Design-Food und Novel-Food
Die Lebensmittelindustrie hat, wie so viele andere Industriezweige, ihren Ursprung in der industriellen Revolution. Aus dem 19. und frühen 20. Jahrhundert stammt eine Vielzahl innovativer Lebensmittelkreationen und -techniken, die sich für die großtechnische Produktion ideal eignen. Zu nennen sind hier hydrolytisch aus Stärke gewonnener Zucker (1811, Gottlieb Sigismund Constantin Kirchhoff; 1812, Johann Wolfgang Döbereiner), lösliches Kakaopulver (1828, Conrad Johannes van Houten), walzengetrocknetes Milchpulver (1855, John A. Just), Kondensmilch (1856, Gail Borden), Liebigs Fleischextrakt (1862, Justus von Liebig), Margarine (1869, Hippolyte Mège-Mouriés), sprühgetrocknetes Milchpulver (1872, Samuel R. Percy), Salicylsäure als Konservierungsmittel (1874, Hermann Kolbe), Vanillin (1874, Wilhelm Haarmann), Milchschokolade (1876, Daniel Peter, Henri Nestlé), Cornflakes (1876, John Harvey Kellog; 1906, Will Keith Kellog), Schmelzschokolade (1879, Rodolphe Lindt), Saccharin (1879, Constantin Fahlberg), Trockensuppen (1886, Julius Maggi und Carl Knorr), Coca-Cola (1886, John Pemberton), Backpulver (1891, August Oetker), gehärtetes Pflanzenfett (1902, Wilhelm Normann) und Mononatriumglutamat (1908, Kikunae Ikeda).Mit Ausnahme von Salicylsäure, die inzwischen durch andere Konservierungsstoffe ersetzt wurde, sind all diese Produkte, wenn auch in ihrer Herstellung abgeändert, noch immer gebräuchlich. Ihrem modernen Charakter und ihrer bequemen Verwendung entsprechend würde man die meisten davon heute als Design- oder Convenience-Food bezeichnen. Zu diesen Termini haben sich inzwischen noch die Begriffe Low-Calorie-Food sowie Novel und Functional Food hinzugesellt. Was versteht man unter diesen Bezeichnungen?
Convenience-Produkte dienen der zeitsparenden, bequemen Essenszubereitung. Dazu gehören Fertiggerichte aus der Tüte oder Dose sowie Tiefkühlkost, Aufbackbrötchen und auch Reibkäse. Zur Herstellung von Suppenpulver oder Doseneintopfgerichten werden die Zutaten nach einer Art Baukastensystem zusammengemischt. Dieses Verfahren etablierte sich, da den Produktentwicklern zur Erzielung von standardisierter Konsistenz, vollem Aroma und angenehmer Farbe inzwischen bewährte Lösungen zur Verfügung stehen, auf die bei einer Vielzahl verschiedener Produkte immer wieder zurückgegriffen werden kann.
Die Lebensmittelzusatzstoffe, früher Fremdstoffe genannt, werden zwar auch in herkömmlichen Lebensmitteln verwendet, in Convenience- und Design-Food aber in wesentlich größerem Umfang. In der EU waren 1997 297 Zusatzstoffe zugelassen, kennzeichnungspflichtig im Klartext oder durch Angabe der jeweiligen E-Nummern. Dazu kommen noch rund 3000 Aromastoffe, die in der Zutatenliste nicht namentlich aufgeführt werden müssen. Dies gilt gleichfalls für Enzyme.
Auch Puddingpulver und Speisewürze gehören zu den Produkten, die die Küchenfron erleichtern. Die industrielle Herstellung von Puddingpulver läuft folgendermaßen ab: Aus den Vorratssilos dosiert eine Schnecke die pulverförmigen Zutaten in eine Hängewaage, von wo sie in einen Mischer gelangen. Aromen und Extrakte, also flüssige Auszüge von Pflanzen oder wässrige Lösungen künstlich erzeugter Aromastoffe, werden in den Mischer eingesprüht. Nach einer Mischzeit von wenigen Minuten fällt die fertige Mischung in einen großen Kunststoffsack, der bis zur Freigabe durch die Qualitätssicherung im Hochregallager zwischengelagert wird. Der Sackinhalt wird dann mithilfe einer Schlauchbeutelmaschine portionsverpackt.
Speisewürze wird in flüssiger Form, als Suppenwürfel oder auch als gekörnte Brühe angeboten. Sie ist in fast sämtlichen Saucen und Suppen zu finden. Zur Herstellung wird preiswertes Pflanzenprotein mit Salzsäure hydrolysiert, also in seine Bestandteile (Peptide und Aminosäuren) zerlegt. Das ursprünglich verwendete Ausgangsmaterial Bohnenmehl ist inzwischen durch Sojaschrot und Maiskleber abgelöst worden. Sojaschrot fällt bei der Extraktion von Sojaöl an. Das Schrot wird zum Vertreiben des Extraktionsmittels (Hexan) und zur Vorbereitung auf den zersetzenden Säureaufschluss mit Dampf erhitzt. Nach Kochen mit konzentrierter Salzsäure wird mit Natronlauge neutralisiert und gefiltert. Das Filtrat, die Würze, ist herstellungsbedingt reich an Salz. Trotz ihrer pflanzlichen Herkunft besitzt solche Würze einen fleischähnlichen Geschmack, der vor allem durch schwefelhaltige Aminosäuren hervorgerufen wird.
