Muovipullosta proteiinikeksiksi: näin SIU:n µBites toimii

Muovipullo ei päädy suoraan keksitaikinaan. Southern Illinois University Carbondalen (SIU) kehittämässä µBites-järjestelmässä PET-muovi ja maatalousjäte käsitellään ensin kemiallisesti hiiliyhdisteiksi. Geenimuokatut hiivat käyttävät näitä yhdisteitä tuottaakseen proteiineja, rasvoja, happoja, vitamiineja ja makumolekyylejä. Lopuksi ainesosat voidaan yhdistää ja tulostaa 3D-elintarviketulostimella proteiinipitoiseksi keksiprototyypiksi. 81011

Idea on suunniteltu ennen kaikkea ympäristöihin, joissa tavallisia ruokahuoltoketjuja on vaikea ylläpitää – erityisesti tuleville pitkille avaruuslennoille. Kyse ei kuitenkaan ole valmiista kauppatuotteesta, vaan varhaisvaiheen teknologiasta.

Näin µBites valmistetaan

1. PET-pullot ja kasvijäte pilkotaan

Raaka-aineina käytetään polyeteenitereftalaattia eli PET-muovia, jota on monissa juoma- ja vesipulloissa, sekä käytöstä poistettuja maissinvarsia, lehtiä ja muuta biomassaa. Materiaalit jauhetaan ja käsitellään oksidatiivisella hydrotermisellä liuotuksella. Menetelmässä hyödynnetään vettä, happea, korkeaa lämpötilaa ja painetta, jotta materiaalit hajoavat vesiliukoisiksi hiilimolekyyleiksi. 101113

Esikäsittely on olennainen, sillä ehjä PET-muovi ja sitkeä kasvijäte eivät sellaisenaan ole tavallisille mikrobeille helposti hyödynnettävä ravinnonlähde. Käsittely tuottaa hiilipitoisen lietteen, jota muokatut mikro-organismit voivat käyttää aineenvaihdunnassaan. 1011

2. Muokatut hiivat valmistavat ruoan ainesosia

Eri hiivakantoja ohjelmoidaan tuottamaan erilaisia yhdisteitä. Raportoidut tuotteet sisältävät proteiineja, rasvoja, orgaanisia happoja, vitamiineja ja makuaineita. Myös leivinhiivaa on muokattu esimerkiksi vaniljan makumolekyylien valmistamiseen, kun taas muiden kantojen on tarkoitus tuottaa muun muassa beetakaroteenia. 571013

Perusajatus on eräänlainen biologinen uudelleenrakennus: muovia tai kasvijätettä ei yritetä syödä sellaisenaan, vaan niiden sisältämä hiili toimii mikrobien käymisprosessin raaka-aineena. Mikrobit muuttavat sen yhdisteiksi, joista voidaan koota tavanomaisemman oloinen elintarvike.

3. Massa muotoillaan 3D-tulostimella

Mikrobien tuottama liete sekoitetaan kuituun, tärkkelykseen ja makeutusaineeseen. Sen jälkeen elintarviketulostin pursottaa massan haluttuun muotoon. Prototyyppikeksit muistuttavat kreikkalaista µ-kirjainta, mistä nimi µBites tulee. Nimi lausutaan englanniksi ”micro-bites”. 101114

Järjestelmä on suunniteltu muunneltavaksi. Seokseen voidaan lisätä esimerkiksi ravintolisiä ja mausteita, eikä lopputuotteen tarvitse välttämättä olla keksi: koostumus voisi vaihdella puolikiinteästä ruoasta nesteeseen. 1011

Mitä turvallisuudesta ja mausta tiedetään?

Tulokset ovat kiinnostavia, mutta alustavia. Testatusta prototyypistä ei pidä tehdä johtopäätöstä, että kyseessä olisi yleiseen myyntiin hyväksytty elintarvike.

SIU kertoi arvioineensa aiemman keksiprototyypin turvallisuutta ja ravitsemuksellisia ominaisuuksia ennen ihmisillä tehtyä aistinvaraista arviointia. Prototyypin yleinen hyväksyttävyys sai yhdeksänportaisella hedonisella asteikolla arvosanan 6,5. Tuoksu oli parhaiten arvioitu ominaisuus, 7,33/9, ja myös väri, muoto sekä rakenne saivat kukin yli viiden arvosanan. 11

Tulokset viittaavat siihen, että ainakin yksi prototyyppi oli testiryhmän mielestä hyväksyttävä. Ne eivät kuitenkaan todista nykyisen moniaineksisen version soveltuvan rajoituksetta syötäväksi. Julkisista tiedoista puuttuu esimerkiksi koko testiryhmän koko, yksityiskohtaiset kontaminanttitulokset, toksikologiset tiedot ja riippumaton vertaisarvioitu turvallisuusvarmistus. Lisäksi muun raportoinnin mukaan virallinen maistatustestaus oli vielä odottamassa hyväksyntää, eikä kekseillä ollut lupaa ihmisravinnoksi. 11

Varovaisin johtopäätös on, että µBites on lupaava prototyyppi, jonka tuoksusta ja aiemmista aistinvaraisista ominaisuuksista on saatu rohkaisevia tuloksia. Se ei vielä ole kaupallisesti hyväksytty välipala. Vahvemmat arviot mausta ja kuluttajien hyväksynnästä edellyttäisivät laajoja, kontrolloituja ja riippumattomasti dokumentoituja testejä.

Mikä oli NASAn ja NSF:n rooli?

