Die mikrobielle Lebensmittelrevolution

Nature Communications Band 14, Artikelnummer: 2231 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Unser derzeitiges Lebensmittelsystem basiert auf nicht nachhaltigen Praktiken, die es einer wachsenden Bevölkerung oft nicht ermöglichen, eine gesunde Ernährung zu gewährleisten. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen nachhaltigen Ernährungsquellen und -prozessen. Mikroorganismen haben aufgrund ihres geringen CO2-Fußabdrucks, der geringen Abhängigkeit von Land, Wasser und saisonalen Schwankungen sowie ihres günstigen Ernährungsprofils als neue Nahrungsquellenlösung an Aufmerksamkeit gewonnen. Darüber hinaus hat sich mit dem Aufkommen und Einsatz neuer Werkzeuge, insbesondere in der synthetischen Biologie, der Einsatz von Mikroorganismen ausgeweitet und zeigt ein großes Potenzial zur Erfüllung vieler unserer Ernährungsbedürfnisse. In diesem Aufsatz betrachten wir die verschiedenen Anwendungen von Mikroorganismen in Lebensmitteln und untersuchen die Geschichte, den Stand der Technik und das Potenzial, aktuelle Lebensmittelsysteme zu stören. Wir decken sowohl den Einsatz von Mikroben zur Herstellung vollwertiger Lebensmittel aus ihrer Biomasse als auch den Einsatz von Zellfabriken zur Herstellung hochfunktioneller und nährstoffreicher Inhaltsstoffe ab. Darüber hinaus werden die technischen, wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Grenzen sowie die aktuellen und zukünftigen Perspektiven diskutiert.

Die derzeitigen Nahrungsmittelsysteme sind in eine Krise geraten, da sie Schwierigkeiten haben, mit dem Nährstoff- und Proteinbedarf in Verbindung mit dem Bevölkerungswachstum Schritt zu halten1. Alle unsere Ernährungssysteme – Landwirtschaft, Tierhaltung und Aquakultur – kämpfen mit der Degradierung von Land, dem Klimawandel und Klimakatastrophen, die in Zukunft zunehmen werden2. Obwohl die Umstellung auf pflanzliche Lebensmittel weniger umweltschädlich ist, hängt sie dennoch vom Klima oder der Jahreszeit sowie der intensiven Land-, Wasser- und Chemikaliennutzung ab3. Die Zeit für eine mikrobielle Revolution in der Ernährung ist reif, da Mikroorganismen das Potenzial haben, die derzeit verfügbaren Alternativen zu verbessern, zu verbessern oder sogar zu ersetzen4,5. Sie haben sich als ökologische und widerstandsfähige Nahrungsquelle erwiesen, insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Proteinquellen wie Fleisch6,7. Genetik und Systemdesign können die Nachhaltigkeit weiter vorantreiben, wenn erneuerbare Rohstoffe und Abfallrohstoffe berücksichtigt werden8,9. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihres dezentralen Charakters, der nicht auf Standortbeschränkungen wie Temperatur oder Wetter angewiesen ist, äußerst widerstandsfähig10. Schließlich weisen sie auch ein hohes Nährwertprofil11 auf, was angesichts zunehmender ernährungsbedingter Gesundheitsepidemien von entscheidender Bedeutung ist.

Mikroorganismen sind in der Geschichte der Lebensmittel kein Unbekannter; In jüngster Zeit hat die Forschung jedoch die enormen gesundheitlichen Vorteile und ökologischen Einsparungen aufgezeigt, die sich aus der Verwendung von Mikroorganismen in Lebensmitteln ergeben können12,13. Dies hat zu einer Explosion neuer Anwendungen, einer Verbesserung traditioneller Praktiken durch den Einsatz modernster Technologie14,15,16 und einem besseren Verständnis ihrer Rollen und Vorteile geführt13. Die Fermentation kann sowohl direkt auf Lebensmitteln angewendet werden, um Nährwert, Geschmack oder Textur zu verbessern17,18, als auch als Produktionsplattform zur Herstellung von Mehrwertzutaten in der Lebensmittelindustrie19,20,21 genutzt werden. Darüber hinaus beginnt die Nutzung der Fermentation zur Erzeugung mikrobieller Biomasse als Nahrungsquelle sowohl in Tierfutter als auch in Lebensmitteln für Menschen22,23,24. Allerdings gibt es bei jeder dieser Anwendungen Herausforderungen zu meistern, darunter Skalierbarkeit und wirtschaftliche oder ökologische Nachhaltigkeit. In diesen Bereichen können neuartige Werkzeuge eingesetzt werden, um die Entwicklung mikrobieller Lebensmittel zu verbessern und zu beschleunigen und aktuelle Einschränkungen zu überwinden. Dazu gehören die hochauflösende und Hochdurchsatzcharakterisierung von Mikroorganismen14,25 sowie gentechnische und metabolische Engineering-Tools4. Durch die Entwicklung und Auswahl von Sorten ist es möglich, den Geschmack26 und den Nährwert20,27,28 zu verbessern und die Nachhaltigkeit durch den Einsatz von Futterabfällen oder billigen, nicht konkurrierenden Kohlenstoffquellen8,29 zu erhöhen. Dies kann zu einer zunehmenden Anwendung und Aufnahme beitragen und so eine mikrobielle Revolution in Lebensmitteln vorantreiben.

Aufgrund des hohen Potenzials und der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten von Mikroben in Lebensmitteln gab es in jüngster Zeit zahlreiche Neugründungen in diesem Bereich, die von der Verbesserung der traditionellen Fermentation bis hin zur Entwicklung neuer Produkte reichten (Tabelle 1). Für den technischen Fortschritt und die Verbraucherakzeptanz besteht noch Entwicklungsbedarf, aber der Bereich der einzelligen Proteine ​​und manipulierten Mikroben in Lebensmitteln birgt großes Potenzial, wie in diesem Aufsatz untersucht wird. Diese Übersicht soll einen Überblick über die verschiedenen Anwendungen von Mikroorganismen in Lebensmitteln geben, die von traditionellen Fermentationstechniken bis hin zu biotechnologischen Anwendungen der Zutatenproduktion reichen (siehe Abb. 1). Es behandelt die verschiedenen neuartigen Anwendungen von Mikroben im Lebensmittelsystem sowie die Rolle der synthetischen Biologie bei der Weiterentwicklung dieses Bereichs. Abschließend werden die Hindernisse und Zukunftsperspektiven betrachtet.

