Cheese whey wastewater-derived Chlorella biomass promotes growth and β-galactosidase activity of Pediococcus sp. isolated from Gundurk

In de wereld van voedselproductie is afval vaak een onvermijdelijk bijproduct, maar voor wetenschappers kan het een verborgen hulpbron zijn. Een dergelijk afproduct is wei uit kaas, de vloeistof die overblijft nadat melk is verwerkt tot kaas. Hoewel rijk aan voedingsstoffen zoals suikers en eiwitten, is deze vloeistof moeilijk af te voeren omdat het de zuurstof in waterwegen kan uitputten als het onbehandeld wordt geloosd. Om dit op te lossen, kijken onderzoekers naar de kleine recyclers van de natuur: microalgen. Dit zijn microscopische, plantachtige organismen die zonlicht gebruiken om te groeien, maar ze kunnen ook teren op de organische voedingsstoffen die in afvalstromen worden gevonden. Wanneer deze algen groeien, veranderen ze afval in een vaste, nutriëntendichte biomassa. Deze biomassa is niet alleen afvalverwerking; het is een potentieel voedingsingrediënt vol eiwitten en vetten. Aan de andere kant van de vergelijking staan melkzuurbacteriën, de werkpaarden achter gefermenteerde voedingsmiddelen zoals yoghurt en zuurkool. Deze bacteriën zijn essentieel voor de menselijke gezondheid en voedselconservering, maar ze vereisen specifieke omstandigheden om te gedijen en nuttige enzymen te produceren. De vraag die deze research aanjoeg, was of de algen die op afval groeiden, deze bacteriën daadwerkelijk beter konden helpen hun werk te doen, waardoor een cyclus ontstaat waarin afval een hulpmiddel wordt voor het maken van gezonder voedsel.

Een team onderzoekers van het Research Institute for Bioscience and Biotechnology in Nepal begon dit idee te testen met behulp van twee specifieke soorten lokale micro-organismen. Eerst verzamelden ze water uit een zoetwatervijver in Banepa om een wilde stam van Chlorella te vinden, een veelvoorkomend type groene microalg. Ze verzamelden ook monsters van Gundurk, een traditioneel gefermenteerd groentegerecht gemaakt van mosterdbladeren, om een specifieke stam van melkzuurbacteriën genaamd Pediococcus te isoleren. De onderzoekers creëerden vervolgens twee verschillende omgevingen waarin de algen konden groeien. De ene was een standaard laboratoriumvoedingsoplossing, en de andere was een mengsel van de wei-afvalwater en water. Ze lieten de algen acht dagen groeien in beide omgevingen. De resultaten toonden aan dat de algen in de wei net zo goed groeiden als in de standaard laboratoriumoplossing. Sterker nog, aan het einde van het experiment produceerden de algen in de wei een iets hoger aantal cellen, waarbij ze een dichtheid bereikten van 17,3 miljoen cellen per milliliter, vergeleken met 15,9 miljoen in de standaardoplossing. Belangrijker nog, de algen die in het afval groeiden, produceerden aanzienlijk meer vast materiaal, met een opbrengst van 1,40 gram droge biomassa per liter, terwijl de standaardoplossing slechts 0,30 gram produceerde.

De onderzoekers onderzochten vervolgens wat er in de algelcellen zat om te zien of het afval de samenstelling veranderde. Met behulp van een techniek die meet hoe licht weerkaatst op moleculen, vonden zij dat de algen die in kaaswei waren gegroeid een andere chemische samenstelling hadden dan die in het laboratorium waren gegroeid. Specifiek bevatten de in afval gegroeide algen meer lipiden, wat vetten en oliën zijn, terwijl de in het lab gegroeide algen een sterker eiwitkenmerk vertoonden. Dit suggereert dat de voedingsstoffen in de kaaswei, zoals lactose en andere organische verbindingen, de algen ertoe aanzetten meer energie op te slaan in de vorm van vetten. Het team nam deze gedroogde algbiomassa vervolgens en voegde deze toe aan het voedingsmedium voor de Pediococcus-bacteriën. Ze wilden zien of het voeden van de bacteriën met deze algen hen zou helpen sneller te groeien of harder te werken. De resultaten waren duidelijk: het toevoegen van de algbiomassa hielp de bacteriën om zich sneller te vermenigvuldigen tijdens hun actieve groeifase. De bacteriën groeiden aanzienlijk beter in aanwezigheid van de algen dan zonder de algen, met name na 18 tot 24 uur groei.

Naast het helpen bij de groei van de bacteriën, stimuleerden de algen ook een specifieke functie die zeer waardevol is voor de menselijke gezondheid: het vermogen om lactose af te breken. De Pediococcus-bacteriën produceren van nature een enzym genaamd bèta-galactosidase, dat helpt bij het verteren van de suiker die in melk wordt gevonden. Dit is cruciaal omdat een groot deel van de volwassen populatie lactose niet goed kan verteren. Wanneer de onderzoekers de activiteit van dit enzym maten, vonden zij dat de bacteriën gevoed met algen veel meer ervan produceerden dan die met een standaarddieet. De bacteriën die gevoed werden met algen die in de kaaswei waren gegroeid, vertoonden een enzymactiviteitsniveau van 49,33 eenheden, terwijl die met de algen uit de kaaswei 38,82 eenheden produceerden. Beide getallen waren aanzienlijk hoger dan de 18,34 eenheden geproduceerd door de controlegroep zonder algen. Dit geeft aan dat de algbiomassa fungeert als een krachtige booster voor de enzymatische prestaties van de bacteriën, ook al produceerden de algen die in het afval waren gegroeid iets minder enzymactiviteit dan de algen uit het laboratorium.

De studie concludeert dat deze aanpak een dubbel voordeel biedt voor zowel het milieu als de voedselwetenschap. Door kaaswei te gebruiken om algen te kweken, hebben de onderzoekers een manier aangetoond om een problematische afvalstroom op te schonen en tegelijkertijd een hoogwaardige biomassa te creëren. Deze biomassa dient op zijn beurt als een functionele voedingsstof die de prestaties van gunstige bacteriën verbetert. De bevindingen suggereren dat wilde micro-organismen uit lokale omgevingen, zoals zoetwatervijvers en traditionele gefermenteerde voedingsmiddelen, gecombineerd kunnen worden in een verenigd systeem. Dit systeem herstelt niet alleen voedingsstoffen uit zuivelafval, maar genereert ook een product dat de kwaliteit van gefermenteerde voedingsmiddelen kan verbeteren en mogelijk kan helpen bij de vertering van zuivel voor mensen met een lactose-intolerantie. Hoewel het proces aantoonde dat de algen die in afval waren gegroeid een iets ander effect hadden op de enzymproductie dan de in het lab gegroeide algen, bevestigt de algehele uitkomst dat afvalafgeleide biomassa een levensvatbaar en effectief hulpmiddel is voor het ondersteunen van de groei en functie van gunstige bacteriën.