Wageningen, The Netherlands
March 7, 2022

Not all crops are created equally: some are simply more nutritious than others. What is the best way to grow these crops and how can we make them even more nutritious? The BU Greenhouse Horticulture of Wageningen University & Research investigated the production of protein-rich crops in their Vertical Farm.

Why should we focus on protein-rich crops?

We are starting to shift towards a more sustainable model for protein production and consumption, also known as the “protein transition”. There is a growing concern for the environmental footprint and ethics of excessive animal protein production. Hence, there is a growing interest finding alternative, sustainable ways to produce proteins and exploring viable business models. The production of protein-rich crops in controlled environment agriculture is currently still in its infancy and viable business models have not yet been established. Therefore BU Greenhouse Horticulture initiated this experiment as a pilot study.

How do you select which crops to grow?

Protein-rich crops would require a high productivity and nutritious content to be viable across markets and production systems. Candidate crops were identified for their potential protein quality and quantity. These crops included for example Leguminosae and other new and ‘forgotten’ vegetables. Crops were finally selected for a high harvest index and yield, as well as a compact crop height and growing cycle. Furthermore a high Digestible Indispensable Amino-Acid Score (DIAAS) was taken into account an used as protein quality indicator. It provides an accurate measure of the amounts of amino acids absorbed and the protein’s contribution to human amino acid and nitrogen requirements of the human body.

Soybean (Glycine max) was considered the most promising candidate: it features the highest protein content and quality, offers a broad spectrum of interesting products, and has the most available reference data.

Why should we grow soybean in a controlled environment?

Traditionally soybean is cultivated in the field, mainly in Brazil and the United States of America. Controlled environment agriculture (CEA) can improve the production of essential amino-acids in the cultivation of protein-rich crops. Greenhouses and vertical farms are already being used to produce highly nutritious crops with improved functional ingredients (e.g., minerals, vitamins). The production in CEA offers the opportunity to optimise  production, improve crop protection, decrease land area used and potentially steer crop physiological mechanisms, provided there is sufficient understanding of crop response to the environment.

How do you steer a protein-rich crop?

There is currently little knowledge on the effect of plant growth conditions on protein quantity and quality. The compounds of crops are typically steered using light intensity, light spectrum, daylength, temperature treatment and nutrition. In order to see whether it is possible to steer protein quantity and quality in soybean, a light treatment (low Red:Blue ratio) and a temperature treatment (low temperature) were compared to a reference treatment. The design of the treatments for two cultivars (Viola and Obelix) was based on literature research. To check the effect of the treatments, the cultivation cycle of the soybean cultivars was closely monitored. The protein content of the beans was measured on four instances, in order to determine the rate of protein content accumulation during early reproductive stage of the pods. The protein quality was also tracked by measuring the amino acid composition of mature seeds.

How could we steer more swiftly and precisely?

Our ability to steer the nutritional quality of the crop is restricted by our ability to measure the plant physiology and specifically the protein content in vivo. The chemical analysis of protein content takes produce, time, money and energy. In this project we worked on a spectral measurement method that can accurately predict the protein content in soybean, based on the spectral characteristics of the pod. Not only does this method circumvent long-term reliance on slow chemical analysis methods, it also circumvents any form of destructive sample preparation by measuring directly on the pod. These measurements are rapid (1-10 seconds) and do not require technical experience. This would make the technique perfect for implementation directly in the production cell without need for harvesting.

Results

Temperature, light and cultivar all had a statistically significant effect on total yield of beans (g m-2).

• Temperature: Higher yields were achieved at higher temperatures in both cultivars. This result is related to the number of seeds, as average seed weight was hardly affected by temperature. Seed protein concentration was increased at lower temperatures, which is consistent with information found in literature. Light treatments may hold the key to further enhancing protein-rich crop production.
• Light: Light treatment had a clear effect on plant elongation and yield. Plants grown under light with a low Red:Blue ratio had a 20% shorter stem compared to plants exposed to reference light treatment. Additionally, yield was reduced. Light treatments may hold the key to further enhancing protein-rich crop production.
• Cultivar: Total yield was also dependent on the cultivar. The yield of Viola was 16% lower on average than the yield of Obelix. The yield in controlled environment cultivation may be increased by selecting a more ‘suitable’ cultivar.