Ein Blick auf die verschiedenen Anwendungen, die auf mikrobiellen Prozessen beruhen. Der Stand der Technik in jedem Prozess wird ebenso erläutert wie die aktuelle oder potenzielle Rolle der Gentechnik und anderer zukünftiger Entwicklungen zur Verbesserung des Prozesses oder der Verwendung.

Mikroorganismen wurden erstmals vom Menschen im Nahrungsmittelsystem zur Fermentation genutzt. Die Fermentation ist eine der frühesten bekannten Lebensmitteltechnologien, die bis ins Jahr 7000 v. Chr. oder früher zurückreicht und unabhängig voneinander in mehreren alten Kulturen entstand30,31. Neben dem Räuchern und Salzen war die Fermentation eine primäre Methode zur Lebensmittelkonservierung und somit eine entscheidende Technologie für den Aufstieg menschlicher Zivilisationen32. Darüber hinaus wurden durch den Prozess auch viele neue Produkte, Geschmacksrichtungen und Geschmacksrichtungen eingeführt. Verschiedene fermentierte Produkte entstanden aus bestimmten Umgebungen und Bedingungen, die eine Vielfalt essbarer Produkte hervorbrachten32. Dazu gehören unter anderem Milchprodukte wie Käse und Joghurt, alkoholische Produkte wie Bier und Wein, fermentierte Bohnenprodukte wie Sojasauce, Douchi (豆豉) und Natto, andere Gemüsesorten wie Sauerkraut und Kimchi und viele mehr32 .

Das Aufkommen neuer Verarbeitungs- und Konservierungsmethoden wie Kühlung, die Verwendung natürlicher und künstlicher Konservierungsstoffe sowie Einfrieren und Vakuumieren haben unter anderem Alternativen zur traditionellen Fermentation geschaffen. In jüngerer Zeit haben uns jedoch Forschungsergebnisse auf die vielen gesundheitlichen Vorteile aufmerksam gemacht, die das Vorhandensein von Mikroben in Lebensmitteln mit sich bringt13,33, was zu einem Wiederaufleben der Beliebtheit geführt hat, und viele neu populäre Gesundheitsnahrungsmittel sind fermentiert oder enthalten fermentierte Inhaltsstoffe. Verschärft wird dies durch den Aufstieg der pflanzlichen Ernährung und den zunehmenden Zugang zu internationalen Lebensmitteln – darunter viele traditionell fermentierte Produkte. Ein gutes Beispiel ist Kombucha, ein traditionelles fermentiertes Teegetränk aus der Mandschurei, das mit vielen angeblichen gesundheitlichen Vorteilen auf den internationalen Markt gebracht wurde und heute einen Wert von über 1 Milliarde US-Dollar hat34. Weitere bekannte Beispiele sind Tempeh und Tofu, zwei fermentierte Sojabohnenprodukte aus Indonesien bzw. China, die mittlerweile weltweit als fleischalternative Proteinquellen konsumiert werden35.

Unter Fermentation im Zusammenhang mit Lebensmitteln versteht man die enzymatische Umwandlung von Rohstoffen in Gegenwart von Mikroorganismen13,36. Diese Umwandlungen führen zu einer Veränderung ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften. Viele der resultierenden Metaboliten spielen eine aktive Rolle bei der Lebensmittelkonservierung, indem sie das Wachstum kontaminierender oder verderbender Krankheitserreger hemmen und die Haltbarkeit verlängern, andere tragen jedoch zu Ernährung, Textur, Geschmack und Geruch bei13. Je nach Zusammensetzung können fermentierte Lebensmittel auch gesundheitliche Vorteile mit sich bringen. Die Liste ist eine kurze Zusammenfassung einiger der wichtigsten Vorteile, obwohl ausführliche Rezensionen zu diesem Thema gefunden werden können18,37:

Mikrobiom-verstärkende (oder probiotische) Eigenschaften: Das Darmmikrobiom erweist sich zunehmend als entscheidend für die Erhaltung der Gesundheit38. Die Verwendung von probiotischen Nahrungsergänzungsmitteln ist weit verbreitet, obwohl der gesundheitliche Nutzen und die Zusammensetzung des Stammes weiterhin kontroverse Themen sind39. Der Verzehr bestimmter fermentierter Lebensmittel selbst hat nachweislich eine probiotische und gesundheitsfördernde Wirkung40.

Erhöhte Bioverfügbarkeit von Nährstoffen in Lebensmitteln: Dies ist darauf zurückzuführen, dass Mikroorganismen die Nahrung aufspalten, um die Verdauung und Aufnahme aufgenommener Nährstoffe zu erleichtern. Beispielsweise kann die Milchsäuregärung den Eisengehalt des Lebensmittels erhöhen, indem der pH-Wert und der Säuregehalt für die Löslichkeit optimiert werden41. Ebenso kann die Fermentation den Nährwert von Lebensmitteln verbessern, indem sie ernährungshemmende Faktoren beeinträchtigt, die die Verfügbarkeit von Proteinen, Kohlenhydraten oder sekundären Pflanzenstoffen beeinträchtigen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass Trypsininhibitoren, die reichlich in verschiedenen Getreidearten, Körnern und Hülsenfrüchten vorkommen, in fermentierten Lebensmitteln eine verringerte Wirkung haben42.

Reduzierung des glykämischen Index: Der glykämische Index (GI) misst, wie schnell Kohlenhydrate in der Nahrung den Blutzuckerspiegel erhöhen43. Probiotische und/oder fermentierte Cerealien, Pseudogetreide und Milchprodukte wurden mit einer Verringerung des GI der Nahrung und der Blutzuckerreaktion in Verbindung gebracht43,44. Es hat sich gezeigt, dass eine Verringerung der gastrointestinalen Aufnahme und Reaktion die Risikofaktoren für Krankheiten wie Typ-II-Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen verringert43.