Bei Functional Food, auch Performance-Nutrition genannt, handelt es sich um Nahrungsmittel, die mit einer zusätzlichen, den physiologischen Wert steigernden Funktion versehen sind. Diese besteht im einfachsten Fall in zugesetzten Vitaminen, Mineral- und Ballaststoffen, speziellen Proteinen, Aminosäuren oder Aminosäurederivaten (zum Beispiel L-Carnitin, Kreatin, Taurin) sowie in lebensmittelrechtlich heiklen Fällen in arzneimittelartig wirkenden Zusätzen wie cholesterinsenkenden, immunstärkenden oder gar psychoaktiven Stoffen. Dem Verbraucher soll mit dem Verzehr solcher Produkte die gesonderte Beschaffung und Einnahme der nunmehr enthaltenen Substanzen erspart werden. Functional Food hat also den Aspekt der Bequemlichkeit mit Convenience-Produkten gemeinsam. Beispiele sind probiotischer Joghurt, dessen Lebendkulturen die Darmflora bereichern sollen, sowie isotonische Sportlergetränke und Powerdrinks. Auch fluoridiertes und iodiertes Speisesalz lässt sich hier hinzuzählen. Aus rechtlichen Gründen sind verschiedene hervorragend als Functional Food vermarktbare Produkte in Deutschland bisher nur als Nahrungssupplemente erhältlich, zum Beispiel Muskelaufbaupräparate und BrainFood.
Völlig oder vorwiegend auf moderner Basis produzierte Lebensmittel heißen neudeutsch Design-Food. Bei ihnen wurde das Baukastenprinzip zur Vollendung getrieben. Modifizierte Stärke, hydrolysierte Proteine, Glyceride und Fettaustauschstoffe, um nur einige Beispiele zu nennen, aus den jeweils momentan kostengünstig auf dem Weltmarkt erhältlichen Rohstoffen bilden in geeigneter Zusammenstellung die Standard-Grundmasse von Design-Food. Diese lässt sich durch den Zusatz von Hydrokolloiden, Aromen, Farbstoffen und anderem zu dem jeweils gewünschten Lebensmittel modifizieren.
Die ersten Design-Foods waren Imitate, aus der Not geboren und lebensmitteltechnisch gesehen vergleichsweise schlicht. Malzkaffee mit Zichorienextrakt, heute ein Reformprodukt, diente im Zweiten Weltkrieg und in der Nachkriegszeit als Ersatz für unerschwinglich teuren Kaffee. Erbswurst aus Speck, Zwiebeln, Gewürzen, Salz und Erbsenmehl war ein Ausgangsmaterial für Suppe. Einem Preisausschreiben Napoleons III., der damit eine erprobte innovationsfördernde Methode seines Onkels aufgriff, verdanken wir den Butterersatz Margarine, dessen Herstellung weiter vorn bereits beschrieben wurde.
Ein Beispiel für modernes Design-Food ist ein Fleischersatz aus England namens Quorn, der aus fermentativ gewonnenem Mycoprotein (Pilzeiweiß), pflanzlicher Würze, Geschmacksverstärkern und Aromen hergestellt wird. Aus den USA stammen preisgünstige Nachahmungen teurer Meeresfrüchte. Sie tragen die Bezeichnung Surimi oder Kamaboko, ursprünglich die Namen traditioneller japanischer Fischspeisen. Vom antarktischen Krill (Euphausia superba) als Grundlage für Fischpasteten oder -suppen ist man inzwischen wegen des hohen und nur mit großem Aufwand zu beseitigenden Fluoridgehaltes wieder abgekommen.
Die Aufmerksamkeit der Seafood-Designer richtet sich neuerdings auf Nebenfischarten, darunter versteht man bislang wenig attraktive, kaum verwertete Arten. So werden beispielsweise aus Mintai (Theragra chalcogramma), der in großen Mengen vor der Küste Alaskas gefangen wird, geschmacklich vom Original nicht unterscheidbare Krabben- und Hummerimitate produziert. Aus dem ebenfalls im Nordwestpazifik vorkommendem Seehecht (Merluccius productus) wird ein Ersatz für Karpfen und Lachs hergestellt. Dank moderner Fertigungstechniken und Rezepturen ist manches, was wie Fisch, Fleisch oder Wurst aussieht und schmeckt, teilweise oder völlig auf der Basis von texturiertem Sojaprotein hergestellt. Besonders in den USA nimmt der Marktanteil solcher Fleischersatzstoffe stetig zu.
Die Wirtschaftswunderjahre hatten in Deutschland Übergewicht großer Teile der Bevölkerung zur Folge. Daher bestand seit den 1960er-Jahren ein Trend zu gesunder, insbesondere kalorienarmer Ernährung. Stets auf der Suche nach neuen, vermarktbaren Produkten entwickelten die Nahrungsmittelchemiker für die in Verruf geratenen Energieträger Kohlenhydrate und Fett Ersatzstoffe, die in unzähligen diätetischen Nahrungsmitteln und Light-Produkten, auch Low-Calorie-Food genannt, Verwendung finden. Um dem zuckerverwöhnten Konsumenten kalorienreduzierten Genuss zu bieten, werden vielen Getränken und Süßspeisen anstelle von Zucker künstliche Süßstoffe wie Aspartam, Cyclamat, Saccharin und Acesulfam-Kalium zugesetzt. In jüngerer Zeit gesellten sich zum Reigen der Kaloriensparer noch der Fettersatzstoff Z-Trim, der aus den Hülsen von Reis, Getreide und Hülsenfrüchten fabriziert wird, sowie der synthetische, unverdauliche Ölersatz Olestra hinzu.
Die Light-Welle ist aber inzwischen schon wieder abgeebbt, denn es hat sich herumgesprochen, dass die Austauschstoffe synthetisch hergestellt werden. Chemie in Lebensmitteln ist jedoch unpopulär. Wegen potenzieller Gesundheitsgefahren werden sie vom Verbraucher mit zunehmendem Misstrauen betrachtet. Zudem hat sich herausgestellt, dass sich mit Light-Produkten keine dauerhafte Gewichtsreduktion erzielen lässt, da sie langfristig nur zu verstärktem Hungergefühl führen.
