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Proteinreiche Fleischalternativen aus Pilzen

Mykoprotein als alternative gesunde Proteinquelle

Dr. Isabel Muranyi (Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV, Abteilung Verfahrensentwicklung Lebensmittel)

Proteinreiches „Mykoprotein“ ist eine nachhaltige und biologische Lebensmittelzutat, welche durch gezielte Fermentation einer Starterkultur gewonnen wird. Insbesondere aufgrund seiner intrinsischen Faserstruktur sollte untersucht werden, ob es sich für die Herstellung von gering prozessierten Fleischalternativen eignet.

Mykoprotein als Fleischersatz

Aufgrund des steigenden Proteinbedarfs der rasant wachsenden Weltbevölkerung und der großen Nachfrage nach Fleischalternativen hat sich die Entwicklung neuer Lebensmittelzutaten aus alternativen Quellen zu einer entscheidenden globalen Herausforderung entwickelt [1]. Die Pilzbiotechnologie zeigt großes Potenzial für die Produktion alternativer Proteinquellen. Das durch die gezielte Fermentation einer Starterkultur hergestellte „Mykoprotein“ ist nach thermischer Degradierung der in den Nukleinsäuren enthaltenen Purine unbedenklich für den Verzehr und weist einen Proteingehalt von 41–58 % bezogen auf die Trockensubstanz auf. Es hat eine ausgewogene Aminosäurezusammensetzung und enthält alle essenziellen Aminosäuren [2]. Mykoprotein ist darüber hinaus arm an gesättigten Fettsäuren und reich an Ballaststoffen (6 %), welche zu etwa einem Drittel aus Chitin (N-Acetylglucosamin) und zu zwei Dritteln aus β-Glucan (1,3-Glucan und 1,6-Glucan) bestehen [3]. Außerdem ist Mykoprotein frei von Cholesterin [4]. Bezeichnend für das Mykoprotein ist die intrinsische Faserstruktur, welche Ähnlichkeit zu Fleischfasern zeigt. Dies birgt Potenzial für die Entwicklung von mykoproteinbasierten Fleischalternativen, wie veganes Jerky. Die Herausforderung dabei stellt jedoch die geringe Faserstabilität dar. Die Faserigkeit des Mykoproteins basiert auf Pilzhyphen, welche nur schwach untereinander gebunden und leicht zerbrechlich sind. Durch eine zu intensive Beanspruchung während der Verarbeitung – beispielsweise durch Extrusion oder Scherung beim Homogenisieren einer Masse – würden diese brechen und die produkttypische Faserigkeit verloren gehen.

Ziel des von der EU geförderten EIT Food Forschungsvorhabens FUNGITIME (siehe Infobox) war es deshalb, unter optimaler Ausnutzung der intrinsischen Faserstruktur, geeignete Verfahren zur Herstellung von veganen Snackprodukten wie Jerky- und Salamialternativen zu entwickeln. Neben einer muskelfaserartige Struktur sollten diese eine hohe mikrobielle Stabilität und geringe Anteile an Zusätzen aufweisen, sowie als „proteinreich“ ausgelobt werden können. Letzteres wird dann erreicht, wenn 20 % der Energiedichte eines Lebensmittels vom Protein stammt [5].

Die Fasern des Mykoproteins

Fusarium venenatum gehört zu den Ascomyceten und wächst im Boden in Gestalt fadenförmiger, mikroskopisch kleiner Gebilde, den Hyphen. Die Hyphen bestehen meist aus mehreren, langgestreckten Zellen, die durch Trennwände, sogenannte Septen, voneinander getrennt sind und einen Durchmesser von etwa 35 µm haben. Sie sind mit wässrigem Proteinmaterial und elektrisch geladenen Salzionen gefüllt. Durch die Verzweigung der Hyphen entsteht ein filamentöses Netzwerk, das Myzel [6].

Die Besonderheit von Fusarium venenatum A3/5 sind die besonders langen, wenig verzweigten Hyphen, die sich zu einem ausgerichteten Netzwerk bündeln und große Ähnlichkeit mit den Muskelfasern von Fleisch aufweisen. Mit der Dauer der Fermentation nimmt jedoch auch hier der Anteil an Verzweigungen zu, wodurch der charakteristische Hyphenzusammenhalt abnimmt und die Quartärstruktur auflockert. Nach ca. 1.000–1.200 h Fermentation verliert das Mykoprotein schließlich seinen Zusammenhalt und damit auch die besondere muskelfaserartige Struktur. Die Fermentationszeit ist daher ein entscheidender Faktor für die Produktqualität.

