D. Lenz
Das (chemische) Verändern von Lebensmitteln beinhaltet eine große Bandbreite an uralten Kulturtechniken. Ziel war es früher vor allem, Speisen und Zutaten länger haltbar zu machen. Doch auch zur Veränderung des Geschmacks oder um bestimmte weitere Erzeugnisse herzustellen, wurden verschiedene Methoden entwickelt. Chemische Vorgänge spielen dabei immer schon eine zentrale Rolle.
Ob beim Herstellen von Käse aus Milch, beim Räuchern oder Pökeln von Fleisch oder beim Einkochen von Obst – stets wirken dabei vielfältige chemische Prozesse mit. So verändern sich Aussehen, Konsistenz oder auch den Geschmack der ursprünglichen Zutaten oder die Haltbarkeit wird entscheidend verlängert. Manchmal entsteht auch ein völlig neues Produkt.
Tatsächlich gibt es aber auch Nahrungsmittel, die unendlich haltbar sind. Durch ihre (chemischen) Eigenschaften sind sie von Vornherein vor negativen Einflüssen und Veränderungen geschützt. Oft sind dabei jedoch auch die passenden Lagerbedingungen entscheidend.
Heute können wir vor allem dank Kühlschrank oder Eistruhe die Haltbarkeitszeit vieler alltäglicher Lebensmittel nach hinten verschieben. Lange vor der Entdeckung der Elektrizität haben Menschen jedoch bereits Verfahren genutzt, Speisen vor dem Verderben zu bewahren.
Beim Verderbungsprozess werden die Produkte durch verschiedene Einflüsse zersetzt:
Durch eine (bio-)chemische Veränderung lässt sich der Verfallsprozess verlangsamen oder gar ganz aufhalten. Sie sorgen etwa dafür, dass sich Bakterien nicht so schnell vermehren können. Teilweise wird dadurch auch der ursprüngliche Geschmack und die Konsistenz verändert und es entstehen ganz neue Aromen.
Vor allem Obst wird gerne unter Zuhilfenahme von Zucker haltbar gemacht. Hierbei wird dem Lebensmittel Feuchtigkeit entzogen. Dafür ist ein Mengenverhältnis von einem Teil Zucker auf einen Teil Obst optimal. Ist der Zuckeranteil niedriger, wird die Haltbarkeitsdauer entsprechend verkürzt. Bei Erzeugnissen, die in der EU in den Handel gebracht werden, gibt es deshalb strenge Vorgaben zu den Inhaltsanteilen und der Verarbeitung. Denn um den Mikroorganismen vollständig die Lebensgrundlage zu entziehen werden meist noch weitere Maßnahmen ergriffen:
Statt der reinen Zugabe von Zucker (Saccharose) kann auch eine konzentrierte Zuckerlösung verwendet werden.
Die bereits enthaltene Fruchtsäure in manchen Säften genügt unter Umständen bereits, dass sich die Säfte lange Zeit aufbewahren lassen. Wichtig ist hierbei jedoch ein luftdichter Verschluss.
Beim Säuern oder sauer einlegen sorgt der veränderte PH-Wert dafür, dass sich Mikroorganismen, die den Verderb vorantreiben nicht ausbreiten können. In der sauren Umgebung fehlt ihnen die Lebensgrundlage. Dieses Verfahren kommt überwiegend bei verschiedenen Gemüsesorten zum Einsatz. Bereits durch den Kontakt mit (essig-)sauren Marinaden können sich Bakterien und Keime deutlich reduzieren lassen, was eine Versuchsreihe zeigte.
Zwar werden die Krankheitserreger erst ab einem Säuregehalt von zwei bis neun Prozent abgetötet, diese Konzentration ist für den Verzehr jedoch viel zu hoch. Geschmacklich akzeptabel sind – unter anderem auch abhängig vom Lebensmittel – Konzentrationen zwischen 0,5 und drei Prozent. Um die Haltbarkeit zusätzlich zu erhöhen, werden auch hier weitere Möglichkeiten genutzt. Kombiniert mit einer Zugabe von Salz, Zucker und/oder dem Erhitzen lassen sich die Lebensmittel dann länger aufbewahren.
Diese Verfahren sind schon seit Jahrhunderten bekannt und in den verschiedensten Kulturkreisen der Welt verbreitet.
Beim Salzen und Pökeln wird dem Lebensmittel gezielt die enthaltene Feuchtigkeit entzogen. Anders als beim bloßen Trocknen geschieht dies auf Basis einer chemischen Diffusion, der sogenannten Osmose. Außerdem wird zum Teil ein Fermentationsprozess angestoßen. Der erhöhte Salzgehalt, die fehlende Feuchtigkeit und auch ein damit einhergehender geringerer Sauerstoffgehalt sorgt hierbei für schlechtere Wachstumsbedingungen für Bakterien und Keime.
