Optimization of lactic acid production from dairy whey using indigenous lactic acid bacteria

Elke keer dat kaas wordt gemaakt, blijft er een enorme hoeveelheid vloeistof achter. Voor elke kilogram geproduceerde kaas wordt er ongeveer tien liter van dit waterige bijproduct, bekend als zoete wei, gegenereerd. Hoewel het op water lijkt, is het in feite rijk aan suikers, eiwitten en vitaminen die het kaasbereidingsproces niet heeft gevangen. Op veel plaatsen wordt deze nutriëntenrijke vloeistof als afval behandeld. Wanneer het in rivieren wordt geloosd of wordt achtergelaten om te rotten, verbruikt het zuurstof in het water en creëert het een zware milieu-impact. Deze vloeistof herbergt echter ook een verborgen potentieel: de suikers erin kunnen worden gevoed aan minuscule, natuurlijke micro-organismen om melkzuur te creëren. Deze stof is een veelzijdige bouwsteen die wordt gebruikt voor alles van voedselconserveringsmiddelen en cosmetica tot biologisch afbreekbare plastics. Het omzetten van een vervuilend afvalproduct in een waardevol materiaal vertegenwoordigt een verschuiving naar een circulaire economie, waarbij niets verloren gaat en elke output een input wordt voor iets nieuws.

In de noordelijke hooglanden van Rwanda, waar de zuivelindustrie snel is gegroeid, werden onderzoekers geconfronteerd met de uitdaging om de grote volumes wei die door lokale kaasmakers worden geproduceerd, te beheren. Een team van INES-Ruhengeri zette zich in om te zien of ze deze wei konden transformeren tot melkzuur met behulp van bacteriën die al in de regio leefden. In plaats van gespecialiseerde culturen uit het buitenland te importeren, keken ze naar lokale yoghurt, een traditioneel gefermenteerd voedingsmiddel, om de juiste micro-organismen te vinden. Ze verzamelden wei-monsters van drie verschillende kaasproducenten en yoghurt van een lokale markt om aan hun zoektocht te beginnen. De wei die zij testten, werd bevestigd als een rijke soep van lactose, de suiker die in melk wordt gevonden, samen met kleine hoeveelheden eiwit en mineralen, wat het een ideale voedingsbron maakt voor fermentatie.

De onderzoekers isoleerden eerst verschillende stammen van melkzuurbacteriën uit de lokale yoghurt. Dit zijn dezelfde soorten vriendelijke microben die verantwoordelijk zijn voor het veranderen van melk in yoghurt. Na het testen van deze in steriele wei, selecteerden ze één specifieke stam, die ze LAB-4 noemden, omdat deze het meest efficiënt bleek te zijn in het omzetten van de wei-suiker in zuur. Deze stam was in staat om de pH van de wei binnen drie dagen aanzienlijk te verlagen, een teken dat het krachtig aan het werk was. Met deze inheemse bacterie in handen, ging het team over naar de volgende fase: het vinden van de perfecte omgeving voor de werking ervan. Ze wisten dat temperatuur, de beginzuurgraad van de vloeistof en de hoeveelheid toegevoegde bacteriën allemaal de uitkomst zouden veranderen, dus gebruikten ze een systematische methode om honderden combinaties te testen om het ideale punt te vinden.

Door dit zorgvuldige testen ontdekten de wetenschappers dat de bacteriën het beste presteerden wanneer ze op een warme temperatuur van 37 graden Celsius werden gehouden, met een begin-pH van 6,0, en wanneer het mengsel een specifieische hoeveelheid van de bacteriële cultuur bevatte. Onder deze geoptimaliseerde omstandigheden was het proces opmerkelijk effectief. In slechts 48 uur zetten de bacteriën de lactose in de wei om in melkzuur, waarbij een concentratie van 43,2 gram per liter werd bereikt. Dit resultaat betekende dat voor elke gram geconsumeerde suiker, de bacteriën bijna 0,87 gram melkzuur produceerden, een hoge efficiëntie die concurreert met methoden die gebruikmaken van geïmporteerde commerciële bacteriën. Het proces reinigde ook het afvalwater; de chemische zuurstofvraag, een maatstaf voor hoeveelheid vervuiling in de vloeistof, daalde met meer dan twee derde, wat bewees dat de fermentatie tegelijkertijd het afval behandelde en een product creëerde.

Zodra de fermentatie voltooid was, moest het team het melkzuur scheiden van de vloeistof. Ze gebruikten een eenvoudige methode waarbij calciumhydroxide werd gebruikt om het zuur in een vaste zoutvorm om te zetten, die vervolgens werd gefilterd en behandeld met zuur om het pure melkzuur vrij te laten. Deze terugwinningsstap was succesvol en leverde ongeveer 7 hersen van het beschikbare zuur met een zuiverheid van 82,5 procent op. Hoewel deze zuiverheid lager is dan wat geavanceerde industriële machines kunnen bereiken, is het voldoende voor veel voedingsmiddelen en technische toepassingen. De onderzoekers keken ook naar de economie van het proces op kleine schaal en schatten dat de productie van een kilogram van dit melkzuur ongeveer 2,10 Amerikaanse dollar zou kosten. Dit prijsniveau suggereert dat de methode financieel haalbaar is voor lokale zuivelverwerkers, wat een manier biedt om een milieuverplichting om te zetten in een inkomstenstroom.

De studie toont aan dat lokale oplossingen wereldwijde problemen kunnen aanpakken. Door gebruik te maken van bacteriën die inheems zijn in de regio en hun groei op lokaal afval te optimaliseren, hebben de onderzoekers aangetoond dat Rwandese zuivelverwerkers hun wei duurzamer kunnen beheren. Het werk bevestigt dat zoete wei een geschikte substraat is voor de productie van melkzuur en dat inheemse bacteriën in staat zijn om de taak efficiënt uit te voeren zonder de noodzaak van dure, geïmporteerde culturen. Hoewel de huidige experimenten in kolven werden uitgevoerd en de terugwinningsmethode basis was, bieden de resultaten een sterk fundament voor toekomstige ontwikkeling. Het proces biedt een praktische, goedkope route voor afvalwaardeverhoging die aansluit bij het lands doelen voor milieubescherming en economische groei, waarbij een potentieel verontreinigend middel wordt omgezet in een waardevolle hulpbron.