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Die in-vitro Fleischproduktion im Kontext der Nachhaltigkeit. Aktuelle Chancen und Grenzen

Hausarbeit 2020 19 Seiten

Lebensmitteltechnologie

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

2 Entwicklungsgeschichte und Akteure

3 Chancen und Grenzen

4 Der Herstellungsprozess
4.1 Grundlegendes Herstellungsverfahren
4.2 Optimierbare Einflussgrößen der Produktion
4.2.1 Die Zellquelle
4.2.2 Das Kulturmedium
4.2.3 Das Gerüst
4.2.4 Der Bioreaktor

5 Ökobilanzierungen
5.1 In-vitro Fleisch vs. konventionelle Viehzucht
5.2 In-vitro Fleisch vs. alternative Proteinquellen

6 Fazit

7 Literaturverzeichnis

8 Internetquellen

1 Einleitung

Die Welternährung der Zukunft steht vor großen Herausforderungen. Laut aktuellen Berechnungen der Vereinten Nationen wird die Weltbevölkerung bis 2100 auf ca. 12 Mrd. Menschen beinahe verdoppeln [URL2]. Laut der Bundeszentrale für politische Bildung litten bereits im Jahr 2017 810 Mio. Menschen an Unterernährung und 2 Mrd. Menschen an einer Mangelernährung [URL3]. Damit ist jeder zehnte Mensch auf der Welt unterernährt. Die Ursachen hierfür sind vielfältig. Eines der Probleme basiert auf der Begrenzung geeigneter Landflächen für die Nahrungsmittelerzeugung. Dies führt zu einem Konkurrenzkampf um die Nutzung der Landflächen. Die wachsende Nachfrage nach erneuerbaren Energiequellen hat durch den Anbau von Energiepflanzen dafür gesorgt, dass die Preise für Nahrungsmittel wie Getreide rasant gestiegen sind. Der Konkurrenzdruck auf die Landflächen wurde in den letzten Jahren aber vor allem durch den steigenden Konsum tierischer Proteine, insbesondere von Fleisch verschärft. Die wachsende Nachfrage basiert zu einem großen Teil auf dem steigenden Fleischkonsum von Entwicklungs- und Schwellenländern (Abb.1), welcher laut einer Prognose bis 2050 um weitere 30 % ansteigen wird. Laut FAO (2006) nimmt Weideland für die Viehzucht mehr als doppelt so viel Fläche ein, wie die Herstellung von Getreide. Von den Flächen des Getreideanbaus werden wiederrum ein Drittel als Futtermittel für die Viehzucht angebaut. Neben der Problematik bezüglich der Flächennutzung durch die konventionelle Viehzucht wächst angesichts der globalen Erderwärmung das Bewusstsein über die negativen Umweltauswirkungen, die mit der Fleischproduktion in Verbindung stehen. Laut dem Bundesamt für Ernährung und Gesundheit beruhen 15 % der weltweiten Treibhausgasemissionen auf der Produktion von Fleisch (BÖHM et al. 2015). Darüber hinaus werden durch die Weidehaltung große Mengen Wasser verbraucht, Flüsse und Landflächen verschmutzt und eutrophiert. Für die zukünftige Welternährung müssen angesichts des rasanten Bevölkerungswachstums und der steigenden Nachfrage nach tierischen Proteinen dringend Lösungen gefunden werden. Eine vielversprechende Zukunftstechnologie aus dem Bereich der zellulären Agrarwissenschaften bietet das Potential die wachsende Fleischnachfrage unter minimaler Landnutzung zu decken und die negativen Umweltauswirkungen der traditionellen Viehzucht hinter sich zu lassen. Hierzu werden molekularbiologische Methoden verwendet, um aus Stammzellen innerhalb eines Kulturmediums Muskelfasern zu züchten. Bereits im Jahr 2013 wurde der erste Burger von Mark Post aus diesem in-vitro Fleisch hergestellt und medienwirksam präsentiert. Die Herstellung kostete rund 300.000 $ und nahm mehrere Monate in Anspruch (POST 2014). Seitdem wird weltweit von verschiedensten Unternehmen und Forschungsgruppen an einem standardisierten Herstellungsverfahren gearbeitet. Von einer Produktion im großen Maßstab und unter angemessenen Preisen ist der Prozess allerdings noch weit entfernt. Die folgende Arbeit gibt einen Überblick über die Akteure, die Chancen und Grenzen des in-vitro Fleisches im Kontext der Nachhaltigkeit, das Herstellungsverfahren, den aktuellen Stand seiner Optimierung und die Ökobilanzierung des Fleischersatzproduktes.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: weltweiter Fleischkonsum von 1990-2020 nach Entwicklungsstand der Länder & Anteil der weltweiten THGEmissionen der Fleischproduktion (BARTHOLET 2011)

