Proteinwende: Neue Quellen für die Baustoffe des Körpers

Proteine oder Eiweiße sind für uns Menschen überlebenswichtig. Sie erfüllen unterschiedliche Funktionen in jeder Zelle unseres Körpers und einige Organe wie Herz oder Hirn bestehen sogar überwiegend aus Proteinen. Daher sind sie ein essenzieller Bestandteil unserer Nahrung. Sie stecken zwar auch in pflanzlicher Kost, doch zu den bedeutendsten Proteinquellen zählen zurzeit tierische Produkte wie Eier, Milch, Fisch und Fleisch. Tierwohl, ökologischer Fußabdruck, gesundheitliche Bedenken und auch der wachsende Bedarf forcieren die Suche nach Alternativen. Die können auf Pflanzen basieren, wie zum Beispiel Erbsenprotein. Sie können von Mikroorganismen im Fermenter erzeugt werden. Sie können von Insekten stammen. Oder aus tierischen Zellen in der Petrischale gezüchtet werden. Manche dieser Alternativen haben mittlerweile einen festen Platz in den Supermarktregalen. Bei anderen sind noch Forschung und Entwicklung nötig. Im zweiten Teil unserer Serie wollen wir uns die Proteinquellen der Zukunft genauer anschauen.

Warum eigentlich der ganze Wirbel um die Proteine?

Würden wir den Zellen unseres Körpers das Wasser ablassen, bliebe eine Masse übrig, die zu mehr als 50 Prozent aus Proteinen besteht (Campbell, 1996). Die Stoffe, die wir im Alltag einfach Eiweiße nennen, sind für den Körper also wichtig. Mehr noch: Ohne Proteine könnten wir nicht leben. Sie geben unseren Zellen Struktur. Sie bewegen unsere Muskeln. Sie sind Transporter im Blut, Regulatoren in den Nerven und Katalysatoren im Stoffwechsel. Unser Körper baut sie selbst zusammen. Die Blaupausen dafür sind in unserer DNA gespeichert. Die Baustoffe dafür nennt man Aminosäuren.

Ein Erwachsener sollte 0,8 Gramm Protein pro Kilogramm Körpergewicht am Tag zu sich nehmen. Das empfiehlt die Deutsche Gesellschaft für Ernährung. Wer 85 Kilo wiegt, sollte also 68 Gramm davon verspeisen. Diese Menge wäre beispielsweise in knapp zehn Hühnereier der Größe M enthalten. Dabei ist Protein aber nicht gleich Protein. Denn während unser Körper das eine gut für seine Zwecke nutzen kann, sind andere eher suboptimal. Wie effizient das Eiweiß aus einer bestimmten Nahrungsquelle in körpereigenes Eiweiß umgebaut werden kann, nennen Ernährungswissenschaftler die biologische Wertigkeit. Hühnerei gilt mit 100 als die Referenz. Später wurde dann entdeckt, dass Molkenprotein mit 104 sogar noch über dem Referenzwert liegen. Tierische Lebensmittel liefern im Schnitt effizienter die Proteine, die wir benötigen. Denn sie haben einerseits eine hohe Wertigkeit und andererseits einen hohen Proteingehalt. Eine der höchsten biologischen Wertigkeiten lässt sich allerdings durch die Kombination von pflanzlichen und tierischen Proteinen erreichen. So haben zum Beispiel Kartoffeln mit Hühnerei zusammen eine biologische Wertigkeit von 137. Aber auch Pflanzen alleine liefern hochwertige Proteine. Allen voran die Sojabohne mit einer biologischen Wertigkeit von 96 (Synder and Kwon. 1987).

