Je leest:

Kaas: biotechnologie door de eeuwen heen

Kaas: biotechnologie door de eeuwen heen

Auteur: | 19 juni 2003

Het is inmiddels duidelijk dat de moderne biotechnologie op z’n zachtst gezegd voer voor discussie is, zeker wanneer het ons eten en drinken betreft. De meer klassieke biotechnologie speelt al eeuwen lang een belangrijke rol in onze voedselproductie, maar ook de moderne biotechnologie is daarin niet meer weg te denken. De heftige discussies betreffen echter vooral levensmiddelen afkomstig van transgene gewassen, het zogenaamde genvoedsel, door tegenstanders ‘Frankenstein Food’ genoemd, oftewel monsterlijk voedsel. Dit genvoedsel komt later aan bod. In dit artikel wordt een van de meest klassieke biotechnologische producten besproken, te weten kaas. Maar ook hier speelt de moderne biotechnologie een belangrijke rol.

Biotechnologie is minstens zo oud als de geschreven geschiedenis. Homerus, dichter van de Ilias en Odyssee, de oudste bewaarde voortbrengselen van de Griekse letterkunde, beschreef meer dan 7 eeuwen voor Christus al een eenvoudig, maar interessant biotechnologisch proefje.

Wat hij beschreef is het volgende. Als je een vijgentakje kneust en het gekneusde deel door melk roert dan vormt zich in de melk een vaste stof waarvan de bovenstaande vloeistof gemakkelijk afgeschonken kan worden. Wat hij hiermee beschreef, is het maken van een ‘cottage-cheese’-achtige kaas. Wat Homerus niet wist en ook niet kon weten, is dat uit het gekneusde vijgentakje wat sap lekte met daarin het enzym ficine. Dit enzym zorgt er voor dat de kaasstof in de melk grotendeels uitvlokt; het laat deze kaasstof stremmen.

Uit eveneens lang vervlogen tijd stamt nog zo’n kaasverhaal. Als je uit pas geslachte jonge kalveren de lebmaag haalt en daarin melk schenkt, kan men hetzelfde waarnemen: de kaasstof in de melk stremt. Ook hier is een soortgelijk enzym verantwoordelijk voor het gebeuren, namelijk het chymosine (ook wel rennine genoemd), dat uit de maagwand lekt en in de melk terechtkomt. Het chymosine splitst vervolgens de kaasstof in een groot stuk (90%) dat uitvlokt en in een klein stukje (10%) dat opgelost blijft in de resterende vloeistof (wei). Voor de waarnemers in die vroege tijd een raadselachtig gebeuren; van ons uit gezien één van de eerste biotechnologische toepassingen.

Klassiek stremmen

Een beetje begrip van wat stremmen nu eigenlijk is, ontstond in de negentiende eeuw. Ook werd in die eeuw het eerste stremselbedrijfje gestart en wel in 1875 in Kopenhagen door Christian Hansen. Deze man ging lebmagen van pas geslachte jonge kalveren opkopen en hieruit het chymosine extraheren met zoutoplossingen. Het extract, het zogenaamde lebferment of rennet, is één van de eerste gestandaardiseerde, industriële producten voor toepassing in een biotechnologisch proces, namelijk kaasmaken. Tot op de dag van vandaag produceert het bedrijf Christian Hansen nog steeds rennet op vrijwel gelijke wijze.

Afb. 1: Deze kaas wordt gemaakt ZONDER moderne biotechmiddelen maar als stremsel worden enzymen uit het micro-organisme Mucor miehei gebruikt. Dit stremsel staat bekend als microbieel of vegetarisch stremsel.

Per tienduizend liter melk wordt ongeveer een liter rennet gebruikt bij de kaasbereiding. Dat lijkt niet zoveel, maar als je bedenkt dat alleen in Nederland al zo’n 700.000 ton kaas per jaar gemaakt wordt, uitgaande van 7.000.000.000 liter melk, waarbij dus zo’n 700.000 liter rennet wordt verbruikt (per ton kaas dus ongeveer een liter rennet), dan kun je voorstellen dat hier heel wat kalvermaagjes voor nodig zijn. Rennet is daardoor een schaars en duur product en er wordt al lang driftig naar alternatieven gezocht. Zo zijn er bijvoorbeeld zonder veel succes – op één enkele uitzondering na, het enzym uit het micro-organisme Mucor miehei – microbiële stremsels op de markt gebracht.

Ruim tien jaar geleden, echter, heeft een Nederlands bedrijf, het huidige DSM-Gist, als eerste een kwalitatief minstens even goed alternatief stremsel op de markt gebracht. De basis van de techniek waarmee dit nieuwe product gemaakt wordt, werd in 1973 gelegd toen de eerste succesvolle recombinant-DNA-experimenten gedaan werden. Ironisch genoeg behoren de Nederlandse kaasmakers tot nu toe tot de weinigen die het nog niet gebruiken.