Das reine (Ein-)Salzen wird für die Haltbarmachung von Fisch oder auch von Obst und Gemüse eingesetzt. Gerade beim Gemüse setzt dies eine Gärung in Gang, die Aussehen und Geschmack des Lebensmittels noch einmal verändert.
Die Lebensmittel werden entweder mit Salz eingerieben, in loses Salz eingelegt und hierbei etwa geschichtet oder in eine Salzlake gelegt. Dabei zieht das Salz langsam ins Innere vor, bis die Salzkonzentration in den Zellen überall gleich ist. Bei manchen Lebensmitteln beginnt durch das Einsalzen eine Milchsäuregärung – dazu später mehr.
Beim Pökeln werden neben Salz (NaCl) noch weitere Stoffe verwendet:
Proteine im Muskelanteil des Fleisches reagieren mit Stickstoffmonooxid, wobei sich die rote Farbe intensiviert. Darüber hinaus sorgt die Reaktion des Nitrits mit den Aminosäuren im Fleisch für das typische „salzige“ Aroma beim Pökeln, das sich besonders bei Kassler oder Kochschinken zeigt.
Durch den Vorgang der Osmose verteilt sich das Salz gleichmäßig. Beim Entzug der Feuchtigkeit beim Pökeln wird das Fleisch oft sehr fest und hart. Um dies zu verhindern, kann die Salzmischung vorher mit etwas Zucker vermengt werden. Dieser begünstigt den gesamten Pökelprozess, da zusätzlich Nahrung für die Milchsäurebakterien bereitsteht.
Räuchern kommt überwiegend bei der Haltbarmachung von Fleisch und Fisch zum Einsatz. Auch hier verändert sich dabei der Geschmack entscheidend. Teilweise wird ein Produkt auch gezielt wegen dieses charakteristischen Aromas geräuchert.
Die chemischen Vorgänge beim Räucherprozess lassen sich in einzelne Stufen unterteilen. Zunächst wird das jeweilige Produkt meist ebenfalls eingesalzen oder gepökelt. Dann werden sie in einem speziellen Ofen dem Rauch ausgesetzt. Dort findet zunächst ein Trocknungsprozess statt. Der Feuchtigkeitsgehalt sinkt dabei um etwa zehn bis 40 Prozent, was ein Faktor für eine längere Haltbarkeit ist. Je nach Produkt wechseln sich die Phasen in der Räucherkammer mit mehreren Phasen an „frischer“ Luft ab.
Beim Verbrennen oder Verschwelen des Holzes werden verschiedene chemische Verbindungen frei, darunter Ameisensäure, Acetaldehyd, Formaldehyd und Kresole. Für die Konservierung ist vor allem ihre antimikrobielle Wirkung verantwortlich – der zweite wichtige Faktor für eine längere Haltbarkeitsdauer.
Im Rauch sind zudem verschiedene Stoffe enthalten, die dem Räuchergut den charakteristischen Geschmack verleihen. Dazu gehören neben Ruß und feiner Asche auch Harze oder Teer.
Einen entscheidenden Unterschied macht auch die jeweilige Temperatur beim Räuchern. Hier sind zwei Verfahren üblich:
Sowohl beim Pökeln als auch beim Räuchern entstehen chemische Verbindungen und Reaktionsstoffe, die ab einer bestimmten Konzentration als gesundheitlich bedenklich eingestuft werden. Produkte aus dem Handel gelten hier allerdings als bedenkenlos. Beim Pökeln sind es die N-Nitrosamine, die vor sich vor allem bei der Verarbeitung unter hohen Temperaturen bilden können. Beim Räuchern sind es überwiegend die polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Hier wurde noch nicht ausreichend untersucht, welche Bedingungen zu einer erhöhten Konzentration der Stoffe führen können.
Alkohol selbst hat eine keimabtötende Wirkung. So kann verschiedenen Lebensmitteln Alkohol beigemengt werden, um die Haltbarkeit zu erhöhen. Traditionell wird etwa Obst das Jahr über schichtweise in einen Rumtopf eingelegt. Der Alkohol dringt in die Früchte ein und wirkt dem Verderben entgegen. In der Regel wird zudem Zucker hinzugegeben – einerseits für den Geschmack, andererseits, um die Haltbarkeit zusätzlich zu erhöhen.
Die chemischen Vorgänge bei den unterschiedlichen Gärverfahren sind ebenso vielfältig. Bei diesem Fermentationsprozess verändert sich die Zusammensetzung der Lebensmittel durch die Einwirkung von Enzymen, Bakterien oder Pilzen. Zu den wichtigsten Verfahren zählen die Folgenden:
Hier spielen Hefen eine wichtige Rolle. Die speziellen Pilze bauen im Lebensmittel vorhandenen oder hinzugefügten Zucker ab. Dabei entsteht neben Kohlendioxid auch Ethanol – also Alkohol. Dieser hat keimtötende und antimikrobielle Eigenschaften. Entscheiden für die Haltbarkeitsdauer ist ebenfalls die Konzentration.
