Was isst man während einer Weltraumreise? Künstliche Lebensmittel könnten in Zukunft zum Mainstream werden

Wie das Sprichwort sagt: „Drei Mahlzeiten am Tag, das Leben der Welt“, braucht man zum Leben Nahrung, die uns nährt. Früher stammten unsere Nahrungsmittel hauptsächlich aus natürlichen Ressourcen, die in der Natur direkt oder indirekt verzehrt werden konnten, wie etwa Getreide, Kartoffeln, Gemüse und Obst, Fleisch, Eier, Milch, Pilze und Algen. An diese Art der Ernährung sind wir seit Jahrtausenden gewöhnt. Haben Sie jemals daran gedacht, dass unsere Nahrung eines Tages erfunden werden könnte?

Freunden, die Science-Fiction-Weltraumfilme lieben, ist diese Szene sicher schon aufgefallen: Menschen im Weltraum sind auf künstliche Grundnahrungsmittel und Fleisch angewiesen, um am Leben zu bleiben. Tatsächlich sind einige Wissenschaftler der Ansicht, dass die Nahrung ein wichtiger Faktor ist, der die menschliche Eroberung des Weltraums einschränkt. Die gute Nachricht ist, dass dieses Problem allmählich gelöst wird. Heutzutage sind nach und nach zellkultiviertes Fleisch, synthetische Biomilch und mit Nährstoffen angereicherter rekombinanter Reis auf den Markt gekommen, und in Zukunft könnte es noch mehr künstliche Nahrungsmittel geben.

Was sind künstliche Lebensmittel?

Künstliche Nahrung wird auch bionisch simulierte Nahrung genannt. Wie der Name schon sagt, handelt es sich um eine neue Art von Lebensmitteln, die mit wissenschaftlichen Mitteln aus Rohstoffen hergestellt werden und ähnlich wie natürliche Lebensmittel schmecken.

Künstliche Lebensmittel sind keine gefälschten oder minderwertigen Lebensmittel. Wenn von künstlichen Produkten die Rede ist, denken viele Menschen an gefälschte und minderwertige Lebensmittel, die von einigen wenigen Gesetzesbrechern mit technischen Mitteln hergestellt werden, wie beispielsweise der Reis und die Algen aus Plastik, über die bereits berichtet wurde. Künstliche Nahrung ist genauso essbar und nahrhaft wie herkömmliche Nahrung; der einzige Unterschied besteht darin, wie es erhalten wird. Daher kann die Sicherheit künstlicher Lebensmittel vollständig gewährleistet werden.

Wie werden künstliche Lebensmittel hergestellt?

Die Herstellung künstlicher Lebensmittel ist eine Kombination aus bionischen Prinzipien und moderner Technologie. Zunächst ist es notwendig, das Aussehen und die Struktur des zu simulierenden Lebensmittels zu bestimmen und dabei insbesondere Faktoren wie Verwendungszweck, Geschmack, Farbe usw. des Lebensmittels zu berücksichtigen. Zweitens werden die entsprechenden Rohstoffe wie Pflanzenfasern, Stärke, Zucker usw. je nach Bedarf aufbereitet und gesiebt und verarbeitet. Zweitens: Nutzen Sie geeignete technische Mittel zur Nahrungsmittelproduktion. Beispielsweise weisen 3D-Drucktechnologie und mikrobielle Fermentation bei verschiedenen Lebensmittelherstellungsverfahren leicht unterschiedliche Methoden auf.

Am Beispiel von Kunstfleisch kann man es in zwei Arten unterteilen. Eine Art Kunstfleisch wird auch Pflanzenproteinfleisch genannt, das hauptsächlich aus Sojaprotein hergestellt wird, da es reich an Proteinen und wenig Fett ist. Das andere ist zellkultiviertes Fleisch aus tierischen Stammzellen, und das mit dieser Technologie gewonnene Fleisch hat mehr Aufmerksamkeit erregt.

Im Jahr 2012 gelang es Dr. Mark Post, einem Wissenschaftler der Universität Maastricht in den Niederlanden, weltweit erstmals, zellkultiviertes Fleisch zu züchten. Zunächst entnimmt er einem lebenden Tier ein kleines Stück Fleisch, filtert dann das Muskelgewebe und trennt es in Muskelzellen und Fettzellen. Anschließend gibt er die benötigten Muskelzellen in eine Kulturschale und fügt Serum zur Kultivierung hinzu.

