Department Chemie und Pharmazie
Lehrstuhl für Lebensmittelchemie
(Henriette Schmidt-Burkhardt Lehrstuhl)
Ingrid Weigel
Dr. Sabrina Gensberger-Reigl
Schuhstraße 19, 91052 Erlangen
Tel. 09131 85-23978
Fax +49 9131 85-22587
PROJEKTBERICHT
Proteine nicht tierischer Herkunft als Fleischersatz - eine
aktuelle Literaturübersicht
März 2017
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Inhaltsverzeichnis
1. Einführung ....................................................................................................................................... 3
2. Vorgehensweise Recherche und Auswahl – Schwerpunktsetzung................................................. 4
3. Proteinquellen................................................................................................................................. 4
3.1. In vitro Fleisch ......................................................................................................................... 4
3.2. Single Cell Protein (SCP) .......................................................................................................... 6
3.2.1. Algen ............................................................................................................................... 7
3.2.2. Bakterien ......................................................................................................................... 8
3.2.3. Hefen ............................................................................................................................... 8
3.3. Pilze ......................................................................................................................................... 9
3.3.1. Mycoprotein - Quorn .................................................................................................... 11
3.3.2. Nutzung von Sekundärstoffen ...................................................................................... 11
3.3.3. Pellets/Mycelium .......................................................................................................... 12
3.4. Pflanzen ................................................................................................................................. 13
3.5. Insekten ................................................................................................................................. 15
4. Technologien ................................................................................................................................. 17
4.1. Gewinnung der Proteinmasse ............................................................................................... 17
4.2. Textur .................................................................................................................................... 18
5. Zusammenfassung ........................................................................................................................ 19
6. Literatur ........................................................................................................................................ 21
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1. Einführung
Während der vergangenen drei Dekaden ist eine vegetarische oder vegane Ernährung in den Fokus
vieler Verbraucher gerückt. Immer mehr Konsumenten entscheiden sich bewusst für eine Ernährung,
die frei von Fleisch oder Produkten tierischer Herkunft ist. Die Beweggründe sich vegetarisch/vegan
zu ernähren, können dabei unterschiedlicher Natur sein. Einerseits spielen religiöse und ethische
Gründe hinsichtlich des Tierwohls bei der Entscheidung auf Fleisch zu verzichten eine Rolle.
Andererseits können auch ökologische oder gesundheitliche Aspekte für diese besondere Form der
Ernährung ausschlaggebend sein. Mit dem steigenden Interesse sich vegetarisch bzw. vegan zu
ernähren, steigt auch die Nachfrage an Fleischsubstituten stetig, sodass das Angebot kaum mehr zu
überblicken ist. Eine erste Internetrecherche ergibt eine Auflistung von mehr als 60 verschiedenen
Markennamen, unter denen vegane oder vegetarische Fleisch- und Wurstalternativen in Deutschland
erhältlich sind [1].
Einer der wichtigsten Gesichtspunkte für die erfolgreiche Vermarktung von Fleischsubstituten ist
neben den ökonomischen Kennzahlen die Verbraucherakzeptanz. Je nachdem welche Gründe zur
vegetarischen/veganen Ernährungsweise führten, beeinflusst die Auswahl der Rohstoffe die
Bereitschaft der Verbraucher ein Produkt zu kaufen. So ist zu erwarten, dass Konsumenten, die auf
Grund von ethischen Aspekten Fleischprodukte ablehnen, auch Produkte auf Basis von z. B.
Insektenprotein nicht akzeptieren werden, wohingegen solche Produkte möglicherweise für
Personenkreise, die wegen gesundheitlicher oder ökologischer Gründe auf den klassischen
Fleischkonsum verzichten, interessant sind.
Bereits etablierte Fleischsubstitute auf Basis von Hülsenfrüchten (Leguminosen), wie zum Beispiel Soja
oder Lupine, enthalten ernährungsphysiologisch äußerst wertvolle Inhaltsstoffe, da sie reich an
ungesättigten Fettsäuren und Mineralstoffen sind. Soja sowie Lupine enthalten jedoch kaum
sensorisch attraktive Komponenten, weshalb geschmacks- und aromagebende Zusatzstoffe während
der Produktion von Fleischalternativen zugesetzt werden müssen. Zusatzstoffe hingegen stoßen
besonders beim ernährungsbewussten Verbraucher auf eine sehr geringe Akzeptanz. Zusätzlich
besitzen bestimmte Lupinenproteine ein allergenes Potential, weshalb Produkte auf Basis der Lupine
nicht für alle Verbrauchergruppen geeignet sind. Das Auftreten von Glutenunverträglichkeiten ist auch
der limitierende Faktor für die Verwendung von Seitan, einem aus dem asiatischen Raum stammenden
Fleischimitat auf Weizenbasis. Daher ist die Verwendung alternativer Pflanzenrohstoffe zur
Herstellung von Fleischersatzprodukten dringend notwendig. Allerdings fehlen an dieser Stelle
umfassende Arbeiten, die sich mit den bisher eingesetzten Ausgangsstoffen detailliert beschäftigen
und einen Überblick über den aktuellen Stand der Wissenschaft geben.
Daher wurde eine umfassende und systematische Literaturrecherche durchgeführt über
Proteinrohstoffe, die in der Fleischersatzproduktion verwendet werden oder in der Zukunft verwendet
werden könnten. Deren Ergebnisse werden nun hier vorgestellt. Dabei richtet sich das Augenmerk
insbesondere auf neue innovative Ansätze, die noch vor der großtechnischen Umsetzung stehen,
sowie auf etablierte Verfahren. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, Anknüpfungspunkte für
weiterführende Entwicklungen auf diesem Gebiet zu bieten, um innovative Projektideen für
alternative Rohstoffe zur Fleischersatzproduktion entwickeln zu können.
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Die Rechercheergebnisse werden im Folgenden gegliedert nach den einzelnen Proteinquellen
dargestellt. Technologien welche die Extraktion der Proteine betreffen sowie Verfahren zur
Herstellung texturierter Proteinmasse mit fleischartiger Konsistenz werden im Anschluss daran
behandelt.
2. Vorgehensweise Recherche und Auswahl – Schwerpunktsetzung
Die Recherche in einschlägigen Monographien sowie in grauer Literatur und Internet bildete zunächst
die Informationsgrundlage hinsichtlich bekannter, etablierter Fleischersatzprodukte und Protein-
quellen. Daraufhin wurden geeignete Suchbegriffe für eine umfassende Datenbankrecherche in
PubMed, Web of Science sowie ergänzend in Google Scholar entwickelt. Recherchiert wurden Artikel
zu den Begriffen: ,meat substitute’, ,meat alternative’, ,meat analogue’, ,single cell protein (SCP)’,
,mycoprotein’, ,mycelium protein’, ,basidiomycetes’, ,novel protein food’, ,plant protein food’. Diese
Schlagworte wurden zusätzlich z.T. mit den Begriffen ‚plant‘, ‚food‘, ‚novel food’, ‚protein source’ oder
‚food grade protein’ verbunden. Weiterführend wurden die Literaturverzeichnisse der relevanten
Artikel hinsichtlich der darin genannten Quellen und Begriffe ausgewertet. Darüber hinaus wurde in
einigen Fällen eine Vorwärtssuche über die Zitationen relevanter Artikel vorgenommen, um aktuelle
Weiterentwicklungen erfassen zu können.
Die Auswahl der Artikel erfolgte anhand folgender Kriterien: Die Artikel befassen sich konkret mit
(i) der Herstellung von Fleischersatz für den menschlichen Verzehr, (ii) der Nutzbarmachung alterna-
tiver Proteinquellen für die humane Ernährung und (iii) entsprechender technologischer Verfahren
sowie der Bereitstellung von dafür relevanter Kenngrößen (bspw. nutritive, chemische oder
funktionelle Parameter). Ferner zeigen die Publikationen Verfahren auf, deren Einsatz zur Lebens-
mittelherstellung unter bestimmten Voraussetzungen vorstellbar wäre. Weiterhin wurden auch
Artikel herangezogen, die Aspekte wie z. B. Produktakzeptanz oder Zulassungskriterien der
Fleischersatzprodukte adressieren. Sofern die Kenntnis bereits etablierter Proteinquellen die
Grundlage zum Verständnis neuerer Aspekte bildet, wurden diese ebenfalls in diese Arbeit mitein-
bezogen. Um der großen Bandbreite relevanter Aspekte umfassend gerecht werden zu können,
wurden zudem auch Überblicksartikel genutzt.
3. Proteinquellen
Die Gründe für eine Substitution tierischer Proteinquellen sind ein wichtiger Aspekt für die Auswahl
der eingesetzten Rohstoffe. Abhängig von der Zielsetzung besitzen neben pflanzlichen Proteinquellen
auch andere Ausgangsmaterialien wie künstliche Muskelfasern aus in vitro Kulturen, Einzellerprotein
aus Bakterien, Algen oder Hefen sowie Pilze oder Insekten ein großes Potential zur Fleischersatzpro-
duktion.
