Die Präzisionsfermentation verspricht Entwicklungen der nächsten Generation – mit Fetten und Proteinen, die pflanzlichen Lebensmitteln den Geschmack und die Konsistenz von Fleisch und Milchprodukten verleihen können.

Auch wenn Präzisionsfermentation noch nicht sonderlich lange zur Entwicklung alternativer Proteine verwendet wird, finden sich schon seit Jahrzehnten alltägliche Lebensmittel und Zutaten in unseren Kühl- und Küchenschränken, die auf dieser Technologie beruhen. 

Es ist sogar sehr wahrscheinlich, dass Sie ein solches Lebensmittel innerhalb der letzten Tage gegessen haben.

Eine kurze Geschichte der Fermentation

Seit Jahrtausenden nutzen Menschen die Kraft von Mikroben. Die Fermentation, ein Grundpfeiler der weltweiten Ernährung, nutzt die Fähigkeit von Mikroorganismen, Glukose und andere Zucker in andere Moleküle umzuwandeln, wodurch Lebensmittel schmackhafter, nahrhafter, funktioneller und länger haltbar werden.

Aus diesem Grund können wir viele köstliche Speisen und Getränke genießen, von schaumigem Bier bis hin zu würzigem Joghurt, aber auch Wein, Käse, Sauerkraut und Kimchi.

Der französische Mikrobiologe Louis Pasteur erweiterte unser Verständnis dessen, was unter dem Mikroskop vor sich ging, als er im 19. Jahrhundert die biologischen Prozesse bei der Wein- und Bierherstellung aufdeckte. Dadurch wurden diese Branchen wesentlich effizienter, und gleichzeitig wurde auch der Weg für medizinische Fortschritte geebnet.

Die Präzisionsfermentation baut auf unserem langjährigen Wissen über die Verwendung von Mikroorganismen wie Hefen oder Pilzen auf, indem sie deren natürliche Fähigkeit zur Produktion nützlicher Inhaltsstoffe und Lebensmittelzutaten nutzt. In einigen Fällen vermitteln Forschende den Mikroorganismen durch DNA die Anweisungen, die es ihnen ermöglichen, die jeweiligen Zutaten wie zum Beispiel Proteine zu produzieren.

Danach kann der Mikroorganismus die gewünschte Lebensmittelzutat produzieren. Dieser Prozess ähnelt dann der Umwandlung von Zucker in Alkohol durch Hefe bei der Bierherstellung. Am Ende dieses Prozesses kann dann eine Zutat stehen, die pflanzlichen Produkten den Geschmack und die Konsistenz von Fleisch, die bindenden Eigenschaften von Eiern oder die Konsistenz von Käse verleiht.

1910er Jahre: Ein effizienteres Verfahren zur Herstellung von Zitronensäure

Obwohl der Begriff „Präzisionsfermentation“ erst vor kurzem geprägt wurde, reicht die Nutzung dieser Technologie bis ins frühe 20. Jahrhundert zurück, als Forschende begannen, ihr Potenzial als zuverlässigere und effizientere Alternative zu tierischen und pflanzlichen Produkten zu erkennen.

Eines der ältesten Beispiele ist Zitronensäure, die häufig als Konservierungs- und Aromastoff sowie zur Verbesserung der Konsistenz von Produkten wie Marmeladen und Backwaren verwendet wird.

Zitronensäure wird seit 1919 durch Fermentation hergestellt, wobei ein natürlich vorkommender Pilz verwendet wird, der sich von Mais- und Melassezucker ernährt. Früher musste sie aus Zitronensaft gewonnen werden, wobei dieses Verfahren große Mengen an Früchten erforderte, um relativ geringe Mengen Zitronensäure zu erzielen.

1970er Jahre: Steigerung der Insulinproduktion für Menschen mit Diabetes

Eine seiner frühesten Anwendungen der Präzisionsfermentation fand sich nicht in der Lebensmittelbranche, sondern in der Entwicklung neuer Formen von Insulin – einem Medikament, das für Menschen mit einer Diabeteserkrankung lebenswichtig ist. Zunächst hatten Forschende Insulin aus der Bauchspeicheldrüse eines Hundes und anschließend aus der Bauchspeicheldrüse von Rindern und Schweinen gewonnen.

