Alternative Proteinquelle: Neuentwicklung mit Basidiomyceten nach Art einer Bratwurst

Um den zukünftigen Bedarf der wachsenden Weltbevölkerung an Proteinen zu decken sind neuartige Proteinquellen dringend erforderlich. Myzelien von essbaren Pilzen, den sogenannten Basidiomyceten, sind reich an Proteinen und können mit landwirtschaftlichen Nebenströmen submers kultiviert werden. In dieser Studie wurden verschiedene pflanzliche Proteine und das Myzel von Pleurotus sapidus, kultiviert auf Isomaltulose (Südzucker AG, Offstein), in einem veganen Bratwurstsystem untersucht und durch sensorische Tests und Textur-Profil-Analyse (TPA) mit einem fleischhaltigen Vergleichsprodukt (feine Bratwurst) verglichen. 

Die Bräunungsreaktion (Farbe) nach 3 min im heißen Ölbad wurde im L*a*b-Farbraum gemessen. Das mittels Textur-Profil-Analyse (TPA) bestimmte Attribut Härte der Proben wurde mit den sensorischen Eindrücken korreliert. Die Verwendung von Basidiomycetenmyzel erwies sich als eine geeignete Alternative zu kommerziellem Pflanzenproteinen.

Warum alternative Proteinquellen? 

Die fleischfreie Ernährung wird für den Verbraucher immer wichtiger und hat vielfältige Beweggründe. Religiöse oder ethische Gründe hinsichtlich des Tierwohls können Entscheidungsfaktoren sein, jedoch sind auch ökologische und gesundheitliche Aspekte für die fleischfreie Ernährung ausschlaggebend [1, 2]. Das Angebot an Fleischsubstituten ist in den letzten Jahren deutlich gestiegen, was sich im Anstieg der einschlägigen Marken und der Verbrauchernachfrage ausdrückt [3].

Neben den ökonomischen Kennzahlen ist die Verbraucherakzeptanz für eine erfolgreiche Vermarktung entscheidend. „Was nicht schmeckt, wird nicht noch einmal gekauft!“. Je nachdem, welche Gründe zur fleischfreien Ernährung führen, beeinflusst auch die Auswahl der Rohstoffe die Bereitschaft der Verbraucher ein Produkt zu kaufen [4-7]. So ist davon auszugehen, dass Konsumenten, die auf Grund von ethischen Aspekten auf Fleisch verzichten, auch Produkte auf Basis von bspw. Insektenprotein ablehnen würden. Etablierte Fleischsubstitute auf Basis von Leguminosen (Hülsenfrüchte), wie bspw. Erbse, Soja, Lupine beinhalten ernährungsphysiologisch wertvolle Inhaltsstoffe, jedoch ist die sensorische Attraktivität für den Verbraucher gering und es werden Aromen, Gewürze oder Gewürzextrakte hinzugefügt, um die Verbrauchererwartung erfüllen zu können [8, 9]. 

Derzeit eingesetzte Proteine sind überwiegend von geringer biologischer Wertigkeit und haben, bedingt durch den geringen Anteil an Albumin, unvorteilhafte techno-funktionelle Eigenschaften [10]. 

Der derzeitige Marktausblick im Sektor Substitution von allergenen Proteinen, Produktion von veganen bzw. vegetarischen Produkten sowie von alternativen Proteinquellen zur Humanernährung wird durch die stetig wachsende Weltbevölkerung bestimmt. Hierbei können anfallende Agrarnebenströme in Verbindung mit Basidiomyceten und deren Fähigkeit, Lignocellulosen wie z. B. Stroh oder Holz als Kohlenstoffquelle zu nutzen, herangezogen werden. Durch Kultivierung von Basidiomyceten mit Agrarnebenströmen in Submerskultur werden proteinreiche Myzelien erzeugt, die in Zukunft eine große Rolle in der menschlichen Ernährung spielen können [11]. Dass dieses Konzept erfolgreich sein kann belegt das Pilzprodukt „Quorn“, das der Markenname für eine Linie von Lebensmitteln aus Myzelien des Schimmelpilzes Fusarium venenatum ist. Es wird derzeit in verschiedenen Märkten wie bspw. in Deutschland, Großbritannien und der Schweiz angeboten. 