3.1. In vitro Fleisch
Das unter der Bezeichnung ‚Cultured Meat‘ (CM) oder in vitro Fleisch bekannt gewordene Verfahren
nutzt bovine Muskelstammzellen, um mit Hilfe von Gewebekulturtechniken Muskelfasern für den
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menschlichen Verzehr zu produzieren [2]. Durch den Einsatz dieser Technik wäre es einerseits möglich,
auf Nutztiere in der Fleischproduktion weitgehend zu verzichten und das dadurch entstehende
Tierleid zu minimieren. Andererseits ließen sich so auch nach Ansicht der beteiligten Wissenschaftler
die negativen Umweltauswirkungen des Fleischverzehrs drastisch reduzieren und Fleisch nachhaltiger
produzieren [2, 3]. Dieser Aspekt wird jedoch zur Zeit noch sehr kontrovers diskutiert und in mehreren
Studien angefochten, da die tatsächlich benötigten Ressourcen für eine Herstellung im Industrie-
maßstab noch nicht umfassend definiert sind [4, 5]. Somit sind die ökologischen Folgen der CM-
Produktion zum momentanen Zeitpunkt nicht vollständig absehbar.
Im Jahr 2013 wurde in einer TV-Kochshow ein aus in vitro Fleisch hergestellter Burger erstmals der
Öffentlichkeit vorgestellt [6]. Dabei rief dieses Produkt jedoch eine eher negative Resonanz hervor, da
es als unnatürliches und risikobehaftetes Lebensmittel wahrgenommen wurde [7].
Neben der geringen Verbraucherakzeptanz steht die Massenproduktion von in vitro Fleisch aktuell
auch noch vor einigen technischen Hürden. Limitierende Aspekte sind derzeit noch die fehlende
Etablierung von geeigneten serumfreien Zellkulturmedien oder die notwendige Entwicklung von
Alternativen zur wenig effizienten 2D-Gewebekulturtechnik. Die Verwendung von fetalem Kälber-
serum für die Anzucht der Satellitenzellen sowie der Einsatz von bovinem Kollagen bei der Ausbildung
der Muskelfaserzellen in Kultur setzt die Verwendung großer Mengen tierischen Materials voraus.
Dies steht einerseits dem Anspruch einer verbesserten Fleischproduktion hinsichtlich ethischer
Aspekte entgegen, andererseits würden entsprechende Mengen dieser Rohstoffe für eine
massenhafte Produktion von CM aufgrund der parallel schrumpfenden Viehbestände nicht zur
Verfügung stehen [8]. Um die Ausbildung einer Faserstruktur der adhärent wachsenden Muskelzellen
in Kultur zu ermöglichen, müssen ihnen zudem Oberflächen zur flexiblen Verankerung geboten
werden, die eine Kontraktion der Fasern erlauben. Bislang wurden hierzu 2D-Kollagen-
Multilayerverfahren genutzt. Die Entwicklung effizienterer Verfahren ist hier dringend nötig; mit der
Nutzung von Zellaggregaten in Suspension oder dem Einsatz von Microcarriern als Ankermatrix
werden derzeit vielversprechende Ansätze verfolgt [9]. An dieser Stelle ist anzumerken, dass
vermutlich auf Grund von Patentanmeldungen bis heute keine umfassenden Studien veröffentlicht
wurden, die die experimentellen Daten zur Produktion von in vitro Fleisch beinhalten.
In einer Studie wurden Faktoren untersucht, welche für die zukünftige Verbraucherakzeptanz des in
vitro Fleisches eine Rolle spielen. Wichtig erschienen hierbei vor allem moralische Kriterien in Bezug
auf die eingesetzte Technologie. Daneben beeinflussen sowohl die Art der erhaltenen Produkt-
informationen, die Produktqualität und –sicherheit als auch der Preis und die Nachhaltigkeit die
Verbraucherakzeptanz. In Bezug auf CM-Produkte weisen Verbeke et al. (2015) darauf hin, dass die
Daten ohne ein bereits vorliegendes Produkt erhoben wurden und dadurch deren Aussagekraft
eingeschränkt ist [10].
Für in vitro Fleisch ist bisher lediglich ein Machbarkeitsnachweis gezeigt worden. Die Entwicklung eines
kommerziellen ‚tierfreien Fleischproduktes‘ bis hin zur Marktreife unterliegt jedoch noch einigen
technologischen Hürden [11]. Von innovationsorientierten Start-ups wird daher die Vorstellung eines
marktfähigen Produktes erst in einem Zeitrahmen von 4-5 Jahren prognostiziert [12]. Ferner sind hier
auch umfangreiche Marketingkampagnen nötig, um den Verbraucher an CM-Lebensmittel
heranzuführen und dadurch deren Akzeptanz zu erhöhen.
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3.2. Single Cell Protein (SCP)
Zwischen den 1950er bis Ende der 1970er Jahren wurde verstärkt die Idee aufgegriffen, Einzeller als
Proteinquelle zu nutzen. Hintergrund hierfür war die rasant steigende weltweite Bevölkerungs-
entwicklung und die daraus resultierende Nahrungsmittelknappheit. Dabei wurde sowohl die Nutzung
für den menschlichen Verzehr als auch der Einsatz als Futtermittel in der Nutztierhaltung in Erwägung
gezogen [13]. Mögliche Rohstoffquellen stellen Algen, Hefen oder Bakterien dar. Diese sind in der
Lage, aus organischen Verbindungen Proteine zu synthetisieren, welche dann als sog. Einzellerprotein
(single cell protein, SCP) geerntet werden können.
Generell ergeben sich beim Verzehr von Einzellerbiomasse einige Schwierigkeiten. So kann der hohe
Nukleinsäuregehalt von Einzellern nach der Aufnahme zu stark erhöhten Harnsäurewerten in Serum
und Urin führen und dadurch langfristig z. B. die Entstehung von Urikopathie fördern. Darüber hinaus
enthalten Produkte auf Basis von SCP einen hohen Anteil an unverdaulichen Zellwandbestandteilen,
die zu gastrointestinalen Unverträglichkeiten führen können. Daher muss das biologische
Ausgangsmaterial zunächst geeigneten Aufbereitungsprozessen unterzogen werden, bevor es zur
Lebensmittelproduktion eingesetzt werden kann. Dies kann beispielsweise durch Reduzierung des
Nukleinsäuregehaltes, durch Zellaufschluss- und Reinigungsverfahren oder durch Gewinnung von
Proteinisolaten erfolgen. Der höhere ökonomische Aufwand für notwendige zusätzliche
Prozessschritte im Vergleich zur Nutzung von pflanzlichen Proteilquellen wie z. B. Soja stellt hierbei
einen bedeutenden wirtschaftlichen Nachteil dar [14, 15]. Nach Einschätzung von Giec und Skupin
(1988) kann SCP ohne Einschränkung für den menschlichen Verzehr genutzt werden, sofern es
entsprechend aufgearbeitet wird [16]. Mølck et al. (2002) sehen dennoch eine hohe Notwendigkeit
einer ausführlichen toxikologischen Untersuchung und Bewertung von SCP [17]. Neben der
gesundheitlichen Gefährdung durch erhöhte Nukleinsäuregehalte muss weiterhin berücksichtigt
werden, dass SCP auch toxische Bestandteile des verwendeten Substrats, Mykotoxine, Kanzerogene
oder bakterielle Toxine enthalten könnte [18].
Ein Vorteil der Erschließung von SCP als Nahrungsquelle ist die große Bandbreite der dafür nutzbaren
Mikroorganismen und Anzuchtsubstrate [19]. Großes Potential wird heute in der Entwicklung
biotechnologischer Methoden, die Methan, Methanol oder Cellulose als Substrate nutzen, gesehen.
Die Verwertung von Nebenprodukten und Reststoffen aus der landwirtschaftlichen Erzeugung und der
Lebensmittelproduktion ermöglicht die Anpassung der SCP-Herstellung an die jeweiligen regionalen
Gegebenheiten (vgl. auch Wainwright und Künkel, Kap. 8.2 [20]). Einen sehr umfangreichen Überblick
über zur SCP-Produktion genutzte Algen-, Pilz-, Hefen- und Bakterienspezies sowie der jeweils
eingesetzten Substrate geben Anupama und Ravindra (2000). Algen benötigen überwiegend
Kohlenstoffdioxid und Sonnenlicht zur Biomasseproduktion, Bakterien hingegen können sehr viele
verschiedene Substrate wie z. B. Kleie, Stärkehydrolysate oder Methanol verwerten [18]. Nasseri et al.
(2011) referieren darüber hinaus noch umfassend verschiedene Methoden und Prozesse der
Fermentation und der Aufreinigung der Biomasse [21].
In den letzten Jahren erfuhr das Potential der SCP-Produktion als ‚Food or Feed‘ eine Neubewertung.
Dabei steht nun nicht mehr die Ernährungssicherung unterversorgter Gegenden der Welt im
Blickpunkt, sondern es wird aus der Perspektive globaler Nachhaltigkeit versucht, die Umwelt-
belastung, die aufgrund der konventionellen agrarischen Erzeugung von tierischem Protein entsteht,
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zu verringern. Ein aktuelles Beispiel hierfür ist die Zulassung von SCP als Futtermittel, das auf Basis von
Methan verstoffwechselnden Mikroorganismen hergestellt wird (UniBio, FeedKind) [22, 23].