Das tierische Insulin unterschied sich jedoch in seiner Aminosäurestruktur von dem vom menschlichen Körper produzierten Insulin. Dies machte die Behandlung unzuverlässig, in einigen Fällen kam es zu allergischen Reaktionen oder Entzündungen. Die Beschaffung großer Mengen an Bauchspeicheldrüsen von geschlachteten Tieren war zudem kostspielig, und das Angebot konnte mit der steigenden Zahl von Erkrankten nicht Schritt halten.

Fortschritte in der Forschung an Präzisionsfermentation in den 1970er Jahren ermöglichten es, mithilfe des Bakteriums E. coli menschliches Insulin herzustellen, das anschließend wesentlich effizienter produziert werden konnte. Auch nach der ersten kommerziellen Verfügbarkeit im Jahr 1982 wurde weiter an diesem Verfahren geforscht, wodurch es uns mittlerweile möglich ist, verschiedene Varianten von Insulin herzustellen, die auf die Bedürfnisse einzelner Betroffene zugeschnitten sind.

1990er Jahre: Lieferung einer erschwinglichen Zutat für die Käseherstellung

Das wissenschaftliche Verständnis von Mikroorganismen wurde auch zur Lösung eines anderen Problems des 20. Jahrhunderts genutzt, das diesmal die Lebensmittelindustrie betraf.

Die Käseherstellung basiert auf sogenanntem Lab, das Milch in einen cremigen Käsebruch verwandelt, der dann von der flüssigen Molke getrennt werden kann. Obwohl Lab in vielen Formen vorkommt, wurde traditionell ein Enzym namens Chymosin verwendet, das natürlicherweise im Magen von jungen Kühen, Ziegen oder Schafen vorkommt.

In den 1970er Jahren begann die Nachfrage nach Käse das Angebot an tierischem Lab zu übersteigen, wodurch dessen Preis für kleinere Käsehersteller unerschwinglich wurde.

Eine Lösung fand sich, als Forschende das Chymosin-Gen aus dem Magen eines Kalbs isolierten. Das Gen, also die DNA, enthält die „Baupläne“ für das Lab. Diese DNA brachten sie in ein Bakterium ein, bevor sie diesen DNA-tragenden Mikroorganismus während der Fermentation wachsen ließen und so große Mengen des nützlichen Enzyms produzierten.

Die Los Angeles Times berichtete über die Zulassung des Enzyms durch die US-amerikanische Lebensmittelüberwachungs- und Arzneimittelbehörde (FDA) im Jahr 1990 und schrieb: „Vertreter der Milchindustrie, die jährlich etwa 100 Millionen Dollar für Lab ausgibt, begrüßten das neue Produkt als Alternative zur natürlichen Form des Enzyms. Die Reinheit von [tierischem] Lab ist ungewiss, und sein Preis ist in den letzten Jahren stark gestiegen.“

Obwohl einige Herstellerfirmen nach wie vor tierische oder pflanzliche Quellen verwenden, wird präzisionsfermentiertes Lab mittlerweile in rund 80 % des weltweit konsumierten Käses verwendet.

Vitamine und andere Lebensmittelzutaten

Das Beispiel des Labs zeigt, wie Lebensmittelhersteller Fermentationstechniken entwickelt haben, um eine wesentlich stabilere und effizientere Methode zur Bereitstellung wichtiger Lebensmittelzutaten zu schaffen.

Neben Lab und Zitronensäure wird die Präzisionsfermentation auch häufig zur Herstellung von Vitaminen wie B2 (auch bekannt als Riboflavin) und B12 eingesetzt, die wichtig für die menschliche Gesundheit sind. Diese werden oft als Nahrungsergänzungsmittel angeboten. Auch Vitamin C wird seit Jahrzehnten durch Fermentation hergestellt.

Auf die gleiche Weise werden wichtige Enzyme für die Lebensmittelproduktion hergestellt, darunter Enzyme, die die Reifung von Käse unterstützen, bis hin zu solchen, die die Verdaulichkeit von Getreide verbessern und das Schimmeln von Brot verhindern können.

