Wie aus PET-Flaschen und Maisabfällen Protein-Kekse entstehen

Eine Plastikflasche landet nicht direkt im Keksteig. Beim System µBites der Southern Illinois University Carbondale (SIU) werden PET-Kunststoff und landwirtschaftliche Abfälle zunächst chemisch in Kohlenstoffverbindungen zerlegt. Gentechnisch veränderte Hefen nutzen diese Verbindungen anschließend als Ausgangsstoff, um Proteine, Fette, Säuren, Vitamine und Aromamoleküle herzustellen. Zusammen mit weiteren Zutaten kann daraus ein proteinreicher, 3D-gedruckter Lebensmittelprototyp entstehen. 81011

Entwickelt wurde die Idee vor allem für Situationen, in denen herkömmliche Lieferketten kaum funktionieren – insbesondere für künftige Langzeitmissionen im All. Das Konzept ist bemerkenswert, doch die verfügbaren Belege beschreiben noch kein fertiges Lebensmittel für den Supermarkt, sondern eine Technologie in einem frühen Entwicklungsstadium.

So funktioniert µBites

1. PET und Pflanzenreste werden chemisch aufgeschlossen

Als Ausgangsmaterial dienen Polyethylenterephthalat, kurz PET, sowie weggeworfene Maisstängel, Blätter und andere Biomasse. PET ist der Kunststoff, der in vielen Getränke- und Wasserflaschen verwendet wird. Die Materialien werden zerkleinert und mit einem Verfahren namens oxidative hydrothermale Auflösung behandelt. Dabei wirken Wasser, Sauerstoff, hohe Temperaturen und hoher Druck zusammen, um die Ausgangsstoffe in wasserlösliche Kohlenstoffmoleküle zu zerlegen. 101113

Dieser Schritt ist entscheidend: Unbehandeltes PET und faserige Pflanzenreste können von gewöhnlichen Mikroorganismen nicht ohne Weiteres für die Lebensmittelproduktion genutzt werden. Die Behandlung erzeugt stattdessen eine kohlenstoffreiche Flüssigkeit, die speziell angepasste Mikroorganismen verstoffwechseln können. 1011

2. Programmierte Hefen stellen Lebensmittelbausteine her

Verschiedene Hefestämme werden so angepasst, dass sie aus den aufgeschlossenen Verbindungen unterschiedliche Produkte erzeugen. Genannt werden Proteine, Fette, organische Säuren, Vitamine und Aromastoffe. Zu den eingesetzten Organismen gehört auch Bäckerhefe; ein angepasster Stamm soll beispielsweise Vanillearoma produzieren. Andere Hefen sind für die Herstellung von Verbindungen wie Beta-Carotin vorgesehen. 571013

Das Grundprinzip ist eine Art biologischer Wiederaufbau: Der Kunststoff und die Pflanzenabfälle werden nicht direkt gegessen. Stattdessen dient ihr Kohlenstoff als Nährstoff für die Fermentation. Die dabei entstehenden mikrobiellen Produkte können anschließend zu einer Lebensmittelrezeptur kombiniert werden.

3. Aus der Mischung werden 3D-gedruckte Kekse

Die von den Mikroorganismen erzeugte Flüssigkeit wird mit Ballaststoffen, Stärke und Süßungsmitteln vermischt. Ein 3D-Lebensmitteldrucker trägt die Masse dann schichtweise auf und formt daraus die Prototypen. Die Kekse haben die Form des griechischen Buchstabens µ – daher der Name µBites, ausgesprochen „Micro-Bites“. 101114

Die Plattform soll nicht auf einen Keks festgelegt sein. Je nach Rezeptur könnten Nahrungsergänzungen, Gewürze und weitere Bestandteile hinzukommen. Auch die Konsistenz ließe sich möglicherweise anpassen – von einer halbfesten Speise bis zu einer Flüssigkeit. 1011

Was ist über Sicherheit, Geruch und Geschmack bekannt?

Die bisherigen Ergebnisse klingen ermutigend, sind aber vorläufig. Ein getesteter Prototyp darf nicht mit einem Lebensmittel verwechselt werden, das für den allgemeinen Verkauf zugelassen ist.

Nach Angaben der SIU wurde ein früherer Keksprototyp zunächst auf Sicherheits- und Nährwertparameter untersucht, bevor eine sensorische Analyse mit Menschen stattfand. Auf einer neunstufigen Beliebtheitsskala erreichte er eine Gesamtbewertung von 6,5. Der Geruch schnitt mit 7,33 von 9 Punkten am besten ab; Farbe, Form und Textur erhielten jeweils mehr als 5 Punkte. 11

Das zeigt, dass mindestens ein Prototyp bei dem beteiligten Testpanel auf eine gewisse Akzeptanz stieß. Es beweist jedoch nicht, dass die aktuelle Version ohne Einschränkungen verzehrsicher ist. Öffentlich zugängliche Berichte nennen nicht alle Informationen, die für eine unabhängige Bewertung nötig wären – etwa die vollständige Größe des Testpanels, konkrete Ergebnisse zu möglichen Verunreinigungen, toxikologische Daten oder eine unabhängige Begutachtung der Lebensmittelsicherheit. Andere Berichte zufolge standen formelle Geschmackstests noch aus; zudem hatten die Kekse noch keine Freigabe für den menschlichen Verzehr erhalten. 11

Die vorsichtigste Schlussfolgerung lautet daher: µBites ist ein vielversprechender Prototyp mit ermutigenden Geruchs- und Sensorikdaten – aber noch kein zugelassener Snack. Für belastbare Aussagen über Geschmack und Akzeptanz wären größere, kontrollierte und unabhängig dokumentierte Verbrauchertests erforderlich.

