Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 06/2017, 12.06.2017

Proteinquelle der Zukunft: Fasern aus Pflanzenprotein?

Nachhaltig produzierte Nahrungsproteine sind zukünftig verstärkt bei Pflanzen zu suchen. Noch ist es schwierig, aus Pflanzenprotein einen zum Verwechseln ähnlichen Fleischersatz zu produzieren. Dennoch, Technologie und Markt entwickeln sich schnell.

Autor: Michael Beyrer - Professor für Lebensmittelverfahrenstechnik

Bilder: Francois Walter, Hes-so; ernanda Kerche, Hes-so; Fernanda Kerche, Hes-so; Fernanda Kerche, Hes-so, bild: Jean Decaix, Laurent Rapillard, Hes-so

Die weiterhin wachsende Weltbevölkerung und steigender globaler Wohlstand führen zunehmend zu einer global geringeren Verfügbarkeit von tierischem Protein. Weitere Interessenkonflikte der konventionellen Proteinproduktion, wie drastische Überfischung, Freisetzung von Treibhausgasen, Bodendegradation, Flächenverbrauch und Verlust von Habitaten mit Bedeutung für Klima und Artenvielfalt, sind zu vermerken. Beispielsweise sind über 1000 m2 Landwirtschaftsfläche pro Einwohner in europäischen Industrienationen nötigt, um den Fleischbedarf zu decken. Für die Getreide- und Kartoffelproduktion werden weniger als 150 m2 pro Einwohner beansprucht. Weiterhin gibt es gesundheitliche Bedenken bezüglich der Ausgewogenheit bei aktuellen Verzehrsgewohnheiten. Verbraucher und Verantwortliche in den Versorgungsketten rücken alternative Proteinquellen stärker in den Fokus. Es ist kein Zufall, dass Traditionsunternehmen, wie «Rügenwalder Mühle» eine Wende im Produktportfolio ankündigten oder neue Unternehmen wie «Amidori» sich am Markt platzieren. Warum haben es pflanzliche Proteine dennoch schwer, sich gegenüber tierischem Protein in unserem Speiseplan zu behaupten?

Vielfältige Innovationsfelder.

Lebensmittel sind komplexe Systeme und Verbraucher haben ein komplexes Verhalten. Es liegt also in der Natur der Sache, dass es auf die gestellte Frage keine einfache Antwort gibt. Viele Veränderungen, die wir als Innovationen wahrnehmen, sind von technischen Fortschritten getrieben. Ist die Gemengelage bei alternativen Proteinen anders als bei der nächsten Generation von Computern? Immerhin aus der Sicht, dass die sogenannten alternativen, pflanzlichen Proteine bereits via Biosynthese in der Pflanze verfügbar sind. Die Innovationsfelder liegen bei der Verarbeitung – also Extraktion, Trocknung, Funktionalisierung, Formulierung, Zubereitung in industriellem Massstab – aber eben auch und besonderes im Verbraucherverhalten.

Von globulären zu fibrillären Strukturen.

In grossen Mengen verfügbare pflanzliche Proteine sind in der Regel Speicherstoffe der Pflanze, insbesondere der Samen. Die Pflanzen lagern vielfältige, globuläre Proteine ein, die relativ isotrope, also von der Richtung unabhängige Texturen bilden. Muskelprotein hingegen hat keine Speicherfunktion, sondern gibt Mobilität via Kontraktion und Dekontraktion. Dünne fibrilläre Strukturen, sowie Septen aus Bindegewebe sind für die wahrgenommene Textur von Bedeutung. Von jedem bekannten Verfahren zur Strukturierung von Pflanzenprotein wird das Ziel, Muskelgewebe gut zu simulieren, weit verfehlt. Andererseits können durchaus anisotrope Strukturen erzeugt werden, die dann den Verbraucher überzeugen müssen. Wie weit kommen die Verbraucher den Herstellern entgegen und akzeptieren das technisch Mögliche? Und wie weit kann ein Verfahren gehen und anisotrope Strukturen erzeugen? Die zweite Frage soll im Folgenden erörtert werden.

Protein als Rohstoffe charakterisieren.

