Rødbedefarve genopfundet: hvordan olieagtig gær kan revolutionere brugen af naturlige farvestoffer

Miljø og bæredygtighed 2. jul 2024 3 min Professor Irina Borodina, Research Assistant Philip Tinggaard Thomsen Skrevet af Morten Busch

I fødevareproduktionen afgører farve ofte, hvordan forbrugerne opfatter smag og kvalitet. Selvom syntetiske farvestoffer har domineret, er der en stigende tendens henimod naturlige alternativer. En ny metode bruger gæren Yarrowia lipolytica til at producere betanin, et rødt pigment fra rødbeder. Denne bæredygtige tilgang forbedrer renheden og reducerer ressourceforbruget sammenlignet med traditionelle metoder. På trods af udfordringer med skalering og reguleringsgodkendelse kan denne innovation transformere fødevarefarveindustrien og udvide paletten af naturlige fødevarefarver.

Interesseret i Miljø og bæredygtighed? Vi kan holde dig opdateret helt gratis

Farve spiller en afgørende rolle i at forme, hvordan forbrugere opfatter smag og kvalitet. Syntetiske farvestoffer har traditionelt domineret markedet, men voksende forbrugerefterspørgsel efter naturlige alternativer forårsager en betydelig ændring inden for industrien. En lovende udvikling involverer brugen af den olieagtige gær, Yarrowia lipolytica, til at producere betanin – en naturlig rød farve, der ellers udvindes fra rødbeder. Den nye kan markant ændre landskabet for fødevarefarvning.

"Hvad der virkelig er revolutionerende ved vores proces, er ikke kun dens bæredygtighed og potentielt lavere omkostninger, men også et produkt med højere renhed. Rødbedeekstrakt indeholder høje koncentrationer af sukker, mens vores fermenterede produkt kan laves sukkerfrit og dermed mere koncentreret," forklarer Irina Borodina, professor ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability, Danmarks Tekniske Universitet, Kongens Lyngby.

Den første afgørende skridt

Den traditionelle metode til at udvinde betanin fra rødbeder er notorisk ineffektiv og ressourcekrævende, da pigmentets naturlige koncentration er lav - kun cirka 0,2% af rødbedens våde vægt. Den bioteknologiske proces udviklet af forskerne udnytter metabolic engineering - biotektnologisk ændring af cellers processer - og optimerer gæringen for at producere betanin og dets kemiske isomer-tvilling, isobetanin, direkte fra glukose.

"Denne metode forenkler ikke kun produktionsprocessen, men forbedrer også dens effektivitet dramatisk. Vi konstruerede Y. lipolytica som en ny produktionsvært på grund af dens kapacitet til at producere høje niveauer af fedtstoffer og organiske syrer, hvilket indikerer potentiale for andre værdifulde forbindelser i stil med betanin," forklarer Irina Borodina.

Yarrow lipolytica er en attraktiv cellefabrik, der er blevet brugt til at producere omega-3-fedtsyrer (DuPont), steviaglucosider og carotenoider (DSM), lipider (Novogy), feromoner (BioPhero) og mange andre produkter i industriel skala. Det er også en gærart, der ofte forekommer i fødevarer, såsom ost eller pølser. 

"I modsætning til bagegær eller bryggergær producerer Y. lipolytica ikke ethanol, hvilket forenkler storskalaproduktion. Det første afgørende skridt var at indsætte gener til betaninsyntese fra rødbeder i gærenes genom. Vi tilføjede ikke bare disse gener. Vi måtte sikre, at de blev udtrykt korrekt og i de rette mængder," uddyber hun.

Meget højere end tidligere forsøg

For at lykkes med projektet, benyttede teamet CRISPR-Cas9-teknologi til præcist at redigere gærens DNA og forbedre de veje, der fører til betanin. De øgede desuden den kunstige tilførsel af en forløber til aminosyren, l-tyrosin, som er en essentiel byggesten for betanin, ved at ændre gærens metaboliske processer for derved at booste dens produktion.

