Oliehoudende gist: microscopisch kleine oliefabriekjes
Stel je een gistcel voor als een piepklein magazijn. De meeste gisten die we kennen — zoals bakkersgist, die brood laat rijzen — gebruiken suiker vooral om te groeien en te vermenigvuldigen. Maar er bestaat een bijzondere groep gisten die iets anders doet: ze zetten een groot deel van de suiker die ze binnenkrijgen om in vetdruppeltjes, en slaan die op in hun eigen cel. Bij sommige soorten kan wel driekwart van het drooggewicht van de cel uit olie bestaan. Deze gisten heten oliehoudende gist, in het Engels oleaginous yeast — het woord komt van het Latijnse oleum, olie.
De vergelijking met een oliefabriekje is treffend: geef deze gist voedsel (suiker uit bijvoorbeeld resthout, stro of afvalstromen uit de voedingsindustrie), en de cel zet dat om in een olie die qua samenstelling verrassend veel lijkt op plantaardige olie of zelfs op visolie. Die olie kan je er vervolgens weer uithalen en gebruiken als grondstof voor biodiesel, voedingssupplementen of cosmetica. Het is in feite een manier om olie te 'kweken' zonder een gewas te hoeven verbouwen op landbouwgrond.
Wat is het precies?
Wetenschappers noemen een micro-organisme pas 'oliehoudend' als het minstens 20 procent van zijn drooggewicht kan opslaan als lipiden (de verzamelnaam voor vetten en oliën). Deze drempelwaarde werd in de jaren tachtig voorgesteld door de Britse microbioloog Colin Ratledge, een van de grondleggers van dit onderzoeksveld. De meest bestudeerde soorten, zoals Yarrowia lipolytica, Rhodotorula toruloides en Lipomyces starkeyi, komen daar ruim overheen en halen in laboratoriumomstandigheden 40 tot 70 procent.
Het proces zelf werkt via gewone fermentatie, zoals bij bierbrouwen: de gist krijgt een voedingsbodem met suikers en wordt in grote roerkuipen (fermentoren) gekweekt bij een constante temperatuur. Het cruciale verschil zit in de voedingsbalans. Als er in de voedingsbodem veel koolstof (suiker) is, maar weinig stikstof (bijvoorbeeld uit ammonium of aminozuren), raakt de celdeling geremd. De gist kan dan niet meer groeien, maar blijft wel suiker opnemen — en zet die overtollige energie om in vetdruppeltjes die ze intern opslaat, een beetje als een dier dat vetreserves aanlegt voor de winter.
Na de kweekfase wordt de olie uit de cellen gehaald. Dat gebeurt door de celwand open te breken (mechanisch, met enzymen, of met oplosmiddelen) en de vetdruppeltjes te scheiden van de rest van de celinhoud. Het resultaat heet single cell oil (SCO), oftewel 'olie van één cellijn' — een verzamelterm voor oliën die door micro-organismen zoals gisten, schimmels of algen worden geproduceerd, in tegenstelling tot oliën uit planten of dieren.
Onderzoekers kunnen gisten ook genetisch aanpassen om nog meer olie te maken, of om specifieke soorten vetzuren te produceren die van nature niet of nauwelijks in gist voorkomen — zoals omega-3-vetzuren die normaal vooral uit vis komen, of vetzuren die qua samenstelling lijken op cacaoboter of palmolie.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste drijfveer is het vinden van een duurzamer alternatief voor plantaardige oliën en dierlijke vetten. Palmolie en sojaolie vragen veel landbouwgrond, water en tijd om te groeien, en de palmolieteelt wordt regelmatig in verband gebracht met ontbossing. Oliehoudende gist groeit in gesloten fermentoren, in dagen in plaats van maanden, en kan in principe op restproducten draaien in plaats van op voedselgewassen.
Een tweede drijfveer is de vraag naar hernieuwbare grondstoffen voor biodiesel en duurzame vliegtuigbrandstof (SAF, sustainable aviation fuel). Omdat gistolie qua vetzuursamenstelling op plantaardige olie lijkt, kan ze met vergelijkbare chemische processen worden omgezet in brandstof.
Daarnaast is er belangstelling vanuit de voedingsmiddelen- en supplementenindustrie: gist die omega-3-vetzuren zoals EPA of DHA aanmaakt, zou een alternatief kunnen bieden voor visolie, zonder dat daarvoor vismeel of wilde visvangst nodig is. Ten slotte zien onderzoekers kansen om afvalstromen — glycerol uit biodieselproductie, wei uit de zuivelindustrie, of stro en houtresten — te gebruiken als goedkope voedingsbodem, wat een vorm van afvalvalorisatie is: waarde halen uit wat anders weggegooid zou worden.
