Mikroorganismen sind die am häufigsten vorkommende Lebensform und in fast jedem Ökosystem des Planeten zu finden, von den Tiefen des Meeres bis hin zu unserem eigenen Verdauungssystem. Der Mensch nutzt diese winzigen Organismen schon seit langem zur Herstellung von Lebensmitteln. So wird beispielsweise Hefe seit Jahrtausenden zur Brotherstellung und zur Gärung von Bier verwendet.

Heute spielen Mikroorganismen eine Schlüsselrolle bei der Bewältigung einer der drängendsten Herausforderungen unserer Zeit: Den weltweit steigenden Bedarf an hochwertigen Proteinen zu decken, ohne dabei die ökologischen Kosten der intensiven Tierhaltung in Kauf zu nehmen. Die Biomassefermentation ist hier ein vielversprechender neuer Lösungsansatz.

Was ist Biomassefermentation?

Die Biomassefermentation ist ein Prozess, bei dem Mikroorganismen wie Pilze (z. B. Hefen), Algen (z. B. Spirulina) oder Bakterien schnell wachsen oder sich vermehren und dabei große Mengen an hochwertigen Proteinen produzieren.

Diese Mikroorganismen werden in große Fermenter gegeben und mit Zucker (oft aus Nutzpflanzen wie Weizen, Mais oder Zuckerrüben), Wasser, Sauerstoff und Nährstoffen versorgt. Der Zucker und die Nährstoffe können unter anderem aus landwirtschaftlichen Nebenströmen gewonnen werden. Beispielsweise füttert das deutsche Startup MicroHarvest Mikroorganismen mit Resten aus der Erbsenverarbeitung und Zuckerproduktion. 

Unter solch kontrollierten Bedingungen wachsen diese Mikroorganismen sehr schnell. Die dabei entstehende Biomasse ist reich an Eiweiß, Ballaststoffen und anderen Nährstoffen. Die Mischung wird anschließend abgesiebt, um die Flüssigkeit zu entfernen, sodass eine Zutat zurückbleibt, die zur Herstellung verschiedener Lebensmittel – von Würsten bis hin zu Joghurt – verwendet werden kann. Wurde ein Pilz als Ausgangsstoff verwendet, wird diese Zutat allgemein als Mykoprotein bezeichnet.

Je nachdem, welcher Mikroorganismus für den Fermentationsprozess ausgewählt wird, kann das Biomasseprotein als Hauptzutat oder als sekundäre Zutat für die Verbesserung der Eigenschaften eines anderen Produkts verwendet werden. 

Dieser Prozess ist der am weitesten verbreitete, doch europaweit gibt es verschiedene innovative Ansätze mit unterschiedlichen Ausgangsmaterialien. Beispielsweise produziert das finnische Unternehmen Solar Foods Biomasse mithilfe eines ähnlichen Verfahrens, wobei der von ihnen gewählte Mikroorganismus in der Lage ist, Kohlendioxid aus der Luft als Hauptnährstoff und Wasserstoffgas als Energiequelle zu nutzen, um sich zu einer proteinreichen Biomasse zu vermehren. 

Die Geschichte der Biomassefermentation in Europa 

Die Produktion von Tempeh, einem traditionellen Lebensmittel aus Indonesien, nutzt ähnliche Techniken wie die Biomassefermentation, um nährstoffreiche Pilze auf Basis von Sojabohnen zu züchten. Diese Art der Herstellung reicht über 400 Jahre zurück, doch in Europa begann sich dieser Ansatz erst im 20. Jahrhundert durchzusetzen.

Mitte des 19. Jahrhunderts entdeckte der berühmte deutsche Wissenschaftler Justus von Liebig ein Verfahren zur Herstellung von Hefeextrakt aus gebrauchter Bierhefe. Im Jahr 1902 schloss sich die Marmite Food Extract Company mit einer lokalen britischen Brauerei zusammen, um daraus einen nährstoffreichen, proteinreichen Brotaufstrich zu entwickeln. Der Aufstrich erfuhr wachsende Beliebtheit in Großbritannien und wurde während des Ersten Weltkriegs sogar als Nahrungsergänzungsmittel verwendet. Dies war die erste weit verbreitete Anwendung der Biomassefermentation für Lebensmittel in Europa.

Nach dem Zweiten Weltkrieg gab der Mehlfabrikant Arthur J. Rank Forschungsarbeiten in Auftrag, um eine schmackhafte, nährstoffreiche Proteinquelle zu entwickeln, mit der die schnell wachsende Weltbevölkerung ernährt werden konnte. Nach Analyse von über 3.000 Pilzstämmen aus aller Welt wurde der Fadenpilz Fusarium venenatum, der im Garten eines der Forscher gesammelt worden war, als vielversprechendster Kandidat identifiziert.