Modern stremmen

Begin jaren tachtig begon het Nederlandse biotechnologie bedrijf bij uitstek, Gist-brocades (tegenwoordig onderdeel van DSM), te experimenteren met de recombinant-DNA-technologie. Onderzoekers van Gist-brocades gebruikten daarbij van het erfelijke materiaal van een koe juist dat stukje DNA, dat gen dat er voor zorgt dat in zogende kalveren het enzym chymosine gemaakt wordt. (N.B. Dit gen was gekocht van Unilever).

Vervolgens ‘sleutelden’ ze dit stukje in het erfelijk materiaal van gistcellen van Kluyveromyces lactis, een van hun zogenaamde ‘plugbugs’ (zie Intermezzo), met als resultaat dat deze het kalverchymosine gingen maken. Ook de dochtercellen van deze gistcellen die in grote aantallen in grote vaten, de zogenaamde fermentoren, gekweekt kunnen worden, produceren het kalverchymosine.

Met behulp van deze genetisch gemodificeerde gistcellen maakt Gist nu al een tiental jaren zeer zuiver stremsel enzym dat identiek is aan het authentieke kalverchymosine. Uitvoerig testen heeft bewezen dat dit product van de moderne biotechnologie veilig gebruikt kan worden zonder gevaar voor de gezondheid en dat het minstens zo goed werkt als het lebferment.

Afb. 2: Voorbeeld van een grote fermentor waarin grote hoeveelheden gist wordt gekweekt. bron: DSM

Het eerste land waar het gebruik van dit nieuwe chymosine geaccepteerd werd, is Zwitserland. Dat was eind jaren tachtig, waarschijnlijk voordat men zich goed realiseerde om wat voor soort product het ging, gezien de huidige terughoudendheid waarmee men tegenwoordig de moderne biotechnologie benadert in dat land. Ondertussen is het product geaccepteerd door en wordt het gebruikt in veel landen over de hele wereld, terwijl diverse andere bedrijven ook op de markt zijn gekomen met kalverchymosine gemaakt met recombinante micro-organismen. Frankrijk is een van de landen die goedkeuring lange tijd hebben uitgesteld, maar onder druk van de gekke-koeienziekte (kans op besmetting via het lebferment is niet uit te sluiten), is het in 1998 toegelaten.

Afb. 3: Label van Cheddar cheese dat gemaakt is met chymosine uit gentech gist. bron: NCBE

Opmerkelijk genoeg heeft het chymosine uit genetisch gemodificeerde micro-organismen de kaasconsumptie in Israël en de Verenigde Staten gestimuleerd. Het microbiële product is kosher verklaard. Religieuze joden mogen deze kaas eten en doen dat ook. Mohammedanen mogen de kaas gemaakt met dit chymosine eveneens eten, omdat het ook halal (Moslimvoorschriften met betrekking tot voedselbereiding) is. Zelfs Professor Lucas Reijnders van de stichting Natuur en Milieu verklaarde al in 1994 voorstander te zijn van het gebruik van het ‘recombinant’ enzym, aangezien vegetariërs de daarmee gemaakte kaas kunnen eten zonder hun principes geweld aan te doen.

Zoals boven reeds gezegd, is ironisch genoeg Nederland nog steeds een van de weinige landen waar de kaasmakers het niet gebruiken. Hoewel al rijkelijk laat voor een land waar het als eerste geproduceerd werd, en met zo’n enorme kaasproductie, is toelating voor gebruik toch al sinds 1992 goedgekeurd. Niettemin gebruiken onze nationale kaasproducenten het niet uit vrees dat de Duitse bevolking onze kaas niet langer zal kopen. Duitsland is onze grootste afnemer van kaas, maar ook het land waar vanaf het begin de lobby tegen alles wat met moderne biotechnologie te maken heeft heel sterk is geweest.

Desondanks is in dat land sinds 1997 het gebruik van ‘recombinant’ chymosine toch ook toegelaten. Hoewel de aarzeling dus groot is bij kaasfabrikanten in beide landen, kopen de consumenten al vele jaren kazen gemaakt met het ‘recombinant’ enzym. Vele buitenlandse kaasproducenten maken er namelijk gebruik van en buitenlandse kaasjes zijn tegenwoordig erg geliefd bij veel consumenten. Het aantal daarvan, dat zich realiseert dat daar moderne biotechnologie aan te pas is gekomen, is echter gering.

