Probioticapoeders met hoge overleving

Probiotica worden vaak geproduceerd in poedervorm. Aan poederprocessen zitten echter veel haken en ogen, zoals hoge investerings- en energiekosten, maar ook hittestress en lage overleving. Welke technologische ontwikkelingen zijn er bij droge producten met levende micro-organismen? Een overzicht.

Gefermenteerde producten zijn populair bij de consument. Fermentatie heeft een gezond imago en is de basis voor unieke smaken en texturen. Bij productfermentaties voeren micro-organismen omzettingen uit die leiden tot een betere smaak, textuur en houdbaarheid. In de darmen vinden complexe fermentaties plaats waarbij voedingsstoffen beschikbaar worden gemaakt, micronutriënten worden geproduceerd en de gezondheid van de gastheer gestimuleerd wordt. Voor beide fermentaties is het in veel gevallen gewenst om levende bacteriën te gebruiken als startmateriaal van een goede en gecontroleerde fermentatie. Hiervoor wordt een groot scala aan producten met – probiotische –bacteriën op de markt gebracht.

Fermentatie

Vers gefermenteerde producten bevatten meestal hoge aantallen micro-organismen, tot wel 1 miljard per millimeter. Een deel ervan kan jarenlang in leven blijven. Denk bijvoorbeeld aan propioni-bacteriën in gatenkazen. Het aantal micro-organismen dat daadwerkelijk overleeft, hangt sterk af van de eigenschappen van de bacterie, de kweekomstandigheden en bewaarcondities. Voor het organisme zijn de bewaarcondities vaak stressvol, bijvoorbeeld als gevolg van een hoge temperatuur, lage zuurgraad of een lange bewaartijd. Het ene organisme kan zich daartegen beter wapenen dan het andere. Bij kweekomstandigheden is het belangrijk om juist die omstandigheden te generen waarin het organisme zich gaat wapenen tegen de toekomstige stressfactoren die tot celdood leiden.

Daarvan wordt in figuur 1 een voorbeeld grafisch weergegeven.

Vormen van stress

In dit voorbeeld is één organisme op dertien verschillende manieren gekweekt onder verschillende vormen van stress. Door deze gecontroleerde hoeveelheden stress tijdens de groei blijkt het organisme een hittebehandeling onder sommige condities veel beter te overleven na het oogsten en de toepassing in het uiteindelijke product. In het voorbeeld hangt de aanwezigheid van zuurstofstress in de fermentor samen met een veel betere overleving bij hittestress. Daarnaast worden vaak bacteriën specifiek geproduceerd als starter of probioticum. Hierbij worden de organismen onder optimale omstandigheden gekweekt in een voor het organisme gebalanceerde bouillon ofwel medium.

Moderne probiotica worden geïsoleerd uit complexe niches zoals huid, mond en darm. Dit maakt het kweken lastig, laat staan het formuleren in een stabiel product. Optimalisatie van bijvoorbeeld de zuurstof- en stikstofstatus van het medium is dan van groot belang.

Droge formuleringen

Vriesdrogen is verreweg de meest gebruikte technologie om levende micro-organismen te conserveren in een droge vorm. De overleving van de bacteriën in het proces is hoger dan 60 procent. Het poeder kan vervolgens worden gebruikt om er een nieuwe fermentatie mee te starten of kan direct worden geconsumeerd in de vorm van een capsule, poedertje of zelfs de topping op een koekje.

Vriesdrogen is echter een relatief duur proces en resulteert in andere poedereigenschappen (lage flowability en lage bulkdichtheid) dan bijvoorbeeld sproeidrogen (free flowing en hoge bulkdichtheid). Dat laatste is de standaard in de levensmiddelenindustrie. Als de overlevingskans tijdens het sproeidroogproces hoger wordt dan de huidige 20 procent, heeft sproeidrogen een grote potentie voor het maken van mainstream poeders met levende bacteriën, zoals baby- en sportvoeding.