Der Pilz wird in Fermentern gezüchtet, verarbeitet und texturiert, um ein fleischähnliches Nahrungsmittel zu erzeugen. Im Allgemeinen wird der filamentös wachsende Pilz für die Fleischersatzproduktion verwendet, da erwartet wurde, dass er ähnliche texturgebende Eigenschaften beim Verzehr wie Fleischprodukte aufweist. Um eine fleischähnliche Textur zu erhalten, muss die gebildete Biomasse jedoch mit einem Bindemittel wie Eialbumin, Aromastoffen und anderen Zutaten in Abhängigkeit von den gewünschten Eigenschaften der Endprodukte versetzt werden. Nach dem Erhitzen koaguliert das als Bindemittel verwendete Eialbumin und verbindet die Hyphen miteinander. Durch die Extrusion der Masse führt dies zu Fabrikaten, die ähnliche strukturelle Eigenschaften wie Fleischprodukte aufweisen [4, 12, 13]. Basidiomycetenmyzel soll dagegen ohne solche Zusätze auskommen und als techno-funktioneller Rohstoff in der Lebensmittelindustrie zum Einsatz kommen [14, 15].

Was sind die Alternativen? 

Um die richtigen Rohstoffe für die Substitution tierischer Proteinquellen einzusetzen ist Berücksichtigung der gewünschten Endverbrauchergruppe ein wichtiger Aspekt. Neben pflanzlichen Proteinquellen sind auch andere Ausgangsmaterialien derzeit in der Forschung, wie Muskelfasern aus in vitro Kulturen (Laborfleisch), Insekten und das angesprochene Pilzmyzel aus Basidiomyceten.

Insekten

In vielen Ländern gehören Insekten zur Ernährung, jedoch nicht in Europa, wo diese den traditionellen Ernährungsgewohnheiten widersprechen. Jedoch können Insekten eine wertvolle alternative Proteinquelle für Verbraucher darstellen, die Aufgrund ökologischer und/oder gesundheitlicher Aspekte auf konventionellen Fleischkonsum verzichten. Der Verzehr von Insekten bietet zwei Hauptvorteile:

Jedoch müssen die Produkte, die daraus hergestellt werden schmecken und vom Verbraucher akzeptiert werden. Anforderungen an Verbraucherakzeptanzstudien sind: (i) Die verarbeiteten Insekten sollten nicht mehr im Lebensmittel erkennbar sein; (ii) Das Lebensmittel muss sensorisch attraktiv sein und keinen schlechten Geschmack/Geruch aufweisen; (iii) Verkostungen mit Laien sollten großflächig durchgeführt werden. Im Weiteren müssen Studien bzgl. der Lebensmittelsicherheit (potenzielle Allergene; Akkumulation von Schwermetallen/ Umweltgiften/ Pestizidrückständen; pathogene Mikroorganismen), der industriellen Fertigung und ggf. zur Bewertung als Novel Food durchgeführt werden, bis diese alternative Proteinquelle industriell zum Einsatz kommen kann [16].

Laborfleisch

Das Verfahren nutzt bovine Muskelstammzellen, um mittels Gewebekulturtechniken Muskelfasern für den menschlichen Verzehr zu generieren. Das Leiden von Nutztieren sowie die negativen Umweltauswirkungen der intensiven Nutztierhaltung zur Fleischproduktion könnten durch den Einsatz dieser Technik nahezu auf null reduziert werden. Diese Hypothesen werden durch verschiedene Studien belegt. Zu Laborfleisch ist allerdings bisher lediglich eine Machbarkeitsstudie durchgeführt worden. Die Entwicklung von kommerziell erhältlichem Laborfleisch, das zudem auch noch komplett „tierfrei“ erzeugt wurde (ohne Medienbestandteile auf Basis tierischer Produkte) unterliegt noch einigen technologischen Hürden. Die techno-funktionellen Eigenschaften sind zudem auch noch nicht hinreichend untersucht und sollten mit dem Marketingkonzept in den nächsten Jahren erarbeitet werden [17].

