Industriell bioraffinering av tremasse og makroalger

Transkript

1 Industriell bioraffinering av tremasse og makroalger Innspill til forskningsagenda: Utnyttelse av biomasse i produksjon av proteinrike fôrråvarer Forfattere: Margareth Øverland, Liv Torunn Mydland og Anders Skrede, IHA, NMBU, Ås. Institutt for husdyr- og akvakulturvitenskap, Norges miljø- og biovitenskapelige universitet, Ås

2 Innhold Forord... 2 Sammendrag... 3 Innledning... 5 Fôrmarkedet... 5 Norsk fôrmarked... 5 Utnyttelse av biomasse fra skogbruk... 6 Råvare... 6 Bioraffinering... 7 Mikrobielle fôrprodukter fra skogråstoff... 7 Markedspotensial for gjærprodukter fra lignocellulose biomasse... 9 Behov for biomasse for produksjon av gjær... 9 Økonomisk potensial Forskningsbehov Viktige forskningsområder Forskningsinfrastruktur Makroalger Råvare Kjemisk sammensetning og næringsverdi Prosessering/Bioraffinering Lover og regelverk Forskningsbehov Viktige forskningsområder Forskningsinfrastruktur Konklusjoner Litteratur Vedlegg Vedlegg

3 Forord Bioøkonomi er internasjonalt i ferd med å bli et sentralt begrep og omfattes med stor interesse for økt forskningssatsing. Gjennom bioøkonomien vil det åpne seg nye muligheter for økonomisk og bærekraftig næringsutnyttelse av landbasert og marin biomasse i produksjon av mat, fôr, biokjemikalier og energi. Parallelt med en slik økning i ressursutnyttelse og verdiskapning kan det oppnås miljøgevinster i form av reduserte klimaskadelige utslipp. Gjennom store naturressurser og etablert kompetanse bør Norge satse aktivt på å bli en viktig aktør innen bioøkonomi. Det kan pekes på flere muligheter for å utvikle en kunnskapsbasert, markedsrettet og bærekraftig industri med utgangspunkt i norsk biomasse som er tilgjengelig og mangelfullt utnyttet i dag, eller som det er gode naturlige forutsetninger for å produsere. Eksempler på dette er biomasse fra landbruk, skogbruk og marin sektor som gjennom ny prosessteknologi kan utnyttes til framstilling av fôrråvarer og en rekke andre produkter som det er marked for. På oppdrag fra Fiskeri- og kystdepartementet har vi vurdert potensialet for industriell utnyttelse av tremasse og makroalger i produksjon av råvarer for bruk i fôr til fisk og husdyr. Vi vil gjerne takke følgende personer for verdifulle diskusjoner: Gudbrand Rødsrud, Borregaard AS Jon Funderud, Seaweed Energy Solutions AS Vincent Eijsink, NMBU Svein Jarle Horn, NMBU Karin Øyaas, PFI Jorunn Skjermo, SINTEF 2

4 Sammendrag I dette notatet har vi vurdert mulighetene for produksjon av proteinrike fôrråvarer basert på utnyttelse av biomasse fra skogbruk og marine makroalger. Arbeidet er utført på oppdrag fra Fiskeri- og kystdepartementet. Økningen i norsk og globalt behov for protein av god kvalitet til bruk i fiskefôr og husdyrfôr, og økte proteinpriser, gir økte muligheter for industriell utnyttelse av fornybar og bærekraftig biomasse som kan foredles til fôrprodukter med høyt innhold av protein. Det må forutsettes at slik produksjon er en del av et konsept basert på bioraffinering og framstilling av flere produkter med forskjellig pris/volum-potensial. Dette innebærer kompetansekrevende satsing og stort behov for forskning rettet mot hele verdikjeden fra biomasseproduksjon og fram til salgbart produkt. Figur 1. Skogråstoff og makroalger kan utnyttes i produksjon av proteinrike råvarer til bruk i fôrindustrien. Utnyttelse av råstoff fra skog De kjemiske bestanddelene i tremasse er hovedsakelig cellulose, hemicellulose og lignin. Gjennom bioraffinering og fermentering 1 gir disse komponentene grunnlag for framstilling av en rekke verdifulle produkter. Cellulose og hemicellulose kan spaltes til sukker og fermenteres til bioetanol eller proteinrik gjær ved hjelp av mikroorganismer. Produksjon av gjær kan utvikles til en viktig del av et konsept i retning av totalutnyttelse av lignocellulose 2 biomasse fra skog. Ny kunnskap fra forsøk med laks og andre arter viser at gjær framstilt ved konvertering av hemicellulose og cellulose, f.eks. Candida utilis 1 Fermentering brukes om prosesser der biologisk materiale, vanligvis sukker, omdannes til andre produkter ved hjelp av mikrober som gjær og bakterier. 2 Lignocellulose brukes om biomasse som består av cellulose, hemicellulose og lignin, de tre store komponentene i biomasse fra skog og mange andre typer av plantemateriale. 3

5 (Torula) og Kluyveromyces marxianus), har gode egenskaper som proteinkilde i fôr. Slike gjærprodukter har også vist seg å ha positive virkning på fiskens tarmhelse og immunforsvar. Markedspotensialet for gjær som proteinkilde er stort, men avhengig av de kvalitetsegenskaper som kan dokumenteres, og pris og tilgang på alternative proteinkilder. Gjærproduksjon fra norsk skogbiomasse vil være knyttet til bioraffinering og utvikling av et bredt produktspekter rettet mot ulikt bruksområde og volum/prispotensial. Dette er kompetanse- og kapitalkrevende, og lønnsom produksjon krever løsning av uavklarte spørsmål knyttet til biomassetyper, produksjon, produktevaluering og bruksmuligheter. Viktige forskningsfelt relatert til framstilling av fôrprodukter fra skogråstoff: Råvareegenskaper og oppstrømsprosessering Optimalisering av fermenteringsbetingelser, nitrogenkilder og nedstrømsprossessering Produktevaluering med kartlegging av ernæringsmessige egenskaper og bruksmuligheter Framskaffing av dokumentasjon for effekter på helse og immunforsvar hos fisk og husdyr Makroalger Globalt går det aller meste av makroalger som dyrkes direkte til menneskeføde, og bare små mengder nyttes i fôr til fisk og husdyr. De arter av makroalger som er mest aktuelle for dyrking i Norge, særlig brunalger som sukkertare (Saccharina latissima), varierer sterkt i kjemisk sammensetning og inneholder varierende mengder av protein. Hvis proteininnholdet kan økes ved dyrking i nærheten av fiskeoppdrettsanlegg vil det være gunstig for utnyttelse som proteinkilde. Enkelte undersøkelser viser at komponenter i makroalger kan ha positive effekter på immunforsvar og tarmhelse. Det er få og spinkle nyere undersøkelser av næringsverdi for aktuelle makroalger, og det er behov for detaljert kartlegging av næringsverdi og funksjonelle egenskaper hvis makroalgeprodukter skal få innpass i moderne fôrtyper med presist innhold av tilgjengelige næringsstoffer. Ved høsting av brunalger i perioden med relativt høyt proteininnhold, og egnet prosessering av biomassen, kan det imidlertid være mulig å øke næringsverdien. Oppkonsentrering av proteininnholdet gjennom bioraffinering og fermentering av karbohydratene til gjær, kan gi fôrprodukter med stabilt næringsinnhold som er egnet for bruk i fiskefôr. Bruk av mikroorganismer ved produksjon av bioetanol fra makroalger er velkjent, men framstilling av gjærprodukter fra makroalger er lite undersøkt. Det er derfor et stort behov for forskning innen prosessteknologi og produktegenskaper, inkludert innhold av viktige næringsstoffer og eventuelle uheldige stoffer som f.eks. tungmetaller. Dokumenterte positive helseeffekter vil være av stor betydning for markedsverdien. Forskningsområder som er sentrale for utnyttelse av makroalger i fôr: Effekt av dyrkingsbetingelser, årstid og eventuelt avl på kjemisk sammensetning Optimale metoder for skånsom utvinning av verdifulle fraksjoner inkludert protein Muligheter for mikrobiell framstilling av gjærprodukter gjennom utnyttelse av karbohydrater, nitrogen, og mineraler i makroalger og biprodukter Biokjemisk kartlegging av næringsstoffer, antinæringsstoffer og andre interessante komponenter i fraksjoner og produkter Ernæringsmessig evaluering, funksjonelle egenskaper og virkning på helse hos fisk og husdyr 4