Voorbeelden uit de praktijk
Het bekendste commerciële voorbeeld is de gemodificeerde gist Yarrowia lipolytica die chemieconcern DuPont (dat onderdeel werd van IFF) ontwikkelde om EPA-omega-3-olie te produceren. Deze olie werd toegepast in visvoer voor het Verlasso-zalmkweekproject, een samenwerking met het Chileense visbedrijf AquaChile, als alternatief voor visolie uit wilde vangst — een van de weinige voorbeelden waarbij oliehoudende gist daadwerkelijk buiten het lab een commerciële rol kreeg.
In 2014 publiceerden onderzoekers van de Georgia Institute of Technology (met John Blazeck als eerste auteur) in Nature Communications een genetisch aangepaste Yarrowia lipolytica-stam die tot ongeveer 90 procent van haar drooggewicht aan lipiden wist op te slaan, een van de hoogste percentages ooit in een gist gerapporteerd. Het onderzoek liet zien hoeveel er via genetische aanpassing te winnen valt, al ging het om een labresultaat, niet om een fabrieksproces.
In de Verenigde Staten doen onderzoeksinstituten zoals het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en het Joint BioEnergy Institute (JBEI) al langer onderzoek naar gisten als Rhodotorula toruloides (voorheen Rhodosporidium toruloides geheten) om suikers uit houtachtige biomassa — lignocellulose, de vezelstructuur van planten — om te zetten in olie voor biobrandstof.
In China wordt vanuit onder meer het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, onderdeel van de Chinese Academy of Sciences, gewerkt aan opschaling van gistfermentatie voor biodieselproductie, met Rhodotorula toruloides als een van de onderzochte soorten.
Ook in de voedingsmiddelenindustrie lopen projecten: fabrikanten van omega-3-supplementen en specialty fats (gespecialiseerde vetten, zoals cacaoboter-vervangers voor de chocolade-industrie) experimenteren met gistfermentatie als alternatief voor plantaardige extractie, al is dit veelal nog in de fase van pilotproductie.
Hoe ver is de techniek?
Oliehoudende gist wordt al decennia bestudeerd — het fundamentele onderzoek van Ratledge dateert uit de jaren tachtig — maar de meeste toepassingen bevinden zich nog tussen laboratorium en pilotschaal. Alleen in specifieke niches, zoals de omega-3-olie voor visvoer, is een product daadwerkelijk commercieel op de markt gebracht.
De grootste hindernis is economisch, niet biologisch: fermentatie op industriële schaal, gevolgd door het openbreken van cellen en het zuiveren van de olie, kost aanzienlijk meer dan het persen van plantaardige olie uit zaden. Zolang plantaardige olie relatief goedkoop blijft, is gistolie voor bulktoepassingen zoals biodiesel doorgaans nog niet concurrerend, tenzij er sprake is van subsidies, CO2-beprijzing of een markt die bereid is meer te betalen voor duurzaamheid.
Een tweede uitdaging is de voedingsbodem: goedkope restproducten (stro, houtafval, glycerol) bevatten vaak stoffen die de gist remmen of die eerst bewerkt moeten worden voordat de gist ze kan verteren, wat extra proceskosten met zich meebrengt. Ook de genetische stabiliteit van sterk aangepaste giststammen — blijven ze bij herhaald opschalen even productief — is een aandachtspunt in de industrie.
Voor specialistische, hoogwaardige producten zoals omega-3-olie of zeldzame vetzuren ligt de zaak anders: daar is de prijs per kilo veel hoger, waardoor fermentatie sneller rendabel wordt. Het is dan ook in die niches dat de techniek het verst gevorderd is, terwijl grootschalige biodiesel uit gistolie vooralsnog vooral onderzoek en pilotprojecten betreft.
Wie werken eraan?
Het fundamentele onderzoek wordt wereldwijd verspreid gedreven door universiteiten en overheidslaboratoria. In de Verenigde Staten zijn het National Renewable Energy Laboratory (NREL) en het Joint BioEnergy Institute (JBEI), beide gelieerd aan het Amerikaanse ministerie van Energie, belangrijke spelers op het gebied van gist en biobrandstof. In het Verenigd Koninkrijk bouwde de University of Hull, met het werk van Colin Ratledge, mee aan de wetenschappelijke basis van het veld.
In China investeert de Chinese Academy of Sciences, onder meer via het Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, in onderzoek naar opschaling van gistfermentatie voor biobrandstof. Ook diverse Europese universiteiten, onder andere in Frankrijk (INRAE) en Duitsland, doen onderzoek naar de metabole routes waarmee gist vet aanmaakt.
Op het commerciële vlak is vooral chemie- en voedingsconcern IFF (dat de biotech-activiteiten van het vroegere DuPont overnam) relevant vanwege de Yarrowia-omega-3-technologie. Ook bedrijven in de bredere biotechindustrie, zoals fermentatiespecialisten die micro-organismen inzetten voor specialty fats en voedingsingrediënten, verkennen de mogelijkheden van oliehoudende gist, doorgaans in kleinere, hoogwaardige marktsegmenten dan bulkbrandstof.