3 gängige Methoden zur Sicherung von Fermentationsrohstoffen in Ihrem alternativen Proteinverfahren

Die Branche der alternativen Proteine hat in den letzten Jahren aufgrund der veränderten Verbrauchernachfrage ein erhebliches Wachstum erfahren, was die Lebensmittelhersteller dazu veranlasst hat, neue Wege zur Herstellung nachhaltiger Lebensmittel zu erkunden. Diejenigen, die in diesem relativ neuen Bereich tätig sind, von Neugründungen bis hin zu etablierten Branchenführern, nutzen verschiedene Technologien und Geräte, um ihre alternativen Proteinprodukte zu verwirklichen.

Die Fermentation ist ein flexibles Verfahren, das in der gesamten Industrie zur Herstellung alternativer Proteine und Zutaten eingesetzt wird. Die Rolle der Fermentierung bei der Lebensmittelherstellung erfordert spezifische Kontaminationskontrollen und Präventivmaßnahmen, um Fermentationsrohstoffe und -produkte vor Verunreinigung zu schützen.

Bedeutung der Angleichung von Kontrollen bei der Änderung von Abläufen

Wenn sich ein alternatives Proteinverfahren ändert, ändern sich auch die Verunreinigungskontrollen, die zu dessen Schutz erforderlich sind. So unterscheidet sich beispielsweise die Aufrechterhaltung einer für die Fermentation günstigen Umgebung in einem Labor von der Aufrechterhaltung dieser Umgebung in einem industriellen Umfeld.

Wird die Kontrolle von Verunreinigungen bei der Änderung eines Ablaufs nicht angepasst, kann dies unerwünschte Folgen haben, wie z. B. Schäden an den Anlagen, Beeinträchtigung der Produktqualität, Verschwendung von Materialien und Ressourcen, Produktverunreinigungen und Prozessineffizienz.  Glücklicherweise gibt es eine Reihe von Verunreinigungskontrollen, die in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie eingesetzt werden und die sich auch auf Fermentationsrohstoffe und Prozesshilfsmittel anwenden lassen.  

Fermentation und Rohstoffen verstehen

Während der Fermentationsprozess schon seit Jahrhunderten bekannt ist, ist die kontrollierte Präzisionsfermentation, die in der alternativen Proteinproduktion eingesetzt wird, eine relativ neue Anwendung in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Die Präzisionsfermentation ist für die Produktion alternativer Proteine praktisch, da sie dazu beiträgt, ähnliche Aromen, Texturen und Geschmacksrichtungen wie bei „traditionellen Lebensmitteln“ zu erzeugen.

Rohstoffe, die sowohl bei der traditionellen als auch bei der Präzisionsfermentation verwendet werden, können als eine Art Hilfsmittel betrachtet werden, in der Regel in Form einer flüssigen Mischung, die den Fermentationsprozess „antreibt“.

Es gibt zahlreiche Beispiele für verfügbare Rohstofflösungen, aber um die Kosten zu senken und eine für ihre Verarbeitung geeignete Lösung zu finden, stellen viele Hersteller alternativer Proteine ihren eigenen Fermentationsrohstoff selbst her. Diese Lösungen enthalten oft eine Mischung aus Wasser, Zucker und anderen Nährstoffen. Interessanterweise ähneln die hausinternen Lösungen den Flüssigzuckerlösungen, die in der Limonaden-, Saft-, Wein-, Bier- und anderen Getränkeindustrie verwendet werden.

Die Hersteller alternativer Proteine können auch von der umfangreichen Erfahrung und dem Fachwissen profitieren, das diese etablierten Industrien bei der Anwendung von Verunreinigungskontrollen besitzen. Sie können von diesen bewährten Anwendungen lernen, um wirksame Verunreinigungskontrollen einzuführen, die ihre alternativen Proteinfermentationsrohstoffe und ihren Herstellungsprozess schützen.