3.2.1. Algen
Algen stellen insbesondere in Küstenregionen eine traditionelle Nahrungsquelle dar. Vor allem
Makroalgen werden in Form von Seetang (z. B. Laminaria sp.) direkt als Lebensmittel verzehrt. Die
Bezugsquelle sind dabei einerseits natürliche Meeresvorkommen, andererseits wird Seetang
zunehmend auch in Kultur genommen. Die Extraktion von Proteinen aus Seetang für eine Nutzung im
Lebensmittelbereich ist bisher jedoch noch nicht untersucht worden, auch wenn Studien dessen
prinzipielle Eignung für eine tägliche Aufnahme annehmen [24]. Die industrielle Anzucht einzelliger
Algen (Mikroalgen) ist hingegen bereits weithin etabliert. Arten wie Chlorella sp. oder Scenedesmus
sp. werden häufig als Futtermittelzusatz genutzt; die Kieselalgenart Odontella aurita wurde bereits
2002 als Novel Food zugelassen [24].
Gut untersucht ist auch die Herstellung von getrockneter Biomasse aus dem Cyanobakterium
Arthrospira platensis, auch unter dem Namen Spirulina bekannt ist und vormals als Blaualge
bezeichnet wurde. Spirulina wird seit langem als Lebensmittel aber auch als Nahrungsergänzungs-
mittel verzehrt und besitzt den sog. GRAS-Status (generally recognized as safe). Die Produktion von
Spirulina erfolgt bereits heute in einem großtechnischen Maßstab analog zur Algenproduktion [25].
Aus diesem Grund stellt möglicherweise auch dieses Cyanobakterium eine gute Proteinquelle zur
Fleischersatzproduktion dar. In Entwicklungsverfahren ist zunächst zu klären, ob das Spirulina-Protein
prinzipiell in eine fleischähnliche Textur überführt werden kann und ob die sensorischen
Eigenschaften sowie das Brat- und Kochverhalten der Biomasse zur Produktion von Fleischimitaten
geeignet sind.
Algen sind reich an Proteinen, welche eine mit pflanzlichem Protein vergleichbare Qualität sowie
biologische Wertigkeit besitzen. Bisher wurden Algen jedoch nicht als Ersatz für Fleischprodukte
sondern hauptsächlich als Health Food und Nahrungsergänzungsmittel vermarket oder als
Futtermittel genutzt. Der Grund hierfür sind die im Vergleich zu pflanzlichem Protein hohen
Produktionskosten. Zudem sind die Einsatzmöglichkeiten von Algenprotein für die Herstellung von
Lebensmitteln wegen der starken Eigenfarbe und des fischähnlichen Aromas sehr begrenzt [26]. Daher
muss das Algenprotein zunächst geeigneten Aufbereitungsverfahren unterzogen werden, bevor es als
Fleischersatz nutzbar ist. Jedoch wurden solche Prozesse bisher noch nicht entwickelt oder etabliert.
Im Hinblick auf die Lebensmittelsicherheit ist zu erwähnen, dass etwa 2 % der bekannten Algenarten
in der Lage sind, Neuro- bzw. Hepatotoxine zu bilden und viele Algenarten Schwermetalle
akkumulieren. Ferner fehlen Studien, die sich mit einem möglichen allergenen Potential von Algen
beschäftigen. Daher muss bei der Auswahl von Algenarten zur Lebensmittelproduktion ein besonderes
Augenmerk auf diese Eigenschaften gelegt werden. Zusätzlich birgt die großflächige Anzucht von
Algen in offenen Becken eine Kontaminationsgefahr mit pathogenen Mikroorganismen [24].
Zusammenfassend ist festzuhalten, dass Algenprotein hinsichtlich der Qualität und biologischen
Wertigkeit eine vielversprechende Alternative zu Fleischprotein ist. Jedoch stehen der industriellen
Nutzung noch einige Hürden entgegen. So ist im Vorfeld eine umfangreiche lebensmittelrechtliche
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Bewertung nötig, die sehr viele verschiedene Aspekte abdecken muss (allergenes Potential, Toxine,
Kontaminanten) und dadurch viele Ressourcen beanspruchen wird. Hinzu kommen sehr hohe
Produktionskosten, die die wirtschaftliche Bilanz zusätzlich schmälern. Zudem fehlen geeignete
Aufbereitungsverfahren, mit deren Hilfe die für die Verwendung als Fleischersatz ungeeigneten
Eigenschaften der Algen (Farbe und Aroma) gezielt modifiziert werden können. Daher spielen Algen
zum jetzigen Zeitpunkt eine eher untergeordnete Rolle im Bereich der Fleischersatzproduktion.
3.2.2. Bakterien
Studien über die Nutzung bakterieller Mikroorganismen (bMO) zur Produktion von SCP für den
humanen Verzehr sind rar. Bakterien besitzen ein sehr breit gefächertes Spektrum verwertbarer
Substrate, das von petrochemischen Erzeugnissen bis hin zu industriellen Abfallprodukten wie z. B.
Molke reicht. Daher zeigen bMO ein prinzipiell großes Potential, um zur Produktion von SCP eingesetzt
zu werden. Allerdings limitieren die kostenintensive Herstellung sowie eine sehr eingeschränkte
Verbraucherakzeptanz deren Einsatzmöglichkeiten zur Lebensmittelproduktion [18].
Aktuelle Verfahren nutzen erfolgreich Methanol als Substrat für Methylophilus methylotrophus oder
Methan als Substrat für Methylococcus capsulatus zur Produktion von SCP als Futtermittel [23, 27].
Methanol bietet dabei die Vorteile wasserlöslich, frei von Hydrocarbon-Verunreinigungen und im
Gegensatz zu Methan nicht explosiv zu sein. Außerdem lässt es sich leicht von der rohen Biomasse
abtrennen [19]. Der Einsatz von Methan besitzt großes Potential hinsichtlich einer klimaneutralen
Produktion von Proteinen, konkurriert aber in ökonomischer Hinsicht stark mit konventionellen
Rohstoffen wie z. B. Soja [22]. Methanotrophe Bakterien werden als vielversprechende Proteinquellen
in Futtermitteln angesehen, deren Nährwert und Verträglichkeit für monogastrische Arten in
zahlreichen Fütterungsstudien belegt wurde [23]. Der potentielle Einsatz als Lebensmittelzusatzstoff
wird von Herstellerseite (UniBio A/S, DK) nicht ausgeschlossen (vgl. auch FeedKind Calysta, USA) [28,
29]. Allerdings sind hierzu noch umfassende Daten zur Produktsicherheit sowie eine ausführliche
Bewertung nötig. Da diese Daten noch nicht zur Verfügung stehen, ist der Einsatz von Bakterien als
Proteinquelle für die menschliche Ernährung momentan nicht abzusehen.
3.2.3. Hefen
Für die Lebensmittelgewinnung und -verarbeitung sind Hefen bereits seit langem etabliert. So werden
zahlreiche Lebensmittel wie Brot, Bier oder Wein unter Verwendung von Hefen hergestellt.
Industrielle und biotechnologische Verfahren nutzen momentan u. a. Saccharomyces, Hansenula,
Candida oder Kluyveromyces Arten für die Produktion von Ethanol oder Enzymen sowie zur
Aufbereitung industrieller Restströme [27, 30]. Auch die Produktion von SCP in Lebensmittelqualität
ist unter Verwendung von Hefen möglich. So wurde bereits aus Saccharomyces cerevisiae ein
Proteinextrakt hergestellt, der vergleichbare Eigenschaften wie texturiertes Sojaprotein und
Sojaproteinisolat besitzt. Dabei kann dessen Nährwert dem Nährwert von Casein gleich gesetzt
werden [31]. Kluyveromyces lactis sowie Kluyveromyces marximus sind in der Lage, Lactose zu
verstoffwechseln, weshalb Molke als Substrat zur Biomasseproduktion eingesetzt werden kann. Dies
hat den Vorteil, dass hier ein preiswerter Ausgangstoff verwendet werden kann, der als Abfallprodukt
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in der Käseherstellung anfällt. Die Entsorgung von Molke ist jedoch problematisch und mit hohen
Kosten verbunden, da sie einen hohen biologischen Sauerstoffbedarf besitzt und sich damit negativ
auf die Gewässer auswirkt. Durch die Fermentation mit Kluyveromyces Arten kann der biologische
Sauerstoffbedarf stark reduziert und gleichzeitig SCP in Lebensmittelqualität erzeugt werden. K.
marxianus weist im Vergleich zu K. lactis höhere Wachstumsraten und eine größere Bandbreite
hinsichtlich der von ihr verwertbaren Substrate auf, weshalb deren Einsatz in der
Lebensmittelproduktion vermutlich ein größeres Potential besitzt [32], [33]. Weiterführende Studien
zeigen, dass Mischkulturen von z. B. K. marxianus mit S. cervisiae [34] oder C. krusei [35] in der Lage
sind, die Effizienz der Biomasseproduktion deutlich zu steigern. Sowohl Saccharomyces cerevisiae als
auch die beiden Kluyvermyces Arten K. marxianus und K. lactis besitzen den sog. GRAS-Status, weshalb
sie für den Einsatz in der Lebensmittelproduktion besonders geeignet sind.
Hefen bieten die Möglichkeit, Nebenströme und Abfallprodukte der Lebensmittelproduktion für die
Gewinnung von SCP zu nutzen, weshalb davon auszugehen ist, dass der Kostenaufwand für die
eingesetzten Substrate verhältnismäßig gering ist. Ferner besitzen bereits einige Hefen die
Klassifikation als GRAS, wodurch sie besonders attraktiv hinsichtlich der lebensmittelrechtlichen
Bewertung eines neuen Produktes sind. Daher ist zu erwarten, dass die Zulassungsverfahren weniger
aufwändig und somit ressourcenschonender sind. Es fehlen bisher jedoch umfangreiche Arbeiten in
denen Hefen im großtechnischen Maßstab zur Produktion von Fleischsubstituten verwendet werden.
