Centrian kemia ja biotalous -painoala edistää pohjoismaisen kasvibiomassan jalostamista korkean lisäarvon tuotteiksi

Mikko Junttila
Leif Hed
Eveliina Isosaari
Leena Favén
Tero Tuuttila

Kasvibiomassat, eli kasvipohjaiset raaka-aineet, sisältävät runsaasti terveysvaikutteisia yhdisteitä. Teollisuus hyödyntää kyseisiä yhdisteitä, niin kutsuttuja arvoaineita, korkean lisäarvon tuotteissa, kuten superfoodeissa, ravintolisissä, kosmetiikassa ja lääkkeissä. Lisäksi kasvibiomassoista eristettyjä yhdisteitä hyödynnetään rakennusteollisuudessa ja esimerkiksi tanniineja käytetään puuliimojen ja ruostesuoja-aineiden valmistuksessa. Koska hintakilpailu globaaleilla markkinoilla on kovaa, suomalaisten yritysten kannattaa panostaa tuotteiden laatuun sekä todentaa se pärjätäkseen kasvavassa kilpailussa.

Kasvibiomassan arvoaineista liiketoimintaa

Viljeltyjen erikoiskasvien ja villien keruukasvien jalostaminen terveystuotteiksi, luonnonkosmetiikaksi ja jopa lääkkeiksi on suuri bisnes maailmalla. Kyseisellä alalla toimivien yksittäisten yritysten liikevaihto esimerkiksi Keski- tai Etelä-Euroopassa voi olla useita satoja miljoonia euroja. Suomessa puolestaan koko toimialan liikevaihto on vaihdellut 500 miljoonan ja 700 miljoonan euron välillä. Tyypillisesti Suomen suurimpien kasviraaka-aineita jalostavien yritysten liikevaihto on ollut 10 miljoonasta lähes 40 miljoonaan euroon.

Teollisuuden kasvibiomassaperäisiä sivuvirtoja on ryhdytty hyödyntämään ja jalostamaan uusiksi tuotteiksi, kuten komposiiteiksi ja biopohjaisiksi muoveiksi, entistä enemmän. Merkittävinä pullonkauloina kasvun esteelle ja uusien yritysten syntymiselle on kuitenkin riittävä raaka-aineiden saanti, raaka-aineiden ja tuotteiden laadun todentaminen sekä GMP-jalostusprosessien (engl. good manufacturing practices) riittämätön tunteminen ja osaaminen.

Centriassa on investoitu viime vuosina laitteisiin, joiden avulla pystytään kehittämään ja optimoimaan kasvibiomassojen sisältämien arvoaineiden talteenottoa sekä määrittämään niiden arvoainepitoisuuksia.

Centrian tarjoamat laiteympäristöt kasvibiomassojen jatkojalostusta varten

Esikäsittely ja kuivauslaitteistot

Kasvibiomassojen jatkojalostukseen kuuluu usein esikäsittely, kuten kuivaus ja jauhaminen. Esikäsittelyn tarkoitus on saattaa kasvibiomassa sellaiseen muotoon, josta arvoaineet ovat helpommin erotettavissa tai analysoitavissa.

Kasvibiomassojen kuivausta tarvitaan esimerkiksi elintarvikejauheita, ravintolisiä, väriaineita tai löylytuoksupusseja valmistettaessa. Kuivauksen optimointi käytettävän kuivaimen ja kuivausolosuhteiden osalta on olennaista. Tällöin lopputuotteelle tärkeät arvoaineet päätyvät tuotteeseen mahdollisimman suurina pitoisuuksina.

Centrialla on useita kasvipohjaisten raaka-aineiden kuivaukseen soveltuvia laitteita. Näitä ovat pakastekuivain, vakuumikuivain, paranneltu konvektiokuivain sekä lämpöuuni. Kuivaus voi olla paitsi esikäsittelyvaihe kasvibiomassan analysoinnissa, myös osa tuotantoketjua raaka-aineesta tuotteeksi.

Kemia ja biotalous -tiimin asiantuntijat voivat auttaa yrityksiä esimerkiksi kuivaimien kehityksessä ja testaamisessa sekä kasvibiomassan kuivausolosuhteiden optimoimisessa.

Arvoaineiden erotus

Arvoaineet voidaan erottaa kiinteästä biomassasta nestemäiseen eli liukoiseen muotoon uuttamalla. Centriassa pystytään tekemään pienen mittakaavan neste-kiinteäuuttoja perinteisillä menetelmillä kuten lämmitys-sekoitus-uuttoina tai Soxhlet-uuttoina sekä ultraääniavusteisina ja nopeutettuina liuotinuuttoina (ASE).

