Grün isst die Zukunft

Winzig, aber oho!

Dr. Ulrike Schmid-Staiger ist Gruppenleiterin Algenbiotechnologie am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart. Seit 25 Jahren perfektioniert sie die Kultivierung von Mikroalgen in sogenannten Photobioreaktoren – transparente Wassertanks, in denen die Winzlinge mit Licht, CO₂ und Nährstoffen versorgt werden, bis sie zu einer dicken grünen Suppe herangewachsen sind. Zurzeit widmet sich Schmid-Staiger vor allem der maritimen Phaeodactylum tricornutum, die besonders große Mengen an Omega-3-Fettsäuren bilden kann, und der Chlorella vulgaris, die sich in Tümpeln und Brackwasser am wohlsten fühlt und sich durch einen hohen Proteingehalt von rund 50 Prozent auszeichnet. Die beiden Algen sind mit bloßem Auge im Wasser nicht zu erkennen.

»Im Vergleich zu Landpflanzen haben unsere Algen einen um den Faktor 10 höheren Gehalt an ernährungsphysiologisch wertvollen Inhaltsstoffen«, erklärt Schmid-Staiger stolz. Jede einzelne Zelle enthält den gleichen reichhaltigen Mix. Bei Landpflanzen gibt es hingegen Wurzeln, Stängel und Blätter. Die stoffliche Zusammensetzung der Zellen in den verschiedenen Pflanzenteilen ist unterschiedlich – der Proteingehalt im Maiskorn ist anders als der in den Blättern oder der Wurzel. »Unsere gezüchtete Algenbiomasse kann ich vollständig nutzen. Es gibt kaum Reststoffe«, betont Schmid-Staiger. Und das sind nicht die einzigen Vorteile, die Mikroalgen zu bieten haben: Sie wachsen nämlich auch noch viel schneller als ihre pflanzlichen Verwandten an Land. Während auf einem Hektar Ackerland etwa 30 Tonnen Biomasse Mais pro Jahr erzielt werden können, sind es in Photobioreaktoren mit künstlicher Beleuchtung auf der gleichen Fläche bis zu 150 Tonnen Algen.

Mit den ausgefeilten Systemen, die Schmid- Staiger und ihr Team entwickelt haben, können sogar Spitzenwerte von rund 900 Tonnen pro Hektar und Jahr erreicht werden. Dafür schaltet das Fraunhofer IGB-Team Flachplattenreaktoren mit drei bis fünf Zentimeter Schichtdicke dicht gedrängt hintereinander. Dazwischen werden jeweils LED-Paneele eingezogen, die beidseitig strahlen und für eine ausreichende Versorgung mit Licht sorgen. »Licht ist das A und O der Algenkultivierung«, unterstreicht Schmid-Staiger. Die Intensität und die möglichst gleichmäßige Verteilung bestimmen die Wachstumsrate. Der Reaktorinhalt wird daher durch aufsteigende Gasblasen eines Luft-CO₂-Gemischs kontinuierlich durchmengt. Kleine Vorsprünge an den Innenseiten des Reaktors erzeugen eine spezielle Strömung, die dafür sorgt, dass jede Zelle immer wieder zum Licht an die Reaktoroberfläche gewirbelt wird und ausreichend versorgt ist. »Habe ich zu viel Licht, ist die Umsetzung ineffizient, dann vergeude ich Energie. Habe ich zu wenig, wachsen die Algen nicht gut. Wir müssen das Optimum dazwischen erwischen«, so Schmid-Staiger. Je mehr Zuwachs es gibt, desto mehr Licht wird benötigt – es muss also ständig nachgesteuert werden. Dabei sind die Bedürfnisse von Alge zu Alge unterschiedlich: »Unsere Phaeodactylum mag beispielsweise nicht so viel Licht. Die Chlorella ist hingegen eine Sonnenanbeterin«, sagt Schmid-Staiger und schmunzelt.