Pflanzliche Proteine

Pflanzliche Proteine dienen schon seit Jahren zur Herstellung von Fleischersatzprodukten. Zusätzlich dienen sie im nicht EU-Ausland zur teilweisen Fleischsubstitution. Die sogenannten Hybridprodukte sind bspw. Würstchen oder Kochschinken mit einem Zusatz von pflanzlichem Protein. Fleischfreie Produkte auf Basis von Soja sind bspw. Tofu, Tempeh oder texturiertes Sojaprotein. Bekannte Ersatzprodukte bestehen auch oft aus einer Weizenproteinbasis, wie bspw. Seitan. Weitere pflanzliche Proteine sind derzeit auf Basis Erbse, Lupine, Sonnenblume und Raps im Einsatz. Fleischersatzprodukte auf Basis von pflanzlichen Proteinen sind auf dem Markt bereits etabliert. Die diversen Einsatzmöglichkeiten sind noch nicht erschöpft, jedoch müssen hierzu die techno-funktionellen Eigenschaften verbessert werden und somit die Technologien zur Gewinnung und Verarbeitung weiter optimiert werden [5, 18, 19].

Pilzmyzel und Herstellung 

Die Basidiomyceten umfassen etwa 30.000 Arten (37 % der beschriebenen Pilzarten), darunter die meisten essbaren Pilze mit einer jährlichen Produktion von 3,4 Milliarden Tonnen [20]. Die Hauptarten sind Champignon (Agaricus bisporus), Shiitake (Lentinula edodes) und Austernpilz (Pleurotus spp.). Als Wachstumssubstrate verwenden Basidiomyceten organische Materialien wie bspw. Stroh oder Holz. Basidiomyceten sezernieren ein breites Arsenal an Enzymen in das umgebende Substrat, um chemisch schwer zugängliche Stoffe als Nährstoffe verfügbar zu machen. Darüber hinaus ist die Kultivierung von Pilzen für die Fruchtkörperproduktion ein zeitaufwendiger Prozess, da je nach Art und Substrat ein bis mehrere Monate für die ersten Fruchtkörper benötigt werden. Eine Submerskultur bietet den Vorteil einer beschleunigten Produktion von Biomasse durch Basidiomyceten auf wenig Raum und mit geringem Kontaminationsrisiko. In Abbildung Abb. 2 bis 4 ist der Ablauf der Submerskultivierung schematisch und fotografisch dargestellt.

Darüber hinaus bietet die Submerskultivierung eine skalierbare Produktionsmethode und hohe Ausbeuten an biologisch aktiven Verbindungen. Wie in Abb. 2 bis Abb. 4 dargestellt, können in submerser Kultivierung verschiedene landwirtschaftliche Agrarnebenströme und verschiedene Basidiomyceten zur Produktion von Mycelien kombiniert werden. Darüber hinaus steht eine standardisierte Methode zur Verfügung, um zu bestimmen, welcher landwirtschaftliche Agrarnebenstrom mit welchem Pilz die höchsten Proteinausbeuten liefert. Die diversen Myzelien wurden im Arbeitskreis Zorn an der Universität Gießen kultiviert und im Anschluss lyophilisiert. Die Trockenmasse der kultivierten Basidiomycetenmyzelien besteht im Durchschnitt aus ca. 20–30 % Protein, 0,5–1 % Fett, 5–6 % Asche und 55–60 % Kohlenhydraten, wie z. B. b-Glucanen und Chitin. Kombinationen wie Pleurotus sapidus auf Apfeltrester, Zwiebeltrester oder Isomaltulosemelasse und Lentinula edodes auf Karottentrester wurden als geeignetes Material für die techno-funktionellen Tests in verschiedenen Lebensmittelsystemen identifiziert. Diverse Basidiomyceten-Substratkombinationen wurden schon seit einigen Jahren erforscht und bilden hierbei die Grundlage für eine Produktentwicklung [11, 15, 21].