Das Serum versorgt die Muskelzellen mit notwendigen Nährstoffen wie Aminosäuren, Vitaminen, Kohlenhydraten usw. und gibt den Zellen das Gefühl, noch in lebendem Gewebe zu existieren. Die Zellen nutzen die verschiedenen Nährstoffe im Kulturmedium, um sich zu replizieren und zu vermehren. Wenn die Anzahl der Zellen zunimmt, bilden sie Bänder, genau wie natürliche Muskelzellen in lebendem Gewebe Fasern bilden. Das fertige Gewebe ähnelt verarbeitetem, knochenlosem Fleisch und wir erhalten schließlich das gewünschte zellkultivierte Fleisch.

Im Gegensatz zu künstlichem Fleisch wird bei künstlicher Milch die 3D-Drucktechnologie verwendet. Zunächst wird die DNA-Sequenz der Kuh ausgedruckt und dann in die DNA-Sequenz der Hefe eingefügt. Durch Hefefermentation werden dann Kasein, Milchprotein und Laktoglobulin gewonnen. Diese Proteine ​​werden dann mit Pflanzennährstoffen und Fetten vermischt, um ein flüssiges Nahrungsmittel herzustellen, das Milch ähnelt. Der Nährwert synthetischer Milch unterscheidet sich nicht wesentlich von dem normaler Milch, aber ihre Haltbarkeit ist offensichtlich viel länger als die normaler Milch.

Welche Vorteile hat künstliche Nahrung gegenüber herkömmlicher Nahrung?

Künstliche Lebensmittel verbessern den Zugang zu Nahrungsmitteln, verkürzen die Produktionszyklen und bieten breitere Anwendungsmöglichkeiten. Aufgrund geografischer, saisonaler, klimatischer und anderer Bedingungen unterliegt der Erwerb traditioneller Lebensmittel gewissen Einschränkungen. Beispielsweise wird selbst der ertragreichste Reis durch Witterungsbedingungen sowie Schädlinge und Krankheiten beeinträchtigt, und sein Ertrag kann nicht stabil sein. Künstlicher Reis ist anders. Es wird durch Fermentieren von grobem Getreide mit essbaren Pilzen hergestellt. Die Produktion kann unabhängig von der Jahreszeit, egal ob Regen, Schnee oder Hagel, erfolgen. Die Herstellung von Kunstreis dauert nur 3 bis 4 Monate. Beispielsweise kann die Herstellung von Kunstfleisch in Laboren und Fabriken erfolgen, und im gesamten Prozess wird kein Futter benötigt. Dies verbessert nicht nur die Effizienz, sondern ist auch nicht durch die Szene eingeschränkt. Es eignet sich sehr gut für die Raumfahrt und Umgebungen mit rauen natürlichen Bedingungen.

Künstliche Lebensmittel können den Nährstoffgehalt von Lebensmitteln verbessern und den Nährwert von Lebensmitteln steigern. Ob künstliche Milch, künstliches Fleisch oder künstlicher Reis: Ihr Ausgangspunkt sind die Nährstoffzusammensetzung und der Geschmack traditioneller Lebensmittel, die mithilfe von Methoden wie der synthetischen Biologie reproduziert und nachgeahmt werden. Die meisten Nährstoffe entsprechen nicht nur denen herkömmlicher Lebensmittel, sondern können auch entsprechend den menschlichen Bedürfnissen angepasst werden. Beispielsweise werden bei der Herstellung künstlicher Milch humane Milch-Oligosaccharide zugesetzt, die die Darmflora regulieren können. Während des Herstellungsprozesses von Kunstfleisch kann auch die Art des darin enthaltenen Fetts kontrolliert werden, um es für die menschliche Gesundheit vorteilhafter zu machen, beispielsweise durch die Zugabe von Omega-3-Fettsäuren, die eine herzschützende Wirkung haben. Aus Sicht des Nährstoffgehalts können künstliche Lebensmittel daher nahrhafter gemacht werden und sind voraussichtlich der Nährstoffanreicherung und genetischen Veränderung überlegen.

Werden künstliche Nahrungsmittel in Zukunft herkömmliche Nahrungsmittel ersetzen?