Voor elk product moeten kweek en condities van het droogproces op elkaar worden afgestemd in een optimalisatie naar maximale robuustheid van de stammen met minimale stress in het droogproces. Omdat droogproeven flinke investeringen betekenen, heeft NIZO een set screeningsdroogmodellen ontwikkeld die gebruikt kunnen worden voor het optimaliseren van de microbiële robuustheid. Een van die modelsystemen is het single droplet dryingsysteem (zie figuur 2). Daarmee kan een enkel druppeltje worden gemaakt dat onder gecontroleerde omstandigheden gedroogd wordt tot een poederdeeltje. Dit poederdeeltje kan vervolgens geanalyseerd worden. In figuur 2 is bijvoorbeeld te zien dat de overleving van Lactobacillus plantarum WCFS1 bij hogere luchttemperaturen en langere droogtijden meer geïnactiveerd wordt. Het single droplet drying-systeem is in het gezamenlijk onderzoek met de WUR ontwikkeld. Aan de hand van de meetdata zijn computermodellen ontwikkeld die de overleving in een grotere schaal sproeidroogproces voorspellen. Deze modellen zijn vervolgens gevalideerd op een pilotschaal sproeidroger. Hieruit volgde dat het computermodel goed voorspelde wat er in een echt sproeidroogproces gebeurt. Tevens werd aangetoond dat in bacteriën in dit proces vooral geïnactiveerd worden tijdens de eerste seconde in de droger en dat de inactivatie tijdens de rest van de verblijftijd in de droger relatief laag is.

Vacuüm walsdrogen

Hoewel sproeidrogen veel potentie biedt, is een uitgebreide optimalisatie belangrijk. Naast sproeidrogen zijn er nog een aantal andere droogtechnieken in omloop, zoals walsdrogen. Daarbij wordt een product als een laagje op een wals gebracht en vervolgens gedroogd doordat de wals vanbinnen met stoom verhit wordt. Het droge product wordt na één omwenteling met een mes van de wals geschraapt. Een walsdroger is niet geschikt voor het drogen van bacteriën, vanwege de hittebelasting, tot bijvoorbeeld 200 °C. Een recenter ontwikkeling is de commercieel verkrijgbare vacuümwalsdroger, waarbij de wals in een vacuümomkasting wordt gebracht. Hierdoor kan de droogtemperatuur worden gereduceerd tot 50 °C. De hittebelasting wordt zodoende sterk teruggebracht.

Optimalisatie sproeidrogen

Het organisme kan alleen zeer korte droogtijden bij hoge temperaturen overleven. Het is daarom zaak de droger te optimaliseren naar een zo snel mogelijke droging bij lage luchttemperaturen. Dit gaat vaak ten koste van de capaciteit, en juist hier ligt een mogelijkheid tot optimalisatie. Een initiële sproeidroogoptimalisatie in een normale sproeidroger zonder fluid bed van een Lactobacillus plantarum heeft geleid tot een productie van 80 kg poeder met een lange stabiliteit gedurende opslag (zie figuur 2, grafiek rechts). Een standaardsproeidroger kan vervolgens verder geoptimaliseerd worden door lucht voor te drogen door middel van adsorbtie van vocht aan de ingaande lucht, en door na te drogen in een fluid bed. Met deze stap is NIZO op dit moment bezig.

• BART SMIT, ANNEREINOU DIJKSTRA, MARTIJN FOX •

B. Smit PhD, projectmanager Fermentation and Sustainability, A. Dijkstra, projectleider Fermentatie, dr. M.B. Fox, projectmanager Processing, NIZO Food Research

2.

Eurofins heeft in het verleden tal van laboratoria in Nederland overgenomen. Vanuit welke strategie is dit gedaan en waar wil de laboratoriumorganisatie naar toe? Betrouwbaarheid en doorlooptijd blijken belangrijk. Daar valt volgens directeur Arjen Kuneman nog veel winst te behalen. Die tijd mag maximaal anderhalf keer de technische doorlooptijd bedragen. Zijn ideale batchgrootte is één monster.