Marlow Foods entwickelte diese Entdeckung anschließend zu Mykoprotein weiter, das 1985 in Großbritannien für den menschlichen Verzehr zugelassen wurde und bis heute unter dem Markennamen Quorn verkauft wird.

In den letzten Jahren ist das Interesse an der Biomassefermentation erheblich gewachsen, da die Auswirkungen des Klimawandels und die Volatilität globaler Lieferketten die Bedeutung von Proteinvielfalt deutlich gemacht haben. In ganz Europa forschen zahlreiche Wissenschaftlerinnen, Wissenschaftler und Startups an dem Potenzial von Mikroorganismen zur Herstellung nachhaltiger, nährstoffreicher und schmackhafter Proteinzutaten. Neue Forschungsarbeiten zur Biomassefermentation untersuchen weitere Stämme und Fermentationsansätze, aber greifen auch auf ältere Techniken zurück. Dazu zählt beispielsweise die lokale Anpassung der Tempeh-ähnlichen Fermentation, wie das Züchten von Pilzmyzel auf Hafer.

Auch in Deutschland gibt es zahlreiche Startups, die mit unterschiedlichen Ansätzen daran arbeiten, eine neue Generation proteinreicher Fleischalternativen zu entwickeln, darunter Infinite Roots und MicroHarvest aus Hamburg, Nosh.bio und KultFarm aus Berlin, ProteinDistillery aus Ostfildern sowie Kynda aus Jelmstorf. 

Was ist der Unterschied zwischen Biomassefermentation und Präzisionsfermentation?

Sowohl bei der Biomassefermentation als auch bei der Präzisionsfermentation kommen Mikroorganismen und Fermenter zum Einsatz, doch zu unterschiedlichen Zwecken.

Bei der Biomassefermentation ist der Mikroorganismus selbst der Ausgangsstoff für die resultierenden Zutaten.

Bei der Präzisionsfermentation wird der Mikroorganismus als winzige Fabrik zur Herstellung einer bestimmten Zutat genutzt. Er erhält die Anweisung, eine bestimmte Verbindung zu produzieren, beispielsweise ein Protein, ein Enzym oder ein Fett. Das Endprodukt ist nicht der Mikroorganismus selbst, sondern die spezifische Zutat, zu deren Herstellung der Organismus angewiesen wurde.

Die Präzisionsfermentation wird in Europa bereits seit Jahrzehnten zur Herstellung von Lab eingesetzt, einem Enzym, das zur Käseherstellung verwendet wird. Seit einigen Jahren werden jedoch neue Anwendungsmöglichkeiten erforscht, mit dem Ziel, resilientere Quellen für Inhaltsstoffe wie Molkenprotein, Schokolade und Palmöl zu erschließen.

Was sind die ökologischen Vorteile der Biomassefermentation?

Im Vergleich zur konventionellen Tierhaltung hat die Biomassefermentation aus verschiedenen Gründen einen deutlich geringeren ökologischen Fußabdruck:

Landnutzung: Die konventionelle Tierhaltung benötigt riesige Flächen – hauptsächlich als Weideland und zum Tierfutteranbau –, was zur Entwaldung führt. Im Gegensatz dazu benötigen in Fermentern gezüchtete Mikroorganismen nur sehr wenig Platz. Laut einem Bericht des Carbon Trust erfordert die Produktion von 1 kg Rinderhackfleisch 13- bis 16-mal mehr Land als 1 kg Mykoprotein-Hackfleisch.

Eine Studie des Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) prognostiziert außerdem, dass eine weltweite Substitution von 20 % des Pro-Kopf-Konsums von Rindfleisch durch Mykoprotein bis 2050 die jährliche Entwaldung und die damit verbundenen CO₂-Emissionen um etwa die Hälfte reduzieren könnte. Durch geringere Flächennutzung kann Fermentation also dazu beitragen, den wachsenden Proteinbedarf zu decken und gleichzeitig Raum für eine nachhaltige und regenerative Landwirtschaft zu schaffen.

