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Essen aus dem Bioreaktor: Fleisch vom Acker, Gemüse aus dem Tank

Für dutzende Nahrungsmittel wird es bald Alternativen aus dem Labor geben. Was sich hier ankündigt, ist nichts weniger als die größte Ernährungsrevolution seit der Jungsteinzeit.
Produktionsstätten für Kunstgemüse würden Brauereien ähneln

Die Kuh auf der sattgrünen Bergwiese, die gackernden Hühner vor dem rustikalen Holzverschlag, der fröhliche Kaffeepflücker. Informierte Konsumenten wissen, dass die Bilder auf Verpackungen fast immer schwindeln. Statt auf Alpenpanoramen blicken viele Kühe auf graue Stallwände, dauerschwanger, um viel Milch zu liefern. Die Eier, besonders die in verarbeiteten Produkten, kommen nicht von Omas Hühnerhof, sondern aus gesichts- und fensterlosen Baracken. Und wer Kaffee pflückt, tut das oft für einen Hungerlohn, sieht täglich die mit dem Anbau verbundenen Umweltschäden.

Diese Widersprüche stören zunehmend. Manche verzichten vollständig auf tierische Produkte, andere Konsumenten suchen nach Alternativen, die ihnen ethisch günstiger erscheinen. Und so steckt in »gutem Essen mit gutem Gewissen« gewaltiges Marktpotenzial. Laut einer Analyse der Boston Consulting Group (BCG) dürfte im Jahr 2035 mehr als ein Zehntel der üblicherweise tierbezogenen Proteine aus alternativen Quellen stammen. Das entspricht einem Marktvolumen von konservativ geschätzten 290 Milliarden Dollar. Womöglich ist sogar noch viel mehr drin.

Das prominenteste Beispiel – echtes Fleisch aus dem Labor – taucht zwar allenthalben in den Medien auf, wird nach Ansicht von Fachleuten aber noch länger auf seinen Durchbruch warten. Viel weiter sind dagegen Fleischalternativen aus Pflanzen. Laut der BCG-Analyse könnten pflanzenbasierte Proteine mit ihren tierischen »Vorbildern« etwa 2023 gleichziehen, was Preis, Geschmack und Textur angeht. Auf gutem Weg sieht die Analyse auch Lebensmittel aus Bioreaktoren, Milchproteine etwa, die von genetisch veränderten Mikroorganismen erzeugt werden. Man kann sie zu Molkereiprodukten verarbeiten, für die keine einzige Kuh gemolken werden muss. Etwa ab 2025 sollen sie mit echter Milch gleichziehen.

Käse aus mikrobiell erzeugtem Milcheiweiß

Eines der Unternehmen, die hier aktiv sind, ist Formo. Das Start-up mit Standorten in Berlin und im Rheinland will Käse auf den Markt bringen, ohne Kuhmilch zu verwenden. »Wir benötigen vor allem Milchproteine und erzeugen diese mit Hilfe von Mikroorganismen«, sagt Sandra Wilde, Head of Food Science. Dazu wird der genetische Bauplan für die Eiweiße in das Erbgut von Hefezellen, Bakterien oder Pilzen eingefügt. Die Organismen werden dann in einem Nährmedium gehalten, mit Kohlenhydraten gefüttert und gut gewärmt, auf dass sie sich vermehren und Milchproteine produzieren. »Idealerweise werden diese aus den Zellen herausgeschleust, so dass sie in der wässrigen Lösung schwimmen«, sagt Wilde. Im nächsten Schritt wird die Biomasse abgetrennt, etwa mittels Zentrifuge, und die Lösung mit den Milchproteinen »aufgereinigt«, wie es im Laborjargon heißt. Das Verfahren ist etabliert und wird seit Langem für die Herstellung von mikrobiellem Lab sowie in der Pharmazie angewendet.

Käse ohne Kuh | Das Start-up Formo erzeugt Milcheiweiß durch gentechnisch veränderte Mikroorganismen.

