Präzisionsfermentation: Wie tierfreies Casein für Käse hergestellt wird
Autor:
Thomas Wiedemann
Veröffentlicht am 28. Mai 2026 · zuletzt aktualisiert am 01. September 2026
Viele pflanzliche Käsealternativen unterscheiden sich beim Schmelzen, Dehnen und bei der Textur noch deutlich von herkömmlichem Käse. Ein wesentlicher Grund dafür ist das fehlende Casein – jenes Milchprotein, das für zahlreiche funktionelle Eigenschaften von Käse verantwortlich ist.
Mithilfe der Präzisionsfermentation lässt sich Casein inzwischen auch ohne Kuhmilch herstellen. Mikroorganismen produzieren dabei gezielt einzelne Milchproteine, die anschließend von den Produktionsorganismen getrennt und als Lebensmittelzutat aufbereitet werden.
Doch die Herstellung der richtigen Aminosäuresequenz allein genügt nicht. Damit sich das erzeugte Casein ähnlich wie natürliches Milchprotein verhält, spielen weitere Faktoren eine wichtige Rolle: unter anderem die Phosphorylierung des Proteins, die Bildung von Casein-Mizellen und die Zusammensetzung des späteren Lebensmittels.
Was ist Präzisionsfermentation?
Fermentation wird seit Jahrtausenden zur Herstellung von Lebensmitteln eingesetzt. Brot, Sauerkraut, Tempeh oder Bier entstehen mithilfe von Mikroorganismen, die vorhandene Ausgangsstoffe umwandeln.
Bei der Präzisionsfermentation werden Mikroorganismen dagegen gezielt darauf programmiert, bestimmte Moleküle herzustellen. Das können beispielsweise Enzyme, Vitamine, Aromastoffe oder einzelne Proteine sein. Einige dieser Verfahren werden in der Lebensmittelindustrie bereits seit Jahrzehnten genutzt.
Für die Herstellung von Milchproteinen wird die genetische Information des gewünschten Proteins ausgewählt oder synthetisch hergestellt. Die Sequenz kann anschließend an den jeweiligen Wirtsorganismus angepasst und in dessen Expressionssystem eingebracht werden. Promotoren steuern dabei die Proteinproduktion; Signalpeptide können dafür sorgen, dass das erzeugte Protein von der Zelle in das umgebende Nährmedium abgegeben wird.
Als Produktionsorganismen kommen unterschiedliche Mikroorganismen infrage. Dazu zählen beispielsweise:
- Bakterien wie Escherichia coli,
- Hefen wie Komagataella phaffii – früher Pichia pastoris – oder Saccharomyces cerevisiae,
- sowie filamentöse Pilze wie Trichoderma reesei oder Aspergillus niger.
Bei Trichoderma reesei handelt es sich nicht um eine Hefe, sondern um einen filamentösen Pilz. Er wird in industriellen Fermentationsprozessen unter anderem wegen seiner hohen Fähigkeit zur Abgabe von Proteinen eingesetzt. Unter industriellen Bedingungen wurden Sekretionsleistungen von mehr als 100 Gramm Protein pro Liter beschrieben (Saloheimo & Pakula, 2012).
Wie entsteht das gewünschte Protein?
Der eigentliche Produktionsprozess lässt sich vereinfacht in drei Schritte unterteilen:
- Auswahl und Einbringung der Proteinsequenz: Die für das gewünschte Milchprotein codierende Sequenz wird für den jeweiligen Wirtsorganismus optimiert und in ein geeignetes Expressionssystem eingebracht.
- Kultivierung im Bioreaktor: Die Mikroorganismen wachsen unter kontrollierten Bedingungen. Sie erhalten unter anderem eine Kohlenstoffquelle, Stickstoff, Mineralstoffe und weitere notwendige Nährstoffe. Temperatur, Sauerstoffversorgung und pH-Wert werden überwacht.
