Konservierung von Lebensmitteln

Konservierung von Lebensmitteln

 

Gesetzlich vorgeschrieben ist eine Konservierung von Lebensmitteln generell nicht. Auch welche Methode der Haltbarmachung ein Hersteller wählt, bleibt diesem, abgesehen von einigen Konservierungsmitteln, im Wesentlichen selbst überlassen. Da aber eine möglichst lange Haltbarkeit im Interesse der Produzenten, Händler und auch Konsumenten liegt und der Aspekt der Naturbelassenheit zumeist dahinter zurücktritt, sind die Hersteller bemüht, Verderblichkeit und Frischeverlust von Lebensmitteln so weit wie möglich zu reduzieren.

 

Warum verdirbt Nahrung? Dafür gibt es mehrere Ursachen. Erstens werden verschiedene Inhaltsstoffe durch Luftsauerstoff und unter Einwirkung von Licht oxidiert. Zweitens sind in den meisten Lebensmitteln Enzyme enthalten, eiweißhaltige Stoffe, ohne die Wachstum und Reifung nicht möglich wären, die aber Qualitätseinbußen während der Lagerung verursachen können. Drittens bewirken manche Mikroorganismen, also Bakterien, Hefen und Schimmelpilze, dass Nahrung ungenießbar wird, sei es des Geschmacks, des Geruchs oder des Giftstoffgehalts wegen. Diese Aspekte gehen nicht immer Hand in Hand.

 

Mikroorganismen sind allgegenwärtig, aber mit bloßem Auge nicht oder kaum erkennbar. Sie bauen Nährstoffe ab, vermehren sich dabei und hinterlassen Ausscheidungen. Je nach Genießbarkeit und Wert oder Toxizität dieser Stoffwechselprodukte lassen sich die Mikroorganismen als unschädlich, nützlich oder schädlich klassifizieren. Vor allem die schädlichen sind für verdorbene Speisen verantwortlich; einige Spezies können sogar Lebensmittelvergiftungen hervorrufen. Für Mikroorganismen gilt, dass sie im Allgemeinen zwischen fünf und 63 Grad Celsius (ºC) lebens- und vermehrungsfähig sind. Ober- und unterhalb dieser Grenzen stellen die meisten ihre Aktivität ein oder gehen sogar zugrunde. Um die Frische eines Lebensmittels während Transport und Lagerung zu bewahren, müssen nicht nur die unerwünschten Aktivitäten von Mikroorganismen und Enzymen unterbunden werden, sondern es ist darüber hinaus erforderlich, den gewünschten Feuchtigkeitsgehalt, die Konsistenz sowie flüchtige und empfindliche Aromastoffe zu erhalten. Indem man schädliche Prozesse ausschaltet oder bremst, lässt sich die Haltbarkeit von Lebensmitteln enorm verlängern. Freilich verändert jede konservierende Maßnahme das Lebensmittel in seiner Zusammensetzung und Struktur, was beispielsweise bei empfindlichen Nährstoffen, insbesondere bei den Vitaminen A, B₁, B₁₂, C, D und E, sowie Aromastoffen einen Nachteil darstellt. Allerdings nimmt der Vitamingehalt erntefrischer Lebensmittel bei einer Lagerung ohne besondere Schutzmaßnahmen so rasch ab, dass bereits nach zwei bis drei Tagen die Werte unterschritten werden, welche bei einer sachgerechten Konservierung lange Zeit erhalten bleiben. Bei manchen der Konservierung dienenden Herstellungsprozessen wie der Säuerung durch Gärung werden sogar neue oder leichter verdauliche Nährstoffe geschaffen. Nachteilige Wirkungen von Konservierungsstoffen und -maßnahmen nimmt man schon deswegen bereitwillig in Kauf, weil sonst ein großes Risiko von Lebensmittelvergiftungen bestünde.