Het overnamelijstje van Eurofins kent in het Nederlandse taalgebied tal van namen. Het begon in de jaren negentig met Analytico, met vestigingen food in Heerenveen en milieu in Barneveld. De laatste jaren is het aantal overnames in een stroomversnelling terechtgekomen, met onder meer Chemiphar in België en Labco in Rotterdam in 2012, Altic in Dronten, Lab Zeeuws Vlaanderen in Graauw, Central Laboratories Friedrichsdorf van Danone en BLGG AgroXpertus in Wageningen in 2013, en KBBL in Wijhe en Omegam in Amsterdam in 2014. Inmiddels telt de holding wereldwijd circa 200 labs.

“We zijn altijd op zoek naar laboratoria die in hun geheel of op onderdelen complementair zijn aan onze bestaande activiteiten”, zegt Arjen Kuneman, sinds oktober 2013 directeur van Eurofins Food Testing Nederland. Opvallend is dat ook labs in de agrisector zijn overgenomen, zoals Labco, Altic, Lab Zeeuws Vlaanderen en BLGG AgroXpertus. “We willen de hele agrofoodmarkt bedienen”, licht Kuneman toe. Verdere overnames in deze sector zijn volgens hem dan ook niet uit te sluiten.

Strategisch plan

De grondslag voor de recente overnames is het strategische plan voor de periode 2012-2017. Daarin staan onder andere de volgende twee doelstellingen: Eurofins wil in iedere markt waarin het opereert marktleider of op zijn minst de nummer twee zijn en het bedrijf wil in 2017 zijn omzet hebben verdubbeld tot 2 miljard euro. “Met die omzet lopen we voor op schema”, voegt Kuneman eraan toe. “De achterliggende visie is dat we ons verder willen ontwikkelen tot een internationaal netwerk van laboratoria dat een breed pakket aan analyses en diensten aanbiedt. Daarmee zijn we een aantrekkelijke partner voor grote internationale bedrijven, maar ook voor lokale klanten omdat we altijd dicht bij hen zitten.”

Marktleider

Eurofins is een beursgenoteerd bedrijf met het hoofdkantoor in Brussel. Wereldwijd werken er ruim 19.000 medewerkers in circa 200 laboratoria in 38 landen. Eurofins beschouwt zichzelf als marktleider in voedingsmiddelen, milieu en pharma. Tevens claimt het een wereldspeler te zijn in agroscience, genomics, discovery pharmacology en laboratoriumdienstverlening. Eurofins is tevens een van de key emerging players in klinische diagnostica in Europa en de Verenigde Staten.

Bij nieuwe acquisities gaat het volgens hem dus niet alleen om omzet, maar ook om aanvullende diensten, kennis, technologie en systemen om klanten optimaal te kunnen bedienen. De directeur illustreert dit met de recente overname van KBBL in Wijhe, waar het gesprek – niet zonder reden – plaatsvindt. “KBBL was goed vertegenwoordigd in de vleessector, is vergaand geautomatiseerd en liep voorop met het plannen en registreren van de hele logistiek om het lab heen.”

Als tweede voorbeeld noemt hij het Lab Zeeuws Vlaanderen, in Nederland nummer één in pesticidenanalyse. “Door dat lab aan Eurofins Food Testing Nederland toe te voegen, kunnen we nu deze analyses met een korte doorlooptijd tegen een aantrekkelijk tarief en hoog kwaliteitsniveau via ons labnetwerk aan al onze klanten aanbieden. Natuurlijk kunnen ook klanten van Eurofins LZV die er voorheen vooral hun pesticidenonderzoek lieten uitvoeren, voortaan gebruikmaken van het dienstenaanbod van alle andere labs in ons netwerk. Met een tweede lab kunnen we tevens de continuïteit van onze dienstverlening beter waarborgen en resultaten tussen vestigingen met elkaar vergelijken.”

