Tilbake til søkeresultatene

BIONÆR-Bionæringsprogram

Novel cascade technology for optimal utilization of animal and marine by-products

Alternativ tittel: Ny kaskadeteknologi for optimal utnyttelse av animalske og marine biprodukter

Tildelt: kr 16,0 mill.

Torskehoder og fjørfeskrog er biprodukter med en kompleks sammensetning bestående av proteiner, fett, mineraler og andre næringsstoffer med høy næringsverdi og brukspotensiale. De siste årene har enzymatisk proteinhydrolyse (EPH) blitt benyttet i økende grad som en allsidig prosesseringsteknologi for animalske og marine biprodukter. Det ligger imidlertid i dag et stort ubenyttet potensial i å kunne trekke ut enda flere rene komponenter fra disse komplekse biproduktene. I Notably har vi utviklet nye bioprosesseringsløsninger basert på flertinnsprosessering for å løse denne utfordringen. Den kjemiske likheten mellom torskehoder og fjørfeskrog er først og fremst knyttet til proteinsammensetningen og et høyt innhold av kollagen. En viktig del av prosjektet har derfor vært knyttet til utvikling av bioprosesser for å skille kollagen fra typiske muskelproteiner. For fjørfeskrog har vi undersøkt over 20 ulike kommersielle næringsmiddelgodkjente enzymer for å kunne velge enzymer med spesifikk affinitet mot enten kollagen- eller muskelproteiner, og vi har valgt ut to enzymer som viser disse egenskapene. Fjærfekollagen har noen unike egenskaper på grunn av høy termostabilitet og høyt smeltepunkt. Vi har vist at disse egenskapene kan brukes sammen med de utvalgte enzymene for å skille de ulike proteinklassene i fjørfeskrog. Ved å kjøre en sekvens av EPH-reaksjoner og justere enzymmengde og type, temperaturer og reaksjonstider, har vi produsert separate produkter med høyt innhold av henholdsvis muskelpeptider og kollagenpeptider. Denne prosessen har blitt validert både i laboratoriet og i en demonstrasjon i pilotskala. På denne måten har vi utviklet en ny prosess der fire ulike produkter kan tas ut fra fjørfeskrog: fett, muskelpeptider, kollagenpeptider og et mineralrikt sediment. For torskehoder har vi utført lignende uttesting av enzymer som beskrevet for fjørfeskrog, og andre enzymer er blitt identifisert som lovende kandidater for flertrinnsprosessering. I Notably har vi modellert en bioprosess som en flerfasestrøm med vann, enzymer og råvarer. I starten av prosjektet var fokuset på å utføre grunnleggende forskning for å etablere de simuleringsverktøyene som trengs i prosjektet. Det har blant annet blitt designet effektive numeriske metoder for å løse diffusjonsligninger med variable diffusjonskoeffisienter. En slik modell vil kunne beskrive samspillet mellom komponentene inne i reaktoren. Ved å bruke en datadrevet modelleringstilnærming har vi også vist at utfallet av en EPH prosess kan predikeres basert på FTIR data tatt opp tidlig i prosessen. Disse nettverksmodellene representerer et første skritt mot rent datadrevne prediksjonsmodeller som er godt egnet for optimalisering av bioprosesser. Ved å immobilisere enzymer på magnetiske nanopartikler kan enzymene ekstraheres og gjenbrukes i EPH-prosessen ved magnetisk separasjon. I prosjektet har ulike immobiliseringsstrategier blitt utviklet for kovalent binding av enzymet Subtilisin A, og de enzym-funksjonaliserte partiklene viste seg å være godt gjenbrukbare, med over 80 prosent av den opprinnelige aktiviteten gjenværende etter mer enn to års lagring. Konseptet med gjenbruk ble demonstrert for hydrolyse av kyllingkjøtt og kalkunsener. Den beste immobiliseringsstrategien ble brukt til å immobilisere to andre enzymer, og enzymatisk aktivitet av de resulterende partiklene ble dokumentert. Bromelain-funksjonaliserte magnetiske partikler ble benyttet i en flertrinns enzymatisk proteinhydrolyse av kalkunskrog, og vi kunne dokumentere klare forskjeller i molekylvektsfordelingen til de resulterende hydrolysatene sammenlignet med fritt enzym. Parallelt med immobilisering ble innkapsling av enzymer undersøkt for å potensielt kontrollere tidspunktet for frigjøring av enzym, og dermed også åpne opp for sekvensiell introduksjon av enzymer gjennom en EPH-prosess. Alginat ble funnet å være det mest allsidige og skalerbare materialet for enzyminnkapsling. Våre resultater viser at det er mulig å produsere et temperatur-responsivt belegg på de enzymladede alginatkapslene som kan brukes til å frigjøre enzymet i reaksjonsblandingen ved en svak temperaturøkning. En forutsetning for prosessoptimalisering og kontroll av bioprosesser er raske analytiske verktøy for karakterisering av de ulike delene av prosessen. Utviklingen av disse verktøyene har blitt utført parallelt med bioprosessutviklingen i prosjektet. Vi har utviklet nye muligheter for råvarekarakterisering basert på Raman-spektroskopi. I tillegg er Fourier transform infrarød spektroskopi utviklet som en rask teknikk for å kvantifisere graden av proteinnedbrytning, kollageninnhold og dermed også essensielle produktegenskaper til produktene som produseres.