- Abtrennung und Aufreinigung: Nach der Fermentation wird das Zielprotein von den Mikroorganismen und den übrigen Bestandteilen der Fermentationsbrühe getrennt, konzentriert und gereinigt.
Das Endprodukt besteht somit nicht aus den gentechnisch veränderten Mikroorganismen selbst, sondern aus dem von ihnen erzeugten und anschließend aufbereiteten Protein. Wie aufwendig die Reinigung ausfällt, hängt unter anderem vom Wirtsorganismus, der Konzentration des Zielproteins und den Anforderungen an das fertige Lebensmittel ab.
Warum ist Casein für Käse so wichtig?
Casein ist nicht nur ein Nährstoff, sondern zugleich ein funktioneller Bestandteil der Milch. In Kuhmilch liegen verschiedene Caseinarten vor: αS1-, αS2-, β- und κ-Casein. Gemeinsam mit Calcium, Phosphat und Wasser bilden sie komplexe Strukturen, die als Casein-Mizellen bezeichnet werden.
Diese Mizellen sind für die Herstellung vieler Milchprodukte von zentraler Bedeutung. Sie beeinflussen unter anderem:
- die Bindung von Wasser und Fett,
- die Emulgierung,
- die Gerinnung durch Lab oder Säure,
- die Ausbildung einer elastischen Proteinstruktur
- sowie die Textur des fertigen Käses.
Pflanzliche Proteine aus Soja, Erbsen, Cashewkernen oder anderen Rohstoffen können ernährungsphysiologisch wertvoll sein. Sie bilden jedoch nicht automatisch dieselben Strukturen wie Casein. Deshalb lassen sich bestimmte Eigenschaften von Kuhmilchkäse mit ausschließlich pflanzlichen Proteinen bislang nur begrenzt nachbilden.
Bedeutet eine identische Aminosäuresequenz automatisch identisches Casein?
Nein. Genau an dieser Stelle liegt eine der wichtigsten wissenschaftlichen Herausforderungen.
Ein mittels Präzisionsfermentation erzeugtes Casein kann dieselbe oder eine weitgehend übereinstimmende Aminosäuresequenz wie bovines Casein besitzen. Das bedeutet jedoch nicht automatisch, dass auch alle späteren Veränderungen des Proteins identisch sind.
Caseine sind Phosphoproteine. Nach ihrer Herstellung werden an bestimmten Stellen Phosphatgruppen angefügt. Diese sogenannte Phosphorylierung beeinflusst unter anderem die Bindung von Calcium, die Stabilität des Proteins, die Mizellbildung und die Gelierung.
Mikroorganismen führen solche nachträglichen Proteinveränderungen je nach verwendetem Expressionssystem anders aus als Säugetierzellen. Ein rekombinant erzeugtes Casein kann daher zwar die gewünschte Aminosäuresequenz besitzen, sich aber beim Phosphorylierungsgrad oder bei anderen Proteinformen vom natürlichen Vorbild unterscheiden.
Eine Untersuchung von Che et al. (2025) verdeutlicht die funktionelle Bedeutung der Phosphorylierung. Die Forschenden entfernten bei aus Kuhmilch gewonnenen Caseinen enzymatisch unterschiedlich viele Phosphatgruppen. Vollständig dephosphorylierte Caseine bildeten kaum noch Mizellstrukturen, banden weniger Calcium und zeigten keine normale säurebedingte Gelierung.
Die Untersuchung verwendete dabei bovine Caseine als Modell und nicht unmittelbar mikrobiell erzeugtes Casein. Die Ergebnisse zeigen jedoch, weshalb eine identische Proteinsequenz allein noch keine vollständig identische Funktion garantiert.
Warum müssen Casein-Mizellen nachgebildet werden?
Natürliches Casein liegt in Milch nicht als isoliertes Einzelprotein vor. Für bestimmte Anwendungen müssen daher auch bei tierfrei erzeugtem Casein Strukturen hergestellt werden, die den natürlichen Casein-Mizellen funktionell möglichst nahekommen.