Nun beginnt die Arbeit der Lebensmitteltechnologen. Sie bringen die Milchproteine mit Fett und Wasser zusammen, um daraus Käse zu machen. »Es gibt 1000 verschiedene Käsesorten und eine Vielzahl von Methoden zur Herstellung«, sagt Wilde. Ungereifte Käsesorten wie Ricotta, Mozzarella oder Feta habe Formo im Labor bereits hergestellt. Jetzt soll auch mit gereiften Sorten wie Camembert experimentiert werden.

Im Detail allerdings sind noch viele Fragen zu klären, um Käse in handelsüblichen Mengen zu erzeugen. Das beginnt mit der Auswahl der geeigneten Mikrobenstämme, geht über die optimierte Fermentation und Ernte der Milchproteine, ihre Reinigung und Verarbeitung bis hin zur Käseproduktion. Und das nicht länger in einem Laborumfeld, mit Erlenmeyerkolben und kleinen Bioreaktoren, sondern in Edelstahltanks, die viele tausend Liter fassen. Dort müssen die mühsam im Labor erprobten Prozesse genauso gut funktionieren. Allein das Rühren der Nährlösung ist eine Wissenschaft für sich, denn Nährstoffe, Zellen und Wärme müssen gut verteilt sein, damit sich die Mikroorganismen wohl fühlen und wachsen.

»Für die Produktion im größeren Maßstab nutzen wir zunächst Kooperationspartner, die diese Infrastruktur haben, später soll es eine eigene Pilotanlage geben«, sagt Wilde. Die werde wie eine Mischung aus Molkerei und Brauerei aussehen, mit großen doppelwandigen Stahltanks, in denen warmes Wasser zirkuliert, um den Mikrobenstaat zu wärmen. Dazu Rohrleitungen, Zentrifugen, Filtrationsanlagen, Labore und was sonst noch gebraucht wird. Als Futter für die Mikroorganismen will Formo langfristig weg von Zucker und hin zu Biomasse, die anderswo übrig ist: Trester aus der Fruchtsaftgewinnung und Presskuchen zum Beispiel.

Konsumenten zeigen sich offen – zumindest in Umfragen

»Wir möchten nicht nur die kleine Nische der Veganer ansprechen«, sagt Wilde, »sondern jene erreichen, die Tierprodukte zu sich nehmen, aber offen für Alternativen sind, wenn diese genauso gut schmecken.« Aus Marktforschungsstudien gehe hervor, dass viele ihren Konsum von tierischen Produkten aus ökologischen und ethischen Gründen deutlich reduzieren möchten. Käse ohne Kühe könnte dabei helfen, meint Wilde und nennt Zahlen: bis zu 90 Prozent weniger Treibhausgase, 86 Prozent weniger Landnutzung im Vergleich zur herkömmlichen Milchproduktion. »Da würde viel Fläche frei für Natur, Wildnis und eine nachhaltige Landwirtschaft.«

Aus Zellen mach Kaffee | Eine finnische Forschergruppe lässt Zellen der Kaffeepflanze in einem Nährmedium wachsen und gewinnt daraus Kaffee.

Man solle sie nicht falsch verstehen, sagt die Forscherin. Sie komme selbst vom Land und kenne die Agrarwirtschaft gut. »Ich halte nichts davon, sie zu verurteilen, aber ich meine, sie sollte nachhaltiger arbeiten.« Was auch dadurch gelingen könne, dass sie nicht weiter auf Maximalerträge getrimmt, sondern ein Teil der Nahrungsmittelversorgung durch »cellular agriculture« (zelluläre Landwirtschaft) übernommen werde.