Sowohl künstliche als auch traditionelle Lebensmittel werden die Hauptnahrungsquelle auf unseren Tischen sein. Auch wenn der Nährstoffgehalt künstlicher Nahrungsmittel dem herkömmlicher Lebensmittel ähnelt und die Hoffnung besteht, dass sie in Zukunft kostengünstig und in großen Mengen produziert werden können, können sie herkömmliche Nahrungsmittel hinsichtlich Geschmack und langjähriger Esskultur der Menschen noch immer nicht ersetzen.

Das Erkennen der Inhaltsstoffe und Funktionen von Lebensmitteln erfordert Zeit und Aufwand. Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung moderner Lebensmittelanalysetechnologie haben wir ein klareres Verständnis der Arten und Inhalte der wichtigsten Nährstoffe in Lebensmitteln, einige Inhaltsstoffe in Lebensmitteln und ihre Funktionen sind jedoch noch nicht vollständig und gründlich erforscht. Früher dachten wir beispielsweise, Ballaststoffe seien „Müll“, den der Mensch weder aufnehmen noch verwerten könne. Mit der Erkenntnis der Bedeutung der Darmmikroorganismen wurde jedoch allmählich auch die Bedeutung der Ballaststoffe deutlich und sie wurden sogar als siebter Nährstoff eingestuft.

Am Beispiel künstlicher Milch glauben viele Menschen, dass Milch zu 87 % aus Wasser besteht und der Rest aus Eiweiß, Kohlenhydraten, Fett, Vitaminen und anderen Substanzen besteht. Tatsächlich gibt es neben den Grundnährstoffen viele Wirkstoffe mit extrem geringem Gehalt, aber biologischer Wirkung, wie etwa biologisch aktives β-Lactoglobulin, α-Lactoglobulin, Lactoferrin, Immunglobulin usw. Derzeit ist durch unsere wissenschaftliche Forschung noch nicht vollständig geklärt, wie viele Arten biologisch aktiver Substanzen in der Milch enthalten sind und welche Funktionen sie erfüllen. Aus dieser Perspektive kann künstliche Milch Kuhmilch lediglich imitieren und sie nicht wirklich ersetzen oder übertreffen.

In welchen Bereichen wird künstliche Nahrung in Zukunft zum Einsatz kommen?

Die künstliche Lebensmitteltechnologie ist ein sehr wichtiger Schritt im Prozess der menschlichen Wahrnehmung und der Transformation der Welt und von großer Bedeutung für das zukünftige Überleben und die Entwicklung der Menschheit.

Einerseits wird die Weltbevölkerung auch in Zukunft mit einer enormen Nahrungsmittelknappheit konfrontiert sein. Insgesamt werden weltweit jährlich 1,2 Milliarden Tonnen Nahrungsmittel konsumiert. Obwohl die weltweite Nahrungsmittelproduktion von Jahr zu Jahr zunimmt, beeinträchtigen der kontinuierliche Bevölkerungszuwachs und die häufigen Naturkatastrophen aufgrund des globalen Klimawandels die globale Ernährungssicherheit. Auf diese Probleme reagieren die Menschen weltweit mit verschiedenen Mitteln, von der Regulierung des Bevölkerungswachstums bis hin zur aktiven Suche nach neuen Nahrungsquellen. Dennoch sind sie mit der Frage der Ernährungssicherheit nicht zurechtgekommen. Daher ist die künstliche Nachahmung traditioneller Lebensmittel eine Entwicklungsrichtung für zukünftige Lebensmittel. Sollten die Ressourcen der Erde eines Tages tatsächlich erschöpft sein, können scheinbar nur künstliche Nahrungsmittel alle Probleme wirklich lösen.

Andererseits ist künstliche Nahrung für die menschliche Erforschung des Weltraums von Vorteil. Wie im Film „Die wandernde Erde“ ist bei Reisen im Weltraum das Problem der logistischen Versorgung das größte. Künstliche Lebensmittel können auf Basis synthetischer Biologie unter Verwendung organischer und anorganischer Substanzen auf engstem Raum hergestellt werden. Egal ob Grundnahrungsmittel, Fleisch oder Milch, es gibt eine Lösung. Es erfüllt nicht nur die Nährstoffanforderungen, sondern sorgt auch für einen passenden Geschmack. Am wichtigsten ist, dass es leicht verfügbar ist und unter bestimmten Bedingungen hergestellt werden kann. Stellen Sie sich vor: Wäre es nicht wunderbar, eine Tasse heiße Milch zu trinken, ein Sandwich zu essen und dabei die Sterne im Weltall zu bewundern, während Sie durch den Weltraum schweben?

