Das Fleisch der Zukunft ‒ „Fleisch“ aus Pflanzen?  [28.05.21]

„Unser täglich Fleisch gib uns heute“ – für viele Menschen in den Industrieländern ist die tägliche Portion Fleisch immer noch ein absolutes Muss. Doch angesichts einer stetig wachsenden Weltbevölkerung werden wir uns den hohen Fleischkonsum nicht mehr lange leisten können. Es braucht also neue Proteinquellen – und clevere Methoden um sie zu erschließen. Ein Hohenheimer Beitrag aus dem aktuellen Sonderheft „Biointelligenz“ des Magazins „Bild der Wissenschaft“. Von Ursel Stuhlemmer.

Einmal im Jahr widmet sich eine zusätzliche Ausgabe des Magazins „Bild der Wissenschaft“ einem einzigen Thema. In diesem Jahr geht es um „Biointelligenz“. Sie steht für ein System, in dem biologische und technische Prinzipien miteinander verschmelzen und der Verbrauch natürlicher Ressourcen übergeht in einen Kreislauf aus Nutzung, Aufbereitung und Wiederverwertung – kurzum: ein rundum nachhaltiges System. Gemeinsam mit anderen aus der Region Stuttgart berichten Forschende von der Uni Hohenheim darüber, wie dies gelingen kann. Wir stellen die Artikel der Hohenheimer Forschenden in loser Reihe vor.

Aus gesundheitlichen, ökologischen sowie ethischen Gründen verzichten schon heute immer mehr Verbraucher auf den Konsum tierischer Proteine. Sie greifen stattdessen verstärkt auf Produkte aus pflanzlichen Proteinen zurück. Doch nicht jeder möchte gänzlich auf Fleisch verzichten. Wer Menschen dazu bewegen will, ihr Verhalten zu ändern, muss ihnen etwas anbieten, das ihnen zumindest genauso oder sogar noch besser zusagt als das Gewohnte. Deswegen tüfteln überall auf der Welt Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an neuen Rezepturen.

So auch an der Universität Hohenheim in Stuttgart und am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e. V. in Quakenbrück. Dort wollen die Experten aus Pflanzenproteinen Produkte herstellen, die nicht nur wie Fleisch aussehen, sondern sich im Mund auch wie Fleisch anfühlen und wie Fleisch schmecken. Denn eins haben viele Marktforschungsstudien gezeigt: Eingefleischte Fleischliebhaber wechseln nur dann bereitwillig zu pflanzlichen Alternativen, wenn die sensorische Qualität stimmt.

Entscheidend für das Gefühl, ein Stück Fleisch oder Wurst im Mund zu haben, ist – neben dem Geschmack - die Textur des Erzeugnisses. Deswegen sucht Jochen Weiss, Professor an der Universität Hohenheim, mit seinem Team nach einem Weg, die Textur fleischanaloger Produkte aus Pflanzen so nachzuahmen, dass sie der Struktur von Fleisch zum Verwechseln ähneln. Das hat auch noch einen weiteren Vorteil, erklärt der Verfahrenstechniker: „Durch das bessere Mundgefühl kann die Menge an Zusatzstoffen und Aromen deutlich verringert werden.“ Was auch wieder zu einer größeren Akzeptanz beim Verbraucher führt.

Eine Einschätzung, die Beate Gebhardt, Verbraucherforscherin an der Universität Hohenheim teilt. Die Leiterin der qualitativen Teilstudie einer Befragung von Verbrauchern und Experten in sechs europäischen Ländern „The V-Place“ beobachtete: „Vor allem auf Seiten der Veganer oder Vegetarier gibt es gesundheitliche Vorbehalte gegenüber pflanzenbasierten Lebensmitteln. Als Grund werden oft der sehr hohe Verarbeitungsgrad oder die verwendeten Zusatzstoffe, wie Salz, Zucker, Stabilisatoren oder andere Additive, genannt.“

Die Textur ist entscheidend

Aussehen und Geschmack von Fleisch kann mit pflanzlichen Substanzen relativ leicht nachgeahmt werden. Nicht aber dessen Konsistenz. Denn Fleisch und vor allem Muskelgewebe ist ein komplexes Gebilde aus Bündeln langer, dünner Proteinfasern mit eingelagertem Fett. Das Ganze wird durch ein festes Bindegewebe zusammengehalten. Im Gegensatz dazu bilden pflanzliche Proteine keine Faserbündel aus. Deshalb scheiterten viele vegane Produkte der ersten Generation, bei denen pflanzliches Eiweiß nur in Pulverform statt als Fasern zugegeben wurde. Den Produkten fehlte nicht nur der gewünschte Geschmack, sondern vor allem das typische Mundgefühl von Fleisch. Ihre Konsistenz erinnerte eher an Käse als an Wurst.