 

Der wissenschaftliche Hintergrund für Verderblichkeit und Konservierung wurde zwar erst im 19. Jahrhundert entdeckt, aber Methoden zur Haltbarmachung von Lebensmitteln sind schon seit prähistorischen Zeiten bekannt. Zu den ältesten Verfahren gehören das Trocknen, die kühle Aufbewahrung und die Fermentierung. Dörrfleisch diente schon den Jägern und Sammlern als Nahrungsreserve. Bereits im alten Ägypten und in Mesopotamien erfreuten sich gegorene Getränke großer Beliebtheit, und auch Käse wurde schon damals hergestellt; der gemeinsame Vorteil besteht darin, dass sowohl Käse als auch Wein länger haltbar sind als die Rohprodukte Milch und Traubensaft. Die Tiefkühlung zur Konservierung von Fleisch und Fisch ist den Eskimos seit Urzeiten vertraut.

 

 Kälte

 

Bei tiefen Temperaturen laufen Lebensvorgänge im Zeitlupentempo ab. Der Verderb von Lebensmitteln lässt sich durch Kühlen zwar nicht völlig verhindern, zumindest aber hinauszögern, und zwar umso länger, je tiefer die Temperatur ist. In früheren Zeiten dienten Eiskeller zur Lagerung von verderblicher Ware, das erforderliche Eis wurde in den warmen Monaten aus nördlichen Ländern geliefert. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts ist die Erzeugung künstlicher Kälte möglich. Heute sind Kühlschränke und -truhen in den Haushalten eine Selbstverständlichkeit. In den Geschäften sind Kühltheken für den Verkauf und Kühlräume für die Lagerung eingerichtet, mit verschiedenen Temperaturzonen für die individuellen Kühlbedürfnisse der Lebensmittel. Zum Transport stehen Kühlfahrzeuge und -container zur Verfügung, so dass sich eine lückenlose Kühlkette gewährleisten lässt. Ein Problem bei gekühlter Lagerung zwischen 0 und 12 ºC besteht in der allmählichen Austrocknung des Kühlgutes, was sich besonders bei Obst und Gemüse unangenehm bemerkbar macht. Um bei diesen Produkten mit geringerer Kühlung auszukommen und so die Dehydratation zu vermindern, lagert man sie industriell unter einer kohlendioxidreichen und sauerstoffarmen Atmosphäre, welche die Reifung verzögert (CA-Lagerung, CA = controlled atmosphere).

 

Lebensmittel beginnen meist zwischen 0 und —4 ºC zu gefrieren, abhängig von der Art und Menge der im enthaltenen Wasser gelösten Inhaltsstoffe. Die Geschwindigkeit des Gefriervorgangs hängt davon ab, wie gut das kühlende Medium die Lebensmitteloberfläche erreicht und wie tief dessen Temperatur ist. Sinngemäß Gleiches gilt für das Auftauen, das jedoch im Allgemeinen bei ansonsten gleichen Bedingungen etwa viermal langsamer vor sich geht.

 

Die konservierende Wirkung von Tiefkühlung (—10 bis —30 ºC) beruht zum einen auf der Verlangsamung chemischer, insbesondere biochemischer Reaktionen, zum anderen darauf, dass den Mikroorganismen das Wasser durch Eisbildung entzogen wird. Problematisch ist, dass sich Wasser beim Gefrieren ausdehnt und zudem nadelförmige Eiskristalle entstehen, die, wenn sie zu groß werden, die Zellwände, etwa von Früchten, zerstören. Beim Auftauen gehen dadurch Form und Konsistenz verloren. Darüber hinaus setzen die verletzten Membranen, Organellen und Vesikel Enzyme frei, deren Wirkungsbereich zuvor eng begrenzt war und die nun anderenorts zu Qualitätsminderungen führen können. Aus diesem Grund muss durch rasches Abkühlen dafür gesorgt werden, dass die Kristalle klein bleiben. Möglich ist dies durch Schockgefrieren mit kalten Gasen, etwa aus flüssigem Stickstoff (—196 ºC) oder festem Kohlendioxid (—76 ºC). Das Wiedereinfrieren von auf- oder angetautem Kühlgut ist wegen der damit verbundenen Vergrößerung der Kristalle sowie aus hygienischen Gründen problematisch. Eine Lagerung bei ununterbrochen ausreichend tiefer Temperatur ist daher erforderlich.

