LOEWE Zentrum für
Insektenbiotechnologie
& Bioressourcen

Biotechnologie der Nahrungs- und Futtermittel

Prof. Dr. Holger Zorn

Die Ernährungsindustrie ist mit einem Jahresumsatz von ca. 165 Milliarden € und Wachstumsraten von 10% und mehr einer der bedeutendsten deutschen Industriezweige überhaupt. Biotechnologisch erzeugten Lebensmitteln kommt dabei schon immer eine herausragende Bedeutung zu. So werden in Deutschland jährlich ca. 10 Milliarden Liter Bier und ca. 2 Milliarden Liter Wein getrunken. Auch zur Produktion von z.B. Joghurt, Käse, Sauerkraut, Backwaren, Tempeh oder Sojasoße sind enzymatische bzw. fermentative Verfahren unentbehrlich. Während die Herstellung der genannten Lebensmittel meist auf tradierten Erfahrungen basiert, eröffnen moderne biotechnologische und molekularbiologische Methoden die Möglichkeit, die biochemischen Zusammenhänge nun grundlegend zu verstehen. Ausgehend von der Aufklärung von Stoffwechselwegen bzw. den daran beteiligten Enzymen und Genclustern lassen sich Strategien entwickeln, um Lebensmittel sicherer, gesünder und schmackhafter zu machen. In Anbetracht der wachsenden Weltbevölkerung, des Klimawandels und der zunehmenden Konkurrenz um nachwachsende Rohstoffe zur Deckung des Energiebedarfs müssen Lebensmittel zukünftig auch ressourcenschonender erzeugt werden. Am LOEWE Zentrum für Insektenbiotechnologie & Bioressourcen (ZIB) werden daher folgende Schwerpunkte innerhalb der Gruppe „Biotechnology of Food & Feed Improvement Agents“ bearbeitet:


Entdeckung, molekulare Charakterisierung und rekombinante Expression neuartiger Biokatalysatoren


Die einzigartige biologische Vielfalt des Reichs der Insekten und ihrer assoziierten Mikroorganismen ist bislang zur Gewinnung von Enzymen für die Lebensmittelindustrie praktisch nicht genutzt worden. Dabei bieten gerade Insekten und deren Symbionten einzigartige Chancen für die Be- und Verarbeitung von Lebens- und Futtermitteln. So könnte beispielsweise das Enzymbesteck Holz- und Stroh bewohnender Insekten genutzt werden, um (bislang nicht nutzbare) lignifizierte Rohstoffe für die Ernährung von Mensch und Tier zugänglich zu machen. Naheliegend ist es auch, die Strategien von Insekten zum Abbau toxischer bzw. antinutritiver Faktoren zur erforschen und einer technischen Nutzung zuzuführen.


Entdeckung und Nutzbarmachung von Insektenmetaboliten zur Entwicklung funktioneller Lebensmittel und zur Lebensmittelkonservierung


Trotz der signifikanten Verbesserungen im Bereich der Lebensmittelhygiene, die durch moderne Qualitätsmanagementsysteme erzielt wurden, belegen beispielsweise durch EHEC oder Noroviren in jüngster Zeit ausgelöste Massenausbrüche die Notwendigkeit, Lebensmittel noch effizienter vor dem Verderb und mikrobiellen Kontaminationen zu schützen. Auch hier bieten Insekten zahlreiche interessante Ansatzpunkte. Insekten und ihre assoziierten Mikroorganismen bilden ein schier unendliches Repertoire an antimikrobiellen Peptiden und Sekundärmetaboliten, die einerseits zur Konservierung von Lebensmitteln, andererseits aber auch zur Entwicklung von Lebensmitteln mit gesundheitsbezogenen Zusatznutzen eingesetzt werden könnten.


Biotechnologische Darstellung von natürlichen Geruchs- und Geschmacksstoffen


Verbraucher wünschen sich zunehmend möglichst „natürliche“ Lebensmittel. Gleichzeitig nehmen die verfügbaren traditionellen pflanzlichen Ressourcen durch wechselnde Klimaeinflüsse, Umweltkatastrophen und politische Unwägbarkeiten, insbesondere in afrikanischen und arabischen Staaten, kontinuierlich ab. Eine Alternative bieten biotechnologische Verfahren zur Herstellung natürlicher Aromastoffe. Unter der Voraussetzung, dass die eingesetzten Substrate natürlichen Ursprungs sind und die Aromen in stofflich identischer Form bereits in traditionellen Lebensmitteln identifiziert wurden, können natürliche Aromen durch Einsatz enzymatischer bzw. mikrobiologischer Verfahren industriell gewonnen werden.



Neue fermentative Verfahren auf Basis von Basidiomyceten


Die fermentative Herstellung von Lebensmitteln wird zur Verbesserung der Verdaubarkeit von Inhaltsstoffen, zur Konservierung (z.B. durch pH-Absenkung) oder zur Bildung von Geruchs- und Geschmacksstoffen bereits seit Jahrtausenden genutzt. Allerdings sind an den traditionellen Verfahren i.d.R lediglich Bakterien, Hefen und niedere Pilze (Ascomyceten) beteiligt. Durch signifikante Fortschritte in der Kultivierungstechnik und in molekularbiologischen Methoden ist heute erstmals auch die Verwendung von Basidiomyceten, zu denen die meisten bekannten Speisepilze zählen, möglich. Basidiomyceten verfügen über eine Genomgröße von bis zu ~ 60 MB und über 23.000 proteinkodierende Gene. Dieses enorme biochemische Potential kann beispielsweise für die Produktion neuartiger fermentierter Getränke („Basidiodrinks“) oder zum fermentativen Abbau von Fehlaromen genutzt werden. Das entsprechende Knowhow wurde am Institut für Lebensmittelchemie & Lebensmittelbiotechnologie der JLU in den letzten Jahren in Kooperation mit der AG Czermak an der THM aufgebaut und ist in dieser Form weltweit einmalig in Gießen verfügbar.