Bei der alkoholischen Gärung verändert sich vor allem der Geschmack des Lebensmittels. Meist entstehen ganz „neue“ Produkte, wie bei der Herstellung von Wein aus Traubensaft oder beim Bierbrauen.
Bisweilen wird dieser Vorgang ebenfalls zu den Gärprozessen gezählt, obwohl dabei Sauerstoff notwendig ist. Die Bezeichnung als unvollständige Oxidation ist deshalb genauer. Die speziellen Essigsäurebakterien (Acetobacter) wandeln Äthylalkohol in Essigsäure um. Auf diese Weise wird aus alkoholischen Erzeugnissen wie (Apfel-)Most oder Wein Essig hergestellt.
Bei dem Vorgang bilden sich die sogenannten Acetobacter, die mit der Zeit als zähe Schicht sichtbar werden und sich schließlich zu einer Essigmutter weiter verfestigen.
Die Milchsäuregärung spielt bei der Haltbarmachung von Lebensmitteln eine besondere Rolle. Die Milchsäure trägt mit dem niedrigen pH-Wert zur Reduktion von Bakterien im Lebensmittel und damit zur längeren Haltbarkeit bei.
Bei der Gärung verstoffwechseln meist Milchsäurebakterien, bisweilen aber auch spezielle Pilze, die Glukose (Traubenzucker) in Milchsäure und in geringeren Mengen in noch weitere Stoffe um. Die Methode zählt zu den ältesten, die der Mensch gezielt anwendet, um Lebensmittel länger aufbewahren zu können. Die Milchsäuregärung wird beim Einmachen vieler Gemüsesorten durch die Zugabe von Salz angeregt.
Viele Produkte basieren zudem allein auf der chemischen Veränderung der Lebensmittel bei der Milchsäuregärung. Typische Beispiele dafür sind
Ein großer Vorteil bei dem Gärprozess: Es entstehen keine erhöhten Temperaturen. Somit werden empfindliche Inhaltsstoffe wie Vitamine gut erhalten. Manche davon können nach dem Fermentieren zudem vom Körper leichter aufgenommen werden. Zudem wirken sich die Bakterien positiv auf die Darmgesundheit aus.
Beim Fermentieren von (schwarzem) Tee sind spezielle Enzyme beteiligt. Die Blätter werden gequetscht und oxidieren mit Sauerstoff. Dabei verändert sich der Geschmack.
Das typische Aroma von Tabak entsteht hingegen durch eine Fermentierung unter Wärmeeinwirkung. Die Gärung findet bei Temperaturen zwischen 50 und 60 Grad Celsius statt.
Einige Beispiele haben bereits gezeigt, dass die chemische Veränderung der Lebensmittel meist auch mit einem veränderten Geschmack einhergeht. Dies beruht nicht immer ausschließlich durch die Zugabe von Salz oder Zucker oder die Bildung von Säure oder Alkohol.
Vielmehr entstehen oft sehr komplexe Aromen, die dem Lebensmittel einen ganz eigenen charakteristischen Geschmack verleihen. Mitunter werden bei der Verarbeitung gezielt noch weitere Gewürze hinzugegeben. So werden durch Milchsäuregärung auch bei Rohwürsten (z.B. Salami) typische Aromen gebildet.
Ein wichtiger Faktor bei der Aromenbildung ist dabei die Zeit. Es ist klar, dass die Stoffwechselprozesse der beteiligten Mikroorganismen etwas dauern. Je länger der Vorgang andauert, umso höher steigen dabei die Konzentrationen an Säure oder Alkohol. Limitierend wirkt dann schließlich der Zucker- oder Glukosegehalt im Lebensmittel. Ist dieser aufgebraucht, kommt auch der Fermentationsprozess zum Erliegen.
Beim Wein verändert sich der Geschmack und auch die Qualität bisweilen noch stark. Hier sind vielfältige Inhaltsstoffe daran beteiligt. Neben dem Zucker ist es auch der Gerbstoff Tannin, der etwa beim Rotwein das Aroma beeinflusst – je nachdem, wie lange er gelagert wird. Der Kellermeister kann hier noch selbst bestimmte Prozesse gezielt steuern.
Auch die Lagerung nach dem Abfüllen in der Flasche spielt noch eine Rolle. Qualität und Geschmack des Weins hängen somit auch vom richtigen Zeitpunkt ab, zu dem die Flasche entkorkt wird. Die perfekte Trinkreife erreichen Weißweine meist schon recht früh. Bei Rotweinen hingegen entwickeln sich bestimmte Aromen erst nach einigen Jahren der Lagerung.