Heute können durch thermomechanische Verfahren Pflanzenproteine gezielt texturiert werden, sodass faserige Strukturen entstehen. Das Ergebnis ähnelt Fleisch in Aussehen, Farbe und Textur. Die am häufigsten verwendete Methode ist die Extrusion. Dafür wird zunächst pflanzliches Eiweißpulver mit Wasser und Gewürzen erhitzt. Die teigartige Rohstoffmasse wird anschließend mit Hilfe von Schneckenwellen durch eine gekühlte Düse gepresst. Dabei vernetzen sich die Proteine und erhalten eine angenehme, faserige Struktur. Diese so genannte „Nass-Extrusion“ setzen die Hersteller meistens dann ein, wenn die Endprodukte in Konsistenz und Form dem tierischen Original so weit wie möglich ähneln sollen. Der Konsument kann sie, wie ein Stück Fleisch, direkt weiterverarbeiten.

Ein anderes Verfahren, die „Trocken-Extrusion“, kommt mit weniger Wasser aus. Hierbei entstehen eher schwammartige Strukturen, wie man sie von Erdnussflips kennt. Diese Methode wird vor allem zur Produktion von texturiertem Soja eingesetzt. Ausgangsmaterial ist entfettetes Sojamehl, einem Nebenprodukt der Sojaölproduktion. Texturiertes Soja enthält viel Protein, wenig Fett und hat so gut wie keinen Eigengeschmack. Im Handel findet man es meist in getrockneter Form als Sojafleisch oder Soja-Schnitzel, die vor ihrer Verwendung oft erst noch in Wasser oder Brühe aufquellen müssen.

Fleisch – ein „Gewebe“ aus Fett und Eiweiß

Doch alleine die Proteinstruktur macht noch kein „Fleisch“. Das Fettgewebe von Schweinen oder Rindern besteht aus flüssigem und festem Fett. Die meisten Nahrungsfette sind Mischungen verschiedener Triglyzeride mit unterschiedlichen Schmelz- und Kristallisationstemperaturen. Abhängig von der Umgebungstemperatur können solche Mischungen gleichzeitig einen festen und einen flüssigen Anteil enthalten. Dabei liegt der feste Anteil in Form von Kristallen vor, die sich zu größeren Fettkristallflocken zusammenlagern können. Diese Flocken wiederum liegen entweder als einzelne Partikel in der flüssigen Phase vor oder bilden ein dreidimensionales Netzwerk. So entsteht eine Art Gel, bei dem flüssiges Öl von Strukturen aus festem Fett umgeben ist. Bei mechanischer Beanspruchung zeigen tierische Fette deshalb ein plastisches Verhalten: Sie werden irreversibel verformt, wenn sie über einen kritischen Wert hinaus belastet werden. Diese Plastizität ist bei vielen Lebensmitteln wie zum Beispiel Butter erwünscht, da es zu ihrer
Streichfähigkeit und einem cremigen oder buttrigen Mundgefühl führt.

Darüber hinaus verfügt tierisches Fettgewebe aber auch über elastische Eigenschaften, die es seinem Aufbau verdankt. Denn dieses Netzwerk aus kristallinen und flüssigen Fettanteilen ist in Fettzellen eingebettet, die durch eine Bindegewebsmatrix zusammengehalten werden. Diese besteht überwiegend aus Kollagen, einem Protein mit einzigartigen Eigenschaften. So ist es in der Lage, hochelastische Gele von erheblicher Festigkeit zu bilden. Pflanzliche Proteine hingegen weisen kaum Zugfestigkeit auf und können Feuchtigkeit nur schlecht speichern, was die Gelbildung verhindert. Die Kunst bei der Herstellung von fleischanalogen Produkten ist es nun, dieses gemischte Netzwerk aus Proteinen und Fetten mit kristallinen und flüssigen Anteilen nachzuahmen.

Doch es gibt noch weitere Ideen und Ansätze, wie die komplexe Struktur von Fettgewebe nachgebildet werden kann. So verfolgen auch die Verfahrenstechniker in Hohenheim noch einen weiteren Ansatz, Fette zu strukturieren. Sie versetzen zunächst eine Schmelze aus Öl und festem Pflanzenfett mit einem Überschuss an Eiweiß. Ein spezielles Enzym, die Transglutaminase, vernetzt die einzelnen Proteine miteinander, so dass eine dreidimensionale Struktur entsteht. Beim Abkühlen bildet sich außerdem ein Gitter aus Fettkristallflocken, in die Tröpfchen flüssigen Öls eingelagert sind. „So können wir den typischen plastischen Charakter eines Fettkristallnetzes mit elastische Eigenschaften nachbilden, das vom Verbraucher mit tierischem Fettgewebe assoziiert wird“, erklärt Weiss.