Gemäß den Umfragen, die für Formo in Brasilien, USA, Großbritannien, Deutschland und Indien gemacht wurden, wären 80 Prozent der Befragten bereit, den »nachhaltigen Käse« zu probieren, 70 Prozent könnten sich vorstellen, ihn zu kaufen. Nun ist bekannt, dass bei Befragungen oft sozial erwünschtes Verhalten vorgetäuscht wird – man vergleiche nur Umfragen zur Akzeptanz von Biolebensmitteln und reale Marktanteile. Doch wie viele weitere Start-ups glaubt auch Formo an den Markt für seine Produkte. »Es geht vor allem um Geschmack, auch die Konsistenz ist sehr wichtig, wie unsere Interviews zeigen«, sagt Wilde. »Da gibt es im Vergleich zu veganen Produkten große Lücken, die wir schließen können.«

Ob das Kalkül aufgeht, wird die Zukunft zeigen. 2023 sollen erste Produkte auf Testmärkten wie beispielsweise Singapur lanciert werden. In Europa wird es länger dauern. Da die Milchproteine statt aus dem Euter aus Fermentern kommen, gelten sie als »Novel Food« und müssen eine umfangreiche Zulassung bei der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit EFSA durchlaufen. Noch 2022 will Formo den Antrag einreichen.

Eiweiß ohne Ei

Genetisch veränderte Mikroorganismen einzuspannen, um tierische Proteine herzustellen, ist auch für Eiprodukte möglich. Das US-Unternehmen Clara Foods, kürzlich umbenannt zu The Every Company, ist in der Branche ziemlich bekannt. Es nutzt Hefen, die in großen Fermentern arbeiten und unter anderem einen Eiweißersatz produzieren. Er ist fast so klar wie Wasser, geruch- und geschmacklos und damit vielfältig einsetzbar, etwa zum Backen oder für Rührei.

Noch ist die Nische für tierfreies Eiweiß klein, doch sie könnte sich zu gewaltigen Dimensionen aufblähen: Weltweit wurden 2020 laut der BCG-Analyse mehr als eine Billion Eier verzehrt, das sind pro Person mehr als 150 Stück. Sollte die Prognose stimmen und bis 2035 zehn Prozent davon durch tierfreie Alternativen ersetzt werden, könnte dies auch Fortschritte für das Tierwohl bedeuten.

»Cellular agriculture« wird auch für pflanzliche Rohstoffe entwickelt. So hat ein Team um Heiko Rischer vom Forschungsinstitut VTT im finnischen Espoo einen Kaffee hergestellt. Die Wissenschaftler haben der Kaffeepflanze dafür Zellen entnommen und in einem Nährmedium kultiviert. Eine spezielle Mischung aus Mineralsalzen, Saccharose und Wachstumsregulatoren sorgte für die Vermehrung. Die gewonnene Biomasse wurde dann geröstet, aufgebrüht und verkostet. Selbstverständlich nur innerhalb des Instituts, da auch dieser Kaffee als Novel Food gilt und keine Zulassung hat. »Selbst die interne Verkostung mussten wir von unserem Ethikrat genehmigen lassen«, sagt Rischer. Alle haben es überstanden, das Laborgebräu sei geschmacklich dem Kaffee aus natürlichen Bohnen recht nahegekommen. »Wir sind keine Experten für Kaffee, wir wollten einen ›proof of concept‹ machen und zeigen, dass das geht.«

Auch pflanzliche Produkte könnten sich umweltschonender erzeugen lassen

Denn der gegenwärtige Kaffeekonsum, so der Biotechnologe, sei mit etlichen Problemen verbunden: Für den Anbau der Pflanzen werden Wälder gerodet, es folgen Erosion, massiver Dünger- und Pestizideinsatz, dazu kommt die Ausbeutung der Arbeiter und nicht zuletzt der Transport der Bohnen um die halbe Welt, der wesentlich auf fossilen Brennstoffen beruht. »Das beschäftigt viele Konsumenten, und sie sind bereit, Neues zu probieren.« Eine Kaffeefarm im Stahltank, gleich in der Nachbarschaft, vielleicht noch stilvoll integriert in ein Café, das könnte funktionieren, meint der Forscher.

