Neues Interesse an alter Zukunftstechnologie

Das Knallgasbakterium Cupriavidus necator kommt in Böden vor und kann an der Schnittstelle von anaeroben und aeroben Umgebungen gedeihen. Bild: Pontificia Universidad Católica de Chile / CC-BY-SA-2.0

Einzellerproteine: Zurück in die Zukunft - Teil 2

Teil 1: Zur Geschichte einer ehemaligen Zukunftstechnologie, die noch nicht abgehakt ist

Der zwischenzeitliche Niedergang der Einzellerprotein-Begeisterung: Ölpreisschock, Neophobie

In den späten 1970er Jahren bekam das anfängliche Interesse an den Einzellerproteinen herbe Dämpfer versetzt. Zunächst war der Ölpreis 1974 in ungeahnte Höhen geschnellt, so dass die Kosten pro Barrel nun fast fünfmal so hoch waren wie noch zwei Jahre zuvor - die Substratpreise der erdölbasierten Einzellerproteine ließen die Verfahren für die Futtermittelherstellung hoffnungslos unwirtschaftlich werden.

Zudem hatte sich der erwartete Schwerpunkt in der Nachfrage nach Einzellerproteinen vom Menschen auf Nutztiere verlagert: Zunächst mit dem hehren Vorsatz angetreten, Nahrungsmittel für die Dritte Welt zu produzieren, wurden die neuen Produkte nun stattdessen als Tierfutter für die entwickelten Industriestaaten eingeführt. Mit der Entwicklung des Ölpreises nahm dieses Kapitel jedoch sein jähes Ende - keines der Produkte konnte es mit Soja aufnehmen, deren Preis über die Jahre weitgehend stabil blieb.

In den 1990er Jahren hatten sich die Ängste um eine klaffende globale Eiweißlücke verflüchtigt. Das lag zum einen am Hochfahren der weltweiten Sojaproduktion, die allein zwischen 1969 und 1976 um 80 % zugelegt hatte. Zum anderen war das auch eine Folge der Grünen Revolution. In den 1960er Jahren hatten umwälzende Neuerungen in der Landwirtschaft Einzug gehalten, die vor allem mit dem Namen Norman Borlaug verbunden sind. Der Agrarwissenschaftler hatte zunächst vor allem an der Entwicklung von Weizenhochleistungssorten in Mexiko gearbeitet, die später zur Grundlage der Züchtung ähnlicher Sorten in anderen Teilen der Welt werden sollten. Besonders erfolgreich wurden die Weizensorten in Indien und Pakistan angebaut.

Ein weiteres Problem war die unerwartete Abneigung seitens der Verbraucher. Trotz ihres Interesses an Innovation und an mikrobiologisch produzierten Lebensmitteln verbannten beispielsweise die Japaner die neuen Einzellerproteine als erste aus ihrer Diät. Studien an Hefen, die auf Erdölfraktionen wuchsen, hatten Gehalte an krebserregenden polyzyklischen Aromaten und giftigen Schwermetallen offenbart, die nicht zu ignorieren waren. Die Konsumenten waren dadurch letztlich außer Stande, die Vorstellung von den neuen "naturbasierten" Nahrungsmitteln mit ihren Assoziationen zur Chemieindustrie in Übereinklang zu bringen.

Seit Bekanntwerden der Umstände des Chemiedesastershatte sich im Lande eine Verunsicherung ausgebreitet, die zu erhöhter Skepsis in der Bevölkerung gegenüber der Industrie und letztendlich zur Ablehnung der neuen Produkte führte. Branchennahe Beobachter wiederum witterten hinter der Abscheu vor den neuen Einzellerproteinen seinerzeit eine konzertierte Aktion der Soja-Lobby.

Ernährungspsychologen haben unterdessen einen weiteren Faktor ausgemacht, der zur Ablehnung führen kann: Neophobie, die Furcht vor dem Neuen, die besonders im Zusammenhang mit neuartigen Nahrungsmitteln verbreitet ist.

Aktuelles zum wachsenden globalen Eiweißbedarf

Die vergangenen 60 Jahre waren geprägt von einer stetig wachsenden Nahrungsmittelproduktion, die trotz einer Verdopplung der Weltbevölkerung zu einem Rückgang des Welthungers führte. Der dringt im heutigen Diskurs kaum noch durch - obwohl auch heute noch 11% aller Erdenbürger keinen ausreichenden Zugang zu Nahrung hat, Tendenz wieder zunehmend. Bei der Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten Nationen versteht man die gegenwärtige Situation vor allem als Verteilungsproblem, denn global gesehen wird ausreichend Nahrung produziert.