6 Innledning Økt nasjonal satsing på bioøkonomi må ses på som et ledd i arbeidet for størst mulig verdiskapning og best mulig miljøprofil med utgangspunkt i tilgjengelige og fornybare ressurser. Det er store muligheter for verdiskapning gjennom bioraffinering, definert som bærekraftig og lønnsom prosessering av biomasse fram til et spekter av produkter. Produksjon av proteinrike fôrråvarer fra lignocellulose biomasse fra skog ved hjelp av mikroorganismer (gjær, bakterier), og utvikling av makroalgeprodukter med høy næringsverdi, er slike muligheter, spesielt med tanke på forventet økende knapphet på høyverdige proteiner til bruk i fôr til fisk og husdyr. Dette kan åpne for bedre utnyttelse av norsk biomasse og kompetanse, og samtidig bidra til videreutvikling av norske industrimiljø og mer robust matproduksjon og beredskap. En sideeffekt vil være synergier mellom marin sektor og skogbruk/landbruk og en industriell utvikling på tvers av disse næringene. Akvakultur og landbasert husdyrbruk har fellestrekk når det gjelder krav til fôrråvarer, men det er også ulikheter som innebærer at det kan være nødvendig å tilpasse produktene til bestemte produksjoner. I dette notatet er det fokusert på de muligheter som ligger i produksjon av fôrråvarer basert på utnyttelse av biomasse fra skogbruk og marine makroalger (tang og tare) ved hjelp av bioraffinering og fermentering. I mange tilfeller vil mulighetene for lønnsom produksjon fra ulike typer av biomasse være avhengig av en rekke faktorer knyttet til f.eks. råvarer, logistikk, teknologi og produkter uten tilknytning til fôrsektoren. En framtidig forskningsagenda må derfor dekke et bredere fagfelt enn det som er berørt i dette notatet. Fôrmarkedet Folketallet i verden er sterkt økende og forventes å nå 9 milliarder i Økt kjøpekraft i store befolkningsgrupper medfører dessuten økt energikonsum og kostholdet endres i retning av mer animalske produkter fra husdyr og fisk. Verdens matproduksjon må derfor økes kraftig for å tilfredsstille økt etterspørsel. Global matproduksjon i landbruket er imidlertid utsatt for økende konkurranse fra produksjon av biodrivstoff fra råvarer som sukker, hvete, soya og raps. I tillegg forventes klimaendringene å redusere potensialet for landbruksproduksjon. Verdens befolkningsøkning, ernæringsmessige trender og økt etterspørsel fra en rikere middelklasse, skaper et økende behov for fisk som næringsmiddel. Global fangst av vill fisk har vært rimelig stabil på ca. 90 mill. tonn årlig de senere år og økning kan ikke forventes. Globalt har akvakulturnæringen vokst med 8,8 % årlig siden 1980 (FAO, 2013) og det er estimert at andel fisk fra akvakultur overstiger villfanget fisk i 2018 (FAO, 2012). Parallelt med en kraftig ekspansjon i akvakulturnæringen vil fôrbehovet øke sterkt og veksten vil være avhengig av at et forutsigbart og bærekraftig fôrgrunnlag kan sikres. Det er derfor strategisk viktig for veksten i norsk og global oppdrettsnæring å utvikle nye proteinkilder som kan supplere konvensjonelle marine og plantebaserte råvarer. Markedet for fôrråvarer er i stor grad globalt og økende etterspørsel vil medføre økt pris på velkjente produkter som soyamjøl og fiskemjøl. Dette innebærer økte muligheter for industriell utvikling av nye fôrråvarer med utgangspunkt i bærekraftige verdikjeder som ikke er i konkurranse med direkte utnyttelse til menneskeføde. Norsk fôrmarked Norsk akvakultur er en næring i rask ekspansjon. For 25 år siden, i 1988, var norsk produksjon av laks ca tonn. Etter jevn økning var norsk produksjon av laksefisk i følge Fiskeridirektoratet økt til ca. 5

7 1,31 mill. tonn i 2012 ( tonn laks og tonn regnbueørret), og næringen er Norges nest største eksportnæring. Det er et mål å sikre framtidig vekst i havbruksnæringen innen miljømessig bærekraftige rammer. I utredningen «Verdiskapning basert på produktive hav i 2050» fra 2012 skisserer en arbeidsgruppe oppnevnt av Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab og Norges Tekniske Vitenskapsakademi et potensial for å øke norsk produksjon av laks og ørret til 3 mill. tonn i 2030 og 5 mill. tonn i 2050, gitt visse forutsetninger (Olafsen, 2012). I følge Fiskeridirektoratet økte årlig omsetning av fôr i norsk havbruksnæring i 15-årsperioden fra 1998 til 2012 fra til tonn per år. Forutsigbar tilgang på fôrråvarer som er egnet til å dekke næringsbehovet hos oppdrettsfisk er således en nøkkelfaktor for næringens videre utviklingspotensial. I denne sammenheng er det bærekraftige og høyverdige fett- og proteinkilder som er avgjørende, siden karbohydrater utgjør en liten del av fôret til karnivore fiskearter som laks og ørret. Slik sett skiller laks og ørret seg sterkt fra omnivore eller herbivore fiskearter som tilapia og pangasius. Den globale tilgangen på marine fôrråvarer som fiskemjøl og fiskeolje er begrenset, og norsk fiskefôrindustri er i økende grad avhengig av alternative råvarer. I landbruksmeldingen fra 2011 (Meld. St. 9) skisserer Regjeringen et behov for en økning i norsk matproduksjon på 20 % fram mot 2030 i takt med forventet befolkningstilvekst. Statistikk fra Statens landbruksforvaltning viser at det totalt ble omsatt tonn kraftfôr til norske husdyr i Andelen proteinrike råvarer i kraftfôr har vært jevnt økende over flere år, noe som settes i sammenheng med høyere ytelse og noe endret fordeling mellom produksjoner. Husdyrproduksjonen og tilgangen på råvarer til nødvendig fôrproduksjon vil være viktig for å kunne nå målet for norsk matproduksjon. Norsk husdyrproduksjon har hittil i stor grad vært basert på foredling av norsk planteråstoff (grovfôr, beite, korn og andre åkervekster), men andelen av importerte råvarer er økende. Særlig er det en oppadgående trend i soyaforbruket, og i 2012 utgjorde importerte proteinråvarer 93 % av total mengde proteinrike fôrmidler (SLF, 2013). Dette innebærer at norsk produksjon av proteinrike råvarer til husdyrfôr må økes hvis selvforsyningsgraden skal opprettholdes eller økes. Utnyttelse av biomasse fra skogbruk Råvare Den årlige tilveksten av skog i Norge er på ca. 25 mill. m 3. Den totale avvirkning inkludert vedhogst har vært på ca. 10 mill. m 3 den siste 10-årsperioden, m.a.o. ca. 40 % av årlig tilvekst. De senere år har det vært en trend i retning av redusert avvirkning målt som andel av tilveksten og det biologiske potensialet for hogst synes derfor å ligge betydelig høyere enn dagens avvirkning. I tillegg kommer potensialet knyttet til mulig utnyttelse av hogstavfall i form av grot (greiner og topper). Råstoffgrunnlaget bør ikke være begrensende og slik utnyttelse kan ha positiv effekt på klimagassutslipp både på kort og lang sikt. I tillegg til tradisjonell utnyttelse i sagbruk og annen tremekanisk industri og til energiformål (brensel/bioenergi) har produksjon av papir og papirvarer i treforedlingsindustrien vært svært viktig for bruk av virke fra norske skoger. Treforedlingsindustrien utnytter også betydelige mengder flis fra den tremekaniske industrien. Den senere tids nedlegging av tradisjonell treforedlingsindustri, spesielt innen trykkpapir/avispapir, og svake markedsutsikter for denne industrien, innebærer et behov for å rette blikket mot andre former for utnyttelse som kan øke biomasseutbyttet gjennom framstilling av 6