Nährwert-Mix nach Wunsch

Lange haben sie und ihr Team die Algen auch im Freiland kultiviert. »Da mussten wir nehmen, was die Sonne uns geboten hat. Wir konnten nur ein halbes Jahr draußen produzieren, dann wurden die Tage zu kurz.« Die künstliche Beleuchtung ist zwar teurer, aber sie zahlt sich aus: Die Produktivität ist bis zu zehnmal so hoch. Außerdem können die dicht gepackten Photobioreaktoren überall stehen, auch unterirdisch und übereinandergestapelt. Der Flächenbedarf ist entsprechend gering. Auf 20 Quadratmetern wachsen pro Jahr bis zu 3,5 Tonnen Algen. Die gleiche Menge Sojabohnen braucht einen ganzen Hektar fruchtbares Ackerland, dazu rund 2000 Kubikmeter Wasser. Die Algen wachsen in nur einem Viertel davon. Zudem kann das eingesetzte Wasser größtenteils für eine erneute Zucht wiederverwendet werden. Schmid-Staiger und ihr Team können die Bedingungen der Kultivierung so wählen, dass die Algen bestimmte Inhaltsstoffe vermehrt produzieren. »Dazu muss man natürlich wissen, welche Funktion diese Inhaltsstoffe für die Algenzelle haben. Mehr Nährstoffe sorgen beispielsweise für eine erhöhte Produktion von Proteinen, weniger Nährstoffe für mehr Kohlenhydrate und Fette«, erklärt sie. Besonders gefragt sind in der Lebensmittelindustrie zurzeit die Algen-Proteine, die tierische ersetzen sollen. Sie werden extrahiert und am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in vegane Lebensmittel eingebracht. Besonders herausfordernd ist es dabei, den fischigen Geschmack und die grüne Farbe zu beseitigen.

Fruchtig statt fischig

Dr. Stephanie Mittermaier, Abteilungsleiterin Verfahrensentwicklung Lebensmittel, experimentiert zunächst mit Smoothies, Pasta und Pesto. Da ist die Farbe kein Problem. Durch verschiedene Aromastoffe oder Kräuter wird der Algengeschmack überlagert. »Bei den Smoothies arbeite ich gerne mit geschmacksintensiven Früchten, weil da die Säure in den Vordergrund tritt und das Fischige verdrängt«, verrät Mittermaier. Ansonsten konzentriert sie sich auf herzhafte Produkte: »Das Würzige haben die Algen ja auch, den sogenannten Umami-Geschmack.« Mit der Dosis tastet sie sich langsam voran. Dabei muss sie nicht nur auf den Geschmack achtgeben, sondern auch auf die Konsistenz der Lebensmittel. »Wenn ich zum Beispiel in den Nudelteig zu hohe Konzentrationen einbringe, kann er bröckelig werden und lässt sich nicht mehr so gut verarbeiten.« Ob sie ihre Kreationen auch selbst kostet? »Klar, das ist wichtig, wenn man experimentiert.  Damit ich weiß, was ich meinen Probanden und unserem geschulten Panel aus Institutsmitarbeiterinnen und -mitarbeitern antue«, sagt sie und lacht.  Langfristig könnte sie sich auch gut vegane Fisch-Alternativen mit einer Kombination aus Algen- und Pflanzenproteinen vorstellen. Hier ist der fischige Geschmack der Alge sogar ein Vorteil. Problematisch bleibt aber die Farbe. Grünes Lachsfilet oder grüner Kabeljau? Nein, danke. »Vermutlich gehen wir eher in Richtung Thunfisch.  Bräunlich könnten wir hinkriegen, weiß ist unmöglich.« Denn die Algen-Farbstoffe sind entweder selbst Proteine oder so eng damit verbunden, dass sie sich nicht entfernen lassen, ohne die Proteine zu beschädigen.

