Ich liebe Fleisch! Wie synthetische Biologie Pflanzen einen „fleischigen“ Geschmack verleihen kann

„Kein Bambus macht vulgär, kein Fleisch dünn. Um weder vulgär noch dünn zu sein, schmoren Sie Schweinefleisch mit Bambussprossen.“

Bei einer Versammlung vor über tausend Jahren schrieb der „Dichtergott“ Su Shi diesen interessanten Knittelvers, der die Liebe und Bewunderung der Menschen für Fleisch anschaulich zum Ausdruck brachte.

Fleisch ist zweifellos ein köstliches Lebensmittel mit extrem hohem Nährwert. Fleisch ist nicht nur eine hochwertige Proteinquelle, sondern auch reich an Lipiden, Zink, Hämeisen, Vitamin B usw., die alle für die menschliche Gesundheit notwendig sind. Darüber hinaus spielen auch einige Proteine ​​im Fleisch, wie beispielsweise Gelatine, aufgrund ihrer guten Gelier-, Emulgier- und Wasserbindungseigenschaften eine sehr wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie.

Die Nachfrage nach Fleisch ist stark gestiegen, und ein „neuer Durchbruch“ ist dringend erforderlich

Seit dem 21. Jahrhundert ist mit dem Wachstum der Weltbevölkerung auch die Nachfrage der Menschen nach Fleisch dramatisch gestiegen. Die WHO prognostiziert, dass der weltweite Pro-Kopf-Fleischkonsum bis 2030 auf 45,3 Kilogramm pro Jahr steigen wird. In diesem Fall müsste die Produktion der Fleischindustrie um etwa 50–72 % gesteigert werden, um den Nahrungsmittelbedarf der entsprechenden Bevölkerung zu decken.

Allerdings hat die Entwicklung von Fleischprodukten auch viele ernste Probleme mit sich gebracht.

Einerseits ist die Tierhaltung eine ressourcenintensive Branche. Laut Statistik beansprucht die Viehzucht 70 % der landwirtschaftlichen Nutzflächen weltweit und verbraucht 27 % der weltweiten Süßwasserressourcen. Darüber hinaus machen die Treibhausgasemissionen der Fleischproduktion 18 % der weltweiten Emissionen aus und übertreffen damit sogar die der Transportindustrie (13 %). Andererseits enthalten Fleischprodukte einen höheren Anteil an Cholesterin und gesättigten Fettsäuren, die in engem Zusammenhang mit der Entstehung von Stoffwechselerkrankungen wie Herz-Kreislauf-Erkrankungen, hohem Cholesterinspiegel und Krebs stehen. Darüber hinaus kann Fleisch Krankheitserreger wie Vogelgrippe, Salmonellen usw. enthalten, die die Gesundheit der Verbraucher gefährden.

Durch die Entwicklung von Kunstfleisch soll der Bedarf der Menschen an Fleisch gedeckt und gleichzeitig die damit verbundenen Umweltverschmutzungs- und Gesundheitsprobleme gelöst werden.

Es gibt zwei Hauptarten von Kunstfleisch:

Die erste Art ist „Pflanzenfleisch“, ein Nahrungsmittel auf Basis von Pflanzenproteinen wie Sojabohnen und Weizen, das durch Verarbeitungstechnologien wie Extrusion und Elektrospinnen hergestellt wird. Es wird auch vegetarisches Fleisch genannt. In meinem Land hat der Verzehr von „Pflanzenfleisch“ eine jahrtausendealte Tradition. Bereits in der Tang-Dynastie gab es eine Kochmethode, bei der „vegetarisches Essen als Beilage zu Fleisch verwendet wurde“. Laut „Bei Meng Suo Yan“ „färbten die Bankettbeamten die Speisen mit Mehl und Konjak ein, und die Gerichte wie Schweineschulter, Lammfleisch und gebratener Lammarm sahen alle lebensecht aus. Die Leute verglichen es damals mit Kaiser Wu von Liang.“

Obwohl „Pflanzenfleisch“ reich an Proteinen und günstig ist, kann es den „Fleischgeschmack“ nur durch Aromatisierung erzeugen und den Geschmack und das Aroma von Fleisch nicht gut wiederherstellen.

Der zweite Typ ist „zellkultiviertes Fleisch“, dessen Hauptbestandteil tierisches Protein ist, das durch Methoden der Zellgewebetechnik direkt von Zellen synthetisiert wird und auf in vitro kultivierten tierischen Stammzellen basiert. Obwohl zellkultiviertes Fleisch natürliches tierisches Eiweiß enthält, ist es schwierig, das Fasergewebe von Fleisch durch Zellkultur zu simulieren, und auch die Kosten für das Kulturmedium sind relativ hoch. Es befindet sich noch in der Forschungs- und Entwicklungsphase.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass der Produktionsprozess von Pflanzenproteinen ausgereift und die Kosten niedrig sind, der Geschmack jedoch schlecht ist. Bei tierischem Eiweiß ist es genau das Gegenteil, es schmeckt fast genauso wie Fleisch, aber die Produktionskosten sind hoch und eine Produktion im großen Maßstab ist schwierig.

Pflanzliches Fleisch oder zellkultiviertes Fleisch? Neues künstliches Fleisch entsteht

Können wir also die Vorteile beider kombinieren und eine neue Art künstliches Fleisch entwickeln?