 

Tiefkühlkost hat in den letzten zwanzig Jahren dank der raschen und bequemen Zubereitung große Marktanteile erobert, eine Entwicklung, die sich noch fortsetzt. Während vor einiger Zeit noch vorwiegend einzelne Komponenten einer Mahlzeit tiefgekühlt erhältlich waren, so besteht heute ein deutlicher Trend zu tiefgefrorenen Komplettgerichten wie fertig belegten Pizzen oder Baguettes.

 

 Trocknen

 

Eine weitere Methode, Stoffwechselvorgänge zu unterdrücken, besteht darin, den Organismen Wasser zu entziehen. Bakterien und Hefen benötigen in ihrem Lebensraum mindestens 30 Prozent Feuchtigkeit, um zu gedeihen, Schimmel kommt mit nur 16 Prozent aus. Einige Schimmelarten wachsen sogar noch bei nur fünf Prozent Feuchte. Manche Bakterien überstehen Trockenperioden, indem sie Sporen bilden, die äußerst widerstandsfähig sind.

 

Neben der verlängerten Haltbarkeit besteht ein zusätzlicher Vorteil getrockneter Lebensmittel in ihrem geringeren Gewicht und Volumen. Lebensmittel können im Prinzip durch bloßes Aufbewahren an trockener Luft getrocknet werden. Das Wasser verdunstet dabei aber sehr langsam und nicht weitgehend genug. Daher sorgt man durch Hitzeeinwirkung in Form von heißer, trockener Luft oder durch Wärmestrahlung dafür, dass das Wasser rasch und möglichst vollständig verdampft. Die Trocknung eines Lebensmittels verläuft von außen nach innen. Zunächst verdunstet die an der Oberfläche befindliche Flüssigkeit. Danach folgt das in den Kapillaren und Poren vorhandene Wasser, was bereits deutlich langsamer vor sich geht. Chemisch gebundenes Wasser ist mit den Mitteln der Lebensmitteltrocknung kaum zu entfernen.

 

Bei den thermischen Trocknungstechniken unterscheidet man Konvektions-, Strahlungs- und Kontakttrocknung. Zur Konvektionstrocknung leitet man einen heißen, trockenen Luftstrom über oder durch das Trockengut. Die Erhitzung einer dünnen, feuchten Schicht mithilfe von Infrarotstrahlung ist ein Beispiel für Strahlungstrocknung. Zusätzlich lässt man dabei Luft über die Oberfläche des Trockenguts strömen oder bewegt es, um das Entweichen der Feuchtigkeit zu erleichtern und um örtliche Überhitzung zu vermeiden. Bei der Kontakttrocknung wird die Wärme von einer beheizten Fläche direkt auf das Trockengut übertragen, das dabei zur Durchmischung stets in Bewegung gehalten wird.

 

Pulverförmige Lebensmittel werden durch Sprühtrocknung hergestellt. Dazu dickt man die zunächst als Flüssigkeiten vorliegenden Lebensmittel zu Konzentraten ein. Hierzu dienen meist Rohrbündel- oder Plattenverdampfer. In diesen wird ein flüssiges Produkt in indirekten Kontakt mit Heißdampf gebracht und eingedampft. Die Hitze wird über eine Edelstahlwand übertragen, die sich zwischen dem flüssigen Lebensmittel und dem Heißdampf befindet. Bei Rohrbündelverdampfern umströmt der Dampf Röhren, in denen die einzudampfende Flüssigkeit im Verlauf der Erhitzung zu sieden beginnt. Plattenverdampfer hingegen bestehen aus mehreren hintereinander geschalteten Edelstahlprofilblechen, durch deren Zwischenräume abwechselnd entweder Heißdampf oder Flüssigkeit strömt. Die aus der Flüssigkeit entweichenden, Brüden genannten Dämpfe werden anschließend kondensiert. Wertvolle Aromastoffe, welche die Brüden gegebenenfalls mit sich führen, lassen sich aus dem Kondensat rückgewinnen.