Netwerk van labs

De afzonderlijke labs vormen letterlijk en figuurlijk een netwerk. “Alle labs, met uitzondering van de recente overnames, zijn via een ICT-backbone met elkaar verbonden. Dat is een sterk punt van onze organisatie. Op die manier kan ik vrij eenvoudig alle testen overzien die wij wereldwijd aanbieden. Via een soort google-zoekmachine kan ik voor een klant in Heerenveen met een specifieke wens eenvoudig en snel achterhalen welke labs de gevraagde analyse kunnen uitvoeren, wat de technische specificaties ervan zijn, wat de doorlooptijden zijn, voor welk tarief we die kunnen aanbieden en eventueel welke specifieke eisen aan monstername, bewaring en aanlevering worden gesteld.”

Eurofins heeft in Wijhe twee pipetteerrobots die het werk van vijf of zes analisten verrichten. “De capaciteit bedraagt circa 120 films per uur”, aldus Peter Visser.

Drie kernwaarden

In de laboratoriumwereld vinden klanten drie zaken erg belangrijk: doorlooptijd, prijs en zekerheid van kwaliteit. Vooral bij de doorlooptijden is er op labs volgens de voormalig logistiek manager nog erg veel winst te behalen. “Tijdens mijn bezoek aan labs, zowel intern als extern, was ik verbaasd dat er vrijwel nergens continu gestuurd wordt op doorlooptijden. Inmiddels hebben we hiervoor een uitgebreide, nauwkeurige definitie die onderdeel is van de processen. Daarop wordt nauwkeurig gemonitord en daarover moet ik maandelijks rapporteren op ceo-niveau.” Net als in de consumentenelektronica, het voormalige werkterrein van Kuneman, beziet hij de werkzaamheden in het lab als een procesflow. Elk proces deelt hij op in op zichzelf staande activiteiten. “Bij elke stap ga je dan vervolgens na wat de specifieke vereisten zijn die je daarvoor nodig hebt en of je tijdwinst kunt boeken. Heb je bijvoorbeeld voor de monsterontvangst een hooggekwalificeerde medewerker nodig of kun je volstaan met een lager geschoolde medewerker die met behulp van goede instructies dit werk ook prima kan uitvoeren? Je krijgt dus veel meer diversificatie bij je medewerkers. Dat komt ook omdat er in die industriële omgeving nieuwe functies hun intrede doen, bijvoorbeeld die van IT-specialist, logistiek ingenieur en van mensen die het leanwerken introduceren. Dergelijke functies tref je op een traditioneel lab niet aan”, weet Kuneman.

Optimale batchgrootte

Traditioneel verzamelen labs een aantal monsters voordat ze worden ingezet. Dat gaat ten koste van de doorlooptijd. “De kortste doorlooptijd realiseer je als de batchgrootte één is, maar traditionele labs en hun apparatuur zijn daar helemaal niet op ingericht. Daarom besteden wij veel tijd aan het zo klein mogelijk houden van de batchgrootte en toch zo efficiënt mogelijk werken. Daar zijn heel veel mogelijkheden voor die in andere industrieën al heel lang gebruikt worden. Dan hoef je geen concessies te doen aan de kwaliteit.”

Overigens is de focus op doorlooptijd niet nieuw. Al tijdens de BSE-crisis in de tweede helft van de jaren negentig werd de tijd die nodig was voor het transport van de monsters weggestreept, eenvoudig door de analyses op de slachterij zelf uit te voeren.

Deze satellietlabs zijn inmiddels zelfstandige vestigingen van Eurofins op locatie en worden volledig door mensen van Eurofins gerund. “Hier hebben de bedrijven dus niet de kosten laten prevaleren, maar de tijdswinst die zij boeken om vlees te verwerken of vervaardigde producten uit te leveren aan hun klanten.” De laatste tijd zijn er geen nieuwe vestigingen op locatie bij gekomen, maar Kuneman sluit nieuwe satellietlabs zeker niet uit.

Automatisering

Zoals Kuneman al aangaf, was de vergaande automatisering bij KBBL een belangrijke reden voor overname. Daarbij springen twee analysestappen eruit: het aanbrengen van monstermateriaal op voedingsmedia met behulp van twee pipetteerrobots – de Inobots – en het tellen van de kolonies op bebroede petrifilmpjes met twee TAPR’s.