Bei verschiedenen Käsesorten sorgt der Reifeprozess ebenfalls für eine starke Veränderung des Geschmacks:
Neben der natürlichen Geschmacksbildung bei den Reifeprozessen oder im Rahmen der Haltbarmachung werden Lebensmitteln oft auch gezielt (künstliche) Aromen beigemengt. Auch diese fallen unter Umständen dann in den Bereich der Lebensmittelchemie. Hinzu kommen unzählige weitere Stoffe, die ganz unterschiedliche Wirkungen entfalten können.
Viele natürliche Aromen sind selten oder schwer zu beschaffen und dementsprechend teuer. Hier wird deshalb gerne auf künstliche Ersatzstoffe zurückgegriffen. Die Lebensmitteltechnik und -chemie hat sich dabei zu einem wichtigen Bereich bei der industriellen Herstellung und Vermarktung entwickelt.
Ein gutes Beispiel ist hier künstliches Vanille-Aroma, das eher durch Zufall an der Universität Graz entdeckt wurde. Es kann durch chemische Verfahren aus natürlichen Ausgangsstoffen gewonnen werden.
Zu den Zusatzstoffen, die auf ein besseres Aroma abzielen, zählen zudem die sogenannten Geschmacksverstärker. Ihre Wirkung beruht häufig auf einer Sensibilisierung der Geschmacksrezeptoren, vorwiegend auf der Zunge. Ansonsten sind die meisten davon eher geschmacksneutral.
Glutamat ist hier der bekannteste Zusatzstoff. Er ist gleichzeitig besonders in der Kritik und soll verschiedene Krankheitsrisiken begünstigen.
Emulgatoren sorgen dafür, dass sich zwei Stoffe in Nahrungsmitteln miteinander verbinden, die sich sonst aufgrund ihrer Molekülstruktur abstoßen: Wasser und Fett, beziehungsweise entsprechend darin gelöste Zutaten. Auch hier gibt es inzwischen eine lange Liste an teils künstlichen Zusatzstoffen, die als Emulgatoren eingesetzt werden.
Die entsprechenden Stoffe haben sowohl hydrophile (wasserliebende), als auch lipophile (fettfreundliche) Eigenschaften. Die Moleküle des Emulgators treten also als verbindendes Element auf, an denen sowohl Fett- als auch Wassermoleküle andocken können. In manchen Fällen ist die Vermischung nicht dauerhaft und muss durch mechanische Einwirkung (z.B. Schütteln) erneut erzeugt werden.
Um Lebensmitteln eine kräftigere oder andere Farbe zu geben, können sowohl natürliche als auch künstliche Farbstoffe eingesetzt werden. Natürliche Farbstoffe gelten dabei meist als unbedenklich:
Dies sind nur einzelne Beispiele. Auf die Haltbarkeit haben Farbstoffe in der Regel keinen Einfluss.
Geliermittel dienen dazu, die Konsistenz verschiedener Lebensmittel zu verändern oder werden bei der Verarbeitung eingesetzt. Sie können aus ganz verschiedenen Ausgangsstoffen stammen. Zu den bekanntesten zählen die folgenden Drei:
Die Geliermittel werden mitunter nicht nur zum Gelieren (Marmelade, Pudding, Geleefrüchte, uvm.) eingesetzt, sondern auch als Verdickungsmittel. So stabilisieren sie die Konsistenz vieler Lebensmittel.
Eine Besonderheit bei der Lebensmittelverarbeitung stellt die sogenannte Molekularküche dar. Hier wird bei der Zubereitung von Speisen gezielt auf die (chemische) Veränderung der gewohnten Strukturen gesetzt. Die Ergebnisse überraschen dann mit unerwarteten Aromen, Texturen oder ganz neuen Wahrnehmungseindrücken.
Typisch für die Molekularküche ist das Spiel mit Gegensätzen. Ursprünglich feste Substanzen werden als Schaum oder Gelee präsentiert. Eis kann durch ein spezielles Verfahren heiß dargereicht werden. Typische Verfahren, die in der Molekularküche eingesetzt werden, sind etwa auch Destillieren, Emulgieren oder Extrahieren. Dabei werden etwa einzelne Aromen isoliert und an anderer Stelle wieder eingesetzt.
Chemische Vorgänge sind seit Urzeiten bei der Be- und Verarbeitung von Lebensmitteln beteiligt. Heute sind die Zusammenhänge dazu weitestgehend erforscht und lassen sich sehr gezielt steuern. Die Lebensmitteltechnik selbst hat sich dabei zu einem unverzichtbaren Teil bei der industriellen Produktion von Nahrungsmitteln entwickelt. Die Bandbreite an Möglichkeiten wird dabei stetig ausgebaut.