"Dette involverede deaktivering af gener, der sender ressourcer væk fra l-tyrosin-produktionen, og sletning af dem, der nedbryder betanin, når det dannes, såsom 4-HPPD-genet, der giver en konkurrerende veje samt sletning af specifikke glukosidase-enzymer, der nedbryder pigmentet," tilføjer en anden hovedforfatter, Philip Tinggaard Thomsen, forskningsassistent ved Novo Nordisk Foundation Center for Biosustainability.

Resultaterne var markante. Under den kontrollerede gæring på en simpel glukose-sukkerkilde, opnåede forskerne 1.271 mg betanin per liter og 55 mg isobetanin per liter inden for 51 timer.

"Dette er meget højere end alle tidligere forsøg med andre organismer. Opskaleringen viste, at denne proces effektivt kunne overføres fra laboratoriet til industrielle anvendelser," fastslår Philip Tinggaard Thomsen.

Endelig foretog forskerne en såkaldt LCA livscyklusvurdering for at vurdere miljøbelastning og tekno-økonomisk analyse for at vurdere dens økonomiske bæredygtighed.

"De to vurderinger viser, at vores metode væsentligt kunne reducere brugen af jordareal og ressourcer sammenlignet med traditionelle udvindingsmetoder, alt imens omkostningerne forbliver de samme," forklarer han.

Strækker sig ud over betanin

Projektet viser, hvordan målrettede genetiske ændringer og avancerede gæringsprocesser kan føre til mere bæredygtige praksis i produktionen af farvestoffer til fødevarer.

"Ved at rekonstruere Y. lipolytica producerede vi betanin i koncentrationer, der var cirka 42 gange højere end tidligere med andre typer gær som Saccharomyces cerevisiae," bemærker Philip Tinggaard Thomsen.

Det nye fremskridt inden for mikrobiel fermenteringsteknologi giver betydelige miljømæssige fordele ifølge den omfattende livscyklusvurdering.

"Hvis vi fuldt ud udnytter potentialet i denne fermenteringsbaserede farveproduktion, kan vi opfylde verdens efterspørgsel på kun en tiendedel af det normale landareal. Skiftet fra jordafhængige udvindingsprocesser til bioreaktorbaseret produktion forbedrer både bæredygtighed og skalerbarhed betydeligt," fremhæver Irina Borodina.

Anvendelsen af teknologien strækker sig ud over blot at producere betanin. Den strukturelle mangfoldighed af betalainer, den pigmentfamilie som betanin tilhører, tilbyder mange muligheder for at skabe en række farver og nuancer.

"Den nuværende proces giver et udgangspunkt, hvorfra vi kan udvide til at lave andre betalain-baserede farver, som i øjeblikket er for dyre at udvinde fra planter. Dette kunne åbne nye veje for at producere et bredere spektrum af naturlige fødevarefarver, hvilket forbedrer både bæredygtigheden og den økonomiske gennemførlighed af deres produktion," siger Irina Borodina.

Fra laboratorieforsøg til storskalaproduktion

I takt med at det globale marked for naturlige fødevarefarver fortsætter med at vokse, drevet af forbrugernes præference for sikrere og mere bæredygtige produkter, sætter den ny forskning derfor nye standarder. Udviklingen opfylder ikke kun markedets krav, men adresserer også bredere miljømæssige bekymringer forbundet med traditionel landbrugspraksis.

"Dette arbejde understreger potentialet i metabolic engineering til at skabe mere bæredygtige løsninger. Flere udfordringer skal overvindes for at bringe denne nye gærbaserede fødevarefarve på markedet," understreger Irina Borodina.

For det første skal forskere finjustere fermenteringsprocessen for at sikre effektivitet og omkostningseffektivitet.

"Opskalering fra laboratorieforsøg til storskalaproduktion, mens man opretholder kvaliteten, er en anden stor udfordring. Sikring af økonomisk levedygtighed er kritisk, da processen skal være overkommelig sammenlignet med traditionelle metoder."

In my research group at the NNF Center for Biosustainability we focus on metabolic engineering of yeast cell factories for biosustainable production o...

The group's projects include both fine chemicals (e.g., food colours, antioxidants, pheromones) and commodity chemicals (e.g., muconic acid for polyme...

Dansk
© All rights reserved, Sciencenews 2020