Sein Institut wird die Entwicklung aber nicht weitertreiben, in der Kommerzialisierung sieht er seine Aufgabe nicht. Das müsse die Industrie übernehmen. »Wir sind dazu in Gesprächen«, sagt Rischer. Übrigens nicht nur wegen des Kaffees, denn »im Grunde bieten sich alle Pflanzenprodukte an, deren Erzeugung problematisch ist«. Denkbar wären etwa bestimmte Beeren, die es in der Natur nur selten gibt und von denen daher nur wenig geerntet wird, deutet er an. »Mehr kann ich öffentlich noch nicht dazu sagen.«

Zellhaufen und gerösteter Kaffee | Noch reicht der Kaffee aus dem Labor geschmacklich nicht an das Original heran. Dem Team um Heiko Rischer geht es um einen »proof of concept«.

Ebenfalls denkbar – und konkret erforscht – sind mikrobielle Stellvertreter der Kakaobohnen und Avocados. Der Grundstoff für Schokolade ist aus ähnlichen Gründen umstritten wie Kaffee. An der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) in Wädenswil hat ein Team um Tilo Hühn und Regine Eibl eine Methode entwickelt, um den Schoki-Rohstoff im Bioreaktor herzustellen. Sie basiert auf Bohnen aus Puerto Rico. Die werden angeritzt und bilden an den Wundrändern einen Schorf, Kallus genannt. »Diese Zellen geben wir nach einer Vorkultur in einen Tank mit einem Rührwerk, dazu ein Nährmedium mit Mineralstoffen, Aminosäuren sowie Phytohormonen«, erläutert der Lebensmittelprozessentwickler Hühn. »Nach 28 Tagen können wir die kultivierte Zellmasse ernten und daraus Schokolade machen.«

Kein Schaden für die Umwelt oder für die Bauern?

Es gehe ihnen nicht darum, die Kakaobauern ihrer Einkünfte zu berauben, sagt er. »Aber wir müssen mit unseren Ressourcen verantwortungsvoller umgehen und die Wertschöpfungsnetzwerke regenerativ umgestalten.« Kakao aus dem Labor, »gefüttert« mit Extrakten aus Zuckerrüben und Leguminosen aus zertifiziertem Anbau ums Eck, sei allemal günstiger als Rohstoffe von anderen Kontinenten, für die Wälder weichen müssen und die mit Pestiziden besprüht werden. In den nächsten 18 Monaten soll das Verfahren auf Industriegröße wachsen. Auch hier wird die Kommerzialisierung nicht durch die Hochschule erfolgen, sondern durch Unternehmen. »Wir werden uns genau anschauen, unter welchen Bedingungen wir die Rechte an dem Verfahren aus der Hand geben«, sagt Hühn. »Ein wesentlicher Bestandteil wird das Nagoya-Protokoll sein.«

Dieser Vertrag, der 2014 in Kraft getreten ist, regelt den Zugang und die Nutzung genetischer Ressourcen in den einzelnen Staaten. Er sieht unter anderem vor, Herkunftsländer an den Vorteilen, die sich aus der Nutzung ergeben, zu beteiligen. Konkret heißt das: »Die Bauern in Südamerika werden an den Einkünften der Zellkulturschokolade beteiligt«, sagt Hühn.

Kakaobohnen im Labor | Wenn der Rohstoff künftig in Europa erzeugt wird, könnte das die Bauern in Südamerika um ihre Einkünfte bringen.