Die Antwort ist ja. Impossible Foods in den USA ist ein Unternehmen, das sich dem Ersatz von Fleisch durch Pflanzen verschrieben hat. Basierend auf dem Konzept der synthetischen Biologie untersuchten sie zunächst den Mechanismus des „Fleischgeschmacks“ auf molekularer Ebene, wählten dann Proteine ​​und Nährstoffe aus Pflanzen aus und verwendeten schließlich Pflanzenproteine, um den Geschmack und die Nährstoffe von Fleischprodukten wiederherzustellen. Das Vorzeigeprodukt des Unternehmens im Jahr 2016, der Impossible Burger, ist ein Burger-Patty auf pflanzlicher Proteinbasis mit „Fleischgeschmack“. Gäste sagen, dass man den Burger kaum von einem echten Rindfleischburger unterscheiden kann.

Was ist also das Besondere an dieser pflanzlichen Fleischalternative?

Um realistischeres Fleisch herzustellen, müssen Wissenschaftler zunächst den Mechanismus herausfinden, der den „fleischigen Geschmack“ erzeugt. Wir wissen, dass der Hauptbestandteil von Fleischprodukten Muskelfleisch ist und dass das auffälligste Merkmal von Muskelfleisch seine rote Farbe ist, da es eine große Menge Hämoglobin enthält. Hämoglobin ist ein Basismolekül, das Sauerstoff transportieren und grundlegende Lebensfunktionen aufrechterhalten kann. Fast alle Tiere und Pflanzen enthalten Hämoglobin, allerdings ist der Hämoglobingehalt bei Tieren mehr als 1.000-mal höher als bei Pflanzen.

Forscher von Impossible Foods haben herausgefunden, dass Hämoglobin der Schlüssel dazu ist, dass Fleisch nach Fleisch schmeckt. Während des Kochvorgangs fungiert Häm als Katalysator zur Produktion von Hunderten flüchtigen Verbindungen und erzeugt ein einzigartiges Fleischaroma. Noch interessanter ist die Entdeckung, dass Hämoglobin auch auf natürliche Weise in den Wurzelknöllchen von Sojapflanzen vorkommt und daher anschaulich als „Pflanzenblut“ bezeichnet wird. Schließlich wurde das pflanzliche Kunstfleisch durch die Zugabe von Sojahämoglobin rosafarbener, blutiger und fleischiger.

Die effiziente Herstellung von Sojahämoglobin ist jedoch ein weiteres Problem. Zwar kann Hämoglobin direkt aus Sojapflanzen extrahiert werden, doch die Erträge sind bei dieser Methode gering und der Ressourcenverbrauch ist höher. Um dieses Problem zu lösen, beschloss das Team von Impossible Foods, Häm durch Gentechnik heterolog zu exprimieren.

Bei der heterologen Proteinexpression handelt es sich um eine molekularbiologische Technik, bei der Bakterien, Hefen, Insektenzellen, Säugetierzellen oder Pflanzenzellen zur Expression fremder Genproteine ​​verwendet werden. Das Expressionssystem von Pichia pastoris wird aufgrund seiner Vorteile wie niedrige Kosten, hohe Leistung und posttranslationale Modifikation häufig verwendet. Wissenschaftler können fremde Gene in das Hefegenom integrieren und der Hefe so die Fähigkeit verleihen, neue Verbindungen zu synthetisieren.

Diese exogenen Gene stammen alle aus Hülsenfrüchten und sind am Hämsyntheseweg beteiligt. Wie in der Abbildung unten gezeigt, durchläuft das Ausgangssubstrat ALA eine komplexe chemische Reaktion und führt schließlich zum Produkt Hämoglobin. Diese Reaktionen werden alle durch Proteasen katalysiert, darunter Dehydrogenase, Deaminase, Synthase usw. Nachdem Wissenschaftler all diese Gene in die Pichia-Hefe eingebracht hatten, erlangte die Hefe auch die Fähigkeit, Hämoglobin zu synthetisieren.

Unter genau festgelegten Gärungsbedingungen produziert die Pichia-Hefe schließlich im Gärbehälter schaumiges rotes „Pflanzenblut“. Nach der Filtration und Proteinreinigung erhielten die Wissenschaftler schließlich Sojabohnenhämoglobin mit hoher Ausbeute und hoher Reinheit. Im Juli 2018 bestand das durch Fermentation gewonnene Hämoglobin von Impossible Foods die Sicherheitsprüfung der FDA und kann als Nährstoff und Farbstoff in künstlichem Fleisch verwendet werden.

In Zukunft plant Impossible Foods, den molekularen Mechanismus der „köstlichen“ Rindfleischburger weiter zu untersuchen. Wissenschaftler schlossen einen Gaschromatographen-Massenspektrometer an einen Grill an, um den Zusammenhang zwischen flüchtigen Molekülen und neuronalem Vergnügen zu untersuchen. Nachdem die Wissenschaftler das entscheidende „Aromamolekül“ gefunden haben, können sie es Burgern hinzufügen, genau wie Hämoglobin, um künstlichem Fleisch einen schmackhafteren Geschmack zu verleihen.

Das Unmögliche möglich zu machen, darin liegt der größte Reiz der synthetischen Biologie. Durch Forschung im Bereich Stoffwechseltechnik können Wissenschaftler das synthetische Enzymsystem beliebiger natürlicher Verbindungen in Mikroorganismen transplantieren, um eine Fermentationsproduktion im großen Maßstab zu ermöglichen. Neben Hämoglobin gibt es immer mehr natürliche Lebensmittelzusatzstoffe wie Vitamin E, Stevia, Molkenprotein usw. Sie machen Lebensmittel nicht nur nahrhafter und schmackhafter, sondern sorgen auch für einen umweltfreundlicheren und effizienteren Produktionsprozess.

Ich glaube, dass es in der Zukunft noch mehr Unmögliches geben wird, das wir erreichen können.

Quellen:

1. https://impossiblefoods.com/cn

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