8 mer verdifulle produkter. Ett eksempel er mulighetene for at det kan skapes produkter som styrker akvakultur og husdyrnæringer gjennom utvikling av nye fôrressurser, samtidig som det bidrar til å øke verdiskapningen i skognæringen. Bioraffinering Kjemisk består tømmer og skogsavfall av de tre polymere hovedkomponentene cellulose (ca. 45 %), hemicellulose (ca. 25 %) og lignin (ca. 30 %). Gjennom bioraffinering kan disse fraksjonene videreutvikles til verdifulle produkter med mange anvendelsesmuligheter utenom energisektoren. Dagens industri gjør seg nytte av ulike kjemiske teknologier 3 til framstilling av produkter som cellulose og lignin. Ny kunnskap peker i retning av lovende alternative metoder basert på varmebehandling, enzymteknologi og mikroorganismer, som kan gi grunnlag for utvikling av nye produkter. I dette notatet vil vi spesielt fokusere på mulighetene for utnyttelse av sukker fra biomasse i produksjon av gjær som kan nyttes som næringskilde i ulike typer av fôr. Både i Norge og internasjonalt har Borregaard posisjonert seg som markedsledende innen området avansert bioraffinering med utgangspunkt i tømmer fra gran som råvare. Gjennom innovativ teknologiutvikling har Borregaard vist det store potensialet i utnyttelse av biomassen gjennom produksjon av spesialprodukter (finkjemikalier, spesialcellulose, lignin, etc.) med bedre verdiskapning og lønnsomhet enn det som kan oppnås i tradisjonell treforedling. Blant produktene er også vanillin 4 og 2. generasjons bioetanol som kan erstatte oljebaserte alternativer og bidra til et bedre klimaregnskap gjennom utnyttelse av bærekraftig og fornybart råstoff. I april 2013 åpnet Borregaard et demonstrasjonsanlegg (Biorefinery Demo) for utnyttelse av biomasse fra tre, landbruks- og skogsavfall ved fabrikken i Sarpsborg. Anlegget, som var i normal drift allerede i første kvartal 2013, er basert på Borregaards patenterte BALI TM -teknologi (Borregaard Advanced Lignin, «Lignocellulosic Biomass Conversion by Sulphite Pretreatment») og er en videreutvikling av det bioraffineri-konsept som dagens fullskala produksjon bygger på. Denne teknologien gir muligheter for utnyttelse av trevirke, landbruks- og skogsavfall i produksjon av vannløselig lignin og spesialkjemikalier, i samproduksjon med sukker fra cellulose og hemicellulose som kan brukes til produksjon av 2. generasjons bioetanol og gjærprodukter. I Sverige har SP Processum i Örnsköldsvik etablert et bioraffineri i pilotskala og arbeider også med sikte på gjærproduksjon fra tremasse. I slike bioraffinerier kombineres tradisjonelle kjemiske prosesser med både enzymbaserte og mikrobielle produksjonsmetoder. Mikrobielle fôrprodukter fra skogråstoff Globalt er det nå økende interesse for mikrobielle, bærekraftige, proteinkilder i akvakultur og husdyrproduksjon, dels på grunn av økt behov for gode proteinråvarer og dels på grunn av mer press på landarealer som egner seg for planteproduksjon. Teknologisk er det gjort framskritt som bidrar til bedre økonomiske betingelser i produksjon av encelleprotein fra råstoff som ikke kan utnyttes direkte til menneskeføde. Dette skaper forventninger til at encelleprotein med gode og stabile kvalitetsegenskaper kan bli kommersielt viktige næringskilder til fisk og husdyr i løpet av overskuelig 3 F.eks. sulfittpulping og sulfatpulping, som er ulike metoder hvor tremassen kokes i ulike sure/alkaliske kokevæsker for å løse opp ulike bestanddeler i tømmeret. 4 Vanillin er den kjemiske forbindelsen som gir opphavet til vaniljesmak. 7

9 framtid. Således har bakterielt protein (BioProtein) produsert fra naturgass som energi og karbonkilde, vist seg å kunne utgjøre en stor del av proteinet i fôr til laksefisk, svin og fjørfe (Øverland et al., 2010). I tillegg til gode resultater for vekst, fôrutnyttelse og produktkvalitet er det oppnådd gunstige helseeffekter. Spesielt må nevnes forbedret tarmhelse hos laks som er fôret med BioProtein (Romarheim et al., 2011). Tradisjonelt har gjær, særlig som biprodukt i form av ølgjær eller bakegjær (Saccharomyces cerevisiae), inngått som protein- og vitaminkilde i fôrblandinger til husdyr, men små tilgjengelige kvanta har begrenset bruken. Utviklingen i fermenterings- og enzymteknologi har muliggjort kontinuerlig og mer kostnadseffektiv gjærproduksjon fra forskjellige substrater (Omar et al., 2012). Visse gjærtyper gir således mulighet for konvertering av sukker fra lav-verdi biomasse fra landbruk og skog til proteinrike produkter som kan brukes i mange forskjellige typer av fôr. Slik produksjon av gjær kan være en del av et bioraffineringskonsept rettet mot totalutnyttelse av råvarer som lignocellulose biomasse fra skog (Figur 2). Figur 2. Prosess for framstilling av bioetanol og gjær fra tremasse. I dag brukes gjærprodukter (f.eks. Candida utilis (Torula), Saccharomyces cerevisiae og Kluyveromyces marxianus) internasjonalt som smaks- og næringstilsetning i enkelte matprodukter, i «petfood» og til enzymproduksjon. Gjær og produkter som inneholder fraksjoner av cellevegger fra gjær brukes som immunstimulanter i fôr til fisk, og selv små mengder (1-4 %) har vist seg å ha gunstige effekter på vekst og tarmhelse hos flere fiskearter. Gjær blir også brukt som levendefôr i akvakultur. Nye forskningsresultater fra NMBU viser at gjær produsert fra lignocellulose biomasse har stort potensial som en bærekraftig proteinkilde til laks (Øverland et al., 2013). To av de undersøkte gjærtypene, C. utilis og K. marxianus, kunne erstatte 40 % av fiskemjølet i laksefôr uten at vekst og fôrutnyttelse ble negativt påvirket, og gjærmjøl har generelt en gunstig ernæringsmessig sammensetning av aminosyrer (Figur 3). Nye forsøk viser dessuten at disse to gjærtypene, spesielt C. utilis, i fôr til laks motvirker de tarmbetennelser som oppstår ved fôring med soyamjøl (Grammes et al., 2014). Det er grunn til å anta at slike positive helseeffekter av en fôrråvare vil bli vektlagt i fremtidens akvakultur, selv om det i dag er vanskelig å kvantifisere den økonomiske betydningen av slike effekter. Både C. utilis og K. marxianus har et bredt substratspektrum og kan vokse på pentoser som er viktige sukkerkomponenter i hemicellulose. S. cerevisiae gjær utnytter heksoser (C6) best, men det finnes stammer som også egner seg for pentoser (C5) uten å gå veien om genmodifisering. De fleste stammer av disse gjærtypene er kategorisert som trygge til bruk i dyrefôr og til menneskeføde (GRAS) av EU og kan sannsynligvis brukes i fôrprodukter uten regulatoriske eller lovmessige hindringer. Etter høsting av gjærceller fra fermentor kreves videre prosessering i form av varmeinaktivering, tørking og trolig knusing av cellevegger hvis gjæren skal nyttes som fôr. 8

10 % av total-aa Arg His Ile Leu Lys Met Phe Thr Trp Val LT-FM SBM Bioprotein CU KM SC Figur 3. Innhold av essensielle aminosyrer (EAA i % av total AA) i LT-fiskemjøl (LT-FM), soyamjøl (SBM), BioProtein og tre aktuelle gjærmjøl; Candida utilis (CU), Kluyveromyces marxianus (KM) og Saccharomyces cerevisiae (SC). Markedspotensial for gjærprodukter fra lignocellulose biomasse Markedspotensialet for gjærprodukter nasjonalt og internasjonalt vil i stor grad være avhengig av de kvalitetsegenskaper som kan dokumenteres samt tilgang og pris på alternative proteinkilder. For å få et bilde av hvor store mengder av proteinrik gjær som kan finne avsetning i norsk fôrproduksjon til fisk, kan en ta utgangspunkt i dagens kvantum av norskprodusert fiskefôr og det tidligere nevnte potensial for økning i norsk produksjon av laksefisk fra ca. 1,31 mill. tonn i 2012 til 3 mill. tonn i 2030 og 5 mill. tonn i Allerede i dag er mulighetene til å bruke fiskemjøl fullt utnyttet, og mengden av planteproteiner er sterkt økende. Selv om andelen av planteproteiner vil kunne øke noe ved bruk av produkter med høy foredlingsgrad og relativt høy pris, og nye animalske proteinkilder produsert fra biprodukter kan bli tatt i bruk, er det sannsynlig at bærekraftig vekst i norsk akvakultur vil kreve utnyttelse av nye proteinråvarer fra mikroorganismer (encelleprotein). Ved valg av egnet gjærtype og prosessering tyder dagens kunnskap på at gjær kan utgjøre minst 30 % av fôret til laks, tilsvarende ca. 40 % av proteinet (Øverland et al., 2013). Forutsatt et estimert fôrbehov på 1,2 kg per kg produsert laks, vil bruk av 10 % gjær-innblanding i norsk fiskefôr tilsvare tonn i 2030 og 0,5 mill. tonn i I tillegg til disse store kvanta kommer mulighetene for at et økende kvantum gjær kan omsettes til bruk i fôr til husdyr. Slike regnestykker innebærer stor usikkerhet, men kan tjene til å illustrere de mengder av proteinråvarer som det vil være behov for hvis en raskt ekspanderende akvakultur og økt husdyrbruk skal være bærekraftig. Det vil imidlertid være en forutsetning at gjærprodukter med høy næringsverdi kan produseres til konkurransedyktige priser fra biomasse som ikke er nyttbar direkte til menneskemat. Behov for biomasse for produksjon av gjær Estimat fra Borregaard tyder på at produksjon av tonn gjær vil kreve ca tonn sukker som man kan få fra m 3 tømmer (dersom både cellulose og hemicellulose benyttes som råvare til fermentering), dvs. ca. 80 % av de kvanta som nyttes av Borregaard i dag. Produksjonen av gjær vil imidlertid representere utnyttelse av sidestrømmer (hemicellulose) som i dag stort sett går til mindre lønnsom produksjon av bioenergi. I tillegg kommer potensialet som ligger i bruk av andre typer biomasse, som halm og skogsavfall. Det kan også være et potensiale i å dyrke hurtigvoksende treslag 9