Präzisionsfermentation ist für die Lebensmittelindustrie und andere Branchen deshalb äußerst nützlich, weil sie ermöglicht, Materialien in großem Maßstab mit verbesserter Reinheit und Einheitlichkeit herzustellen. Darunter fallen teils auch komplexe Lebensmittelzutaten mit nützlichen funktionellen Eigenschaften, die durch chemische Reaktionen im Labor nur schwer zu erzielen wären.

Biobasierte Ansätze wie die Präzisionsfermentation entwickeln sich ebenfalls zu nachhaltigeren Verfahren zur Herstellung neuer Materialien, da bisherige chemische Ansätze auf Erdöl und Erdgas als primäre Bausteine angewiesen waren.

Präzisionsfermentation zur Herstellung tierfreier Produkte

Die Vorteile für die Herstellung alternativer Proteine liegen noch deutlicher auf der Hand.

Relativ geringe Mengen an durch Präzisionsfermentation hergestellten Zutaten können die Textur und den Geschmack der Endprodukte erheblich verbessern, indem sie pflanzlichen Produkten den Geschmack und das Mundgefühl von Fleisch, die bindenden Eigenschaften von Eiern oder die Schmelzeigenschaften von Käse verleihen.

Darüber hinaus kann Präzisionsfermentation auch zur Entwicklung erschwinglicher Wachstumsfaktoren verwendet werden – eine entscheidende Komponente bei der Herstellung von kultiviertem Fleisch und kultivierten Zutaten. Solche Entwicklungen stellen einen wichtigen Schritt in Richtung einer Skalierung und damit auch der Kommerzialisierung von kultiviertem Fleisch dar.

Warum brauchen wir Präzisionsfermentation?

Die jüngsten globalen Schocks und extremen Wetterereignisse haben deutlich gemacht, dass wir die Widerstandsfähigkeit unserer Lieferketten verbessern müssen.

So wie die Käsehersteller in den 1990er Jahren die Erschwinglichkeit von fermentiertem Lab begrüßten, könnte die Präzisionsfermentation einem zunehmend fragilen globalen Ernährungssystem, das von der industriellen Tierhaltung abhängig ist, die dringend benötigte Widerstandsfähigkeit verleihen.

Beispielsweise wurden als Reaktion auf die Vogelgrippe im vergangenen Jahr in Großbritannien 1,8 Millionen Zuchtvögel und in Deutschland weitere 400.000 Tiere geschlachtet – ein Problem, das zu Engpässen und Preissteigerungen bei Eiern führte. Die Herstellung von Eiproteinen mittels Präzisionsfermentation könnte dazu beitragen, eine zuverlässige Versorgung sicherzustellen und Preisspitzen während solcher Krankheitsausbrüche zu verhindern.

Und da sich die weltweite Nachfrage nach Proteinen bis 2050 voraussichtlich verdoppeln wird, besteht ein dringender Bedarf an Zutaten aus Präzisionsfermentation, um beliebte Lebensmittel mit einem Bruchteil der bisher für sie notwendigen Emissionen zu liefern.

Vorteile für Klima, Ernährung und Biodiversität

Eine Umweltverträglichkeitsstudie des präzisionsfermentierten Milchproteins des französischen Unternehmens Verley dass es 72 % weniger Emissionen verursacht und 81 % weniger Wasser und 99 % weniger Land verbraucht als Kuhmilch.

Durch Präzisionsfermentation hergestellte Zutaten benötigen, im Zusammenhang mit einer allgemeinen Diversifizierung unserer Proteinversorgung durch pflanzenbasierte und kultiviertes Fleisch und Zutaten, weit weniger Land als solche aus der Tierhaltung. Untersuchungen deuten darauf hin, dass durch alternative Proteine bis zu 21 % der europäischen landwirtschaftlichen Nutzfläche eingespart werden könnten, die dann zur Steigerung der heimischen Lebensmittelproduktion genutzt werden könnten.

Neben diesen Vorteilen für die Nachhaltigkeit gibt es auch ernährungsphysiologische Vorteile.