2 Entwicklungsgeschichte und Akteure auf dem Markt

In den frühen 2000er legte ein von der NASA gegründetes Projekt den Grundstein für die Herstellung und Entwicklung von in-vitro Fleisch. Das Projektteam schaffte es, geringe Mengen Muskelfleisch eines Goldfisches zu kultivieren (BENJAMINSON et al. 2002). Im Jahr 2005 wurde ein großes Projekt der niederländischen Regierung ins Leben gerufen, durch welches diverse Forschungen zum Thema in-vitro Fleisch finanziert wurden. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten wurden die ersten adulten und embryonalen Stammzellen vom Schwein kultiviert (WILSCHUT et al. 2008, du PUY 2010). Darüber hinaus wurde an der Entwicklung eines Mediums auf der Basis von Algen geforscht (TUOMISTO & de MATTOS 2011). Eine weitere Arbeitsgruppe beschäftigte sich mit der Nutzung elektrischer und chemischer Stimulationen, um das Wachstum von kultivierten Muskelzellen von Mäusen anzuregen (LANGELAAN et al. 2011). Die meisten Fortschritte in der Herstellung von in-vitro Fleisch finden allerdings im Rahmen diverser Firmen und Start-ups, die ihre Produkte bis zur Fertigstellung und ihre Produktionsverfahren häufig geheim halten, um konkurrenzfähig zu bleiben. Daher ist es schwierig, den tatsächlichen Fortschritt zu beurteilen. Das bisher wohl bekannteste Produkt ist der erste, im Jahr 2013 von Mark Posts präsentierte, in-vitro Fleisch Burger. Er wurde in Zusammenarbeit mit der Universität Maastricht und dem Subunternehmen „Mosa Meat“ aus kultivierten, primären Rinderstammzellen des Skelettmuskels hergestellt. Eine weitere Firma aus den US mit dem Namen „Memphis Meat“ stellte ein Fleischbällchen, eine Rindfleisch Fajita, Hühnchen und Ente aus kultiviertem Fleisch her. 2017 hat die Firma „Just“ angekündigt, Chicken Nuggets aus in-vitro Fleisch auf den Markt zu bringen (JUST 2017). In Israel arbeitete die Firma „Super Meats“ über Jahre eng mit der Hebräischen Universität zusammen. Darüber hinaus agieren am in-vitro Fleischmarkt drei weitere Unternehmen mit dem Namen „SuperMeat“, „Future Meat Techolgies“ und „Meat the Future“. Bisher wurde aber von keiner der Firmen ein Prototyp präsentiert. Darüber hinaus sind zwei weitere Firmen aus den USA auf dem Markt aktiv. „Modern Meadow“ präsentierten eine Art Steak-Chips, fokussieren ihre Forschung allerdings mittlerweile auf die Produktion von kultiviertem Leder (MODERN MEADOW et al. 2015). „Finless-Foods“ forscht an der Herstellung von kultiviertem Fisch, befinden sich aber nach eigenen Aussagen noch in einem frühen Entwicklungsstadium. Neben diesen genannten Firmen gibt es noch eine große Anzahl weitere, die den Markt betreten und zum Teil auch schon wieder verlassen haben. Des weiteren Forschen einige Labore an Universitäten an in-vitro Fleisch. Die Bath Universität, die Universität von Otawa, die Tufts Universität und die Universität in North Carolina bilden eines der Forschungskollektiven (STEPHENS et al. 2018).