Ebenfalls als Design-Food zu klassifizieren sind Knabberartikel wie Kartoffelchips und Erdnussflips, aber auch Cornflakes und Müsliriegel. Die Metamorphose der mit Wasser angeteigten Zutaten zu knusprig-krossen Produkten gelingt dank moderner Extrudertechnologie.
Ein Extruder besteht im Wesentlichen aus einem beheizbaren Rohr mit ein oder zwei innenliegenden Schnecken, welche die Ingredienzien weitertransportieren und durch eine Düse pressen, deren Querschnitt die Form der Extrudate bestimmt. Ein rotierendes Messer schneidet die austretende Masse hinter der Düse ab. Im Gehäuse können durch die Scherkräfte Drücke von 150 Bar und mehr sowie Temperaturen bis zu 230 ºC entstehen. Dabei wird enthaltene Stärke aufgeschlossen und verkleistert, Proteine werden denaturiert. Das Wasser verdampft beim Austritt der Masse aus der Düse schlagartig und schäumt das Extrudat auf. Doch nicht nur locker-knusprige Artikel lassen sich durch Extrusion produzieren, auch Gemüse, Fleisch, Fisch und Sojaeiweiß lässt sich (bei geringeren Drücken, gegebenenfalls unter Kühlung und häufig unter Zusatz wasserbindender Mittel) in nahezu beliebige Form bringen. Auch die Formgestaltung bietet noch Spielraum für Produktverbesserung, wie das Beispiel einer neuen Spaghettisorte zeigt, die statt des traditionellen runden einen kleeblattförmigen Querschnitt besitzt und deren Garzeit auf weniger als die Hälfte verkürzt ist. Die gekochte Turbonudel unterscheidet sich jedoch optisch nicht von der herkömmlichen, da sich die Längsspalten beim Kochen schließen. Zusätzliche Finesse bietet die Technik der Koextrusion, mit der sich mehrere Schichten aufeinander anbringen oder gar ineinander laufen lassen. Beispiele sind mehrlagige Knusperriegel oder Wurst mit speziell gemustertem Schnittbild, beispielsweise mit einem lachenden Gesicht. Der Extrusionsprozess hat besonders bei hohen Temperaturen Verluste bei Vitaminen, Aromastoffen und anderen empfindlichen Inhaltsstoffen zur Folge, die aber ausgeglichen werden können, indem durch Zusätze höhere Ausgangsgehalte vorgegeben werden.
Gewisse begriffliche Überschneidungen bestehen zwischen den Bezeichnungen Design-Food und Novel Food. Novel Food umfasst mithilfe von neuen Verfahren produzierte Lebensmittel wie etwa hochdruckpasteurisiertes Tomatenpürree, Produkte, die aus unkonventionellen Ausgangsstoffen hergestellt werden, wie das bereits erwähnte Quorn aus Schimmelpilzkulturen, sowie Nahrungsmittel, die mithilfe von Gentechnik erzeugt werden. Bis zum In-Kraft-Treten der Novel-Food-Verordnung der EU im Mai 1997 befand sich insbesondere Gen-Food in einer rechtlichen Grauzone. Die Etikettierungsanforderungen mussten geregelt werden, was für außerordentlich hitzige Debatten im Europäischen Parlament sorgte. Kennzeichnungspflichtig sind nach der neuen Verordnung alle Stoffe, bei denen sich eine Abweichung der Zusammensetzung nachweisen lässt, die auf einer Veränderung im Erbgut beruht. In Lebensmitteln verwendete Substanzen, die zwar durch gentechnisch veränderte Organismen produziert wurden, aber analytisch als solche nicht erkannt werden können, bedürfen somit keiner Kennzeichnung. Ein Beispiel ist Öl aus gentechnisch auf Herbizidresistenz getrimmten Sojabohnen. Unklar ist in den meisten Fällen, wie die Kennzeichnung nach der Novel-Food-Verordnung auszusehen hat, denn bislang fehlen umfassende Ausführungsbestimmungen. Was ist eigentlich Gentechnologie und wie wird sie in der Lebensmittelherstellung genutzt?
Gentechnologie ist ein Teilgebiet der Biotechnologie. Ihre wissenschaftliche Grundlage bildet die Molekularbiologie. Ziel der Gentechnik ist die Schaffung von Organismen mit neuen Eigenschaften und Fähigkeiten. Sie nimmt dazu gezielte Eingriffe in das Erbgut, also in die DNA, von Lebewesen vor.
Schon seit jeher gibt es spontane Erbgutveränderungen (Mutationen), ausgelöst beispielsweise durch chemische Stoffe oder radioaktive Strahlung. Diese Veränderungen sind zufällig und für die Genforschung meist nutzlos. Das gentechnische Instrumentarium ermöglicht erstmals die systematische Modifikation des Erbguts. Einzelne Gene, die bestimmte biologische Eigenschaften tragen, werden dazu in fremde Zellen eingeschleust und in deren DNA integriert. Dabei bestehen prinzipiell keine Artgrenzen: Manche Menschengene können Schweinen eingesetzt und manche Tiergene in Pflanzen eingeschleust werden. Da der DNA-Transfer nur einzelne Abschnitte betrifft, unterscheidet sich die Gentechnik von der Züchtung, bei der ganze Genome neu rekombiniert werden.