Im Zuge der Lebensmittelherstellung werden die Lebensmittelbestandteile zur Teigbildung oder zum Mischen mit anderen Zutaten wie Gewürzen, Fett und Mehl in der Regel einer Scherbehandlung ausgesetzt. Auffallend war, dass die Textur des Mykoproteins bereits nach händischem Kneten oder elektrischem Kuttern weicher wurde und die Fasern sich verringerten. Dies ließ ein Aufbrechen des Hyphenzusammenhalts vermuten. Für die Herstellung faserreicher Fleischersatzprodukte waren deshalb insbesondere folgende Untersuchungen entscheidend:

  •  Einfluss des Mischens (kneten vs. kuttern) auf die Faserstruktur
  •  Entscheidende Verarbeitungsschritte zum Erhalt der Faserigkeit bzw. Anisotropie
  •  Möglichkeiten der Faserstabilisierung
  •  Interaktion des Mykoproteins mit Lebensmittelzutaten

Für die Untersuchungen wurde tiefgefrorenes Mykoprotein in unterschiedlichen Qualitäten der Firma 3FBIO herangezogen.

Abb. 1 Kryo-Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Mykoprotein. Querschnitt vor (A) und nach (B) Kuttern. Die Balken entsprechen 1 µm.

Der strukturelle Einfluss der Scherintensität wurde mittels Lichtmikroskopie und Kryo-Rasterelektronenmikroskopie untersucht. Vor der Scherbelastung waren die Mykoproteinhyphen intakt, bis zu 1 mm lang und teilweise verzweigt. Die Ausrichtung der Hyphen war parallel zueinander, die Stränge ließen sich in Längsrichtung verschieben und zogen Filamente untereinander, welche vermutlich aus Proteinen bestanden. Sie waren über die außen an der Hyphenoberfläche angebrachten Proteine an die benachbarten Hyphen verbunden, wodurch eine stabilisierte dreidimensionale Anordnung in Form von makroskopisch sichtbaren Fasersträngen erreicht wurde. Aus physikalisch-chemischer Sicht verhielt sich das Mykoprotein ähnlich zu Polyolefinschmelze.

Sowohl nach dem Kneten als auch nach der Scherbehandlung wurden die zwischen den Hyphen stabilisierenden Oberflächenproteine gebrochen und die Hyphen voneinander abgetrennt (Abb. 1). Die Hyphen selbst blieben nach dem händischen Kneten größtenteils intakt. Nach dem Kuttern waren jedoch geöffnete und entleerte Hyphen prominent. Durch das Austreten des geladenen intrazellulären Materials erhöhten sich Ionenstärke und elektrostatische Wechselwirkungen der Umgebung. Dadurch könnte die strukturelle Resistenz der Hyphen gesenkt und das Vermischen des gescherten Mykoproteins mit anderen Nahrungsbestandteilen und Zutaten erleichtert werden. Dies wäre beispielsweise bei der Herstellung von Salamialternativen von Vorteil, verringert jedoch deutlich die muskelfaserartige Struktur.

Veganes Jerky

Kommerziell erhältliche vegane Jerky-Produkte werden zur anisotropen Faserausrichtung i.d.R. mittels Extrusion hergestellt. Meist basieren entsprechende Produkte auf Sojaprotein oder Gluten, es sind aber auch Produkte auf Basis von Shiitakepilzen erhältlich.

Abb. 2 Faserausrichtung von Mykoprotein mit schwachen adhäsiven Wechselwirkungen, erreicht durch Kneten und Falten von Mykoprotein (A) sowie mit stabilisierten adhäsiven Wechselwirkungen nach Glutenzugabe (B). Die Balken entsprechen 1 µm.

Aufgrund der instabilen intrinsischen Faserstruktur von Mykoprotein ist die Extrusionstechnologie für Mykoprotein ungeeignet. Um die intrinsische Faserstruktur des Mykoproteins optimal zu nutzen und eine muskelfaserartige Struktur im Produkt zu imitieren, wurde der Einfluss verschiedener physikalischer Behandlungen auf die Faserausrichtung untersucht. Diese umfassten die Herstellung eines homogenen Teiges durch händisches Kneten und Teigführung durch eine Nudelmaschine, durch Rollen auf einem Brett mit einem Nudelholz, durch Drücken durch ein Füllrohr sowie durch Kneten und Falten des Teigs zu geschichteten Mykoproteinschichten. Die zuletzt genannte Technik erwies sich als besonders erfolgreich und wurde verwendet, um den Einfluss verschiedener Mehle und Scherbeanspruchung auf die Produkttextur zu untersuchen. Es wurde außerdem erwartet, dass extern zugegebene Proteinquellen mit den Oberflächenproteinen zwischen den Hyphen in Form von Protein-Protein-Wechselwirkungen interagierten und dadurch die Faserausrichtung stabilisieren können. Aufgrund der Klebereigenschaften wurde zur Stabilisierung der Hyphenstruktur der Einsatz von Gluten untersucht.