Treibhausgasemissionen: Die Tierhaltung ist eine der Hauptquellen für Methan und andere Treibhausgase. Der Bericht des Carbon Trust ergab, dass bei der Herstellung von 1 kg Rinderhackfleisch 20- bis 27-mal mehr Treibhausgase entstehen als bei 1 kg Mykoprotein-Hackfleisch, und bei der Herstellung von 1 kg Schweinswürste 7- bis 8-mal mehr als bei 1 kg Mykoprotein-Würsten. Der Energieverbrauch für den Betrieb der Fermenter ist der Hauptfaktor für den CO₂-Fußabdruck der Fermentation. Daher würde die Nutzung erneuerbarer Energien den Prozess in der Zukunft noch nachhaltiger machen.

Wasser: Fermentation erfordert oft weniger Wasser als Tierhaltung für die Ernährung. So benötigt die Herstellung von 1 kg Rinderhackfleisch 2,5- bis 17,8-mal mehr Wasser als die Herstellung von 1 kg Mykoprotein-Hackfleisch, und 1 kg Schweinswürste erfordert 1,8- bis 2,5-mal mehr Wasser als ein entsprechendes Mykoprotein-Produkt.

Kreislaufwirtschaft: Die Biomassefermentation kann unterschiedliche Restströme aus der Landwirtschaft nutzen, wie zum Beispiel Okara, ein Nebenprodukt der Tofuproduktion. Dies schafft neue Einnahmequellen für landwirtschaftliche Betriebe. Dadurch kann Biomassefermentation einen Beitrag zur Kreislaufwirtschaft und zur Nachhaltigkeit des gesamten Ernährungssystems leisten.

Auch andere traditionelle Bereiche der Ernährungswirtschaft können von den Möglichkeiten der Biomassefermentation profitieren. Zum Beispiel eignen sich Brauereien für die Biomassefermentation. In Deutschland gibt es mehrere Unternehmen, die diese Synergien im Rahmen von Partnerschaften mit Brauereien nutzen – zum Beispiel Infinite Roots, Eat Beer und Nosh.bio.

Wie wird die Biomassefermentation in Europa reguliert?

Wenn bei der Herstellung von Lebensmitteln auf Basis von Biomassefermentation Mikroorganismen verwendet werden, die in der EU seit vielen Jahren verzehrt werden (wie Hefe, Spirulina, Koji oder Mykoprotein aus Fusarium venenatum) können diese meist ohne neue Zulassung auf den Markt gebracht werden. Wird jedoch eine neuer Mikroorganismus oder ein neues Herstellungsverfahren verwendet, ist in der Regel eine neue Zulassung durch die sogenannte Novel-Food-Verodnung für das Inverkehrbringen in der EU erforderlich.

Sobald die EU-Aufsichtsbehörden ein Produkt oder eine Zutat aus der Biomassefermentation zugelassen haben, darf es in allen 27 Mitgliedstaaten verkauft werden. Das Zulassungsverfahren umfasst eine gründliche und evidenzbasierte Bewertung der Sicherheit und des Nährwerts und dauert schätzungsweise mindestens 18 Monate, kann in der Praxis jedoch mehrere Jahre in Anspruch nehmen. In Europa ist das etablierteste Produkt in diesem Bereich das Mykoprotein von Quorn, das seit Jahrzehnten weit verbreitet ist und bereits vor Inkrafttreten des aktuellen Rechtsrahmens auf den Markt kam. In jüngerer Zeit wurde „Fermotein“ von The Protein Brewery als erstes neuartiges Mykoprotein in der EU zugelassen, nachdem es bereits in den Vereinigten Staaten und Singapur die behördlichen Genehmigungen erhalten hatte. Aus Deutschland haben zurzeit zwei Unternehmen, MicroHarvest und Koralo Foods, Anträge für Zutaten aus der Biomassefermentation im Zulassungsverfahren. 

Wie kann die europäische Politik zum Durchbruch von Produkten auf Basis von Biomassefermentation beitragen?

Biomassefermentation hat in Europa eine lange Tradition; führende Forscher und Startups sind hier auf diesem Gebiet ansässig. Auch die öffentlichen Fördermittel nehmen sowohl auf nationaler als auch auf EU-Ebene allmählich zu. Damit mikrobielle Inhaltsstoffe skaliert werden können, braucht es allerdings noch deutlich mehr Investitionen in Forschung, Innovation und Infrastruktur. Gleichzeitig muss das EU-Zulassungsverfahren für neuartige Lebensmittel unter Beibehaltung der hohen Sicherheitsstandards optimiert werden, um eine effizientere Prüfung zu gewährleisten. Dies kann beispielsweise durch klare Fristen für die einzelnen Prozessschritte und Konsultationsmöglichkeiten für die Antragsteller vor der Einreichung ihrer Dossiers erreicht werden.