Eiwitgelering: hoe eiwitten de bouwstenen worden van het voedsel van morgen
Breek een ei in een hete pan en je ziet het binnen enkele seconden gebeuren: het doorzichtige, vloeibare eiwit verandert in een ondoorzichtige, stevige witte massa. Dat is eiwitgelering in actie, een proces dat in vrijwel elke keuken al honderden jaren wordt toegepast zonder dat iemand er de naam bij wist. Wetenschappelijk gezien is het niets anders dan eiwitmoleculen die door warmte van vorm veranderen en zich vervolgens aaneenrijgen tot een fijn netwerk dat water vasthoudt. Het resultaat is een gel: niet vloeibaar, maar ook niet echt vast.
Wat ooit een toevallig keukenfenomeen was, is inmiddels een serieus onderzoeksveld geworden binnen de voedingstechnologie. Naarmate de vraag naar plantaardige vlees-, ei- en zuivelvervangers groeit, en naarmate bedrijven vlees uit celkweek proberen te maken, wordt het steeds belangrijker om precies te snappen en te sturen hoe eiwitten geleren. Wie de textuur van een gekookt ei wil nabootsen met bonen-eiwit, of een steak wil kweken uit dierlijke cellen zonder dier, heeft eiwitgelering nodig als bouwtechniek.
Wat is het precies?
Een eiwit is een lange keten van aminozuren die zich in de natuur opvouwt tot een compacte, driedimensionale kluwen. In die opgevouwen vorm zijn de meeste 'plakkerige' delen van het eiwit naar binnen gekeerd, verborgen voor de omgeving. Zolang dat zo blijft, lost het eiwit gewoon op in water zonder veel te doen.
Door het eiwit bloot te stellen aan warmte, een verandering in zuurgraad (pH), zout, druk of een specifiek enzym, gaat die compacte structuur open: het eiwit denatureert, wat simpelweg betekent dat de opgevouwen vorm verloren gaat. Daardoor komen de plakkerige delen juist naar buiten te liggen.
Die losse, ontvouwen eiwitten beginnen elkaar dan te 'vinden': ze vormen bindingen met naburige eiwitmoleculen. Zo ontstaat geleidelijk een driedimensionaal netwerk, een beetje te vergelijken met een vismand van elkaar kruisende draden. In de mazen van dat netwerk blijft water gevangen zitten. Het resultaat voelt niet meer als een vloeistof, maar ook niet als een echte vaste stof: een gel, met een eigen stevigheid, elasticiteit en mondgevoel.
Er bestaan verschillende manieren om dit proces op gang te brengen. Bij hitte-geïnduceerde gelering, zoals bij een gekookt ei, zorgt warmte voor het ontvouwen. Bij zuur-geïnduceerde gelering, zoals bij yoghurt, doet een dalende pH-waarde hetzelfde werk. Bij enzymatische gelering knipt of verbindt een enzym, zoals transglutaminase, de eiwitten actief aan elkaar. En bij zout-geïnduceerde gelering, gebruikt bijvoorbeeld bij tofu, zorgen mineraalzouten ervoor dat de eiwitten samenklonteren tot een net.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer achter het huidige onderzoek is de zoektocht naar goede vleesvervangers. Vlees dankt zijn typische bite, vezeligheid en sappigheid grotendeels aan de manier waarop dierlijke eiwitten tijdens het bakken of stomen geleren. Wie een geloofwaardig plantaardig alternatief wil maken, uit bijvoorbeeld erwt, soja of bonen, moet leren hoe die plantaardige eiwitten zich op vergelijkbare wijze laten sturen. Datzelfde geldt voor eivervangers: het geleren van ei bij verhitting is precies wat een gebakken ei zijn structuur geeft, en dus ook precies wat een plantaardige eivervanger moet nabootsen.
Een tweede drijfveer is duurzaamheid. Veel traditionele geleermiddelen, zoals gelatine, worden gewonnen uit botten en huiden van dieren. Als plantaardige of door fermentatie geproduceerde eiwitten hetzelfde geleereffect kunnen bereiken, vermindert dat de afhankelijkheid van dierlijke grondstoffen.
Daarnaast speelt de wens naar 'clean label' producten mee: consumenten en fabrikanten willen liever minder synthetische verdikkingsmiddelen en E-nummers op het etiket, en meer functionaliteit die simpelweg uit de eigenschappen van het eiwit zelf komt.
Tot slot is eiwitgelering ook relevant buiten de voeding om. In de biomedische wetenschap gebruikt men eiwitgels als steigerstructuur waarop levende cellen kunnen hechten en groeien, een principe dat cruciaal is voor celkweekvlees en voor weefselkweek in de gezondheidszorg.
