overføres til en række kommercielt dyrkede planter, hvor bladene traditionelt er underudnyttede, såsom blade fra roer, gulerødder, kartofler, hamp og kassava. Vi har netop modtaget en bevilling fra Novo Nordisk Fonden, hvor vi skal udvikle og undersøge udvinding af proteiner fra blade fra nogle af disse planter.
E-mail:
Mette Lübeck: mel@bio.aau.dk
Referencer
1. Santamaría-Fernández, M. and Lübeck, M. (2020). Production of leaf protein concentrates in green biorefineries as alternative feed for monogastric animals. Animal Feed Science and Technology, 268, 114605. https://doi.org/10.1016/j.anifeedsci.2020.114605.
2. Di Stefano, E., Agyei, D., Njoku, E.N. and Udenigwe, C.C. (2018). Plant RuBisCo: An Underutilized Protein for Food Applications. Journal of the American Oil Chemists’ Society, 95, 1063-1074. https://doi.org/10.1002/aocs.12104
3. Lübeck, P.S., Mattsson, T., Jørgensen, A.K., Echers, S.G., Jørgensen, M.K., Olsen, M., Heiske, S.U., and Lübeck, M. 2023. Aalborg University/BiomassProtein ApS patent application PA202370631 – GIPC ref. P3473PC00: Method for producing a food grade protein product and/or a feed protein product from plant material.
