Alternative Proteine und wie sie den Status quo des Lebensmittelsystems in Frage stellen könnten

Rouyu Wu engagiert sich dafür, saubere Technologien mit den Märkten für eine nachhaltige Zukunft zu verbinden und arbeitet seit 2020 ehrenamtlich für die Stiftung Solar Impulse. Derzeit ist sie Direktorin für Innovation und Investitionen bei Dao Foods Inc., einem Frühphaseninvestor und Inkubator mit Schwerpunkt auf Chinas alternativer Proteinindustrie, und unterstützt die investierten Unternehmen und den Betrieb des Inkubators in den Bereichen Innovation, Finanzen, Investitionen und Finanzierung sowie Industrieaktivitäten.

Die Versorgung der wachsenden Bevölkerung mit ausreichend hochwertigen Nahrungsmitteln ist eine dringende Aufgabe. Die Lebensmittelsysteme sind für 23-42 % der weltweiten Treibhausgasemissionen verantwortlich, wobei Lebensmittel tierischen Ursprungs den größten Beitrag leisten. Andererseits sind Ernährungsunsicherheit und Unterernährung nach wie vor weit verbreitet: Mehr als 188 Millionen Kinder unter 5 Jahren sind entweder zu klein für ihr Alter oder zu dünn für ihre Größe. Eine Umstellung der Ernährung auf nachhaltigere Lebensmittel kann den Klimawandel abmildern, gesundheitliche Vorteile bringen und die SDGs unterstützen, wie dies im jüngsten Sechsten Sachstandsbericht des IPCC gefordert wird. Ein Teil dieses Wandels kann durch die Entwicklung alternativer Eiweißprodukte unterstützt werden.

Die drei Hauptsäulen der alternativen Proteintechnologie

Alternative Eiweißprodukte sind solche, die das sensorische Erlebnis und die ernährungsphysiologischen Vorteile des Verzehrs von Lebensmitteln tierischen Ursprungs nachahmen. Die Produktpalette reicht von Milchprodukten über Eier und Fleisch bis hin zu Fisch und Meeresfrüchten. Die Produktformate sind vielfältig und umfassen u. a. Frischeprodukte, 3R-Produkte (verzehrsfertig, erhitzbar und kochfertig), funktionelle Lebensmittel, Snacks sowie Lebensmittelzutaten und -zusatzstoffe tierischen Ursprungs für den Handel oder den Haushalt. Unterschiedliche Produkte und Anwendungen erfordern unterschiedliche Innovationen und technologische Entwicklungen. Insgesamt lassen sich die drei Hauptsäulen der alternativen Proteintechnologie in diesem im Entstehen begriffenen, aber schnell wachsenden Sektor als pflanzliche Proteine, durch mikrobielle Fermentation gewonnene Proteine und Proteine aus Zellkulturen bezeichnen.

Pflanzliche Proteine

Pflanzliche Inhaltsstoffe werden aus Nutzpflanzen gewonnen und auf mechanischem, chemischem oder biologischem Wege verarbeitet, um funktionelle oder ernährungsphysiologische Bestandteile in tierischen Produkten zu ersetzen, wie z. B. Proteine, Lipide, Fasern und mehr. Die Entwicklung der Pflanzen, die Optimierung der Inhaltsstoffe und die Formulierung und Herstellung des Endprodukts sind die drei allgemeinen Phasen, in denen F&E betrieben wird.

Sojabohnen, Erbsen, Reis, Weizen und Mungobohnen werden aufgrund ihrer ernährungsphysiologischen, funktionellen und verarbeitungstechnischen Eigenschaften häufiger als Rohstoffe verwendet. Wissenschaftler und Unternehmer sind auf der Suche nach neuen Proteinquellen aus dem Pflanzenreich, wie Favabohnen, Wasserlinsen und Raps. Der Superheld von Sustainable Planet Ltd, das Wasserlinsenprotein, ist eine dieser mit Spannung erwarteten neuen Zutaten. Gleichzeitig wird eine Reihe von Züchtungstechniken angewandt oder entwickelt, von konventionellen Züchtungsmethoden bis hin zu modernen gentechnischen Verfahren, um den Proteingehalt, die Qualität und die Funktion von Nutzpflanzen zu optimieren. So können beispielsweise Sojabohnen ohne Bohnengeschmack den Aufwand für die Weiterverarbeitung verringern und die Akzeptanz beim Verbraucher erhöhen.