 

Auch durch Membranverfahren lassen sich Lösungen konzentrieren. Dabei wird das Wasser — vereinfachend dargestellt — unter hohem Druck durch eine feinporige Filtrationsmembran gepresst, während sich die gelösten Stoffe in dem entstehenden Konzentrat anreichern. Dies ist schonender und energetisch weniger aufwendig als thermische Verfahren.

 

Die eingedickte Lösung, sei es ein Konzentrat von Kaffee, Zuckerlösung, Milch oder Fleischbrühe, kann nun zu Pulver weiterverarbeitet werden. Das übliche Trocknungverfahren ist hier die Sprühtrocknung. Sie beruht auf Oberflächenvergrößerung durch Zerteilung in feine Tröpfchen, die mithilfe eines schnell rotierenden Zerstäuberrades oder einer Düse am oberen Ende des Trockenturms erzeugt und durch einen Heißluftstrom in Spiralbahnen abwärts transportiert werden. Das Wasser verdampft dabei und wird zusammen mit der Abluft abgesaugt. Solange das Produkt noch Wasser enthält, ist es vor übermäßiger thermischer Belastung geschützt, da die Verdunstung die Produktoberfläche kühlt. Im unteren Bereich des sich konisch verjüngenden Trockenturms herrschen niedrigere Temperaturen als oben, sodass das nunmehr trockene Produkt thermisch nicht mehr wesentlich belastet wird. An der Auslassöffnung des Trockenturms liegt das Produkt als lockerer Staub vor, der in einem nachfolgenden Zyklon verdichtet und abgeschieden wird. Auch der Zyklon ist oben zylindrisch und läuft nach unten hin konisch zu. Der Staub wird oben tangential eingeblasen und wirbelt spiralförmig nach unten, wobei er sich an der Wandung zu Pulver ablagert, das nach unten rutscht. Dort wird es in einem Behälter aufgefangen. Die Luft wird (wie beim Trockenturm) nach oben abgesaugt und anschließend durch einen Feinstaubfilter gereinigt.

 

Thermische Trockenverfahren können empfindliche Lebensmittel schädigen. Ein alternatives, schonendes Verfahren besteht in der Gefriertrocknung. Sie erfolgt bei tiefer Temperatur und niedrigem Druck. Das Wasser wird dabei durch Sublimation entfernt, das heißt, es geht aus dem festen Zustand direkt, ohne zwischendurch flüssig zu werden, in die Gasphase (Dampf) über. Instantkaffee ist ein Beispiel für ein solchermaßen hergestelltes Produkt.

 

 Hitze

 

Nicht nur die Trocknung, die durch die Erhitzung bewirkt wird, kann der Haltbarmachung dienen. Die erhöhten Temperaturen selbst besitzen ebenfalls konservierende Wirkung. Diese Tatsache ist schon lange bekannt. So beschrieb der französische Arzt und Naturforscher Denis Papin bereits im Jahr 1679 einen Dampfkochtopf zur Lebensmittelkonservierung. Aber erst nach 1871 gelang es seinem Landsmann, dem Chemiker und Mikrobiologen Louis Pasteur, diesen Effekt auf Keimabtötung zurückzuführen. Wie sich inzwischen herausgestellt hat, trägt auch die Enzyminaktivierung, die bei hohen Temperaturen erfolgt, zur Haltbarmachung bei.