Giftstoffe entfernen: Mikrobielle Konsortien können auch wirken, indem sie toxische Verbindungen entfernen und das Wachstum pathogener Arten hemmen. Beispielsweise wurde gezeigt, dass Aflatoxin, ein häufiges Toxin, das in mit Aspergillus flavus kontaminierten Lebensmitteln vorkommt, in verschiedenen fermentativen Prozessen enzymatisch reduziert wird45. Auch freie Radikale in Gemüse- und Obstprodukten werden während der Fermentation reduziert46.

Biochemische Wege zur Herstellung gesundheitsfördernder Verbindungen: Viele Mikroorganismen produzieren auf natürliche Weise ernährungsphysiologisch nützliche chemische Verbindungen, darunter unter anderem Antioxidantien, mehrfach ungesättigte Fettsäuren, konjugierte Linolsäuren (CLA), Sphingolipide, Vitamine und Mineralien4,47,48.

Allerdings führt die Fermentation nicht immer zu einer Verbesserung der Lebensmittel und unerwünschte Mikroorganismen können sich negativ auf einige Ernährungsaspekte auswirken. Einige Beispiele umfassen die Produktion toxischer biogener Amine durch Milchsäurebakterien35, einschließlich eines Anstiegs von freiem Histamin aufgrund der hohen Präsenz von Histidin-produzierenden Enzymen (L-Histidin-Decarboxylase) in Mikroorganismen49. Um dem entgegenzuwirken, wurden Strategien entwickelt, um entweder die Stammauswahl zu optimieren50 oder manipulierte Stämme zu verwenden, um den biogenen Aminabbau zu verbessern51. Abschließend ist auch anzumerken, dass viele gesundheitsbezogene Angaben im Zusammenhang mit fermentierten Lebensmitteln noch nicht vollständig durch randomisierte, kontrollierte Studien überprüft wurden und häufig zu Marketingzwecken übertrieben wurden52.

Mikrobielle Biomasse selbst weist häufig auch Eigenschaften auf, die sich für den Verzehr als Nahrungsmittel eignen, einschließlich eines hohen Gehalts an Proteinen, Ballaststoffen und bioaktiven Verbindungen (siehe Abb. 2).

Das linke Feld zeigt die verschiedenen Bestandteile von Mikroorganismen, die für den Nährstoffbedarf von Nutzen sind. Dazu gehören sowohl makromolekulare Elemente wie Proteine ​​und Ballaststoffe als auch kleine bioaktive Verbindungen. Das rechte Feld zeigt die relativen Mengen an Ballaststoffen, Proteinen und Mikronährstoffen in vier Gruppen von Mikroorganismen, die üblicherweise für Lebensmittelanwendungen verwendet werden, basierend auf Vergleichen aus der Übersicht von Ravindra11.

Alle Mikroorganismen zeichnen sich im Allgemeinen durch einen hohen Proteingehalt aus, wobei Algenarten durchschnittlich 40–60 %, Pilze 30–70 % und Bakterien durchschnittlich 53 bis 80 % ausmachen11,12. Darüber hinaus sind viele Arten vollständige Aminosäurequellen und enthalten ausreichende Mengen an essentiellen Aminosäuren, die der Mensch nicht synthetisieren kann und die er über die Nahrung aufnehmen muss53. Darüber hinaus verfügen viele Mikroben über einen hohen Gehalt an essentiellen Aminosäuren, die in Pflanzen fehlen54.

Ballaststoffe, resistente Kohlenhydrate, die für die Erhaltung der Darmgesundheit von entscheidender Bedeutung sind55, sind bei vielen Mikrobenarten ebenfalls erhöht11. Algen beispielsweise haben einen hohen Ballaststoffgehalt, der hauptsächlich aus unlöslichen Fasern, Zellulose und anderen Polysacchariden besteht, die in ihren Zellwänden vorkommen56. Sowohl Fadenpilze als auch Hefen verfügen über potenziell nützliche Ballaststoffe, nämlich \({{{{{\rm{\beta }}}}}}\)-Glucan und Mannan-Oligosaccharide, die beide als Nahrungsergänzungsmittel für die Darmgesundheit konsumiert werden immunstärkende Wirkung57,58.

Obwohl der Lipidgehalt im Vergleich zu tierischen Produkten im Allgemeinen niedrig ist, sind ölhaltige Hefen und Algen eine Quelle hochwertiger Nahrungslipide, insbesondere langkettiger mehrfach ungesättigter Fettsäuren34,59. Interessanterweise kann der Gesamtkaloriengehalt recht niedrig sein, wie zum Beispiel bei handelsüblichen Nährhefeflocken, die 400 Kalorien pro 100 g enthalten, was ein hohes Verhältnis von Nährstoffen zu Energie mit sich bringt. Schließlich weisen Mikroorganismen häufig einen hohen endogenen Gehalt an ernährungsrelevanten Verbindungen auf, darunter Vitamine, Mineralien, Antioxidantien und andere funktionelle Inhaltsstoffe11.

Das Nährwertprofil von Mikroorganismen erfordert weitere Untersuchungen, da ihre Verwendung immer weiter verbreitet wird. Die tatsächliche Verdaulichkeit der oben diskutierten Elemente ist noch nicht vollständig geklärt11 und die Zusammensetzungen können je nach Art und Umgebung, in der sie angebaut werden, stark variieren60. Die Auswahl der Arten muss sorgfältig erfolgen, da einige Mikroorganismen auch erhebliche Sicherheits- und Gesundheitsrisiken mit sich bringen. Bei Mikroorganismen wird häufig ein erhöhter RNA-Gehalt beobachtet, der zu gesundheitlichen Problemen wie Gicht und Nierensteinen führen kann61. Einige Pilz- und Bakterienarten produzieren auch Allergene und Toxine und eignen sich daher nicht als Nahrungsmittel oder müssen vor der Einnahme verarbeitet werden11. Durch die sorgfältige Auswahl von Arten, Substraten und Bedingungen können die Ernährungsaspekte des Futters an spezifische Bedürfnisse angepasst werden.