Eine ausgewogene Ernährung wäre im Prinzip das Beste, was wir unserem Körper antun könnten. Doch die Realität sieht anders aus. Der Hunger der Welt auf Fleisch wächst stetig. Seit Anfang der 60er-Jahre des vergangenen Jahrhunderts hat sich der globale Fleischkonsum verdoppelt. Allerdings regional ganz unterschiedlich. In den Jahren von 1961 bis 2019 legte beispielsweise der Fleischkonsum in Deutschland von 64,3 Kilogramm pro Kopf und Jahr auf 79,8 Kilogramm zu. Eine Steigerung von etwa 24 Prozent. Südkorea lag 2019 mit 80,9 Kilogramm pro Kopf und Jahr in etwa gleich auf. In den Sechzigern lag das Land aber noch bei 4 Kilogramm. Das entspricht einer Steigerung von rund 2.000 Prozent. Ein ähnliches Bild zeichnet sich bei vielen Ländern ab, die in den vergangenen Jahrzehnten den Wohlstand ihrer Bevölkerung maßgeblich erhöhen konnten. In Luxemburg lag der Fleischkonsum im Jahr 2021 übrigens bei knapp 85 Kilogramm pro Kopf. Es gibt aber auch kulturelle Unterschiede. So ist der Fleischkonsum in Ländern mit großen hinduistischen oder buddhistischen Gemeinschaften traditionell niedrig, da in beiden Religionen die vegetarische Ernährung ein hohes Ansehen genießt. Andererseits ist in traditionell nomadisch geprägten Kulturen wie jener der Mongolei ein höherer Fleischkonsum üblich als in den allermeisten Ländern der Welt.

Abbildung: Durchschnittliches Gesamtfleischangebot pro Person, gemessen in Kilogramm pro Jahr. Die Zahlen sind nicht um Abfälle auf Haushalts-/Konsumebene bereinigt und spiegeln daher möglicherweise nicht direkt die Menge an Lebensmitteln wider, die von einer bestimmten Person letztendlich verbraucht wird. Quelle: Our World in Data (CC-BY).

Kombiniert man nun das für die kommenden Jahre vorhergesagte Bevölkerungswachstum mit dem wachsenden Wohlstand, dann wird auch der Bedarf an tierischen Lebensmitteln weiterwachsen. Und das bringt einige Probleme mit sich. Denn Tiere brauchen Futter. In der Rinder-Intensivmast erhalten die Tiere beispielsweise Getreide, Mais oder Soja. Ähnlich gestaltet sich das auch für Schweine. Und auch für Hühner. Die Futtermittel könnten aber auch direkt zur menschlichen Ernährung dienen. Dadurch entsteht eine Konkurrenz um Anbauflächen. Natürlich können Rinder auch auf Weiden gehalten werden. In manchen Ökosystemen ist das der einzige Weg, da die Flächen nicht als Ackerland geeignet sind. Das Gras, das wir nicht essen können, würde also erst mal „durch die Kuh gehen“, sodass es für uns nutzbar wird. Doch auch das hat seine Tücken. Denn je höher der Viehbestand, umso mehr leiden die Böden darunter.

Fleisch ohne Fleisch

Die Lösung für das Proteindilemma klingt banal – man muss eben nur weniger Fleisch verzehren. Doch die Praxis zeigt, dass das gar nicht so einfach umzusetzen ist. Denn die Wahl der Ernährung ist eine persönliche Freiheit. Und Fleisch ist ein Kulturgut. Die Entscheidung ob und wie viel wir davon verzehren, muss letztendlich jeder für sich selbst treffen. Die Zahl derer, die sich für vegane oder vegetarische Ernährung entscheiden, steigt seit einigen Jahren. Darauf ist auch die Lebensmittelindustrie aufmerksam geworden. Und bietet veganen Fleischersatz. Als Zielgruppe werden dabei jene anvisiert, die aus geschmacklicher Sicht auf Fleisch nicht verzichten wollen, aber offen für eine Alternative sind. Die Produkte tragen dann Namen wie «veganer Bacon» oder «Sojaschnitzel». In Aussehen, Biss und Geschmack sollen sie möglichst nah ans tierische Original heranreichen, basiert aber auf Feldfrüchten wie Weizen, Soja, Quinoa, Ackerbohnen oder Erbsen. Die daraus gewonnenen Proteine werden mit Ölen, Fetten, Gewürzen und Verdickungsmittel gemischt.