Besonderes Entwicklungspotential besteht hier in der Kombination verschiedener Hefekulturen sowie
in der Weiterentwicklung bestehender Fermentationsverfahren, um die Effizienz der SCP-Produktion
bestmöglich auszuschöpfen.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass SCP für die menschliche Ernährung prinzipiell geeignet
ist. Allerdings müssen bereits bei der Auswahl potentieller Mikroorganismen weitreichende Aspekte
hinsichtlich der Lebensmittelsicherheit und Verbraucherakzeptanz beachtet werden. Erfolgsver-
sprechend sind hierbei Organismen wie z. B. Saccharomyces cerivisiae, Laminaria sp. oder Arthrospira
platensi, die bereits als Lebensmittel verzehrt oder aber in der Lebensmittelproduktion eingesetzt
werden. Zur Herstellung von Fleischimitaten könnten Extrusions- oder Scherkraftverfahren eingesetzt
werden, die bereits bei der Verarbeitung von pflanzlichen Proteinen angewendet werden. Hier sind
jedoch noch weiterführende Arbeiten notwendig, um feststellen zu können, ob SCP analog zu
Pflanzenprotein zu faserartigen Produkten verarbeitet werden kann. Möglicherweise ist an dieser
Stelle auch die Entwicklung neuartiger Produktionsverfahren zur Verarbeitung von SCP nötig.
3.3. Pilze
Pilze werden aufgrund ihres hohen Nährwertes und guten Geschmackes bereits gerne direkt verzehrt.
Jedoch sind nur gut 25 von rund 2000 prinzipiell essbaren Pilzspezies auch allgemein als essbar
anerkannt; die Auswahl der Arten, die kommerziell angebaut werden, liegt noch weit darunter.
Weltweit werden die Arten Champignon (Agaricus bisporus), Shiitake (Lentinus edodes), Strohpilz
(Volvariella volvacea) und Austernpilz (Pleurotus ssp.), die alle zu den Basidiomyceten (Ständerpilze)
gehören, am häufigsten kultiviert [36]. Pilze und ihr hochwertiges Eiweiß können aber nicht nur in
Form von Fruchtkörpern, sondern auch als Myzel verzehrt werden und finden so Verwendung als
Fleischersatz wie in dem Produkt Quorn [37].
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Ascomyceten (Schlauchpilze) hingegen werden meist nicht direkt verzehrt sondern zur Fermentation
von Lebensmitteln genutzt und werden so Teil der menschlichen Ernährung. So wird beispielsweise
Oncom, ein traditionelles indonesisches Produkt, auf der Basis von Erdnusspresskuchen oder
Sojarückständen mithilfe des Schlauchpilzes Neurospora intermedia veredelt [38]. Ein anderes
Produkt, Tempeh, entsteht durch die Fermentation von Sojabohnen mit Rhizopus oligosporus [39].
Eine umfassende Darstellung von filamentösen Pilzarten, die in Fermentationsprozessen zu
Nahrungsmittelproduktion eingesetzt werden, gibt Nout (2007) [40]. Nachdem diese Pilze bereits in
der Lebensmittelherstellung eingesetzt werden und sie damit Bestandteil der menschlichen
Ernährung sind, bieten sie einen guten Ausgangspunkt für Entwicklungen im Bereich der
Fleischersatzproduktion. Allerdings fehlen an dieser Stelle geeignete Produktionsverfahren, die die
Herstellung von Fleischanaloga auf Basis der oben genannten Pilze ermöglichen. Einzige Ausnahme
bildet hier Fusarium graminearum, der bereits zur Herstellung von Quorn verwendet wird (siehe
unten). Die Nutzung dieses Pilzes zur Lebensmittelproduktion war jedoch erst nach dem erfolgreich
abgeschlossenen Zulassungsverfahren möglich.
Da Pilze in der Lage sind, die unterschiedlichsten Substrate zu verstoffwechseln, besitzen sie ein
großes Potential zur der Verwertung von Neben- oder Abfallprodukten. Mithilfe von
Feststofffermentationsverfahren können durch die Nutzbarmachung neuer Substratquellen für die
Kultivierung von Pilzen weitere Ressourcen für die menschliche Ernährung erschlossen werden. So
können durch die Biotransformation von agrarischen Nebenprodukten hochwertige proteinreiche
Nahrungsmittel erzeugt werden. Machado et al. (2016) beschreiben die Kultivierung von Lentinus
citrinus auf Kakao-Exokarp sowie Reiskleie als Substrat [41]. Sanchez et al. (2002) zogen Pleurotus sp.
auf Traubentrester sowie Rebengehölzschnittgut heran [42] und Steudtler und Bley (2015)
entwickelten ein Verfahren in dem Trametes hirsuta auf Substraten wie Kiefernhackschnitzel,
Orangenschalen, Stroh oder Maissilage im Labormaßstab kultiviert wurde [43]. Die Fähigkeit einiger
Pilze Lignocellulose umzusetzen, lässt sich bereits heute sehr gut biotechnologisch nutzen. So kann
die Ausbeute bei der Destillation von Ethanol unter Verwendung von Pilzen deutlich erhöht werden,
wobei als Nebenprodukt eine proteinreiche Biomasse entsteht [44].
Die Anzucht von Pilzen ist sowohl in Oberflächen- als auch in Submerskulturen, d.h. vollständig in
Flüssigmedium eingetaucht, möglich. Welche Art der Kultivierung besser geeignet ist, hängt jedoch
sehr stark von dem jeweiligen Pilz ab. In Oberflächenkulturen kann der von den meist aerob
wachsenden Pilzen benötigte Sauerstoff direkt aus der Gasphase genutzt werden. Durch die
zunehmende Zelldichte bilden sich hierbei jedoch Nährstoffgradienten, sodass in der Kultur keine
einheitlichen Wachstumsbedingungen mehr herrschen. Zudem ist das Abtrennen der Biomasse vom
Substrat in Oberflächenkulturen meist aufwändiger und schwieriger zu handhaben. Alternativ dazu
werden Submerskulturverfahren angewendet, die eine einfache Abtrennung der festen Biomasse vom
flüssigen Nährmedium erlauben. Dabei ist aber zu bedenken, dass die steigende Wachstumsrate zu
einer Zunahme der Biomasse und damit zu Viskositätsveränderungen in der Nährlösung führt. Damit
verbunden ist eine schlechtere Durchmischung der Suspension, ein verändertes Einwirken von
Scherkräften sowie eine Verschlechterung der Sauerstoffzu- und Kohlenstoffdioxidabfuhr des
Systems [45]. Einen möglichen Lösungsansatz bietet hier die Kultivierung filamentöser Pilze in
Pelletform (siehe unten) [46].
Aus technologischer und wirtschaftlicher Perspektive ist es sinnvoll, für die Produktion von Pilzmyzel
Flüssigkulturverfahren anstatt Oberflächenkulturen zu nutzen, da hierdurch die Biomasse effektiver
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herangezogen und anschließend mit einfachen Methoden vom flüssigen Nährmedium abgetrennt
werden kann. Das so gewonnene Myzel kann anschließend entweder gefriergetrocknet oder direkt zu
Fleischanaloga weiterverarbeitet oder der Proteinanteil nach Extraktion anderweitig prozessiert
werden.
3.3.1. Mycoprotein - Quorn
Auf der Suche nach alternativen Proteinquellen für die menschliche Ernährung setzten in den 1960er
Jahren die Entwickler von Quorn (Ranks Hovis McDougall, RHM) auf die Nutzung des filamentösen
Pilzes Fusarium graminearum [47, 48]. Dabei war die Produktentwicklung von Beginn an auf die
Nutzung als Lebensmittel ausgerichtet. Mit der Substratauswahl von Glucose aus Weizen- oder
Maisstärke in Lebensmittelqualität für den kontinuierlichen Fermentationsprozess wurde eine
wichtige Voraussetzung für die spätere Zulassung als Lebensmittel geschaffen. Das im Fermenter
produzierte Myzel wird geerntet und unter Zusatz von Gewürzen und Bindemitteln zum fertigen
Produkt verarbeitet. Die faserigen Strukturen des Myzels sorgen für eine sehr fleischähnliche
Konsistenz von Quorn, die vergleichbare Produkte auf Soja- oder Weizenproteinbasis derzeit nicht
aufweisen können. Das Produkt hat sich seit seiner Markteinführung in England vor gut 30 Jahren
etabliert und wird in vielen europäischen Ländern, darunter auch Deutschland, erfolgreich vertrieben.
Eine vegane Variante, welche statt Hühnereiweiß Kartoffelprotein als Bindemittel enthält, ist in den
USA erhältlich. Quorn ist bisher die einzige kommerziell erhältliche Fleischalternative auf Pilzbasis [49].
Eine umfassende Evaluation von Quorn bietet die Arbeit von Thrane (2007) [50].