Die Fermentation kann durch spezielle Auswahl, Züchtung oder Entwicklung von Mikrobenstämmen optimiert werden, um das Aussehen, den Geschmack oder das Gesundheitsprofil fermentierter Lebensmittel zu verbessern18,62,63. Traditionell wurden Züchtungs- und Selektionstechniken eingesetzt, um günstige Eigenschaften zu selektieren, noch bevor die Biologie von Mikroben entdeckt wurde, was zu sehr unterschiedlichen Stämmen für bestimmte Verwendungszwecke führte30. Mithilfe genetischer Profilierungstechniken und Omics-Technologie sind wir nun in der Lage, Stämme mit günstigen Eigenschaften weiter zu identifizieren14,15. Eine groß angelegte Analyse hat auch die Identifizierung von Stämmen mit gewünschten Aromen ermöglicht, die durch Hybridisierungstechniken weiter verbessert wurden16.

In jüngerer Zeit wurde die Fermentation durch den Einsatz von Gentechnik verbessert, bei der Stämme, die bei der traditionellen Fermentation verwendet werden, manipuliert werden können, um zusätzliche nützliche Produkte zu produzieren. Einige Beispiele für Modifikationen umfassen die erhöhte Produktion von B-Vitaminen in Laktobazillen, die in Milchprodukten verwendet werden63,64 oder die Synthese von Aromastoffen in S. cerevisiae-Stämmen für neuartige und verbesserte Bieraromen65.

Gentechnik wurde auch eingesetzt, um die Nachhaltigkeit der fermentativen Lebensmittelprozesse zu verbessern, was durch die Erweiterung oder Verbesserung des Substratangebots und der Substratnutzung erreicht werden kann22,66,67 Dies fördert das Potenzial für die Verwendung von Abfallrohstoffen8,9 und den Übergang zu einer vollständigen Kreislaufwirtschaft.

Es ist erwähnenswert, dass viele Fermentationsprozesse von mikrobiellen Gemeinschaften und nicht von einzelnen Stämmen durchgeführt werden, was das Verständnis noch komplexer macht und unsere Fähigkeit, sie zu verbessern, einschränkt. Fortschritte in der Sequenzierungstechnologie und der Systembiologie haben es uns ermöglicht, unser Wissen über mikrobielle Konsortien zu verbessern, einschließlich solcher, die natürlicherweise in Lebensmitteln vorkommen, wie in früheren Arbeiten besprochen68,69. Darüber hinaus wurden in den letzten Jahren speziell zur Entwicklung mikrobieller Gemeinschaften entwickelte Werkzeuge der synthetischen Biologie entwickelt70, die das Potenzial haben, zur Verbesserung der Lebensmittelherstellung eingesetzt zu werden. Dazu gehört die Verteilung der metabolischen Belastung, beispielsweise wenn zwei Strategien zur Reduzierung der Bräunung bei der Sojasaucenproduktion entwickelt wurden, um bei zwei Mikrobenarten synergistisch zu wirken71, oder die Verbesserung natürlicher Kokultureigenschaften, wie etwa die Verbesserung von Quorum-Sensing-Mechanismen, die den Verderb von Lebensmitteln reduzieren72.

Die Verwendung von Mikroben als Lebensmittelzutat wird als Einzelzellprotein (SCP) bezeichnet und bezieht sich normalerweise entweder auf getrocknete oder verarbeitete Mikrobenbiomasse oder auf die daraus extrahierten Proteine. Es kann entweder als Ergänzung, Zutat oder als Hauptnahrungsquelle eingenommen werden (siehe Abb. 1). Dank seines Potenzials für eine nachhaltige Fermentation8,28 und seines günstigen Nährwertprofils11 hat es das Potenzial, ein wichtiger Bestandteil unserer Ernährung zu werden.

SCP hat eine lange und abwechslungsreiche Geschichte, die vor den Weltkriegen begann und bis ins späte und mittlere 20. Jahrhundert andauerte73,74. Allerdings wurden die meisten Projekte angesichts steigender Energiekosten und des Erfolgs der grünen Revolution eingestellt, obwohl einige Hinterlassenschaften bestehen bleiben75. Eines der ersten davon ist Marmite, das 1902 als Nebenprodukt der Bierindustrie auf den Markt kam und sogar als Armeeration als Quelle für B-Vitamine konsumiert wurde61. Seitdem gab es Entwicklungen bei anderen, stärker strukturierten SCPs – insbesondere dem von Quorn. Das in den 1980er Jahren gegründete Unternehmen Quorn stellt SCP aus dem Fadenpilz Fusarium venenatum her und behandelt es anschließend, um überschüssigen Nukleinsäuregehalt zu entfernen, und texturiert es schließlich, um Fleischersatz herzustellen76. Mittlerweile handelt es sich um ein weitverbreitetes Produkt, das in 17 Ländern mit einem gemeldeten Umsatz von 236 Millionen GBP im Jahr 2020 verkauft wird. SCPs werden auch als Nahrungsergänzungsmittel konsumiert, beispielsweise die Mikroalgen Chlorella und Spirulina, die reich an Proteinen sowie Phytonährstoffen sind Vitamine77.

Angesichts der ökologischen und ernährungsphysiologischen Vorteile von SCPs besteht eine erneute Nachfrage, die zur Erforschung neuer SCP-Quellen sowie neuartiger Anbaumethoden geführt hat. Es gibt eine Vielzahl von Start-up-Unternehmen, die versuchen, neue SCP-Produkte auf den Markt zu bringen. Einige Beispiele sind in Tabelle 1 aufgeführt. Viele Start-ups konzentrieren sich auf Fleischalternativen.

Bisher konzentrierten sich die meisten Forschungsarbeiten auf Wildtyp-Stämme (nicht gentechnisch verändert), die auf der Grundlage ihres Proteingehalts ausgewählt wurden und deren Produktion durch Manipulation der Wachstumsbedingungen optimiert wurde. Die synthetische Biologie hat das Potenzial, ausgewählte Stämme so zu manipulieren, dass sie die Proteinproduktion weiter verbessern. Dies kann erreicht werden, indem (1) die Kapazität zur effizienten Nutzung wünschenswerter Rohstoffe verbessert und erweitert wird, (2) die Erträge für die Biomasse- und Proteinproduktion verbessert werden und (3) Funktionalitäten hinzugefügt werden zum einzelligen Protein durch die gleichzeitige Produktion wertvoller Verbindungen wie Vitamine oder Antioxidantien78. Eine Verbesserung des Wachstums und der Substratnutzung kann ökologische und ökonomische Aspekte erheblich verbessern, beispielsweise durch die Umwandlung von Abfällen in Proteine79.

