Magnetiske partikler kan gi bedre utnyttelse av restråstoff

Medforfatter: Forskningsleder Heidi Johnsen

I Bioøkonomistrategien vektlegger norske myndigheter mer effektiv og lønnsom utnyttelse av fornybare biologiske ressurser for eksempel til matproduksjon. Bare i Norge ble det i 2017 produsert mer enn 950 000 tonn med marine restråstoff – avskjær og rester fra fiskeforedling, som tilsvarer ca. 82 000 tonn med marint fett og ca 61 000 tonn med proteiner som kan utnyttes til mat eller fôr. I 2019 ble litt under halvparten av det samlede restråstoffet brukt til ensilasje – konservert, kvernet fiskeavfall – og videreprosessert til lavverdige sluttprodukter som fiskefôr, husdyrfôr og biogass.  

Verdiskapning basert på økt utnyttelse av restråstoffer fra havbruk og landbruk til viktige næringsstoffer som proteiner er også et globalt fokusområde innenfor sirkulær økonomi. Til tross for økt fokus er potensialet for økt utnyttelsesgrad av restråstoffet stort, spesielt innenfor hvitfisknæringen, mye på grunn av mangel på egnet prosesseringsteknologi.

Utnyttelse av restråstoff

Enzymatisk proteinhydrolyse (EPH) har vokst frem som en mild og anvendbar prosesseringsteknologi for utnyttelse av restråstoff fra marine og animalske kilder. I denne prosessen tilsettes enzymer – naturens egne katalysatorer – til restråstoffet for å hjelpe med å bryte ned proteinet til mindre bestanddeler som peptider og aminosyrer. Ideelt sett skal dette gi tre fraksjoner; en fraksjon rik på peptider (proteiner), en fraksjon rik på lipider (fett), og ett mineral- og kollagenrikt sediment av lavere verdi. Imidlertid består ikke restråstoff fra marine og animalske kilder bare av disse tre komponentene, men en kompleks blanding av ulike proteiner og andre biologiske molekyler. Det er derfor et stort behov for prosesseringsteknologi som kan håndtere alle komponentene i restråstoff på en optimal måte.

Figur 2: Oversikt over enzymatisk proteinhydrolyse (EPH). Figur gjengitt fra Sileshi G. Wubshet et al: Chapter 8 – Bioanalytical Aspects in Enzymatic Protein Hydrolysis of By-Products (2019) – https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816695-6.00008-8

NOTABLY-prosjektets mål

NOTABLY («Novel cascade technology for optimal utilization of animal and marine by-products») er et Forskningsråds-finansiert samarbeidsprosjekt mellom Nofima (prosjekteier), SINTEF, Simula og Universitetet i Lund som tar sikte på å utvikle ny prosesseringsteknologi som kan foredle alle komponentene i restråstoffet. Prosjektet ser blant annet på om flere EPH-reaktorer kan settes etter hverandre (kaskade-prosesser) eller om mange enzymer kan tilsettes samtidig til én reaktor. For å oppnå dette, er vi nødt til å (i) finne de beste kombinasjonene av enzymer og når de tilsettes, (ii) utvikle simuleringsverktøy og modellreaktorer for disse kaskadeprosessene, (iii) utvikle nye metoder for gjenbruk og frigivelse av enzymene, og (iv) utvikle analytiske verktøy for monitorering av prosessen.