Forschung und Entwicklung spielen auch eine Rolle, wenn die Pflanzen erst einmal produziert sind. Die Pflanzen werden gemahlen, extrahiert und zu gereinigten und konzentrierten Inhaltsstofffraktionen verarbeitet, in der Regel in zwei Formen: Proteinkonzentrate oder -isolate. An diesem Punkt werden einige Pflanzenproteine noch weiter verarbeitet, z. B. durch Hydrolyse, um ihre funktionellen Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu verbessern.

In der Phase der Produktformulierung und -herstellung schließlich werden den rekonstituierten Grundzutaten Wasser, Öl, Bindemittel, Zusatzstoffe, Aromastoffe und andere Formulierungen zugesetzt, um die gewünschte Textur und die sensorischen Eigenschaften zu erzielen. Anschließend wird die Zutatenmischung durch eine Vielzahl von Verfahren wie Dehnen, Pressen, Falten, Schichten, Extrudieren, 3D-Drucken usw. strukturiert und zu Endprodukten geformt. Die pflanzlichen 3R-Lebensmittelprodukte von Garden Gourmet, wie z. B. Burger, Würstchen und vieles mehr, sind für Verbraucher zum Probieren erhältlich.

Durch mikrobielle Fermentation gewonnene Proteine

Die Nutzung der Fermentationstechnologie durch den Menschen hat eine lange Tradition. Bei der Fermentation handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von ganzzelliger Biomasse oder wertvollen Fraktionen davon, das auf dem Wachstum einer beliebigen Mikrobenart in einer kontrollierten Umgebung beruht. Die Fermentierung wird aufgrund ihrer Fähigkeit, Lebensmittel auf äußerst effiziente Weise zu produzieren, mit Spannung erwartet. Es gibt drei Arten der Fermentation, die im Bereich der alternativen Proteine eingesetzt werden: die traditionelle Fermentation, die Biomassefermentation und die Präzisionsfermentation.

Einige unserer Lieblingsnahrungsmittel wie Wein, Bier, Brot und Joghurt basieren auf traditioneller Fermentation. Die Verwendung aktiver Mikroorganismen natürlichen Ursprungs, wie z. B. Hefe, auf Rohstoffen wie Mehlteig verleiht den daraus entstehenden Produkten einzigartige organoleptische und ernährungsphysiologische Eigenschaften. Das traditionelle indonesische Lebensmittel Tempeh ist ein gutes Beispiel dafür. Bohnen werden durch den Pilz Rhizopus fermentiert und zu dichten, zähen Kuchen mit einer fleischigen Textur gepresst. Heute ist es eine trendige vegane Fleischalternative. Das Verfahren der Biomassefermentation ähnelt zwar der traditionellen Fermentation, beruht aber auf der Vermehrung von Mikroorganismen, die selbst einen hohen Proteingehalt haben. Pilze und Algen sind zwei Arten von Mikroorganismen, die üblicherweise für die Biomassefermentation verwendet werden. In dieser mikrobiellen Welle stehen das auf Euglena gracilis basierende Protein von Noblegen und das auf Chlorella basierende Protein von Alver nicht zurück. Im Gegensatz zu den beiden anderen Methoden werden bei der Präzisionsfermentation Mikroorganismen als Zellfabriken zur Herstellung von Zielmolekülen eingesetzt. Dabei wird ein DNA-Fragment des Zielmoleküls in einen Wirtsmikroorganismus eingebracht: Hefe, Bakterien, Mikroalgen oder Pilze, je nachdem, was sich am besten für das Zielmolekül eignet. Die Präzisionsfermentation ist in der Biopharmabranche nicht neu. Synthetisches Insulin ist das erste Produkt, das mit dieser Produktionsmethode hergestellt wurde. Es wird von der Lebensmittelindustrie mit Spannung erwartet und kann zur Herstellung von Proteinen, Fetten, Aromastoffen, Vitaminen, Farbpigmenten und vielem mehr verwendet werden.

Bild von Chokniti Khongchum aus Pixabay

Da Mikroorganismen bei der Fermentation eine Schlüsselrolle spielen, hat die Entwicklung von Stämmen oberste Priorität für Innovationen. Es wird geschätzt, dass mehr als 99 % der Billionen von Mikroorganismen auf der Erde noch nicht entdeckt wurden. Hochdurchsatz-Screeningverfahren, fortschrittliche Gentechnik und maschinelles Lernen sind einige der vielversprechenden Technologien in diesem Bereich. Die Optimierung von Substraten und die Gestaltung von Bioprozessen sind weitere wichtige Innovationsprioritäten. Sie sind eng mit den Kosten und der Skalierbarkeit verbunden. Unternehmen nutzen Nebenprodukte der Landwirtschaft wie Okara als Fermentationssubstrate. Dadurch werden nicht nur die Kosten für den Einkauf von Rohstoffen gesenkt, sondern auch eine Kreislaufwirtschaft geschaffen. Der BioSolar Leaf von Arborea ist ein membranbetriebener, atmender Bioreaktor®, der einen hocheffizienten Gastransfer und eine Temperaturkontrolle ermöglicht und gleichzeitig optimale Wachstumsbedingungen für die Kultivierung von Mikroalgen aufrechterhält.