11 som osp, pil og bjørk; i Sverige gis det i dag tilskudd til etablering av såkalt energiskog (Søgaard & Granhus, 2012). Produksjon av tonn gjær vil kreve ca tonn nitrogen, men tilgangen på nitrogenkilder anses ikke som begrensende for gjærproduksjon. Det må imidlertid avklares om proteinrikt animalsk avfall som i dag er dårlig utnyttet og en del av nitrogensyklusen i samfunnet, kan brukes som N-kilder alternativt til gassbasert ammoniakk. På lengre sikt er det aktuelt å undersøke mulighetene for utnyttelse av luftens nitrogen gjennom nitrogenfikserende mikroorganismer. Økonomisk potensial Flere typer av biomasse vil være tilgjengelig og mulighetene for lønnsom produksjon vil være avhengig dels av egenskaper og kostnader ved de aktuelle råvarene inkludert transportkostnader, og dels av marked og priser for de produkter som det er aktuelt å produsere. Nye forskningsresultater som åpner opp for mer kostnadseffektiv prosessering kan bli avgjørende for investering i ny industriell teknologi. Som et eksempel kan nevnes at en forskergruppe ved NMBU har identifisert et enzym som kan bidra til å effektivisere utnyttelsen av biomasse i produksjon av 2. generasjons bioetanol (Vaaje-Kolstad et al., 2010). Innovativ utnyttelse av eksisterende kompetansemiljøer kan således bidra til økonomisk utnyttelse av biomasse gjennom avansert bioraffinering. Miljøvennlig og fullstendig utnyttelse bør i alle tilfeller ha basis i utvikling av et bredt produktspekter, og lønnsom produksjon av gjær til fôrformål kan være avhengig av at slik produksjon er en del av en sidestrøm i en prosess der andre produkter bidrar til at produksjonen totalt sett blir lønnsom. Selv om gjærprodukter vil inneholde næringsstoffer som fett, mineraler og vitaminer i tillegg til protein, vil det være innholdet av protein, essensielle aminosyrer og fordøyeligheten som vil ha størst økonomisk betydning. Særlig for fiskefôr vil høyt proteininnhold og høy fordøyelighet være av stor betydning for markeds- og prispotensialet. Vurdert ut fra de lovende resultater som hittil er oppnådd med bakterie- og gjærprodukter til laksefisk og dokumentert positiv virkning på immunforsvar og helse hos fisk og husdyr, sammen med mulig salg til gjærekstrakter og direkte bruk i menneskemat, gi muligheter for utvikling av nye produkter med høyt prispotensial også for eksportmarkedet. Gjærproduksjonen vil i alle tilfeller være kapital- og kompetansekrevende, og bare la seg gjennomføre i avanserte anlegg som ikke lett lar seg tilpasse småskala drift. Forskningsbehov Løsning av viktige samfunnsproblemer vil være avhengig av sterke fagmiljøer som kan bidra til nye bærekraftige strategier og industriell utvikling. Forbedret utnyttelse av biomasse fra skog krever høy kompetanse i tillegg til innovativ og kapitalkrevende produktutvikling. En forskningsagenda bør derfor bygges opp med basis i styrking av eksisterende kompetansemiljøer, kreativt samarbeid med utenlandske miljøer med komplementerende kompetanse, og effektiv utnyttelse av etablert industrinettverk. Utnyttelse av landbasert biomasse til produksjon av gjær med høy næringsverdi for fisk og husdyr vil være et område med sterke samfunnsmessige interesser, bl.a. knyttet til miljø, utnytting av lokale ressurser, matproduksjon og selvforsyningsgrad; noe som bør gi føringer for bruk av offentlige FoUmidler. Det økonomiske potensialet er stort, men samtidig er det mange uavklarte spørsmål og det vil være en risikosone som i den tidlige fase vil kreve offentlig støtte på flere nivåer fra grunnleggende forskning til teknologiutvikling og produktevaluering. 10

12 Viktige forskningsområder Råvarer (f.eks. gran og furu, osp, bjørk, halm, skogsavfall) o Råvareegenskaper o Oppstrømsprosessering Produksjon best mulig utnyttelse av biomassen og sidestrømmene o Valg av gjærstammer, eventuelt optimalisering ved genmodifisering o Optimalisering av fermenteringsbetingelser o Valg av nitrogenkilder (inkludert utnyttelse av nitrogenfikserende mikroorganismer) o Nedstrømsprosessering Produktevaluering o Biokjemisk kartlegging og vurdering av næringsverdi o Ernæringsmessig evaluering (fordøyelighet, vekst, produktkvalitet) hos fisk og husdyr o Kartlegging av funksjonelle egenskaper og effekter på helse hos fisk og husdyr Forskningsinfrastruktur Små-skala og medium-skala anlegg. Grunnleggende forskning vil i stor grad vil skje i laboratorieskala, men forskningsmiljøene vil ha behov for fleksible fermenteringsanlegg og utstyr som gir muligheter for framstilling av batchprodukter i stor nok skala for produktevaluering. Det finnes i dag en rekke småskala-fermentorer og en stor portefølje av både oppstrøms- og nedstrøms-prosesseringsutstyr ved flere universiteter og forskningsinstitutter (f.eks. NTNU, NMBU, IRIS, SINTEF, PFI, Bioforsk, Nofima). Stor-skala demonstrasjonsanlegg. Det neste trinn vil være større demonstrasjonsanlegg (minibioraffineri) egnet til oppskalering i forkant av bærekraftig fullskala industriproduksjon. Denne type anlegg bør være fleksible m.h.p. forskningsoppgaver, og bør dimensjoneres med sikte på kontinuerlig drift og godt kvalifisert personale. Slike anlegg innebærer store investerings- og driftskostnader og bør om mulig knyttes til industri med høy kompetanse på bioraffinering. I Norge er det allerede etablert et avansert demonstrasjonsanlegg ved Borregaard. Anlegget, som innebærer en investeringskostnad på ca. 140 mill. kr., inkludert 58 mill. kr. i investeringsstøtte fra Innovasjon Norge, er dimensjonert for en oppskalering av teknologien i forkant av anlegg for fullskala produksjon. Dette anlegget for bioraffinering er unikt i norsk og europeisk sammenheng og drives i dag med høyt kvalifiserte ansatte ved Borregaard, men er planlagt avviklet etter hvert som fullskala produksjon kommer i gang. Demonstrasjonsanlegget hos Borregaard er bygget for å kunne bruke ulike råvarer, kan endre type råstoff ved relativt enkle tilpasninger, og vil kunne spille en viktig rolle i arbeidet for rask implementering av lovende forskningsresultater. F.eks. vil det være mulig å framskaffe produktprøver som er tilstrekkelige for den nødvendige evaluering før produktene kan markedsføres. Det bør være en attraktiv mulighet å arbeide for en framtidig avtale med Borregaard som sikrer forlenget levetid og fortsatt drift av dette anlegget. Dette vil sikre god utnyttelse av den store investering som er gjort og utnyttelse av kompetanse og erfaringer ved Borregaard. I tillegg finnes det flere anlegg i utlandet (f.eks. Centre for Process Innovation, UK, og SP Processum, Sverige) hvor norske forskningsmiljøer kan leie seg inn. 11