ASE on uuttolaite, jolla voidaan uuttaa orgaanisia yhdisteitä kiinteistä ja puolikiinteistä näytteistä nopeasti ja pienillä liuotinmäärillä. Laite käyttää korkean lämpötilan ja paineen yhdistelmää kasvattaakseen uutoissa käytettyjen liuottimien tehokkuutta.

Laitteen näyteastia täytetään liuottimella, lämmitetään ja paineistetaan (noin 100 bar), jotta liuotin pysyisi nestemäisessä olomuodossa. Ajon jälkeen keräysastiaan huuhdeltu uute on valmis analysoitavaksi. Näyteastiaan jäänyt näyte voidaan uuttaa uudelleen useita kertoja vaihtamalla esimerkiksi liuotinta, lämpötilaa tai uuttoaikaa.

ASE-laitetta voidaan hyödyntää esimerkiksi silloin, kun halutaan selvittää, mitä uuteaineita kasvibiomassassa esiintyy tai etsiä kasvibiomassalle sopivaa uuttomenetelmää ja olosuhteita. Centriassa laitetta on käytetty muun muassa pakurikäävän, marjojen, kuusen kuoren ja mäskin arvoaineiden erottamiseen. Esimerkiksi kuusen kuoresta pystyttiin erottamaan tanniineja huomattavasti alemmassa lämpötilassa (20 ^oC versus 60 ^oC) ja lyhyemmässä ajassa (10 min versus 60 min) moninkertaisesti paremmilla saannoilla kuin normaali-ilmanpaineessa tehdyissä uutoissa.

Suuremman mittakaavan uuttoihin Centrialle on hiljattain hankittu kolmen ja viiden litran lasireaktorit, joita voidaan hyödyntää uuttojen skaalauksessa tai jos uutettavaa kasvibiomassaa on suurempia määriä, noin 200 – 1000 g. Myös pilot-mittakaavan uuttoja voidaan tehdä Centrian koetehtaalla Chemplantissa. Koetehtaalta löytyy 80 l painereaktori (max 5 bar) sekä 200 l sekoitusreaktori ultraäänimahdollisuudella. Lisäksi koetehtaalla on kasvibiomassojen esi- ja jälkikäsittelyyn sopivia laitteistoja kuten seulakone, kehyssuotopuristin, jatkuvatoiminen dekantterisentrifugi ja tislauskolonni.

Arvoaineiden kokonaispitoisuudet

Kasvipohjaisista raaka-aineista voidaan analysoida haluttujen yhdisteryhmien kokonaispitoisuuksia. Usein kyseiset palvelut ovat nopeita ja edullisia, ja siten niin pienten kuin suurten yritysten saatavilla. Centriassa mitataan muun muassa kokonaispolyfenolipitoisuutta, kokonaisantosyaanipitoisuutta ja antioksidanttikapasiteettia UV-Vis-spektrofotometrin avulla.

Polyfenolit, antosyaanit ja antioksidantit ovat kasvipohjaisissa raaka-aineissa esiintyviä arvoaineita, joilla epäillään olevan positiivisia terveysvaikutuksia. Polyfenoleita ja antioksidantteja esiintyy tyypillisesti kaikissa kasvipohjaisissa raaka-aineissa ja täten ne päätyvät myös moniin tuotteisiin. Antosyaanit ovat pääsääntöisesti tummissa marjoissa, hedelmissä ja kukkien terälehdissä esiintyviä arvoaineita. Antosyaanit toimivat kasvipigmentteinä ja täten tummat, siniset ja violetit marjat ovat yleensä antosyaanien aarreaittoja.

Kuvassa kirjoitetaan raporttia — Antosyaanien mittaus kaupallisesta mustikkajauheesta. Kuva: Markus Kunelius.

Kokonaispitoisuuksien mittaamiseen voidaan hyödyntää UV-Vis-spektrofotometrin lisäksi lähi-infrapunaspektroskooppia (NIR). Laitteen etuja ovat nopeus, helppokäyttöisuus, edullisuus ja vähäinen näytteenkäsittely. Ennen laitteiston käyttöä mittausmenetelmät tulee kuitenkin kehittää ja testata NIR-laitteistolla raaka-ainekohtaisesti.

Yksittäisten arvoaineiden pitoisuudet ja yhdisteiden tunnistaminen

Korkean erotuskyvyn nestekromatografia (HPLC) käytetään enimmäkseen yksittäisten arvoaineiden pitoisuuden määrittämiseen eli kvantitointiin. HPLC-laitteen avulla arvoaineet erotetaan toisistaan ja vastaavan standardiaineen avulla määritetään pitoisuus. Myös kokonaispitoisuuksien määritys onnistuu HPLC-laitteella summaamalla yksittäisten, samaan ryhmään kuuluvien, arvoaineiden pitoisuudet.