De recombinante micro-organismen waar DSM-Gist vooral mee werkt, zijn verkregen uit gewone microbiële stammen waar dit bedrijf al vele jaren op commerciële schaal enzymen mee produceert en dus veel kennis van en ervaring mee heeft. Deze micro-organismen, of ‘bugs’ zoals men vaak populair zegt, hebben een aantal voordelen, omdat ze daar in de loop der jaren op geselecteerd zijn. Dat zijn bijvoorbeeld efficiënte uitscheiding van enzymen en de zekerheid dat ze als veilige organismen geclassificeerd zijn. Ze zijn GRAS: ‘Generally Recognized As Safe’.

De hiervan afgeleide recombinante micro-organismen kunnen in dezelfde fermentoren en opwerking- en zuiveringsapparatuur gebruikt worden als de niet-recombinante stammen, met dien verstande dat ze onder inperkingcondities moeten plaatsvinden, dat wil zeggen onder, afhankelijk van het proces, meer of minder strenge veiligheidseisen, zoals de wet op het toepassen van recombinante organismen die voorschrijft. Een extra voordeel van deze bugs is dat ze zodanig gemodificeerd zijn, dat ze speciale voedingseisen hebben zodat, mochten ze onverhoopt uit de fermentor ontsnappen, ze daarbuiten niet verder kunnen groeien. DSM-Gist heeft deze technologie de handelsnaam ‘PLUGBUG[^R’^] gegeven om het gemak aan te geven waarmee extra genen in deze bugs geplugd kunnen worden.

De gist Kluyveromyces lactis is een van de plugbugs van DSM-Gist. Zoals we boven zagen wordt een recombinante vorm gebruikt voor het maken van stremselenzym. Deze gist wordt al meer dan 30 jaar gebruikt om het enzym lactase mee te produceren. Dit enzym wordt gebruikt om lactose in melkproducten om te zetten in galactose en glucose. Dit zijn suikers die beter verteerbaar zijn voor mensen die een lactose intolerantie hebben (grote delen van de bevolking in Azië en Afrika zijn lactose-intolerant), zodat deze ook probleemloos melkproducten kunnen consumeren.

Begin jaren tachtig isoleerden onderzoekers van het bedrijf niet alleen het lactase gen, maar ook het DNA wat verder nodig is om het gen, en dus het lactase, tot expressie te brengen. Hieruit construeerden ze zogenaamde gen-expressie-cassettes, waarin ze gemakkelijk een gen naar keuze kunnen opnemen. Daarna kan zo’n cassette gericht in het genoom van de gist ingebracht worden, zodat het tot expressie komen van dit nieuwe gen vrijwel zeker is.

Iets dergelijks hebben ze gedaan voor de bacterie Bacillus licheniformis en de schimmel Aspergillus niger. Hiermee is de weg geopend naar de efficiënte productie van een heel scala aan voor deze plugbugs soortvreemde eiwitten, zoals bijvoorbeeld enzymen het chymosine, geneesmiddelen, etc. Meer details over het plugbug concept kunt U lezen in de brochure ‘Biotechnology, today and tomorrow’ van Gist-brocades uit 1991, en recentere publicaties die hierover verschenen zijn, bijvoorbeeld Groot c.s.

Kaasrijping: nu en in de toekomst

Bij kaasbereiding wil je in principe zoveel mogelijk eiwit en vet uit de melk afscheiden, en dit vervolgens zo snel mogelijk laten rijpen tot kaas. De afscheiding vindt plaats, zoals we boven zagen, door een melkstremmend enzym toe te voegen, al dan niet afkomstig van een genetisch gemodificeerd micro-organisme. Aan het begin van de kaasbereiding wordt naast stremsel tevens zuursel toegevoegd. Dit is een mengsel melkzuurbacteriën, waarvan de samenstelling verschilt per kaastype.

Melkzuurbacteriën spelen een belangrijke rol bij de kaasrijping. Ondermeer worden eiwitten daarbij door enzymen in korte stukken geknipt, de peptiden, die vervolgens verder worden opgesplitst in de individuele aminozuren (in totaal 20 verschillende die de bouwstenen vormen van alle natuurlijke eiwitten). Deze aminozuren geven reeds een basissmaak aan de kaas, maar kunnen ook verder worden omgezet in vluchtige (zwavelhoudende) verbindingen met een sterke kaas- of koolsmaak.

Kaasrijping is een traag proces, omdat de enzymen die daarvoor nodig zijn pas vrijkomen als de melkzuurbacteriën afsterven en vervolgens openbreken, oftewel lyseren. Bovendien is het duur: de opslag van kaas in geconditioneerde ruimten kost alleen al in Nederland 21 miljoen gulden per week! Geen wonder dat er naarstig gezocht wordt naar manieren om kaasrijping te versnellen. In principe kan dat door de ‘vrije’ concentratie smaakvormende enzymen in de kaas te vergroten. In Nederland hebben drie benaderingen het stadium van praktische toepasbaarheid bereikt.