For spectral imaging, models were trained on random sets of spectral images containing samples from both cultivars. Two additional models were trained only on the spectral images of one cultivar, while the validation was done with the spectral images of the other cultivar.

• Effectiveness: No published research was found where predictions on bean protein content were made based on the spectral characteristics of the pod. The reported models are based either on reflection spectra collected on dried and/or ground bean samples. The protein content of soybean can be steered more effectively by measing the pod in vivo.
• Potential: The results strongly imply that there is potential to translate the developed spectral imaging method into a protocol that can operate within the vertical farm (or a different growing environment) without the need for destructive harvests.

This experiment was a first, but important step into a new field for the controlled environment agriculture industry. In the future, we may be able to actively measure and steer the protein content of crops grown in greenhouses and vertical farms.

Eiwitrijke gewassen: het telen van sojabonen in vertical farms

Niet alle gewassen zijn hetzelfde; sommigen zijn nou eenmaal voedzamer dan andere. Wat is de beste manier om deze voedzame gewassen te telen en zouden we ze nog voedzamer kunnen maken? De BU Glastuinbouw van Wageningen University & Research heeft daartoe de teelt van eiwitrijke gewassen onderzocht in de nieuwe Vertical Farm in Bleiswijk.

Waarom zijn eiwitrijke gewassen interessant?

De ‘eiwittransitie’ is een geleidelijke overgang naar een duurzamer model voor de productie en consumptie van eiwitten. De milieutechnische en ethische gevolgen van dierlijke eiwitproductie worden steeds vaker aan de kaak gesteld. Er is een zoektocht naar alternatieve, duurzamere methodes om eiwitten te produceren en naar de bijpassende bedrijfsmodellen. De teelt van eiwitrijke gewassen staat op dit moment nog in de kinderschoenen en een breed toepasbaar bedrijfsmodel is nog niet gevonden. De BU Glastuinbouw startte daarom dit experiment als een eerste verkenning van deze nieuwe markt.

Hoe bepaal je welk gewas je het beste kan telen?

Eiwitrijke gewassen zullen over een hoge productiviteit en voedingswaarde moeten beschikken om rendabel geteeld te kunnen worden in meerdere markten en teeltsystemen. Gewassen werden daarom geselecteerd op basis van eiwitgehalte en -kwaliteit. De initiële gewassen bestonden onder andere uit diverse peulvruchten en andere nieuwe en ‘vergeten’ groenten. De selectiecriteria waren een hoge oogstindex en teeltopbrengst en een relatief korte gewashoogte en teeltcyclus. Daarnaast werd de Digestible Indispensable Amino-Acid Score (DIAAS) gebruikt voor het vergelijken van eiwitkwaliteit. Deze index geeft weer hoeveel aminozuren daadwerkelijk kunnen worden opgenomen en omgezet door het menselijk lichaam. Uit de initiële gewassen beschikte de sojaboon (Glycine max) over het hoogste eiwitgehalte en ‑kwaliteit, productmogelijkheden en referentiegegevens. 

Waarom is de gesloten teelt interessant voor sojabonen?

Gewoonlijk wordt de sojaboon in het veld geteeld en dan met name in Brazilië en de Verenigde Staten van Amerika. Een gesloten teelt kan echter bijdragen aan de productie van eiwitten en aminozuren. Kassen en vertical farms worden al gebruikt om voedzame gewassen met verhoogde voedingswaardes (bijvoorbeeld mineralen of vitamines) te telen. De gesloten teelt geeft de mogelijkheid om de productie te optimaliseren, de gewasbescherming te verbeteren, de productie te verhogen en mogelijk zelfs de gewasresponses te sturen, mits we de onderliggende fysiologische mechanismes in kaart hebben kunnen brengen.

Hoe kan je een eiwitrijk gewas sturen?