Was verspricht man sich von der Gentechnik? Bestimmte Substanzen lassen sich mit gentechnischer Hilfe rascher, wesentlich reiner und kostengünstiger als mit herkömmlichen Methoden gewinnen. Manche Herstellungsverfahren können durch den Einsatz gentechnisch veränderter Organismen oder von daraus gewonnenen Stoffen beschleunigt und vereinfacht werden. An die Umwelt werden in einigen Anwendungsfällen weniger Abfallstoffe abgegeben, auch Abwasser- und Energieeinsparung nennen die Befürworter als Vorteile.
Der Aufwand für Forschung und Entwicklung ist in der Gentechnik beträchtlich. Die zielgerichtete Genübertragung ist in der Praxis nicht einfach, denn dazu muss das Gen, das die gewünschte Eigenschaft trägt, ermittelt werden und an die richtige Position in der Ziel-DNA gebracht werden. Schon der erste Schritt kompliziert sich dadurch, dass eine Eigenschaft, zum Beispiel eine Antibiotikumresistenz, an mehrere Gene gleichzeitig gebunden sein kann. Auch sind die Auswirkungen eines Eingriffs nicht leicht zu überschauen, denn manchmal werden durch den Gentransfer »schlafende« Gene geweckt oder aktive Gene stillgelegt, was oft zu unerwünschten Resultaten führt. Trotzdem gibt es bereits zahlreiche Genveränderungen, die sich wirtschaftlich mit großem Erfolg nutzen lassen und den Anreiz zu weiteren Experimenten liefern. Das Bakterium Escherichia coli stellt nach gentechnischer Veränderung beispielsweise Chymosin her, ein Ferment, das zur Käseherstellung dient und früher aus Kälbermagen gewonnen wurde. Die herkömmliche Chymosinproduktion reicht nicht zur Deckung des Bedarfs aus und ist außerdem teurer als die Herstellung aus transgenen Bakterien.
Escherichia coli, das Colibakterium, gehört zur Dickdarmflora des Menschen. In der bakteriologischen, biochemischen und genetischen Forschung spielt es als Versuchsobjekt eine bedeutende Rolle: Es ist der am intensivsten untersuchte Mikroorganismus. Sein Erbgut und die Verschlüsselung seiner Stoffwechselvorgänge sind inzwischen nahezu vollständig bekannt. Um die gewünschten Erbinformationen in das Bakterium zu bringen, werden sie zunächst in geeigneter Weise verpackt. Zum Transport der neukombinierten Erbinformation in die Zelle benutzt man Plasmide oder Viren als Vektoren (Überträger). Derzeit nimmt nur etwa jedes ein- bis zehntausendste Colibakterium im Laborversuch ein Plasmid ins Zellinnere auf. Um die Aufnahme zu ermöglichen, muss die Durchlässigkeit der Zellmembran erhöht werden. Dies gelingt durch Zugabe von Calciumchlorid, elektrische Spannungspulse (Elektroporation) oder Laserbestrahlung. Wenn die Zellen in einer plasmidhaltigen Flüssigkeit schwimmen, so können die Plasmide durch die erzeugten Poren ins Zellinnere eindringen. Es gibt noch weitere, ausgeklügeltere Verfahren, mit denen sich höhere Erfolgsquoten erreichen lassen.
Viren sind in der Lage, ihr Erbgut in Wirtszellen, zum Teil sogar in deren DNA, einzuführen. Es gibt Viren, die speziell Bakterien befallen, sie heißen Bakteriophagen. Gentechnisch macht man sich das zunutze, indem man zum Beispiel in Lambda-Phagen, einen temperenten (gemäßigten) Virentyp, die gewünschten Gene einbaut. Durch den Befall mit dem veränderten Virus erhalten die Wirtszellen gezielt neue Erbinformationen und können sie über mehrere Generationen weitergeben.
Der erste Schritt auf dem Weg zur Schaffung genmodifizierter Organismen besteht in der Auftrennung einer DNA-Kette, in welcher der gesuchte Faktor enthalten ist. Dazu verwenden die Gentechniker Restriktionsenzyme (Restriktionsendonucleasen) als molekulare Scheren. Ein Restriktionsenzym arbeitet sehr spezifisch und zerlegt die DNA an allen Stellen, an denen eine ganz bestimmte Basensequenz auftritt. Jedes Restriktionsenzym ist auf eine andere Basensequenz spezialisiert. Durch vielfaches Ausführen des im Folgenden geschilderten Versuchs ermittelt man, welches Restrik- tionsenzym DNA-Fragmente erzeugt, in denen die gewünschte Eigenschaft kodiert ist. Man zerlegt die DNA in vitro, also im Reagenzglas. Die Bruchstücke lassen sich durch Gelelektrophorese oder Ultrazentrifugation separieren.
Mit dem gleichen Restriktionsenzym behandelt man in vitro Plasmide, deren Ring dabei aufgeschnitten wird. Im nächsten Schritt wird der Ring wieder geschlossen, wozu DNA-Ligasen als »Klebstoff« dienen. Wenn man die separierten Teilstücke in Gegenwart von Ligasen mit den geöffneten Plasmiden zusammenbringt, so nehmen einige Plasmide beim Ringschluss ein fremdes DNA-Fragment auf. Solche Plasmide heißen rekombinant. Die restlichen Plasmide liegen unverändert vor. Bringt man das behandelte Plasmid in die Bakterien zurück, so wird es dort vermehrt, wobei im Falle rekombinanten Plasmids auch das integrierte Fragment repliziert wird.