13 I tillegg til nødvendige ressurser og anlegg for framstilling av gjærprodukter vil det være et behov for forskningsressurser knyttet til screening og evaluering av produktene. Dette vil bl.a. omfatte biokjemiske undersøkelser av produktene og forsøk med representativt prøvemateriale i fôr til fisk og husdyr. Denne type evaluering må starte tidlig på pilotstadiet og følge produktutviklingen videre i forbindelse med oppskalering og nødvendig dokumentasjon ved fullskala produksjon. Behovet for infrastruktur til denne forskningen vil imidlertid ikke være spesifikt for disse produktene og kan antas å være dekket gjennom eksisterende og planlagte anlegg. Makroalger Dyrking og utnyttelse av tang og tare som karbonnøytralt biodrivstoff og til industrikjemikalier er grundig diskutert i en ny utredning fra SINTEF (Skjermo et al., 2014). Aktuelle bruksområder og muligheter for utnyttelse av marine makroalger i nordområdene er også godt beskrevet i en utredning av Handå et al. (2009). Artsvalg for dyrking av makroalger i Norge vil være avhengig av en rekke faktorer (biologi, veksthastighet, temperaturtoleranse, teknologi og arbeidskostnader, biokjemisk sammensetning, økologisk forsvarlighet, osv.), og kan være siktet inn mot ulike bruksområder. I dette notatet vil hovedfokus være makroalger med potensial for dyrking i Norge og mulig bruk i fôr til fisk og husdyr, eventuelt i form av biprodukter i tillegg til annen utnyttelse. I en verdivurdering er det sannsynlig at bruk i fôr vil gi høyere verdi per vektenhet enn bruk til energiformål, men vil på den annen side rangere lavere enn bruk direkte i mat eller farmasi (Figur 4). Figur 4. Verdi- og volumpotensial for ulik anvendelse av makroalger. På global basis går det meste av algeproduksjonen direkte til humant konsum. Makroalger er en viktig del av kostholdet i mange land og kan ha positive helseeffekter (f.eks. Brown et al., 2014), men dette vil bli lite omtalt i dette notatet. Det er klare likhetstrekk mellom de krav som stilles til menneskemat og fôr, men bruk i fôr innebærer mer vektlegging av næringsinnhold og nyttbar fôrenergi. Råvare I Norge er kommersiell utnyttelse av tare i dag begrenset til den ville bestanden av stortare (Laminaria hyperborea), som er spesielt godt egnet for alginatproduksjon og utnyttes effektivt til dette formål av 12

14 FMC Health and Nutrition. Alginater fra makroalger kan bl.a. brukes som et effektivt bindemiddel i fôr og en lang rekke av andre produkter. Populasjonen av stortare i Norge er estimert til ca. 50 millioner tonn, men tareskogen er en viktig del av det marine økosystem og bare tonn høstes årlig i samsvar med systematisk regulering (Vea & Ask, 2011). Algea AS i Kristiansund produserer i dag forskjellige algeprodukter fra grisetang (Ascophyllum nodosum). Globalt utgjør dyrkede makroalger ca. 95 % av den totale mengden makroalger som høstes og utnyttes. Sukkertare (Laminaria saccharina), butare (Alaria esculenta) og kanskje fingertare (Laminaria digitata) er arter som kan være aktuelle for dyrking i Norge (Skjermo et al., 2014). Rødalgen søl (Palmaria palmata) kan også være aktuell for dyrking, men først og fremst med tanke på direkte humant konsum. Den har vært brukt til menneskemat i vestlige land og inneholder mye protein, aminosyrer og enkelte vitaminer og mineraler. Havsalat (Ulva lactuca) er en grønnalge som også har et relativt høyt proteininnhold. For øvrig er det særlig rødalger som dyrkes for produksjon av agar, som brukes i biokjemisk forskning, og karragenan, som er et viktig tilsetningsstoff i matvareindustrien. Kjemisk sammensetning og næringsverdi Kunnskap om innholdet av verdifulle næringsstoffer og mulig uheldige stoffer som antinæringsstoffer (e.g. polyfenoler) og toksiner er grunnleggende forutsetninger for alle råvarer som omsettes for bruk i fôr til fisk og husdyr. Selv om de fleste viktige biokjemiske komponenter i makroalger er kjent (e.g. Holdt & Kraan, 2011), er detaljkunnskapen om næringsverdi og funksjonelle egenskaper ikke tilstrekkelig for å kunne vurdere makroalger og produkter fra makroalger som råvarer i moderne fôrtyper til fisk og husdyr. I utgangspunktet vil imidlertid næringsverdien være relativt lav for mange arter, bl.a. på grunn av høyt innhold av aske, lavt innhold og fordøyelighet av protein, og lav energifordøyelighet. Generelt er proteininnholdet i brunalger relativt lavt (maks. ca % av tørrstoff) og varierende sammenlignet med rød- og grønnalger som har høyere proteininnhold og mindre sesongvariasjon. De arter som er mest aktuelle for dyrking i Norge med sikte på biomasseutbyttet har således alle relativt lavt proteininnhold, men med stor årstidsvariasjon. Hvis proteininnholdet kan økes ved genetiske endringer gjennom avl, eller gjennom økt næringstilgang ved dyrking i nærheten til fiskeoppdrettsanlegg, vil dette være gunstig for utnyttelse som proteinkilde i fôr. Typisk er proteininnholdet i bladene av Saccharina og Laminaria-arter og butare høyest i perioden fra februar til mai og den unge delen inneholder mer protein enn den eldre. Det bør også nevnes at makroalger inneholder relativt stor andel såkalt ikke-protein-nitrogen 5, så ved å bruke den vanlige beregningsfaktoren for råprotein (nitrogeninnhold x 6,25), vil proteininnholdet kunne overestimeres. I følge Lourenço et al. (2002) er den gjennomsnittlige beregningsfaktoren for makroalger 4,92. For å kunne vurdere verdien av proteinet i fôr til fisk og husdyr, er det i tillegg nødvendig å ha detaljkunnskap om innhold av essensielle aminosyrer og in vivo fordøyelighet spesifikt for hver enkelt art som det er aktuelt å dyrke og for hvert enkelt produkt etter prosessering av algene. Aminosyresammensetningen er delvis kjent for flere makroalger og synes å være minst like godt egnet til fôrformål som de fleste planteproteiner (Figur 5). Det kreves imidlertid en omfattende kartlegging av proteininnhold, aminosyresammensetning og fordøyelighet hvis algeprodukter skal få innpass i dagens fôrtyper med presist innhold av tilgjengelige næringsstoffer. Brunalgene inneholder en del 5 Ikke-protein nitrogen er alle typer N-holdige forbindelser som ikke er bundet opp i proteiner; f.eks. aminer, ammoniakk, nitrater, nitritt, frie AA, nukleinsyrer m.m. 13

15 % av total-aa fenolforbindelser som binder protein og antas å redusere fordøyeligheten. Det bør imidlertid være gode muligheter for å øke fordøyeligheten av protein og aminosyrer gjennom egnet prosessering, fermentering eller enzymbehandling Arg His Ile Leu Lys Met Phe Thr Trp Val LT-FM SBM S. latissima L. digitata A. esculenta Figur 5. Innhold av essensielle aminosyrer (EAA i % av total AA) i LT-fiskemjøl (LT-FM), soyamjøl (SBM), og tre av artene som er aktuelle for dyrking i Norge; Saccharina latissima, Laminaria digitata og Alaria esculenta (beregnet fra tall fra NMBU (FM og SBM), Bogolitsyn et al., 2014 og Munda & Gubensek, 1976). Tryptofan (Trp) er ikke analysert i makroalgene. Fettinnholdet i makroalger er stort sett lavt; i følge Holdt & Kraan (2011) fra 0,3 % til 2,1 % hos brunalger (Laminaria og Saccharina), men avhengig av sesong og høyest om vinteren. Fettsyresammensetningen er karakteristisk med høy andel flerumetta fettsyrer; spesielt er innholdet av EPA (C20:5, n-3) interessant med sikte på verdi for bruk i fiskefôr. Det kreves imidlertid en oppkonsentrering, eventuelt sammen med protein, hvis fettsyrer fra makroalger skal bidra vesentlig til totalt innhold av fett i fiskefôr. Dessuten er det lite kunnskap om fordøyeligheten av fett i ulike algeprodukter og mulighetene for forbedring av fettfordøyeligheten gjennom egnet prosessering. Makroalger har høyt innhold av karbohydrater, hovedsakelig polysakkarider som kan klassifiseres som fiber. I brunalger som stortare er det et årstidsavhengig innhold av laminaran og sukkeralkoholen mannitol; typisk lavest om våren og høyest i høstmånedene (Haug & Jensen, 1954). Polysakkaridene er praktisk talt ufordøyelige hos fisk og enmagede husdyr og vil ikke bidra vesentlig til næringsverdien. Derimot kan de i noen grad utnyttes som energikilde av drøvtyggere gjennom vomfermentering (Ventura & Castanon, 1998; Hansen et al., 2003). De kan også ha positive funksjonelle egenskaper, f.eks. knyttet til immunforsvar og tarmhelse som vist i forsøk med gris (Gardiner et al., 2008, Lynch et al., 2010). Ved bruk av fermentering og bioraffinering kan polysakkaridene spaltes til sukker og utnyttes til flere formål, inkludert gjærproduksjon og til energiformål. Tangmjøl har en lang historie som fôrtilskudd i Norge, først og fremst med basis i innholdet av livsnødvendige mineraler og vitaminer. Utviklingen i fôrindustrien har gått i retning av bruk av standard premikser som dekker behov for mineraler og vitaminer uten hensyn til innholdet i de enkelte råvarer som kan være sterkt varierende. Høyt innhold av mineraler (aske) i makroalger vil i dag bli vurdert som negativt med tanke på utnyttelse i fôrblandinger til husdyr og fisk. 14