The Notably project has resulted in a sound scientific production, including 14 scientific papers (and more to come), 5 book chapters, and 5 master theses. Results have also been communicated in different media channels throughout the project. We have also arranged two international workshops where participants from academia and industry have met to share results and discuss challenges related to bioprocessing. EPH complies with the general biorefinery concept for total biomass utilization, and an upgrade of by-products as proposed in Notably can potentially have a huge economic impact for the food processing industries. Despite recent industrial efforts, poultry carcasses are still mainly used in feed applications, and cod heads are often exported for food purposes in Nigeria, which is regarded as an instable market. One main result of the project is a completely new bioprocessing approach for converting poultry carcasses into lipids, collagen peptides, muscle peptides and mineral-rich sediments. In Notably we have shown that such a process is possible, and current work is going in two directions: 1) optimization of each processing step to produce tailored peptides of specific properties; and 2) development of applications as ingredients in food, pharma and medical devices. We are among other things now working together with NMBU and the University of Oslo to study the collagen peptides produced and their potential use in e.g. bioinks and drug-delivery systems. Together with one of the industrial partners of Notably, we have applied for funding to further develop the process and the product applications. We are also working together with the industrial partners of the project to see if our results can be implemented in current industrial setups. Similarly, we are looking into possibilities for pursuing our initial results on processing of cod heads. The analytical work that has been started in Notably will continue with full speed in the RCN-funded projects SFI DigiFoods and TailoTides. In DigiFoods, one PhD-student is now working to implement inline Raman spectroscopy for food characterization, taking the results of Raman raw material characterization done in this project into industrial environments. Another PhD-student is working together with Nofima and Sintef Digital to develop and use an industrial prototype FTIR system for analysis of proteins and peptides. In this context, Nofima, NMBU and Simula also plan to apply the concept of data-driven forward models for EPH optimization. Finally, the Notably project initiated a fruitful collaboration between Sintef Industry and Nofima, and these partners have collaborated in several EPH-related projects in recent years. In 2021, Norilia, Nortura, Nofima and Sintef Industry was granted an IPN project (Hydrosens) regarding the production of taste neutral poultry protein ingredients. In this project, encapsulation of peptides will constitute an important part.

Annually, large quantities of by-products are produced from the animal and marine food processing industry. Cod heads and mechanically deboned poultry residues are two of the most underutilized by-products in Norway. These by-products are complex materials consisting of components such as proteins, fats, minerals, and other nutrients of high nutritional value for a globally growing population. If successfully processed into refined and tailor-made products, there is a great economic potential for high-paying markets. The proteins alone has an estimated 25 to 65% increase in sale price if processed optimally, as compared to the raw material. In recent years, enzymatic protein hydrolysis (EPH) have gained significant attention as a mild and versatile processing technology of animal and marine by-products. However, currently this technology cannot be used to take full advantage of the multitude of components in the by-products. In this project, we will develop a novel cascade bioprocessing technology that will solve this challenge. The cascade will constitute a combination of several different processing steps, each one aimed at giving separate products with the highest possible yield and quality. To be able to achieve this goal, we will combine research from several different scientific disciplines, namely bioprocessing and enzyme stabilization technologies, computer simulation and modelling, spectroscopy and analytical chemistry. By adopting the cascade bioprocessing technology, potential products from the cascade bioprocess can be formulated into a multitude of refined high-quality products for high-paying markets. To our knowledge, there are currently no companies in the world using cascade bioprocessing to facilitate full utilization of marine and animal-based by-products. In the future, our industrial partners and the rest of the by-product processing industry will have the desired technological for total utilisation and optimal value-creation of by-products.

Publikasjoner hentet fra Cristin

Budsjettformål:

BIONÆR-Bionæringsprogram