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TU Berlin

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Foschung

Essen für alle

Candle-Light-Dinner mit Zink. Zink ist für den Menschen lebensnotwendig und muss über die Nahrung aufgenommen werden. Dabei ist entscheidend, wie Mineralien in den Körper gelangen und in welcher Dosis. Für das Foto stellte die Mineralogische Sammlung der TU Berlin Sphalerit, auch Zinkblende genannt, zur Verfügung. Essbar ist es natürlich nicht
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Ende 2018 lebten knapp 7,7 Milliarden Menschen auf diesem Planeten. Um das Jahr 2035 werden es neun Milliarden sein. Angesichts dieser Zahlen stellt sich eine einfache Frage, deren Beantwortung jedoch alles andere als simpel ist: Wie schaffen wir es, auch in Zukunft alle Menschen mit Lebensmitteln zu versorgen?

Spricht man mit Forscherinnen und Forschern über die Zukunft der Lebensmittelversorgung, gibt es grundsätzlich zwei Ansätze, um eine wachsende Bevölkerung satt zu bekommen – und sie existieren ergänzend zueinander: Der quantitative Ansatz lautet: Mehr hilft mehr. Je mehr Essen produziert wird, desto mehr Menschen werden satt. Der qualitative Ansatz beschäftigt sich hingegen mit der Effizienz, indem bestehende Produkte weiterentwickelt oder besser verteilt werden. „Wir produzieren Jahr für Jahr auf der Welt viel mehr Lebensmittel, als wir verwerten können“, sagt etwa Benjamin Nitsche, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Logistik der TU Berlin. Das Grundproblem ist allerdings: Es lohnt sich derzeit finanziell nicht, diese auch so zu verteilen, dass alle Menschen satt werden. „Stattdessen beliefern wir wohlhabende Länder mit einem Überschuss an Lebensmitteln und werfen diese dann weg.“ Finanziell, so Nitsche, sei es reizvoller, entwickelte Länder mit Lebensmitteln zu überschütten und 50 Prozent der Lebensmittel dann zu entsorgen. „Die Hälfte der Nahrung wird einfach nicht genutzt – und zwar vor allem in Zwischenlagern oder am Point of Sale“, so Nitsche.

Er und andere Lebensmittellogistiker wollen das ändern. „Ich will wissen: Wie kann ich Lagerzeiten minimieren? Also: Wie bekomme ich Nahrung schneller von A nach B?“ Moderne Technologien ermöglichen hier eine Transparenz, die im letzten Jahrhundert noch undenkbar gewesen wäre. Beispielsweise lassen sich heute Lebensmittel mit Chips punktgenau verfolgen. Spezielle Sticker können in Echtzeit messen und funken, wie sich der Zustand eines in Auslieferung befindlichen Lebensmittels verändert. Reifegrad, Fäulnis oder Schädlingsbefall können in Echtzeit gemessen und übermittelt werden. Und spezielle Lebensmittel-Container sind in der Lage, die Lagerungstemperatur in Abhängigkeit vom Umgebungsklima eigenständig zu regulieren. Mit solchen Maßnahmen wollen Benjamin Nitsche und seine Kolleginnen und Kollegen dazu beitragen, dass in entwickelten Ländern weniger Nahrung weggeworfen wird. Erst wenn hier der Bedarf sinkt, wird es für Erzeuger reizvoller, ihre Produkte auch in bedürftigere Regionen zu exportieren.

Drahtlose Multisensoren ermöglichen die lückenlose Überwachung des Zustandes von Lebensmitteln auf ihrem Weg rund um den Globus. Sie erfassen Temperatur, relative Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. Entwickelt wurden sie von der Firma Virtenio, die TU-Absolventen gründeten
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Der Verschwendung von Lebensmitteln innerhalb der Logistikkette entgegenzuwirken, ist ein möglicher Ansatz. Ein anderer ist, den Transport von Lebensmitteln generell zu minimieren. Ideal wäre es deshalb also, Obst und Gemüse vor allem auch in den Metropolen anzubauen. Aber wo? Professor Claus Steffan, Leiter des Fachgebiets Gebäudetechnik und Entwerfen, deutet nach oben: „Unseren Schätzungen zufolge könnte Berlin mit Obst und Gemüse versorgt werden, wenn wir dazu Gebäude mit Dachflächen von mindestens 1000 Quadratmetern nutzten.“ Man müsste die Dächer mit Gewächshäusern ausstatten, deren Bauweise Steffan seit mittlerweile 20 Jahren erforscht: „Unser Fachgebiet beschäftigt sich mit klimagerechtem Bauen.“ Das bedeutet, Gebäude so zu konzipieren und zu errichten, dass sie möglichst wenig Energie brauchen und CO2 ausstoßen. Und ebendas gilt auch für Gewächshäuser, in denen ein Großteil der europäischen Gemüseproduktion stattfindet.