Mikroben sind ein vielversprechender Ersatz für Fleischprodukte. Dies liegt an ihrem passenden Protein- und Nährstoffgehalt sowie an ihrem Potenzial, so verändert und texturiert zu werden, dass sie Fleisch ähneln.

Eines der etabliertesten Unternehmen ist Quorn, das aus Fadenpilzen gewonnenes SCP herstellt. Quorn hat Produkte, die Fleischprodukten ähneln, von Chicken Nuggets bis hin zu Rinderhackfleisch, und verfügt über eine große Auswahl an verschiedenen Texturen und Formen, die in Refs erhältlich sind. 80, 81. Um dies zu erreichen, werden die langen Hyphenstränge mit Bindemitteln vermischt und dann wird dieser Faser-Gel-Komplex gefriertexturiert, was Hyphenlaminierungen ermöglicht, die die faserige Textur von Fleisch nachbilden80. Andere Start-ups, darunter Meati Foods, Mycorena und Nature's Fynd, stellen ebenfalls Fleischanaloga aus Fadenpilzen her.

Neben der Nachahmung des Nährwertprofils oder des Proteingehalts können Fleischaromen auch durch Mikroben erzeugt werden. Diese Produkte können extrahiert und gereinigt werden, oder es kann die gesamte mikrobielle Biomasse genutzt werden. Im Impossible-Burger beispielsweise wird Pichia pastoris so entwickelt, dass es Sojabohnen-Leghämoglobin c226 produziert, das einen Teil des Geschmacksprofils von Fleisch nachahmt. Der gentechnisch veränderte Mikroorganismus wird dann mit anderen Zutaten, einschließlich Soja- und Kartoffelproteinen, vermischt. Hämoglobin wird auch als eigenständige Zutat für pflanzliches Fleisch hergestellt, beispielsweise im Start-up Motif Foodworks. In der Wissenschaft wird intensiv daran gearbeitet, viele Variationen von Hämoglobinproteinen herzustellen, die für zukünftige Geschmackserweiterungen verantwortlich sein könnten82. Es können auch weitere Einzelbestandteile von Fleisch entstehen, etwa die Strukturelemente Gelatine und Kollagen83,84.

Schließlich besteht eine der größten Herausforderungen bei der Nachbildung von Fleisch darin, eine angemessene Lipidzusammensetzung und einen angemessenen Lipidgehalt bereitzustellen. Die meisten pflanzlichen Alternativen verwenden Pflanzenöle, die einen stark unterschiedlichen Geschmack und Mundgefühl haben. Auch der endogene Lipidgehalt von Mikroben unterscheidet sich deutlich von dem von Fleisch; Es gibt jedoch umfangreiche wissenschaftliche Forschung zur Produktion von Nahrungslipiden in Mikroben. Es wurde festgestellt, dass ölhaltige Arten eine geeignete Produktionsplattform für äußerst nährstoffreiche Fettsäuren sind, beispielsweise Omega-3-Fettsäuren, die reichlich in Fisch vorkommen27. Darüber hinaus bieten uns Fortschritte bei der Produktion mikrobieller Öle nicht nur die Möglichkeit, die Lipidzusammensetzung anzupassen, sondern auch Fettsäuren so zu modifizieren, dass sie besser für Tierersatzzwecke geeignet sind85. Der Nachahmung tierischer Fette wird in der akademischen Forschung wenig Aufmerksamkeit geschenkt, obwohl Start-ups wie Melt & Marble und Nourish Ingredients darauf abzielen, durch Fermentation Nahrungsfette als Ersatz für tierische Fette herzustellen.

Technische Mikroben haben auch das Potenzial, tierische Produkte wie Milchprodukte und Eier nachzubilden. Dies geschieht durch Präzisionsfermentation, bei der die Wege einzelner Komponenten in Mikroorganismen manipuliert wurden.

Milch besteht aus Oligosacchariden, Fetten, Zuckern und Proteinen, hauptsächlich aus Kasein und Molke4. Diese verschiedenen Komponenten werden mithilfe der synthetischen Biologie in Mikroorganismen4 reproduziert. Die wichtigsten Milchproteine, nämlich Kaseinproteine ​​und Molkenproteine, wurden erfolgreich in verschiedene Organismen, darunter Bakterien und Hefen, eingebaut4. Diese Technologien werden von verschiedenen Start-ups eingesetzt, die tierfreie Milch entwickeln, wie etwa Perfect Day, Better Dairy und Formo, die gereinigte Milchproteine ​​verwenden, die aus mikrobiellen Zellfabriken extrahiert und mit anderen Fetten und Zuckern gemischt werden.

Auch menschliche Muttermilch wurde erforscht, da angenommen wird, dass sie wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung der Darmflora und des Immunsystems des Neugeborenen hat86. Komponenten wie Milchfette und Milch-Oligosaccharide wurden mit Präzisionsfermentation für menschliche Muttermilch entwickelt, sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie, beispielsweise vom KMU Conagen. Muttermilch-Oligosaccharide (HMOs) wurden sowohl in S. cerevisiae als auch in B. subtilis87 und Muttermilchfette in der Ölhefe Y. lipolytica88 produziert. Die probiotischen Wirkungen können auch nachgeahmt werden, indem das Mikrobiom der Muttermilch durch die Zugabe mikrobieller Populationen zur Säuglingsnahrung wiederhergestellt wird89. Die tatsächlichen Wirkungen dieser Nahrungsergänzungsmittel würden von weiteren Studien am Menschen profitieren.

Eier verfügen über eine größere und komplexere Gruppe von Proteinen, die für ihre einzigartige Textur und ihren einzigartigen Geschmack verantwortlich sind. Es gab jedoch Versuche, verschiedene Proteine ​​rekombinant zu exprimieren, zunächst für Allergenitäts- und Proteinstudien90,91 und in jüngerer Zeit als Lebensmittelzutaten92,93. Darüber hinaus gibt es auch kommerzielle Bemühungen, Ei-Alternativprodukte herzustellen, die aus mehreren Eiproteinen bestehen. Dazu gehört das Start-up EVERY, das 2021 ein Eiweißprodukt aus rekombinant hergestellten Proteinen auf den Markt brachte.