Wie genau, das werde derzeit an der ZHAW diskutiert. Denkbar sei etwa, für jedes verarbeitete Kilogramm Zellkulturmaterial den Bauern den Preis zu zahlen, den sie heute für ein Kilo Kakaobohnen erhalten – vorausgesetzt sie produzieren nachhaltig in einer Agro-Forest-Kultur, möglichst nach Biokriterien. »Das Ziel muss Wiederaufforstung und Verzicht auf Pestizide sein, um die Biodiversität zu erhöhen«, erklärt Hühn. Er sagt aber auch: »Wie die Finanzströme verteilt und die Einhaltung der Intention des Nagoya-Protokolls sichergestellt werden, ist eine große Herausforderung.«

Der Weg zu mehr Tierschutz führt über mehr Tierversuche

Der ZHAW-Forscher hat längst weitere Pflanzenrohstoffe im Blick. Für den herkömmlichen Avocado-Anbau wird enorm viel Wasser eingesetzt, was insbesondere im Mittelmeerraum kritisch gesehen wird. Bei der Produktion im Bioreaktor besteht das Problem nicht. Ganze Früchte seien so zwar nicht zu erzeugen. »Aber den Brei für Guacamole, der ließe sich einfach gewinnen.« Wieder stehen am Anfang Pflanzenzellen, die sich im Nährmedium vermehren und nach vier Wochen geerntet werden. Die müssten noch nicht einmal getrocknet werden, sondern könnten gleich weiterverarbeitet werden. Gewürze dazu und das Ganze haltbar machen, etwa mittels Hochdruck zwischen 4000 und 5000 Bar. »Dadurch werden vorhandene Keime getötet«, sagt Hühn.

»Weil unsere Grundstoffe nie in Kontakt mit der Umwelt waren, mit pathogenen Keimen oder Sporenbildnern, kommen sie sehr rein aus dem Tank.« Das mache sie zu einem sehr sicheren Lebensmittel. Auch hier steht freilich die EFSA-Zulassung als Novel Food noch aus.

An Ideen und Investitionsbereitschaft mangele es nicht. Im »Wochenrhythmus« gebe es Anfragen von Investoren. Große Herstellerfirmen haben Hühn und sein Labor in Wädenswil besucht. Doch wer solche Produkte auf den Markt bringen will, braucht auch einen langen Atem: 300 000 bis 400 000 Euro und rund drei Jahre Zeit müssten für die Zulassung eines jeden Produkts eingeplant werden, sagt der ZHAW-Forscher. Kritisch sieht er die Tierversuche für die toxikologischen Tests. »Diese Praxis müssen wir grundsätzlich hinterfragen.« Schließlich zielten Methoden der »cellular agriculture« ja darauf ab, Lebensmittel im weitesten Sinn fairer herzustellen, also auch Tierleid zu verhindern. »Und dafür sollen Tierversuche gemacht werden?«, fragt der Forscher. »Gerade bei pflanzenbasierten Produkten scheint mir das Risikoprofil deutlich geringer zu sein als bei tierischen Zellkulturen.« Vielleicht seien andere Verfahren ebenso dafür geeignet, das Risiko zu bewerten.

Tatsächlich ist die Prozedur der europäischen Lebensmittelbehörde besonders umfangreich. Firmen sind darum schon für ihre Markteinführungen auf andere Regionen ausgewichen. Singapur gilt als besonders günstiges Umfeld. Der asiatische Stadtstaat möchte Importe verringern und binnen zehn Jahren 30 Prozent seiner Nahrungsmittel im eigenen Land produzieren. Proteine aus Zellkulturen werden dabei als wichtiger Beitrag erachtet. Ende 2020 wurden dort weltweit erstmals im Labor kultivierte »Chicken-Nuggets« der US-Firma Eat Just zugelassen. Streng genommen sind nur drei Viertel in Zellkultur »gewachsen«, der Rest besteht aus pflanzlichen Ersatzstoffen. Der Preis von rund 17 US-Dollar für eine Portion im Restaurant zeigt, dass die Herstellung noch immer sehr teuer ist – vielleicht zahlt das Unternehmen in Wahrheit sogar noch drauf, um eine Marktnische besetzen zu können.