3 Chancen und Grenzen des in-vitro Fleisches

Dieser Abschnitt behandelt die diskutierten Chancen und Grenzen des in-vitro Fleisches als Fleischersatzprodukt. Das größte Potential wird in der Reduzierung der negativen Umweltauswirkungen unserer bisherigen Ernährung auf der Basis tierischer Produkte erwartet. Durch die Minimierung des Bedarfs an tierischen Ausgangsmaterial, welches zum Teil jahrelang auf Weiden gehalten werden muss, würde der damit verbundenen Wasserbrauch, das Euthrophierungspotential, die Treibhausgasemissionen und die Landnutzung drastisch reduziert werden. Durch die Möglichkeit der vertikalen Landnutzung durch das Aufeinanderstapeln der Bioreaktoren würde die Landnutzung auf bis zu 1 % sinken. Die eingesparten Landflächen könnten alternativ genutzt werde um Energiepflanzen oder Nahrungsmittelpflanzen zu produzieren (Reduzierung der Tank-Teller Konkurrenz) oder Aufforstungsprojekte durchzuführen (BHAT et al. 2011 a,b,c, BARTHOLT 2011, MADRIGAL 2008, TUOMISTO & DE MATTOS 2011). Ein weiterer Vorteil des in-vitro Fleisches besteht in der effizienteren Nährstoffumsetzung, Da lediglich die essbaren Teile eines Tieres erzeugt werden entfällt der Energiebedarf für den Aufbau von Hirnmassse, Knochen, Knorpel, Zähne, Organe, Haut, Lokomotion und Fortpflanzung (BHAT et al. 2015). Daraus resultiert darüber hinaus eine geringere Menge Abfallprodukte. Abfallprodukte in Form von Nährstofflösungen und Wärme könnten im Sinne einer Kreislaufwirtschaft aufbereitet werden (MADRIGAL 2008). Darüber hinaus werden Vorteile in Zusammenhang mit gesundheitlichen Faktoren diskutiert. Zum einen wäre durch den verminderten Kontakt zu anderen Tieren die Risiken der Verbreitung von Zoonosen (z.B. BSE, Schlafkrankheit) geringer. Darüber hinaus ist das Produkt einer geringeren Exposition von Umweltgiften wie Pestizide, Hormone, Dioxin oder Arsen ausgesetzt (BHAT et al. 2015). Ein weiterer Aspekt ist das Potential ernährungsbedingte Krankheiten zu mindern, die mit dem Verzehr von rotem Fleisch in Verbindung gebracht werden (MICHA et al. 2012). Es wäre denkbar, den Nährstoffgehalt zu verändern, in dem Vitamine dem Medium beigemischt werden oder den Gehalt an gesättigten Fettsäuren zu verringern in dem es durch Omega-3 Fettsäuren ersetzt wird (VAN EELEN et al. 1999). Des Weiteren würde die in-vitro Fleischproduktion zu verringertem Tierleiden führen, da theoretisch ein Tier als Stammzellspender ausreichen würde, um die globale Fleischnachfrage abzudecken (BHAT & BHAT 2011a, b). Dadurch würde ein maximaler Nutzen pro Tier erreicht werden und es müssten keine Tiere mehr getötet oder gemästet werden. Außerdem würden die Tiere weniger unter Krankheiten leiden, die sich auf Grund der engen Massentierhaltung ausbreiten (BHAT et al. 2015). Dadurch, dass die Produktion unabhängiger von Umwelteinflüssen, dem Klima und der Qualität des Bodens ist, würde in-vitro Fleisch laut FAO (2013) mehr Menschen einen Zugang zu tierischen Proteinen ermöglichen. Außerdem wäre dadurch eine lokale Produktion beim Konsumenten möglich, wodurch lange Transportwege Kühlketten vermieden werden (KAPLAN 2012). Außerdem würden kontrollier- und beeinflussbare Produktionsbedingungen eine konstante Qualität gewährleisten, die unabhängig von Krankheiten, Stress oder ungleichem Wachstum der Tiere ist (KAPLAN 2012). Ein weiterer Vorteil sind die verkürzte Produktionszeiten. Das Wachstum eines Huhns nimmt Monate, das eines Schweines oder einer Kuh sogar Jahre in Anspruch, während die n-vitro Fleischproduktion nur wenige Wochen dauern würde. Dadurch würde Energie und Arbeitskraft gespart werden (BHAT et al. 2015). Für einige Institutionen ist vor allem die Produktionsmöglichkeit in lebensfeindlichen Umgebungen interessant. So könnte auf Weltraummissionen oder an Forschungsstationen im Polarkreis die Herstellung von Proteinen ermöglicht werden (SAHA & TRUMBO 1996, BENJAMINSON