In den Industriestaaten gibt es ungeachtet dessen andere Beweggründe für ein Fortbestehen des Interesses an alternativen Proteinquellen - hier hat sich das Hauptaugenmerk hin zu einer gesunden und personalisierten Ernährung verschoben, oder mit anderen Worten: Während in einigen Regionen der Welt gehungert wird, sind in der westlichen Welt Proteinformulierungen erwünscht, die sich auch im Smoothie gut machen und beim Abnehmen oder bei der Muskeloptimierung helfen.

Angesichts der Tatsache, dass die Weltbevölkerung bis 2050 vermutlich auf 9-10 Milliarden Menschen anwachsen wird - wenn auch mit abnehmender jährlicher Wachstumsrate - gibt es erneut Anzeichen dafür, dass die Landwirtschaft die Nachfrage nicht befriedigen kann und dass sich die ernsthafte Gefahr einer Nahrungsmittelknappheit anbahnt.

Um im Jahr 2050 weitere zwei Milliarden Menschen zu versorgen, muss die weltweite Agrarproduktion, verglichen mit 2012, um 50 Prozent wachsen. Heute wird geschätzt, dass der weltweite Fleischbedarf 2050 die 400-Millonen-Tonnen- und die Nachfrage nach Milchprodukten die 800-Millionen-Tonnen-Marke übersteigen wird.

Doch da die Umwandlung von pflanzlichem in tierisches Eiweiß nicht besonders effizient ist - aus 6 Kilogramm Pflanzenprotein wird nur 1 Kilogramm tierisches Eiweiß gebildet - deutet dieser Trend auf zu erwartende Engpässe hin, die in der nicht beliebig erweiterbaren Anbaufläche für landwirtschaftliche Erzeugnisse, in Wasserknappheit und in möglichen Beschränkungen in der Verfügbarkeit von Tierfuttermitteln begründet sind. 2016 wurden nach Schätzungen der International Feed Industry Federation weltweit eine Milliarde Tonnen Tierfutter hergestellt, von denen fast die Hälfte in die Geflügelmast gingen. Zur Gesamtmenge tragen über 220 Millionen Tonnen Proteine bei, die zu 75% aus Sojamehl stammen.

Nach FAO-Schätzungen wird der Tierfuttermittel-Bedarf bis 2050 um 60% ansteigen. Zwischen 2010 und 2050 wird eine Wachstumsrate bei tierischen Proteinen von 1,7% angenommen, die aus einer Produktionssteigerung um 70% bei Fleisch, um 90% bei Aquakultur und um 55% bei Milchprodukten resultieren soll.

Für die Erhöhung des globalen Fleischbedarfs werden vor allem die Entwicklungsländer verantwortlich gemacht, die aufgrund gestiegener Einkommen und eines wachsenden Lebensstandards eine Abkehr von ihrer traditionellen Ernährung vorantreiben - ihr Speiseplan nähert sich nun dem von entwickelten Industriestaaten an. Allein in Asien stieg der Pro-Kopf-Verbrauch von tierischen Eiweißen zwischen 1961 und 2007 um 225% - sie machen heute 40% der Gesamtaufnahme von Proteinen aus, verglichen mit noch 15% im Jahre 1961.

Hinzu kommen Bedenken, dass durch Klimawandel oder Pflanzenkrankheiten wie die sich seit Ende der 1990er Jahre in Afrika ausbreitende Getreideschwarzrost-Rasse Ug99 verursachten Ernteausfälle die Nahrungssicherheit der Erde gefährden können.

Vor diesem Hintergrund erleben alternative Eiweißquellen wachsenden Zuspruch. Autotrophe Einzellerproteine etwa könnten eine ausfallsichere Massenproduktion von Lebensmitteln ermöglichen, die selbst unter rauen klimatischen Bedingungen zuverlässig arbeitet.

Nachteile von Einzellerproteinen: technologisch beherrschbar

Schnell wachsende Mikroorganismen zeichnen sich in der Regel durch hohe Konzentrationen an Nukleinsäuren aus, besonders RNA. Diese erhöhten Gehalte müssen vor der Aufnahme durch den Menschen abgesenkt werden, was durch eine Wärmebehandlung der Zellen erreicht werden kann. Des Weiteren können die Zellwände einiger Zelltypen nicht verdauliche Bestandteile wie etwa Zellulose enthalten.

In Abhängigkeit vom Zielprodukt und den Verfahrensbedingungen muss eine eventuelle Kontamination mit anderen Mikroben überwacht werden, da sonst die Gefahr besteht, dass sich Gifte bilden können, wie etwa Cyano- und Mycotoxine. Nicht alle Einzellerproteine haben eine für die menschliche Ernährung wünschenswerte Aminosäurezusammensetzung. In einigen fehlt zum Beispiel Methionin, das durch anderweitige Zusätze beigesteuert werden muss.