Ein tierischer Inhaltsstoff, der durch Präzisionsfermentation bereits weitgehend ersetzt wurde, ist Lab, eine Enzymmischung mit Chymosin, die in der Magenschleimhaut junger Wiederkäuer vorkommt. Kommerzielles Chymosin wird heute hauptsächlich in Aspergillus niger hergestellt, wodurch viele Käsesorten für Vegetarier geeignet wurden und der Preis gesenkt wurde, was den Käseherstellern zugute kam94.

Die Verwendung von Mikroben in Tierfutter tauchte erstmals vor über einem Jahrhundert auf, als Max Delbruck Brauereinebenprodukte als Futterzusatz verwendete. In jüngerer Zeit hat sich die Verwendung von Mikroorganismen als Haupt- oder Ergänzungsnahrungsquelle sowohl in der Tierhaltung95 als auch in der Aquakultur23 als Industriestandard etabliert. Dies ist auf die zunehmende Erleichterung der Regulierung und die zunehmenden technologischen Möglichkeiten sowie auf den wachsenden Druck auf Kosten und ökologische Effizienz zurückzuführen96.

Viele verschiedene Mikrobenarten wurden auf ihre Vorteile sowohl für die Tiergesundheit als auch für die Produktionsleistung untersucht23,24. Verschiedene Mikrobenarten haben jeweils ihre eigenen Einschränkungen und Vorteile und müssen daher auf die gewünschten Funktionen und Nutztiere abgestimmt werden23,24. Darüber hinaus gibt es verschiedene Verabreichungsoptionen – unter anderem als alleinige Nahrungsquelle23, als Nahrungszusatzstoff24 oder als Probiotikum97,98.

Nahrungsergänzungsmittel mit lebenden Mikroben können als Probiotika wirken und entweder von Arten verabreicht werden, um den Darm zu besiedeln und zu integrieren, um die vorhandene Mikroflora zu verbessern, oder um durch Modulation des pH-Werts zum Gleichgewicht der vorhandenen Mikrobiota beizutragen, vorhandene Mikroorganismen zu ernähren und sich gegen pathogene Arten zu verteidigen. Der Einsatz von Probiotika in Tierfutter wird zur Industrienorm, da er große therapeutische Vorteile bietet und gleichzeitig den Bedarf an Medikamenten und Antibiotika verringert. Darüber hinaus verbessert der Einsatz von Probiotika nachweislich die Futteraufnahme, die Immunantwort und die Stresstoleranz97,98,99. Es wurde auch mit erhöhtem Wachstum, erhöhter Biomasse und Milchproduktion in Verbindung gebracht97.

Die neue Generation von SCP-basiertem Tierfutter verwendet gentechnisch veränderte Mikroorganismen, die ernährungsphysiologisch auf das Zieltier zugeschnitten sind28,78,100. Darüber hinaus kann es auch als nutrazeutische und therapeutische Plattform eingesetzt werden, beispielsweise in der zuvor kommerziell mit Omega-3 angereicherten Yarrowia-Biomasse, die in Verlasso®-Lachs101 zum Einsatz kommt, und in den Bemühungen von Start-ups wie Cyanofeed (siehe Tabelle 1). Vitamine, Fettsäuren und Phytonährstoffe wurden erfolgreich über das Futter zugeführt28. Schließlich kann die Entwicklung von Organismen zur Nutzung von Abfallstoffen als Kohlenstoffquellen den ökologischen Fußabdruck stark verschmutzender Tierhaltungsindustrien erheblich verringern28,29.

Eine der am weitesten entwickelten Anwendungen von gentechnisch veränderten Mikroben in unserem aktuellen Lebensmittelökosystem ist die Produktion von Zutaten und Zusatzstoffen. Seit Jahrzehnten werden Mikroorganismen ausgewählt und verbessert, um die Synthese von Molekülen von Interesse zu maximieren, zunächst durch Zufallsmutagenese und Selektion und dann durch Gen- und Stoffwechseltechnik in einer Praxis namens Präzisionsfermentation16,21. Ein paradigmatisches Beispiel ist die Produktion von Vitamin B2, bei der in den 90er Jahren die chemische Synthese durch Fermentation ersetzt wurde102. Die Ausbeuten und Produktivitäten der Prozesse sind entscheidend für die wirtschaftliche Machbarkeit, und daher spielt Metabolic Engineering nicht nur eine wichtige Rolle bei der Steigerung der Ausbeuten, sondern auch bei der Ermöglichung der Produktion heterologer Chemikalien22. Interessanterweise wird die Verwendung gentechnisch veränderter Stämme zur Herstellung bestimmter Verbindungen von den Verbrauchern allgemein gut angenommen. Dies liegt daran, dass am Ende des Fermentationsprozesses die gewünschten Moleküle extrahiert und gereinigt werden. Sie sind daher typischerweise frei von rekombinanten Zellen oder DNA, sodass sie als Naturprodukte gekennzeichnet werden können103.

Während die meisten Nutraceuticals und Zusatzstoffe mit gesundheitlichem Nutzen immer noch durch chemische Synthese oder Pflanzenextraktion hergestellt werden, wird eine zunehmende Zahl von ihnen mittlerweile durch Mikroorganismen biologisch hergestellt4. Einige dieser Nutraceuticals umfassen wasserlösliche Vitamine (Vitamin B-Komplex und Vitamin C) sowie fettlösliche Vitamine (Vitamin A/D/E und Vitamin K)20. Andere von gentechnisch veränderten Mikroben hergestellte Nutrazeutika wurden an anderer Stelle besprochen21, und die Liste umfasst Omega-3-Fettsäuren, Polyphenole wie Resveratrol und Naringenin, Carotinoide wie Beta-Carotin oder Astaxanthin und nicht proteinogene Aminosäuren wie GABA und Beta-Alanin . Andere von Mikroben hergestellte Zutaten sollen die organoleptischen Eigenschaften der Lebensmittel, denen sie zugesetzt werden, verbessern und so Geschmack, Geruch, Farbe und Haptik verbessern. Geschmacksverstärker wie Glutamat (MSG), Inosinmonophosphat (IMP) und Guanosinmonophosphat (GMP) werden von Mikroben hergestellt und tragen zum gewünschten Umami-Geschmack bei104. Mikroben wurden auch so manipuliert, dass sie Süßstoffe wie aus Stevia gewonnene Moleküle, Xylit oder Erythrit produzieren105,106,107. Exotischere Hopfenaromen wurden in die Hefe eingearbeitet, um schmackhafteres Bier zu erzeugen65. Gerüche und Aromastoffe sind durch mikrobielle Prozesse entstanden, wie zum Beispiel die von Rose (2PE)108, Orange/Zitrone (Limonen)109, Minze (Menthol)110, Pfirsich (Gamma-Decalacton)111 und vielen anderen.

