Gist, zetmelen en enzymen

Van Techniek in Nederland

Ga naar: navigatie, zoek

Versnelde ontwikkeling biochemische methoden


Van oudsher maakten mensen gebruik van biochemische omzettingsprocessen, bijvoorbeeld bij de bereiding van bier en wijn door middel van gisting. Door het ontstane inzicht in het gedrag van gistcellen kon de toepassing worden gediversificeerd voor verschillende producten en waren bijvoorbeeld al in de negentiende eeuw de soorten gist die benodigd waren voor brood en bier, geheel van elkaar gaan verschillen.

Zo was de Gist- en Spiritusfabriek in Delft zich gaan richten op de productie van zo zuiver mogelijke bakkersgist. Deze zuivere gist werd als ingrediënt toegeleverd aan de bakkersbedrijven en bierbrouwerijen, om bepaalde bewerkingen op de grondstoffen uit te kunnen voeren. Net als de velerlei soorten van machines die in de voedingsmiddelenindustrie worden gebruikt voor bewerkingen als raspen, malen en persen, dienden deze organische ingrediënten ertoe specifieke taken in het productieproces, zoals het rijzen van deeg, uit te voeren.

Deze werkwijze is te rangschikken onder de brede scala aan biotechnologische methoden, die in de twintigste eeuw een versnelde ontwikkeling hebben ondergaan. Naarmate de kennis over de gedragingen van micro-organismen, schimmels en hun bestanddelen toenam, konden transformatieprocessen steeds meer worden gebruikt voor bepaalde, tevoren vastgestelde doeleinden in de productie van voedingsmiddelen.

Tijd, geld en grondstoffen konden door de producenten zodanig efficiënt worden aangewend, dat meer opbrengst mogelijk was tegen minder kosten. Ook het streven naar kwaliteitsverbetering van de producten in een of meer opzichten vormde een belangrijk motief.

Behalve micro-organismen als gistcellen en goedaardige bacteriën, worden ook sommige enzymen (ook wel fermenten genoemd) benut om gewenste veranderingen in voedingsmiddelen te bewerkstelligen.[23]

Enzymen dienen als katalysator om chemische reacties in levende organismen bij lage temperatuur en neutrale pH met hoge snelheid te laten verlopen. Enzymen, veelal bestaande uit eiwitten, werken zeer specifiek en reguleren de reacties in elke cel, waardoor ze noodzakelijk zijn voor vrijwel alle levensprocessen, met name ook de stofwisseling.[24]

Aan het begin van de twintigste eeuw werkten kaasproducenten met fermenten (als stremsels), echter zonder dat ze het verloop en de kwalitatieve uitkomst van het bereidingsproces in de hand konden houden. Daarop was veel wetenschappelijk onderzoek gericht in de twintigste eeuw.


Goud waard

Niet alleen in de zuivelindustrie werden enzymen onderzocht en toegepast, dat gold ook de zetmeelbedrijvigheid en de sappenindustrie.[25] Al in de negentiende eeuw werd aardappelzetmeel gebruikt als grondstof voor de transformatie in enkele derivaten: sago (bindmiddel), glucose en dextrose.

In 1920 startte Scholten’s Aardappelmeelfabrieken een chemische dochteronderneming met het doel zwelstijfsels, oplosbaar in koud water, te maken. Sindsdien is, met name na de Tweede Wereldoorlog, de aardappel als ‘chemische goudmijn’ verder geëxploreerd, gefractioneerd en geanalyseerd tot in de kleinste enzymatische bestanddelen.[26]

Voor de productie van ingrediënten zoals verdikkingsmiddelen stapte de zetmeelindustrie over op modificatie van de eigenschappen van zetmeel door de werking van enzymen te benutten. Droge instantproducten, bijvoorbeeld, worden op basis van gemodificeerd zetmeel gemaakt.[27] In 1995 waren ongeveer 30 soorten enzymen bekend, op basis waarvan 200 tot 250 ingrediënten in productie waren (zie tabel 5.1).[28]



Vruchtensap


Aan het Sprengerinstituut werden al decennialang proeven genomen met de conservering en bewaring van groenten, fruit en vruchtensappen. De werkwijze bij het maken van appelsap, bijvoorbeeld, bestond in een reeks bewerkingen, te beginnen met het persen van het sap uit de cellen van het vruchtvlees, vervolgens het scheiden en klaren van de troebele vloeistof.

Tot de jaren vijftig gebeurde dit in de industrie weliswaar mechanisch, net als thuis, maar zeer omslachtig. Lattenbodems met daarop lagen in kaasdoek gewikkelde vruchten werden geperst waarbij na elke lading de gehele constructie uit elkaar gehaald moest worden om te worden schoongemaakt. Sapbereiding lijkt gemakkelijker dan het is; bij sinaasappelen, bijvoorbeeld, laat het sap gemakkelijk los, maar bij zacht fruit (kersen, bessen, bananen) of koelhuisfruit (appels) verkrijgt men na het persen geen sap, maar een geleiachtige drab, omdat de moleculen uit de celwand hun sap vasthouden.