et al. 1998, DRYSDALE et al. 2003). Auch das Kultvieren von Stammzellen seltener Tierarten wäre möglich, sodass der Jagddruck auf bedrohte Arten vermindert werden kann, was einen positiven Effekt auf die Erhaltung der Artenvielfalt hätte (STEPHENS et al. 2018). Eine weitere Möglichkeit in diesem Zusammenhang wäre es, dass die Züchter von Nutztieren sich weg von den Hochleistungstieren hin zu traditionellen, alten Nutztierarten spezialisieren. Diese Arten bieten den Vorteil, dass sie mit einem geringeren Energieinput und auf extensiv bewirtschafteten Feldern wachsen können (BHAT et al. 2015). Die Kritikpunkte lassen sich grob in die Bereiche Marktauglichkeit soziale und ethische Bedenken unterteilen. Der häufigste Kritikpunkt sind die bisher hohen Produktionskosten und kleinen Produktionsmengen. Die Herstellung des ersten Burgern hat über 300.000 $ (BÖHM et al 2007) gekostet und Monate in Anspruch genommen. Unter den momentanen Herstellungsbedingungen würde die Produktion von 1 kg Biomasse bis zu 50.000 $ kosten und die Herstellung einer Wurst müsste in 3000 seperaten Petrischalen stattfinden (BARTHOLET 2011). Laut STEPHENS et al. (2017) ist das für die Entwicklungsphase von Produkten allerdings üblich. Außerdem argumentieren die Autoren, dass in-vitro Fleisch wie seine verwandten Produkte aus der Agrarwirtschaft staatlich subventioniert werden müsste, um konkurrenzfähig zu werden. Ein weiterer Punkt, der die Chancen des in-vitro Fleisches als Ersatzprodukt stark begrenzt ist, dass bisher kein hochstrukturiertes (Steak etc.) Fleisch produzierbar ist. Das bisher struktur- und farblose Fleisch ist lediglich für die Produktion von Hackfleisch geeignet, wodurch nur ein kleiner Teil des Marktes abgedeckt werden kann. Die Verbesserung der sensorischen Eigenschaften stellt einen großen Optimierungsbedarf dar (BHAT et al. 2011b). Darüber hinaus wird der hohe Energiebedarf kritisiert. Allerdings ist hier durch das frühe Stadium der Produktentwicklung noch ein enormes Optimierungspotential vorhanden und die alternative Landnutzungsmöglichkeit bietet Möglichkeiten für den Anbau von Energiepflanzen. Des Weiteren ist es problematisch, dass die sehr positiven Ökobilanzen auf theoretischen Produktionsprozessen basieren und viele Faktoren nicht berücksichtigt wurden (HOPKINS & DACEY 2008, MATTICK et al. 2015). Aus sozialer und ethischer Sicht wird in Frage gestellt, ob der Verzehr von in-vitro Fleisch zu einer weiteren Entfremdung von der Natur führen und einer stärkeren Abhängigkeit unserer Ernährung von der Technik führen würde (WELIN 2013). Des Weiteren wird aus ethischer Sicht diskutiert, dass in-vitro Fleisch den Anreiz verringert, sich fleischlos zu ernähren. Eine vegane Ernährung würde eine viel bessere Alternative im Zusammenhang mit den kritisierten Umweltbedingungen und den Problemen der Welternährung darstellen und die Stammzellnutzung wäre immer noch ethisch bedenklich (HAWTHRONE 2005, HOPKINS & DACEY 2008). Des Weiteren wurde bedenklich geäußert, dass es unklar ist, welche wirtschaftlichen Folgen daraus resultieren würden (BHAT et al. 2015). Vermutlich würde sich die Fleischproduktion in technisch weiter entwickelten Ländern verschieben was sich nachteilig für die bisherigen Produktionsländer auswirken würde, die in der Regel wirtschaftlich stark abhängig vom Fleischexport sind. Da eine breite Palette an Qualifikationsebenen für die Herstellung nötig wäre, würde sich die Produktion außerdem mit großer Wahrscheinlichkeit von den ländlichen Regionen in urbanere Gebiete verschieben. Was ebenfalls zu einer wirtschaftlichen Umstrukturierung führen würde. Darüber hinaus wird daran gezweifelt, ob das Produkt von den Konsumenten angenommen werden würde, oder ob die Unnatürlichkeit ein ähnliches psychologisches Hindernis darstellt wie bei der Bewertung von Plastikblumen oder künstlichen Diamanten (HOPKINS & DACEY 2008).