Figur 3: Oversikt over prosjekt NOTABLY

Gjenbruk og frigivelse av enzymer

SINTEFs rolle i NOTABLY er først og fremst å utvikle nye metoder for gjenbruk og frigivelse av enzymene. Siden enzymene som brukes i EPH typisk er svært kostbare, vil muligheten til å bruke enzymene om igjen og å frigi dem på optimalt tidspunkt i kaskadeprosessen redusere kostnaden og dermed øke lønnsomheten ved foredling av restråstoff. En av metodene vi arbeider med er å binde enzymene på magnetiske silikapartikler, som gjør at vi kan trekke ut partiklene ved hjelp av en magnet, og dermed gjenbruke enzymene. Forskningsgruppen for Polymerpartikler og Overflatekjemi har flere tiårs erfaring i å utvikle magnetiske nano- og mikropartikler for ulike anvendelser, som for eksempel å isolere arvestoff og antigener til medisinsk diagnostikk og å binde enzymer for fjerning av hormonhermende stoffer. Magnetiske partikler som skal brukes i EPH må designes med tanke på at de må kunne opprettholde funksjonen til enzymet, skal binde nok enzym, sørge for god kontakt mellom enzymet og restråstoffet, og være lett å trekke ut med en magnet. Det siste punktet er ekstra utfordrende i en såpass kompleks og tyktflytende reaksjonsblanding som man finner i EPH, der halvparten av innholdet typisk er fast materiale bestående av kjøtt, sener og beinrester.

Et annet relevant prosjekt fra forskningsgruppe for Polymerpartikler og Overflatekjemi som omhandler økt utnyttelse av restråstoff, er prosjektet Omega – Inkludering av mikroinnkapslet fiskeolje i matvarer for bedre helse.

 

Bruk av enzymer

I NOTABLY har vi vist at vi kan binde proteaser – enzymer som bryter ned proteiner – til magnetiske silikapartikler og bruke disse i EPH både på kjøtt og sener fra fjærfe i modellreaktorer. Når enzymene er bundet til magnetiske partikler er de dessuten mer effektive til å bryte ned sener enn fritt enzym, sannsynligvis fordi de harde partiklene hjelper til med å kverne opp senene og gi bedre tilgang til enzymene. Vi har også vist at denne teknologien gjør det mulig å bruke enzymene på nytt i mer enn seks etterfølgende reaksjoner uten vesentlig tap av enzymaktivitet. Binding til partiklene gir også god lagringsstabilitet – enzymene har fortsatt høy aktivitet etter mer enn to års lagring i kjøleskap (se figur 4 under). Vi holder nå på å ferdigstille en vitenskapelig artikkel om bruk av slike magnetiske partikler i EPH, med flere i pipeline.

Figur 4: Enzymaktivitet (%) over tid for tre ulike partikkeltyper etter lagring

Innkapsling i mikrokapsler

SINTEF arbeider også med innkapsling og kontrollert frigivelse av enzymer til bruk i EPH. Ett av aspektene som belyses i NOTABLY er i hvilken grad vi kan forbedre EPH-prosessen ved å endre sammensetning av enzymer, rekkefølgen de tilsettes i og når i prosessen de tilsettes. Reaktorer til EPH er ofte lukkede systemer, der det ikke er lett å tilsette enzymer underveis. Det ville derfor vært nyttig å kunne tilsette alle enzymene i starten av prosessen, og deretter frigi spesifikke enzymer etter hvert som de trengs. Innkapsling i mikrokapsler gir mulighet til kontrollert frigivelse i løpet av prosessen. Det skjer enten ved at kapslene gradvis løser seg opp etter tilsats (tidsinnstilt frigivelse), eller ved programmert frigivelse der kapslene løser seg opp og frigir enzymene ved for eksempel en endring i temperatur eller pH.

Kunnskapen og erfaringen vi utvikler i NOTABLY sammen med Nofima og de andre nasjonale og internasjonale samarbeidspartnerne vil gi et løft innenfor foredling av marint og animalsk restråstoff og dermed gi et bidrag inn mot sirkulærøkonomien.

 

Referanser: 

Kjente ressurser – uante muligheter: Regjeringens bioøkonomistrategi

Richardsen et al. Analyse marint restråstoff, Rapport SINTEF Ocean 2017

Artikkel FHF.no 19.10.2020: Fortsatt stigende utnyttelse av marint restråstoff

Sileshi G. Wubshet et al: Chapter 8 – Bioanalytical Aspects in Enzymatic Protein Hydrolysis of By-Products (2019) – https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816695-6.00008-8