Optimierung und Hochskalierung der Produktion von natürlichen Farbstoffen aus Basidiomycota und Anwendungen in Lebensmitteln
Projektdurchführung
Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU)
Institut für Lebensmittelchemie und
Lebensmittelbiotechnologie (LCB)
Heinrich-Buff-Ring 17
35392 Gießen
Zielsetzung
Das Ziel des Vorhabens ist die kostengünstige Produktion von natürlichen, hitzestabilen, roten und gelben Farbstoffen mittels filamentösen Basidiomycota zur Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Im Gegensatz zur Extraktion von natürlichen, roten Farbstoffen aus Lebensmitteln, wird in dem avisierten Projekt der innovative Ansatz der fermentativen Produktion im technischen Maßstab realisiert. Der Klimawandel wird die Produktion kaum beeinträchtigen, was die Verwendung von Naturfarben aus Pilzen zu einer idealen Zukunftstechnologie macht. Da die roten Farbstoffe hitze-, oxidations- und reduktionsmittelstabil sind, stellen sie eine attraktive Alternative zu synthetischen Farbstoffen dar. Die Nachhaltigkeit des neu entwickelten Prozesses soll durch Hochskalierung der Produktionen im Technikumsmaßstab in Kombination mit initialen Untersuchungen zur Kaskadennutzung dargestellt werden.
Arbeitsschritte
Im Projekt „Optimierung und Hochskalierung der Produktion von natürlichen Farbstoffen aus Basidiomycota und Anwendungen in Lebensmitteln“ wird ein innovativer Ansatz zur nachhaltigen Gewinnung natürlicher, roter Farbstoffe aus Basidiomycota (Ständerpilzen) verfolgt. Ziel ist es, hitzestabile Farbstoffe fermentativ zu produzieren und damit synthetische Farbstoffe sowie die extraktive Nutzung von Lebensmitteln zu ersetzen. Die Herstellung erfolgt wetterunabhängig in Bioreaktoren und benötigt keine landwirtschaftliche Nutzfläche – ein Vorteil für resiliente, nachhaltige Lieferketten.
Das Projekt folgt einem ganzheitlichen, interdisziplinären Vorgehen: Zunächst werden die Kulturbedingungen für drei Pilzstämme im Labormaßstab optimiert. Neben klassischen Parametern wie pH-Wert, Temperatur und Nährstoffzusammensetzung wird der Einfluss von Lichtintensität und -qualität auf die Farbstoffbildung untersucht. Im Sinne der Circular Economy werden zudem Lebensmittelnebenströme (z. B. Filtrate aus der Produktion färbender Lebensmittel oder Melasse) als alternative Substrate evaluiert. Verfahrenstechnisch stehen Untersuchungen zu Scherbelastung, Begasung und Sauerstoffeintrag im Fokus.
Die besten Parameter sollen auf größere Reaktorsysteme übertragen werden, um die Skalierbarkeit des Verfahrens zu demonstrieren. Zur praxisnahen Erprobung werden verschiedene Modelllebensmittel – darunter Ultrahocherhitzte-(UHT)-Erdbeermilch, Fruchtgummis und Fleischanaloga – mit den pilzlichen Farbstoffen eingefärbt und hinsichtlich Stabilität und sensorischer Akzeptanz analysiert. Sollten Farbveränderungen auftreten, werden diese mittels Flüssigchromatographie gekoppelte Massenspektrometrie (LC-MS) aufgeklärt.
Eine begleitende Lebenszyklusanalyse (LCA) sowie Untersuchungen zum Biogaspotenzial der Fermentationsrückstände ergänzen die Bewertung der ökologischen Nachhaltigkeit des Gesamtprozesses.
Ergebnisse
Innerhalb des Projekts konnte gezeigt werden, dass Lebensmittelnebenprodukte bislang nur in geringem Umfang zur Produktion roter und gelber Farbstoffe beitragen. Unter optimierten Kultivierungsbedingungen ist jedoch eine Ausbeute um bis zu fünfmal zu steigern. Die Belichtung der Pilze führte zu unterschiedlichen Ergebnissen: bei einigen Spezies wurden Effekte beobachtet, die eine Steigerung der Farbstoffproduktion ermöglichen, während bei anderen Spezies ein inhibierender Effekt zu verzeichnen war. Erste Modelle zur metabolischen Aktivität und zu Limitationen durch den Sauerstofftransport wurden erstellt und müssen noch validiert werden.
Öffentlichkeitsarbeit
Im Rahmen des Projekts wurden Ergebnisse in zwei Vorträgen vorgestellt:
1. From Microbes to Metabolites – Integrating Multi‑Omics, Computational Prediction, and Structural Elucidation to Decipher Molecular Structures & Biosynthetic Pathways, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Institute of Food Science and Technology, Peking, am 28.04.2026, Dr. Martin Gand
2. Biotechnologische Verfahren in der Anwendung, bei dem 18. Wissenschaftstag der Metropolenregion Nürnberg, 11. 07.2025, Prof. Dr. Christoph Lindenberger.
Zusätzlich wurden auf nationalen und internationalen Konferenzen drei Poster vorgestellt.
1.Wengner FV, Kandaswamy S, Lindenberger C, Bergmann P, Gand M, (2026) Investigation of light-induced colorant production by Pycnoporus cinnabarinus. DECHEMA Young-Talents-Day Biotechnology 2026, Frankfurt
2.Kandaswamy S, Gong Q, Gand M, Lindenberger C, (2026) Light-regulated optimization of Hispidin biosynthesis and biomass production in Inonotus hispidus submerged culture. ICCBS 2026, Tokio
3.Wengner FV, Kandaswamy S, Lindenberger C, Bergmann P, Gand M, (2025) Optimierung der Medienzusammensetzung für die Kultivierung von Laetiporus sulphureus in Hinblick auf die Farbstoffbildung, Lebensmittelchemietage 2025, Halle
Fazit
Das Vorhaben hat die Herstellung roter und gelber Farbstoffe aus filamentösen Basidiomycota erfolgreich demonstriert und damit einen ersten Ansatz für den Ersatz für synthetische Farbstoffe geschaffen. Durch die Durch die Variation von Labormaßstäben und Bioreaktorenbedingungen wurden optimale Kulturbedingungen – pH, Temperatur, Nährstoff‑ und Lichtparameter – definiert, die die Ausbeute um bis zu fünfmal steigern. Lebensmittelnebenströme als alternative Substrate konnten bisher nur geringfügig als ressourcenschonende Ausgangsmaterialien genutzt werden.
Die ersten theoretischen Modelle für die metabolischer Aktivität und den Sauerstofftransport begründen weitere Validierungsstudien, während für die Anwendung im Lebensmittelbereich die praktische Relevanz noch weiter untersucht werden muss. Die LCA und Untersuchungen zum Biogaspotenzial müssen noch durchgeführt werden, um die ökologische Bilanz und den Prozess als Zukunftstechnologie hervorzuheben. Öffentlich wird die Arbeit über Vorträge, Poster und Konferenzbeiträge sichtbar gemacht, wodurch ein Austausch mit der Fachwelt gefördert wird. In Summe liefert das Projekt einen Ansatz zur zukunftsfähigen und klimafreundlichen Gewinnung natürlicher Lebensmittelfarbstoffe.