Produktentwicklung von fleischähnlichen Produkten am Beispiel von veganen „Bratwürstchen“

Alle Mischungen (Zusatzstoffe, Gewürzmischungen) wurden von der Firma Van Hees GmbH in Walluf bezogen und sind kommerziell verfügbare Mischungen. Das frische Fleisch wurde vom lokalen Metzger bezogen. Standardisiertes Öl von Helianthus annuus (Sigma Aldrich, St. Louis, Vereinigte Staaten) wurde zur Herstellung der veganen Bratwürste verwendet. In allen Herstellungsprozessen wurde Leitungswasser bzw. daraus hergestelltes Eis verwendet (Rheingauwasser GmbH, Eltville).

Es wurden folgende Proteinquellen eingesetzt: Erbsenproteinisolat (EPI): Proteingehalt 90,1 % (Cosucra, Pecq, Belgien), Sojaproteinisolat (SPI): Proteingehalt 90,8 % (Dupont, Wilmington, USA), Sonnenblumenproteinkonzentrat (SBK): Proteingehalt 68,5 % (Fraunhofer IVV, Freising), Sojaproteinkonzentrat (SPK): Proteingehalt 70,1 % (Dupont, Wilmington, Vereinigte Staaten), Myzelium von Pleurotus sapidus kultiviert mit Isomaltulosemelasse (PSA_IM): Proteingehalt 14,7 % (Justus-Liebig-Universität, Gießen).

 

Zur Herstellung des veganen Bratwurstsystems wurden zwei Gütezusatzmischungen EW2015ALBRF_01, PRALLO Knack (147190013DE) zur Herstellung von Emulsionen und eine Gewürzaromamischung (EW-2015ALBRG_01) der Firma Van Hees GmbH verwendet.

Das vegane Bratwurstsystem bestand aus zwei Emulsionen. Die Grundmasse der ersten Emulsion enthielt 266 g kg-1 standardisiertes Speiseöl, 40 g kg-1 PRALLO Knack und 694 g kg-1 Eiswasser. Die Emulsion wurde im Vakuumkutter (6-Messer, K75 Vakuum-Koch-Kutter, Seydelmann, Stuttgart) hergestellt und bei 250 mbar für 1 min entlüftet. Nach Entfernen aus dem Kutter wurde die zweite Emulsion hergestellt. Hierzu wurde Wasser (740 g kg-1) vorgelegt, die Gütezusatzmischung (90 g kg-1) hinzugefügt, 2 min rehydratisiert und standardisiertes Speiseöl (180 g kg-1) emulgiert. Die Masse wurde analog zur ersten Emulsion entlüftet.

Zur Herstellung der veganen Bratwurst wurden 500 g der ersten Emulsion mit 500 g der zweiten Emulsion für 2 min bei 3.600 U/min im Kutter gemischt. Es wurden 5 g kg-1 bzw. 30 g kg-1 der diversen Proteine (3.1.1.) und 30 g kg-1 der Gewürzaromamischung hinzugefügt. Das vegane Brät wurde in Schäldärme Kaliber 22 (Viscofan, Tajonar-Navarra, Spanien) gefüllt und bei einer Kesseltemperatur von 80 °C für 25 min gebrüht.

Feine Bratwurst 

20 % SII (Schweinefleisch Kategorie II), 25 % S-Wadenfleisch, 10 % S-Bauch, 25 % S-Fett, 20 % Eis, 3 g kg-1 BULLIN P super oGF (Phosphat, Van Hees GmbH, 102550010DE), 8 g kg-1 Van Hees Die Feine (Gewürzmischung Van Hees GmbH, 209985013DE), 5 g kg-1 PolterGOLD Optimal (Van Hees GmbH 152978010DE), 18 g kg-1 Speisesalz. 

