Nachhaltige Lebensmittelproduktion: Die Rolle von Folat-reichem Hefe

Aktuelle Landwirtschaftsmethoden, die auf traditioneller Landwirtschaft basieren, tragen erheblich zu den globalen CO2-Emissionen bei. Sie sind stark von Land und Wasser abhängig, was die Umwelt schädigen kann. Änderungen der Landnutzung, wie das Entwässern von Moore und das Abholzen von Wäldern, verringern die Flächen, die CO2 aufnehmen können, und verschärfen den Klimawandel. Da die Weltbevölkerung bis 2050 voraussichtlich um 30 % wachsen wird, werden die Energiebedarfe und die Treibhausgasemissionen im Lebensmittelsektor wahrscheinlich zunehmen. Gleichzeitig werden mehr Menschen in vielen Regionen zu Lebensmittelengpässen führen. Prognosen zeigen, dass bis 2030 etwa 670 Millionen Menschen Hunger leiden werden. Länder, die bereits mit Dürre und schlechtem Boden kämpfen, werden am stärksten betroffen sein. Angesichts der Statistiken zu den Treibhausgasemissionen und dem globalen Hunger ist es dringend notwendig, ein nachhaltiges Lebensmittelsystem aufzubauen. Neue Methoden der Lebensmittelproduktion sollten entwickelt werden, die nicht auf Landnutzung basieren, um Ökosysteme zu schützen.

Ein Beispiel für ein erfolgreiches Lebensmittelprodukt ist Quorn, das aus Mykoprotein besteht, das von einer Art Pilz stammt. Dieses Produkt ist bei Vegetariern und Veganern als Fleischersatz beliebt. Es hat einen viel kleineren CO2-Fussabdruck als traditionelle Fleischproduktion. Allerdings ist die Herstellung von Mykoprotein immer noch auf die Landwirtschaft für Glukose angewiesen. Kürzlich haben Forscher gezeigt, dass es möglich ist, mikrobielles Protein aus Kohlendioxid in einem speziellen Bioreaktorsystem zu erzeugen, ohne landwirtschaftliche Produkte zu benötigen. Dieses System ist so ausgelegt, dass es Energie aus erneuerbaren Quellen nutzt, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu spalten, die dann zur Herstellung von Hefebiomasse verwendet werden können.

Dieses Verfahren könnte noch nachhaltigere Optionen bieten als die derzeitige Mykoprotein-Produktion, mit dem Potenzial für null oder sogar negative CO2-Emissionen. Neben nachhaltigen Praktiken in der Lebensmittelproduktion ist es wichtig, Vitamin- und Mineralstoffmängel in der Ernährung der Menschen anzugehen, um die öffentliche Gesundheit zu verbessern. Derzeit fehlen etwa zwei Milliarden Menschen essenzielle Vitamine und Mineralstoffe aufgrund schlechter Ernährung. Dieses Problem wird sich voraussichtlich verschärfen, wenn Lebensmittelengpässe zunehmen. Daher ist es entscheidend, Lebensmittelprodukte zu entwickeln, die eine ausgewogene Mischung von Nährstoffen bieten und die Notwendigkeit zusätzlicher Ergänzungen verringern.

#Bedeutung von Folat

Folat, auch bekannt als Vitamin B9, ist ein essentielles Nährstoff. Es hat eine komplexe Struktur aus verschiedenen Komponenten, und seine unterschiedlichen Formen können anhand bestimmter Merkmale identifiziert werden. Der gesamte Folatgehalt in Lebensmitteln ist eine Mischung dieser verschiedenen Formen. Häufige natürliche Folate sind Tetrahydrofolat, 5-Methyl-Tetrahydrofolat und 10-Formyl-Folsäure. Im menschlichen Körper sind Folate entscheidend für verschiedene biologische Prozesse, einschliesslich der Synthese wichtiger Moleküle. Die aktive Form von Folat, die der Körper verwendet, nennt sich 5-Methyl-Tetrahydrofolat, das im Blut zirkuliert.

Da Menschen Folate nicht selbst produzieren können, müssen sie über die Ernährung aufgenommen werden. Gesundheitsbehörden empfehlen eine tägliche Aufnahme von 400 Mikrogramm Folat. Allerdings haben viele Grundnahrungsmittel niedrige Folatwerte, und die Aufnahme von natürlichem Folat aus Lebensmitteln ist oft unvollständig. Daher müssen die Menschen Folate kontinuierlich auffüllen, um die richtigen Werte zu halten.