Betrachtet man den ökologischen Fußabdruck, schneiden die Fleischersatzprodukte erwartungsgemäß besser ab als Fleisch. Denn die Pflanzen werden direkt verwendet und nehmen nicht den Umweg über Rind, Schwein und Co. Aus ernährungsphysiologischer Sicht spricht auch einiges für diese Lebensmittel. So enthalten sie in der Regel weniger gesättigte Fette und fast kein Cholesterol. Beide Stoffe werden als nachteilig für die Gesundheit betrachtet. Es gibt aber auch Stimmen, die zur Vorsicht bei veganen Ersatzprodukten mahnen. So handele es sich bis diesen um hoch verarbeitete Lebensmittel mit teilweise sehr langen Zutatenlisten. Gerade wenn der Zucker- oder Salzanteil hoch sei, würden hier die gleichen Risiken für die Gesundheit bestehen, wie bei anderen hoch verarbeiteten Lebensmitteln.

Eiweißproduzenten en miniature

Weißkohl machen sie zu Sauerkraut; Roggenmehl zu Sauerteigbrot; Gerste zu Bier und Traubensaft zu Wein. Wenn wir die richtigen Mikroorganismen für uns einspannen, dann können sie unseren Speiseplan dank dem Prozess der Fermentation wahrlich bereichern. Fermentation oder Gärung wurde die meiste Zeit der Menschheitsgeschichte vor allem angewandt, um Lebensmittel länger haltbar, bekömmlicher oder überhaupt erst nutzbar zu machen. So gelingt ein Brot aus reinem Roggenmehl nur, wenn es durch Milchsäuregärung zu einem Sauerteig wird. Joghurt und Käse wiederum halten sich länger als frische Milch. Ebenso wie sauer eingelegtes Gemüse. Die Herstellung all dieser Lebensmittel wird heute als klassische Fermentation bezeichnet. Dazu zählen übrigens auch das im asiatischen Raum verbreitete Tempeh, das ein Schimmelpilz aus gekochten Sojabohnen macht.

Abbildung: Tempeh, in Scheiben geschnitten. Quelle: FotoosVanRobin via Wikimedia Commons (CC-BY-SA 2.0)

Nach dem Prinzip des Tempeh werden heute Nebenströme aus der Pflanzenverarbeitung in ganz großem Stil in Proteine umgewandelt. Nebenströme nennt die Lebensmittelbranche all jene Reststoffe, die bei der Verarbeitung entstehen und nicht direkt verzehrt werden können. Rübenschnitzel aus der Zuckergewinnung zum Beispiel. Oder Traubentrester aus der Weinkelterei. Oder Apfeltrester aus der Saftherstellung. Biomassefermentation heißt das und als Protagonisten treten dabei Pilze auf den Plan. In stählernen Bioreaktoren durchdringt das Pilznetzwerk die Biomasse. Ihr Gewicht verdoppeln sie dabei in wenigen Stunden und bauen die Reststoffe dabei in wertvolle Eiweiße um. Die werden dann aufbereitet und weiterverarbeitet. Prominentestes Beispiel hierfür dürfte ein Fleischersatzprodukt namens Quorn sein.

