Um proteinreiche Lebensmittel nachhaltig herstellen zu können, bieten neuartige Proteinquellen eine Alternative zu Fleisch, Milch und Co. Im Leitprojekt »FutureProteins« haben sechs Fraunhofer-Institute geschlossene, platzsparende Indoor-Anbauanlagen für eine ganzjährige, klima- und saisonunabhängige Gewinnung von Proteinen aus alternativen Quellen entwickelt. In einem weiteren Schritt wurden die aus Pflanzen, Pilzen, Algen und Insekten gewonnenen Proteine und Rohstoffe erstmalig auch miteinander kombiniert und zu Prototypen für Lebensmittel verarbeitet. Die so entstandenen neuartigen Produkte und Fleischalternativen sind ernährungsphysiologisch besonders wertvoll.
Zunehmende Umweltprobleme, extreme Wetterlagen, Belastungen von Böden und Gewässern durch Pestizide und Düngemittel erschweren die Versorgung der Bevölkerung mit ernährungsphysiologisch wertvollen Lebensmitteln und Proteinen in vielen Regionen der Welt. Damit rücken nachhaltige Ernährungslösungen immer mehr in den Fokus. Einen Lösungsansatz bieten alternative Proteinquellen, die tierische Lebensmittel wie Fleisch, Fisch, Eier und Milch ersetzen können. Auf alternative Proteine aus Pflanzen, Insekten, Pilzen und Algen setzen Forscherinnen und Forscher im Fraunhofer-Leitprojekt »FutureProteins«.
Sechs Fraunhofer-Institute bündeln ihre Expertise, um neue Proteinquellen mit eigens entwickelten, ganzjährig nutzbaren, flächen-, klima- und standortunabhängigen Indoor-Anbausystemen nachhaltig zu erschließen und daraus Nahrungsmittel zu produzieren. Die Besonderheit: Anfallende Nebenströme werden weitgehend für die Herstellung weiterer Proteinrohstoffe genutzt – ganz im Sinne der Kreislaufwirtschaft. Neben vier Indoor-Agraranbauanlagen – Vertical Farming für Pflanzen, Insect Farming für Insekten, Bioreaktoren für Pilze sowie Photobioreaktoren für die Kultivierung von Algen – haben die Forschenden eine Reihe schmackhafter Nahrungsmittel für die Lebensmittelindustrie entwickelt. Die Kreationen reichen vom Burger über glutenfreie Brote bis hin zu Desserts.
Kartoffeltrester für die Pilzfermentation und als Insektenfuttermittel
»Im Hinblick auf den Klimawandel war es uns wichtig, dass sich alle neu entwickelten Indoor-Anlagen unabhängig vom Standort, von der Fläche und der Saison nutzen lassen und somit eine ganzjährige, lokale und nachhaltige Kultivierung der verschiedenen Rohstoffe gewährleistet ist«, sagt Dr. Marc Stift, Wissenschaftler und Projektkoordinator am Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME in Aachen. Zudem sind die vier Anlagen miteinander verzahnt: Die Nebenströme aus den unterschiedlichen Verarbeitungsstufen lassen sich für die Kultivierung weiterer Proteinsysteme nutzen.
»Ein Beispiel: Kartoffeln werden nach dem Anbau fein zerkleinert, wobei man Stärke und Proteine gewinnt. Übrig bleibt ein wässriges Medium und Kartoffeltrester. Dieser Kartoffeltrester enthält Ballaststoffe, die im Projekt als hervorragendes Fermentationssubstrat für Pilze identifiziert wurden«, erläutert Dr. Stephanie Mittermaier, Projektkoordinatorin und Wissenschaftlerin am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in Freising. Ebenso lassen sich stickstoffreiche Nebenströme aus der Insektenproduktion als Pflanzendünger nutzen. Die am Fraunhofer IVV entwickelten veganen Fleischalternativen kombinieren unterschiedliche Proteinquellen wie Erbsen und Pilze. Das Resultat sind besonders saftige Burgerpatties mit verbessertem Nährwertprofil.
Innovatives Vertical Farming-System: Erbsen auf Berg- und Talfahrt
Mit der am Fraunhofer IME entwickelten OrbiPlant®-Technologie ist es den Forschenden erstmals gelungen, Erbsen im Indoorbereich effizient anzubauen. Das förderbandbasierte System macht nicht nur den Einsatz von Pestiziden obsolet, sondern ermöglicht auch eine platzsparende Anbauweise, mit der sich 95 Prozent des Wasserverbrauchs und 50 Prozent des Düngerbedarfs einsparen lassen. Die Anlage bewegt sich wellenförmig, sodass die ins Förderband eingesteckten Pflanzen – den Bewegungen der Anlage folgend – sowohl nach oben als auch nach unten und somit ebenfalls wellenförmig wachsen, was einen platzsparenden Anbau ermöglicht.