Voorbeelden uit de praktijk
Aan de Wageningen University & Research wordt al ruim twintig jaar onderzoek gedaan naar het structureren van plantaardige eiwitten. De onderzoeksgroep rond hoogleraar voedselproceskunde Atze Jan van der Goot ontwikkelde de zogeheten shear cell, een apparaat dat soja- of erwteneiwit onder gecontroleerde hitte en afschuifkrachten omvormt tot vezelige structuren die aan vleesspieren doen denken. Deze Nederlandse technologie wordt gezien als een van de meer energiezuinige alternatieven voor het gangbare extrusieproces dat de industrie meestal gebruikt.
Het Amerikaanse bedrijf Eat Just bracht met JUST Egg een vloeibare eivervanger op de markt op basis van mungboneneiwit, dat net als kippenei bij verhitting in de pan stolt tot een vaste, ei-achtige structuur. Het product kwam eind jaren 2010 op de Amerikaanse markt en is inmiddels ook in andere landen te koop, als een van de bekendste commerciële toepassingen van plantaardige eiwitgelering.
In de vleesverwerkende industrie wordt het enzym transglutaminase al sinds de jaren negentig gebruikt om eiwitten aan elkaar te binden, bijvoorbeeld om kleinere stukjes vlees of vis samen te voegen tot een geheel stuk, of om de textuur van surimi (visgehakt) te verstevigen. Dit enzym wordt daarom in de volksmond weleens 'vleeslijm' genoemd.
Ook in celkweekvlees speelt gelering een rol, zij het in een andere gedaante. Onderzoekers, waaronder Mark Post die in 2013 aan de Universiteit Maastricht de eerste hamburger uit gekweekte dierlijke cellen presenteerde, gebruiken eiwit- of polysacharidegels als een soort steiger waarop spiercellen zich kunnen hechten en tot vezels kunnen uitgroeien. Het bedrijf Mosa Meat, dat uit dit Maastrichtse onderzoek is voortgekomen, werkt nog altijd aan het schaalbaar maken van dit soort structurerende technieken.
Tot slot experimenteren fabrikanten van plantaardige kaas- en zuivelalternatieven met combinaties van erwt- en soja-eiwitgels om het smeltgedrag en de elastische bite van echte kaas beter te benaderen, een gebied waarin de resultaten nog wisselend van kwaliteit zijn.
Hoe ver is de techniek?
Voor klassieke eiwitbronnen zoals sojaeiwit, wei-eiwit (whey) en ei is de wetenschap van gelering al decennialang goed begrepen en industrieel volledig uitontwikkeld; dit is geen nieuwe technologie meer, maar een volwassen productieproces.
De grootste vooruitgang wordt nu geboekt bij nieuwere eiwitbronnen zoals erwt-, favaboon-, aardappel- en mungboneiwit. Deze eiwitten gedragen zich anders dan de klassieke bronnen: ze geleren soms moeilijker, geven een andere smaak of een minder gladde textuur, en onderzoekers werken voortdurend aan manieren om die eigenschappen te verbeteren, bijvoorbeeld door eiwitten te zuiveren, te combineren met andere ingrediënten, of te bewerken met enzymen.
Bij celkweekvlees staat het gebruik van eiwitgels als celsteiger nog in een vroeger ontwikkelingsstadium. De techniek werkt aantoonbaar op laboratoriumschaal, maar opschaling naar betaalbare, grootschalige productie blijft een belangrijk obstakel, evenals het verkrijgen van regelgevende goedkeuring in verschillende landen.
Een opkomende richting is precisiefermentatie, waarbij micro-organismen worden ingezet om specifieke eiwitten te produceren met eigenschappen die op maat zijn afgestemd voor gelering. Dit veld staat nog relatief aan het begin, en het is nu nog onzeker hoe snel en tegen welke kosten dit soort eiwitten op grote schaal beschikbaar komen.
Wie werken eraan?
Nederland speelt een opvallend prominente rol in dit onderzoeksveld, met Wageningen University & Research als internationaal erkend centrum voor voedingswetenschap en eiwitstructurering. Ook Maastricht University is relevant vanwege het pionierswerk op het gebied van celkweekvlees.
Daarnaast zijn universiteiten met sterke voedingswetenschappelijke afdelingen elders in de wereld actief op dit terrein, onder meer in de Verenigde Staten, Canada en enkele Aziatische landen met een groeiende foodtech-sector, zoals Singapore.
Aan de bedrijfskant zijn het vooral voedingsmiddelenfabrikanten en foodtech-startups die deze wetenschap toepassen: makers van plantaardige vleesvervangers en eivervangers, ingrediëntenleveranciers die gezuiverde plantaardige eiwitten produceren, en celkweekvleesbedrijven die zoeken naar geschikte celsteigermaterialen. Grote internationale voedingsmiddelenconcerns hebben eigen onderzoeksafdelingen die zich met eiwitfunctionaliteit bezighouden, terwijl kleinere startups vaak nauw samenwerken met universitaire onderzoeksgroepen.