Kasvipohjaisten aminohappo- ja peptidivalmisteiden valmistus maatilalla – härkäpapu ja herne suomalaisen tilan raaka-aineina

Proteiinihydrolysaatit ja aminohappopohjaiset valmisteet ovat yksi tunnetuista biostimulanttiryhmistä eurooppalaisessa kasvintuotannossa. Niiden on tutkimuksissa havaittu voivan vaikuttaa esimerkiksi ravinteiden hyväksikäyttöön, kasvuun ja kasvin kykyyn selviytyä abioottisista stressitilanteista. Vaikutukset eivät kuitenkaan ole automaattisia, vaan riippuvat muun muassa valmisteen koostumuksesta, raaka-aineesta, valmistusmenetelmästä, kasvista ja käyttöolosuhteista.

Kiinnostavaa on, ettei tällaista valmistetta välttämättä tarvitse ostaa valmiina. Tilalla kasvatetusta palkokasvista voi itse valmistaa proteiinipohjaista hydrolysaattia, joka sisältää vaihtelevassa suhteessa vapaita aminohappoja ja peptidejä. Oikein valmistettuna ja käytettynä tällainen valmiste voi soveltua esimerkiksi lehtilannoitukseen tai siementen ravinnepeittaukseen.

Miksi juuri härkäpapu ja herne?

Suomen oloissa härkäpapu (Vicia faba) ja herne (Pisum sativum) ovat kiinnostavia ja käytännöllisiä lähtökohtia kasvipohjaisen proteiinihydrolysaatin valmistukseen.

Molemmat ovat palkokasveja, jotka muodostavat symbioosin typpeä sitovien bakteerien kanssa. Niiden siemenissä on myös runsaasti valkuaista: härkäpavulla raakavalkuaispitoisuus on tyypillisesti noin 25–30 prosenttia kuiva-aineesta ja herneellä hieman tätä matalampi, vaikka pitoisuudet vaihtelevat lajikkeen ja kasvuolosuhteiden mukaan.

Korkea proteiinipitoisuus tarkoittaa, että raaka-aineessa on paljon hydrolysoitavaa proteiinia. Lopputuotteen aminohappo- ja peptidipitoisuuteen vaikuttavat kuitenkin myös käytetty valmistusmenetelmä ja se, kuinka pitkälle proteiinit hydrolysoidaan.

Härkäpavun ja herneen etuna on myös se, että niitä voidaan kasvattaa Suomessa ja raaka-aine voidaan tuottaa mahdollisuuksien mukaan omalla tilalla. Näin valmistukseen ei välttämättä tarvita erillistä, ulkopuolelta hankittavaa raaka-ainetta.

Muita mahdollisia kasvipohjaisia proteiinilähteitä ovat esimerkiksi sinimailanen, apila ja erilaiset kasviproteiinituotannon sivuvirrat. Niiden soveltuvuus riippuu kuitenkin muun muassa proteiinipitoisuudesta, saatavuudesta ja siitä, kuinka helposti proteiini saadaan prosessissa hyödynnettävään muotoon.

Mitä proteiinihydrolysaatti oikeastaan on?

Proteiinit ovat pitkiä aminohapoista koostuvia ketjuja. Hydrolyysissä näitä ketjuja pilkotaan pienemmiksi kokonaisuuksiksi.

Lopputuotteessa voi olla esimerkiksi:

• vapaita aminohappoja

• lyhyitä peptidejä

• pidempiä peptidejä

• osittain hydrolysoitunutta proteiinia

• muita raaka-aineesta peräisin olevia liukoisia yhdisteitä.

Siksi tilalla valmistettua tuotetta ei ole tarkimmillaan oikein kutsua pelkäksi "aminohappoliuokseksi". Käytännössä kyse on yleensä proteiinihydrolysaatista, jossa aminohapot ja peptidit muodostavat vain osan kokonaisuudesta. Tämä ero on tärkeä myös biostimulanttivaikutuksen kannalta. Tavoitteena ei välttämättä ole saada aikaan mahdollisimman suurta määrää vapaita aminohappoja. Myös peptideillä ja muilla hydrolyysissä syntyvillä yhdisteillä voi olla merkitystä kasvin fysiologisiin vasteisiin.

Kaksi mahdollista valmistusreittiä

Kasviproteiinia voidaan pilkkoa usealla tavalla. Maatilan näkökulmasta kiinnostavimmat ovat entsymaattinen hydrolyysi ja mikrobien avulla tapahtuva fermentointi.