Der Grund: In diesen Häusern lassen sich die Umgebungsbedingungen kontrollieren. In beheizten Gewächshäusern Hollands wachsen auch im Winter Tomaten, im Sommer in Südspanien sparen die Gewächshäuer Wasser, im Winter ermöglichen sie dort höhere Erträge durch höhere Umgebungstemperaturen. Doch all das erfordert Energie. Um die Produktion von Obst und Gemüse energieautark zu bewerkstelligen und den Wasserbedarf zu verringern, erforscht Steffan mit seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern geschlossene Kreisläufe: „In Berlin haben wir ein Gewächshaus entworfen und gebaut, das an einem anderen Gebäude anliegt.

Der Clou: An kalten Tagen heizen Abwärme und Abluft des anliegenden Gebäudes das Gewächshaus mit. Und an sonnigen Tagen speist das Gewächshaus Wärme in das Gebäudeenergiesystem ein.“ Steffans wissenschaftlichem Mitarbeiter Martin Buchholz gelang es, Luft-, Wasser- und Wärmekreisläufe passiv zu gestalten und so miteinander zu verbinden, dass Wohngebäude und Gewächshaus sich ergänzen. Das funktioniert, weil die Feuchtigkeit aus der Atemluft der Bewohner*innen direkt in eine Salzlösung kondensiert. „So ersetzen wir die konventionellen Heizkörper und verringern den Energieverbrauch der Lüftungsanlage. Wenn die Salzlösung Feuchtigkeit aufnimmt, entsteht Wärme.“ Das im Rahmen des von der EU geförderten Projekts „H-DisNet“ (Intelligent Hybrid Thermo-Chemical District Networks) entwickelte Gewächshaus-Gebäude-System „produziert Wärme, gewinnt Wasser zurück und reichert den Innenraum mit CO2 an, was wiederum den Ertrag der Nutzpflanzen erhöht“, so Buchholz. Claus Steffan: „Im Prinzip versuchen wir ein Gewächshaus zu entwickeln, das nicht selbst Energie zum Heizen braucht, sondern umliegende Gebäude mit Energie versorgt.“ Wie eine Art Sonnenkollektor, der neben Energie auch noch Gemüse produziert. Das Beste an diesem Ansatz sei, dass die Rechnung nicht mal völlig aufgehen müsse: „Es reicht, wenn das passive Gewächshaus in der Stadt wesentlich besser ist als das beheizte in der Landschaft.“

Natürlich versus künstlich

Doch nur satt zu werden, reicht nicht. Schließlich wollen und sollen die Menschen auch ein gesundes Leben führen. Die Wissenschaft kommt also nicht umhin, auch nach der Qualität der Nahrung zu fragen. Erweitert man die Ausgangsfrage entsprechend, lautet sie: Wie kriegen wir alle Menschen satt – ohne sie zu vergiften? „Ein weit verbreiteter Irrtum ist die Annahme, dass nicht-behandeltes Essen das gesündeste ist“, sagt Prof. Dr. Eckhard Flöter.

Flöter ist Lebensmitteltechnologe und ärgert sich über eine Unterteilung in „natürliche“ und „künstliche“ Lebensmittel. „Seit die Menschheit begann, Lebensmittel zu kultivieren, waren sie irgendwie behandelt“, so der Wissenschaftler. Kauen und Kochen sind akzeptierte Behandlungen von Lebensmitteln, die dafür sorgen, dass die Nahrung besser verdaulich ist und die Nährstoffe vom Körper besser aufgenommen werden können. Der Grad der Nutzbarkeit des antitoxischen Farbstoffes Lycopin aus behandelter Tomatenpaste ist für den menschlichen Körper 2,5-mal größer als der von frischen Tomaten – man spricht hier auch von Bioverfügbarkeit. Es kommt also darauf an, in welcher Form Stoffe in den Körper gelangen, ob sie an andere Stoffe gebunden sind, und wenn ja, an welche. So können gewisse Stoffe für den Körper überhaupt erst durch die Behandlung verfügbar werden. Die Prozess-Schritte der Lebensmittelbearbeitung werden üblicherweise in thermische oder mechanische Bearbeitung eingeteilt, wie Pasteurisieren und Homogenisieren. „Ohne Behandlung oder Aufbereitung wären Lebensmittel nicht so sicher oder haltbar, wie man es heute gewöhnt ist und erwartet“, so Flöter.