Ein Vorteil dieser Konstruktion: Das eingesetzte Beleuchtungssystem strahlt in die bei der Abwärtsbewegung des wellenförmigen Förderbands entstehenden Täler, sodass die Luft nach oben entweichen kann und ein Wärmestau vermieden wird, der mit herkömmlichen Stapelkonstruktionen einhergeht. Die Anlage zeichnet sich durch eine integrierte natürliche Klimatisierung aus, wodurch die Kosten der Klimatisierung deutlich reduziert werden. Während der Auf- und Abbewegung des Förderbands werden die eingehängten Pflanzen aeroponisch versorgt.
»Die Aeroponik ist eine spezielle substratfreie Anbaumethode für Pflanzen. Die Wurzeln der Pflanzen hängen im Innenraum des Förderbands und werden mit einer Lösung aus Wasser und Nährstoffen besprüht. Im Vergleich zur Hydroponik, bei der sich die Wurzeln in der Nährlösung befinden, wird bei einer aeroponischen Bewässerung die Menge an Wasser in der Anlage dramatisch reduziert«, erklärt Stift. Die substratfreie Kultivierung geht mit einem weiteren Vorteil einher: Im Gegensatz zur Kultivierung der Hülsenfrüchte im freien Feld sind die Pflanzen sauber, und die komplette Biomasse, inklusive der Blätter und Wurzeln, lässt sich ohne vorheriges Waschen direkt für die Proteingewinnung verwerten.
Veganer Fleischersatz: Burgerpatties aus einer Erbsen- und Pilzmischung
An der Entwicklung hochwertiger schmackhafter Lebensmittel aus verschiedenen Proteinquellen arbeiten die Forschenden am Fraunhofer IVV in Freising. Ein Lebensmitteltechnikum mit den vorhandenen Pilotanlagen zur Herstellung von Fleisch- und Milchalternativen sowie Backwaren am Standort bei München bietet ideale Voraussetzungen, um Lebensmittel bis zur Marktreife zu entwickeln. Dank modernster Analysemethoden können die Forscherinnen und Forscher einzelne Rohstoffe hinsichtlich ihrer Zusammensetzung, ihrer funktionellen Eigenschaften und ihrer sensorischen Eigenschaften wie Geschmack und Geruch bewerten.
»Ziel ist es, die Proteinsysteme mit ihren jeweils besten Eigenschaften zu kombinieren, sensorisch und funktional zu optimieren und so neue Produkte wie beispielsweise vegane Fleischalternativen zu kreieren«, sagt Mittermaier. Das Ergebnis der Forschungsarbeiten innerhalb von FutureProteins sind eine Reihe von Prototypen mit hoher Verbraucherakzeptanz: Neben Burgerpatties und veganen Fleischbällchen aus einem Mix aus Erbsenprotein und Pilzmyzel wurde sowohl das Geschmacks- als auch das Geruchsprofil von glutenfreien Broten aus Insekten, von Desserts und Softeis aus unterschiedlichen Pflanzenproteinen sowie von Teigwaren mit Algenfüllung von den Verkostern als überaus positiv bewertet.
»Mit den Burgerpatties aus Erbsen und Pilzen sowie den gefüllten Teigwaren wollen wir den Massenmarkt ansprechen. Die Insektenbrote sehen wir eher als Nischenprodukt«, sagt die Forscherin. »Vergleichbare Burgerpatties aus einer Kombination unterschiedlicher Proteinquellen gibt es derzeit noch nicht zu kaufen. Die Mischung aus Erbsen und Pilzmyzelien ergibt besonders saftige Burger mit stark reduzierten Gehalten an künstlichen Aromen und Zusatzstoffen wie Hydrokolloiden, die üblicherweise wegen ihrer gel- und texturbildenden Eigenschaften Bestandteil vieler Rezepturen sind«. Diese und andere Forschungsarbeiten präsentieren Mittermaier und ihr Team auf der Messe IFFA vom 3. bis 8. Mai 2025 in Frankfurt. Die Forschenden verfolgen das Ziel, die entwickelten Lebensmittelprototypen, aber auch die im Projekt entstandenen Anlagen in die Industrie zu lizensieren.