Zellkultivierte Proteine

Bei dieser Methode werden Stammzellen aus einer Biopsie des Zieltieres entnommen und anschließend zu reproduzierbaren, vermehrungsfähigen Zelllinien entwickelt. Die Zellen werden dann in hohen Dichten und Volumina in kontrollierten Bioreaktoren gezüchtet. Die Zellen werden mit einer nährstoffreichen Lösung gefüttert, damit sie sich vermehren und differenzieren können, um anschließend Muskel-, Fett- und Bindegewebe zu bilden, aus denen das Fleisch besteht.

Die Entwicklung von Zelllinien, die Funktionsoptimierung und Kostenreduzierung von Wachstumsmedien sowie Gerüsttechnologien, die durch Tissue Engineering und Materialwissenschaften unterstützt werden, sind entscheidend für die Entwicklung von Produkten aus Zellkulturen.

Ausblick auf den Markt für alternative Proteine

Laut Euromonitor und dem Good Food Institute wird der weltweite Einzelhandelsumsatz mit pflanzlichen Fleisch- und Meeresfrüchteersatzprodukten (gekühlt, gefroren und haltbar) auf 5,6 Milliarden US-Dollar geschätzt, was einem Anstieg von 17 Prozent gegenüber dem Vorjahr entspricht. Westeuropa und Nordamerika gehören mit einem Umsatz von 2,6 Mrd. bzw. 2,1 Mrd. US-Dollar zu den reifsten Regionen. Aus derselben Quelle wird der weltweite Fleischmarkt auf 1,7 Billionen Dollar geschätzt. Fleisch auf pflanzlicher Basis (Einzelhandelsmarkt) macht weniger als 0,5 % des weltweiten Verbrauchs aus.

Das Wachstumspotenzial des Marktes ist enorm. Obwohl viele Marktstudien unterschiedliche Prognosen abgeben, gibt es insgesamt einen weitgehend einheitlichen Aufwärtstrend. Barclays prognostiziert, dass der weltweite Markt für Fleischersatzprodukte bis 2029 einen Umsatz von 140 Milliarden US-Dollar erreichen könnte, während Ernst & Young schätzt, dass der Gesamtmarkt bis 2030 153 Milliarden US-Dollar erreichen könnte, und BCG sagt voraus, dass der Markt bis 2035 sogar 290 Milliarden US-Dollar erreichen könnte.

Produkte auf pflanzlicher Basis dominieren derzeit den Umsatz mit alternativen Proteinen. Fermentationsprodukte befinden sich in einem relativ frühen Stadium der Kommerzialisierung, da Biomasse- und Präzisionsfermentationsverfahren eine vorzeitige Marktzulassung erfordern. Wenn neue Stämme für die Biomassefermentierung verwendet werden, gelten neue Lebensmittelvorschriften. Einige Länder haben strengere Vorschriften für gentechnische Verfahren (Präzisionsfermentation) erlassen. So ist zum Beispiel das Häme des Impossible Burger nur in den USA, Kanada, Hongkong, Singapur, den Vereinigten Arabischen Emiraten, Australien und Neuseeland zugelassen. Bei den Zellkulturprodukten ist Singapur bisher das einzige Land, das ein kultiviertes Fleischprodukt für den Verkauf auf dem Markt zugelassen hat. Da die Vermarktung von Zellkulturprodukten jedoch immer näher rückt, arbeiten die Länder daran, Wege für die behördliche Zulassung zu entwickeln.

Neben den behördlichen Genehmigungen ist die Akzeptanz der Verbraucher entscheidend für das Wachstum und die Größe der alternativen Proteinindustrie. Der Schlüssel zur Verbraucherakzeptanz ist die Gleichwertigkeit von Preis und Qualität. Innovation und technologische Entwicklung sind die einzigen Möglichkeiten, die Produktqualität zu verbessern und die Kosten zu senken, indem die Produktion in größerem Maßstab erfolgt. Eines ist sicher, die Lebensmittel in den Supermarktregalen werden in den nächsten 5 bis 10 Jahren ganz anders aussehen.

Referenzen

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10. https://www.ipcc.ch/report/ar6/wg3/
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12. https://home.barclays/news/2021/05/the-future-of-food/
13. https://www.bcg.com/press/23march2021-alternative-protein-market-reach-290-billion-by-2035