Die behandelten Bakterien lässt man sich vermehren und sucht dann unter diesen nach den gewünschten, erfolgreich veränderten Mikroorganismen. Die Keime werden dazu auf Nährböden, meist Agarplatten, bebrütet, die mit einem Antibiotikum versehen sind. Wenn die neue Eigenschaft zusammen mit einer Antibiotikumresistenz übertragen wurde, können sich nur solche Keime vermehren, in denen das rekombinante Plasmid vorhanden ist. Ein solches Bakterium wird schließlich kloniert, um am Ende viele genetisch gleiche Mikroorganismen zu erhalten. Für die spätere großtechnische Fermentation ist es wichtig, eine reine Kultur zur Verfügung zu haben, da nur so ein optimaler Reinheitsgrad der gewünschten Stoffwechselprodukte zu erzielen ist. Plasmide selbst werden nicht stabil weitervererbt. Es kommt jedoch vor, dass die Plasmid-DNA ohne weiteres Zutun ins Nukleoid aufgenommen und damit fest integriert wird. Auf diese Weise können auch die fremden Gene stabil im Genom verankert werden.
Ebenso wie die Erzeugung transgener Bakterien ist auch die Schaffung gentechnisch veränderter Pflanzen verhältnismäßig unkompliziert. Anders als Tiere sind Pflanzen in der Lage, sich aus einzelnen Zellen oder Protoplasten zu regenerieren und neue, lebensfähige Gewächse zu bilden. Um die bereits beschriebenen, indirekten Techniken (Elektroporation, Zugabe von Calciumchlorid) zum Einbringen von Fremd-DNA in Zellen zu nutzen, müssen zunächst die relativ starren Pflanzenzellwände enzymatisch entfernt werden, wobei Protoplasten entstehen, die ebenfalls regenerationsfähig sind. Es gibt aber auch Methoden, bei denen man nicht auf Protoplasten angewiesen ist. Agrobacterium tumefaciens beispielsweise ist ein Mikroorganismus, der manche Pflanzen befällt und diese durch Einschleusung seiner DNA in das Pflanzengenom zur Bildung von Wurzelhalsgallen, einer Art Geschwür, veranlasst. Überträgt man zuvor mit den bereits erklärten Werkzeugen ein fremdes Gen in dieses Bakterium, so lässt sich das Gen auf dem Umweg der Infektion auch in die Pflanzen-DNA einbauen. Wie üblich, wird gleichzeitig eine Antibiotikumresistenz übertragen, um bei der anschließenden Kultivierung die erfolgreich veränderten Zellen zu finden. Die Methode ist allerdings nicht bei allen Pflanzenarten anwendbar.
Man hat daher weitere Übertragungstechniken entwickelt: die direkten Verfahren Mikroinjektion und Partikelbombardement. Bei der Mikroinjektion wird eine feine Nadel in die Pflanzenzelle eingestochen und die DNA eingespritzt. Die Erfolgsquote liegt hier bei etwa 15 Prozent. Die besten Resultate bringen Partikelbeschussgeräte (Genkanonen). Anschließend werden aus den Zellen in Nährlösungen komplette Pflanzen gezüchtet.
Die gentechnisch veränderten Pflanzen müssen zunächst in Labors und Gewächshäusern getestet werden und durchlaufen ein aufwendiges Genehmigungsverfahren. Erst danach dürfen transgene Pflanzen im Freilandversuch angebaut werden, ebenfalls nur zu Forschungszwecken. Dies bezeichnet man als eine Freisetzung. In den Vereinigten Staaten ist die Food and Drug Administration (FDA) für die Zulassung von Freisetzungen zuständig, in Deutschland das Robert-Koch-Institut (ehemaliges Bundesgesundheitsamt) in Zusammenarbeit mit der zentralen Kommission für biologische Sicherheit, dem Umweltbundesamt, der Biologischen Bundesanstalt für Land- und Forstwirtschaft und weiteren Behörden, auch der EU. Bis November 1997 wurden in den USA 1952, in der EU 964 und in Deutschland 50 Freisetzungen registriert.
Erst, wenn sich in den Freisetzungsexperimenten keine negativen Auswirkungen auf Mensch und Umwelt gezeigt haben, dürfen gentechnisch veränderte Organismen in Verkehr gebracht werden. Für die Genehmigung hierfür ist erneut das Robert-Koch-Institut in Kooperation mit verschiedenen anderen Organisationen zuständig.
Welche Erfolge konnten bei der Schaffung transgener Pflanzen verbucht werden? Nutzpflanzen wie Soja und Mais wurde auf diese Weise eine Resistenz gegen ein bestimmtes Herbizid verliehen, das alle anderen Pflanzen vernichten kann und daher auch als Totalherbizid bezeichnet wird. Dadurch lassen sich ganze Felder dieser resistenten Pflanzen im Handstreich von sämtlichem Fremdbewuchs befreien. Fraglich ist allerdings, ob diese Strategie dauerhaft von Erfolg sein wird, da Resistenzen von Pflanze zu Pflanze auf natürlichem Weg übertragen werden können (Auskreuzung). Die Kennzeichnungspflicht von Produkten aus diesen Pflanzen hängt, wie erwähnt, von der Nachweisbarkeit des veränderten Genmaterials oder typischer Folgeprodukte der Veränderung ab. So muss aus herbizidresistentem Soja hergestelltes Öl nicht gekennzeichnet werden, wohl aber das betreffende Sojamehl.