16 Prosessering/Bioraffinering Den framtidige dyrking av makroalger i Norge vil være avhengig av at en kan finne bruksområder som gir best mulig utnyttelse i nåværende eller nye markeder. Innholdet i makroalgene og dagens kunnskap tyder på at best mulig økonomisk utnyttelse krever en prosessering gjennom bioraffinering som vil resultere i forskjellige produkter med ulikt kvantum/pris-potensiale. Makroalger inneholder komponenter, som f.eks. polysakkarider, som kan ha gunstig effekt på teknisk fôrkvalitet og ha helsemessig gunstige effekter på immunforsvar og tarmmiljø. Dokumentasjon av positive helseeffekter vil være en forutsetning hvis en enkel prosessering der hele algen nyttes til ett enkelt fôrprodukt skal kunne gi en attraktiv råvare for fôrindustrien. Næringsverdien av brunalger definert som innhold av fordøyelige næringsstoffer vil imidlertid være lav hvis hele algen brukes som fôr uten å gå veien om fraksjonering og bioraffinering (Burg et al., 2013). De viktigste karbohydrattypene i brunalger i tillegg til alginat, laminaran og mannitol, er lett fermenterbare (Handå et al., 2009) og det bør undersøkes om slik prosessering kan gi en økonomisk realistisk gjærproduksjon. Enzymet laminarase som spalter laminaran til sukker er kommersielt tilgjengelig, og det er naturlig å undersøke fordøyelsesmekanismer hos dyr som er kjent for å kunne utnytte makroalger (f. eks. tarmen hos kråkeboller og vomma hos drøvtyggere). For makroalger som ikke nyttes til alginatproduksjon er det også av interesse å finne fram til metoder som kan fermentere alginat for å få høyest mulig utbytte. Således viser forskning med genmodifisert gjær at det er muligheter for etanolframstilling og utnyttelse av alle viktige karbohydrater i brunalger, inkludert alginat og mannitol (Enquist-Newman et al., 2013). Det er også aktuelt å ekstrahere ut protein (Fleurence et al., 1995) og lipider fra makroalger. For øvrig vil det være et potensiale for å øke fordøyelighet av protein gjennom enzymbehandling og fermentering (Marrion et al., 2003), men karbohydratfraksjonen vil trolig være av liten næringsverdi uten å gå veien om gjærproduksjon. Brunalger høstet til forskjellig årstid har så ulik kjemisk sammensetning at det bør vurderes å bruke forskjellig type prosessering for å få optimalt utbytte. For alger høstet om våren vil proteininnholdet være relativt høyt, til sammenligning nær halvparten av innholdet i soyabønner, og det kan vurderes å ekstrahere ut proteinene for omsetning i proteinmarkedet. I høstmånedene, med lavt proteininnhold og høyt innhold av fermenterbare karbohydrater vil det være mindre aktuelt å ekstrahere ut protein, men mer aktuelt med hovedfokus på produksjon av etanol og gjær, eventuelt biogass. Figur 6. Eksempel på utnyttelse av makroalger gjennom fraksjonering. Figur 6 viser massebalanse med utgangspunkt i kg tørr makroalgebiomasse fra brunalger (Laminaria og Saccharina) med et relativt høgt proteininnhold: En oppkonsentrering av protein til samme nivå som i fiskemjøl innebærer at en må fjerne komponenter som alginat, laminaran, mannitol og en stor del av askefraksjonen. En vil da teoretisk kunne ende opp med 247 kg proteinkonsentrat, 15

17 tilsvarende ca. 25% av den totale makroalgebiomassen. Det ligger imidlertid betydelige utfordringer i denne type fraksjonering av biomassen (f. eks. Vanegas et al., 2014). Lover og regelverk Makroalger kan akkumulere tungmetaller som bly, kvikksølv og kadmium fra omgivelsene. Brunalger kan også ha et høyt innhold av arsen. I norsk regelverk forvaltet av Mattilsynet er det angitt grenseverdier for høyeste tillatte innhold av bl.a. arsen, bly, kvikksølv, kadmium, jod og nitritt i fôrvarer. Det må derfor sikres at aktuelle fôrprodukter fra makroalger ikke overskrider disse grenseverdiene. Makroalger er kjent for høyt men varierende innhold av jod, og spesielt brunalger akkumulerer jod svært effektivt. Publiserte verdier for Laminaria og Saccharina referert av Holdt & Kraan (2011) varierer mellom 23 og mg/kg. Det naturlige innhold av jod i andre fôrråvarer er varierende, men innholdet er høyere i marine råvarer som fiskemjøl enn i planter. Selv om jod er et essensielt næringsstoff (behov: 0,1-1,1 mg/kg) kan det høye og varierende innholdet innebære grenser for hvor mye makroalger som kan brukes i fôr. EU har fastsatt grenseverdiene for største innhold av jod i fullfôr til 20 mg/kg for fisk, 4 mg/kg til hest (hovdyr) og 10 mg/kg for andre husdyr (EFSA, 2005). Dette er de grenseverdier som Mattilsynet i Norge forholder seg til ved etterkontroll av fôr i dag, selv om spesielt fisk kan tolerere høyere nivåer enn grenseverdien. Grenseverdiene gjelder imidlertid bare hvis jod er tilsatt i fôret i tillegg til det naturlige innhold i råvarene. Hvis vi som et eksempel forutsetter et innhold på 500 mg/kg i makroalger, vil grenseverdiene i fullfôr til hest være overskredet med 1 % makroalger i fôret, til andre husdyr og fisk vil grenseverdiene være nådd med henholdsvis 2 % og 4 % innblanding i fôret. Dette innebærer at innhold av jod må være kjent for alle makroalgeprodukter som er beregnet på bruk i fôr. Det bør nevnes at det i en nyere anbefaling (EFSA, 2013) blir foreslått enda lavere grenseverdier for jod i fullfôr til drøvtyggere (2 mg/kg), verpehøns (3 mg/kg), hest (3 mg/kg), katt (6 mg/kg) og hund (4 mg/kg), men forslaget har møtt motstand fra flere land i EU og er ikke en del av dagens regelverk. Forskningsbehov Det trengs stor forskningsinnsats langs hele verdikjeden fra bl.a. artsvalg, dyrkningsbetingelser, høsteteknologi, tørkemetoder, til nedstrømsprosessering, karakterisering og produktutvikling, og denne forskningen bør foregå parallelt. I dette notatet vil vi spesielt påpeke forskningsbehov knyttet til bruk av makroalger i fôr. Den ernæringsmessige kunnskapen om makroalger som fôr til fisk og husdyr er svært mangelfull og fragmentarisk. Dette gjelder i høy grad de arter som det er aktuelt å dyrke i Norge. De fleste publiserte arbeider er av eldre dato og preges av små forsøk og klare mangler m.h.p. forsøksdesign, beskrivelse av prøvemateriale, fôrprosessering, valg av målemetoder og forsøksparametre. Det er derfor et stort behov ny forskning med moderne metodikk og et klart siktemål rettet mot utnyttelse i akvakultur og til de husdyrslag som kan være aktuelle brukere. 16