Alle Fleischbestandteile wurden mit Hilfe eines Wolfes (MEW 713-H82, MADO, Dornhan) auf 3 mm Partikelgröße zerkleinert und bei -18 °C für ca. eine halbe Stunde gelagert. Danach wurde das Brät im 2-Phasen Brätverfahren mit Hilfe eines Kutters (6 Messer, DMK 20C, DMS Maschinensystem, Saarbrücken) hergestellt. Hierbei wurden alle trockenen Zutaten am Anfang des Prozesses zum Fleischbrät hinzugefügt. Die Endtemperatur des Bräts betrug 12 °C. Das Brät wurde in Schäldärme Kaliber 22 (Viscofan, Tajonar-Navarra, Spanien) gefüllt und bei einer Kesseltemperatur von 80 °C für 25 min gebrüht.

Analytik

Geschmack, Textur kalt, 

Textur warm, Farbe

Die sensorischen Analysen wurden für jede hergestellte Charge von 15 Sensorikern in drei Wiederholungen durchgeführt. Vor den sensorischen Analysen wurde das Panel speziell für die sensorische Beschreibung dieser Produkte geschult. Die Teilnehmer wurden zu den Attributen Geschmack, Textur kalt/warm (Beschaffenheit/Härte) und Farbe befragt. Die Ergebnisse/der Eindruck wurden durch die Sensoriker auf einer hedonischen NeunPunkteKategorienskala eintragen. Die Proben wurden in 2 cm lange ­Stücke geschnitten, einmal erwärmt und einmal kalt und auf einem Teller gereicht. Die Experimente wurden in einem angemessen gestalteten, belüfteten und beleuchteten Raum durchgeführt. Punktzahlen von 1-4 zeigten an, dass das Panel-Mitglied das Attribut des Produkts nicht mochte. Eine Punktzahl von 5 bedeutete eine neutrale Wahrnehmung, und Punktzahlen von 6 bis 9, dass die Testperson die Probe bevorzugte [22, 23].

Bräunungsreaktion

Die Bräunung der Bratwurst wurde durch Erhitzung im 175 °C heißem Ölbad (Rapsöl, Teutoburger Ölmühle, Ibbenbüren) für 3 min durchgeführt. Die Oberfläche der fertigen Proben wurden mittels Dreibereichs-Reflexions-Kolorimeter (L*a*b*-Farbmessbereich; CEM-5, Konica Minolta, Chiyoda, Japan) für jede unabhängige Charge an fünf verschiedenen Stellen gemessen und der Mittelwert gebildet.

 

Alle instrumentellen Untersuchungen der kalten Proben (2 cm Stücke) wurden bei 22 °C Raumtemperatur durchgeführt, die warmen Proben wurden im Vakuumbeutel im Wasserbad erhitzt (65 °C), in 2 cm Stücke geschnitten und sofort vermessen. Für jede unabhängige Charge wurden die Messungen 8-fach wiederholt. Die Textur-Profil-Analyse (TPA) wurde mit Hilfe eines Textur-Messgerät TAXT2i durchgeführt und der Software Exponent ausgewertet. Hierfür wurde ein TestDiaZylinder (P/05R1/2 Dia Cylinder Delrin mit Radius; Kontakt 126,68 mm2, Nr. SMSP /0-5) verwendet. In allen Experimenten wurde der Dia-Zylinder mit 5 mm s-1 betrieben [24].

Ergebnisse und Diskussion 

Obwohl die Herstellung sowie die würzenden Zutaten der veganen Systeme sich nicht unterschieden, wurden im Geschmack Unterschiede festgestellt. Die 0Charge, welche ohne Proteinzusatz hergestellt wurde, wurde sensorisch im Vergleich zu den mit pflanzlichen Proteinen hergestellten veganen Bratwurstanaloga schlecht bewertet. Einzig das vegane System mit Pilzmyzel konnte die Sensoriker überzeugen. Im Vergleich zum Fleischprodukt war der Unterschied jedoch deutlich. Die geschmacklichen Unterschiede wurden an den Attributen schmeckt „nach Cerealien“, „nach Hülsenfrucht“, „nach umami“, „leer“ oder „nussig“ festgemacht.

