Van plastic fles naar eiwitrijk koekje: zo werken SIU’s µBites

Een plastic fles belandt niet rechtstreeks in een koekje. In het µBites-systeem van Southern Illinois University Carbondale (SIU) worden PET-plastic en afgedankt landbouwmateriaal eerst chemisch omgezet in koolstofverbindingen. Genetisch aangepaste gisten gebruiken die verbindingen vervolgens om eiwitten, vetten, zuren, vitaminen en smaakstoffen te produceren. Die ingrediënten kunnen worden gemengd en met een 3D-voedselprinter gevormd tot een eiwitrijk koekje. 81011

Het idee is ontwikkeld voor situaties waarin gewone voedselketens moeilijk in stand te houden zijn, met name toekomstige missies naar de diepe ruimte. De mogelijkheden zijn interessant, maar de beschikbare informatie beschrijft nog een vroeg onderzoeksplatform en geen afgerond voedingsproduct.

Zo worden de µBites gemaakt

1. PET en plantenafval worden chemisch afgebroken

De onderzoekers gebruiken polyethyleentereftalaat, kortweg PET: de kunststof die veel voorkomt in frisdrank- en waterflessen. Daar voegen ze afgedankte maïsstengels, bladeren en ander biomassa-afval aan toe. De materialen worden vermalen en behandeld met oxidatieve hydrothermale oplossing. Daarbij zorgen water, zuurstof, hoge temperatuur en druk ervoor dat ze uiteenvallen in wateroplosbare koolstofmoleculen. 101113

Die voorbewerking is belangrijk. Ongeschonden PET en vezelig plantenafval zijn niet zomaar bruikbaar als grondstof voor gewone micro-organismen. De behandeling levert een koolstofrijke slurry op die genetisch aangepaste micro-organismen wel kunnen omzetten. 1011

2. Aangepaste gisten maken er voedingsstoffen van

Verschillende giststammen zijn zo aangepast dat ze specifieke stoffen produceren. Volgens de beschikbare informatie gaat het om eiwitten, vetten, organische zuren, vitaminen en smaakmoleculen. Ook bakkersgist wordt hiervoor aangepast, onder meer om vanille-aroma te maken. Andere stammen zijn bedoeld voor de productie van stoffen zoals bètacaroteen. 571013

De kern van het concept is een soort biologische herbouw. Het is niet de bedoeling dat iemand plastic of plantenafval rechtstreeks eet. De koolstof uit die afvalstromen dient als voedingsbodem voor fermentatie. De micro-organismen bouwen daaruit nieuwe stoffen op die daarna in een voedingsformule kunnen worden verwerkt.

3. Het mengsel wordt 3D-geprint

De slurry met microbiële producten wordt gemengd met vezels, zetmeel en een zoetstof. Vervolgens brengt een 3D-voedselprinter het mengsel in vorm. De prototypes hebben de vorm van de Griekse letter µ, waaraan de naam µBites is ontleend. De naam wordt uitgesproken als “micro-bites”. 101114

Het systeem is niet uitsluitend op koekjes gericht. Er kunnen bijvoorbeeld supplementen en specerijen worden toegevoegd. Ook zou het eindproduct in de toekomst kunnen variëren van halfvast voedsel tot een vloeistof. 1011

Wat weten we over veiligheid, geur en smaak?

De eerste resultaten zijn interessant, maar voorlopig. Een getest prototype is niet hetzelfde als voedsel dat zonder beperkingen mag worden verkocht of gegeten.

SIU meldde dat een eerder koekjesprototype werd onderzocht op veiligheids- en voedingsparameters voordat een menselijke sensorische analyse plaatsvond. Dat prototype kreeg op een negenpuntsschaal een algemene waardering van 6,5. De geur scoorde het hoogst, met 7,33 van de 9 punten. Kleur, vorm en textuur kregen elk meer dan 5 punten. 11

Dat wijst erop dat ten minste één prototype voor het betrokken testpanel aanvaardbaar was. Het bewijst niet dat de huidige versie met meerdere ingrediënten veilig is voor onbeperkte consumptie. In de openbare berichtgeving ontbreken onder meer de volledige omvang van het testpanel, resultaten over verontreinigingen, toxicologische gegevens en onafhankelijke, collegiaal getoetste veiligheidsvalidatie. Andere berichtgeving stelt bovendien dat formele smaaktests nog moesten plaatsvinden en dat de koekjes nog geen toestemming hadden voor consumptie door mensen. 11

De meest voorzichtige conclusie is daarom dat µBites een veelbelovend prototype is met bemoedigende geur- en sensorische resultaten, maar nog geen goedgekeurde snack. Voor stevigere uitspraken over smaak en algemene acceptatie zijn grootschalige, gecontroleerde en onafhankelijk gedocumenteerde consumententests nodig.

Welke rol speelden NASA en de NSF?