3.3.2. Nutzung von Sekundärstoffen
Die Nutzung von pilzlichen Sekundärstoffen für pharmakologische Zwecke, als Lebensmittel-
zusatzstoffe oder Aromastoffe ist weit verbreitet und wird in zahlreichen Forschungsprojekten
untersucht [45, 51, 52]. Wu et al. (2007) zeigten Unterschiede im Aromaprofil von Fistulina hepatica,
die in Submers- oder in Oberflächenkultur herangezogen wurden. Die erhaltenen Myzelien
unterschieden sich unter anderem auch in ihrer Färbung, was zeigt, dass die unterschiedlichen
Wachstumsbedingungen während der Kultivierung zu verschiedenartigen Ausdifferenzierungen der
Kulturen führen [53]. Kirsch et al. (2013) variierten systematisch die Bedingungen eines Submers-
kulturverfahrens von Lentinus citrinus um die Bildung des Enzyms Protease zu maximieren [54]. Auf
der Suche nach neuen Möglichkeiten für die Produktion natürlicher Aromen kombinierten Bosse et al.
(2013) ein Panel von 30 unterschiedlichen Basidiomycetenarten mit einer Reihe von Substraten aus
industriellen Nebenströmen der Lebensmittelherstellung wie z. B. Apfeltrester [52]. Die Erfahrungen
aus diesen Anwendungsgebieten können Anknüpfungspunkte für die Entwicklung neuartiger
innovativer Methoden darstellen, deren Ziel die Produktion von Biomasse mit guten nutritiven,
funktionellen und sensorischen Eigenschaften ist.
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3.3.3. Pellets/Mycelium
Um Biomasse aus Pilzen für die menschliche Ernährung kontrolliert und in großem Maßstab
produzieren zu können, bietet der Bereich der Submerskultur (SmF) die vielversprechendsten
biotechnologischen Verfahren. Feststofffermentationsverfahren (SSF) erreichen im Vergleich dazu
meist einen geringeren Zuwachs an Biomasse und sind somit weniger wirtschaftlich. Frühe Versuche,
Speisepilze im Submersverfahren zu kultivieren, fanden bereits in den 1950er und 60er Jahren
statt [55, 56].
In submerser Kultur können sich zwei mögliche Wuchsformen des Myzels, nämlich eine filamentöse
oder eine pelletartige Form, entwickeln. Die dabei entstehende Biomasse weist Unterschiede
hinsichtlich ihrer fibrösen und chemischen Eigenschaften auf, was je nach beabsichtigter Anwendung
in unterschiedlichem Ausmaß relevant ist. Größe und Aussehen der Pellets können durch Faktoren
wie Durchmischungsgeschwindigkeit, pH-Wert und Nährstoffzusammensetzung des Mediums
beeinflusst werden [57, 58]. Kirsch et al. (2015) beschreiben in ihrer Studie ein faktorielles Design,
indem die Bedingungen der Submerskultivierung von Pleurotus albidus systematisch variiert wurden
und konnten dadurch wichtige Einflussfaktoren für das Wachstum und die morphologische
Erscheinung der Biomasse ermitteln. Die Auswahl der Substratzusammensetzung sowie der Spezies P.
albidus sind auf eine mögliche Nutzung für die menschliche Ernährung ausgerichtet [59].
Unter neueren Forschungsarbeiten finden sich vermehrt Methoden, die die Submerskultivierung von
Speisepilzarten entweder in Filament- oder Pelletform beschreiben. Als Substrate werden häufig
Nebenströme aus der Lebensmittelindustrie oder Glucose genutzt. Auch einige Ascomycetenarten
(z. B. Neurospora sp., Monascus sp.) werden aufgrund ihrer weit verbreiteten Anwendung bei der
Herstellung traditioneller fermentierter Lebensmittel (z. B. Sojasauce, Oncom) und der daraus
folgenden Einschätzung als GRAS als potentiell nutzbare Organismen betrachtet [60]. Tabelle 1 zeigt
eine Zusammenstellung der in den Studien untersuchten Arten und Substrate. Kim et al. (2011) und
Zajul et al. (2016) stellten bereits aus Pilzprodukten Fleischanaloga her. Anhand der sensorischen
Bewertung konnte gezeigt werden, dass pilzbasierte Produkte gegenüber sojahaltigen Fleischanaloga
verbesserte texturelle und geschmackliche Eigenschaften aufweisen [61]. Im Vergleich mit Produkten
auf Soja-, Erbsen- oder Sonnenblumenproteinbasis besitzen diese ähnliche, z. T. sogar bessere
technofunktionelle Eigenschaften [62].
Die Nutzung von Speisepilzmyzel zur Entwicklung neuartiger Fleischanaloga verfügt demnach über ein
großes Potential. Es bestehen vielfältige Möglichkeiten, Nebenprodukte der Lebensmittelindustrie in
den Herstellungsprozess zu implementieren. Dies kann einerseits die Zulassung der Produkte als
neuartige Lebensmittel vereinfachen, gleichzeitig kann auf diese Weise die Wertschöpfung von
Ressourcen erhöht werden, was zu nachhaltigen und ressourcenschonenden Produktionsverfahren
führt. Da mit Pilzen bereits auf dem Lebensmittelmarkt etablierte Ausgangsstoffe eingesetzt werden,
kann erwartet werden, dass die die Verbraucherakzeptanz weitaus besser sein wird als bei Produkten,
die auf bakteriellen Mikroorganismen basieren [60].
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Tabelle 1 Übersicht von Methoden, die zur Entwicklung von Fleischersatzprodukten aus Pilzprotein relevant sind. Submerskultur (SmF), Feststofffermantation (SSF).
Referenz Organismus Substrat Verfahren Ziel/ Produkt
Bosse (2013) [52]
Panel von 30 Basidio-myceten
Nebenprodukte aus Lebensmittelproduktion
SmF Neuartige
Aromakomponenten
Confortin (2008) [63]
Pleurotus
sajor-caju Glucose SmF (Myzel) Biomasse (Myzel)
Kim (2011) [61]
Agaricus
bisporus Zuckerrohrextrakt SmF (Myzel)
Faseriges Myzel in Fleischanalogon
Kirsch (2015) [59]
Pleurotus
albidus Saccharose/Glucose/Maltose SmF (Myzel)
Einflussfaktoren Myzel/Pellet-
Bildung
Moo-Young (1993) [64]
Neurospora
sitophila Cellulose, Holz, Mais,
Zuckerrohr SSF
Biomasse; Oncom
Nair (2016) [65]
Neurospora
intermedia Kartoffelextrakt, Glucose, synth. Kartoffel-Dextrose
SmF (Pellets) Prozessoptimierung
Pelletproduktion; Oncom
Zajul (2016) [62]
Diverse Basidio-myceten
Industrielle Nebenströme (Melasse, Obst-, Gemüsetrester)
SmF (Myzel) Vegane
Lebensmittel/ Fleischimitate
Die Nutzung von Pilzmyzel zur Fleischersatzproduktion scheint besonders aussichtsreich zu sein.
Neben der besseren Verbraucherakzeptanz bietet die faserartige Struktur der Pilzmyzelien einen
weiteren Vorteil, da sie den Produkten eine fleischähnliche Textur und damit ein fleischähnliches
Mundgefühl verleihen. Zudem verfügt Pilzmyzel teilweise über angenehme, gelegentlich auch an
Fleisch erinnernde Geschmacksnuancen. So weisen die Fruchtkörper des ‚beef-steak-fungus‘ Fistulina
hepatica in gebratener Form ein fleischähnliches Aroma und eine fleischähnliche Konsistenz auf.
Besonders interessant ist an dieser Stelle die Entwicklung von Kultivierungsbedingungen, die diese
typischen Eigenschaften des Fistulina hepatica bewahren und effektiven Zuwachs an Biomasse
zulassen.
3.4. Pflanzen
Fleischersatzprodukte auf pflanzlicher Basis sind bereits auf dem Markt gut etabliert und erfreuen sich
großer Beliebtheit. Ein Großteil der Produkte basiert dabei auf der Verwendung von Soja, wie z. B. in
Form von Tofu, texturiertem Sojaprotein (‚Sojafleisch‘) oder Tempeh, welches durch Fermentation von
Sojabohnen gewonnen wird. Neben Sojaprodukten befindet sich auch Fleischersatz auf
Weizenproteinbasis unter der Bezeichnung Seitan auf dem Markt [66]. Die Proteine weiterer
Leguminosen wie Erbse oder Lupine werden ebenfalls für die Entwicklung hochwertiger
Fleischersatzprodukte sowie als technofunktionelle Zusatzstoffe in vielen verschiedenen Lebens-
mitteln wie z. B. Backwaren, Milchprodukten oder Eiscreme eingesetzt. Kommerziell erhältliche
Produkte auf Lupinen- bzw. Erbsenbasis bieten z. B. Prolupin, Albert’s, Lupino, Amidori oder LikeMeat
mit gutem Erfolg an.
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Durch entsprechend angepasste Sortenwahl (z. B. der Süßlupine L. angustifolia, die einen geringen
Alkaloidgehalt aufweist und daher weniger bitter schmeckt) und technologische Verbesserungen bei
der Gewinnung von Lupinenproteinisolat wurde die Voraussetzung für dessen breite Einsetzbarkeit
u. a. für die Herstellung von Fleischersatzprodukten geschaffen. Ein großer Vorteil der Lupine ist, dass
sie in garantiert gentechnikfreiem, heimischem Anbau produziert werden kann und ihre Produkte mit
diesen Auslobungen vermarktet werden können. Wichtige Parameter wie die sensorische Qualität,
die Lagerfähigkeit und der Erhalt erwünschter technofunktioneller und physiologischer Eigenschaften
der Proteinisolate und -konzentrate bei der Prozessierung sind aktuell noch immer Gegenstand
weiterer Entwicklung [67].
