Süßstoffe auf Proteinbasis als Zuckeraustauschstoffe
Weltweit hat der Zuckerkonsum in den letzten Jahrzehnten stetig zugenommen, obwohl dieses Lebensmittel zu Karies, Bluthochdruck und weit verbreiteten Gesundheitsproblemen wie Typ-2-Diabetes und Herz-Kreislauf-Erkrankungen beiträgt. Im Verbundprojekt NovelSweets haben sich Forscher des Fraunhofer-Instituts für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME mit Partnern zusammengetan, um mit Methoden aus der Biotechnologie neuartige, proteinbasierte Süßstoffe herzustellen. Ihr Ziel ist es, Zucker und bestehende Zuckeralternativen zu ersetzen, insbesondere in Getränken.
Hefen auf Agarplatten. Das Gen, das für das süß schmeckende Protein kodiert, wird in Hefezellen implantiert. Die Zellen werden dann in einem Bioreaktor unter kontrollierten Bedingungen so vermehrt, dass sie möglichst viel des süß schmeckenden Proteins produzieren.
© Fraunhofer IME
Bioreaktor für mikrobielle Fermentation
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ie Weltgesundheitsorganisation (WHO) empfiehlt eine maximale tägliche Aufnahme von 25 Gramm Haushaltszucker pro Person, was etwa fünf bis zehn Teelöffeln entspricht. Diesen Wert einzuhalten, ist nicht einfach, denn viele Fertiggerichte, Soßen, Dressings, Obst- und Gemüsekonserven, Frühstücksflocken, Smoothies, Fruchtsäfte, Joghurts mit Fruchtgeschmack und Erfrischungsgetränke sind voll mit Zucker. Ein einziges Glas Cola (250 Milliliter) enthält 27 Gramm Zucker - mehr als ein Mensch an einem ganzen Tag zu sich nehmen sollte. Im Projekt NovelSweets unterstützen die Forscher des Fraunhofer IME gemeinsam mit den beiden Partnern metaX Institut für Diätetik GmbH und candidum GmbH das Bundesministerium für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL) dabei, den Zuckergehalt in Fertigprodukten und Getränken zu reduzieren, um der Zunahme von Gesundheitsschäden durch falsche Ernährung entgegenzuwirken. Auf der Basis von süß schmeckenden Proteinen (SPs), Molekülen, die natürlicherweise in einigen Pflanzen und Früchten vorkommen, stellen die Forscher mit biotechnologischen Methoden proteinbasierte Süßstoffe als zukünftigen Zuckerersatz her. Aufgrund ihrer Struktur binden die SPs sehr leicht - wie Zucker - an die Rezeptoren auf der Zunge, über die der Mensch Aromen als süß wahrnimmt.
Brazzein als Basis für neue Proteinsorten
Einer der bekanntesten SPs ist Brazzein, ein Protein aus der afrikanischen Pflanze Pentadiplandra brazzeana. Es aus der Pflanze zu extrahieren, wäre zwar möglich, ist aber ein langwieriger und mühsamer Prozess mit geringer Ausbeute. Vor diesem Hintergrund entwickeln die Projektpartner Proteinsorten, die auf der Proteinsequenz von Brazzein basieren, optimieren sie im Hinblick auf pH- und Temperaturstabilität und nutzen dann biotechnologische Werkzeuge zu ihrer Herstellung. Außerdem verbessern sie die neuen Sorten in Bezug auf Süße und Geschmack. "Brazzein fühlt sich im Rachen kratzig an. Wir ändern die Proteinsequenz, um diese Art von unerwünschten Wirkungen zu verhindern. Das Ziel ist ein besseres sensorisches Erlebnis, ohne unangenehmen Geschmack oder Nachgeschmack", erklärt Dr. Stefan Rasche, Forscher am Fraunhofer IME in Aachen.
10 000-mal süßer als Haushaltszucker
Die verbesserten Kandidaten werden mit Hilfe der Biotechnologie durch mikrobielle Fermentation hergestellt. Das Gen, das für das süß schmeckende Protein kodiert, d. h. eine Beschreibung der Aminosäuresequenz des Proteins enthält, wird in Hefezellen implantiert, die dann in einem Bioreaktor unter kontrollierten Bedingungen vermehrt werden, um so viel SP wie möglich zu produzieren. Nach einem Reinigungs- und Trocknungsprozess ist der Süßstoff auf Proteinbasis fertig. Die Forscher nennen den auf diese Weise hergestellten Zuckeraustauschstoff X3. "Ein einziges Gramm des Ersatzstoffs ist so süß wie etwa 10 Kilogramm Zucker. Das bedeutet, dass es uns in Zusammenarbeit mit unseren Partnern gelungen ist, einen SP zu entwickeln, der etwa 10 000 Mal süßer ist als Haushaltszucker", sagt Rasche. Es ist drei- bis viermal süßer als natürliches Brazzein. Der innovative Süßstoff ist eine echte Alternative zu Zucker für Verbraucher, die auf ihren Konsum achten: "Eine typische Cola enthält etwa 106 Gramm Zucker pro Liter. Das entspricht 1 800 Kilojoule (kJ). Nur wenige Milligramm unseres SP reichen aus, um den gleichen Grad an Süße zu erreichen, so dass der Kaloriengehalt deutlich reduziert werden kann."
X3 mit honigähnlichem Geschmacksprofil
Darüber hinaus schmeckt X3 ein wenig wie Honig, was es zu einem idealen Süßungsmittel macht. "X3 besticht durch seinen besseren Geschmack im Vergleich zu den bisher erhältlichen künstlichen Süßungsmitteln, wie unsere Verkostungen mit Testpersonen gezeigt haben. Da es völlig zuckerfrei und praktisch kalorienfrei ist, verursacht unsere modifizierte Brazzein-Version weder Karies noch erhöht sie den Blutzuckerspiegel", so Rasche weiter. Zunächst ist geplant, den Ersatzstoff Getränken beizumischen. Der Projektpartner metaX testet und entwickelt derzeit erste Produkte mit X3, wie zum Beispiel ein eiweißarmes Getränkepulver aus Kakao. Bevor jedoch der Zulassungsprozess beginnen kann, müssen der Herstellungsprozess optimiert und weitere Maßnahmen zur Produktvalidierung durchgeführt werden, um das volle Potenzial der X3-Proteinvariante auszuschöpfen.
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