Verschiedenen Pflanzen verhalf man gentechnisch zu einer Resistenz gegen Schädlinge und Krankheiten, so beispielsweise Zuckerrüben gegen das Rhizomaniavirus und Kartoffeln gegen den Kartoffelkäfer. Die Liste der gentechnisch veränderten Pflanzen umfasst jedoch nicht nur Spezies mit veränderten Resistenzen. Häufig geht es den Gentechnikern auch um die Verbesserung lebensmitteltechnisch relevanter Qualitäten. Ein bekanntes Beispiel ist die Anti-Matsch-Tomate »Flav'r Sav'r«, die 1994 in den USA auf den Markt kam. Verändert wurde der Reifungsprozess. Das Weichwerden, bei herkömmlichen Tomaten ein zuverlässiger Hinweis auf die Vollreife einer Frucht, wird von dem zellwandabbauenden Enzym Polygalacturonidase verursacht. Zum Hinauszögern dieses Abbauprozesses wurde das entsprechende Gen in umgekehrter Richtung (anti-sense) eingebaut und so beinahe gänzlich desaktiviert. Infolgedessen bleiben die Zellwände wesentlich länger stabil, sodass man die gentechnisch veränderte Tomate am Strauch reifen lassen und ohne Kühlung lagern kann. Auch die Transportschäden sind geringer als bisher. Die Früchte können zudem besser durch Erntemaschinen gepflückt werden. Die längere Reifezeit am Strauch sorgt dafür, dass sich mehr Aromastoffe bilden, was auch für Produkte wie Ketchup geschmacklich von Vorteil ist. Der Abbau von wertvollen Inhaltsstoffen wie Vitaminen verläuft allerdings genauso schnell wie zuvor, nur hat der Verbraucher nun nicht mehr die Möglichkeit, überreife Tomaten an ihrer mangelnden Druck- oder Schnittfestigkeit zu erkennen. Ein weiteres Beispiel ist gentechnisch veränderter Raps, bei dem das Fettsäurespektrum modifiziert wurde. Auch diese Pflanze wurde 1994 in den USA auf den Markt gebracht.
Die Schaffung transgener Pflanzen mit dem Ziel der Enzymgewinnung befindet sich noch im Versuchsstadium. Wesentlich schwieriger gestaltet sich die Schaffung transgener Tiere, da bei diesen keine vegetative, sondern nur geschlechtliche Vermehrung möglich ist. Als gentechnischer Ansatzpunkt bietet sich daher nur die befruchtete oder unbefruchtete Eizelle an. In diese lässt sich fremdes Erbgut über Viren, durch calciuminduzierte Porenbildung oder durch direkte Injektion einbringen. Auch die bereits beschriebene Genkanone findet hier Anwendung. Nur in etwa einem Promille der Fälle, in denen Fremdgene in die Tierzelle gelangen, werden diese auch in die Ziel-DNA eingebaut. Allen Schwierigkeiten zum Trotz hat die Gentechnik bei der Veränderung von Tiergenomen bereits einige Erfolge aufzuweisen.
Die höchsten Erfolgsquoten beim Gentransfer konnten dank der raschen Vermehrung bei Fischen erzielt werden. Transgene Karpfen wachsen mit dem Forellen-Gen für Wachstum um bis zu 59 Prozent schneller und sind durchweg schwerer. Forellen können dank eines Froschgens auch in relativ sauerstoffarmen Gewässern gedeihen. Mit derart veränderten Karpfen und Forellen wird in den USA und Australien bereits kommerzielles Fisch-Farming betrieben. Weiterhin ist es gelungen, dem Seelachs mit einem Gen des Kabeljaus höhere Kälteunempfindlichkeit zu verleihen.
Relativ gut beherrscht wird auch die Veränderung von Genen, die das Milchdrüsensystem von Schaf, Ziege, Rind und Schwein betreffen. Die Möglichkeiten zur Genveränderung des Rindes, die zu Kuhmilch mit einem geringen Lactosegehalt führen soll, werden erforscht. Dies ist kommerziell von Interesse, da viele Erwachsene unter einer Lactaseinsuffizienz leiden und bei milchzuckerhaltiger Nahrung Blähungen bekommen. Es gibt auch Bemühungen, den α-Lactoglobulingehalt zu senken, da dieses Protein vermutlich für die Milchallergie bei Kleinkindern verantwortlich ist. Darüber hinaus arbeitet man besonders in den Niederlanden an der Erzeugung von Kuhmilch mit humanem Lactoferrin, einem eisenbindenden, immunstärkenden Eiweiß. Wie sich allerdings 1996 herausstellte, erfüllten die weiblichen Nachkommen des transgenen Bullen Herman mit ihrer Milch diese Erwartungen nicht, da diese kaum nennenswerte Mengen des gewünschten Proteins enthielt. Die 1997 gezeugten Nachkommen seiner Schicksalsgefährten Julius, Max und Pedro sind in dieser Hinsicht erfolgreicher, da bei ihnen das implantierte menschliche Gen immerhin tausendfach stärker exprimiert wird als bei Hermans Töchtern.
Zur Wachstumssteigerung wurden Schweinen Gene zur Produktion von humanem oder bovinem Wachstumshormon eingebaut. Dank dieser Menschen- beziehungsweise Rindergene konnte zwar eine schnellere Gewichtszunahme und eine bessere Futterverwertung erreicht werden, die Genmanipulation hatte jedoch auch Gesundheitsbeeinträchtigungen zur Folge. Die Schweine wiesen eingeschränkte Beweglichkeit und Lethargie sowie Magengeschwüre auf und waren meist nicht fortpflanzungsfähig. Auch bei Geflügel konnten auf diese Weise Wachstumssteigerungen erzielt werden. Trotz einiger erfolgreicher Ansätze wird es weiterhin zum größten Teil züchterischen und weniger gentechnischen Bemühungen vorbehalten bleiben, Leistungssteigerungen bei Tieren zu erzielen.
Die Anstrengungen der Gentechniker sind natürlich nicht auf die »großen Tiere« beschränkt. Ganz im Gegenteil. Mikroorganismen bieten den Gentechnikern, wie bereits am Beispiel des Colibakteriums gezeigt, vergleichsweise leichtes Spiel. In der Lebensmitteltechnik werden gentechnisch veränderte Mikroorganismen schon seit Mitte der 1980er-Jahre zur Produktion verschiedener Zusatz- und Aromastoffe eingesetzt. Beispiele sind Vitamine, Aminosäuren (besonders der Geschmacksverstärker Glutamat), Aromen, Fette mit speziellen Fettsäuren sowie Enzyme.
