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Das riesige Potenzial der Fermentation

Die Fermentation ist ein uralter Prozess, der für die Lebensmittelherstellung nicht mehr wegzudenken ist. Mit neuen Technologien eröffnet die «precision fermentation» ganz neue Anwendungsmöglichkeiten.

von wy

Fermentation gibt es schon seit Tausenden von Jahren. Die Menschen entdeckten irgendwann, dass Milch gerinnt, wenn man sie stehen lässt, dass Trauben mit der Zeit vergären, dass sich aus Getreide Bier brauen lässt, dass aus Weisskohl im Fass Sauerkraut entsteht. Auch Brot, Schokolade, Kaffee, Salami, Schwarztee, Whisky, Miso- oder Sojasauce sind ohne Fermentation nicht denkbar. 
Fermentation bedeutet, dass ein kohlenhydrathaltiger Rohstoff von Mikroorganismen, zum Beispiel Milchsäurebakterien oder Hefepilzen, unter die Ausscheidung von Enzymen umgewandelt wird. Dabei entsteht Säure, Gas oder Alkohol. In der traditionellen Fermentation wurde lange mit Bakterien gearbeitet, die schon im Produkt, etwa in der Milch oder im Weisskohl vorhanden waren. Mit der Zeit begann der Mensch die Fermentation zu kontrollieren, in dem er nicht nur Temperatur und Zeit steuerte, sondern auch Bakterien isolierte und züchtete, mit denen dann fermentiert wurde.
Diese gezielte Fermentation wird auch schon seit längerem verwendet für die Herstellung von mikrobiellem Lab für die Käseproduktion, von Enzymen für alle möglichen industrielle Prozesse, von Aromen oder Farbstoffen, von Vitaminen, oder seit Mitte der Achtzigerjahre von Quorn, dem Fleischersatz aus Pilzen.
Vielzahl von Anwendungen
Fermentation ist also nichts Neues. Doch mit der rasanten Entwicklung der Forschung, die es ermöglicht, noch gezielter Bakterien auszuwählen und zu kombinieren, oder die Funktion von Bakterien zu programmieren, erhält die Fermentation eine neue Bedeutung – und bietet als «precision fermentation» ein riesiges Potenzial. Um bekannte Produkte geschmacklich oder von der Textur her zu verbessern. Um neue Ingredienzen für Geschmack, Textur oder Farbe zu produzieren, die den Konsumentenwünschen nach «Clean label»-Lebensmittel nachkommen. Um neue Produkte zu entwickeln, die besser verdaulich und gesünder sind. Um neue Schutzkulturen herzustellen, die Lebensmittel sicherer machen. Um aus pflanzlichen Rohstoffen Proteine zu entwickeln, die bisher nur in tierischen Produkten vorkommen. Um Fleisch, das im Labor wächst, schneller wachsen zu lassen. Oder um aus Food Waste oder Nebenströmen aus der Produktion lebensmitteltaugliche Produkte zu machen.
Die grossen Vorteile der Fermentation: Sie funktioniert gut in grossen Mengen, in riesigen Tanks können Volumen von bis zu 600’000 Litern fermentiert werden. Sie geht schnell, teilweise können die Produkte alle paar Stunden geerntet werden. Und die Forschung und Entwicklung geht ziemlich rasch voran, vor allem verglichen mit der traditionellen Pflanzen- oder Tierzucht.
Wird die Fermentation kombiniert mit der sich ebenfalls rasch entwickelnden Bioinformatik und Biotechnologie, um interessante Proteine zu finden, zu kreieren und Bakterien entsprechend zu programmieren, dass in der Fermentation diese Proteine entstehen, werden die Vorteile offensichtlich: Gelingt es so, tierische Proteine zu ersetzen und irgendwann den Prozess rentabel zu machen, ist der Produktionsaufwand, verglichen mit der Aufzucht und dem Melken von Kühen oder der Schlachtung von Schweinen viel geringer. Auch der CO2-Ausstoss ist deutlich geringer.
Die grossen Player sind dabei
Das ist Zukunftsmusik, und trotzdem sie ist schon laut genug, dass viele grosse Ingredienzenhersteller mitspielen. ADM, Bunge, Cargill, Louis Dreyfus (Das ABCD der Rohstoffhändler), DSM, DuPont, Fonterra, Danone, Barilla, Kellogg, Kraft Heinz, Mars – alle betreten entweder selber mit Fermentation Neuland oder sind an mindestens einer Fermentationsfirma beteiligt. Auch Fleischkonzerne wie die brasilianische JBS oder die amerikanische Tyson Food investieren in diesen Bereich. Dazu kommen Investoren, die sich auf den Bereich Fleischalternativen spezialisiert haben, wie Stray Dog Capital, die Schweizer Investorengruppe Blue Horizon, aber beispielsweise auch Google Ventures, verschiedene Fonds von Bill Gates, der PayPal-Gründer Peter Thiel, die NASA oder eine kanadische Pensionskasse.
2019 wurden in Fermentation für alternative Proteine weltweit rund 274 Millionen Dollar investiert, in den ersten sieben Monaten von 2020 allein 435 Mio. Dollar, wie das amerikanische Good Food Institute in dem Bericht «State of the Industry Report: Fermentation» schreibt. Im gleichen Bericht werden 68 Firmen identifiziert, die sich weltweit mit der Fermentation von alternativen Proteinen befassen. Darunter sind Firmen wie Impossible Foods, Perfect Day, Clara Foods oder Nature’s Fynd (s. Kasten). Manche dieser Firmen sind bereits mit Produkten am Markt, viele sind noch in der Versuchs- oder in der Skalierungsphase.