 

Um auch die Sporen der Bakterien und Schimmelpilze zu zerstören, muss sehr lange oder sehr hoch erhitzt werden. Leider gehen beim Erhitzen auch wertvolle Inhaltsstoffe verloren. Vitamine, insbesondere Ascorbinsäure und Thiamin, werden dabei leicht zerstört und manche Aromastoffe werden verflüchtigt oder oxidiert. Um diese Verluste zu begrenzen, sollte die Hitzeeinwirkung nur möglichst kurzzeitig und unter Sauerstoffausschluss erfolgen. Erreichen lässt sich das durch Erhitzen auf über 100 ºC unter Druck in geschlossenen Behältern (Autoklaven).

 

 Druck

 

Zusätzlich zur Temperatur steht der Lebensmitteltechnik mit dem Druck ein weiterer Parameter zur Verfügung, um Nahrungsmitteln eine längere Haltbarkeit zu verleihen. Die Hochdruckpasteurisierung ist eine verhältnismäßig neue Methode, bei der mit wertvollen Inhaltsstoffen schonender als bei thermischen Verfahren umgegangen wird. Das Verfahren ist insbesondere für flüssige und pastöse Produkte, auch mit stückigen Bestandteilen, geeignet. Beispiele sind Säfte und Marmelade. Die Ware, die sich in einer flexiblen Verpackung befindet, wird in einen mit Wasser gefüllten Zylinder gegeben, in dem mithilfe eines Kolbens ein Druck von sechs bis 18 Kilobar erzeugt wird.

 

Bei neun Kilobar muss der Druck etwa eine halbe Stunde, bei 18 Kilobar einige Minuten wirken. Vegetative Keime und Krankheitserreger werden zuverlässig abgetötet, druckresistente Sporenbildner bleiben jedoch keimfähig. Auch Enzyme, die für autolytische Prozesse bei der Lagerung verantwortlich sind, bleiben erhalten, weshalb das Hochdruckverfahren meist mit Erhitzen kombiniert wird. Dabei genügen allerdings bereits relativ niedrige Temperaturen (40—50 ºC). Das Verfahren ist teurer als konventionelle thermische Methoden und daher bislang wenig verbreitet.

 

 Strahlung

 

Einen von den bisher beschriebenen Verfahren zur Keimtötung (Sterilisation) grundsätzlich verschiedenen Weg beschreitet man mit einer Behandlung durch energiereiche, ionisierende Strahlung. Welche Strahlenarten kommen hier infrage? Die keimtötende Wirkung von ultravioletter Strahlung (UV) ist auf die sichtbare Oberfläche beschränkt, weshalb UV in der Lebensmitteltechnik keine große Rolle spielt. Etwas höhere Eindringtiefe besitzen Elektronenstrahlen. Sie entstehen bei manchen radioaktiven Zerfallsreaktionen (Betastrahlen), werden aber technisch meist in Elektronenbeschleunigern erzeugt. Auch Elektronenstrahlen finden zur Sterilisierung von Lebensmitteln kaum Anwendung. Anders verhält es sich mit Gammastrahlung. Diese Strahlen durchdringen mühelos pflanzliches und tierisches Gewebe, weshalb man auch von harter Strahlung spricht. Durch die Strahlung werden chemische Bindungen aufgebrochen und vor allem Oxidationsreaktionen ausgelöst. Niedere Lebewesen sowie die Keimzellen höherer Organismen gehen dabei zugrunde, Mikroorganismen werden abgetötet. Auch das Keimen von Pflanzen, etwa von Kartoffeln und Zwiebeln, lässt sich so unterbinden, und tierische Parasiten wie Würmer und Insekten oder deren Larven können zuverlässig vernichtet werden. Die ausgelösten Reaktionen verursachen allerdings beispielsweise bei Milch und Molkereiprodukten einen unangenehmen Geschmack, sodass hier eine Bestrahlung nicht infrage kommt. Bei trockenen oder fett- und eiweißfreien Lebensmitteln sind keine Geschmacksveränderungen feststellbar.

 

In Deutschland ist der Verkauf von mit ionisierender Strahlung bestrahlten Lebensmitteln bislang gesetzlich nicht zugelassen.