Hoe nu de macromoleculen in de celwand op andere wijze af te breken? Dit bleek mogelijk met enzymen, geproduceerd door bepaalde schimmels (van de Aspergillus-familie) waarvan bekend was dat ze de celwand kunnen ‘openen’. Door gezuiverd schimmelextract aan vruchtenpulp toe te voegen, kunnen enzymen hun werk doen en de pectines in de celwand afbreken. Hierdoor laat de celwand het sap los, wordt de kleur beter (bijvoorbeeld van bessensap) en wordt de viscositeit lager.

Dit laatste effect is van belang zowel voor de bereiding van het sap als voor het transport, omdat het sap voor het vervoer wordt geconcentreerd en indikken alleen mogelijk is wanneer de macromoleculen door enzymen zijn afgebroken. Micro-organismen kunnen niet gedijen in het diksap zodat ze geen bederf meer kunnen veroorzaken. Vele toepassingsmogelijkheden zijn sindsdien uitgeprobeerd.

Hoewel het proces van enzymafbraak een grote vereenvoudiging betekende, was de beheersing van het proces toch nog niet voldoende: de fabrikanten van enzymen wilden weten waarom deze het ene jaar beter werkten dan het andere en daarmee inzicht verkrijgen in het proces zelf. De gebruikte schimmel kon tientallen enzymen produceren, die niet eerst gescheiden werden, terwijl er voor de sapbereiding niet meer dan enkele daarvan nodig waren.

Een combinatie van economische en technische redenen leidde ten slotte tot een bijzonder belangrijke innovatie op dit gebied, namelijk het vervloeiingsprocédé. Samen met het Sprengerinstituut (nu ATO-DLO) slaagden de Wageningse hoogleraren levensmiddelentechnologie W. Pilnik en A.G.J. Voragen erin dit procédé te ontwikkelen in 1973.

De vinding van deze techniek vormt een illustratie van praktisch en theoretisch Nederlands enzymonderzoek.[30] Begin jaren zeventig werd het appelras Golden Delicious zeer populair en de meeste boomgaarden in West-Europa werden hierin omgezet, maar toen Grannie Smith nog populairder werd hadden de kwekers een probleem. De productie van appelsap uit Grannie Smith stuitte door de eigenschappen van deze appel op technische moeilijkheden. W. Pilnik bleek op dat moment fundamenteel onderzoek te doen naar enzymatische processen en richtte zich daarbij op de enzymen die verantwoordelijk zijn voor de celwandafbraak. De innovatie bestond erin de werking van pectine- en cellulose-oplossende enzymen in de vruchtenpulp te combineren. Het uit deze ‘vervloeiing’ resulterende troebele sap behoefde daarna, simpel gezegd, alleen nog te worden geklaard.

Deze vondst had verstrekkende gevolgen voor de sapbereiding, omdat nu niet meer voor elk type vrucht een aparte pers nodig was. De eenvoud van het vervloeiingsprocédé opende ook toepassingsmogelijkheden in ontwikkelingslanden. De sapbereiding is erdoor vereenvoudigd en de opbrengst verhoogd: meer dan 90%, waar vroeger 75% tot 85% werd gehaald.

Toch waren nog niet alle problemen opgelost. De troebeling leek op bacterievorming en dus bederf; algehele afbraak van de celwandbestanddelen bleek hiervoor een oplossing. Nu deed zich echter een nieuw probleem voor en wel dat de smaak beïnvloed kan worden door afbraakproducten. Verschillende methoden voor het achterhalen van smaak(verandering) werden toegepast, subjectieve en objectieve. Groepen mensen liet men proeven en daarnaast werd een gaschromatograaf met een daaraan gekoppelde massaspectrometer gebruikt om de vluchtige aromastoffen (enkele tientallen) te registreren. Hierdoor zijn de patronen in de stoffen voor de verschillende bereidingswijzen te meten.

Toepassing van andere enzymen en verandering van procescondities bleken smaakafwijkingen te kunnen corrigeren. Industrieel en thuis bereid appelsap verschillen nog steeds van smaak doordat de aanwezige vezels bij de huishoudelijke bereiding niet verdwijnen, maar in de fabriek wel.

Voordat het product in de handel kon komen, waren er nog vele barrières van technische, juridische en economische aard te overwinnen. De schimmels die de enzymen produceerden, leverden bijvoorbeeld een onwenselijk gif op; andere schimmelstammen bleken in dit opzicht beter te voldoen. Voorts vormde in de jaren zeventig de hoge prijs van cellulose-afbrekende enzymen een probleem; dit is inmiddels veranderd. Begin jaren negentig werd het vervloeiingsprocédé bijna overal ter wereld toegepast. De continue, niet-seizoengebonden beschikbaarheid van een grote keuze aan sappen (recentelijk inclusief de keuze: met of zonder vezels) in de supermarkt lijkt voor consumenten van nu vanzelfsprekend. Een belangrijke innovatie op het terrein van enzymen ligt hieraan echter ten grondslag.