Viele Pflanzen, Pilze und Algen können Folat natürlich synthetisieren, aber wichtige Nahrungsbaupflanzen wie Reis und Weizen haben tendenziell niedrige Folatwerte. Aufgrund der hohen täglichen Anforderungen und einer unausgewogenen Ernährung erreichen viele Menschen ihren Folatbedarf nicht. Um dem entgegenzuwirken, umfassen einige Strategien die Einnahme von Folatpräparaten oder die Anreicherung von Lebensmitteln mit natürlichen Folaten.

Folat-Anreicherung bedeutet, Folat durch verschiedene Methoden zu Lebensmitteln hinzuzufügen. Dazu kann das direkte Hinzufügen nach der Produktion oder die Anwendung von Züchtungstechniken zählen, um Pflanzen mit höheren Folatgehalten zu erstellen. Eine andere Methode besteht darin, Mikroben im Fermentationsprozess zu verwenden, um die natürlichen Folatwerte in Lebensmitteln zu erhöhen. Im Gegensatz zu synthetischen Folatpräparaten sind natürliche Folate aus der Fermentation nicht mit gesundheitlichen Risiken bei hoher Aufnahme verbunden. Eine Hefe, Saccharomyces cerevisiae, wurde als guter Kandidat für die natürliche Folatanreicherung identifiziert, da sie hohe Mengen an Folat produzieren kann.

#Studienziele

Diese Studie zielt darauf ab, die Folatproduktion in einem Zwei-Stufen-Bioreaktorsystem mit einem Bakterium und Hefe zu untersuchen. In der ersten Stufe wird ein Bakterium verwendet, während in der zweiten Stufe die Hefe zum Einsatz kommt. Die Forschung wird feststellen, ob das Bakterium Folate produziert, die dann von der Hefe genutzt werden können, oder ob die Hefe in der Lage ist, Folate eigenständig zu produzieren, wenn sie Acetat erhält, das eine einfache Kohlenstoffquelle aus dem Fermentationsprozess des Bakteriums ist.

#Experimentelle Methoden

#Mikroben-Stämme und Kultivierung

Die Studie involvierte zwei Mikroorganismen: Thermoanaerobacter kivui und Saccharomyces cerevisiae. T. kivui wurde in einem Bioreaktor unter spezifischen Bedingungen kultiviert, um sein Wachstum zu fördern. Die Hefe wurde ebenfalls separat in geeignetem Medium kultiviert.

Für die Hefe wurde ein spezifisches Setup verwendet, in dem sie unter kontrollierten Bedingungen gezüchtet wurde, um ihr Wachstum und ihre Fähigkeit zur Folatproduktion zu untersuchen. Verschiedene Parameter wie pH und Temperatur wurden während des Kultivierungsprozesses kontinuierlich überwacht.

#Zwei-Stufen-System

Das Setup des Zwei-Stufen-Bioreaktors umfasste zwei Fermentationsstufen. In der ersten Stufe wurde T. kivui kultiviert und produzierte Acetat unter Verwendung von Wasserstoff und Kohlendioxid. Das Acetat wurde dann in die zweite Stufe eingespeist, in der S. Cerevisiae gezüchtet wurde.

In der ersten Stufe wurden anaerobe Bedingungen aufrechterhalten, während in der zweiten Stufe aerobe Wachstumsbedingungen für die Hefe ermöglicht wurden. Beide Mikroorganismen wurden eng überwacht, um ihr Wachstum und ihre Produktionsraten zu bewerten.

#Analytische Verfahren

Es wurden verschiedene Proben aus beiden Stufen entnommen, um Wachstumsraten, Substratverbrauch und die Produktion von Folaten und anderen Metaboliten zu analysieren. Standardmethoden wurden verwendet, um Biomasse, Acetatwerte und Folatkonzentrationen zu messen.

#Ergebnisse und Diskussion

#Leistung von T. kivui

T. kivui wurde erfolgreich in der ersten Stufe des Bioreaktors kultiviert. Es erreichte gute Acetatproduktionsraten, ohne zusätzliche Ergänzungen zu benötigen. Im Laufe der Zeit blieb die Biomassekonzentration stabil, was zu einer kontinuierlichen Acetatproduktion führte.

Während einige Studien andere Bakterien untersuchten, zeigte T. kivui die Fähigkeit, ohne komplexe Nährstoffergänzungen zu wachsen. Das macht es zu einer geeigneten Wahl für nachhaltige Produktionsmethoden.