18 Kunnskap om biokjemisk sammensetning og tilgjengelighet av næringsstoffene gjennom fordøyelse og absorpsjon er avgjørende for vurdering av næringsverdi for fisk og husdyr. Dette gjelder f.eks. protein, aminosyrer, fett, karbohydrater, vitaminer og mineraler. Kjemisk sammensetning av makroalger er avhengig av faktorer som art, årstid, høstingstidspunkt i livssyklus, næringstilgang etc., og en kartlegging av egenskapene må ivareta viktige variasjonsårsaker hos de arter som peker seg ut som aktuelle for dyrking. En slik vurdering må også inneholde informasjon om mulig innhold av toksiske tungmetaller som kvikksølv, arsen og kadmium, og andre komponenter som omfattes av regelverket, som f.eks. nitritt og jod. Makroalger og produkter fra makroalger har sterkt varierende fordøyelighet og absorpsjon av næringsstoffene, delvis p.g.a. innhold av antinæringsstoffer som fenoler og lektin. Innhold av slike stoffer og virkning på fordøyelighet hos fisk og aktuelle husdyr må derfor kartlegges. Dette gjelder også effekter av ulik prosessering som vil kunne være avgjørende for næringsinnhold og fordøyelighet. For de fleste produkter fra makroalger som er aktuelle som fôr bør innhold og fordøyelighet av protein og aminosyrer få førsteprioritet i en vurdering av næringsverdi. Funksjonelle egenskaper, som omfatter bl.a. effekter som antioksidanter, virkning på immunforsvar og helse, kan bidra til økonomiske potensial og bør også være viktige tema i fremtidig forskning. Viktige forskningsområder Makroalgebiologi o Optimale dyrkingsbetingelser og høstetidspunkt o Systematiske kjemiske analyser av biomasse ved ulik dyrking/høstetidspunkt o Konservering Fraksjonering og prosessering o Optimale fraksjonerings- og ekstraheringsmetoder for å ta ut verdifulle fraksjoner o Nedstrømsprosessering av ulike fraksjoner o Nedbrytning av komplekse karbohydrater til sukker for fermentering v.h.a. mikroorganismer (gjær, bakterier, mikroalger) o Muligheter for fermentering av sukker, nitrogen og mineraler fra makroalger i kombinasjon med sukkerstrømmer fra skog Produktevaluering o Biokjemisk kartlegging av næringsstoffer, antinæringsstoffer og andre interessante (ønskede og uønskede) komponenter i ulike fraksjoner og produkter o Ernæringsmessig evaluering (fordøyelighet, vekst, produktkvalitet) hos fisk og husdyr o Kartlegging av funksjonelle egenskaper og effekter på helse hos fisk og husdyr Forskningsinfrastruktur Utstyr for prosessering, fraksjonering og fermentering av makroalger vil til en stor grad være det samme som for utnyttelse av skogbiomasse (se over). 17

19 Konklusjoner En satsing på FoU innen bioøkonomi er et sentralt samfunnsanliggende og bør være et offentlig ansvar. I Norge er det allerede gode eksempler på industriell utnyttelse av skog og makroalger, e.g. Borregaard, FMC Health and Nutrition, Algea AS. Fokus må nå rettes på økt utnyttelse av eksisterende og nyutviklet biomasse med sikte på ny anvendelse og nye produkter. Det forutsettes samarbeid med relevant industri, men satsingen vil være kompetansekrevende, langsiktig og risikofylt og kan ikke baseres på fullfinansiering fra eksisterende industri. Dette innebærer at det er et stort behov for grunnleggende forskning, produktutvikling og industrielle incentiver hvis Norge skal kunne innta en rolle som en konkurransedyktig og ledende aktør innen området. Det er viktig at FoU-satsing rettes mot hele verdikjeden fra biomasseproduksjon og fram til de produkter som skal omsettes og offentlige virkemidler vil være nødvendig. Uten å ha gjennomført detaljerte økonomiske analyser er det vår vurdering at økonomisk utnyttelse av biomasse fra både skog og makroalger, vil være avhengig av kombinert utnyttelse gjennom bioraffinering. Ved enzymbehandling, fraksjonering og fermentering er det potensial for å utvikle fôrprodukter til fisk og husdyr, men markedet vil være avhengig av pris, næringsverdi og de funksjonelle egenskaper som kan dokumenteres. Litteratur Bogolitsyn, K.G., Kaplitsin, P.A. & Pochtovalova, A.S Amino-acid composition of arctic brown algae. Chemistry of Natural Compounds 49: Brown, E.M., Allsopp, P.J., Magee, P.J., Gill, C.I.R., Nitecki, S., Strain, C.R. & McSorley, E.M. Seaweed and human health Nutrition Reviews, DOI:101111/nure Burg, van der S., Stuiver, M., Veenstra, F., Bikker, P., Contreras, A.L., Palstra, A., Broeze, J., Jansen, H., Jak, R., Gerritsen, A., Harmsen, P., Kals, J., Blanco, A., Brandenburg, W., Krimpen, M. van, Duijn, A.P. van, Mulder, W. & Raamsdunk, L. van A Triple P review of the feasibility of sustainable offshore seaweed production in the North Sea. LEI Report , Wageningen UR. EFSA, Opinion of the Scientific Panel on Additives and Products or Substances used in Animal Feed on the request from the Commission on the use of iodine in feedingstuffs. The EFSA Journal (2005) 168: EFSA, Scientific Opinion on the safety and efficacy of iodine compounds (E2) as feed additives for all animal species: calcium iodate anhydrous and potassium iodide, based on a dossier submitted by Ajay Europe SARL. EFSA Journal 2013, 11 (2): Enquist-Newman, M., Faust, A.M.E., Bravo, D.D. et al Efficient ethanol production from brown macroalgae sugars by a synthetic yeast platform. Nature, doi: /nature FAO, The State of World Fisheries and Aquaculture FAO Fisheries and Aquaculture Department. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome. FAO, Fisheries Global Information System database ( Fleurence, J., Coeur, C.L., Mabeau, M. & Landrein, A Comparison of different axtractive procedures for proteins from the edible seaweeds Ulva rigida and Ulva rotundata. J. Appl. Phycol. 7: Gardiner, G.E., Campbell, A.J., O`Doherty, J.V., Pierce, E., Lynch, P.B., Leonard, F.C., Stanton, C., Ross, R.P. & Lawlor, P.G Effect of Ascophyllum nodosum extract on growth performance, digestibility, carcass characteristics and selected intestinal microflora populations of growerfinisher pigs. Anim. Feed Sci. Technol. 141: Grammes, F., Reveco, F.E., Romarheim, O.H., Landsverk, T., Mydland, L.T. & Øverland, M Candida utilis and Chlorella vulgaris counteract intestinal inflammation in Atlantic salmon (Salmo salar L.). Plos One 8 (12):