Eine Möglichkeit besteht darin, verschiedene Caseine unter kontrollierten Bedingungen mit Calcium, Phosphat und weiteren Mineralsalzen zusammenzuführen. Die Bildung solcher künstlichen Casein-Mizellen wird heute als ein von Calciumphosphat angetriebener Phasentrennungsprozess in Gegenwart von Casein beschrieben.
Das bislang häufig verwendete tropfenweise Vermischen von Casein- und Salzlösungen ist allerdings vergleichsweise langsam und möglicherweise schwer auf einen industriellen Maßstab zu übertragen. Antuma et al. (2024) untersuchten deshalb alternative Verfahren auf Grundlage von Vakuumverdampfung und Membranprozessen. Damit konnten künstliche Casein-Mizellen kontinuierlicher und effizienter hergestellt werden.
Die Eigenschaften der entstandenen Mizellen hingen jedoch weiterhin von den genauen Prozessbedingungen ab. Dazu gehörten unter anderem die Zusammensetzung, die Dauer der Mizellbildung und die zur Verfügung stehende Oberfläche.
Funktioniert tierfreies Casein bereits in Käse?
Der bisher am besten dokumentierte Anwendungsbereich sind Mozzarella-ähnliche Käsealternativen. Ein 2023 erteiltes Patent beschreibt Formulierungen mit rekombinantem αS1-Casein, die beim Erhitzen käsetypische Eigenschaften wie Schmelzen, Dehnbarkeit und Elastizität entwickeln können (Radman, 2023).
Bemerkenswert ist, dass in dem Patent auch ein nicht phosphoryliertes rekombinantes αS1-Casein eingesetzt wurde. Das zeigt, dass einzelne funktionelle Eigenschaften nicht ausschließlich durch die vollständige Nachbildung natürlicher Casein-Mizellen entstehen müssen. Auch die übrige Rezeptur – beispielsweise Fett, Wasser, Mineralstoffe, Säuregrad und weitere strukturgebende Zutaten – beeinflusst das Verhalten des fertigen Produkts.
Aus einem Patent lässt sich allerdings noch nicht ableiten, dass alle beschriebenen Verfahren bereits unabhängig bestätigt oder im großen industriellen Maßstab etabliert sind. Patente dokumentieren technische Ansätze, ersetzen jedoch keine umfassende wissenschaftliche oder kommerzielle Validierung.
Für lang gereifte Hartkäse ist die Datenlage noch deutlich begrenzter. Ob sich mithilfe von Präzisionsfermentation auch komplexe Reifungsprozesse mit mehrmonatiger Proteolyse, Aromaentwicklung und stabiler Texturbildung zuverlässig nachbilden lassen, ist bislang nicht ausreichend belegt.
Wichtiger Hinweis für Menschen mit Kuhmilchallergie
Tierfrei erzeugtes Casein bleibt ein Milchprotein. Die für allergische Reaktionen verantwortlichen Proteinstrukturen können auch dann vorhanden sein, wenn das Casein von Mikroorganismen und nicht von einer Kuh produziert wurde.
Lebensmittel mit rekombinantem Casein sind deshalb für Menschen mit einer IgE-vermittelten Kuhmilchproteinallergie grundsätzlich nicht als sichere Alternative anzusehen. Die Abwesenheit von Kuhmilch als Rohstoff bedeutet nicht, dass das Endprodukt frei von Milchallergenen ist.
Davon zu unterscheiden ist eine Laktoseintoleranz. Reines, fermentativ erzeugtes Casein enthält nicht automatisch Milchzucker. Ob ein konkretes Endprodukt laktosefrei ist, hängt jedoch von seiner vollständigen Zusammensetzung und Herstellung ab.
Wie weit ist die Marktreife fortgeschritten?
Der grundsätzliche Machbarkeitsnachweis für fermentativ erzeugte Milchproteine ist erbracht. Zwischen einer erfolgreichen Proteinproduktion im Labor und einer wirtschaftlichen Lebensmittelherstellung im großen Maßstab liegen jedoch weitere Herausforderungen.