Auf welche anderen künstlichen Lebensmittel darf man sich in Zukunft freuen?

Künstliche Lebensmitteltechnologie kann in vielen Bereichen eingesetzt werden und solange eine Nachfrage besteht, wird auch etwas produziert. Vegetarier können sich beispielsweise auf das Aufkommen von pflanzlichem Fleisch freuen. Anders als vegetarisches Fleisch in herkömmlichen Lebensmitteln kann pflanzliches Fleisch aus Sojaprotein, Wasser, braunem Reis, Kokosöl, Rübensaft und Kartoffeln usw. hergestellt werden. Daraus kann ein Lebensmittel hergestellt werden, das ähnlich wie Fleisch aussieht und schmeckt und fast denselben Nährwert hat. Natürlich kann dieselbe Technologie auch zur Herstellung von Fisch auf pflanzlicher Basis verwendet werden, Zellkulturtechnologie kann zur Herstellung von mehr Fleischprodukten verwendet werden und 3D-Drucktechnologie kann zur Herstellung von mehr Lebensmitteln, sogar Fleischprodukten, verwendet werden.

Wie lange wird es dauern, bis wir künstliche Lebensmittel essen können?

Es bestehen noch gewisse Hürden bei der Produktion künstlicher Nahrungsmittel, und eine kurzfristige Bereitstellung großer Mengen ist nicht möglich. Am Beispiel von zellkultiviertem Fleisch wurde nachgewiesen, dass es technisch machbar ist, Muskelfleisch unter sterilen Bedingungen in vitro zu vermehren, allerdings ist der Maßstab noch gering. Einerseits können wir zwar die für das Zellwachstum erforderliche Umgebung nachahmen und ausreichend Nährstoffe bereitstellen, die Stabilität der in vitro kultivierten Zellen ist jedoch immer noch gering. Der Stoffwechsel, die Selbstreparaturfunktion usw. der Zelle werden beeinträchtigt, sodass alle Zellen während des In-vitro-Kulturprozesses mehr oder weniger starke Veränderungen erfahren. Andererseits besteht nach einer In-vitro-Kultivierung von Zellen über mehr als 15 Generationen eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Zellen mutieren und sich in Tumore verwandeln. Da die Fähigkeit der Muskelzellen selbst zur Wertsteigerung jedoch begrenzt ist, müssen im Kultivierungsprozess Zellen im Spätstadium verwendet werden. Die Verwendung solcher Zellen kann nur zwei Folgen haben: Entweder sterben die alternden Zellen ab, oder die Zellen entwickeln sich zu Krebszellen. Diese erhöhen die Unsicherheit der In-vitro-Proliferation.

Allerdings kann das Aufkommen jeder neuen Technologie zwei Seiten haben und muss während ihrer Nutzung auch gut kontrolliert werden.

In seinem Science-Fiction-Roman „Die Nahrung der Unsterblichkeit“ beschrieb der ehemalige sowjetische Schriftsteller Beljajew, dass die Menschen in der Zukunft Pilze nutzen werden, um „Nahrung der Unsterblichkeit“ herzustellen. Solange es an der Luft steht und dem Sonnenlicht ausgesetzt ist, wächst es durch die Synthese von Sauerstoff. Außerdem schmeckt es wie Marmelade. Nachdem das Hungerproblem gelöst war, traten andere Probleme auf. Die Verbreitung dieser „ewigen Nahrung“ hat zu einem drastischen Preisverfall der Nahrungsmittel und zur Insolvenz der Bauern geführt. Auch für uns sind das Alarmglocken. Da künstliche Lebensmitteltechnologie in Zukunft immer beliebter wird, sollten wir auch im Voraus darüber nachdenken, ob sie Auswirkungen auf die traditionelle Lebensmittelindustrie haben wird.

Egal wie sich künstliche Lebensmittel in Zukunft entwickeln, es ist ein unvermeidlicher Trend. Obwohl wir optimistisch sind, müssen wir weiterhin vorsichtig bleiben.

Dieser Artikel ist eine vom Science Popularization China Starry Sky Project unterstützte Arbeit

Autor: Zhang Yu

Gutachter: Tan Yuqing, Außerordentlicher Professor, College of Food Science and Nutritional Engineering, China Agricultural University

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.