Entsymaattinen hydrolyysi

Entsymaattisessa hydrolyysissä proteiinit pilkotaan proteaaseiksi kutsutuilla entsyymeillä. Prosessi on suhteellisen nopeasti etenevä ja hyvin hallittavissa.

Perusperiaate on yksinkertainen: siemenmateriaali jauhetaan tai murskataan, sekoitetaan veteen ja käsitellään sopivalla proteolyyttisellä entsyymillä. Lämpötila ja pH pidetään käytetyn entsyymin toiminnan kannalta sopivalla alueella. Prosessi voi kestää useita tunteja, minkä jälkeen entsyymin toiminta voidaan tarvittaessa pysäyttää lämpökäsittelyllä.

Entsymaattisen hydrolyysin etuna on mahdollisuus säätää paremmin sitä, kuinka pitkälle proteiini pilkkoutuu. Lopputulokseen vaikuttavat esimerkiksi käytetty entsyymi, lämpötila, pH, käsittelyaika ja raaka-aineen koostumus.

Fermentointi

Toinen mahdollisuus on käyttää mikrobeja, jotka tuottavat proteolyyttisiä entsyymejä ja siten osallistuvat proteiinien pilkkoutumiseen. Esimerkiksi maitohappobakteereita voidaan hyödyntää biologisissa fermentointiprosesseissa.

Fermentointi eroaa olennaisesti entsymaattisesta hydrolyysistä. Mikrobit eivät pelkästään pilko proteiineja, vaan käyttävät myös muita raaka-aineen yhdisteitä ja tuottavat omia aineenvaihduntatuotteitaan. Lopputuotteen koostumus riippuu siksi voimakkaasti käytetystä mikrobista, lämpötilasta, pH:sta, hapen saatavuudesta, raaka-aineesta ja prosessin kestosta.

Fermentointi voi olla kiinnostava vaihtoehto maatilalle, jolla ei ole mahdollisuutta tarkkaan lämpötilan ja pH:n säätöön, mutta samalla se on hydrolyysiä vaikeammin standardoitava menetelmä. Suomessa matala lämpötila hidastaa monia fermentointiprosesseja, joten ympärivuotinen valmistus voi edellyttää lämmitettyä ja riittävän hyvin hallittavaa prosessiympäristöä.

Miltä valmistusprosessi näyttää käytännössä?

Yksinkertaistettuna valmistus voidaan ajatella seuraavanlaisena ketjuna:

1. Raaka-aineen valmistelu: Härkäpapu tai herne murskataan tai jauhetaan. Hienompi raaka-aine lisää pinta-alaa ja helpottaa veden ja entsyymien pääsyä proteiinipitoiseen materiaaliin.

2. Sekoittaminen veteen: Kasvimateriaali sekoitetaan veteen. Käytettävä vesimäärä riippuu muun muassa raaka-aineesta, käytettävästä laitteistosta ja siitä, millaista lopputuotetta tavoitellaan.

3. Hydrolyysi tai fermentointi: Proteiineja pilkotaan joko entsymaattisesti tai mikrobien avulla. Prosessin aikana lämpötila, pH ja käsittelyaika vaikuttavat merkittävästi lopputulokseen.

4. Kiintoaineen erottaminen: Kun prosessi on valmis, liuoksesta voidaan erottaa suuremmat kiintoaineet esimerkiksi suodattamalla tai laskeuttamalla. Lopputuloksena saadaan nestemäinen osio, joka sisältää liuenneita peptidejä, aminohappoja ja muita kasvimateriaalista peräisin olevia yhdisteitä.

5. Stabilointi ja säilytys: Valmisteen säilyvyyttä voidaan pyrkiä parantamaan esimerkiksi pH:n hallinnalla tai lämpökäsittelyllä. Sopiva menetelmä riippuu siitä, millainen valmiste on tarkoitus tehdä ja halutaanko siinä esimerkiksi säilyttää eläviä mikro-organismeja.

Koostumuksen seuranta on tärkeää

Itse valmistetun valmisteen yksi suurimmista haasteista on eräkohtainen vaihtelu. Jos valmistuksessa käytetään omaa raaka-ainetta, sen proteiinipitoisuus ja muu koostumus voivat muuttua lajikkeen, kasvukauden, sadonkorjuuajan ja varastointiolosuhteiden mukaan.

Siksi valmistusprosessia kannattaa seurata mahdollisuuksien mukaan.