Während Mikroalgen bisher vor allem als Nahrungsergänzungsmittel in Tablettenform auf dem Markt sind, sind Lebensmittelindustrie und Verbraucher mit den mehrzelligen maritimen Makroalgen vertrauter. Die meisten kennen sie vom Sushi, wo die süßlich-würzige Nori-Alge Reis und Fisch umhüllt. Doch während in der asiatischen Welt Algen seit Jahrhunderten fester Bestandteil des Speiseplans sind, tun sich die Europäer noch schwer mit dem Superfood. Als Salat oder als Suppe kommt es kaum auf den Tisch. Doch selbst Sushi-Verächter haben vermutlich schon Alge gegessen, ohne es zu merken: Alginat und Carrageen sind gebräuchliche Zusatzmittel. Alginat fungiert häufig als Gelatine-Ersatz, Carrageen sorgt beispielsweise in Sahne dafür, dass sie nicht »ausflockt« und sich das Fett gleichmäßig verteilt.  Genau wie Mikroalgen haben Makroalgen einen hohen Proteingehalt von bis zu 50 Prozent und verfügen über einen reichhaltigen Mix an Ballaststoffen, Fetten, Vitaminen und Mineralstoffen wie Zink, Eisen, Selen, Kalium, Kalzium und vor allem Jod. Sie werden meistens an langen Seilen im Meer gezüchtet. Die Kultivierung ist sehr nachhaltig, da ausschließlich natürlich vorhandene Ressourcen genutzt werden. Ein Nachteil: Wegen jahreszeitlicher und klimatischer Schwankungen sind Qualität und Gehalt der Inhaltsstoffe variabel. Auch ist die lebensmitteltechnologische Verarbeitung aufwendiger als bei ihrer einzelligen Verwandtschaft aus dem Reaktor.

Algen-Wurst?

»Lecker«, sagen die Testesser Dominic Wimmer, Projektleiter Pilotanlagen am Fraunhofer IVV, erklärt: »Gerste oder Weizen haben ihre Kohlenhydrate und Proteine einfach in der Kornmitte gespeichert. Wenn ich die Körner durch die Quetschmühle jagen, liegt der Mehlkörper frei und ich kann ihn direkt nutzen. Bei Makroalgen sind die Proteine und Kohlenhydrate jedoch fest in der Zellwand verankert, da sind zahlreiche Extraktionsschritte notwendig.« Die getrockneten Algenblätter müssen zunächst fein vermahlen werden, um die Zellen möglichst weit aufzuschließen. Damit sich die wertvollen Inhaltsstoffe lösen, gibt Wimmer zum Algenpulver unter anderem Enzyme, die beispielsweise aus einer Schnecke gewonnen werden, die Algen frisst und verstoffwechselt. Auch Salzsäure und Natronlauge nimmt er zu Hilfe. Das Pulver wird mehrmals in Wasser eingeweicht, das Gemisch erwärmt und dabei gerührt. Die Inhaltsstoffe entweichen nach und nach ins Umgebungswasser, dann wird immer wieder abzentrifugiert, also in einer Zentrifuge Feststoff und gehaltvolle wässrige Lösung getrennt. So ist es Wimmer gelungen, Proteine aus Makroalgen mit einer hohen Ausbeute von bis zu 90 Prozent zu extrahieren, die er beispielsweise in vegane Wurst einbringt – mit großem Erfolg. Die Algen-Wurst schnitt bei den Testessern sogar besser ab als das Vergleichsprodukt aus Fleisch.

Ein Leben für die Algen

Wimmer »brennt für Algen«, wie er selbst sagt. Der studierte Braumeister war einige Jahre als Berater für die Lebensmittelindustrie tätig, bevor er als Verfahrensingenieur ans Fraunhofer IVV wechselte. In diversen Projekten hat er sich seitdem mit der Nutzung von Algen als Lebensmittel beschäftigt. Er entwickelte unter anderem einen gesunden Salzersatz aus Algen, den er in Snacks wie Chips oder Erdnüssen einbrachte, und experimentierte mit Algen in Brot, Fleischwaren, Suppen oder Soßen. Seine Versuche, den fischigen Geschmack aus den Algen zu entfernen, blieben allerdings bisher erfolglos. »Entweder wir gewöhnen uns mehr daran, oder ich finde noch einen Weg, den herauszukriegen«, sagt er und lacht.