HPLC:tä on käytetty menetelmä hellävaraisuutensa vuoksi, sillä monet luonnon arvoaineet ovat herkästi hajoavia. Centriassa laitetta on käytetty muun muassa ruusujuuren arvoaineiden, salidrosidin, rosariinin, rosaviinin, rosiinin, tyrosolin ja sinnamyylialkoholin, pitoisuuksien määrittämiseen.

HPLC-määrityksestä saatava kromatogrammi, eli yhdisteprofiili, voi kertoa tuotteen alkuperästä ja aitoudesta. Esimerkiksi marjatuotteesta mitattavalla antosyaaniprofiililla voidaan tunnistaa, ovatko tuotteessa olevat marjat mustikoita vai kustannuksiltaan halvempaa pensasmustikkaa tai variksenmarjaa.

Kaasukromatografia (GC) ja kaasukromatografi-massaspektrometria (GC-MS) käytetään vastaaviin määrityksiin kuin HPLC-laitetta. Edellytyksenä on se, että analysoitavan yhdisteen täytyy kestää höyrystämistä. Massaspektrometri yhdistettynä kaasukromatografiin tuo mahdollisuuden tunnistaa kasvibiomassan yksittäiset yhdisteet molekyylin painon ja yhdisteelle tyypillisen pilkkoutumisen perusteella. GC-MS-laitetta hyödynnetään usein tutkittaessa uusia kasvibiomassoja ja tuotteita.

Kasvibiomassojen sisältämät orgaaniset hapot ovat myös tärkeitä yhdisteitä ja niiden analysoimiseen voidaan käyttää edellä mainittujen laitteiden lisäksi Centrialta löytyvää kapillaarielektroforeesia (CE, HPCE). Myös sokereiden eli hiilihydraattien analysoimiseen voidaan hyödyntää CE-laitetta tai ionikromatografia (IC). Sokerit ovat tyypillisiä yhdisteitä lähes kaikissa kasvipohjaisissa raaka-aineissa ja niistä jalostetuissa tuotteissa. Centriassa on esimerkiksi analysoitu sokereita koivun mahlasta, joka sisältää glukoosia ja fruktoosia.

Arvoainemääritysten lisäksi kasvibiomassoista voidaan analysoida alkuainekoostumus ja alkuainepitoisuus ICP-MS -laitteistolla (induktiivisesti kytketty plasma-massaspektrometri). Lisäksi kasvibiomassan anionikoostumus saadaan selville IC-laitteistolla.

Miten yritykset voivat hyödyntää Centrian kemia ja biotalous -tiimin palveluja?

Kasvibiomassan arvoaineiden erotuksesta kiinnostuneet yritykset voivat saada Centriasta apua uuttomenetelmien kehittämisessä. Esikäsittelyn ja varsinaisen uuton vaikutusta arvoaineiden saantoon ja puhtauteen voidaan selvittää ja optimoida kemia ja biotalous -tiimin asiantuntemuksella.

Yritykset voivat myös ostaa analyysipalveluita, joilla voidaan todentaa kasvipohjaisten raaka-aineiden ja tuotteiden arvoainepitoisuuksia. Centriassa voidaan esimerkiksi analysoida kasvipohjaisten tuotteiden, etenkin superfoodien ja ravintolisien, kokonaisfenolipitoisuus ja antioksidanttikapasiteetti, jotka kertovat tuotteen laadusta.

Vientiä suunnitteleva tai harjoittava yritys voi teettää antosyaaneja sisältävien marjojen antosyaaniprofiilimäärityksen. Määrityksellä voidaan osoittaa, että kyseessä on haluttu marjalaji. Vastaavasti tuontituotteista voidaan varmistaa, ettei kyseessä ole väärennös, jolloin tuotteen pakkaustiedot ja sisältö eivät vastaa toisiaan.

Kasvipohjaisten raaka-aineiden ja tuotteiden analyysi- ja taustatietoja yhdistämällä voidaan tarjota yrityksille runsaasti tietoa kasvibiomassojen ja niistä pohjautuvien tuotteiden alkuperästä, aitoudesta, laadusta ja turvallisuudesta. Näillä neljällä ominaisuudella onkin tulevaisuudessa yhä suurempi merkitys. Ne ovat keinoja suomalaisille yrityksille herättää kuluttajien kiinnostus ja erottua hintakilpailulla markkinoilla.