Darüber hinaus wecken die proteinhaltigen Nebenprodukte der pflanzlichen Ölerzeugung und ihre
Eignung als Proteinquelle für die menschliche Ernährung Interesse. Die Pressrückstände aus Ölsaaten
wie Sonnenblume oder Raps stellen eine interessante und in großem Umfang vorhandene Ressource
dar, die bislang weitgehend nur zur Verfütterung in der Landwirtschaft genutzt wurde. Aufgrund
dieses hohen Produktionsvolumens werden Proteinisolate aus Raps und Sonnenblume bereits in
vielen Forschungsvorhaben untersucht [68–71]. Aber auch die Pressrückstände vieler weiterer
Feldfrüchte, deren Öle kommerziell gewonnen werden (z. B. Flachs, Baumwolle, Erdnuss, Kürbis,
Sesam oder Hanf), beinhalten hochwertige Proteine, die für weitere Bereiche nutzbar gemacht
werden können. Dabei liegt der Fokus nicht nur auf der Gewinnung von Proteinkonzentraten, Isolaten
oder Hydrolysaten sondern auch auf der innovativen Erzeugung von hochwertigen, möglichst
unverarbeiteten Proteinen. Diese Nische wurde bereits von dem Unternehmen All Organic Trading
erkannt, das unter dem Namen pure-plants bereits solche Proteinextrakte herstellt. Durch geeignete
Verarbeitungsprozesse könnte es möglich sein, auch möglichst unverarbeitete Proteine als
Fleischersatzprodukte einzusetzen. Besonders bei sehr ernährungsbewussten Verbrauchern ist zu
erwarten, dass solche Produkte einen großen Zuspruch finden.
Die funktionellen und nutritiven Eigenschaften von Proteinen bzw. Proteinisolaten einer Vielzahl von
Nutzpflanzen waren bereits Gegenstand vieler Studien. Daten finden sich für u. a. Lein [72, 73],
Mandeln [74], Sesam [75], Hanf [76, 77], Bockshornklee [78], glutenfreie Pseudocerealien wie
Amaranth, Quinoa und Buchweizen [79–82] oder Sorghum [83]. Neben überwiegend guten nutritiven
Eigenschaften werden den Extrakten oftmals nützliche techno-funktionelle Eigenschaften
zugeschrieben. Eine konkrete Anwendung im Lebensmittel erfolgte bisher jedoch nicht.
Die Nutzung der Wasserlinse (Lemnoideae sp.), die in Thailand regelmäßig verzehrt wird, ist dort ein
wichtiges Grundnahrungsmittel, vor allem bei traditionell veganer Ernährung [24, 84]. Möglicherweise
könnte diese Pflanze aber auch Basis für die Produktion von Fleischersatz sein. Ein weiterer
alternativer Ansatz ist die Extraktion von Membranproteinen aus Blättern, was am Beispiel der
Zuckerrübe untersucht wurde [85, 86]. An dieser Stelle fehlen jedoch noch umfassende Arbeiten, die
die technofunktionellen Eigenschaften der oben genannten Proteine im Hinblick auf die Verwendung
als Fleischsubstitut untersuchen.
Einen enormen Vorteil des Einsatzes verschiedener Proteinquellen erkannten Chardigny und Walrand
(2016). Sie schlugen vor, Mischungen verschiedener pflanzlicher Proteinquellen herzustellen mit dem
Ziel, die biologische Wertigkeit der Produkte zu erhöhen [68]. Dadurch können Produkte mit optimal
auf die menschliche Ernährung abgestimmter Proteinzusammensetzung entwickelt werden.
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Eine weitere neuartige Entwicklung zeigt sich in der Herstellung von Fleischersatzprodukten auf
Gemüsebasis. Hierbei werden vor allem Erbsen, Möhren und Zwiebeln als Hauptkomponenten
eingesetzt, die mit oder ohne Proteinisolaten zu Fleischimitaten verarbeitet werden. Diese Produkte
werden vor allem unter der Produktlinie ProViand von LikeMeat vermarktet. An dieser Stelle ist
festzustellen, dass keine wissenschaftlichen Veröffentlichungen vorliegen, die sich mit der Verwen-
dung von Gemüsefasern zur Herstellung von Fleischimitaten beschäftigen.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten, dass Fleischalternativen auf Basis von pflanzlichen Protein
bereits auf dem Markt etabliert sind. Trotzdem ist das Potential von pflanzlichen Rohstoffen bei
weitem noch nicht erschöpft. Die Nutzung der Pressrückstände von Ölsaaten wie Sonnenblume oder
Raps zur Gewinnung des Proteinanteils stellt einen ernährungsphysiologisch und ökonomisch
interessanten Ansatz für die Erschließung nichttierischer Proteinressourcen dar. Von großer
Bedeutung ist hierbei die Weiterentwicklung von Technologien zur Gewinnung und Verarbeitung der
hochwertigen Rohstoffe.
3.5. Insekten
Besonders in asiatischen, afrikanischen und südamerikanischen Regionen sind Insekten ein wichtiger
Bestandteil der Ernährung. Die Akzeptanz von Insekten für den humanen Verzehr ist besonders in
Europa noch nicht etabliert, da dies den üblichen Ernährungsgewohnheiten widerspricht. Allerdings
können Insekten besonders für Verbraucher, die auf Grund ökologischer und/oder gesundheitlicher
Aspekte auf konventionellen Fleischkonsum verzichten, eine interessante alternative Proteinquelle
sein. Aus diesem Grund wird in der vorliegenden Arbeit auch Insekten Beachtung geschenkt, obwohl
es sich um Tiere handelt.
Rational betrachtet hat der Verzehr von essbaren Insektenarten zwei entscheidende Vorteile:
(i) Insekten besitzen sehr gute nutritive Eigenschaften, da sie einen hohen Gehalt an qualitativ
hochwertigen Proteinen enthalten und daher mit Proteinen konventioneller tierischer Herkunft
vergleichbar sind. (ii) Vergleicht man die konventionelle Erzeugung von Fleisch mit der Produktion von
Insekten, die zum Verzehr bestimmt sind, so besitzen letztere eine deutlich bessere Ökobilanz [87].
Daher können Insekten besonders für Verbrauchergruppen, die gesteigerten Wert auf nachhaltig
erzeugte Produkte legen, eine interessante Proteinquelle sein.
Aktuell werden im europäischen Raum bereits einzelne Fleischersatzprodukte auf Insektenbasis
angeboten. Die belgische Firma BenSBugS beispielsweise nutzt Acheta domesticus (Heimchen) und
Tenebrio molitor (Larven des Mehlkäfers) als Grundlage zur Herstellung von Burgern und Wokwürfeln
aus zerkleinerten Insekten. Das deutsche Start-up Bugfoundation bietet ebenfalls Burger auf
Insektenbasis an, wofür die Spezies Alphitobius diaperinus (Glänzendschwarzer Getreideschimmel-
käfer) genutzt wird. Des Weiteren wird auch Gryllodus sigillatus (Kakerlake) als potentielle Quelle in
der Lebensmittelproduktion diskutiert [24]. Die aktuelle Forschung befasst sich damit, Faktoren zu
identifizieren, die die Bereitschaft insektenbasierte Produkte zu verzehren sowohl positiv als auch
negativ beeinflussen. Verbeke (2015) ermittelte in seiner Studie als relevante Prädiktoren das
Geschlecht, eine nahrungsmittel- sowie technologiebezogene Neophobie, die Absicht, weniger Fleisch
zu essen sowie die persönliche Einstellung zu Themen wie Nachhaltigkeit und Geschmack eines
Lebensmittels. Jeder fünfte Fleischesser war prinzipiell bereit, Insekten als Fleischersatz zu probieren
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[88]. Megido et al. (2016) stellten fest, dass Faktoren wie Neophobie oder Vorerfahrungen mit
entsprechenden Produkten sich auf die sensorische Bewertung insektenbasierter Fertigprodukte
auswirken. Insgesamt schneiden Insektenburger im Vergleich zu fleischhaltigen Burgern schlechter ab,
werden jedoch insgesamt besser bewertet als rein vegetarische Burger. Der Verzehr von Insekten wird
häufig abgelehnt, wenn diese als solche noch erkennbar sind. Daher wird vorgeschlagen, Insekten
zerkleinert oder vermahlen zur Lebensmittelproduktion einzusetzen, wodurch die Verbraucher-
akzeptanz erhöht werden kann [89]. Sollen Verbraucher von insektenhaltigen Fleischersatzprodukten
überzeugt werden, so müssen drei Aspekte bedacht werden: Erstens sollten die Insekten in nicht mehr
erkennbarer Form im Lebensmittel enthalten sein; zweitens muss das Produkt sensorisch attraktiv
sein und drittens muss es tatsächlich verkostet werden. Fällt dabei die emotionale Bewertung des
Verzehrs besser aus als erwartet, bewirkt dies eine verbesserte Akzeptanz des Produkts [90].
