Fermentation für Lebensmittel von morgen

Ob Sauerkraut, Joghurt oder Bier – seit Jahrtausenden nutzen Menschen die Fermentation, um Lebensmittel zu verarbeiten und haltbar zu machen. Aktuell gibt es sogar einen regelrechten Hype um selbstgemachtes Kombucha, Kimchi oder Sauerteigbrot. Während die Mikroorganismen beim traditionellen Verfahren bestimmte Stoffe unter weitgehend natürlichen Bedingungen auf charakteristische Weise umwandeln, wird dieses Prinzip bei der sogenannten Präzisionsfermentation umgebaut. Die biologischen „Programme“ von Hefen, Pilzen und Bakterien werden mithilfe gentechnischer Verfahren – insbesondere durch sogenanntes Genome Editing – so verändert, dass sie ganz bestimmte Moleküle produzieren. Das können zum Beispiel Proteine aus Milch oder Ei sein. Diese sind molekular identisch mit ihren tierischen Pendants, kommen aber ganz ohne Tierhaltung aus und könnten in großen Mengen industriell hergestellt werden.

Die Fermentation ist ein biologischer Prozess, bei dem lebende Mikroorganismen mithilfe von Enzymen Biomasse in andere Moleküle umwandeln. Ein Beispiel ist die Milchsäuregärung bei Sauerkraut. Hier wandeln natürlich vorkommende Bakterien auf dem Weißkohl die Kohlenhydrate des Gemüses in Milchsäure um. 

Bei der Präzisionsfermentation werden Mikroorganismen oder Zellen gentechnisch so verändert, dass sie gezielt bestimmte organische Moleküle produzieren, beispielsweise Vitamine oder Proteine. Während des Prozesses werden wichtige Parameter mithilfe moderner Sensortechnologie überwacht und der Fermentationsprozess durch automatisierte Steuerungssysteme reguliert, um optimale Produktionsbedingungen zu gewährleisten.

Die Präzisionsfermentation wird oft auch als ein Bereich einer “zellulären Landwirtschaft” bezeichnet. Der zweite Bereich ist die Zellkultivierung zur Herstellung von Fleisch und Fisch aus dem Bioreaktor.

Damit Mikroorganismen wachsen und Stoffe produzieren können, benötigen sie Nährstoffe. Meist werden günstige Rohstoffe wie Zucker oder pflanzliche Öle für das Fermentationssubstrat verwendet. Teilweise kommen auch Nebenprodukte aus anderen Industrien zum Einsatz, zum Beispiel Melasse aus der Zuckerproduktion oder Glycerin aus der Biodieselherstellung. Zunehmend werden auch Rohstoffe genutzt, die aus Pflanzenresten (z. B. Holz oder Stroh) gewonnen werden, sowie bestimmte Gase wie Kohlenstoffdioxid und Wasserstoff.

Pflanzlich

Lebensmittel, die Zutaten aus Präzisionsfermentation enthalten, sind heute schon weit verbreitet. So werden zum Beispiel die meisten Vitamine zur Anreicherung von Lebensmitteln oder Nahrungsergänzungsmittel auf diese Weise hergestellt. Gleiches gilt für Enzyme. Bekannte Beispiele sind Chymosin als Ersatz für Lab aus Kälbermägen bei der Käseherstellung, Amylasen zur Mehlbehandlung in Bäckereien, Pektinasen zur Verringerung der Trübung und Bitterkeit von Fruchtsäften oder Transglutaminasen, die Proteine in Fleischwaren vernetzen und so helfen, Produkte wie Würste zusammenzuhalten. Daneben werden auch viele Geschmacks- und Aromastoffe wie Vanillin, Zitrusaroma oder der Süßstoff Stevia mittels Präzisionsfermentation hergestellt. 

Tierisch

Dagegen ist die Herstellung von tierischen Proteinen und Fetten, die von Mikroorganismen hergestellt werden, noch relativ neu. Erste Unternehmen stehen jedoch in den Startlöchern, mit Produkten wie tierfreiem Käse oder veganen Alternativen zu Hühnereiweiß. Auch die Herstellung von Omega-3-Fettsäuren, die sonst oft aus Fischöl stammen, durch Bakterien ist möglich. Viele dieser Anwendungen befinden sich derzeit noch in der Entwicklung. Bevor daraus Lebensmittelzutaten werden können, müssen sie in der Europäischen Union ein Zulassungsverfahren durchlaufen, bei dem die Sicherheit der Produkte von der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) bewertet wird und anschließend die Europäische Kommission über eine Zulassung entscheidet. Ein recht neues Feld der Präzisionsfermentation stellt auch die Produktion nicht-tierischer Wachstumsfaktoren für die Herstellung von kultiviertem Fleisch dar. Bisher wird überwiegend fetales Kälberserum eingesetzt, das aus ethischen Gründen und wegen hoher Kosten alles andere als ideal ist. 

Forscherinnen der Abteilung für Marktforschung der Agrar- und Ernährungswirtschaft der Universität Bonn haben untersucht, ob Verbraucherinnen und Verbraucher Käse mit Milchproteinen aus Präzisionsfermentation kaufen würden. Die Ergebnisse zeigen, dass das Verfahren in der Bevölkerung bislang kaum bekannt ist: Rund zwei Drittel der Befragten hatten den Begriff noch nie gehört. Insgesamt bewerteten die Teilnehmenden den tierfreien Käse eher positiv – insbesondere im Hinblick auf Tierwohl und Klimaschutz. Beim Lebensmitteleinkauf spielt für die Befragten jedoch vor allem der Geschmack eine zentrale Rolle, gefolgt von Sicherheit und Nährwert. Die Wissenschaftlerinnen folgern unter anderem, dass eine erfolgreiche Einführung von Käse aus Präzisionsfermentation vor allem eine verständliche und transparente Verbraucheraufklärung erfordert. „Die Informationen sollten klar vermitteln, dass das Produkt sicher, nahrhaft und schmackhaft ist“, betont Autorin Jana Kilimann. 