Viel Know-how musste entwickelt werden

Die Entwicklung derartiger Fettmatrixstrukturen auf pflanzlicher Basis macht es möglich, den Kunden eine breite Palette an Produkten anzubieten, die auch ihre Zustimmung finden. Unter anderem werden solche Fettsysteme als Strukturelemente verwendet, um eine Vielzahl von veganen Fleischproduktanalogen wie „vegane Würstchen“ oder „vegane Burger-Patties“ herzustellen. Dabei sind die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Fettgewebes von besonderer Bedeutung für die Verarbeitung. Ein kritischer Punkt ist insbesondere der Zerkleinerungsprozess, bei dem die typische Fleischstruktur erhalten bleiben muss. Denn bei vielen Lebensmitteln, wie zum Beispiel rohen Brühwürsten, ist es für die charakteristische Sensorik entscheidend, dass sie eindeutige Partikel aufweisen und nicht nur aus pastösem Material bestehen.

Ein besonderes Augenmerk legen die Forschenden dabei auch auf die Nachhaltigkeit des Ausgangsmaterials. So enthält beispielsweise Ölpresskuchen, der bei der Herstellung von Rapsöl anfällt, häufig noch genug Eiweiß für die Herstellung von Fleischanaloga. Auch andere Nebenströme aus der Lebensmittelindustrie lassen sich so nutzen. Aus ökologischen Gründen sollten zudem Pflanzen als Ausgangsmaterial dienen, die in Deutschland oder Europa kultiviert werden können und somit keine langen Transportwege benötigen. Die Wissenschaftler testeten deswegen verschiedene heimische Eiweißquellen, wie Kartoffeln, Erbsen und Kürbis- sowie Sonnenblumenkerne. „Als ideales Ausgangsmaterial für die Proteingewinnung haben sich dabei Erbsen erwiesen“, fasst Weiss die Forschungsergebnisse zusammen.

Früher führte der Einsatz von Erbsenproteinen oft zu einem so genannten „Off-Flavour“, also zu einem Fehlgeschmack, der sich durch Gewürze kaum oder gar nicht überdecken ließ. „Das liegt daran, dass Erbsen auch Fett enthalten“, erklärt Weiss. „Zwar liegt der Anteil nur bei sieben oder acht Prozent, aber mit der Zeit oxidiert das Fett und führt dann zu diesen Fehl-Aromen.“ Seitdem die Forscher dies wissen, können fettfreie Erbsenproteine problemlos für die Herstellung von vegetarischen oder veganen Fleischalternativen verwendet werden. So lässt sich eine Frikadelle, der 20 Prozent Erbsentexturat zugesetzt wurde, kaum von der reinen Fleischvariante unterscheiden.

Meathybrid ‒ Substitution von tierischen durch pflanzliche Proteine

Das Beispiel der Frikadelle zeigt, wie gut extrudierte Pflanzenproteine mit Fleisch gemischt werden können. Sie beeinflussen die tierischen Inhaltsstoffe nur wenig und haben außerdem einen unterstützenden Effekt auf die Textur. Bei diesen so genannten Meathybrid-Produkten werden hochwertige Pflanzenproteine in Fleischprodukte eingearbeitet. So können bei einem Fleischerzeugnis, wie zum Beispiel einer Fleischwurst, einer Salami oder einem Fleischbällchen 25 bis 50 Prozent des Fleisches durch pflanzliche Proteine ersetzt werden.

Diese Erzeugnisse sind eine Option, um die Nachfrage zu decken und gleichzeitig Fleischprodukte nachhaltiger zu gestalten. Dabei ist die Herstellung hybrider Convenience Produkte, also die Zerkleinerung der Texturate im Fleischkutter und das Vermengen der Komponenten, vergleichbar mit der reiner Fleischprodukte. Bestehende Verfahren und Anlagen, die für die Produktion von Fleischwaren eingesetzt werden, können somit auch für die Herstellung veganer Wurstwaren genutzt werden. Vor allem für kleine und mittlere Unternehmen erschließt sich dadurch ein neues Marktsegment, ohne neue Geräteinvestitionen tätigen zu müssen.

Für Fleischliebhaber stellen Meathybrid-Produkte ein niedrigschwelliges Angebot dar, zu einer fleischärmeren Ernährung zu wechseln. So können zum Teil oder vollständig aus Pflanzen hergestellte Fleischersatzprodukte eine wichtige Brückenfunktion zur Reduktion des Fleischkonsums übernehmen und die Veränderung kulturell gewachsener Ernährungsgewohnheiten erleichtern. Denn in Deutschland, aber nicht nur hier, hält nach wie vor ein großer Anteil der Verbraucher Fleisch in der täglichen Ernährung für unverzichtbar. Wissenschaftler sprechen vom so genannten „Meat Attachement“ oder, vereinfacht übersetzt, von der „Liebe zum Fleisch“. Je stärker dieses „Meat Attachement“ ist, desto weniger sind die Menschen gewillt, zu vegetarischen oder veganen Ersatzprodukten zu greifen.

