In Europa werden sie oft eher als lästig oder sogar ökologisches Problem wahrgenommen: Wo zu viele Nährstoffe aus der Landwirtschaft ins Meer gelangen, gedeihen Makroalgen im Übermaß. Generell aber bilden Algen einen wichtigen und weitverbreiteten Teil der Meeresökosysteme. In Asien und vielen anderen Küstenregionen sind sie deshalb ein beliebtes Nahrungsmittel. Längst werden sie entlang mancher Küsten und sogar in Aquakultur-Systemen gezielt gezüchtet. Das in diesem Frühjahr gestartete und unter anderem vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Projekt MicroMar möchte dieses Potenzial für die Ernährung in Europa besser erschließen.

„Die Weltbevölkerung wächst, und so, wie wir die Landnutzung derzeit gestalten, können wir nicht alle ernähren“, sagt die Verfahrenstechnikerin Isabell Rothkopf vom Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung (IVV) in Freising. Deshalb liege der Projektfokus auf Makroalgen, zu denen Braunalgen wie Tang, aber auch Rotalgen wie die Nori-Alge gehören. „Das Festland ist intensiv kultiviert und die nutzbaren Flächen sind begrenzt“, begründet die Forscherin. Algen hingegen könne man im Meer anbauen. „Sie haben einen relativ geringen CO₂-Ausstoß, nehmen sogar CO₂ aus dem Wasser raus, müssen in der Regel nicht gedüngt und nicht gegossen werden“, zählt Rothkopf weitere Vorteile auf.

Um die Akzeptanz von Algen als Nahrungsmittel in Deutschland und weiten Teilen Europas zu erhöhen, verfolgt das Projekt einen besonderen Ansatz: Nicht die ganze Alge, sondern ihre wertvollen Proteine, lösliche Kohlenhydrate und Hydrokolloide werden extrahiert und dann als Zutaten in etablierten Lebensmitteln genutzt. Die restlichen Inhaltsstoffe dienen als Substrat für die Fermentation von Ölen für den Einsatz in Lebensmitteln. Das hat den Mehrwert, dass auch die harten Stängel verwendet werden könnten, im Idealfall also kaum ungenutzte Reststoffe anfallen.

An die Inhaltsstoffe heranzukommen, ist jedoch nicht einfach. „Algen sind sehr stabil und müssen Salzwasser aushalten“, erläutert Rothkopf. Aus Vorprojekten unter anderem mit Algen, aber vor allem mit Hülsenfrüchten hat das Team jedoch einige Erfahrung darin, pflanzliche Zellen aufzuschließen. Zunächst werden die von Hand geernteten Rot- und Braunalgen grundlegend charakterisiert: Welchen Protein- und Zuckergehalt haben sie, welche sekundären Inhaltsstoffe sind enthalten?

Die fein zermahlenen Algen werden für die Proteinextraktion mit Wasser gemischt und die Zellen aufgeschlossen, etwa durch Erhitzen. Um die Proteine besser lösen zu können, wird der pH-Wert mit Säure oder Lauge eingestellt. Dadurch lösen sich die Proteine und können mit chemischen Methoden gefällt werden – sie setzen sich also am Boden ab und nach einer Reinigung bleibt ein sogenannter Proteinquark übrig. „Danach werden die Proteine getrocknet und bilden ein helles Pulver, ähnlich wie man es aus Sportlernahrung kennt“, beschreibt die Forscherin.

Je nachdem, wie die Prozessbedingungen gestaltet werden, erhält man unterschiedliche Proteinfraktionen mit unterschiedlichen Eigenschaften. „Gerade analysieren wir, welche Proteine aus den Algen sich für welche Endprodukte am besten eignen“, sagt Rothkopf. Denn manche der Eiweiße lassen sich gut für Käsealternativen einsetzen, andere wiederum eher für Fleisch- oder Fischalternativen. „Wir schauen bei den Proteinen auch darauf, wie deren Aminosäurezusammensetzung ist, damit wir eine hohe Bioverfügbarkeit haben“, erläutert die Verfahrenstechnikerin. Außerdem scheiden manche Proteine aus, weil sie einen Fehlgeschmack aufweisen, der in Lebensmitteln unerwünscht ist.