Darüber hinaus wurden von Mikroben farbige Moleküle synthetisiert, die als Pigmente für Lebensmittel und Getränke verwendet werden sollen. Einige Beispiele sind orange (Beta-Carotin, Canthaxanthin), rote (Lycopin, Astaxanthin, Prodigiosin), gelbe (Riboflavin), blaue (Phycocyanin), violette (Violacein) und schwarze (Melanin) Farbstoffe19.

Um Mikroben in Lebensmitteln vollständig nutzen zu können, müssen einige technische Schwierigkeiten überwunden werden. Erstens ist einer der größten ernährungsphysiologischen Nachteile der hohe Gehalt an Nukleinsäuren – nämlich der RNA-Gehalt. Die Aufnahme übermäßiger Mengen an Nukleinsäuren, insbesondere Purinen, erhöht die Menge an Harnsäure im Körper, was einen Risikofaktor für Gicht und Nierensteine ​​sowie einen starken Risikofaktor für das metabolische Syndrom und Herz-Kreislauf-Erkrankungen darstellt112. Dies kann teilweise durch Verarbeitungsmethoden gemildert werden, einschließlich Erhitzen und Reinigen, wie sie von den derzeitigen Herstellern von Einzelzellproteinen eingesetzt werden113,114. In Zukunft könnte man sich eine induzierbare Methode vorstellen, die in Mikroben eingebaut wird, um überschüssige Nukleinsäuren selbst zu reinigen.

Es wurde postuliert, dass die Gerüche und Texturen der reinen mikrobiellen Zellmasse als einzige Nahrungsquelle für den menschlichen Gaumen ungeeignet sind. Dieser Nachteil könnte jedoch durch Züchtung oder Geschmacksveränderung mit genetischen Veränderungen oder durch die Schaffung von Mischungen oder Co-Kulturen behoben werden neuartige und angenehme Geschmäcker16,115.

Viele Mikroorganismen, insbesondere Hefe-, Pilz- und Algengruppen, haben ebenfalls dicke Zellwände. In vielen Fällen ist dies ein wichtiger Ballaststofflieferant in der Ernährung. Allerdings kann bei manchen SCP die dicke Zellwand die Anzahl der Nährstoffe begrenzen, die aufgenommen werden können, und kann selbst unverdaulich sein. Daher kann es notwendig sein, das SCP mit Hitze und/oder mechanischen und enzymatischen Verfahren zu behandeln, um die Bioverfügbarkeit der Nährstoffe zu verbessern114.

Lebensmittel und Zutaten auf Mikrobenbasis müssen behördliche Genehmigungen durchlaufen, die strenger sind, wenn neue oder manipulierte Arten verwendet werden. Aufsichtsbehörden bewerten die Sicherheit und genehmigen Lebensmittel länderspezifisch. Beispielsweise sind die FDA und die EFSA die wichtigsten Regulierungsbehörden in den USA bzw. Europa. Einige Strategien zur Erleichterung der Erlangung von Zulassungen für mikrobielle Lebensmittel umfassen die Verwendung zugelassener Organismen und Verfahren, die Beschränkung der Anwendung auf die Tierfütterung, die Reinigung von Produkten sowie die Entfernung fremder DNA und lebender Zellen.

Auch die Sicherheit der Lebensmittel muss für jede Tierart berücksichtigt werden. Zu einigen der Hauptzielarten wurden bereits umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, deren Lebensmittelsicherheit sowohl für die Fermentation, die Zutatenproduktion als auch für die SCP-Nutzung bestätigt wurde. Besonderes Augenmerk muss auf eine mögliche Kontamination im Prozess und auf die mögliche Produktion von Endo- und Exotoxinen gelegt werden, die bei Einnahme allergische und unerwünschte Reaktionen hervorrufen. Einige Giftstoffe können durch einfache Wärme- oder chemische Behandlungen entfernt werden. Durch eine strenge Stammauswahl116, Stammtechnik117 und korrekte Fermentationstechnologien können jedoch Kontaminationen und die Produktion von Toxinen verhindert oder beseitigt werden.

Eine der größten Herausforderungen beim Einsatz einzelliger Proteine ​​und gentechnisch veränderter Mikroorganismen in Lebensmitteln ist die Verbraucherakzeptanz. Für die genetische Veränderung gelten immer noch strenge Vorschriften, die von Land zu Land unterschiedlich sind. Einige sind besonders streng bei der Einführung von Lebensmitteln mit veränderten genetischen Informationen. Darüber hinaus lehnt ein großer Prozentsatz der Menschen den Verzehr gentechnisch veränderter Materialien immer noch ab. Mit dem zunehmenden Bewusstsein, den ökologischen Aspekt der Ernährung zu verbessern118, könnte sich diese Einstellung ändern, wie sich an der Beliebtheit von Fleisch aus Laboranbau und einigen synthetischen Fleisch- und Milchalternativen zeigt; Allerdings sind diese Produkte im kommerziellen Umfeld immer noch unüblich und daher nicht Teil der Ernährung eines durchschnittlichen Haushalts.

Um den Konsum zu fördern, ist es daher entscheidend, die Zubereitung und den kulturellen Kontext mikrobieller Lebensmittel zu berücksichtigen. Aufklärung und Marketing können dabei helfen, Fremdheit und mangelnder Konsumerfahrung entgegenzuwirken119. Darüber hinaus sollte bei der Gestaltung mikrobieller Lebensmittel die Notwendigkeit berücksichtigt werden, religiöse oder kulturelle Werte wie Koscher- oder Halal-Anforderungen zu erfüllen120.