Hyödyllisiä seurattavia ominaisuuksia voivat olla esimerkiksi:

• pH

• kuiva-aine- tai liukoisen aineksen määrä

• kokonais- ja liukoisen typen pitoisuus

• säilyvyyden aikana tapahtuvat muutokset

• väri, haju ja mahdollinen kaasunmuodostus

• tarvittaessa aminohappo- ja peptidiprofiili.

Mitä paremmin valmistusprosessi tunnetaan, sitä helpompi on myös arvioida, miten eri valmistuserät käyttäytyvät kasvustossa.

Entä käyttö kasvustossa?

Käyttöväkevyys ja käyttötapa on syytä määrittää valmisteen koostumuksen, kohdekasvin ja käyttötarkoituksen perusteella. Erityisesti lehtilannoituksessa liian väkevä orgaaninen liuos voi aiheuttaa kasvustolle haittaa.

Käytännöllinen tapa on testata valmistetta pienellä koealalla ennen laajempaa käyttöä. Näin voidaan verrata esimerkiksi eri valmistuseriä, käyttöväkevyyksiä ja ajoituksia ilman, että koko kasvustoa altistetaan mahdolliselle virheelle.

Jos tilalla tehdään esimerkiksi kasvinesteanalyysejä tai muuta kasvuston seurantaa, niitä voidaan hyödyntää myös valmisteen käytön ajoittamisen tukena. Samalla kannattaa seurata kasvien lisäksi esimerkiksi kasvuston kehitystä, satokomponentteja ja mahdollisia kasvustovaurioita.

Sääntely: mitä omaan käyttöön valmistuksesta pitää tietää?

Tässä kohtaa on tärkeää erottaa toisistaan omaan käyttöön valmistaminen ja tuotteen saattaminen markkinoille.

EU:n lannoitevalmisteasetuksessa (EU) 2019/1009 kasvibiostimulantit kuuluvat PFC 6 -tuoteluokkaan, kun kyse on asetuksen mukaisesta EU-lannoitevalmisteesta. Kasvibiostimulantti määritellään siinä ensisijaisesti tuotteen toiminnan, ei pelkästään sen sisältämien aminohappojen perusteella.

Suomessa lannoitevalmisteiden valmistukseen ja käyttöön sovelletaan lisäksi kansallista lannoitelainsäädäntöä. Se, että valmiste valmistetaan omalla tilalla ja käytetään vain omilla pelloilla, ei tarkoita, että kaikki lannoitevalmisteita koskevat vaatimukset lakkaisivat olemasta voimassa. Oman käytön valmistukseen liittyvät velvoitteet ovat kuitenkin erilaiset kuin tuotteella, joka saatetaan markkinoille.

Jos valmistetta ryhdytään myöhemmin myymään, luovuttamaan toiselle tilalle tai markkinoimaan esimerkiksi biostimulanttina, sääntely muuttuu olennaisesti ja tuotteen vaatimustenmukaisuus on arvioitava erikseen.

Siksi ennen toiminnan aloittamista on hyvä tarkistaa ajantasaiset vaatimukset Ruokavirastolta ja varmistaa, miten juuri suunniteltu raaka-aine, valmistusmenetelmä ja käyttötarkoitus kuuluvat voimassa olevaan lannoitelainsäädäntöön.

Pienestä kokeilusta kohti toimivaa prosessia

Omalla tilalla valmistettavan kasvipohjaisen proteiinihydrolysaatin suurin potentiaali ei välttämättä ole siinä, että sillä korvattaisiin kaikki ostetut panokset. Sen arvo voi olla mahdollisuudessa rakentaa tilalle oma, paikallisiin raaka-aineisiin perustuva ja vähitellen kehitettävä prosessi.

Härkäpapu ja herne tarjoavat tähän kiinnostavan lähtökohdan. Molemmat ovat Suomessa viljeltäviä, proteiinipitoisia kasveja, joiden avulla voi itse kokeilla tutkia, millainen hydrolyysiprosessi toimii käytännössä ja millaisia vaikutuksia erilaisilla valmistuserillä on kasvustossa.

Paras tapa edetä on aloittaa pienestä: yksi raaka-aine, yksi hallittu valmistusprosessi ja pieni koeala. Kun prosessia opitaan tuntemaan, voidaan vertailla esimerkiksi hernettä ja härkäpapua, erilaisia hydrolyysimenetelmiä ja eri käyttöajankohtia.