Die Grenzen der Biomassefermentation liegen in der Biologie. Denn die Mikroorganismen stellen nur das her, was ihr Bauplan ihnen erlaubt. Doch den kann man ändern. Mit biotechnologischen Verfahren lässt sich das Erbgut der Mikroorganismen umprogrammieren, dass sie bestimmte Stoffe nach Maß produzieren. Präzisionsfermentation nennt sich das. Mit dieser wird zum Beispiel Lab erzeugt – ein Gemisch aus Enzymen, das wir zur Käseherstellung nutzen. Dieser Stoff entsteht normalerweise im Labmagen von Kälbchen und sorgt dafür, dass die Proteine der Milch ausfallen. Nun kann man das Lab aufwendig aus Kälbermägen extrahieren. Was Tausende von Jahren auch so passierte. Neben der Verwendung von mit Schimmelpilzen hergestellten Labaustauschstoffen gibt es auch die Möglichkeit einem harmlosen Bakterium ein Gen vom Rind zu verpassen und macht es so zur unermüdlichen Fabrik von Enzymen zu machen, die identisch zu den tierischen Originalen sind. Heute setzen Forscher und Lebensmitteltechnologen auf modernste gentechnischen Verfahren wie die Gen-Schere CRISPR/Cas und Algorithmen aus dem Bereich der künstlichen Intelligenz. So ist es mittlerweile möglich, Proteine der Kuhmilch oder des Hühnereis durch Bakterien in einer Nährlösung herstellen zu lassen. In alternativen Lebensmitteln lässt sich das verwenden, um Geschmack und Textur noch näher an das tierische Original heranzubringen. Wie das kalifornische Unternehmen Impossible Foods. Das nutzt einen genetisch umprogrammierten Hefepilz, um aus Pflanzen ein Protein namens Häm zu schaffen. Dieses verleiht Blut die Fähigkeit, Sauerstoff zu binden, und soll laut Forschern des Unternehmens dem Fleisch seinen Geschmack geben. Zu kaufen gibt es die rein pflanzlichen Burger Pattys mit dem tierischen Häm nur außerhalb der EU. Denn in der Gemeinschaft stehen dem noch die Gentechnik-Gesetze im Wege.

Auf die Spitze getrieben wird der Prozess mittlerweile durch einige Start-ups wie das österreichische Arkeon oder das finnische Solar Foods. Sie setzen auf Archaeen, sogenannte Urbakterien (NewMeat, 2023). Die brauchen keine Biomasse, um Proteine herzustellen. Ihnen reicht die Luft um uns herum. Dazu noch ein paar Spurenelemente und schon beginnen sie, Aminosäuren zusammenzusetzen. Endprodukt dieser Gas-Fermentation ist ein Proteinpulver, dass sich weiterverarbeiten lässt. Die Idee hinter diesem Ansatz: Wenn man keine Pflanzenreste mehr für diese Art der Fermentation benötigt, kann man mehr Menschen mit Eiweiß versorgen, ohne dass die Ackerfläche wächst. Und man könnte Nahrung produzieren, wo es sonst nicht möglich wäre. Bei bemannten Weltraummissionen zum Beispiel.

Insekten als Proteinlieferanten

Wenn von tierischen Proteinen die Rede ist, denken wir meist zuerst an Rind, Schwein, Huhn oder Fisch. Eine Klasse von Lebewesen haben wir dabei selten auf dem Schirm: die Insekten. Dass sich unter diesen viele Proteinlieferanten per excellence tummeln, wussten unsere Vorfahren schon seit den Kindertagen der Menschheit. So standen Käfer, Ameisen, Heuschrecken und Co in etlichen Kulturen rund um den Globus ganz selbstverständlich auf dem Speiseplan. Und tun es vielerorts noch heute. Mehr als 2.100 verschiedene Arten wurden bisher als genießbar für den Menschen identifiziert. Während für den Rest der Welt das große Krabbeln auf dem Speiseteller fast selbstverständlich dazugehört, war die westliche Welt von diesem Thema schon seit jeher eher angewidert. Mit einigen Ausnahmen: Kiewerlekszopp, die Maikäfersuppe, war in Deutschland und Frankreich bis ins letzte Jahrhundert verbreitet. Und Casu Marzu, in dem sich krabbelnde Fliegenlarven tummeln, ist es auf der Mittelmeerinsel Sardinien heute noch. Legt man die kulturelle Abneigung kurz beiseite, könnte man Insekten aber tatsächlich auch bei uns als durchaus lohnende alternative Proteinquelle sehen. Denn manche Arten bestehen nicht nur zu mehr als der Hälfte aus Eiweißen, sie enthalten auch alle essenziellen Aminosäuren. Der erste Schritt, sie bei uns zu nutzen, ist durch die Novel-Food-Verordnung der Europäischen Union bereits getan. Mehlwürmer, Wanderheuschrecken, Hausgrillen und ein Getreideschimmelkäfer sind darin als Lebensmittel zugelassen. Nun ist es an der Food-Branche, den Konsumenten Hausgrillenmehl oder Mehlwurmburger-Pattys schmackhaft zu machen.