Beim sogenannten Upstream-Processing geht es vor allem um die Kultivierung der Mikroorganismen und die Skalierung der Bioreaktoren. Das Downstream-Processing umfasst dagegen die Abtrennung, Reinigung, Konzentration und weitere Aufbereitung des erzeugten Proteins. Beide Bereiche beeinflussen Produktionskosten, Reinheit, Energiebedarf und Ausbeute.
In den Vereinigten Staaten erklärte das Unternehmen New Culture sein fermentativ erzeugtes Casein im Jahr 2024 auf Grundlage einer externen Begutachtung selbst als GRAS – „Generally Recognized as Safe“. Eine solche Self-GRAS-Feststellung ist nicht mit einer eigenständigen Zulassung oder einem „No Questions Letter“ der US-amerikanischen Food and Drug Administration gleichzusetzen. New Culture kündigte an, die FDA anschließend über die Bewertung informieren zu wollen.
Für ein von Formo und NewMilkBuzz entwickeltes rekombinantes αS1-Casein wurde bei der FDA inzwischen die GRAS Notice 1312 eingereicht. Das Protein wird mithilfe von Escherichia coli DSM 35603 hergestellt und soll mit einem Anteil von bis zu 25 Gramm pro 100 Gramm in Käsealternativen eingesetzt werden. Der FDA-Prüfstatus ist mit Stand September 2026 weiterhin als „Pending“ ausgewiesen.
Wie sieht die Situation in der Europäischen Union aus?
In der Europäischen Union können durch Präzisionsfermentation erzeugte Lebensmittelbestandteile unter die Novel-Food-Verordnung fallen. Für eine Zulassung müssen unter anderem der Herstellungsprozess, die Zusammensetzung, vorgesehene Verwendungsmengen, toxikologische Daten, mögliche ernährungsphysiologische Auswirkungen und die Allergenität bewertet werden.
Eine Analyse von 292 Novel-Food-Anträgen, die zwischen 2018 und 2024 bei der Europäischen Behörde für Lebensmittelsicherheit eingereicht wurden, ermittelte für den Zeitraum von der Einreichung bis zur Veröffentlichung der EFSA-Stellungnahme eine durchschnittliche Dauer von 2,56 ± 1,19 Jahren (Le Bloch et al., 2025).
Dieser Mittelwert bezieht sich auf Novel-Food-Anträge insgesamt und nicht speziell auf fermentativ erzeugtes Casein. Die tatsächliche Verfahrensdauer kann je nach Vollständigkeit der Unterlagen, zusätzlichen Datenanforderungen und Komplexität des Produkts deutlich abweichen.
Parallel investieren Unternehmen und öffentliche Finanzierungsinstitutionen in den Ausbau der Technologie. Im Januar 2025 gab die Europäische Investitionsbank einen Kredit über 35 Millionen Euro für das Berliner Unternehmen Formo bekannt. Das Kapital soll unter anderem zur Weiterentwicklung und Skalierung seiner Fermentationsverfahren beitragen.
Wie nachhaltig ist Präzisionsfermentation?
Präzisionsfermentation besitzt grundsätzlich das Potenzial, den Flächenbedarf und bestimmte weitere Umweltwirkungen gegenüber der konventionellen Erzeugung tierischer Proteine deutlich zu reduzieren. Da keine Tiere gehalten und keine großen Futtermengen produziert werden müssen, entfallen mehrere ressourcenintensive Stufen der traditionellen Tierhaltung.
Wie günstig die Umweltbilanz tatsächlich ausfällt, hängt jedoch stark vom jeweiligen Produktionssystem ab. Wichtige Einflussfaktoren sind unter anderem:
- die Produktivität des verwendeten Mikroorganismus,
- die Konzentration des Zielproteins in der Fermentationsbrühe,
- die eingesetzte Kohlenstoff- und Stickstoffquelle,
- der Energiebedarf für Belüftung, Kühlung und Sterilisation,
- der Aufwand für Abtrennung und Reinigung
- sowie der verwendete Strommix.