Maßnahmen zur Verunreinigungskontrolle: Beseitigung vs. Inaktivierung oder Zerstörung der Verunreinigungen

Die Verunreinigungskontrolle betrifft sowohl partikuläre als auch mikrobiologische Verunreinigungen. Partikel sind alle Arten von unerwünschten Schwebstoffen, während mikrobiologische Verunreinigungen unerwünschte Bakterien und Mikroorganismen umfassen. Eine erfolgreiche Kontrolle der Verunreinigung von Rohstoffen zielt daher auf beide Arten von Verunreinigungen ab, indem die folgenden Maßnahmen durchgeführt werden:

1. Entfernung von Verunreinigungen durch Partikel- und Membranfiltrationsverfahren. Dies ist in der Regel erforderlich, wenn im Quellwasser Partikel wie Sand vorhanden sind, die nicht durch Erhitzungsmethoden entfernt werden können. Diese Maßnahme kann auch genutzt werden, wenn der Hersteller mit hitzeempfindlichen Materialien arbeitet, wie z. B. Proteinen, die durch Hitze denaturiert werden können.

2. Zerstörung oder Inaktivierung von Verunreinigungen, die entweder durch Erhitzen, Kühlen oder andere Methoden wie UV-Strahlung erreicht wird. In dieser Diskussion werden wir uns mit den in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie am weitesten verbreiteten Erhitzungsmethoden befassen, bei denen Autoklav- oder Dampfinjektionstechnologien eingesetzt werden. Die Inaktivierung oder Zerstörung wird in der Regel eingesetzt, wenn die Materialien nicht hitzeempfindlich sind, und um mikrobiologische Verunreinigungen zu bekämpfen, die sich möglicherweise nur durch Filtration entfernen lassen.

Gegebenenfalls können die Hersteller eine Kombination der oben genannten Maßnahmen ergreifen, um einen zusätzlichen Schutz zu gewährleisten und sowohl gegen partikuläre als auch mikrobielle Verunreinigungen vorzugehen.

Die 3 gängigsten Methoden verstehen: Filtration, Autoklav und Dampfinjektion

Welche Methode angewandt wird, hängt natürlich von der gewünschten Verunreinigungskontrolle ab und davon, wie sie sich auf das Herstellungsprodukt und die Verarbeitung auswirkt. Bei der Wahl einer Methode sind viele verfahrenstechnische und betriebliche Aspekte zu berücksichtigen, darunter das verwendete Fermentationsmaterial, das Produkt, die Kosten, die Sicherheit, die Skalierbarkeit, die Art des Verfahrens, die Benutzerfreundlichkeit und die Gesamteffektivität. Schauen wir uns die gängigsten Methoden und ihre besten Einsatzmöglichkeiten an.

Methode 1 – Filtration

Wenn die gewünschte Maßnahme die Entfernung der Verunreinigung ist, werden Flüssigfiltrationsverfahren eingesetzt. Zwar gibt es keine umfassenden historischen Erfahrungen mit der Filtration von Fermentationsrohstoffen, aber die Hersteller von alternativen Proteinen können auf das Fachwissen zurückgreifen, das bei der Filtration anderer Zuckerlösungen in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie wie Säften, Brühen und Limonaden vorhanden ist. Ein bewährtes Verfahren für die Flüssigkeitsfiltration folgt einem 3-stufigen Verfahren:

Schritt 1: Anbringen eines nominalen Partikelfilters: Dadurch werden große Partikel entfernt und nachgeschaltete Filter und Geräte geschützt. Insgesamt reduziert dieser Schritt die Partikelbelastung und die Anzahl der Schwebstoffe.

Schritt 2: Anbringen eines absoluten Partikelfilters: Dadurch werden alle Partikel entfernt, die größer als die Mikrongröße des Filters sind, basierend auf der Rückhalteleistung des Filters, die bis zu 99,9999999 % der Partikel betragen kann.

Schritt 3: Anbringen eines Membranfilters: Dieser dient der Beseitigung mikrobiologischer Verunreinigungen, die durch die Rückhalterate des Filters definiert sind. Membranfilter sollten stets auf ihre Integrität geprüft und regelmäßig sterilisiert werden.