Wie gross das Potenzial ist, verdeutlichte ein Webinar des Good Food Institute vom November 2020, in dem viele dieser Start-ups vertreten waren. Immer wieder war von der «Toolbox» die Rede, welche die Präzisionsfermentation bietet. Während durch «wilde Fermentation» komplexe Aromen entstehen, können mit der Präzisionsfermentation einzelne Aromakomponenten produziert und dann neu kombiniert werden. Das gleiche ist möglich mit technologischen Eigenschaften, Farbe oder Textur. «Das Ganze ist ein neuer Werkzeugkasten von Funktionalitäten für die Industrie», sagte Tim Geistlinger, Chefforscher bei Perfect Day. «Damit heben wir die ganze Lebensmittelproduktion auf ein neuese Level.» Damit würden auch Lieferketten vereinfacht und auf allen Stufen Kosten gesenkt.
Geistlinger betonte auch, dass beispielsweise die grossen Player der Milchindsutrie sich schon länger intensiv mit den Ingredienzen der Milch beschäftigten – ihre traditionelle Herstellung sei einfach sehr teuer. Die Hersteller seien deshalb sehr interessiert an den neuen Proteinen und wollten die Entwicklung nicht verpassen. Und dort, wo aus dem Fermenter Proteine kämen, die identisch seien mit den bekannten Milchproteinen, seien auch Bewilligungen von Behörden kein Problem – die Proteine seien ja bekannt.   
B.Z. Goldberg, früherer Filmproduzent und jetzt CEO der Firma Mediterranean Food Lab, wies darauf hin, dass in Sachen Fleischersatz nicht nur Burger, Nuggets oder Meat Balls im Fokus stehen. Im Schnitt würden 30 Prozent von geschlachteten Tieren in Aromen aller Art landen, in Bouillons, Fonds, Konzentraten oder Fischsauen. Auch hier gebe es ein grosses Potenzial für Aromen aus der Fermentation.   
Käse und mehr
Auch in der Schweiz ist Fermentation ein wichtiges Thema. Bei Agroscope, dem Kompetenzzentrum des Bundes für landwirtschaftliche Forschung, wird an neuen Anwendungen für die gut 13’000 Milchsäurebakterienstämme geforscht, die dort gehegt und gepflegt werden. «Das ist ein Schatz, den wir erst jetzt richtig zu heben beginnen können», sagt Remo Schmidt, Leiter der Forschungsgruppe Käsequalität, Kulturen und Terroir.
Dabei gibt es unterschiedliche Stossrichtungen, und viele davon betreffen im Käseland Schweiz natürlich den Käse. Zum Beispiel sollen für traditionelle Käsesorten neue Säuerungskulturen gefunden werden, die aus der gleichen Region stammen, und das Produkt idealerweise verbessern. Dafür setzen die Käsereien heute teilweise ausländische Kulturen ein. Für Raclette du Valais AOP und Vacherin Fribourgeois AOP entwickelt Agroscope solche Mischkulturen, sie sollen ab diesem Jahr schrittweise von den Käsereien eingesetzt werden können. «Dafür soll es es bewusst kein Standardrezept geben, damit die Vielfalt gefördert wird», sagt Schmidt. «Die Käser werden pröbeln müssen, ihren Produktionsprozess anpassen und ihre Erfahrung einbringen.»
Um die Nadel im Heuhaufen, nämlich die richtigen Kulturen in den 13’000 vorhandenen zu finden, grenzen Schmidt und das Forschungsteam ein: Welche Temperaturen müssen die Bakterien ertragen, welche technologischen Eigenschaften brauchen sie? Danach wird, mit Käse in der Agroscope-Versuchskäserei, der Geschmack getestet, einzeln und in Kombination mit anderen Bakterien. Irgendwann wird das gesamte Erbgut bestimmt, nicht zuletzt, um sicher zu sein, dass keine Antibiotikaresistenzen gezüchtet werden.
Den Bakterien auf der Spur
Die Kombination von klassischer Analyse mit Massenspektrometrie, Gaschromatografie und sensorischer Beschreibung kann immer besser mit der genetischen Beschreibung der Bakterien abgeglichen werden. «In den nächsten fünf bis zehn Jahren erhalten wir neue Instrumente, um die Möglichkeiten und Funktionen der verschiedenen Bakterienstämme immer besser kennenzulernen», sagt Schmidt.
Mit den gleichen Methoden sucht Agroscope auch Milchsäure-Bakterien für neue Anwendungen. So könnte beispielsweise auch die Fermentation von einheimischen Hülsenfrüchten ein Thema werden – interessant für die Produktion von neuartigen pflanzlichen Proteinenquellen. Allerdings gibt es dabei noch geschmackliche Herausforderungen, wie Schmidt zugibt. Gemeinsam mit der Hochschule für Agrar-, Forst und Lebensmittelwissenschaften HAFL in Zollikofen und einem Sauerkraut-Hersteller tüfteln Schmidt und sein Team auch an neuen Kulturen für Sauerkraut, wo Geschmack und Nährwert gezielt beeinflusst werden sollen. Man sei an weiteren Forschungsfragen interessiert, bei denen es um die Fermentation von pflanzlichen Kohlenhydraten zwecks Milch- und Fleischalternativen gehe, sagt Schmidt. Weil Firmen hier investiert hätten, könne er aber dazu nichts sagen.
State of the Industry Report, The Good Food Institute, 2020
s. auch: «Kommt die Disruption der Kuh?» in alimenta Nr. 20/2019

s. auch: «Facharbeiter mit Migrationshintergrund» in alimenta Nr. 11/2018