Welche Rolle spielten NASA und NSF?

Den anwendungsorientierten Anstoß lieferte die Deep Space Food Challenge der NASA. Im Jahr 2021 wählte die Raumfahrtbehörde das µBites-Konzept der SIU als eines von 18 vielversprechenden US-Projekten aus und stellte dem Team 25.000 US-Dollar für die nächste Entwicklungsphase zur Verfügung. Das geplante System sollte während einer dreijährigen Marsmission vier Menschen mit Nahrung versorgen und dabei möglichst wenig Wasser, Energie und Nachschub benötigen. 110

Die Challenge zielte auf ein zentrales Problem bemannter Langzeitmissionen: Astronauten brauchen Nahrung, die nahrhaft, akzeptabel und mit begrenzten Ressourcen herstellbar ist. µBites verfolgt diesen Ansatz, indem es weggeworfenen Kohlenstoff als möglichen Rohstoff für die mikrobielle Lebensmittelproduktion nutzt – anstatt ausschließlich auf mitgeführte Zutaten zu setzen. 110

Die NSF CAREER-Förderung unterstützte dagegen die wissenschaftlichen Grundlagen der hydrothermalen Verflüssigung von Biomasse. Der Titel des geförderten Projekts lautet „CAREER: Manipulating Polarity to Enhance Hydrothermal Liquefaction of Biomass for Biofuels“. Die Förderung betrifft somit die zugrunde liegende Verfahrenstechnik und ist kein Beleg dafür, dass das µBites-System bereits marktreif wäre. 8

Wo könnte die Technologie zum Einsatz kommen?

Langzeitmissionen im All

Für Astronauten könnte ein kompaktes System, das ausgewählte Abfallströme und Verpackungsmaterialien in maßgeschneiderte Lebensmittelzutaten umwandelt, die Abhängigkeit von Versorgungstransporten verringern. Zudem könnte es zu einem stärker geschlossenen Kreislauf der Lebensmittelproduktion beitragen – ein wichtiger Vorteil, wenn Wasser, Energie, Lagerraum und Arbeitszeit der Crew knapp sind. 110

Extreme und ressourcenarme Umgebungen

Auch auf der Erde könnte ein modularer Ansatz interessant sein, wenn Landwirtschaft, Kühlung oder regelmäßige Lieferungen nur schwer möglich sind. Als mögliche Einsatzorte werden unter anderem Katastrophengebiete, U-Boote, Polarstationen und andere Umgebungen mit begrenzten Ressourcen genannt. 1113

Dabei handelt es sich um mögliche Anwendungsfelder, nicht um bereits nachgewiesene Einsätze. Für jede Umgebung müsste das System erst zeigen, dass es zuverlässig, sicher und wirtschaftlich betrieben werden kann.

Die größten Hürden: Kosten und Skalierung

Die derzeit genannten Produktionskosten liegen bei ungefähr 60 US-Dollar pro Kilogramm. Damit ist µBites im Prototypenstadium deutlich teurer als gewöhnliche Grundnahrungsmittel. Die Zahl ist eine Schätzung und kein Nachweis für einen Preis bei industrieller Massenproduktion. Außerdem ist aus den verfügbaren Berichten nicht ersichtlich, ob sämtliche Kosten für Energie, Sammlung und Sortierung, Anlagen, Personal, Qualitätskontrolle, behördliche Auflagen und Abfallbehandlung enthalten sind.

Für eine größere Produktion müssten mehrere anspruchsvolle Systeme zuverlässig zusammenspielen:

• leistungsfähige Anlagen für die oxidative hydrothermale Aufbereitung;
• stabile Fermentation mit den angepassten Hefestämmen;
• Rückgewinnung von Wasser und Ausgleich der benötigten Nährstoffe;
• konsequente Kontrolle von Verunreinigungen und unerwünschten Nebenprodukten;
• automatisierte Rezeptur- und 3D-Drucktechnik; sowie
• unabhängige Sicherheitsprüfungen und ein tragfähiger regulatorischer Zulassungsweg. 11

Hinzu kommt die Frage der Akzeptanz. Selbst wenn Chemie und Fermentation zuverlässig funktionieren, könnten viele Menschen Vorbehalte gegenüber Lebensmitteln haben, deren Ausgangsmaterialien einst Plastikabfälle waren. Die Forscher sehen außerdem weiteren Entwicklungsbedarf bei einem vollständig integrierten, automatisierten System sowie bei politischen und regulatorischen Fragen. 11

Kommen die Kekse bald in den Handel?

Nach dem derzeit verfügbaren Kenntnisstand ist das nicht absehbar. Die SIU hat die Möglichkeit beschrieben, dass µBites in den kommenden Jahren auf den Esstischen landen könnte. Dabei handelt es sich jedoch um ein Entwicklungsziel und nicht um einen bestätigten Markteinführungstermin. 11

Vor einer öffentlichen Verfügbarkeit müsste das Projekt unter anderem die Kontrolle von Verunreinigungen, eine gleichbleibende Nährstoffzusammensetzung, die toxikologische Sicherheit, die behördliche Zulassung, die Produktionskosten und die Akzeptanz durch Verbraucher umfassender belegen.

Bis dahin ist µBites am besten als NASA-nahes Forschungsprojekt zu verstehen, das eine verblüffende Möglichkeit demonstriert: Abfallkohlenstoff kann chemisch aufbereitet und biologisch in Zutaten für Lebensmittel umgewandelt werden. Wissenschaftlich ist das beachtlich. Eine aus Plastik gewonnene Alltagsmahlzeit ist daraus aber noch nicht geworden.