Modellbasierte Lebenszyklusanalysen weisen darauf hin, dass fermentativ erzeugte Milchproteine insbesondere beim Flächenverbrauch Vorteile erreichen können. Zugleich können Energiebedarf und Stromerzeugung einen erheblichen Einfluss auf Treibhausgasemissionen und andere Umweltwirkungen haben (Behm et al., 2022).
Eine pauschale Aussage, Präzisionsfermentation sei unabhängig vom jeweiligen Verfahren grundsätzlich umweltfreundlicher als konventionelle Milcherzeugung, wäre deshalb nicht gerechtfertigt. Für eine belastbare Bewertung müssen das konkrete Protein, der Produktionsmaßstab, die Ausbeute, die Aufreinigung und die Energieversorgung gemeinsam betrachtet werden.
Fazit
Präzisionsfermentation ermöglicht es, Casein ohne Kuhmilch mithilfe gezielt veränderter Mikroorganismen herzustellen. Damit könnten Käsealternativen künftig Eigenschaften erreichen, die mit rein pflanzlichen Proteinen bislang nur schwer nachzubilden sind – insbesondere beim Schmelzen, Dehnen und bei der Textur.
Die Technologie ist jedoch komplexer, als es der Begriff „bioidentisches Milchprotein“ zunächst vermuten lässt. Eine identische oder weitgehend übereinstimmende Aminosäuresequenz bedeutet nicht automatisch, dass auch Phosphorylierung, Mizellbildung und Funktion vollständig dem natürlichen Vorbild entsprechen.
Für Mozzarella-ähnliche Produkte liegen bereits technische Nachweise und patentierte Formulierungen vor. Für lang gereifte Hartkäse, eine breit etablierte industrielle Produktion und die Umweltbilanz verschiedener Herstellungsverfahren bestehen dagegen noch offene Fragen.
Präzisionsfermentation ist somit weder bloße Zukunftsmusik noch bereits eine vollständig ausgereifte Universallösung. Sie ist eine technisch weit entwickelte Plattform mit erheblichem Potenzial – deren tatsächlicher Nutzen sich letztlich an Funktionalität, Sicherheit, Skalierbarkeit, Kosten und Umweltwirkung messen lassen muss.
Quellen
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Behm, K., Nappa, M., Aro, N., Welman, A., Ledgard, S., Suomalainen, M., & Hill, J. (2022). Comparison of carbon footprint and water scarcity footprint of milk protein produced by cellular agriculture and the dairy industry. The International Journal of Life Cycle Assessment, 27(8), 1017–1034. https://doi.org/10.1007/s11367-022-02087-0
Che, J., Fan, Z., Bijl, E., Thomsen, J. P. S., Mijakovic, I., Hettinga, K., Poulsen, N. A., & Larsen, L. B. (2025). Unravelling the dominant role of phosphorylation degree in governing the functionality of reassembled casein micelles: Implications for future dairy production through precision fermentation. Food Hydrocolloids, 159, 110615. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110615
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Le Bloch, J., Rouault, M., Langhi, C., Hignard, M., Iriantsoa, V., & Michelet, O. (2025). The novel food evaluation process delays access to food innovation in the European Union. npj Science of Food, 9, 117. https://doi.org/10.1038/s41538-025-00492-x
New Culture. (2024, February 13). “GRAS” for New Culture animal-free casein. https://www.newculture.com/blog/gras-for-new-culture-animal-free-casein/
Radman, I. (2023). Dairy-like compositions and related methods (U.S. Patent No. 11,771,105). U.S. Patent and Trademark Office. https://patents.google.com/patent/US11771105B2/en
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https://www.hfpappexternal.fda.gov/scripts/fdcc/index.cfm?id=1312&set=GRASNotices