15. juni 2021

Plantebaserede fødevarer - en fremtid med uløste udfordringer

plantemad

En erstatning af animalske fødevarer med plantebaserede fødevarer kan bidrage til både bæredygtighed og sundhed. Men de fleste planter har ikke udviklet sig til at være mad, der skal spises af mennesker, så hvordan håndterer vi det?

Foto af bælgfrugter

Af Poul Erik Jensen og Iben Lykke Petersen, Institut for Fødevarevidenskab, Københavns Universitet

Den originale artikel er bragt i Dansk Kemi

Produktion, forarbejdning og forbrugeraccept af plantebaserede fødevarer er, og vil være, et vigtigt element i fremtidens fødevareproduktion, da det især er produktion af animalsk protein, der belaster klimaet. En omstilling til plantebaserede fødevarer kræver, at de er sunde og eftertragtede hos forbrugerne. Her skal vi tænke på planter både som kilde til ingredienser i fødevarer (protein, kulhydrat, fedt) og som hele måltider. Plantebaserede fødevarer skal opfylde krav til tekstur og funktionalitet, samtidig med at de skal være sunde, lækre og smage godt!

Planternes struktur

I naturen udviser de dele, som vi kan bruge til plantebaserede fødevarer, meget komplekse og forskellige strukturer. I grove træk kan de fleste vegetabilske fødevarer dyrket til mad klassificeres i to brede kategorier, i) de kødfulde, saftige strukturer (knolde, frugter og grøntsager) og ii) indkapslede embryoner eller kim (korn, frø og nødder).

Få flere nyheder om fødevareforskning og -uddannelse ved at tilmelde dig KU FOOD's nyhedsbrev, som udkommer 4 gange om året

De spiselige dele af planten kan betragtes som et hierarki af strukturer; dvs. strukturer af stadig højere organisation, gradvist samlet fra molekylær til makro-skala indtil de ønskede funktioner og egenskaber er nået. Planter, som andet i naturen, bruger et begrænset antal tilgængelige molekyler som byggesten til at syntetisere talrige polymerer, organeller, celler og væv. Eksempler er cellevægge, stivelseskorn, proteinlegemer (protein bodies) og lipidlegemer (lipid bodies), som organiseres i celler og væv.

Tag eksempelvis et ærtefrø: her er cellerne, som udgør kimen, og dermed altså udgør det meste af frøet, omgivet af en cellevæg bestående af makrofibriller, der igen er sammensat af mikrofibriller, som består af blandt andet cellulose-molekyler. Inde i cellerne er der lipidmembraner og organeller (ligeledes omgivet af membraner) indeholdende proteiner (protein bodies), lipider/olier (lipid bodies) og stivelseskorn. Dvs. hovedingredienserne til fødevarer - protein, fedt og kulhydrat - er lukket godt og effektivt inde i et frø.

Blade, eksempelvis græs, kan også anvendes som fødevarer på grund af indholdet af især protein. Her vil proteinerne være til stede enten i form af opløselige proteiner eller membranbundne proteiner (almindeligvis metaboliske enzymer og proteinkomplekser). Derfor er forarbejdning eller processering en nødvendig del af at få næringsstofferne gjort tilgængelige fra langt de fleste plantebaserede fødevarer. Dvs. der kræves effektive teknikker til at åbne plantematricen og efterfølgende ekstrahere og isolere næringsstofferne.

De enestående frøproteiner

Især frøproteinernes struktur er speciel, og således er både den videre forarbejdning til en ønsket funktionalitet og fordøjelsen
af disse en udfordring.

Som nævnt er en stor del af frøproteinerne såkaldte lagerproteiner, der tjener som biologiske energireserver nødvendige for den spirende kim. Proteindelen i frøet er således evolutionært udviklet til overlevelse i lang tid, og netop derfor er den ikke nemt tilgængelig eller nedbrydelig som fødevare eller proteiningrediens. Frøproteinerne er således mindre opløselige end for eksempel mælkeproteinerne. Derfor kræver det også helt ny viden for at forstå, hvad der skal til for eksempelvis at fremstille en ost baseret på fermentering af planteproteiner frem for fermentering af mælkeproteiner.