 

 Säure

 

Einige nützliche Mikroorganismen gedeihen in saurem und teils auch salzigem Milieu, unter Bedingungen, welche die meisten anderen Keime nicht vertragen. Krankheitserreger wie Salmonellen und Staphylokokken sind unterhalb eines pH-Werts von 4,2 nicht vermehrungsfähig. Sporen von Clostridium botulinum keimen unter dem gleichen pH-Wert nicht aus. Lactobazillen (zum Beispiel Milchsäurebakterien) hingegen bekommen die sauren Bedingungen sehr gut. Sie senken den pH-Wert selbst aktiv ab und produzieren außerdem Bakteriozine, das sind Proteine, die die Bakterien konkurrierender, verwandter Stämme abtöten. Darauf beruht das Konzept der Schutzkulturen, die man beispielsweise Feinkostsalaten zusetzt, um sie vor Verderb zu bewahren.

 

Den Konkurrenzeffekt zwischen halo- beziehungsweise acidophilen (Salz beziehungsweise Säure bevorzugenden) und anderen Kulturen macht man sich auch bei der Sauerkrautherstellung zunutze, indem man den geschnittenen Weißkohl mit Salz versetzt und fermentieren lässt. Dabei vermehren sich anfangs bevorzugt und später ausschließlich die erwünschten Milchsäurebakterien, welche die Kohlenhydrate in den Kohlblättern unter Sauerstoffausschluss zu Milchsäure abbauen. Fäulniserreger können sich unter diesen Bedingungen nicht vermehren. In ähnlicher Weise werden auch saure Bohnen und Salzgurken hergestellt.

 

Der Produktion von Bier, Wein und Essig liegen ebenfalls Gärungsprozesse zugrunde. Der Aspekt der Konservierung ist bei diesen Produkten jedoch im Unterschied zu den milchsauren Gemüsen so weit hinter ihrem eigenständigen Charakter zurückgetreten, dass man sich dessen kaum noch bewusst ist. Auch ohne Fermentieren, durch Einlegen oder Einkochen in gesalzenem, meist gewürztem Essig, kann man saure Lebensmittelkonserven wie Gewürzgurken, marinierte Früchte oder Fisch herstellen.

 

 Zusatzstoffe

 

Außer Salz und Säure besitzt noch eine Reihe weiterer Zusatzstoffe konservierende Wirkung. Zucker in großen Mengen wirkt durch Osmose wasserentziehend, sodass die Mikroorganismen quasi austrocknen. Sporenbildner können diese Bedingungen allerdings überstehen. Während zur Zuckerung früher Honig oder Ahornsirup dienten, verwendet man heute meist durch Enzymeinwirkung oder Säurehydrolyse aus Stärke gewonnenen Glucosesirup.

 

Auch hochprozentiger Alkohol kann zur Konservierung, zum Beispiel von Früchten, eingesetzt werden. Weitere gängige Konservierungsmittel sind Benzoe-, Propion- und Sorbinsäure sowie ihre Salze, Ester der para-Hydroxybenzoesäure, Nitrate und Nitrite (Bestandteile von Pökelsalz) sowie Schwefeldioxid und Sulfite (Schwefeln von Früchten). Bei der Verwendung der Salze ist der Zusatz eines Säuerungsmittels erforderlich, da nicht das Salz, sondern vielmehr die zugrunde liegende Säure konservierende Wirkung besitzt.

 

Eine relativ neue und noch nicht allgemein verwendete Methode ist die enzymatische Konservierung. Es gibt verschiedene Enzyme zur gezielten Lyse (Zersetzung) von Mikroorganismen. So ist etwa Lysozym zur Zerstörung von Bakterien geeignet, Chitinase lässt sich gegen Schimmelpilze und Glucanase gegen Hefen einsetzen.

 

Dipl.-Ing. Thomas Birus

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Lebensmitteltechnik: Verpacken und Abfüllen

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Lebensmitteltechnik: Produktion und Lebensmittelrecht

 

Literatur:

 

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