4 Der Herstellungsprozess

Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit dem Herstellungsprozess von in-vitro Fleisch. Als erstes werden die groben Herstellungsschritte dargestellt. Im Anschluss werden die aktuelle Forschungsansätze anhand der verschiedenen Produktionsfaktoren vorgestellt. Es ist anzumerken, dass bisher nur grobe Vorstellungen für eine industrielle Produktion vorhanden sind. Alle nachfolgend erläuterten Prozesse und Methoden wurden bisher nur im Labormaßstab durchgeführt und es ist noch ein enormes Optimierungspotential vorhanden. Die verschiedenen Einflussgrößen der Produktion beeinflussen sich gegenseitig und müssen aufeinander abgestimmt werden.

4.1 Das grundlegende Herstellungsverfahren

Die folgende Erläuterung bezieht sich auf die Abb.2 und basieren auf den Veröffentlichungen von BÖHM et al. (2007) und BARTHOLET (2011). Im ersten Schritt des Herstellungsverfahrens werden einem Spenderorganismus Stammzellen entnommen. Hierfür werden entweder embryonale Stammzellen aus einem Embryo [1A] oder adulte Stammzellen mittels einer Muskelbiopsie gewonnen [1B]. Anschließend werden die Zellen in einem Wachstumsmedium innerhalb eines Bioreaktor kultiviert und so zur Vermehrung angeregt 2. Diesen Prozess der Vermehrung durch Zellteilung nennt man Proliferation. Im nächsten Schritt werden die Zellen auf einem Gerüst, ebenfalls innerhalb eines Bioreaktors, in einem geeigneten Kulturmedium zur Differenzierung zu Muskelfasern angeregt 3. Diesen Prozess nennt man Myogenese (Abb.3). Während dieser Myogenese entwickeln sich die Stammzellen zunächst zu mononuklearen Myoblasten, den Grundbausteinen eines Muskels. Diese wachsen anschließend zu multinuklearen Mytuben und bilden dann Myofibrillen, die sogenannten Muskelfasern. Ca. 20.000 dieser Fasern wurden benötigt, um den ersten In-vitro-Burger aus Rinderstammzellen zu formen (POST 2014). Die gewonnenen Muskelfaserzellen werden vom Gerüst abgetrennt, aufgereinigt 4 und anschließend zu einem Fleischprodukt verarbeitet 5.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Herstellungsschritte der in-vitro Fleischproduktion. [1A] embryonale Stammzellen [1B] adulte Stammzellen gewonnen aus einer Muskelbiopsie [2] Proliferation in einem Wachstumsmedium [3] Differenzierung auf einem Gerüst [4] Aufreinigung [5] Verarbeitung. Bildquelle: BARTHOLET (2011),

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Abb.3 Zwischenprodukte der Myogenese. Eine Stammzelle differenziert sich zu Myoblasten, diese wachsen zu Myotuben zusammen, die sich zu einer Myofibrille (Muskelfaser) entwickeln (BÖHM et al. 2017).

