Lebensmittelverfahrenstechnik KIT kürt Promotion zu gedrucktem Fleisch

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Beim diesjährigen Innovationswettbewerb Neuland ging der zweite Platz an das Projekt Hybrid-Extrusion-Printing. Das Team vom Institut für Bio- und Lebensmittelverfahrenstechnik des KIT hat eine Methode entwickelt, um ganze Fleischstücke wie Braten, Steaks oder Schnitzel vegan nachzubilden.

Jedes Jahr ruft das KIT seine Forschenden und Promovierenden dazu auf, ihre anwendungsnahen Projekte beim Neuland Innovationswettbewerb einzureichen. Den Gewinnern winken Geldpreise im Gesamtwert von 19.000 Euro sowie gezielte Unterstützung beim Transfer ihrer Ideen in Wirtschaft und Gesellschaft durch das Innovationsmanagement des KIT. Dieses Jahr punktete unter anderen auch ein Forscherteam vom Institut für Bio- und Lebensmittelverfahrenstechnik des KIT: Markus Fischer, Dr. Nico Leister und Laurids Pernice haben eine Methode entwickelt, um Fleischersatzprodukte mit fleischähnlichen Strukturen herzustellen. Diese kombiniert die industrielle Extrusion – bei dem Material unter Druck durch eine Form gepresst wird – mit der Präzision des 3D-Drucks. Das Herzstück der Technologie ist eine neuartige Zweistofflochblende, die eine detaillierte Annäherung an echte Fleischstrukturen ermöglicht.

3D-Druck und Extrusion: das Beste aus beiden Welten

Die Hybrid Extrusion Printing Technologie kombiniert gezielt zwei bewährte Verfahren und überwindet deren jeweilige Schwächen:

• 3D-Druck-Komponente: Der 3D-Druck erzeugt komplexe Strukturen durch schichtweisen Aufbau von in kaltem Zustand formbaren Pasten. Dabei wird Strang für Strang aufgebaut, wobei jeder einzelne Strang nur wenige Millimeter Durchmesser hat – etwa die Größe natürlicher Muskelfaserbündel. Durch die Abwechslung verschiedener Pasten (proteinreich für Muskelfasern, fettreich für Fetteinlagerungen) können bereits auf dieser Ebene Fleischmarmorierungen angenähert werden.

• Extrusions-Komponente: Die Nassextrusion fungiert als "Arbeitstier" der Massenproduktion und kann mehrere Tonnen pro Stunde verarbeiten. Bei diesem Verfahren werden Protein und Wasser vermischt, aufgeschmolzen und durch den Schneckenbereich des Extruders geführt. Nach einem Adapter durchläuft die Proteinschmelze eine verfestigende Kühldüse bei moderaten Temperaturen von bis zu 60 °C, wodurch sich eine charakteristische faserartige Mikrostruktur bildet – eine lamellare Struktur in parabolischer Form, die natürlichen Muskelfasern ähnelt.

Das Herzstück der Technologie ist eine speziell entwickelte Zweistofflochblende, die als Kernstück nach dem Extruder-Adapter eingesetzt wird. Diese innovative Komponente ermöglicht mehrere Funktionen gleichzeitig:

• Sie erzeugt über eine erste Blende die charakteristischen Proteinstränge, die Muskelfaserbündel nachahmen.

• Gleichzeitig wird die fleischähnliche Mikrostruktur entsprechend der konventionellen Extrusion beibehalten.

• Ein sekundärer Materialstrom wird zwischen die Proteinstränge geleitet und gezielt verteilt.

Fleisch detailliert nachbilden

Der sekundäre Strom kann zur Nachbildung des beim Erhitzen von Fleisch abgebauten Bindegewebes mit Fetteinlagerungen genutzt werden, wobei sich die Formulierung flexibel an die Bedürfnisse des Produktdesigners anpassen lässt – von der Textur über die Saftigkeit bis hin zur optischen Marmorierung. Das Verfahren arbeitet dabei auf mehreren Strukturebenen gleichzeitig: Auf Mikroebene entstehen durch die Extrusion die charakteristischen Muskelfasern, auf Makroebene werden durch die Lochblende die Muskelfaserbündel angenähert, und durch die Zwei-Komponenten-Technik wird die realistische Verteilung von Muskel- und Fettgewebe erreicht. Diese mehrstufige Herangehensweise ermöglicht es erstmals, die Präzision des 3D-Drucks mit der industriellen Effizienz der Extrusion zu vereinen und dabei sowohl die Mikrostruktur als auch die Makrostruktur von Fleisch detailliert nachzubilden.

Erste Versuchsergebnisse mit Soja und Gelatine

Für die ersten Versuchsreihen konzentrierten sich die Forscher auf bewährte Materialien: Als Basis für die Proteinstränge kam Sojaproteinisolat mit einem Wassergehalt von 60 Prozent zum Einsatz – ein am Institut etabliertes und gut erforschtes Stoffsystem. Für den Sekundärstrom wählten die Wissenschaftler zu Forschungszwecken zunächst Gelatine, ein Abbauprodukt von Kollagen, das wiederum Hauptbestandteil des natürlichen Bindegewebes ist. Um Fetteinlagerungen im Bindegewebe zu simulieren, wurden zusätzlich Versuche mit dispers in der Gelatinelösung verteiltem Rapsöl durchgeführt. Die Forscher geben zu, dass sie sich bei der Rezeptur bislang bewusst zurückgehalten haben – entsprechend schmeckt das Produkt noch nicht wie Fleisch. „Wir arbeiten vielmehr daran, Möglichkeiten und Grenzen der neuen Technologie aufzuzeigen“, erklärt Laurids Pernice. Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bio- und Lebensmitteltechnik (BLT) vom KIT. Die Variation der Parameter und die Optimierung des Geschmacks sollen Thema zukünftiger Veröffentlichungen werden.

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