Hver type frø har en unik sammensætning af proteiner, men strukturen varierer og dermed også funktionaliteten af proteinerne. Klassisk inddeles frøproteiner i Osborne-fraktionerne: 1) vandopløselige albuminer, der dækker over metabolisk aktive proteiner som for eksempel enzymer, protease inhibitorer og lektiner, 2) de saltopløselige globuliner, der kan opdeles efter deres sedimentationskoefficienter, 3) prolaminer, der kan ekstraheres i vandige alkoholopløsninger og 4) gluteliner, der er opløselige i fortyndet vandig syre eller base.

I ærtefrø udgør de saltopløselige globuliner den største fraktion inddelt i legumin, vicilin og convicilin. Ernæringsmæssigt har viciliner et højere indhold af aminosyrerne arginin, isoleucin, leucin, phenylalanin og lysin sammenlignet med legumin, som er rigere på svovlholdige aminosyrer. Sammenlignet med viciliner, indeholder conviciliner aminosyren cystein. Ud over forskellene i den ernæringsmæssige kvalitet resulterer strukturelle forskelle også i forskellige funktionaliteter, hvor viciliner har bedre gelerings- og emulgeringsegenskaber end legumin på grund af bedre strukturel fleksibilitet.

Planteproteinernes ernæringsmæssige kvalitet

Især to faktorer har betydning for planteproteinernes ernæringsmæssige kvalitet: i) aminosyresammensætningen og ii) fordøjeligheden.

Aminosyrer kan - i modsætning til fødevarernes andre makronæringsstoffer - ikke oplagres i kroppen, og derfor er vi afhængige af at få den rette mængde af essentielle aminosyrer hver dag. Med nogle få undtagelser betegnes de fleste planteproteiner som værende ikke-komplette, da fordelingen af de essentielle aminosyrer ikke svarer til det humane behov. Hvor bælgplanter oftest er begrænsende på methionin, er cerealier oftest begrænsende på lysin.

Ved at kombinere proteiner fra bælgplanter og cerealier kan man øge den samlede ernæringsmæssige kvalitet, idet aminosyresammensætningen kan komplementere hinanden. Dette har vi haft fokus på i forskellige studier. I et studie har vi øget både proteinindholdet og forbedret aminosyresammensætningen i en plantedrik baseret på havre suppleret med bælgplanteprotein. I et andet studie fra et EU-projekt, Protein2Food, har det været muligt at forbedre den ernæringsmæssige kvalitet af almindeligt hvedebrød ved at tilsætte blandt andet hestebønneprotein.

Fordøjeligheden og biotilgængeligheden af proteinerne påvirkes af proteinernes struktur, fødevarens struktur og sammensætning. For eksempel kan proteinet være svært tilgængeligt på grund af meget stivelse eller fiber i fødevaren, samt tilstedeværelsen af anti-næringsstoffer. Til at undersøge fordøjeligheden af proteiner i fødevarer anvendes ofte en in vitro protein fordøjelsesmetode, en såkaldt IVPD-metode. Med IVPD-metoden kan man undersøge proteinfordøjeligheden af en lang række forskellige proteiner, både på ingrediensniveau og i færdige fødevarer. 

Anti-næringsstoffer

Som bekendt er ”Alt […] giftigt, det er blot et spørgsmål om dosis” (Paracelsus), og sådan kan man også anskue mange af de specialiserede metabolitter, som planter indeholder. Mange af disse såkaldte fytokemikalier er både kendt for at kunne have positive helbredseffekter i små mængder, men også for negativt at kunne påvirke en fødevares næringsværdi, og så betegnes de anti-næringsstoffer. Ud over at have en negativ effekt på næringsværdien, kan disse anti-næringsstoffer også have en negativ effekt på smag og/eller udseende, dvs. farve af planteproteiningredienser.