Die funktionellen Eigenschaften der Proteine werden im Labor getestet, etwa wie gut sich damit eine Emulsion herstellen lässt. „Für manche Proteine kennt man die Eigenschaften auch schon aus der Literatur oder früheren Versuchen“, sagt Rothkopf. Aus der Arbeit an Leguminosen existiert etwa eine große Proteindatenbank, aus der sich Vermutungen zu Struktur und Eigenschaften ableiten lassen, auch wenn nicht alles direkt übertragbar ist. Denn die Struktur – also wie die Aminosäurekette zum Protein zusammengeknäult ist – ist eng mit der Funktion verknüpft. Inzwischen lässt sich diese Struktur durch spezielle KI-Tools gut vorhersagen. Bis vor wenigen Jahren war das aufwendige Laborarbeit. Die Vorhersage der Eigenschaften ist wegen der enorm vielen Einflussfaktoren jedoch noch schwierig. „Wenn ich ein Protein von fünf Herstellern habe oder aus fünf unterschiedlichen Jahren, dann kann jede Charge ganz unterschiedliche Eigenschaften haben“, veranschaulicht Rothkopf. Besonders nichtlineare Zusammenhänge seien erst durch große Datenmengen zu erkennen.

Fraunhofer-Institute wären jedoch nicht anwendungsorientiert, wenn die Arbeit hier enden würde: „Wir verarbeiten die gewonnenen Proteine weiter“, erzählt Rothkopf. So werden bestimmte Proteine etwa extrudiert, also durch eine Düse gepresst und in eine neue Form gebracht. Die faserige Struktur ist dann beispielsweise für Fischalternativen besonders geeignet. Weil in den Proteinen eine algige oder fischige Note erhalten bleiben wird, hat das Team generell vor allem Fischalternativen und würzige Aufstriche im Fokus.

Dass die Proteine in der gleichen Abteilung am IVV gewonnen und verarbeitet werden, ist dabei ein großer Vorteil: „Die eine Gruppe kann sagen: Für diese Verarbeitung hätten wir gern ein Protein mit diesen Eigenschaften“, erklärt Rothkopf. „Umgekehrt kann die andere sagen: Wir haben eine neue Art gefunden, Protein zu extrahieren – könnt ihr damit besser oder schlechter arbeiten?“

Die größte Herausforderung im Projekt erwartet Rothkopf allerdings nicht bei den Proteinen, sondern bei der Nebenstromnutzung. Mittels mikrobieller Fermentation sollen auch die harten Stiele der Algen verwertet werden. Damit die Mikroorganismen auf den Algen besser wachsen, planen die Projektbeteiligten, weitere Nebenströme – etwa aus der Milchverarbeitung – einzusetzen. Denn welche Produkte die Mikroorganismen produzieren, hängt wesentlich davon ab, womit sie gefüttert werden.

„Die mikrobielle Herstellung von Ölen und Fetten hat ein sehr großes Potenzial“, berichtet die Verfahrenstechnikerin. In der Forschung geschieht in diesem Bereich der Reststoffnutzung sehr viel. Mikrobielle Öle sind hoch aufgereinigt und am Ende auch nahezu geschmacksneutral. Sie könnten also gesättigte oder andere ungesunde Öle in vielen Produkten ersetzen, etwa in ölbasierten Dips. Diese Öle wären auch nachhaltiger als jene, die aus Ölsaaten vom Acker gewonnen werden. Ökonomisch läge der Vorteil darin, dass keine Kosten anfallen, um Nebenströme der Algen zu entsorgen. Denn die Wirtschaftlichkeit denken die Projektbeteiligten von Anfang an mit.

„Bei der Nutzung von Rot- und Braunalgen als Lebensmittel sind die ökologischen Auswirkungen oft günstiger als bei vielen Landprodukten, aber sie hängen stark von Anbau, Ernte und Verarbeitung ab“, weiß Rothkopf. Die ökologische Wirkung ist nicht pauschal positiv oder negativ. Wilde Bestände erfüllen wichtige ökologische Funktionen als Lebensraum und Küstenschutz, können aber saisonal günstiger sein. Die nachhaltige Kultivierung schont natürliche Vorkommen, kann bei großflächiger unkontrollierter Nutzung aber auch erhebliche Schäden verursachen. 

Wie erfolgreich die Produkte am Markt sein werden, hängt auch an der grundsätzlichen Akzeptanz von Algen. „Für unsere Versorgung mit Nahrung und Lebensmitteln ist es von entscheidender Bedeutung, dass wir unsere Rohstoffbasis diversifizieren. Dabei wollen wir einen nachhaltigen Beitrag zur Ernährungssicherheit leisten. Damit Algen Teil dieser Versorgungsstrategie werden und immer öfter auch auf dem Teller des Verbrauchers landen, nehmen wir sie nun ganz genau unter die Lupe und schöpfen so ihr ganzes Potenzial aus“, betont Rothkopf. Bis zum Projektende 2029 hat sich das Team also noch einiges vorgenommen.

Autor: Björn Lohmann