Das in Stufe A produzierte Acetat wurde dann als Kohlenstoffquelle in Stufe B für das Wachstum der Hefe verwendet.

#Folatproduktion in T. kivui

Die Analyse ergab, dass T. kivui in der Lage war, signifikante Mengen Folat innerhalb seiner Zellen zu produzieren. Allerdings wurde nur sehr wenig Folat in das umgebende Medium freigesetzt. Um weiter zu erkunden, wurden Versuche unternommen, Folate aus T. kivui zu extrahieren, um zu bewerten, ob diese von S. cerevisiae genutzt werden konnten. Leider wurde keine erfolgreiche Extraktion erzielt.

#Folatproduktion von S. cerevisiae

Zusätzlich zur Untersuchung von T. kivui analysierten die Forscher, ob S. cerevisiae in der Lage war, Folate zu produzieren, wenn sie ausschliesslich auf Acetat als Kohlenstoffquelle angewiesen war. Die Ergebnisse zeigten, dass die Hefe Folate synthetisieren konnte, wobei bestimmte Formen in der Biomasse vorherrschend waren.

Als die Hefe auf Acetat kultiviert wurde, produzierte sie eine bemerkenswerte Menge an Folaten, was darauf hindeutet, dass sie essentielle Nährstoffe sogar ohne Glukose, die normalerweise eine bevorzugte Kohlenstoffquelle ist, erzeugen konnte. Die Studie hob die Fähigkeit der Hefe hervor, sich anzupassen und essentielle Vitamine unter variierenden Nährstoffbedingungen zu produzieren, was ihr Potenzial für die Lebensmittelanreicherung betont.

#Auswirkungen auf die Ernährung

Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Integration von folatreicher Hefe in Lebensmittelsysteme. Der regelmässige Verzehr dieses Hefepprodukts könnte eine zuverlässige Quelle für essentielle Vitamine für die Bevölkerung darstellen, insbesondere in Regionen mit Nährstoffmängeln.

Angesichts des hohen Folatgehalts könnte S. cerevisiae aus diesem Bioprozess als effektives Supplement dienen, insbesondere für diejenigen, die ihre Ernährungsbedürfnisse nicht über traditionelle Nahrungsmittelquellen decken können.

#Nachhaltige Lebensmittelproduktion

Durch die Verwendung des Zwei-Stufen-Bioreaktorsystems könnten erhebliche Fortschritte in nachhaltigen Produktionspraktiken erzielt werden. Das Potenzial, Protein und essentielle Vitamine mit minimalen Umweltauswirkungen zu produzieren, stimmt mit der Notwendigkeit überein, die globalen Herausforderungen in der Ernährungssicherheit anzugehen.

Das Power-to-Protein-System stellt einen zukunftsweisenden Ansatz zur Lebensmittelproduktion dar, der eine Alternative zur konventionellen Landwirtschaft bietet, die stark von Land- und Wasserressourcen abhängt.

#Fazit

Diese Studie hebt das Potenzial hervor, mikrobielle Systeme zu integrieren, um drängende Ernährungsbedürfnisse anzugehen und gleichzeitig die Nachhaltigkeit in der Lebensmittelproduktion zu fördern. Die Ergebnisse unterstützen die fortgesetzte Erforschung innovativer biotechnologischer Ansätze zur Verbesserung der Ernährungssicherheit, zur Verringerung der Umweltauswirkungen und zur Förderung der öffentlichen Gesundheit durch zugängliche Ernährungslösungen.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass das Power-to-Protein-System eine tragfähige Option darstellt, um nicht nur proteinreiche Lebensmittel zu erzeugen, sondern auch die Bereitstellung essenzieller Vitamine wie Folat sicherzustellen. Angesichts der weiterhin wachsenden globalen Herausforderungen könnte die Annahme solcher Systeme entscheidend sein, um zukünftige Lebensmittelproduktionsmethoden zu schaffen, die sowohl effektiv als auch verantwortungsbewusst sind.

Weitere Forschung ist notwendig, um die Biomasseproduktivität zu optimieren, die Folatproduktion zu stabilisieren und das Potenzial zu bewerten, hohe Folatwerte aus T. kivui effektiv zu nutzen. Durch den Fortschritt dieser Technologien und die Erforschung von regulatorischen Wegen könnte es möglich werden, ein nachhaltiges Lebensmittelsystem zu schaffen, das sowohl den Menschen als auch dem Planeten zugutekommt.