Sicherheit und Haltbarkeit sind Maßstäbe, nach denen Lebensmitteltechnologen versuchen, Nahrung zu verbessern. Andere Maßstäbe werden von Institutionen wie beispielsweise der Weltgesundheitsorganisation oder der Deutschen Gesellschaft für Ernährung (DGE) ausgegeben. Hierbei geht es darum, Lebensmittel gesünder oder nachhaltiger zu designen. Lebensmitteltechnologen wie Flöter versuchen diese Vorgaben in Produktformulierungen zu übersetzen. Die Herausforderung dabei ist, die Qualität einer Speise zu verbessern, ohne die Wahrnehmung und den Geschmack zu verschlechtern. „Oftmals wird versucht, Bestandteile eines Nahrungsmittels durch gesündere Alternativen zu ersetzen, ohne dass es der Endverbraucher beim Essen merkt“, sagt Flöter, denn natürlich gilt: Was nützt das gesündeste Nahrungsmittel, wenn es keine Abnehmer*innen findet – beispielsweise, weil Salz zu drastisch reduziert wurde? Auf dem Gebiet von Fetten und Ölen gilt, dass eine bessere Balance zwischen gesättigten und ungesättigten, den essenziellen Fettsäuren wünschenswert wäre. „Die meisten Fette in Nahrungsmitteln sind unsichtbar, haben aber eine halbfeste Struktur, was direkt mit erhöhten Anteilen an gesättigten Fettsäuren verbunden ist. Sie sind oft wesentlich für die Konsistenz der Nahrung verantwortlich“, so Flöter. Hierbei kommt vielfältig Palmöl zum Einsatz, da es von Natur aus bereits einen erhöhten Anteil an gesättigten Fettsäuren hat und damit den funktionellen Ansprüchen genügen kann. Diese Struktur mit Ölen aus Raps oder Sonnenblumen nachzubilden ist technologisch nicht trivial. Am Institut für Lebensmitteltechnologie und Lebensmittelchemie arbeiten mehrere Fachgebiete gemeinsam an einem Clusterprojekt, um Lebensmittel zu entwickeln, die insbesondere für Konsumentinnen und Konsumenten über 50 die Aufnahme von mehr Ballaststoffen, gesünderen Fettsäuren und adäquaten Proteinen sicherstellen.

Wenn Eckhard Flöter und andere Lebensmitteltechnologen auf diese Weise Nahrung verbessern, ist nicht immer eindeutig, was die wünschenswerten Ergebnisse sein sollen. Das liegt zum einen daran, dass die Auswirkungen von Nahrung auf den Körper jedes Menschen unterschiedlich sind, weswegen die Ernährungsforschung generell Schwierigkeiten in der Datenerhebung hat. Zum anderen spielen gesellschaftliche Trends wie die Popularität des ehemals verpönten Analogkäses als veganes Produkt eine Rolle. So ist zu erklären, dass sich die Anforderungen, die an Lebensmitteltechnologen gestellt werden, mitunter sehr schnell ändern. Prof. Dr. Hajo Haase ist Leiter des Fachgebiets Lebensmittelchemie und Toxikologie, und er weiß: Auf die Wirkung kommt es an. Er beschäftigt sich mit einem Unterbereich der Toxikologie, mit Schwermetallen. „Ich spreche lieber von Spurenelementen, denn einige davon benötigt unser Organismus“, so Haase, „zumindest in Spuren.“ In höheren Konzentrationen könnten diese Elemente wiederum schädigende Wirkungen haben. „Wir gehen heute davon aus, dass die negativen Effekte einiger Metalle mit physiologischen Funktionen anderer Spurenelemente zusammenhängen.“ Haase macht das am Beispiel von Zink fest, das wegen seiner Rolle im Immunsystem lebensnotwendig ist. Es wirkt als Signalstoff bei der Aktivierung von Immunzellen. Cadmium hingegen, das Zink chemisch „ähnlich sieht“, kann ebenfalls aktivierend wirken, tut dies aber längerfristig. Es kommt zu einer Fehlsteuerung des Immunsystems, was die Abwehr von Krankheitserregern beeinträchtigen und körpereigene Zellen schädigen kann. Und der eigentlich positive Effekt verkehrt sich in sein Gegenteil.