Met de Inobot, die samen met Tecnic werd ontwikkeld, bespaart Eurofins fors op arbeidskosten. “De twee apparaten die we nu hebben staan voor deze kwantitatieve bepalingen, vervangen minimaal vijf of zes analisten”, vertelt Peter Visser, businessunitmanager Microbiologie. “De terugverdientijd is minder dan twee jaar. Door de compacte bouw en de ruimte besparing door te werken met petrifilm in plaats van platen, hebben we de volumegroei binnen de afdeling kunnen opvangen. Bijkomend voordeel van de robot is dat iedere bepaling volledig gestandaardiseerd, maar ook sneller wordt uitgevoerd. Door verandering van methode scheelt dat bij meerdere bepalingen wel een dag”, aldus Visser.

Pipetteerrobot

De Inobot bestaat uit twee carrousels voor de voedingsbodems met daartussen de pipetteerrobot. De rechter carrousel wordt gevuld met diverse voedingsbodems in de vorm van 3M-petrifilms voor bijvoorbeeld kiemgetal, enterogetal en gisten en schimmels. Afhankelijk van het monster en de gewenste bepaling pakt de robot een petrifilm en trekt hij de afdekfolie omhoog, waarna de pipetteerrobot een gestandaardiseerde hoeveelheid monster op de petrifilm doseert. Vervolgens wordt de afdekfolie teruggelegd, waarna een stempel het folielaagje op de vloeistof licht aandrukt zodat die zich egaal verdeelt over de petrifilm. Daarna plaatst de robot de petrifilm in een van de locaties op de linker carrousel en wel zo dat alle monsters met dezelfde bebroedingstemperatuur op dezelfde locatie in de carrousel worden verzameld.

Tijdens het transport van de petrifilms maakt de robot onder andere verdunningen en verwisselt hij de pipetpunt. Een analist bewaakt het hele proces, scant de barcodes van de monsters, vult de carrousel met onder meer voedingsbodems, vult pipetjes en pipetteerblokken bij, haalt de beënte exemplaren uit de carrousel en zet die in de broedstoof.

Het geheel oogt fraai. Slechts één keer dreigt een petrifilmplaatje niet uit de carrousel te kunnen worden gehaald omdat het achter een andere petrifilm blijft haken. Een corrigerende vingerbeweging zorgt ervoor dat het proces geheel automatisch verdergaat. De capaciteit van de Inobot bedraagt circa 120 films per uur. Over financiële haalbaarheid laten Kuneman en Visser zich niet uit. “Je moet een bepaalde schaalgrootte hebben”, zegt Visser. Toen we vier jaar geleden met de ontwikkeling ervan begonnen, hadden we ruim 100.000 monsters per jaar. Tot nu toe zijn we in Nederland de enige die deze pipetteerrobots hebben staan.” Bij de nieuwe generatie Inobots zal een analist volgens hem vier apparaten kunnen bedienen.

Kolonieteller

Eenvoudig maar ook vergaand geautomatiseerd is de TAPR, Technic Automatic Plate Reader. Daarmee worden bebroede petrifilms verwerkt. De analist plaatst hierin een stapeltje bebroede petrifilm, waarna de white box het aantal kolonies automatisch telt en de resultaten opslaat in het eraan gekoppelde LIMS-systeem. Daarna legt het apparaat de petrifilms in twee stapeltjes. Van het ene stapeltje is de telling geslaagd. Het andere bevat probleemgevallen, bijvoorbeeld omdat de telling niet goed kon worden uitgevoerd of omdat de uitslag buiten de vooraf vastgesteld grenswaarden valt. De medewerker moet die dan alsnog zelf beoordelen. Eurofins heeft twee TAPR’s in Wijhe staan. Elk apparaat bespaart een fte. De terug verdientijd bedraagt minder dan twee jaar. Behalve procesautomatisering is ook een digitale inlogmogelijkheid voor de klant een must. De klant kan dan zijn eigen monsters indienen en heeft direct inzicht in de analysestatus, de resultaten en de bijbehorende normen. Tevens kunnen klanten overzichten van de resultaten exporteren naar Excel.