4.2 Optimierbare Einflussgrößen der Produktion

4.2.1 Die Zellquelle

Zunächst stellst sich die Frage, ob primäre Stammzellen verwendet werden oder Zelllinien zum Einsatz kommen. Zelllinien zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein unendliches Teilungsvermögen besitzen (STEPHENS et al. 2018). Das kann entweder durch das Verfahren der Induktion (EVA et al. 2014) oder durch das Selektieren von Stammzellen mit einer geeigneten Mutation erreicht werden [URL3]. Der Einsatz von Zelllinien würde durch ihre Unsterblichkeit den Bedarf an frischem Gewebe reduzieren, allerdings sind diese nicht immer repräsentativ für die Primärzellen und zeigen beispielsweise andere Wachstumsraten. Darüber hinaus stellen die Subkultivierung, das Passagieren, die Fehlidentifizierung und die kontinuierliche Evolution der Zellen nur einige der Probleme in Verbindung mit der Kultivierung von Zelllinien dar (NATIONAL INSTITUTES OF HEALTH 2007). Primäre Stammzellen können direkt aus dem Gewebe gewonnen werden. Allerdings ist die Isolierung des gewünschten Zelltyps aus dem Gewebe bezüglich der Homogenität und der Anzahl isolierter Zellen oft schwierig und kann technisch sehr anspruchsvoll und kostenintensiv sein. Darüber hinaus weisen Zellen aus der gleichen Probe oft eine Variabilität aus, die ein verändertes Wachstumsverhalten oder eine veränderte Reaktion auf die Zusammensetzung des Mediums verursacht (STEPHENS et al. 2018). Des Weiteren wird diskutiert, ob adulte oder embryonale Stammzellen verwendet werden (STEPHENS et al. 2018). Als adulte Stammzellen kommen einerseits Muskelstammzellen in Frage, die sich im Gewebe befinden und nach Bedarf für Regenerationsprozesse aktiviert werden (GREFTE et al. 2007). Ein großer Vorteil ist, dass sie sich definitiv zu Muskelzellen differenzieren. Allerdings proliferieren sie langsam, sodass eine große Menge an Zellmaterial benötigt werden würde. Ein weiterer Ansatz ist es, mesenchymale Stammzellen zu verwenden. Sie zeigen eine erhöhte Proliferierungs- und Differenzierungsrate (STERN-STRAETER 2014) im Gegensatz zu den Muskelstammzellen. Außerdem können sie in einem Medium ohne Serum wachsen, was die Kosten für das Nährmedium erheblich reduziere würde (CHASE et al. 2010, JUNG et al. 201, OIKONOMOPOULUS et al. 2015). Allerdings befindet sich diese Technologie noch in einem frühen Stadium und ist noch weit weg von einer Umsetzung (STEPHENS et al. 2018). Darüber hinaus wird daran geforscht, somatische Zellen in pluripotente Stammzellen umzuwandeln (GENOVESE et al. 2017, WU & HOCHEDLINGER 2011). Dieser Ansatz ist zwar vielversprechend, befindet sich allerdings ebenfalls noch in einem sehr frühen Stadium (STEPHENS et al. 2018). Die Alternative zur Verwendung adulter Stammzellen sind embryonale Stammzellen. Aus diesen würden Zelllinien hergestellt werden, die sich durch ein unendliches Teilungsvermögen auszeichnen. Durch diese Unsterblichkeit und eine äußerst hohe Proliferierungsrate würde der Bedarf an frischem Gewebe drastisch reduziert werden und kürzere Produktionszeiten ermöglicht werden (STEPHENS et al. 2018). Allerdings ist es bisher noch nicht möglich, die Differenzierung zu Muskelstammzellen in einer ausreichenden Menge zu beeinflussen (BARTHOLET 2011). Des Weiteren besteht immer noch eine große Unklarheit über die optimale Zellquelle in Bezug auf die Tierart, die Züchtung der Tiere und das Gewebe, aus der sie stammen soll (STEPHENS et al. 2018).

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Details

Seiten
19
Jahr
2020
ISBN (eBook)
9783346323866
Sprache
Deutsch
Katalognummer
v964728
Institution / Hochschule
Hochschule Bremen
Note
1,0
Schlagworte
in-vitro Fleisch Ernährungssicherheit Nachhaltige Ernährung clean meat in-vitro meat lab-grown meat

Autor

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