Muskelzellen für Burger und Nuggets

Dutzende Unternehmen arbeiten daran, alsbald mit »cultured meat« Geld zu verdienen. Das Prinzip: Einem Tier werden per Biopsie aus dem Muskelgewebe Stammzellen entnommen und diese kultiviert. Sie vermehren und differenzieren sich und bilden eine faserige Textur. Bisher sind aber lediglich Vorstufen gelungen, die an Hackfleisch erinnern: die erwähnten Nuggets oder Burger-Patties aus Zellkultur – wenn auch mit passablem Geschmack, wie vielfach zu lesen ist. An tierfreiem Ersatz »echter Fleischstücke«, die es in Konsistenz, Textur und Mundgefühl mit einem Steak oder Schnitzel aufnehmen können, müssen die Biotechnologen weiter tüfteln.

Kunstfleisch zur Pasta | Die Firma Mosa Meat forscht an Fleisch aus Zellkultur. Größte Hürde bislang: das teure Nährmedium.

Es ist kompliziert, die Zellen mit dem zu versorgen, was sie zu einer ständigen Vermehrung benötigen: Nährstoffe, Fette, spezielle Proteine, Wachstumsfaktoren, Hormone, Signalmoleküle – ein hochkomplexes Gemisch aus verschiedenen Stoffen, wie das Fachportal transgen schreibt. Ein weiteres Problem ist, dass die Kulturmedien fötales Rinderserum enthalten, um die Zellen zum Wachsen anzuregen. »Gewonnen wird es aus toten Kälbern, die aus der Gebärmutter einer lebenden Kuh entnommen werden, oder wenn trächtige Kühe geschlachtet werden«, sagt Hans-Wilhelm Windhorst. Als Leiter von WING – »Wissenschaft und Innovation für nachhaltige Geflügelwirtschaft« an der Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover – verfolgt er die Entwicklung tierfreier Nahrungsmittel seit Jahren. Die Gewinnung des Kälberserums passt kaum zum Bestreben, tierfreundliche Alternativen anzubieten. »Pro Liter kostet das 1000 bis 10 000 Euro«, sagt Windhorst. Für Start-ups, die mit Fünf-Liter-Reaktoren arbeiten, mag das machbar sein. »Wenn man in den Markt einsteigen will, braucht man tausende Liter – und es ist nicht klar, ob es diese Mengen überhaupt gibt.«

Es bleiben ein paar Zweifel an der positiven Umwelt- und Tierschutzbilanz

Die Firma Mosa Meat hat eigenen Angaben zufolge inzwischen ein Nährmedium entwickelt, das ohne Kälberserum auskommt und 80-mal billiger ist. Windhorst sieht aber noch weitere Probleme für Zellkulturen im Industriemaßstab. »Der Energiebedarf ist immens, die Bioreaktoren müssen dauerhaft auf 37 Grad gehalten werden.« In den USA überlegten Firmen bereits, die Produktion in die Halbwüsten New Mexicos oder Arizonas zu verlegen, um günstigen Solarstrom zu nutzen.

Außerdem seien kleine Reaktoren im Labor gut beherrschbar, es brauche keine Antibiotika, und unerwünschte Stoffwechselprodukte könnten relativ einfach mit einem dialyseähnlichen Verfahren aus dem Nährmedium entfernt werden. »Ob das bei einer Anlage mit 50 000 Litern auch gelingt, wird in der Branche kritisch gesehen«, sagt er.

Die Fachleute, die von der Boston Consulting Group befragt wurden, kommen zu einem optimistischeren Fazit: In gut zehn Jahren würden Proteine aus tierischen Zellkulturen hinsichtlich Geschmack, Textur und Preis genauso gut sein wie jene aus realen Tieren. Bis 2035, so die Prognose, werde es für 90 Prozent der beliebtesten Gerichte weltweit tierfreie, schmackhafte und bezahlbare Alternativen geben. Von Entenbrust über Steak, Sushi und Pizza bis zu Quesadillas und Ramen. Nur mit Zutaten vom Acker und solchen aus dem Tank.

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