»Es steckt so viel Gutes in Algen. Das ist ohne Frage eine wichtige Quelle für die Ernährung der Menschheit. Ich sehe wahnsinnige Chancen für die Lebensmittelindustrie«, ist er überzeugt.  Und auch die Lebensmittelindustrie sieht das zunehmend so. Der Markt für vegane Produkte wächst rasant.  In Deutschland wurden laut Statistischem Bundesamt im Jahr 2021 rund 62 Prozent mehr vegane Wurst, Schnitzel und Co. produziert als 2019. Fleischverzicht liegt vor allem bei Jugendlichen und jungen Erwachsenen im Trend:  Im Vergleich mit der Gesamtbevölkerung ernähren sich doppelt so viele 15- bis 29-Jährige vegetarisch (10,4 Prozent) oder vegan (2,3 Prozent). Als Flexitarier, die nur selten Fleisch essen, bezeichnen sich 25 Prozent. 44 Prozent wollen ihren Konsum künftig reduzieren, vor allem aus Klima- und Tierschutzgründen. Eine aktuelle Studie der Boston Consulting Group bestätigt, dass alternative Proteine auch für die Ernährungssicherheit eine zentrale Rolle spielen können. Das investierte Kapital ist von einer Milliarde Dollar im Jahr 2019 auf fünf Milliarden im Jahr 2021 gestiegen – eine jährliche Zuwachsrate von 124 Prozent.

Viele Produktentwickler in der Lebensmittelindustrie haben jedoch noch keine klare Vorstellung davon, wie sie den Rohstoff Alge einsetzen können. Ihnen helfen Elke Böhme und ihr Team an der Fraunhofer-Einrichtung für Individualisierte und Zellbasierte Medizintechnik IMTE in Lübeck. Die Lebensmitteltechnologin bietet regelmäßig Algen-Workshops für die Ernährungswirtschaft an, um zu zeigen, wie vielfältig die Meerespflanzen verwendet werden können. Gelegentlich wird sie auch von Unternehmen kontaktiert, die »irgendwas mit Algen« machen wollen. Dann klärt sie über verschiedene Algenarten auf, informiert über ihre Besonderheiten und über Anwendungsmöglichkeiten.  Eine Verkostung gehört immer mit zum Programm. »Wenn man die Produkte schmecken, riechen und fühlen kann, ist es für die Workshop-Teilnehmer viel leichter, eigene Ideen zu entwickeln«, sagt Böhme.

Algen mit Walnuss-Geschmack

Die Bandbreite möglicher Anwendungen ist groß. Böhme hat Algenextrakte schon in Müsliriegel eingearbeitet, in Barbecue-Soße, in Brotaufstriche, Bier, Limonade oder Gin. »Gerade arbeiten wir an einem veganen Bacon, für den wir den würzigen Umami-Geschmack der Rotalge nutzen. Um den noch besser herauszuziehen, haben wir ein spezielles Verfahren entwickelt«, erzählt sie.  Es gebe zwar auch eine Alge, die gebraten genau wie Bacon schmecke. »Aber das Aussehen und die Konsistenz sind natürlich anders. Von den Verbraucherinnen und Verbrauchern werden Ersatzprodukte bisher nur akzeptiert, wenn sie das Original möglichst perfekt imitieren.« Für vegane Burger-Pattys nutzt Böhme daher beispielsweise den Farbstoff der Rotalge. Er verfärbt sich in der heißen Pfanne von Rot zu Braun – genau wie man es von Rindfleisch kennt.  Für Überraschung sorgt bei den Workshop-Teilnehmern regelmäßig das Algen-Eis. »Die meisten rechnen nicht damit, dass Alge auch nach Walnuss schmecken kann«, sagt sie. »Um ehrlich zu sein: Auch wir haben das nicht erwartet.« Aber auch Alge pur verkosten Böhme und ihre Kolleginnen und Kollegen, um die Produktentwickler aus der Industrie mit der Geschmacksvielfalt vertraut zu machen.  Besonders gut kommen die leicht würzigen Meeresspaghetti an, die Himanthalia longata. »Wir kochen sie einfach zusammen mit normalen Spaghetti. So braucht man weniger Salz und das Essen wird gleich gesünder«, erzählt Böhme. Sie ist überzeugt: Ernährungsgewohnheiten lassen sich ändern. Man muss nur mehr Berührungspunkte mit Alternativprodukten schaffen. Bei ihr selbst hat es schon gewirkt: Auch privat kocht Böhme inzwischen häufiger mit Algen. Ihre Lieblingsalge?  »Die Nori, weil sie so schön dunkellila ist. Und wunderbar nach Umami schmeckt.«