NASA toi hankkeeseen käytännön sovelluksen avaruusjärjestön Deep Space Food Challenge -kilpailun kautta. Vuonna 2021 NASA valitsi SIU:n µBites-konseptin yhdeksi 18 lupaavasta yhdysvaltalaisesta ideasta ja myönsi ryhmälle 25 000 dollaria vaiheen 2 kehitystyöhön. Järjestelmän tavoitteena oli tuottaa ruokaa neljälle ihmiselle kolmivuotisella Mars-lennolla, jossa vettä, energiaa ja täydennyksiä olisi niukasti. 110

Kilpailun lähtökohta oli käytännöllinen: pitkälle avaruusmatkalle tarvitaan ravitsevaa ja hyväksyttävän makuista ruokaa, jonka valmistus kuluttaa mahdollisimman vähän resursseja ja tuottaa mahdollisimman vähän jätettä. µBites pyrkii vastaamaan tähän käyttämällä pois heitettävää hiiltä mikrobien raaka-aineena sen sijaan, että kaikki ruoka tuotaisiin valmiina alukselta. 110

Yhdysvaltain National Science Foundationin eli NSF:n CAREER-apuraha tuki tähän liittyvää hydrotermisen biomassan nesteytyksen perustutkimusta. Apurahan nimi on ”CAREER: Manipulating Polarity to Enhance Hydrothermal Liquefaction of Biomass for Biofuels”. Se koskee prosessin taustalla olevaa tiedettä, eikä sitä pidä tulkita osoitukseksi siitä, että µBites olisi valmis markkinoille. 8

Missä teknologiasta voisi olla hyötyä?

Pitkillä avaruuslennoilla

Kompakti järjestelmä, joka muuttaa aluksella syntyvää jätettä ja varastoitujen pakkausmateriaalien hiiltä uusiksi ruoan ainesosiksi, voisi vähentää riippuvuutta täydennyslennoista. Samalla se voisi tukea suljetumpaa ruoantuotantoa tilanteessa, jossa vesi, energia, säilytystila ja miehistön työaika ovat rajallisia. 110

Vaikeissa ja niukkojen resurssien oloissa

Maapallolla vastaavanlainen modulaarinen ruoantuotantojärjestelmä voisi olla hyödyllinen paikoissa, joissa viljely, kylmäsäilytys tai säännölliset toimitukset ovat hankalia. Mahdollisina käyttökohteina on mainittu esimerkiksi katastrofialueet, sukellusveneet ja napa-asemat. 1113

Nämä ovat kuitenkin mahdollisia käyttötapauksia, eivät todistettuja käyttöönottoja. Jokaisessa ympäristössä teknologian pitäisi ensin osoittaa toimivansa luotettavasti, turvallisesti ja taloudellisesti.

Suurin haaste on hinta ja mittakaava

Tuotantokustannukseksi on arvioitu noin 60 dollaria kilogrammalta. Se tekee µBitesista nykyisessä prototyyppivaiheessa huomattavasti tavallisia peruselintarvikkeita kalliimman. Kyse on arviosta, ei massatuotannossa osoitetusta hinnasta. Saatavilla olevista raporteista ei käy ilmi, sisältääkö summa kaikki energian, materiaalien keräyksen ja lajittelun, laitteiston, työvoiman, laadunvalvonnan, viranomaisvaatimusten ja jätteenkäsittelyn kustannukset.

Laajamittainen tuotanto edellyttäisi useiden vaativien kokonaisuuksien toimivan yhtä aikaa:

• tehokasta oksidatiivista hydrotermistä käsittelyä;
• geenimuokattujen mikrobikantojen luotettavaa käymisprosessia;
• veden talteenottoa ja ravinnetasapainon hallintaa;
• kontaminanttien ja haitallisten sivutuotteiden johdonmukaista valvontaa;
• automatisoitua sekoitusta ja 3D-tulostusta; sekä
• riippumattomia turvallisuustestejä ja toimivaa viranomaispolkua. 11

Myös kuluttajien hyväksyntä on iso kysymys. Vaikka kemiallinen käsittely ja käyminen osoittautuisivat turvallisiksi, moni voi vierastaa ruokaa, jonka lähtöaineisiin on kuulunut muovijätettä. Tutkijat ovat lisäksi korostaneet täysin integroidun ja automatisoidun järjestelmän, lisäkehityksen sekä sääntelyn tarvetta. 11

Tuleeko µBites pian kauppoihin?

Nykyisten tietojen perusteella ei ole syytä odottaa nopeaa kauppatulokasta. SIU on kuvannut mahdollisuutta, että µBites voisi päätyä ruokapöytiin muutaman seuraavan vuoden aikana, mutta kyse on kehitystavoitteesta eikä vahvistetusta julkaisupäivästä. 11

Ennen kuluttajille tarjoamista hankkeen pitäisi pystyä osoittamaan muun muassa kontaminanttien hallinta, ravintosisällön tasalaatuisuus, toksikologinen turvallisuus, viranomaishyväksynnät, tuotannon taloudellisuus ja kuluttajien hyväksyntä.

µBites onkin tällä hetkellä parasta ymmärtää NASA-yhteydessä syntyneenä tutkimusprototyyppinä, joka havainnollistaa poikkeuksellisen kiinnostavaa mahdollisuutta: jätteen sisältämä hiili voidaan käsitellä ja muuttaa biologisesti ruoan ainesosiksi. Se on tieteellisesti merkittävä ajatus – mutta muovipullosta alkunsa saanut keksi ei vielä ole arkipäivän elintarvike.