Quelle: Käse ohne Kuh? — Universität Bonn

Für Zutaten aus der Präzisionsfermentation gilt in der Europäischen Union in der Regel die sogenannte Novel-Food-Verordnung. Sie greift, wenn Lebensmittel oder Inhaltsstoffe vor 1997 nicht in nennenswertem Umfang verzehrt wurden – was auf viele dieser neuartigen Moleküle zutrifft. Außerdem gilt die Novel-Food-VO auch bei neuartigen Herstellungsverfahren.

Vor der Marktzulassung müssen sie ein umfangreiches Prüfverfahren durchlaufen, bei dem insbesondere ihre Sicherheit und ernährungsphysiologische Unbedenklichkeit bewertet werden.

Werden solche Produkte als genetisch verändert eingestuft, fallen sie zusätzlich unter die EU-Verordnungen 1829/2003 und 1830/2003. Diese betreffen Lebensmittel, die gentechnisch veränderte Organismen (GVO) enthalten, aus ihnen bestehen oder aus ihnen hergestellt wurden. Das gilt auch dann, wenn im Endprodukt keine GVO mehr nachweisbar sind, sie aber im Herstellungsprozess eingesetzt wurden.

Die Landwirtschaft steht angesichts von Klimawandel und Nachhaltigkeitszielen unter einem starken Transformationsdruck, vor allem die tierhaltenden Betriebe. In diesem Kontext kann die Präzisionsfermentation als (zusätzliche) Bedrohung wahrgenommen werden. Aber sie könnte auch eine Chance sein: Die biotechnologische Herstellung von Lebensmittelzutaten könnte dazu beitragen, landwirtschaftliche Wertschöpfung im Land zu halten, auszubauen und für die Vieh- und Geflügelhaltung neue Geschäftsmodelle zu eröffnen. „So sollte die Frage auch nicht lauten: Kuh oder Fermenter?, sondern wofür Kuh – wofür Fermenter? Welche Produkte lassen sich nachhaltiger, kostengünstiger und/oder in höherer Qualität aus tierischer Milch oder tierischem Ei herstellen, und für welche Zwecke ist das Produkt aus der Präzisionsfermentation zu bevorzugen? Auf der Basis solcher Fragestellungen kann die Präzisionsfermentation als sinnvolle Ergänzung und Entlastung für die Landwirtschaft dienen.“ 

Quellen:
DECHEMA “Potenziale der Präzisionsfermentation für Niedersachsen"
Potenzial der Präszisionsfermentation für Niedersachsen (externer Link auf PDF-Datei, 10,2 MB, 35 Seiten, eventuell nicht barrierefrei)

Um Forschung und Entwicklung im Bereich alternativer Proteinquellen für die menschliche Ernährung voranzutreiben, fördert das Bundesministerium für Landwirtschaft, Ernährung und Heimat (BMLEH) unter anderem auch Projekte im Bereich der Präzisionsfermentation. Eins davon ist das Projekt REALKAE. Es steht für REifung ALternativer KAEse und hat das Ziel, einen tierfreien, gereiften Käse zu entwickeln, der traditionell hergestelltem Käse in nichts nachsteht. Dazu werden die mit Präzisionsfermentation erzeugten Milchbausteine (Proteine wie Casein oder Molkenprotein) mit pflanzlichen Ölen kombiniert und durch traditionelle Reifungsverfahren veredelt.

Nach Projektende streben die Beteiligten die Einleitung des Zulassungsverfahrens für die EU an. Außerdem soll die biotechnologische Herstellung der alternativen Milchproteine als Zutat für tierfreien Käse auf deutlich größere Mengen ausgeweitet werden, um das Produkt wirtschaftlich herstellen zu können. Auch der Aufbau von Vertriebskanälen und Produktionsstrukturen ist geplant. Mehr Informationen finden Sie auf der Website des PIONEER-Netzwerks für alternative Proteinquellen in der Humanernährung, das vom BMLEH und der Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) in Auftrag gegeben wurde.

Auch wenn Lebensmittelzutaten, die mithilfe gentechnisch veränderter Mikroorganismen hergestellt wurden, in der EU zugelassen sind und als sicher gelten, werden sie sowohl wissenschaftlich als auch gesellschaftlich kontrovers diskutiert. 

Befürworterinnen und Befürworter betonen vor allem die Chancen: Präzisionsfermentation ermöglicht eine sehr gezielte und effiziente Herstellung von Inhaltsstoffen. So können zum Beispiel tierische beziehungsweise tieridentische Proteine mit geringerem Ressourcenverbrauch und ohne Tierhaltung erzeugt werden. Aus der Sicht vieler Wissenschaftler und der Wirtschaft wird zudem argumentiert, dass die Verfahren gut kontrollierbar sind und die Endprodukte nach den üblichen Aufreinigungs- und Verarbeitungsschritten klar charakterisiert werden können.

Kritische Forscher und viele Akteure aus dem Nachhaltigkeitssektor verweisen dagegen auf offene Fragen und grundsätzliche Vorbehalte. Dazu zählen mögliche langfristige Auswirkungen auf Gesundheit und Umwelt, Unsicherheiten in komplexen biologischen Systemen sowie ethische Bedenken gegenüber gentechnischen Eingriffen in die Lebensmittelproduktion. Auch Transparenz und Kennzeichnung werden diskutiert, insbesondere in Fällen, in denen im Endprodukt keine gentechnisch veränderten Organismen mehr nachweisbar sind.