Einige Forscher nutzen Präzisionsfermentation beispielsweise, um neue Quellen für Omega-3-Fettsäuren zu entwickeln. Omega-3-Fettsäuren werden von den meisten Menschen vorrangig über den Verzehr von Fischen eingenommen. Die Forschung an Alternativen ist eine dringend notwendige Arbeit, da viele Menschen bereits jetzt nicht genug von diesem Mikronährstoff zu sich nehmen, und die weltweiten Fischbestände bereits unzureichend sind, um den globalen Bedarf zu decken. Die durch diese neue Art hergestellten Omega-3-Fettsäuren könnten direkt als Nahrungsergänzungsmittel oder zur Nährwertsteigerung pflanzenbasierter Fischprodukte verwendet werden.

Einige Start-ups und Forschende nutzen Präzisionsfermentation außerdem, um nachhaltige Alternativen zu Palmöl zu entwickeln. Palmöl ist in der Lebensmittelindustrie weit verbreitet, wird aber gleichzeitig mit Entwaldung, einer Bedrohung der Artenvielfalt und dem Verlust von Arten in Verbindung gebracht.

In Großbritannien hat Professor Chris Chuck die Clean Food Group mitbegründet, um präzisionsfermentiertes Palmöl herzustellen. Das Unternehmen ist eine Partnerschaft mit einer Bäckerei eingegangen, um überschüssige Brotprodukte als Rohstoff für den Fermentationsprozess bereitzustellen – und unterstreicht damit die Vorteile dieser Technik bei der Bekämpfung von Lebensmittelverschwendung und ihrem Beitrag zu einer Kreislaufwirtschaft.

An anderer Stelle wird die Präzisionsfermentation zur Herstellung von Schokolade, Kaffee und anderen Materialien wie Baumwolle genutzt.

Wie könnte die Zukunft der Präzisionsfermentation aussehen?

Die Skalierung der Produktion, um tierfreie Proteine erschwinglich zu machen, bleibt eine große Herausforderung, vor allem weil es in Europa an ausreichend großen Anlagen mangelt, um die Produktion hochzufahren. Wir brauchen dringend Investitionen von Regierungen und der Lebensmittelindustrie, um die notwendigen Kapazitäten zu schaffen, damit diese Optionen für alle zugänglich werden.

Mit der Skalierung der Präzisionsfermentationssysteme müssen wir auch mehr daran arbeiten, dass diese Prozesse in dem für die kommerzielle Entwicklung erforderlichen Umfang ausreichend gut funktionieren.

Die Optimierung der Ausgangsstoffe, die den Präzisionsfermentationsprozess antreiben – also zum Beispiel der Zucker, den die Hefe in die gewünschten Proteine umwandelt – ist ein weiterer wichtiger Bereich, in dem wir mehr Forschung und Entwicklung benötigen. Beispielsweise besteht ein mögliches Potential darin, Fermentationsprozesse auf der Verwendung von landwirtschaftlichen Nebenprodukten aufzubauen, die derzeit als Abfall enden.

Alternative Proteine, die mit Zutaten aus Präzisionsfermentation hergestellt werden, haben die europäischen Verbraucher:innen noch nicht erreicht. Um diese Lebensmittel auf den Markt zu bringen, müssen Unternehmen die behördliche Zulassung einholen.

Eine strenge Regulierung ist unerlässlich, um das Vertrauen der Menschen in neue Lebensmittel zu sichern. Aber die Regulierungsbehörden können durch Transparenz dazu beitragen, unnötige Verzögerungen zu vermeiden – indem sie den Dialog mit den Unternehmen suchen und Leitfäden erstellen, die für den Sektor spezielle Zulassungsanforderungen offen darlegen.

Die Präzisionsfermentation gibt es bereits seit Jahrzehnten und bietet eine praktische Möglichkeit, erschwingliche Lebensmittel auf unseren Tisch zu bringen. Mit den richtigen Investitionen und der richtigen Unterstützung kann sie dazu beitragen, Antworten auf die Herausforderungen zu finden, denen wir in den kommenden Jahren gegenüberstehen werden.

Author

Stella Child Senior Research Funding Advisor

Stella unterstützt die Forschungsgemeinschaft in Europa bei der Sicherung von Mitteln für die Open-Access-Forschung.