Ein großes Problem beim Einsatz von SCP ist der Kapitalaufwand, der für die Erweiterung der Technologien und die Vermarktung der neuen Nahrungsquelle erforderlich ist. Auch Wartungskosten und Substratverbrauch schränken die Rentabilität ein. Aufgrund der Kosten für die Prototypenentwicklung wurde eines der ersten SCP-Projekte von Imperial Chemical Industries (ICI) aufgegeben, da es nicht in der Lage war, mit der billigen Landwirtschaft, insbesondere mit modifizierten Sojabohnen, zu konkurrieren10. Neuere Technologien scheinen jedoch darauf hinzudeuten, dass der Bau einer Anlage zur Züchtung von Mikroben nun wirtschaftlich machbar sein könnte121, was durch die Optimierung der Wachstumsbedingungen122, fortschrittliche Fermentationstechnologien123 und höhere Erträge durch gentechnisch veränderte Mikroben100 erleichtert wird. Ein weiteres wirtschaftliches Hindernis für die Kommerzialisierung ist der langwierige und teure Prozess, der mit der Erlangung der erforderlichen behördlichen und sicherheitstechnischen Genehmigungen verbunden ist. Obwohl es von Preis, Vielfalt und Transport abhängt, hat der Einsatz von Abfallströmen auch das Potenzial, die Prozesskosten zu senken und gleichzeitig die Nachhaltigkeit zu erhöhen10. Dies ist jedoch schwieriger auf den Markt zu bringen, da nicht vollständig geklärt ist, ob die Nährwerteigenschaften des Produkts dadurch beeinträchtigt werden.

Zusammenfassend lässt sich aus allen oben diskutierten Informationen erkennen, dass ein offensichtliches Interesse an der Entwicklung von mehr mikrobiellen Lebensmitteln und Inhaltsstoffen besteht, was sich in der gestiegenen Zahl einschlägiger wissenschaftlicher Veröffentlichungen, Konferenzen, Unternehmen und kommerzieller Produkte zeigt. Dies wird teilweise durch die Nachfrage der Verbraucher nach gesünderen und nachhaltigeren Lebensmitteln gefördert.

Synthetische Biologie und die Entwicklung mikrobieller Stämme erweitern den Horizont mikrobieller Lebensmittel, die entwickelt werden können, und ermöglichen die Schaffung gewünschter Nährwertprofile, Aromastoffe, Aromen und Texturen, die alle zu einer personalisierten Ernährung führen können (Abb. 3). Um diese technologischen Fähigkeiten in nachhaltige kommerzielle Produkte umzusetzen, muss sich die öffentliche Wahrnehmung mikrobieller Lebensmittel weiter ändern und die Gesetzgebung muss die Umsetzung dieser neuartigen Prozesse erleichtern und gleichzeitig hohe Sicherheitsstandards wahren. Die Ausweitung und Normalisierung mikrobieller Lebensmittel wird das Produktionsvolumen erhöhen, die Kosten senken und die Effizienz der Technologie optimieren. Reduzierte Kosten können dann die Entwicklung mikrobieller Prozesse in weniger entwickelten Gebieten des Planeten unterstützen, in denen häufig eine Verbesserung der Ernährung erforderlich ist. Mit Blick auf die Zukunft wird erwartet, dass gentechnisch veränderte Mikroben eine Rolle bei der Lieferung von Lebensmitteln an Orte spielen, die traditionell unzugänglich sind, beispielsweise bei der Katastrophenhilfe, in Wüsten oder sogar im Weltraum124,125.

Eine schematische Darstellung der Hindernisse und zukünftigen Entwicklungen auf dem Weg zur weit verbreiteten Verwendung mikrobieller Lebensmittel. Im beigen Kreis werden die Haupthindernisse dargestellt, darunter die Wirtschaftlichkeit einiger Prozesse, die Verbraucherakzeptanz einiger Produkte, insbesondere GVO, und in einigen Fällen das Vorhandensein unerwünschter Moleküle. Zukünftige Entwicklungen, die im blauen Pfeil dargestellt sind, zielen darauf ab, Lebensmittel auf mikrobieller Basis zu verbessern und diese Hindernisse zu überwinden. Dazu gehören die Herstellung ernährungsphysiologisch vollständiger Vollwertkost, Alternativen zu tierischen Produkten (Fleisch, Milchprodukte, Eier) und Zutaten (wie Aromen oder Nutrazeutika). kann auf erschwingliche und nachhaltige Weise hergestellt werden, vielleicht unter Verwendung von Abfall oder CO2 als Kohlenstoffquellen.

Zusammenfassend lässt sich sagen: Wenn es kontinuierliche Innovationen gibt und mikrobielle Lebensmittel unter Berücksichtigung von Nachhaltigkeit und Ethik entwickelt werden, haben sie das Potenzial, die aktuellen Lebensmittelsysteme zu revolutionieren. Diese mikrobielle Lebensmittelrevolution könnte der Schlüssel zur Entwicklung zukunftssicherer Strategien zur Bewältigung der Gesundheits- und Umweltherausforderungen der Zukunft sein.

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RL-A. erhielt Fördermittel von BBSRC (BB/R01602X/1, BB/T013176/1, BB/T011408/1–19-ERACoBioTech-33 SyCoLim), British Council 527429894, Newton Advanced Fellowship (NAF\R1\201187), Yeast4Bio Cost Action 18229 , Europäischer Forschungsrat (ERC) (DEUSBIO–949080) und Bio-based Industries Joint (PERFECOAT-101022370) im Rahmen des Forschungs- und Innovationsprogramms Horizont 2020 der Europäischen Union.

Abteilung für Bioingenieurwesen und Imperial College Centre for Synthetic Biology, Imperial College London, London, SW7 2AZ, Großbritannien

Alicia E. Graham und Rodrigo Ledesma-Amaro

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Der Artikel wurde von RLA entworfen und AEGAEG schrieb den ersten Entwurf mit Beiträgen von RLARLA, überwachte, redigierte und verfeinerte den Artikel.

Korrespondenz mit Rodrigo Ledesma-Amaro.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Graham, AE, Ledesma-Amaro, R. Die mikrobielle Lebensmittelrevolution. Nat Commun 14, 2231 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-37891-1

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Eingegangen: 12. März 2023

Angenommen: 31. März 2023

Veröffentlicht: 19. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-37891-1

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