CIBUS-Food | Computational-design and Innovative Building of Uniquely Structured Food

Das Forschungsverbundprojekt CIBUS Food (Computational-Design and Innovative Building of Uniquely Structured Food) entstand vor dem Hintergrund einer stetig wachsenden Weltbevölkerung, welche einen zunehmenden Bedarf an Nahrung und hier vor allem an Proteinen nach sich ziehen wird. Zusätzlich ist in den letzten Jahren eine weltweit wachsende Nachfrage nach Fleischprodukten zu beobachten, deren Produktion aktuell nicht nachhaltig betrieben werden kann. Zusätzlich ist abzusehen, dass die für die Fleischproduktion notwendigen pflanzlichen Futtermittel aufgrund des stark steigenden Bedarfs zukünftig nicht mehr ausreichend zur Verfügung stehen werden (so werden für die Erzeugung von 1 kg Muskelprotein aktuell fast 10 kg Pflanzenproteine benötigt).
Um Problemlösungen für diese Fragestellungen zu finden wurde unter Beteiligung des Instituts für Lebensmitteltechnologie der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf im Rahmen eines vom BMBF geförderten Forschungsvorhabens untersucht, wie mittels 3D-Lebensmitteldruck die Struktur von Fleisch unter direkter Verwendung ressourcenschonender pflanzlicher Rohstoffe erzeugt werden kann. Dieser Ansatz soll zukünftig vor allem auch zu einer gesteigerten Akzeptanz von pflanzlichen Fleischersatzprodukten beim Verbraucher führen.
Angelehnt an den Aufbau des Skelettmuskels wurde der Fokus vor allem auf Proteine gelegt. In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Biozoon wurde eine Sammlung von Pflanzenproteinkonzentraten und –isolaten aufgebaut. Diese umfasste am Projektende über 70 verschiedene Produkte aus 14 pflanzlichen Quellen. Um den derzeitigen Stand der am Markt erhältlichen Fleischersatzprodukte zu erfassen, wurden eine Auswahl von kommerziellen Fleischersatzprodukten getestet und Referenzprodukte für Texturanalysen ausgewählt.
Um die pflanzlichen Proteine auf ihre Eignung für den 3D-Druck zu testen, wurden verschiedenen Methoden entwickelt und im Labormaßstab verglichen. Darauf aufbauend wurde ein einfaches und zeitsparendes Screeningverfahren entwickelt. Im Screening wurde für alle zur Verfügung stehenden Proteine der Einfluss verschiedener Prozessparameter (z. B. pH-Wert, Konzentrationen des Proteinpulvers, Salzgehalt oder Vorbehandlung) auf die gebildeten Proteintexturen untersucht. pH Wert und Proteinkonzentration sowie die Qualität und Reinheit der Proteinpulver wurden als entscheidende Faktoren identifiziert.

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Abb. 1: Verschiedene pflanzliche Materialien werden im Entwicklungsprozess getestet
Abb. 2: Erste Muster gedruckter Einzelstränge aus pflanzlichen Proteinen

Die besten Proteine wurden in manuellen Druckversuchen weiter charakterisiert (Abb. 2). Dazu musste für weitere Vorversuche zum Druck von Proteinsträngen ein beheizbares Mikrodüsensystem entwickelt werden (Temperatur: bis 130 °C; Durchmesser Düse: 0,3 – 2 mm). Mit diesem System konnten erste Stränge aus Pflanzenproteinen hergestellt werden, welche auf ihre Festigkeit, Klebrigkeit und Elastizität überprüft wurden. So gelang die Identifizierung der besten Proteine für die Herstellung von Druckmassen die sich anschließend erfolgreich zu Einzelsträngen mit einem Durchmesser von 0,3 – 1 mm formen ließen.
Abschließend erfolgte der Aufbau von einzelnen Strängen zu größeren muskelähnlichen Strukturen. Mit dem speziell für diese Aufgabenstellung entwickelte 3D Lebensmitteldrucksystem konnten Mikrostrukturen im Größenbereich von Muskelfaserbündeln (0,1 – 1 mm) erfolgreich hergestellt werden (Abb. 3). Eine weitere Verbesserung erbrachten wechselweise geschichtete Produkte auf der Basis von zwei Proteinkomponenten (Abb. 4).

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Abb. 3: 3D – Druck von parallel angeordneten Einzelsträngen aus pflanzlichen Rohstoffen
Abb. 4: Kombination verschiedener 3D gedruckter Lebensmittelproteine, die in Schichten abwechselnd aufgetragen wurden.

Mit dem erfolgreichen Abschluss des vorgestellten Forschungsverbundprojekts CIBUS Food konnte gezeigt werden, dass der 3D Lebensmitteldruck gegenüber bisher eingesetzten technologischen Verfahren zur Strukturierung von Pflanzenproteinen den Vorteil bietet, dass die gebildeten Fasern gezielt platziert und somit Fleischstrukturen sehr naturgetreu nachgebildet werden können. Weiterhin könnten in die so hergestellten Fleischersatzprodukte gezielt weitere Komponenten wie z. B. Fette eingebracht werden, was einen wesentlichen Fortschritt bei der Nachbildung veganer Fleischersatzprodukte ermöglichen könnte. Auf Basis dieser innovativen Technologie soll zukünftig auch eine höhere Akzeptanz dieser ökologisch und ökonomisch interessanten Fleischalternativen beim Konsumenten erreicht werden. Dies zeigt, dass die Strukturierung pflanzlicher Proteine mittels 3D Druck eine vielversprechende Methode darstellt, um neue Fleischalternativen zu entwickeln.

Projektlogo

Projektleitung


Teilprojektleitung

Dr. Helga Gruber (Koordination)

Projektbearbeitung

Astrid Jäger

M.Sc. Anna Knäulein

Projektdauer

01.08.2014 - 31.07.2016

Projektpartner

Projektträger

Projektförderung