Methode 2 – Autoklaven

Autoklaven führen die Inaktivierung oder Zerstörung durch Erhitzung durch und sind letztlich Druckbehälter, die den darin befindlichen Inhalt mit Dampf erhitzen. Diese Methode ist sehr flexibel und in Laborumgebungen, in denen Chargenverfahren durchgeführt werden, weit verbreitet.

Aufgrund der physischen Beschaffenheit des Geräts und des Chargenverfahrens eignen sich Autoklaven am besten für kleinere Betriebe und sind im industriellen Maßstab oft unpraktisch.

Methode 3 – Dampfeinspritzung

Die Dampfeinspritzung ist eine weitere Erhitzungsmethode, die die Inaktivierung oder Zerstörung bewirkt. Bei diesem Verfahren wird der Dampf direkt mit dem Rohstoff in einem Fermenter oder in einem Rohrleitungssystem vermischt. Es gibt zwei verschiedene Arten von Dampfinjektionsverfahren:

1. Chargenverfahren: Dabei wird Dampf in den Fermenter, der den Rohstoff enthält, eingespritzt. Dieses Verfahren ist für die Hersteller leicht zugänglich, da es nur eine saubere Dampfquelle erfordert.

Die Dampfinjektionsmethode im Chargenverfahren lässt sich leicht skalieren. Es ist aber wichtig zu beachten, dass dies in einem größeren Maßstab eine längere Kühlzeit erfordert. Der Dampf verbleibt auch im Fermenter und kühlt ab, was zu einer Verdünnung des Rohstoffs führt. Dies ist nicht unbedingt ein Vor- oder Nachteil, sollte aber ein wichtiger Prozessaspekt sein.

2. Kontinuierliche Verfahrensmethode: Diese Methode ist eher für große oder kommerzielle Unternehmen geeignet, da industrielle Ausrüstung und Infrastruktur erforderlich sind.

Bei der kontinuierlichen Verfahrensmethode wird kontinuierlich Dampf in ein Rohrleitungssystem eingespritzt, durch das der Rohstoff in Richtung Fermenter läuft. Am Ende der Rohrleitungen befindet sich ein Prozessschritt der „schnellen Expansion“, der eine Schnellkühlung ermöglicht, so dass der Rohstoff innerhalb weniger Minuten abkühlen kann. Insgesamt ist dieses Verfahren viel schneller als das Chargenverfahren und verwendet eine höhere Dampftemperatur.

Welche Methode „sollten“ Sie also wählen?

Es ist klar, dass es auf diese Frage keine eindeutige Antwort gibt. Die Neuheit und Entwicklung der alternativen Proteinindustrie macht die Sache noch komplexer, da die Hersteller alternativer Proteine bestrebt sind, die effektivste Verarbeitung zu verfolgen und die sich entwickelnden gesetzlichen Standards zu erfüllen.  

Da mehrere Optionen zur Verfügung stehen, müssen die Hersteller die oben genannten Prozessüberlegungen berücksichtigen, um zu entscheiden, welcher Fall für sie am besten geeignet ist.

Sobald diese Faktoren ermittelt sind, können die Hersteller besser einschätzen, welche Methode zur Bekämpfung von Verunreinigungen sie anwenden sollten – sei es eine Strategie zur Entfernung von Verunreinigungen durch Filtration oder eine Inaktivierungs- oder Zerstörungsstrategie durch Autoklav- oder Dampfinjektionserhitzungsverfahren. Manche entscheiden sich auch für eine Kombination aus beidem, wenn dies sinnvoll ist.

Die Filtrationsexperten von Donaldson können Herstellern alternativer Proteine dabei helfen, die richtigen Produkte für ihre Lösung zur Kontrolle der Verunreinigung von Rohstoffen zu finden. Als Mitglied der Plant Based Foods Association (PBFA) setzen wir uns für die Bedürfnisse der Hersteller in der Branche für pflanzliche und alternative Proteine ein. Wir arbeiten eng mit unserem Team bei Solaris Biotech – einer Donaldson-Marke – zusammen, um eine End-to-End-Lösung für die Fermentation anzubieten.