Die Verwendung von Stoffen, die aus gentechnisch veränderten Mikroorganismen gewonnen werden, gehört inzwischen zur Routine in der Lebensmittelherstellung. Hingegen konnte sich bislang der Einsatz ganzer transgener Organismen in der Produktion kaum etablieren. In der klassischen Biotechnologie wie der Joghurt- und Käseherstellung, der Rohwurstreifung, der Weinbereitung und beim Bierbrauen könnte der Einsatz solcher Organismen enorme Produktivitätssteigerungen und neue Produktqualitäten ermöglichen. Da aber eine derartige Verwendung — anders als bei aus gentechnisch veränderten Organismen isolierten Stoffen — kennzeichnungspflichtig ist und die Lebensmittelverarbeiter um den guten Ruf ihrer Produkte besorgt sind, gibt es bisher kaum Anwendungen.
Ein Objekt intensiver gentechnischer Experimente ist die Hefe Saccharomyces cerevisiae, deren Genom seit 1996 vollständig bekannt ist. Es ist gelungen, gentechnisch Hefen zu erzeugen, mit deren Hilfe man den Brauvorgang ökonomischer gestalten und Einfluss auf eine Vielzahl von Bierqualitäten nehmen kann. So ist es möglich, kalorienreduziertes Bier zu brauen. Die zu diesem Zweck genmodifizierte Hefe ist in der Lage, Amylase und Glucoamylase zum Abbau der Reststärke im Bier zu produzieren und diese somit zu vergären. Dadurch genügt ein geringerer Stammwürzegehalt, um den gewünschten Alkoholgehalt zu erzielen. Weniger Stammwürze bedeutet aber auch weniger Kalorien.
Weitere Bierqualitäten, die durch Veränderung der Hefe verbessert werden konnten, betreffen die Filtrierbarkeit (Glucanase zum Abbau von unlöslichen, die Filteranlagen verstopfenden Polysacchariden). Dank eines neu verliehenen Gens ermöglicht die Hefe im Bier eine erleichterte Ausfällung unerwünschter Geschmacksstoffe während der Gär- und Lagerzeit. Ein neues Proteasegen gewährleistet durch veränderten Abbau von Proteinen erhöhte Schaumfestigkeit. Gentechnisch verfügbar gemachte Peroxiddismutase sorgt für Oxidationsstabilität, sodass das Bier nicht so rasch schal wird. Der Einsatz von Bierhefe mit unterdrückter Bildung von Diacetyl, einem hier unerwünschten Geschmacksstoff, zu dessen Abbau das Bier lagern muss, erlaubt die Verringerung der Lagerzeit. Neu erworbene Vitamin-B-Synthasen erhöhen den Gehalt an wertvollen Inhaltsstoffen. Trotz all dieser Vorteile wird die deutsche Brauindustrie vorerst auf den Einsatz gentechnisch veränderter Hefe verzichten. Die Hefe lässt sich gentechnisch ebenso den speziellen Erfordernissen der Backindustrie anpassen, doch auch hier zögert die Industrie (mit Ausnahme der englischen), transgene Hefe selbst und nicht nur Genenzyme einzusetzen.
Ein weiteres Beispiel für den bereits möglichen Einsatz gentechnisch veränderter Mikroorganismen ist die Joghurt- und Käseherstellung. Hier führt Phagenbefall der Kulturen immer wieder zu Geschmacksbeeinträchtigungen oder zum Verderb der Ware und somit zu wirtschaftlichen Verlusten. Säuerungskulturen zur Produktion von Hüttenkäse beispielsweise konnten durch Einbau eines Phagenresistenzgens in ihre DNA im Experiment gegen den Befall mit Bakteriophagen geschützt werden.
Die Gentechnik bietet, wie aufgezeigt, ein enormes Potenzial nutzbringender Anwendungen, sowohl in der Lebensmittelherstellung als auch — in weitaus höherem Maß — in der pharmazeutischen Industrie. Während an einem gentechnisch hergestellten Arzneimittel kaum noch jemand Anstoß nimmt, wird der Einsatz der Gentechnik in der Nahrungsmittelproduktion äußerst kontrovers beurteilt. Wo liegen die Hauptrisiken? Grundsätzlich gilt, dass sich Gesundheitsrisiken durch gentechnische Lebensmittel zwar nicht ausschließen lassen, aber doch eingegrenzt werden können. Bevor ein zur Verwendung in der Lebensmittelherstellung vorgesehener Stoff oder Organismus, der gentechnisch produziert wurde, zugelassen wird, durchläuft er überaus strenge Prüfungen. Beispielsweise wurden bei der Einschleusung eines Paranussgens in die Sojapflanze mit der Übertragung von DNA-Sequenzen auch die Instruktion zur Synthese allergener Komponenten eingeschleust. Erkannt wurde das bereits beim Hersteller mit Hilfe von Antikörpertests. Diese Sojavariante wurde daher nie auf den Markt gebracht.