Doch von denjenigen Konsumenten, die ihren Fleischverzehr aktiv reduzieren möchten, den so genannten Flexitariern, wird ein hohes Potenzial erwartet. Forsa schätzte 2020 den Anteil der Flexitarier in Deutschland auf 55 Prozent. Unabhängig von den exakten Zahlen zeichnet sich jedoch seit Jahren ein deutlicher Trend ab: Immer mehr Menschen wollen immer weniger Fleisch essen. Gleichzeitig wollen viele von ihnen aber nicht auf den Geschmack von Fleisch verzichten und greifen deshalb zu Fleischersatzprodukten. Auch die Lebensmittelindustrie hat vegetarische und vegane Fleischersatzprodukte für sich entdeckt. Inzwischen reicht die Bandbreite der Produkte vom altbekannten Soja-Schnitzel über Wurstwaren bis hin zu veganen Burgern, bei denen Patties, Käse und Bacon komplett aus Pflanzen hergestellt worden sind.

Inwieweit vegetarische und besonders vegane Produkte dauerhaft relevante Marktanteile erlangen können, wird jedoch stark davon abhängen, ob die Verbraucher sie als gleichwertige Alternative zu tierischen Fleisch- und Wurstwaren akzeptieren. Die breite Bevölkerung wird wohl erst dann bereit sein, Fleisch komplett durch pflanzliche Alternativen zu ersetzen, wenn ihr ein geschmacklich überlegenes, qualitativ hochwertiges und preisgünstigeres Ersatzprodukt angeboten wird.

Dies zeigen auch die Umfrage-Ergebnisse von Verbraucherforscherin Gebhardt: „Ein nicht-zusagender Geschmack, ein fehlendes Warenangebot bzw. eine zu geringe Produktvielfalt und ein zu teurer Preis werden häufig als Ursache genannt, keine pflanzenbasierten Lebensmittel zu kaufen.“ Und aus welchen Gründen entscheiden sich Verbraucher doch für pflanzenbasierte Lebensmittel? „Die allgemeine Gesundheit, Tier- und Umwelt- bzw. Klimaschutz sind in allen betrachten Ländern wichtige, jedoch nicht die einzigen Motive für den Konsum pflanzenbasierter Lebensmittel“, beschreibt Gebhardt. „Daneben spielen Gesundheitsaspekte, wie Nahrungsmittelintoleranzen bzw. -allergien, aber auch religiöse Gründe sowie die individuelle Offenheit für neue Produkte bei der Kaufentscheidung eine Rolle. Da gibt es dann auch Spielraum für ganz neue Rezepturen und eigene Geschmacksrichtungen, losgelöst vom tierischen Original“, beobachtet sie.

Pflanzen als Basis für die Ernährung der Zukunft

Gerade in den Industrienationen mit ihrem hohen Konsum an tierischen Lebensmitteln zeigen sich oft auch die gesundheitlichen Folgen eines regelmäßigen Konsums größerer Portionen an Fleisch und Fleischprodukten: Herz-Kreislauf-Erkrankungen, Bluthochruck, Schlaganfall, Diabetes Typ 2 und Darmkrebs, um nur die häufigsten zu nennen. Nicht ohne Grund wollen und müssen viele Menschen ihren Fleischkonsum überdenken.

Pflanzliche Ersatzprodukte können eine gute Alternative sein – auch angesichts einer stetig wachsenden Weltbevölkerung. Denn durch Fleisch lassen sich viel weniger Menschen ernähren als mit den Nahrungsmitteln, die für seine Produktion nötig sind. Dies liegt vor allem daran, dass Pflanzen direkt für die menschliche Ernährung genutzt werden können. Der „Umweg“ über das Tier und damit auch der Kalorienverlust bei der Umwandlung pflanzlicher Futtermittel in tierisches Fleisch entfällt.

Da sich dadurch der Bedarf an Landfläche und Wasser drastisch reduziert, profitieren auch Umwelt und Klima davon. So hat das Deutsche Institut für Lebensmitteltechnik (DIL) ausgerechnet, dass eine aus Pflanzen hergestellte Wurst im Vergleich zu einer klassischen Wurst aus Fleisch nur 51 Prozent Energie, 33 Prozent Wasser und 30 Prozent Landfläche benötigt und nur 36 Prozent CO2-Ausstoß verursacht. Gründe gibt es – zumindest in den Industrienationen – also viele, um den Konsum an tierischen Lebensmitteln deutlich zu senken und den Verzehr an pflanzlichen Alternativen zu steigern.

Text: Ursel Stuhlemmer