In einem Übersichtsartikel widmen sich Belluco et al. (2013) den Fragen zur Lebensmittelsicherheit
und den gesetzlichen Aspekten der Nutzung von Insekten für die humane Ernährung. Es werden
umfassend Studien aufgezeigt, die sich mit möglichen Gefährdungen der Verbraucher durch
insektenbasierte Nahrungsmittel befassen. So können beispielsweise Kreuzallergien mit
Krustentierprotein oder Hausstaubmilben, die Akkumulation von Schwermetallen oder anderen
Umweltgiften in den Insekten, Pestizidrückstände, Mykotoxine oder weitere pathogene
Kontaminationen Risiken für den Verbraucher darstellen. In der Summe ergeben sich bei der
Bewertung ausgewählter Spezies aber keine generell größeren Gefährdungen im Vergleich zum
Konsum herkömmlicher Produkte tierischer Herkunft [91]. Entsprechende Risiken müssen jedoch vor
einer Produktentwicklung untersucht und bewertet werden [24]. Das EFSA Scientific Commitee
konstatiert in einer Risikobewertung zu Produktion und Verzehr von Insekten im Jahr 2015 dringenden
Bedarf, weitere Daten zu den genannten Risikofaktoren zu generieren und diese zu bewerten [92].
Die europäische Rechtslage zu Novel Protein Quellen ist stellenweise noch unklar. Dies betrifft auch
den Einsatz von Insekten als Proteinquelle. Die zum 31. Dezember 2015 in Kraft getretene Verordnung
VO (EU) 2015/2283 (Novel-Food-Verordnung) sieht vor, jede Insektenart vor einer Lebensmittel-
zulassung einer intensiven Unbedenklichkeitsprüfung zu unterziehen [93]. Parallel dazu wird derzeit
aber auch eine vereinfachte Zulassung für Arten, die außerhalb Europas bereits ohne gesundheitliche
Beeinträchtigung konsumiert werden, diskutiert. Die Durchführung von Tierstudien nach anerkannten
Kriterien trägt zum Unbedenklichkeitsnachweis von Insektenprotein bei. Im Rahmen einer Tierstudie
zur Ermittlung subchronischer Toxizität wurde gefriergetrocknetes Pulver von Mehlwürmern
(Tenebrio molitor Larven) an Ratten verfüttert. Dabei wurde der 'No Observed Adverse Effect Level'
(NOAEL) mit über 3000 mg/kg Körpergewicht/Tag unter den gegebenen Testbedingungen bestimmt,
was auf deren mögliche Unbedenklichkeit hinweist [94].
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die größte Herausforderung für eine breitere Nutzung
essbarer Insekten als Fleischersatz zunächst die Erhöhung der Verbraucherakzeptanz ist. Insekten
lassen sich mit relativ geringen Mitteln züchten, allerdings fehlen noch Studien zur Umsetzung einer
Produktion in industriellem Maßstab. Die Weiterverarbeitung der Insekten zu einem verzehrfertigen
Produkt bedarf keiner aufwendigen Produktionsschritte, da die Insekten als Ganzes oder vermahlen
eingesetzt werden können. Die für eine Markteinführung in Europa relevanten Aspekte hinsichtlich
der Lebensmittelsicherheit und Novel-Food-Verordnung sind bereits erkannt worden und müssen
seitens der Gesetzgebung geklärt und mit wissenschaftlichen Studien untersucht werden. Auf Grund
der unklaren rechtlichen Sachlage und des damit verbundenen Klärungsbedarfs sowie der geringen
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Verbraucherakzeptanz, ist eine flächendeckende Markteinführung von Insektenprotein als Ersatz für
Fleisch derzeit nicht abzusehen [24].
4. Technologien
Ein eigener übergreifend wichtiger Bereich ist die Weiterentwicklung von Technologien, um Biopoly-
mere mit hoher Fleischähnlichkeit aus nicht tierischen Proteinen zu erzeugen. Dies umfasst zum einen
die Optimierung bestehender Extraktionsmethoden, zum anderen Verfahren, die für die Herstellung
einer texturierten Masse aus Proteinrohstoffen genutzt werden können [95].
4.1. Gewinnung der Proteinmasse
Ein wichtiger Punkt bei der Herstellung von Proteinextrakten ist die Entstehung von Fehlaromen, die
zur sensorischen Beeinträchtigung der Produkte führen. Besonders Leguminosenextrakte weisen
häufig grüne und bohnenartige Fehlaromen auf, deren Entstehung durch den Einsatz von organischen
Lösemitteln oder überkritischem Kohlenstoffdioxid zur Entölung von Lupinensamen [96] sowie durch
Milchsäurefermentation [97] reduziert werden kann. Durch Inaktivierung pflanzlicher Lipoxygenasen
kann die Entstehung von Fehlaromen während der Lagerung von Lupinensamen und nicht-entfetteten
Lupinenflocken stark verringert werden [98]. Ranzige Noten im Faseranteil der Lupine gehen allerdings
auf autoxidative Prozesse zurück, was bislang noch eine Einschränkung für die Nutzbarkeit dieser
Extrakte darstellt [99].
Auch antinutritive Eigenschaften der Proteinextrakte sollen möglichst bereits im Herstellungs-
verfahren beseitigt werden. Dies kann z. B. im Fall der Lupine durch die Nutzung alkaloidarmer Sorten
geschehen [100]. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz von Phytase während der Proteinextraktion
aus Raps, die den Gehalt an unerwünschter Phytinsäure senkt [101].
Durch wässrige Fraktionierung während der Extraktion chemisch stabiler Proteinisolate (PI) aus
Lupinensamen [102] kann auf den Einsatz organischer Lösemittel verzichtet werden [103]. Isolate mit
speziellen funktionellen Eigenschaften hinsichtlich Emulgierbarkeit, Schaumbildung und -stabilität
erweitern die Bandbreite ihrer Einsetzbarkeit in unterschiedlichen Lebensmitteln [104–106]. Ein
Verfahren, in dem Rapspresskuchen einer wässrigen Extraktion, gekoppelt mit nachfolgender
Ultrafiltration und einem Adsorptionsschritt, unterzogen wird, erzeugt ein Isolat mit nur geringem
Aromafehler und guten funktionellen Eigenschaften [107]. Aus Sonnenblumenpresskuchen können
polyphenolarme PI extrahiert werden welche als Zusatzstoffe mit guten Emulgier- und Stabilisator-
eigenschaften eingesetzt werden können [108].
Trockenfraktionierungsverfahren erzeugen im Vergleich zur wässrigen Extraktion Proteinisolate von
höherer Reinheit. Zudem besitzen diese Extrakte aufgrund ihrer erhalten gebliebenen nativen
Strukturen eine bessere Löslichkeit. Durch den Einsatz von Gelierverfahren lassen sich Erbsenproteine
aus der Trockenfraktionierung zur Herstellung fester, strukturierter Fleischersatzprodukte
nutzen [109].
Nutritive und technofunktionelle Eigenschaften von Proteinextrakten und -isolaten aus Leguminosen
oder Ölsaaten werden durch die Weiterentwicklung von Extraktionsverfahren kontinuierlich
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verbessert. Die Verwendungsmöglichkeiten in Fleischersatzprodukten und Lebensmittelzuberei-
tungen wird dadurch stetig erweitert.
4.2. Textur
Extrusionsverfahren erlauben es, Rohprotein so zu bearbeiten, dass daraus ein faserartiges Produkt
mit möglichst fleischartigem Biss und Mundgefühl entsteht. Dafür wird die Rohmasse über eine
Förderschnecke unter hohem Druck durch spezielle Düsen gepresst, wobei es zu einer Erhitzung der
Masse und zur Strukturierung des austretenden Extrudats kommt. Miri et al. (2005) wendeten die
Extrusionstechnik erstmals für eine filamentöse Mykoproteinmasse an und erhielten dadurch ein
isotropes Produkt [110]. Durch High Moisture Extrusion Cooking (HMEC), bei dem mit erhöhten
Feuchtigkeitsgehalten von > 35% gearbeitet wird, können u. a. aus Erbsenproteinisolat faserige Stücke
mit guter Textur hergestellt werden [111]. Veränderungen von Prozessparametern im HMEC-
Verfahren wirken sich auf die Polymerisation von Weizengluten und dadurch auf die Struktur der
Proteinmasse aus [112].
Durch Electro Spinning von Proteinen können definierte, nanofibrilläre Strukturen erzeugt werden, die
danach durch Vernetzung der faserigen Strukturen zu Blöcken mit fleischähnlicher Textur
weiterverarbeitet werden [113]. Das Prinzip basiert auf dem Anlegen einer Hochspannung über der
aus einer Düse austretenden Polymerlösung. Dabei verdampft das Lösemittel und die Proteine ordnen
sich zu einer dünnen, langgestreckten Faser an.
Purwanti et al. (2013) nutzten mikrostrukturierte Molkenproteine, um die Textur und die Wasser-
bindekapazität eines Modellproduktes gezielt zu beeinflussen. Dabei konnten sie zeigen, dass die
mechanischen Eigenschaften eines Proteingels in Abhängigkeit der verwendeten Mikrostrukturen
modellierbar sind ohne dabei den Gesamtanteil an Protein verändern zu müssen, was einen Vorteil
für die Produktentwicklung darstellt [114]. Dies lässt annehmen, dass die Verwendung von Proteinen
mit bestimmten mikrostrukturellen Eigenschaften möglicherweise ein vielversprechendes Verfahren
zur Herstellung von Fleischimitaten mit verbesserter Textur ist. Allerdings fehlen an dieser Stelle noch
umfangreiche Studien, die sich gezielt mit der Mikrostrukturierung von Fleischersatzprodukten
beschäftigen.