Dazu ist es nötig, die makroskopische und damit sensorisch entscheidende Ebene zu verlassen und sich auf die molekulare Ebene zu begeben. Häufig werden Proteingehalt und -löslichkeit gemessen. Speicherproteine in Samen sind ohne eine vorherige enzymatische Bearbeitung eher schlecht löslich. Aber sie reagieren sensibel auf eine Temperaturerhöhung. Nicht wie zu erwarten mit einer Verminderung der Löslichkeit, sondern zunächst indem sich die Löslichkeit erhöht. Alternativ zur Löslichkeit lassen sich Viskosität-Temperatur-Zeit-Funktionen heranziehen, um dieses komplexe Verhalten zu charakterisieren. Dabei stellt sich die Frage, ob diese Kurven die Rohstoffqualität zufriedenstellend charakterisieren. Zumindest fanden wir, dass sie klar Unterschiede zwischen Proteinen gleicher Herkunft aber unterschiedlicher Chargen aufzeigen. Und rheologische Messungen sind geeignet, Rohstoffvariationen als Funktion von Lagerbedingungen oder auch einer Rohstoffkonditionierung wie einer hydrothermischen Behandlung zu charakterisieren. Dieses ist kaum möglich via dynamischer Calorimetrie oder auch Messung hydrophil-lipophiler Balancen.

Verfahren zur Proteinstrukturierung.

Klassisch wird Soja-protein bei der Herstellung von Tofu mehr oder weniger aus der isotropen in eine anisotrope Form überführt. Also eine Art der Agglomeration von reaktivem Protein. Wirklich anisotrope Strukturen sind eher an Agglomerationsverfahren gekoppelt, die unter laminarer Strömung ausgeführt werden. Erprobt sind in diesem Zusammenhang Extruder, die mit geeigneten Kühldüsen ausgestattet sind. Dabei wird die Agglomeration in die Kühldüse verlagert. Das Fliessprofil in der Düse ist im Grunde entscheidend für eine Art Laminieren von Proteinen, die bei hohem Wassergehalt verarbeitet werden. Experten sprechen von «High Moisture Extrusion Cooking» (HMEC). Proteine, wie Gluten und Soja, lassen sich gut laminieren, dagegen Protein aus Erbsen, weniger gut. Weitere Zusätze wie Fasern, sind als Hilfsstoffe anzusehen. In batchweise arbeitenden Scherzellen verschiedener Geometrie lassen sich ähnliche Effekte erzeugen, nur dass eben schon beim thermisch verursachten Aktivieren der Proteine (Aufschmelzen, Linearisieren) strikt laminare Scherbedingungen herrschen. Diese Gleichmässigkeit der Strömung über 15 min und mehr ergibt heutzutage die Strukturen, die am ehesten an eine Faser erinnern. Führend in dieser Technik ist die Gruppe um Atze-Jan van der Goot an der Universität Wageningen. Nachteilig ist ganz klar, dass die Produktionskapazität recht limitiert ist im Vergleich mit Ex- trusionsverfahren (HMEC). Weniger Bedeutung und Leistungsfähigkeit haben Verfahren wie Elektrospinnen oder die kalte Denaturierung durch Gefrieren erlangt.

Unsere Gruppe ist insbesondere aktiv im Bereich der Strömungsanalyse in Extruderdüsen. Inline-Messungen von Viskositäten helfen enorm, das komplexe Geschehen beim Erkalten der Proteine zu beschreiben und Prozesssteuerungen zu in-stallieren. Auf dieser Basis entstehen auch neue Konzepte für den Bau der Düsen.

Weitere Aspekte und Basis für Forschungspartnerschaften unserer Gruppe sind aktuell die Aromatisierung der Extrudate, die Anreicherung mit Vitaminen und Mineralien, insbesondere Eisen oder die weitere Verbesserung der ernährungsphysiologischen Bilanz durch Nahrungsfasern. Konvergieren derzeit Nachhaltigkeitsinteresse der Gesellschaft, Verbraucherwünsche und Entwicklungstrends? Das sind wichtige Themen auf dem Weg zu einem häufigeren Konsum von nachhaltig produziertem Nahrungsprotein.



Extrudat aus reinem Erbsenprotein, ein Zwischenprodukt das zum Beispiel in veganer Bolognese Verwendung findet


Viskositätsprofile von zwei Erbsenproteinen und deren Mischungen. Verschnitte eignen sich neben anderen Verfahren zum Standardisieren der Rohstoffe


Temperatur- und Fliessprofil von Proteinzubereitungen in Extruderdüsen: Für die Laminierung und Düsenauslegung sind spezifische Profile gefragt, die hier mit einer Finit-Element-Methode auf der Grundlage von Inline-Messungen während der Extrusion berechnet werden

Seminar «Food Extrusion Switzerland»

Das Institut Life Technologies organisiert in Zusammenarbeit mit der Firma Food Industry Engineering (FiE) ein Seminar, das der Verfahrenstechnik «Extrusion» in seiner Food-Anwendung gewidmet ist.

Datum: 27. bis 29. September 2017

Ort: Sion / Sitten

Veranstalter: University of Applied Sciences Western Switzerland (Hes-so VS), Institute Life Technologies

Weitere Informationen und Anmeldung: www.fie.com.au/events/food-extrusion-switzerland