Und hier komme wiederum die Bioverfügbarkeit ins Spiel. „Das Problem ist: Die Bioverfügbarkeit von Spurenelementen ist sehr unterschiedlich und schwer feststellbar. Zink ist sowohl in Fleisch als auch in Pflanzen enthalten. Aber in Pflanzen sind auch Phytate, die das Zink binden und so die Verfügbarkeit für den Körper senken.“ Die Bioverfügbarkeit von Zink in pflanzlicher Nahrung sei also vergleichsweise gering. Der Körper kann das Zink in dieser Form schlechter aufnehmen, weshalb vegane Ernährung unter diesem Gesichtspunkt eher ungesund sei.

Doch wie will man feststellen, wann viel Zink zu viel und wann wenig zu wenig ist? Zink in Milligramm im Blut zu messen sagt nicht viel aus: „Wir brauchen einen Marker, um die Bioverfügbarkeit feststellen zu können.“ Daran arbeitet er mit seinen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern.

Das betreffe nicht nur die Konsumentinnen und Konsumenten, sondern auch Nutztiere: „In der heutigen Tierzucht wachsen die Tiere so schnell, dass sie auch mehr Spurenelemente brauchen.“ Die würden aber nicht immer mit der richtigen Bioverfügbarkeit verfüttert: „Vom oft in der Mast verwendeten Zinkoxid kommt das meiste hinten ungenutzt wieder raus. Wenn sie Tiere über Zinkoxid optimal mit Zink versorgen wollten, müsste die Gülle als Sondermüll entsorgt werden.“ Ziel sei es deshalb, herauszufinden, welche Zinkspezies verabreicht werden muss, um eine hohe Bioverfügbarkeit zu erreichen. Seine Forschung richtet sich also auch an die Futtermittelindustrie.

Das ist insbesondere deswegen relevant, weil Spurenelemente in Verbindung mit Proteinen besser aufgenommen werden können und proteinreiche Lebensmittel wiederum für eine gesunde und energiereiche Ernährung bedeutsam sind.

Eine Lösung sind Insekten

Aber wo sollen die Proteine herkommen? Wir können gar nicht so viel Regenwald abholzen, um Weideflächen für Rinder zu schaffen, wie wir für eine ausreichende Proteinversorgung bräuchten, so der Toxikologe. Es gilt, mit deutlich weniger Ressource mehr verwertbares Protein zu produzieren. Die Lösung, die Lebensmittelchemiker*innen für dieses Problem parat haben, sei einfach, wird wohl aber nicht jedem schmecken: „Insekten sind sehr proteinreich.“ Hinzu kommt, dass sie sich auf wesentlich weniger Raum mit deutlich geringerem Energieaufwand züchten lassen und obendrein die ethischen Bedenken kleiner sind. Hajo Haase erforscht daher auch neue Möglichkeiten, Insekten im Wuchs mit Metallen zu versetzen. „Wenn wir das schaffen, könnten wir den Zinkmangel ausgleichen, wie er beispielsweise in vielen Regionen der Dritten Welt besteht, wo sich arme Menschen sehr phytatreich ernähren, weil sie sich kein Fleisch leisten können.“

Um ein Zuviel an Spurenelementen müsse man sich hierzulande jedoch keine Gedanken machen. Eine engmaschige Überwachung und wissenschaftlich definierte Grenzwerte sorgen dafür, dass wir uns laut Haase in Deutschland eher mit dem Mangel an Spurenelementen als mit einem Überschuss beschäftigen müssen. Und wie beurteilt er, dass Schwermetalle in Biogemüse oder Pestizide im Bier nachgewiesen werden konnten? Das läge schlicht daran, dass die modernen Analysemethoden so gut sind. Der Nachweis allein sage nichts aus. „Bei manchen Spurenelementen sind die Nachweisgrenzen so niedrig, dass man trotz des positiven Nachweises aufgrund der geringen Mengen gar nicht so viel Gemüse essen kann, dass man in die Nähe einer gesundheitlich bedenklichen Dosis gelangt.“ Und bevor Spurenelemente im Bier gesundheitliche Probleme bereiten, ist man lang an einer Alkoholvergiftung gestorben. „Man wird entspannter, wenn man gewisse Dinge einschätzen kann.“

Michael Metzger und Jochen Müller, "TU intern" Februar 2019

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