Erneut auflebendes Interesse

Die Einzellerproteine haben sich seit ihrer ersten Hochzeit nicht völlig von der Bildfläche verabschiedet. Als Nischenprodukt für die menschliche Ernährung begegnen sie dem geneigten Verbraucher eher selten, eine Folge der besonderen Anforderungen an die Sicherheit der Produkte. Die Tests zur Sicherheit von Quorn beispielsweise dauerten seinerzeit 16 Jahre, viele weitere Jahre folgten, ehe das Pilzprotein auch außerhalb von Großbritannien vermarktet werden konnte. Neue Produkte, die unmittelbar für die menschliche Ernährung gedacht sind, sehen sich mit einem vergleichbaren Aufwand konfrontiert.

Zu den Sicherheitsanforderungen an Produkte, die auf Abfall-Substraten gewonnen wurden, gesellt sich vor einer Markteinführung noch ein anderer Aspekt: die Akzeptanz der Kundschaft. Einzellerproteine aus filamentösen Pilzen und Hefen haben es in dieser Disziplin einfacher als beispielsweise ähnliche Produkte bakterieller Herkunft - sie dominieren die bereits etablierten Märkte. Ihr Proteingehalt liegt bei 30-50 %, außerdem sind sie Quelle von Vitaminen aus der Vitamin B-Gruppe. Hefeextrakte aus beim Bierbrauen anfallenden Hefekulturen werden seit mehr als 100 Jahren erfolgreich vermarktet, Marmite, Vegemite, Vitam-R und ähnliches gelten bei Teilen der Bevölkerung als beliebte Brotaufstriche. Und Torula (Candida utilis) ist reich an Glutaminsäure und wird aus diesem Grund als Glutamat-Ersatz genutzt.

Aktuelle Forschung beschäftigt sich weiterhin mit der Verhefung aller nur denkbaren Substrate, von Abfällen aus der Kartoffelstärke-Produktion über Bananenreste und Orangenmark bis hin zu überschüssigem Pfefferpulver.

Andere Einzellerprotein-Quellen haben es schwerer. Für Nahrungszwecke gedachte Mikroalgen beispielsweise können hohe Proteingehalte von bis zu 70% erreichen. Daraus hergestellte Produkte kommen dennoch hauptsächlich nur als Nahrungsergänzungsmittel und zunehmend als Zusatzstoffe in Snacks oder Backwaren auf den Markt. Ihnen wird vor allem eine Zukunft in der Tierfuttermittelherstellung prophezeit - wenn sie nur günstiger zu haben wären: Die Mikroalgen-Produktion kämpft beim Hochfahren auf industrielle Dimensionen mit ureigenen Problemen. Die Idee der Biokraftstoffgewinnung aus Algen hört gerade ihren Schwanengesang. Ursprünglich damit befasste Start-up-Unternehmen sind deshalb bereits in die Herstellung von anderen Erzeugnissen aus Mikroalgen ausgewichen.

Die Verwendung von Einzellerproteinen unterschiedlichster Provenienz als Tierfutter hat es aufgrund einfacherer Genehmigungsverfahren jedoch generell deutlich einfacher als Produkte für die unmittelbare menschlich Ernährung, deshalb stehen solche Projekte heute im Vordergrund des Interesses, hier werden die besten Wachstumschancen vermutet.

Das bevölkerungsreiche China hat ein besonderes Interesse an der Entwicklung von Verfahren, die Einzellerproteine liefern können. 70% der seit dem vergangenen Millennium beantragten Patente sind in China beheimatet, besonderes Augenmerk liegt hier bei der Verwertung von Resten aus der Landwirtschaft und der Nahrungsmittelbranche.

Um die Wirtschaftlichkeit eines Verfahrens in den grünen Bereich zu fahren, werden nach Möglichkeit Synergien gebündelt, zum Beispiel über nützliche Zweitprodukte, oder eine Verminderung von Kosten, die sonst bei der Entsorgung von Abprodukten anfallen würden.

Ein exotisches Beispiel illustriert das Prinzip: Die Kultivierung des Knallgasbakteriums Cupriavidus necator erzeugt Biomasse, die reich an Proteinen und dem thermoplastischen Polyester Polyhydroxybuttersäure (PHB) ist. Diese Biomasse wird an Ratten verfüttert, die diese Art der Ernährung gut verkraften sollen. Der Clou: Die Ratten ihrerseits produzieren nun Kotpellets aus PHB-Kügelchen. Diese Reinigungsstufe spart die Verwendung von Lösungsmitteln ein.

Die biotechnologischen Träume zur Proteinversorgung der Zukunft sind schon einige Schritte weiter. So könnten Proteine auch in genetisch veränderten Mikroben entstehen, die für einen jeweiligen Zweck maßgeschneidert sind. Oder sie könnten von pflanzlichen und tierischen Zellkulturen produziert werden. Die sind dann zwar keine Mikroben mehr - aber auch keine Pflanzen oder Tiere.