Fraunhofer-Leitprojekt »FutureProteins«

Nachhaltige und resiliente Proteingewinnung für unsere Zukunft

Das Logo von Future Proteins mit Nahaufnahme von Gräsern im Hintergrund
© Didgeman/pixabay.com

Proteine in Zukunft Mangelware?

Extreme Wetterlagen und Umweltbelastungen machen die Proteinproduktion in Zukunft nicht leicht. Resiliente und nachhaltige Proteinquellen aus Pflanzen, Algen, Insekten und Pilzen als Alternative zu tierischen Nahrungsmitteln bieten einen Lösungsansatz.

Sechs Fraunhofer-Institute entwickeln deshalb gemeinsam neue innovative Anbausysteme, Gewinnungsprozesse und Verarbeitungsverfahren um Pflanzen-, Pilz-, Insekten- und Algenproteine für die Herstellung sensorisch ansprechender, nachhaltiger und proteinreicher Nahrungsmittel nutzbar zu machen.

Im Projektzeitraum von 2021-2024 setzt sich Fraunhofer zum Ziel zukunftsweisende Technologien für die Agrarwirtschaft und die Lebensmittelindustrie zu entwickeln.

Fraunhofer-Leitprojekte

 

Das Ziel von Fraunhofer-Leitprojekten ist es, die deutsche Industrie mit konkreten Lösungen zu unterstützen, um eine schnelle Umsetzung für den Markt zu ermöglichen.
 

Mit der gebündelten Wissenschaftskompetenz von Fraunhofer aus unterschiedlichsten Fachrichtungen werden Industrieunternehmen unterstützt, um innovative Marktideen zügig zu marktfähigen Produkten werden zu lassen.
 

Fraunhofer greift dafür aktuelle Herausforderungen für die Industrie heraus. Der Fokus richtet sich besonders auf Themen, die im wirtschaftlichem Interesse stehen. Um die Forschung zielorientiert und praxisnah auszurichten werden die Industriepartner frühzeitig in die Projekte eingebunden.

Gemeinsam stark

  • Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME, Aachen
  • Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Freising
  • Fraunhofer- Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, Stuttgart
  • Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und  Bildauswertung IOSB, Karlsruhe
  • Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU, Chemnitz
  • Fraunhofer-Institut für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, Oberhausen

Resiliente und nachhaltige Proteinproduktion – »FutureProteins«

Käsealternativen aus Erbsenproteinen werden im Labor untersucht.
Prüfung von pflanzlichen Käsealternativen am Fraunhofer IVV
Anlage für Vertical Farming, in der Pflanzen vertikal unter dynamischen Licht angebaut werden
© Fraunhofer IME
Vertical Farming am Fraunhofer IME
KI-gesteuerte automatisierte Photobioreaktoren, die zur Beleuchtung bei der Algenkultivierung dienen
© Fraunhofer IGB
FPA-Reaktor zur Algenproduktion am Fraunhofer IGB

Geschlossene Agrarsysteme für eine umweltschonende Proteinversorgung

Die intensive Landwirtschaft der letzten Jahrzehnte hat mit dem Einsatz großer Mengen an Düngemitteln und Pestiziden in der Umwelt Spuren hinterlassen, die in Kombination mit den Folgen des Klimawandels in der Zukunft besonders die Proteinversorgung verändern werden. In der westlichen industrialisierten Welt sind tierische Nahrungsmittel, die mit einem hohen Energieaufwand und einem hohen Einsatz an Futtermitteln, insbesondere aus Soja, produziert werden, derzeit die Proteinquelle Nummer eins. Um Proteine ressourcenschonend und nachhaltig zu erzeugen, erfordert das die Erschließung alternativer Proteinrohstoffe. »FutureProteins« setzt sich zum Ziel, für die Erzeugung von Proteinrohstoffen geschlossene Agrarsysteme zu entwickeln, in denen auch Nebenströme wertgebend genutzt werden. Die Herausforderung ist, dafür wirtschaftlich effiziente und industriell umsetzbare Systeme und Prozesse zu schaffen.