Die Frage des Allergierisikos durch transgene Organismen oder daraus gewonnene Stoffe gewinnt in Anbetracht der steigenden Zahl von Allergien in der Bevölkerung immer mehr Brisanz. Zwar bezeichnen vor allem bei einschlägigen Firmen beschäftigte Wissenschaftler die Gentechnologie als risikofrei hinsichtlich allergener Stoffe, doch viele Fachleute teilen diese Meinung nicht. Das Gebiet der Nahrungsmittelallergene ist noch unzureichend erforscht: Es ist zwar bekannt, dass es meist Proteine sind, die eine Lebensmittelallergie auslösen, doch wodurch genau die allergene Wirkung zustande kommt, ist noch nicht schlüssig geklärt. Es scheint sich zudem oft um synergetische Effekte zu handeln. Eine zuverlässige Risikoprognose für neuartige Lebensmittel ist daher wohl nicht möglich. Es lassen sich allenfalls Aussagen über die Wahrscheinlichkeit und Intensität treffen, mit denen neu eingeführte Proteine Allergien auslösen. Eine Faustregel bei der Risikoabschätzung besagt, dass bei Verwendung von Organismen als Gendonoren oder -akzeptoren, die in der Lebensmittelproduktion schon lange als unbedenklich bekannt sind, auch die daraus erzeugten transgenen Organismen als harmlos gelten können.
Weitere schwer überschaubare Probleme bereiten den Gentechnikern Positionseffekte. Dabei handelt es sich um die unerwünschte, nicht vorhersehbare Veränderung oder Schaffung einer zweiten Eigenschaft durch einen Eingriff in die Erbsubstanz. Zuvor nicht aktive Gene können durch die Genveränderung »angeschaltet« werden oder umgekehrt. Wie die amerikanische Food-and-Drug-Administration (FDA) bestätigt, besitzt jeder Eingriff ins Erbgut, sei es Züchtung oder Gentechnik, das Potenzial, unerwartete und nicht erwünschte Wirkungen hervorzurufen.
Kritiker der Gentechnologie weisen auf eine Gefährdung der Artenvielfalt bei Pflanzen hin. Bei der großflächigen Freisetzung genmodifizierter Pflanzen können andere Pflanzen, insbesondere artverwandte, deren Genpool aufnehmen und so Selektionsvorteile erwerben. Die Verbreitung von Pflanzengenen, auch von gentechnisch veränderten, erfolgt in kaum kontrollierbarer Weise durch Pollenflug oder Bienen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von Gensmog. Es werden daher bereits Genbanken für Pflanzen angelegt, damit man nötigenfalls auf den ursprünglichen Genpool zurückgreifen kann. Vorkehrungen müssen auch bei der Schaffung gentechnisch veränderter Mikroorganismen getroffen werden, die als Schutzkulturen verwendet werden. Hier besteht nämlich die Gefahr, dass diese die Darmflora verdrängen oder dass ein Transfer von (herstellungsbedingt vorhandenen) Antibiotikaresistenzgenen auf die Darmflora stattfindet.
Mögliche Probleme sind auch in wirtschaftlicher Hinsicht gegeben. Es droht eine Abhängigkeit der Lebensmittelproduzenten und Agrarbetriebe von den Chemieunternehmen. Besonders deutlich wird das im Fall der Totalherbizide: Die Landwirte sind gezwungen, Unkrautvernichtungsmittel und Saatgut vom gleichen Hersteller zu beziehen. Allen Risiken zum Trotz ist aufgrund unseres Innovationsbestrebens davon auszugehen, dass immer neue gentechnisch veränderte Organismen erzeugt und in den Dienst der Lebensmittel- und Agrartechnik gestellt werden.
Nicht nur Natur
Gentechnisch erzeugte Enzyme sowie der Natur entfremdete Stoffe wie synthetische Fettersatzstoffe, Süßstoffe, modifizierte Stärke und gehärtete Fette sind zwar im Sinne einer industriellen Produktion gut verwertbar, werden heute von vielen Verbrauchern aber mit wachsendem Misstrauen und zunehmender Verunsicherung betrachtet. Dazu kommt noch, dass oft schon die Rohstoffe herstellungsbedingt mit Schadstoffen kontaminiert sind. Fast täglich liest man von Gesundheitsgefahren, die von Lebensmitteln oder von Roh- und Zusatzstoffen teilweise recht dubioser Provenienz ausgehen. Der Konsum von Convenience Food steigt, doch zeigt sich inzwischen im Konsumverhalten eine gewisse Ablehnung gegenüber den Fertigprodukten der Industrie — trotz aller Vorteile wie zuverlässig normgerechter Qualität, Haltbarkeit und niedrigem Preis. Voll im Trend liegen mittlerweile Bio- und Ökoprodukte, Obst, Gemüse und Fleisch aus »garantiert« ökologisch-biologischem Anbau und Reformartikel, die aus derlei Rohstoffen nach den Angaben der Hersteller ohne Zuhilfenahme von Chemie hergestellt werden. Ob aber immer eine zuverlässige Kontrolle der proklamierten natürlichen Anbau- und Verarbeitungsweisen existiert, ist zweifelhaft.
Generell erscheint es unwahrscheinlich, dass sich bei der Lebensmittelverarbeitung auf Zusatzstoffe zur Geschmacks- und Konsistenzverbesserung völlig verzichten lässt, ohne die Mehrzahl der anspruchsvollen, doch gleichzeitig unkritischen Konsumenten als Kunden zu verlieren. Denn ohne die unzähligen Zusatzstoffe wären die meisten Produkte entweder ziemlich fade oder wesentlich teurer. Ob »König Kunde« mit seinem Verbraucherverhalten Macht auf den Produktionsplan der Lebensmittelhersteller ausüben kann, ist angesichts der branchenüblichen Werbekampagnen und der betriebenen Preispolitik fraglich. Auch, ob dem Konsumboykott, zu dem verschiedene Umwelt- und Verbrauchergruppen anlässlich der herstellerfreundlichen Regelung der Kennzeichnungspflicht von Gen-Food aufgerufen haben, langfristig Erfolg beschieden ist, bleibt abzuwarten.
Dipl.-Ing. Thomas Birus
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