Neuere Entwicklungen setzen Scherkräfte ein, um faserige, anisotrope Strukturen herzustellen.
Grabowska et al. (2014) stellten ein neuartiges Verfahren zur Produktion eines fadenförmigen
Biopolymers aus einer Gluten/Sojaproteinisolat-Mischung mithilfe eines Scherstromverfahrens
vor [115]. Dieses Verfahren nutzt Scherkräfte, die aufgrund von Rotationsbewegungen auf die
Proteinrohmasse wirken, um dieser eine faserige Struktur zu verleihen. Die Anisotropie des Produkts
wird dabei stark von der Temperatur der Scherzelle, dem Trockenmassegehalt sowie dem
Kohlenhydratanteil der Masse beeinflusst [116]. Auch Modellmischungen aus Pektin/Sojaproteinisolat
wurden bereits erfolgreich getestet [117]. Ein sehr ähnliches Verfahren ist die Verwendung der
Couette Zelle, mit dem sich fibröse Strukturen mit bis zu 3 cm Stärke aus einer granulären Mischung
pflanzlicher Proteine erzeugen lassen [118]. Die Zelle besteht dabei aus zwei konzentrischen Zylindern,
deren Zwischenraum mit der Rohmasse befüllt wird. Unter moderater Erhitzung wird der innere
Zylinder in eine Drehbewegung versetzt, sodass Scherkräfte erzeugt werden, die zur Strukturbildung
beitragen. Dieses Verfahren ermöglicht so z. B. die Herstellung von Fleischersatz in der Größe eines
ganzen Stückes Rindfleisch [119].
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Zur Herstellung von faserigen Biopolymeren stehen verschiedene Techniken wie Extrusions- und
Schertechnikverfahren, Electro Spinning oder Mikrostrukturierung von Proteinen zur Verfügung.
Extrusions- wie auch Schertechnikverfahren sind bereits in der Produktion von Fleischfaserimitaten
etabliert, wobei die Schertechnik gegenüber Extrusionsverfahren den Vorteil bietet, auf schonende
Weise großstückige Produkte zu produzieren und dabei geringere Energiemengen zu benötigen. Die
Mikrostrukturierung von Proteinen hingegen ist ein neuer innovativer Ansatz, der noch weiter
entwickelt werden muss, bevor dieser zur Fleischersatzproduktion eingesetzt werden kann.
5. Zusammenfassung
Es gibt aktuell eine Vielzahl an Möglichkeiten, tierisches Protein in der menschlichen Ernährung zu
ersetzen [120], wobei einige Produkte jedoch noch keine Marktreife erlangt haben.
Die Herstellung kommerzieller Produkte aus in vitro Fleisch ist derzeit noch nicht realisiert. Dennoch
zieht diese Innovation weite Kreise, indem sie die Reflexion über ethische und soziale Belange, die
unser Verhältnis zu Nahrungsmitteln, zur Agrarproduktion und zu den Nutztieren anstößt [121].
Die Produktion von Biomasse mithilfe von Mikroorganismen sollte als mögliche Quelle von Protein
(single cell protein, SCP) für Fleischersatz in Betracht gezogen werden. Mikroalgen sind aktuell
vorrangig im Bereich der funktionellen Lebensmittel angesiedelt; die Produktion der hochwertigen
Proteine ist auf Grund hoher Produktionskosten im Vergleich zu anderen Proteinquellen eher
unwirtschaftlich, weshalb Mikroalgen momentan aus ökonomischer Sicht zur Fleischersatzproduktion
eher ungeeignet sind. Makroalgen werden derzeit in nur geringem Umfang zum direkten Verzehr
kultiviert, bisher aber nicht zur Extraktion des Proteins herangezogen. Die Anzucht von Hefen wie
Kluyveromyces und Saccharomyces, die als GRAS-Organismen klassifiziert wurden, ist vor allem wegen
der Möglichkeit, Nebenströme aus der Lebensmittelindustrie als Substrat zur Kultivierung zu nutzen,
besonders interessant. Nach entsprechenden Aufreinigungsverfahren ist es möglich, Hefeprotein zu
Fleischersatz zu verarbeiten. Die Produktion von SCP mit bakteriellen Mikroorganismen bspw. auf
Methan- oder Methanolbasis ist prinzipiell möglich, dennoch ist dessen Nutzung auf Grund geringer
Verbraucherakzeptanz eher im Futtermittelbereich zu finden.
Insektenprotein als Fleischersatz ist in der westlichen Welt in Moment noch ein Nischenprodukt,
dessen breiterer Nutzung zum einen Vorbehalte auf Verbraucherseite sowie Unklarheiten zur
rechtlichen Situation entgegenstehen.
Eine vergleichbare Situation in Bezug auf die Lebensmittelsicherheit und Zulassung ist auch bei SCP
und Pilzen gegeben, sofern keine Speisepilze zur Proteinproduktion eingesetzt werden. Hier muss
ebenfalls eine umfassende Evaluation der Lebensmittelsicherheit erfolgen, was die Entwicklung eines
möglichen Produktes zusätzlich sehr aufwendig macht. Über die Bewertung nutritiver, mikrobieller
und toxikologischer Gefährdungen gemäß der Novel-Food-Verordnung hinaus ist dabei auch ein
Konzept zur Abschätzung allergener Risiken durch neuartige Proteine und Proteinquellen nötig [93,
122, 123].
Plizprotein eignet sich als frisches oder gefriergetrocknetes Myzel sowie in extrahierter Form als
Proteinisolat sehr gut zur Entwicklung innovativer Fleischimitate. Die faserige Struktur des Myzels
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bringt bei der Herstellung von Fleischanaloga texturelle Vorteile mit sich. Möglicherweise können auch
erwünschte angenehme Geschmacks- und Aromakomponenten der pilzlichen Biomasse positiv zum
Gesamteindruck des Produktes beitragen. Die Auswahl als essbar anerkannter Arten schafft gute
Voraussetzungen im Hinblick auf Lebensmittelsicherheit und Zulassung. Ein weiterer Vorteil ist die zu
erwartende höhere Akzeptanz der Lebensmittel durch die Konsumenten.
Aus denselben Gründen eignen sich Substrate, die bereits in Lebensmittelqualität vorliegen bzw. aus
Nebenströmen der Lebensmittelindustrie stammen, als Energiequellen besonders gut, da sie dem
hohen Lebensmittelqualitätsstandard gerecht werden. Dadurch werden Ressourcen besser verwertet,
die ansonsten verloren gingen oder unter ökologischem und ökonomischem Aufwand entsorgt
werden müssen.
Getreide als auch Körnerleguminosen wie Soja, Lupine und Erbse bleiben als etablierte pflanzliche
Proteinquellen für die Produktion von Fleischersatz weiterhin interessant, da bestehende Nachteile
der Produkte in funktioneller, technologischer und sensorischer Hinsicht sukzessive verbessert
werden. Gemüseprotein und -fasern aus Nebenströmen der Lebensmittelproduktion werden
ebenfalls zu Fleischanaloga verarbeitet. Rückstände der Ölgewinnung aus Ölsaaten wie Raps- oder
Sonnenblumenpresskuchen können durch angepasste Extraktionsverfahren hochwertige Proteine
bereitstellen, die sich für die Anwendung bei der Lebensmittelherstellung eignen. Außerdem ist eine
Weiterverarbeitung zu Fleischersatz denkbar. Auch Proteine aus Pseudocerealien wie z. B. Amaranth,
Quinoa und Buchweizen scheinen hierfür geeignete Proteinquellen zu sein.
Durch die Entwicklung neuer Extraktionsverfahren können Proteine mit unterschiedlichen
technofunktionellen, nutritiven und sensorischen Eigenschaften gewonnen werden, die sich bereits
für den Einsatz in Getränken oder texturierten Lebensmitteln hervorragend eignen. Durch
Beimischung von Faseranteilen kann auch die Texturierung des Produktes beeinflusst werden. In
Scherflussverfahren werden Biopolymere mit sehr guten texturellen Eigenschaften produziert, die bei
einer Stärke von bis zu 3 cm die Möglichkeit bieten, ganze Muskelfleischstücke zu imitieren. Die
Technologie ermöglicht zudem bei geringem Energieaufwand eine schonende Verarbeitung des
Produktes. Auch Extrusionsverfahren wie das High Moisture Extrusion Cooking wurden kontinuierlich
weiter entwickelt um die Textur der extrudierten Produkte zu verbessern.
Verbesserungen der sensorischen Qualität und der Fleischähnlichkeit stellen die Schlüsselparameter
für eine Erhöhung der Akzeptanz von Fleischsubstituten bei fleischverzehrenden Verbrauchern
dar [124, 125]. Daher ist die Weiterentwicklung von Produktionsverfahren hin zu verbesserten
Imitaten von großer Bedeutung, um auch Fleischkonsumenten mit den neuartigen Produkten
anzusprechen.
In der vorliegenden Recherchearbeit wurden die wichtigsten Aspekte aktueller Entwicklungen auf
dem Gebiet von Fleischersatzprodukten aus nicht tierischen Proteinquellen und Insekten zusammen-
getragen und zusammengefasst. Diese Arbeit steht nun als Informationsgrundlage und Anknüpfungs-
punkt für die Entwicklung alternativer Produkte im Bereich Fleischersatz zur Verfügung.
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