Pflanzen, Insekten, Pilze und Algen als Proteinrohstoffe

Pflanzen (z. B. Kartoffeln, Weizengras und Luzerne), Insekten, filamentöse Pilze und Mikroalgen stehen im Fokus der Forschung von »FutureProteins«. Neben einem hochwertigen und ausgewogenen Aminosäureprofil und guten Verarbeitungseigenschaften sind die sensorischen Eigenschaften von alternativen Proteinen entscheidend für den Einsatz in Lebensmitteln. Alle genannten Proteinquellen besitzen ein eigenes Geschmacks- und Geruchsprofil, das von Verbrauchern häufig als störend empfunden wird. Teil des Projektes ist es daher, die unangenehmen sensorischen Eigenschaften der alternativen Proteinrohstoffe zu verbessern und damit für Lebensmittel nutzbar zu machen. Im Sinne der Nachhaltigkeit sollen in »FutureProtein« vier geschlossene Anbausysteme entwickelt werden, die eine ganzjährige und klimaunabhängige Produktion möglich machen und damit hoch effizient, resilient und nachhaltig sind:

  • Vertical Farming für Pflanzen
    Mit dieser Anbauweise können 95 % des Wasserverbrauchs und 50 % des Düngerbedarfs eingespart werden. Pestizide werden durch das geschlossene System unnötig. Für eine hohe Energie- und Kosteneffizienz des Vertical Farmings entwickeln Wissenschaftler im Rahmen von »FutureProtein« ein hybrides Beleuchtungssystem für die Pflanzen. Sonnenlicht und LED-Belichtung werden hier dynamisch kombiniert.
  • Insect Farming für Insekten
    Die Herausforderung hier stellt die Verhinderung des Eintrags von insektenpathogenen Keimen dar, um einen Verzicht von Antibiotika und Pestiziden zu ermöglichen. Dafür entsteht in »Future Protein« ein komplexes Überwachungssystem, das die Insektenaufzucht vor Insektenpathogenen schützt.
  • Bioreaktoren für Pilze
    Bei der Kultivierung von Pilzen entstehen durch die Bereitstellung geeigneter Nährmedien hohe Kosten. In »FutureProtein« werden Nährmedien durch Kreislaufführung von Prozessnebenströmen unter dem Kostenaspekt optimiert.
  • Photobioreaktoren für Algen
    Forschungsziel ist es hier, eine KI-gesteuerte automatisierte Belichtung für die Algenkultivierung zu entwickeln, die die Lichtausbeute optimiert und so den Energieaufwand senkt.

Geschlossene Agrarsysteme als kosteneffiziente und geschlossene Kreisläufe

»FutureProtein« forciert bei allen Anbausystemen eine geschlossene Kreislaufführung. Beim Herstellprozess anfallende Nebenströme werden einer wertschöpfenden Nutzung zugeführt z. B. sollen Pflanzenreststoffe aus dem VerticalFarming oder Nebenströme der Proteingewinnung wertgebend als Kultivierungssubstrat für Insekten, Pilze oder Algen genutzt werden.

Hochwertige Lebensmittel mit neuen Proteinrohstoffen

Jeder Proteinrohstoff bietet bei der Verarbeitung spezielle Herausforderungen. Die einzelnen Rohstoffe unterscheiden sich sowohl in den sensorischen als auch in den funktionellen Eigenschaften. Beispielsweise eignet sich Kartoffelprotein mit seinen guten gelbildenden Eigenschaften hervorragend für die Herstellung von Fleischalternativen, während für die Herstellung von Milchproduktalternativen eher die emulgierende Wirkung von Leguminosenproteinen gefragt ist. Die Eigenschaften der Proteine lassen sich durch gezielte Verarbeitungsschritte und geeignete Kombination verschiedener Proteinquellen beeinflussen. Das Fraunhofer IVV forscht für die Optimierung der Proteineigenschaften an spezifischen Extraktions- und Modifikationsverfahren. Die Proteine werden sowohl auf ihre sensorischen als auch funktionellen Eigenschaften analysiert. Mit den Untersuchungsergebnissen wird eine Funktionalitäts-Sensorik-Matrix erstellt. Damit kann die Rohstoffauswahl maßgeschneidert für jede Applikation erfolgen. Eine weitere wichtige Forschungsaufgabe ist die Entwicklung von Rezepturen (z.B. Fleischalternativen, Milchproduktalternativen, Back- und Teigwaren) für geschmackvolle Lebensmittel mit einer hohen Verbraucherakzeptanz.

Beurteilung der Nachhaltigkeit und Schließung von Stoffkreisläufen

Darüber hinaus werden die entwickelten Agrarsysteme und Proteingewinnungsverfahren hinsichtlich ihres Ressourceneinsatzes sowie ihrer Nachhaltigkeit im Vergleich zu konventioneller Erzeugung beurteilt. Auch die Schließung von stoff- und Energiekreisläufen ist Teil des institutsübergreifenden Forschungsprojektes.