Fraunhofer-Leitprojekt »FutureProteins«

Geschlossene Agrarsysteme für eine umweltschonende Proteinversorgung

Die intensive Landwirtschaft der letzten Jahrzehnte hat mit dem Einsatz großer Mengen an Düngemitteln und Pestiziden in der Umwelt Spuren hinterlassen, die in Kombination mit den Folgen des Klimawandels in der Zukunft besonders die Proteinversorgung verändern werden. In der westlichen industrialisierten Welt sind tierische Nahrungsmittel, die mit einem hohen Energieaufwand und einem hohen Einsatz an Futtermitteln, insbesondere aus Soja, produziert werden, derzeit die Proteinquelle Nummer eins. Um Proteine ressourcenschonend und nachhaltig zu erzeugen, müssen alternative Proteinrohstoffe erschlossen werden. »FutureProteins« setzt sich zum Ziel, für die Erzeugung von Proteinrohstoffen geschlossene Agrarsysteme zu entwickeln, in denen auch Nebenströme wertgebend genutzt werden. Die Herausforderung ist, dafür wirtschaftlich effiziente und industriell umsetzbare Systeme und Prozesse zu schaffen.

Pflanzen, Insekten, Pilze und Algen als neue Proteinrohstoffe

Pflanzen (z. B. Kartoffeln, Weizengras und Luzerne), Insekten, filamentöse Pilze und Mikroalgen stehen im Fokus der Forschung von »FutureProteins«. Neben einem hochwertigen und ausgewogenen Aminosäureprofil und guten Verarbeitungseigenschaften sind die sensorischen Eigenschaften von alternativen Proteinen entscheidend für den Einsatz in Lebensmitteln und sollen daher verbessert werden.

Im Sinne der Nachhaltigkeit werden in »FutureProteins« vier geschlossene Anbausysteme entwickelt, die eine ganzjährige und klimaunabhängige Produktion möglich machen und damit hocheffizient, resilient und nachhaltig sind:

• Vertical Farming für Pflanzen
• Insect Farming für Insekten
• Nährmedien für Pilze
• Photobioreaktoren für Algen

Die nachhaltige Produktion von Insektenproteinen als Futter für Nutztiere und Nahrung für den Menschen stellt eine weltweit prosperierende Alternative zu konventionellen Eiweißquellen wie beispielsweise Fleisch- und Milchprodukten für die Gewinnung von Proteinen dar. Mit der Novel-Food-Regulierung der EU können seit Januar 2018 Nahrungsmittel aus Insekten in Europa für den Markt zugelassen werden. Seit 2019 wird die erste Lebensmittelinsektenfarm in Deutschland betrieben.

Insekten als Proteinquelle: Nachweis der Pathogenfreiheit

Die Produktion von Insekten im industriellen Maßstab begünstigt allerdings auch die Ausbreitung von Krankheiten, die zum Zusammenbruch der Insektenzucht, zu Produktionsausfällen und damit zu empfindlichen finanziellen Einbußen führen können. Darüber hinaus müssen die insektenbasierten Lebensmittel frei von Human- und Tierpathogenen sein.

Ein spezifisches und effizientes Nachweissystem für pathogene Keime in Insektenfarmen, das automatisiert, digital und hochdurchsatzfähig ist sowie zeitnah und vor Ort Ergebnisse liefern kann, fehlt bisher. Aktuell erfolgt die Identifizierung von Mikroorganismen im Darm und in den Aufzuchtbehältern von Insekten mit klassischen kulturabhängigen Verfahren oder über metagenomische Ansätze. Beide Methoden sind teuer, aufwendig sowie langwierig und für die tägliche Routineinspektion in Insektenfarmen nicht geeignet.

DNA-basierter Nachweis von Insektenpathogenen

Im Rahmen des Leitprojekts FutureProteins entwickelt das IGB gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten IME und IVV ein automatisiertes Überwachungssystem für das Insektenfarming: Hierzu wird am IGB ein molekulares Nachweissystem für die elf wichtigsten insektenassoziierten Pathogene entwickelt. Auf Basis einer isothermalen Amplifikationstechnik werden DNA-Signaturen der Erreger aus dem Probenmaterial vervielfältigt, dabei fluoreszenzmarkiert und im Anschluss über eine spezifische, immobilisierte Sonde gebunden. Das dabei erzeugte Signal wird optisch ausgelesen und anhand einer einfachen Matrix ausgewertet. Diese Technik erlaubt eine deutlich einfachere Handhabung als die bisher gängigen PCR-Anwendungen. Zukünftig wird das entwickelte Nachweissystem zur Routineuntersuchung an Produktionsstätten in ein teil- oder vollautomatisiertes Inline-System integriert und kann letztlich dazu beitragen, den Einsatz von Antibiotika zu minimieren sowie die ressourcenschonende Produktion von Proteinen zu fördern.

Optimierte Proteinextraktion und Aufarbeitung

Zur Optimierung der Extraktion der Proteine werden Pilze und Mikroalgen am IGB mittels Druckwechseltechnologie aufgeschlossen. Feststoff- und Flüssigfraktion werden über verschiedene Verfahren in ihre einzelnen Bestandteile aufgetrennt, die entweder zu Proteinprodukten verarbeitet oder in die Kultivierungsprozesse zurückgeführt werden können.

Produktherstellung: Hochwertige Lebensmittel mit neuen Proteinrohstoffen

Die einzelnen Proteinrohstoffe unterscheiden sich sowohl in den sensorischen als auch in den funktionellen Eigenschaften. Für die Optimierung der Proteineigenschaften werden spezifische Extraktions- und Modifikationsverfahren erforscht und Rezepturen für geschmackvolle Lebensmittel mit einer hohen Verbraucherakzeptanz entwickelt.

Geschlossene Agrarsysteme als kosteneffiziente und geschlossene Kreisläufe

»FutureProteins« forciert bei allen Anbausystemen eine geschlossene Kreislaufführung von Stoff- und Energieströmen. Am IGB wird Prozesswasser für eine Wiederverwendung aufbereitet, ebenso werden Nährstoffe für neue Kultivierungszyklen zurückgewonnen. Beim Herstellprozess anfallende Nebenströme werden einer wertschöpfenden Nutzung zugeführt, z. B. als Kultivierungssubstrat für Insekten, Pilze oder Algen.

Beurteilung der Nachhaltigkeit  

Abschließend werden die entwickelten Agrarsysteme und Proteingewinnungsverfahren hinsichtlich ihres Ressourceneinsatzes sowie ihrer Nachhaltigkeit im Vergleich zu konventioneller Erzeugung beurteilt.