Abb. 3 Die Anisotropie der Jerky-Varianten wurde mit dem Texture Analyzer untersucht.

Wie erwartet legte sich das Gluten in Form einer verbindenden Schicht aus Kügelchen zwischen die parallelen Strukturen der Hyphen (Abb. 2). Dabei interagierte Gluten mit den Oberflächenproteinen der Hyphen und stabilisierte so die Hyphen untereinander. Damit ist es möglich, insbesondere bei einem Mykoproteinprodukt mit geringem Zusammenhalt, z.B. mit hoher Verzweigungsrate oder nach Scherbehandlung (falten), den Hyphenzusammenhalt durch Gluten zu stabilisieren und die Faserigkeit zu erhöhen.

Alternativ dazu wurde der gefrorene Mykoproteinblock mit hohem Anteil an intrinsischen Fasern mit einer Aufschnittmaschine in Scheiben einer Schichtdicke von 4,5 mm geschnitten und weiter zu mundgerechten Stücken zerkleinert.

Nach dem Marinieren und Backen wurden die Produkteigenschaften beider Verfahrensvarianten miteinander verglichen: 1. Falten des Mykoproteins unter Zugabe von Gluten und 2. Schneiden des Mykoproteins ohne Zusätze. Sensorisch erwies sich die geschnittene Variante 2 als beste Option für die Herstellung von Jerky auf Mykoproteinbasis. Dies war hauptsächlich auf die Faserigkeit von Variante 2 zurückzuführen, welche ein anisotropes Verhalten aufwies. Dies konnte mittels Texture Analyzer ermittelt werden (Abb. 3).

Abb. 4 Sensorische Bewertung der final entwickelten Mykoprotein-basierten Jerky-Varianten 1 (gefaltet mit Gluten) und 2 (geschnitten), sowie der beiden Referenzprodukte.

Sensorisch wurde Variante 2 als zäher, bissfester und faseriger beschrieben als Variante 1 (Abb. 4). Zudem trocknete die geschnittene Variante 2 im Ofen schneller, was 40 % kürzere Erhitzungszeiten bedarf und damit insgesamt ein energieeffizienteres Verfahren darstellte.

Darüber hinaus wurden die Produkteigenschaften mit zwei kommerziell verfügbaren Referenzprodukten verglichen. Referenz A war fleischhaltiges Jerky auf Basis von Rindfleisch, Referenz B ein veganes Jerky-Produkt auf Basis von Sojaprotein. Die Festigkeit [N] beider mykoproteinbasierten Jerky-Varianten war ähnlich der fleischhaltigen Referenz A und deutlich höher als die der veganen Referenz B. Die aw-Werte beider Produktvarianten waren niedriger als die der Referenzprodukte (Vergleich 0,69 und 0,62 vs. 0,76 und 0,80), was die hohe mikrobielle Stabilität der mykoproteinbasierten Jerky-Varianten widerspiegelte.

Beide Jerky-Varianten 1 und 2 auf Basis von Mykoprotein können wie die Referenzprodukte als „proteinreich“ (Protein / Energie: 42 und 26 %) ausgelobt werden. Die Zutatenliste war vergleichbar mit der fleischhaltigen Referenz A und deutlich kürzer als die kommerziell erhältliche vegane Jerky-Variante Referenz B.

Schlussbemerkungen

Insbesondere für Produkte, in denen die Faserstruktur essenziell ist, wie beispielsweise für Jerky, ist es wichtig das Mykoprotein einer möglichst geringen Scherung zu unterziehen. Insbesondere konnte durch Schneiden des Mykoproteinblocks die intrinsische Faserstruktur aufrechterhalten bleiben. Alternativ kann durch Zugabe von Gluten während des Faltens des Produkts eine verstärkte Vernetzung der Oberflächenproteine zu stabilisierten Fasern erzielt werden.