De eerste is het toevoegen van extra enzymen, een weg gevolgd door DSM Food Specialties. In 1996 vroeg het bedrijf octrooi aan op het enzym fenylalanine-aminopeptidase, geproduceerd door een niet genetisch gemodificeerde schimmel. Dit enzym knipt het aminozuur fenylalanine af van peptiden; fenylalanine is een aminozuur dat bijdraagt aan de smaak van kaas.

Door toevoeging van het fenylalanine-aminopeptidase aan de kaasmelk wordt de rijpingstijd van Emmentaler en Cheddar bekort. Markttechnisch is het echter een probleem dat bij wijziging van de receptuur traditionele kaasnamen niet langer mogen worden gebruikt. Daarom richt DSM zich vooral op de Amerikaanse markt van enzym-gemodificeerde kazen, die gemaakt worden door jonge kaas te raspen en te verwarmen in aanwezigheid van smaakvormende enzymen. Deze enzym-gemodificeerde kazen kunnen uitstekend verwerkt worden tot ingrediënt of smaakstof voor producten als hamburgers en pizza’s.

Tijdens de startmanifestatie ‘eten en genen’ van de commissie Terlouw die het publiek debat ‘biotechnologie en voedsel’ in 2001 organiseerde, vertelde een woordvoeder van DSM-Gist mij echter dat men de introductie op de Amerikaanse markt voorlopig heeft gestaakt.

Bij de tweede benadering om kaasrijping te versnellen worden aan het zuursel genetisch gemodificeerde melkzuurbacteriën toegevoegd. Deze bacteriën kunnen ‘op commando’ lyseren en geven dan hun kostbare enzyminhoud prijs aan de kaas. Dit commando kan bijvoorbeeld het stofje nisine (conserveermiddel gebruikt bij de kaasbereiding) zijn, of een zoutconcentratie- of temperatuurstijging.

Theoretisch kan het gebruik van deze snel-lyserende bacteriën de rijpingstijd van bijvoorbeeld Goudse kaas met 75% bekorten. Toepassing van deze techniek wordt voorlopig echter verhinderd door de al eerder genoemde bescherming van type-aanduidingen als ‘Goudse’, en doordat de kans op acceptatie van ggo (genetisch gemodificeerde organismen)-bevattende voeding door de consument voorlopig niet erg groot is.

De derde benadering waaraan gewerkt wordt is het toevoegen van melkzuurbacteriën aan het zuursel die bepaalde enzymen overproduceren. Een voorbeeld van zo’n enzym is cystathionine-bèta-lyase. Dit zet het zwavelhoudende aminozuur methionine om in methaanthiol, een directe voorloper van vluchtige aroma’s in Goudse kaas. Beide methoden met genetisch gemodificeerde melkzuurbacteriën hebben spectaculaire onderzoeksresultaten opgeleverd, maar geen van beide worden ze al toegepast. De toekomst zal leren wanneer het brede publiek deze ‘klassieke’ producten van de moderne biotechnologie volledig zal accepteren.

In het februari 2003 nummer van Nature Biotechnology valt de laatste ontwikkeling te lezen. Biotechnologen uit Nieuw Zeeland hebben negen transgene, gekloonde koeien gemaakt met meer caseïne-eiwit in de melk. Door dit extra eiwit levert deze melk meer kaas op en wordt de productie goedkoper. Naar aanleiding hiervan hebben enkele kamerleden onze minister van landbouw enige vragen gesteld, onder andere of hij genetisch modificatie van dieren ten behoeve van voedselproductie ethisch acceptabel vindt, of er in Europa een integraal ethisch toetsingskader moet komen voor het afwegen van dit soort ontwikkelingen en of hij kan voorkomen dat deze koeien of hun producten in Nederland worden geïmporteerd (ten tijde van het schrijven was het antwoord van de minister nog niet bekend), interessante vragen ook om in een breder kader aan de orde te stellen.

Bronnen:

Gert S.P. Groot, Marga A. Herweijer, Arthur L.M. Simonetti, Gerard C.M. Selten, Onno Misset, ‘Enzymes in food and feed: past, present and future’, in Food Biotechnology (S. Bielecki, J. Tramper, J. Polak, editors), Elsevier Science B.V., 2000, 95-99. Jaap van Ede, ‘Traditionele kaas met moderne biotechnologie’, Chemisch2Weekblad 19, 19 oktober 1999, 14-17.

Voor vragen of opmerkingen n.a.v. dit artikel kunt u mailen met:

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI).
© Nederlands Instituut voor Biologie (NIBI), sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 19 juni 2003

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.