Er is nu nog weinig bekend over de effecten van het teeltklimaat op het eiwitgehalte en -kwaliteit van gewassen. De inhoudsstoffen van gewassen kunnen over het algemeen gestuurd worden met behulp van lichtintensiteit, lichtspectrum, daglengte, temperatuur en voeding. Om te achterhalen of het mogelijk is om het eiwitgehalte en -kwaliteit van sojaboon te sturen werd gestuurd op lichtspectrum (relatief lage Rood:Blauw verhouding) en temperatuur (relatief lage temperatuur) ten opzichte van de referentiebehandeling. De verschillende behandelingen werden uit de literatuur gehaald en toegepast voor twee cultivars (Viola en Obelix). Gedurende het experiment werd de teeltcyclus van de cultivars nauw gevolgd om het effect van de behandelingen te bepalen. Het eiwitgehalte werd op vier momenten gemeten om de eiwitvorming in verschillende stadia van het gewas en de bonen te bepalen. De samenstelling van animozuren werd ook gemeten in rijpe bonen om de eiwitkwaliteit te bepalen.

Hoe zouden we preciezer kunnen sturen?

De mate waarin de gewasfysiologie en eiwitgehaltes in vivo kunnen worden gemeten bepaalt in grote mate in hoeverre de voedingswaarde van het gewas kan worden gestuurd. De chemische analyse van eiwitgehaltes kost alleen veel plantmateriaal, tijd, geld en energie. In dit project hebben we een methode verder ontwikkeld om het eiwitgehalte van sojaboon te meten aan de hand van de spectrale kenmerken van de peul. De peul kan rechtstreeks gemeten worden, waardoor het oogsten van plant materiaal en langzame chemische analyses niet langer nodig zijn. Deze metingen kosten enkele (1-10) seconden, behoeven geen technische expertise en kunnen rechtstreeks in het teeltgebied uitgevoerd worden.

Resultaten

Temperatuur, licht en cultivarselectie hadden elk een significante invloed op de totale sojaboonproductie (g m-2).

• Temperatuur: Hogere temperaturen resulteerden in een hogere productie voor beide cultivars. Dit is met name het gevolg van het aantal bonen dat werd geproduceerd, aangezien temperatuur vrijwel geen invloed had op het gemiddelde gewicht per boon. Het eiwitgehalte van de sojabonen was hoger bij lagere temperaturen, wat overeenkwam met de referentiedata.
• Licht: De lichtbehandeling had een duidelijk effect op plantstrekking en productie. De planten onder een lage Rood:Blauw verhouding waren gemiddeld 20% korter dan de planten onder het referentielichtspectrum. De productie was ook lager onder de deze lichtbehandeling. De lichtrecepten bieden mogelijk de uitkomst om de teelt van eiwitrijke gewassen te optimaliseren.
• Cultivar: De totale productie verschilde ook per cultivar. De productie van Viola lag gemiddeld 16% hoger dan die van Obelix. De productie van eiwitrijke gewassen in de gesloten teelt kan verbeterd worden door het selecteren van de ‘meest geschikte’ cultivar.

Voor de spectrale kenmerken van sojaboon werden de modellen getraind op random sets spectrale foto’s van monsters van beide cultivars. Twee extra modellen werden uitsluitend getraind met de spectrale foto’s van één cultivar en vervolgens gevalideerd met de spectrale foto’s van de andere cultivar.

• Effectiviteit: In de literatuur waren geen voorbeelden te vinden waar het eiwitgehalte van sojabonen kon worden gemeten aan de hand van de spectrale kenmerken van de peul. De modellen in de literatuur gebruiken gedroogde en vermalen bonen. Met het direct meten van de peul in vivo kan de sojaboonteelt beter gestuurd worden.
• Potentie: De resultaten laten duidelijk zien dat er potentie is om de spectrale meetmethode verder te ontwikkelen tot een protocol, waarin eiwitgehaltes binnen vertical farms (of andere gesloten teelt) vastgesteld kunnen worden zonder destructieve metingen.

Dit experiment was een eerste, maar belangrijke verkenning van een nieuwe markt binnen de gesloten teelt. We zouden in de toekomst methodes verder kunnen ontwikkelen om het eiwitgehalte en ‑kwaliteit direct te meten en te sturen in kassen en vertical farms.

Website: http://www.wur.nl

Published: March 7, 2022