Insgesamt belegen die Ergebnisse das hohe Potenzial von Mykoprotein für die Entwicklung von Snackprodukten und Fleischersatzprodukten mit muskelfaserartiger Struktur. Die entwickelten Produkte gelten als proteinreich und sensorisch ansprechend und gehen auf die unterschiedlichen Bedürfnisse der Verbraucher ein: Mykoprotein ist frei von kennzeichnungspflichtigen Allergenen [7], ohne Milch, vegan und geeignet für Flexitarier. Die Snackprodukte eignen sich für alle drei Vermarktungskanäle Consumer at Home, den Einzelhandel und HoReCa.

Danksagung

Die vorgestellten Arbeiten zur Verfahrensentwicklung zur Herstellung veganer Snackprodukte wie Jerky-Alternativen aus Mykoprotein wurden im Rahmen des Kooperationsprojekts FUNGITIME (einjährige Projektlaufzeit in 2020) im EIT-Innovationscluster EIT Food durch das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 gefördert.

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Infobox

Forschungsprojekt „FUNGITIME“

Pilzbiotechnologie für proteinreiche und nachhaltige Lebensmittel

Ein hohes Potenzial für Fleischalternativen zeigen aus Pilzen gewonnene Proteine wie das Abunda-Mykoprotein, eine komplette Lebensmittelzutat, die alle essenziellen Aminosäuren enthält. FUNGITIME ist ein Forschungsprojekt im Innovationscluster „EIT Food“ des Europäischen Innovations- und Technologieinstituts (EIT), in dem vielfältige Lebensmittelprodukte aus Abunda-Mykoprotein entwickelt werden. Das Projekt FUNGITIME hat zum Ziel, nachhaltige Lebensmittel mit optimalen ernährungsphysiologische Eigenschaften zu entwickeln, die eine hohe Verbraucherakzeptanz haben, und wird durch das EU-Rahmenprogramm für Forschung und Innovation Horizon 2020 gefördert.

(Abunda ist ein eingetragenes Markenzeichen.)

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Kategorie: Lebensmittelverfahrenstechnik | Mykoprotein

Literatur:
[1] Morach B, Witte B, Walker D, von Koeller E et al. Food for Thought: The Protein Transformation. BCG Global. 2021, March 24. https://www.bcg.com/publications/2021/the-benefits-of-plant-based-meats, accessed on 2021, Nov 17
[2] Souza Filho PF, Andersson D, Ferreira JA, Taherzadeh MJ. Mycoprotein: environmental impact and health aspects. World J Microbiol Biotechnol. 2019;(35),147. DOI: 10.1007/s11274-019-2723-9
[3] Denny A, Aisbitt, B, Lunn J. Mycoprotein and health. Nutr Bull. 2008;33(4):298-310. DOI: 10.1111/j.1467-3010.2008.00730.x
[4] Harvard T.H. CHAN. Cholesterol n.d. https://www.hsph.harvard.edu/nutritionsource/what-should-you-eat/fats-and-cholesterol/cholesterol/, accessed on 2021, Nov 17
[5] The European Parliament and the Council of the European Union, Regulation (EC) No 1924/2006 of the European Parliament and of the Council of 20 December 2006 on nutrition and health claims made on foods. ELI: http://data.europa.eu/eli/reg/2006/1924/oj
[6] Reineke W, Schlömann M. Umweltmikrobiologie. Berlin, Springer Spektrum, 3rd ed. 2020. DOI: 10.1007/978-3-662-59655-5
[7] Finnigan TJA, Wall BT, Wilde PJ, Stephens FB et al. Mycoprotein: The Future of Nutritious Nonmeat Protein, a Symposium Review. Curr Dev Nutr. 2019;3(6):nzz021. DOI: 10.1093/cdn/nzz021.

Publikationsdatum: 15.12.2021

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    Isabel Muranyi, Jahrgang 1984 absolvierte das Bachelorstudium für „Ernährungswissenschaften“ und das Masterstudium für „Biomedizin“ an der Technischen Universität München (TUM). Im Anschluss daran schloss sie das postgraduale Aufbaustudium für „Analytik & Spektroskopie“ an der Universität L ... mehr

    Dr. Maria Hoppe

    Maria Hoppe, Jahrgang 1987, studierte von 2007–2013 Chemie an der Freien Universität Berlin und der Universität von Amsterdam. Von 2013–2018 war sie Doktorandin am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung IVV in der Abteilung Produktsicherheit und Analytik. 2018 erfolgte der ... mehr

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