Abbildung: Gefriergetrocknete Mehlwürmer (link) und Wanderheuschrecken (rechts) als Lebensmittel (Speiseinsekten) bzw. Lebensmittelzutat. Mehlwürmer sind die Larven des Mehlkäfers (Tenebrio molitor) und werden für den menschlichen Verzehr unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet. Die Wanderheuschrecken werden ebenso unter kontrollierten Bedingungen für den Verzehr gezüchtet, unter anderem in Deutschland. Quelle: insektenwirtschaft.de via Wikimedia Commons (CC-BY-SA 4.0).

Während das bei uns Menschen durchaus noch zu einer Herausforderung werden könnte, braucht es bei anderen Lebewesen da weniger Überzeugungskraft. Denn bei Schweinen oder Hühnern stehen Insekten von Natur aus auf dem Speiseplan. Deshalb liegt es nahe, die Krabbeltiere auch als Tierfutter in Mastbetrieben einzusetzen. Möglich ist das mittlerweile auch bei uns wieder. Nachdem im Zuge der BSE-Ausbrüche in den 90ern jegliche tierische Bestandteile im Futter verboten wurden, dürfen Insekten seit 2021 in der EU wieder verfüttert werden. Und dieser Schritt macht durchaus Sinn. Denn bisher liefert vor allem importiertes Soja die nötigen Proteine für unsere Nutztiere.

Fleisch ohne Tier

Ging es bisher darum, Fleisch durch pflanzliche Kost zu ersetzen oder zu imitieren, gehen machen Forscher und Unternehmer mittlerweile einen anderen Weg. Sie wollen Fleisch ohne Umweg über das Tier erzeugen. Das klingt nach Science-Fiction. Trotzdem versuchen sich mittlerweile 174 Start-ups auf der Welt daran. Dabei werden tierische Zellen in einer Nährlösung vermehrt, geerntet und aufbereitet. Die Vorteile: Ohne Tier fallen die meisten Argumente gegen Fleisch weg. Der Flächenverbrauch eines Bioreaktors ist gering. Es sterben keine Tiere. Es gibt keine Medikamentenrückstände wie Antibiotika mehr im Produkt. Und der Ressourceneinsatz ist geringer als bei der konventionellen Tierzucht. Genau da setzen aber auch die Gegenargumente an: Für die Zucht von Laborfleisch, so Kritiker, sei immer noch mehr Energieaufwand nötig als für den Anbau von Nutzpflanzen.

Was ist mit Fisch statt Fleisch?

Neben Fleisch und alternativen Proteinquellen liefern natürlich auch Fische und andere Meerestiere Eiweiße. Schon heute stammen viele unserer Lebensmittel aus dem Wasser. Und es könnten noch mehr werden. Im vierten Teil unserer Serie werfen wir einen Blick darauf, wie – neben Flüssen, Seen und Ozeanen – auch künstliche aquatische Lebensräume zu Puzzlesteinen für das Ernährungssystem der Zukunft werden könnten.

Ein kleines Fazit

Vor allem bei Vergleichen wie dem Letztgenannten ist immer auch ein wenig Vorsicht angemahnt. Das Totschlagargument ist allzu oft: Am besten für die Umwelt ist es, sich rein pflanzlich zu ernähren. Falsch ist diese Aussage nicht. Doch auch nicht wirklich zielführend. Denn mit Appellen die Ernährungsgewohnheiten vieler Millionen Menschen umzukrempeln, scheint recht illusorisch. Dabei die eine oder andere Option von vornherein zu verwerfen, ist da wahrscheinlich nicht so klug. Am Ende findet die Proteinwende sowieso an den Esstischen dieser Welt statt.

Autor: Kai Dürfeld (für scienceRELATIONS - Wissenschaftskommunikation)
Redaktion: Michèle Weber, Gideon Giesselmann (FNR)