Eksempler på grupper af anti-næringsstoffer er tanniner, fytinsyre, oxalater, saponiner, lektiner, cyanogene glukosider, alkaloider, vicin/convicin, glucosinolater osv. Flere af disse stoffer, eller deres nedbrydningsprodukter, kan binde sig til proteinerne og dermed vanskeliggøre en nedbrydning i vores fordøjelsessystem, mens andre er direkte giftige. Herudover fungerer visse proteiner selv som anti-næringsstoffer, nemlig gruppen af protease-inhibitorerne, herunder trypsin-inhibitorerne som er særligt kendetegnende for bælgplanterne, og specielt for sojabønnerne.

I nogle tilfælde kan fibre og oligosakkarider også karakteriseres som anti-næringsstoffer, idet det er vist, at fibre kan nedsætte fordøjeligheden af planteproteiner, mens oligosakkarider kan have en negativ effekt på personer med mavetarm-sygdomme. Både fibre og oligosakkarider er dog også kendetegnet ved ikke at kunne nedbrydes i tyndtarmen, hvorfor de passerer videre til tyktarmen, hvor de fremmer væksten af bakterier, der er gavnlige for vores tarmsundhed.

Forarbejdning/processering kan reducere mængden af antinæringsstoffer og deres effekt. Det kan være i forbindelse med ekstrahering og isolering af planteproteiner, eller andre former for pre- eller post-processeringsmetoder, som for eksempel fermentering. Vi har blandt andet vist, at våd ekstraktion af planteproteiner kan være med til at nedsætte indholdet af anti-næringsstoffer signifikant, og samtidig være med til at øge proteinfordøjeligheden (in vitro). 

Smarte forarbejdningsmetoder skal sikre fremtidens fødevarekilder

Et vigtigt indsatsområde er at forstå, hvordan proteinekstrahering, forarbejdning og fødevarematricen, dvs. sammensætningen af protein, stivelse og fibre, påvirker proteinfordøjeligheden. Der arbejdes blandt andet med enzymatisk behandling til ekstraktion og forarbejdning af proteiner fra frø. Enzymer, der nedbryder cellulose og lignin i plantens cellevægge, hjælper til med at frigive proteinerne. Proteaser ”klipper” proteinet i mindre dele. Disse mindre proteinfraktioner er mere opløselige og fordøjelige. En sådan hydrolyse kan dog medføre bismag og andre problemstillinger i det endelige produkt (proteinhydrolysatet).

Alle plantefrø varierer i størrelse og indholdet af protein, kulhydrat og olie, og dermed kan én proces ikke tilpasses alle typer frø. Det ønskelige er at udvikle skånsomme og bæredygtige fraktioneringsmetoder til produktion af planteproteinfraktioner af høj ernæringsmæssig kvalitet. For at opretholde et bæredygtighedsaspekt er det vigtigt, at der også er fokus på at skabe værdi for råvarens øvrige komponenter ud over protein såsom stivelse, fibre samt opløselige kulhydrater og eventuelle lavmolekylære stoffer.

Fremtidige fødevaresystemer har at gøre med meget mere end bare, hvad vi dyrker på marken, og hvordan vi dyrker det. Fremover vil det også være afgørende, hvordan vi behandler, forarbejder og forbruger råvarerne. Når det kommer til at introducere nye fødevarer og dermed ændre folks adfærd, kommer vi heller ikke uden om smag.

Ud over de nævnte udfordringer med brug og tilgængelighed af planteproteinerne, er der også nogle ubekendte omkring vitaminer. Vitamin D3 og -B12 får vi i dag stort set udelukkende fra kød, fisk og mælk, og et øget indtag af plantebaserede proteiner kan ikke nødvendigvis dække vores behov for disse to vitaminer. Der vil også være mangler af visse polyumættede fedtsyrer, hæm-jern, kreatin, taurin og visse mineraler såsom jod og selen, som vi skal være opmærksomme på.

Artiklen er bragt i Dansk Kemi. Følg linket for at se den originale artikel med referencer.