20 Handå, A., Forbord, S., Broch, O.J., Richardsen, R., Skjermo, J. & Reitan, K.I Dyrking og anvendelse av tare, med spesiell fokus på bioenergi i nordområdene. SFH80 A SINTEF Fiskeri og havbruk AS, 32 s. Hansen, H.R., Hector B.L. & Feldmann J A qualitative and quantitative evaluation of the seaweed diet of North Ronaldsay sheep. Animal Feed Science and Technology 105: Haug, A. & Jensen, A Seasonal variations in the chemical composition of Alaria esculenta, Laminaria saccharina, Laminaria hyperborea and Laminaria digitata from Northern Norway. Norsk Institutt for Tang- og Tareforskning, Rep. 4: Holdt, S.L. & Kraan, Bioactive compounds in seaweed: functional food applications and legislation. J. Appl. Phycol. 23: Lourenço, S.O., Barbarino, E., De-Paula, J.C., Pereira, L.O.S. & Marquez, U.M.L Amino acid composition, protein content and calculation of nitrogen-to-protein conversion factors for 19 tropical seaweeds. Phycol. Res. 50: Lynch, M.B., Sweeney, T., Callan, J.J., O`Sullivan, J.T. & O`Doherty, J.V The effect of Laminariaderived laminaran and fucoidan on nutrient digestibility, nitrogen utilisation, intestinal microflora and volatile fatty acid concentration in pigs. J. Sci. Food Agric. 90: Marrion, O., Schwertz, A., Fleurence, J., Guèant, J.L. & Villaume, C Improvement of the digestibility of the proteins of the red alga Palmaria palmate by physical processes and fermentation. Nahrung/Food 47 (5): Munda, I.M. & Gubensek, F The amino acid composition of some common marine algae from Iceland. Bot Mar 19: Olafsen, T Verdiskapning basert på produktive hav I Rapport fra en arbeidsgruppe oppnevnt av Det Kongelige Norske Videnskabers Selskab (DKNVS) og Norges tekniske Vitenskapsakademi (NTVA), 77 s. Omar, S.S., Merrifield, D.L., Kühlwein, H., Williams, P.E.V. & Davies, S.J Biofuel derived yeast protein concentrate (YPC) as a novel feed ingredient in carp diets. Aquaculture : Romarheim, O.H., Øverland, M., Mydland, L.T., Skrede, A. & Landsverk, T Bacterial meal prevents soybean meal induced enteritis in Atlantic salmon. J. Nutr. 141: SLF, publisert Skjermo, J., Aasen, I.M., Forbord, S., Solbakken, R., Steinhovden, K.B. & Handå, A A new Norwegian bioeconomy based on cultivation and processing of seaweeds: Opportunities and R&D needs. SINTEF Fisheries and Aquaculture. 46 pp. Søgaard, G. & Granhus, A Klimaoptimalt skogbruk. En vurdering av utvalgte skogskjøtseltiltak i Akershus fylke. Oppdragsrapport 09/2012 fra Skog og Landskap. Øverland, M., Tauson, A.-H., Shearer, K. & Skrede, A Evaluation of methane-utilising bacteria products as feed ingredients for monogastric animals. Arch. Anim. Nutr. 64: Øverland, M., Karlsson, A., Mydland, L.T., Romarheim, O.H. & Skrede, A Evaluation of Candida utilis, Kluyveromyces marxianus and Saccharomyces cerevisiae yeasts as protein sources in diets for Atlantic salmon (Salmo salar). Aquaculture : 1-7. Vaaje-Kolstad, G., Westereng, B., Horn, S.J., Liu, Z., Sørlie, M. & Eijsink, V.G.H An oxidative enzyme boosting the enzymatic conversion of recalcitrant polysaccharides. Science 330: Vanegas, C., Hernon, A. & Bartlett, J Influence of chemical mechanical, and thermal pretreatment on the release of macromolecules from two irish seaweed species. Sep. Sci. Technol. 49 (1): Vea, J. & Ask, E Creating a sustainable commercial harvest of Laminaria hyperborea, in Norway. J. Appl. Phycol. 23: Ventura, M.R. & Castañón J.I.R The nutritive value of seaweed (Ulva lactuca) for goats. Small Ruminant Research 29:

21 Vedlegg 1 Eksempel på utnyttelse av biomasse fra skogbruk gjennom bioraffinering Bruk av moderne bioraffinering, enzymteknologi og fermentering gir muligheter for å bruke skogen som råvare til produksjon av høyverdige encelleproteiner for bruk i fôr til fisk og husdyr. I tillegg gir bioraffinering muligheter for å optimalisere utnyttelsen av trebiomassen ved framstilling av en rekke andre produkter som nye biologiske lignin- og cellulosebaserte materialer, kjemikalier og bioenergi, noe som vil være avgjørende for å sikre lønnsomhet. Trevirke består hovedsakelig av tre polymere bestanddeler: cellulose, hemicellulose og lignin. I en bioraffineringsprosess kan lignin skilles ut og bli brukt til varme eller strøm, men hos enkelte bioraffinerier som hos Borregaard blir lignin videreforedlet til høyverdige produkter. Cellulose og hemicellulose kan omdannes til sukker som kan brukes til framstilling av encelleproteiner. Det finnes flere kjente separasjonsmetoder for å fraksjonere trevirke, deriblant sulfittprosessen, som benyttes av Borregaard, og sulfatprosessen. Et alternativ til cellulosekoking er fraksjonering av virket gjennom enkle og kjemikaliefrie varmebehandlinger (f.eks. pyrolyse eller for løvtrær dampeksplosjon), etterfulgt av nye enzymteknologiske prosesser. Det ligger mange utfordringer i å bryte ned trebiomassen til fermenterbare sukker. Med utgangspunkt i biomasse fra gran, har vi laget en grov skisse med etterfølgende forklaring på punkter i skissen for mulig utnyttelse av biomassen i framstilling av gjær: 20

22 1. Første steg i prosessen innebærer mekanisk forbehandling og separasjon ved bruk av kjemiske prosesser til lignin, cellulose, og hemicellulose. 2. og 3. Videre prosessering med utvinning av lignin og nedbrytning av cellulose og hemicellulose til fermenterbare sukker ved hjelp av varme, kjemikalier (syre og lut) og enzymatisk hydrolyse. Cellulosen spaltes til glukose, mens hemicellulosen spaltes til en rekke C6 og C5 sukker som mannose, xylose og arabinose. 4. Neste steg i prosessen er fermentering av C6 og C5 sukker til gjær. Dette skjer ved hjelp av ulike mikroorganismer. Mens Saccharomyces cerevisiae er effektiv i å omdanne C6 sukker til gjær, kan effektiv fermentering av C5 sukker kreve bruk av andre gjærtyper som har et bredere substratspektrum som Candida utilis eller Klyveromyces marxianus. Optimal utnyttelse av C5 sukker og enkelte C6 sukker som mannose kan i midlertidig kreve en batch-basert fermentering og bruk av andre mikroorganismer. Cellulose kan også nyttes til spesialcellulose etc. uten å gå veien om fermentering, mens produksjon av gjær fra hemicellulose vil gi økt verdiskapning fra denne fraksjonen. 5. Produksjon av gjær krever et fermenteringsmedium med nitrogen, fosfor og mikronæringsstoffer i tillegg til sukker. I dag benyttes gassbasert ammoniakk som nitrogenkilde i prosessen. Det kan også være aktuelt å benytte proteinrikt animalsk avfall fra landdyr og fisk som alternative nitrogenkilder. 6. For å produsere gjær må prosessen styres mot aerob fermentering. Etter høsting av gjærceller fra fermentoren kreves videreprosessering som sentrifugering og tørking. Andre nedstrømsprosesser som knusing av cellevegger og fraksjonering for å øke næringsverdien som fôrkilde kan også være aktuelt. 7. Ved anaerob fermentering ved hjelp av Saccharomyces cerevisiae kan sukker fra cellulosefraksjonen nyttes i produksjon av etanol og butanol. Med utgangspunkt i 1 tonn tørt trevirke fra gran som går gjennom en bioraffineringsprosess kan en produsere ca. 315 kg tørt gjærmjøl hvis både cellulose og hemicellulose brukes til dette formål. Bruksområder for gjær som fôringrediens Gjær produsert fra lignocellulose biomasse har et stort potensial som en bærekraftig proteinkilde til fisk og husdyr. Gjærmjøl inneholder 40 til 55% protein og har en gunstig aminosyreprofil. I tillegg inneholder gjær noe fett og en rekke bioaktive komponenter som nukleinsyrer og celleveggskomponenter som betaglukaner, som bidrar til næringsverdien. I dag brukes gjær og gjærprodukter som inneholder fraksjoner av cellevegger hovedsakelig som fôradditiver med helsefremmede effekter og som smakstilsetninger. Eksempler på dette er MOS og betaglukan-baserte produkter fra Saccharomyces cerevisiae. Gjær blir også brukt som levendefôr i akvakultur og for å optimalisere vomfermentering hos melkekyr. 21

23 Vedlegg 2. Eksempel på utnyttelse av makroalger gjennom bioraffinering Makroalger utnyttes i dag som råstoff i framstilling av en rekke produkter som f.eks. alginater, karragenan og agar, og det er stor interesse for utnyttelse til bioenergi. I flere publiserte arbeider blir det fokusert på potensialet for bruk av bioraffinering med sikte på bedre utnyttelse av komponentene i makroalger. Etter det vi kjenner til er imidlertid status i dag at det ikke foreligger publiserte rapporter med detaljert beskrivelse av prinsipper for fullstendig utnyttelse av biomassen. Med utgangspunkt i makroalger som sukkertare (Saccharina latissima) eller butare (Alaria esculenta), og høstetid mai/juni (proteininnhold ca %) har vi lagd en skisse med punktvis forklaring for mulig utnyttelse av biomassen. Hovedfokus er rettet mot muligheter/utfordringer ved framstilling av fôrvarer, og vi understreker at den ikke er detaljert på alle produktmuligheter. Det gjelder f.eks. alginat og potensielle lavvolum/høyverdi-produkter som spesialkjemikalier. 1: Makroalger 2: Med utgangspunkt i et vanninnhold på ca. 80 % bør det være mulig å redusere vanninnholdet til ca. 50 % ved mekanisk pressing som er en relativt rimelig metode for fjerning av vann. Metoden innebærer imidlertid risiko for stort tap av verdifulle lettløselige komponenter og det er behov alternative metoder. 22