NASA leverde vooral de toepassingsgerichte context via de Deep Space Food Challenge. In 2021 selecteerde NASA het µBites-ontwerp van SIU als een van 18 veelbelovende Amerikaanse concepten. Het team kreeg 25.000 dollar om het werk in fase 2 voort te zetten. Het voorgestelde systeem moest voedsel kunnen produceren voor vier mensen tijdens een Marsmissie van drie jaar, met zo weinig mogelijk water, energie en bevoorrading. 110

De uitdaging draaide om een praktisch probleem: astronauten op langdurige missies hebben voedsel nodig dat voedzaam en smakelijk is, maar weinig grondstoffen, opslagruimte en afval oplevert. µBites probeert dat probleem aan te pakken door afgedankte koolstofstromen te gebruiken als grondstof voor microbiële voedselproductie, in plaats van uitsluitend vooraf opgeslagen ingrediënten mee te nemen. 110

De NSF CAREER-subsidie ondersteunde verwant wetenschappelijk onderzoek naar hydrothermale vloeibaarmaking van biomassa. De titel van de subsidie luidt “CAREER: Manipulating Polarity to Enhance Hydrothermal Liquefaction of Biomass for Biofuels”. Die financiering gaat over de onderliggende chemische verwerking en is geen bewijs dat het µBites-voedselsysteem klaar is voor de markt. 8

Waar zou de technologie kunnen worden gebruikt?

Missies naar de diepe ruimte

Voor astronauten zou een compact systeem dat bepaalde afvalstromen en verpakkingsmaterialen omzet in voedingsingrediënten de afhankelijkheid van bevoorrading kunnen verkleinen. Het kan bovendien passen in een meer gesloten kringloop voor voedselproductie, in omstandigheden waarin water, energie, opslagruimte en tijd van de bemanning schaars zijn. 110

Omgevingen met weinig hulpbronnen

Op aarde zou een modulair systeem voor voedselproductie mogelijk interessant zijn op plekken waar landbouw, koeling of regelmatige leveringen lastig zijn. Genoemde voorbeelden zijn rampgebieden, onderzeeërs, poolstations en andere omgevingen met beperkte hulpbronnen. 1113

Dit zijn mogelijke toepassingen, geen bewezen praktijksituaties. Voor elke omgeving moet nog worden aangetoond dat het systeem betrouwbaar, veilig en betaalbaar kan werken.

De grootste obstakels: kosten en schaal

De huidige productiekosten worden geschat op ongeveer 60 dollar per kilogram. Daarmee zijn µBites in de prototypefase veel duurder dan gewone basisvoeding. Het gaat om een schatting en niet om een aangetoonde prijs bij massaproductie. Ook is niet duidelijk of alle kosten zijn meegerekend, zoals energie, inzameling en sortering, apparatuur, arbeid, kwaliteitscontrole, naleving van regelgeving en afvalverwerking.

Opschaling vereist dat meerdere ingewikkelde systemen tegelijk goed functioneren:

• verwerking van grote hoeveelheden materiaal via oxidatieve hydrothermale behandeling;
• betrouwbare fermentatie met genetisch aangepaste micro-organismen;
• terugwinning van water en een goede balans van voedingsstoffen;
• consequente controle op verontreinigingen en ongewenste bijproducten;
• geautomatiseerde meng- en 3D-printapparatuur; en
• onafhankelijke veiligheidstests en een haalbaar regelgevend traject. 11

Ook de acceptatie door consumenten kan een struikelblok worden. Zelfs als de chemische verwerking en fermentatie veilig blijken, kunnen mensen aarzelen bij het idee dat de oorspronkelijke grondstoffen plastic afval bevatten. De onderzoekers noemen daarnaast de ontwikkeling van een volledig geïntegreerd en geautomatiseerd systeem, aanvullend onderzoek en beleidswerk als belangrijke vervolgstappen. 11

Ligt µBites binnenkort in de winkel?

Niet op basis van het huidige bewijs. SIU heeft de mogelijkheid genoemd dat µBites binnen enkele jaren aan tafel zou kunnen verschijnen, maar dat is een ontwikkeldoel en geen bevestigde lanceerdatum. 11

Voordat het product voor het publiek beschikbaar kan komen, zijn betere gegevens nodig over de beheersing van verontreinigingen, voedingswaarde, toxicologische veiligheid, goedkeuring door toezichthouders, productiekosten en consumentenacceptatie. Voorlopig is µBites dus vooral een aan NASA gelinkt onderzoeksprototype dat een opmerkelijke mogelijkheid laat zien: afvalkoolstof kan chemisch worden verwerkt en biologisch worden omgezet in ingrediënten voor voedsel.

Wetenschappelijk is dat veelbelovend. Het maakt een koekje dat ooit met plastic afval begon echter nog niet tot alledaags voedsel.