 

Die Textur im kalten Zustand wurde abgeprüft, da die Bratwurst häufig auch nach dem Braten kalt verzehrt wird. Daneben sind die texturgebenden Eigenschaften der Proteine im kalten Zustand auch von hohem Interesse, da sich diese stark von denen im warmen Zustand unterscheiden können. Die Ergebnisse zeigten, dass das vegane System ohne den Zusatz von Protein im kalten Zustand keine guten Eigenschaften aufweist. Hierbei wurden insbesondere die Kaufähigkeit und die Härte/Festigkeit der Produkte bemängelt. Die beiden Produkte, die gut abgeschnitten, sind die Produkte mit dem pflanzlichen Protein EPI und dem Basidiomycetenmyzel PSA_IM. Alle hergestellten veganen Produkte konnten allerdings die Textur der mit Fleisch hergestellten Bratwurst nicht erreichen. 

 

Die Ergebnisse der Textur zwischen 50-45 °C zeigten, dass alle veganen Produkte inklusive der 0-Charge besser bewertet wurden als das Fleischprodukt. Daneben wurde das vegane Produkt mit PSA_IM als Bestes bewertet. Durch den Zusatz des Stabilisators E461 (Methylcellulose) im veganen System kann sich im warmen Zustand ein festes Gel ausbilden, was sich direkt bei der Textur bemerkbar macht. Hierbei ist auffällig, dass das Produkt mit EPI an Textur im warmen Zustand gegenüber dem kalten Zustand verliert. Alle anderen veganen Produkte wurden mit über 6,0 Punkten als gut bewertet. 

 

Die Bräunungsfarbe der Bratwurst sowie der veganen Produkte wurde durch das Panel begutachtet. Hierzu wurden die Produkte frittiert. Kein Produkt wurde als zu dunkel bewertet. Die Ergebnisse (Abb. 5) zeigten, dass die Bratwurst sehr schön bräunte. Im Vergleich dazu wurden die beiden veganen Produkte mit EPI und PSA_IM mit gut bewertet. Alle anderen veganen Produkte mit Protein waren etwas blass. Die Bräunungsfarbe der 0-Charge wurde am schlechtesten bewertet.

 

Die Messwerte der Produkte bestätigen die optischen Eindrücke. Die 0-Charge war mit einem LWert von 88,31 sehr hell. Im Vergleich zu dem Produkt mit PSA_IM und dem Fleischprodukt zeigt sich ein signifikanter Unterschied zu allen hergestellten Proben.

 

Die Ergebnisse aus der TPA zeigten, dass die veganen Systeme im kalten Zustand vergleichbar und im Vergleich zur Fleischware deutlich weicher waren. Besonders bei den Attributen Härte und der Gummiartigkeit waren die Werte der Bratwurst signifikant unterschiedlich zu den veganen Systemen. Bei den erwärmten Produkten waren die instrumentellen Ergebnisse deutlich ähnlicher bzw. waren bei der Härte im Vergleich zum Fleischprodukt sogar besser.

Zusammenfassung und Bedeutung für die Praxis 

Die Texturmessung mittels TPA wird in der Produktentwicklung zum Vergleich von veganen Produkten mit Fleischprodukten in Verbindung mit der Sensorik verwendet. Die dargestellten Ergebnisse zeigen, dass pflanzliche Proteine und Pilzmyzel geeignet sind, um vegane Produkte herzustellen, die ähnliche Eigenschaften wie Fleischprodukte aufweisen. Die Textureigenschaften der Fleischprodukte sind jedoch schwierig nachzustellen, wenn ohne extrudierte Proteine gearbeitet wird. Alle vorgestellten Proteine (Laborfleisch, Insektenprotein und Pilzmyzel) sind von hohem Interesse, jedoch noch nicht im industriellen Maßstab erhältlich. Pilzmyzel kann hierbei eine Lösung für die Proteinversorgung sein, da es neben dem Proteingehalt auch über techno-funktionelle Eigenschaften verfügt, die mit kommerziell erhältlichen pflanzlichen Proteinen vergleichbar sind. Im Vergleich zu pflanzlichen Proteinen kann das Pilzmyzel auf weniger Platz kultiviert werden. In der Nahrungsmittelherstellung ersetzt der Anwender einfach sein aktuell genutztes Protein mit Pilzmyzel und erzielt dabei überzeugende Resultate.