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Hochdruckbehandlung von Lebensmitteln



Um seine Ernährung zu sichern, mußte der Mensch lernen, Nahrung nicht nur in ausreichender Menge zu produzieren und zu verarbeiten, sondern diese auch auf Vorrat haltbar zu machen. Denn chemische Prozesse wie die Oxidation, biochemische wie der Abbau durch Enzyme und Mikroorganismen, etwa Schimmelpilze und Fäulnisbakterien, zerstören Molekülstrukturen und erzeugen dabei häufig toxische Substanzen.

Viele im industriellen Maßstab genutzte Konservierungsmethoden sind im Prinzip Jahrtausende alt. So entziehen beispielsweise das starke Zuckern von Gelees, das Salzen (Pökeln) von Fisch ebenso wie Räuchern von Fleisch und Trocknen von Obst dem organischen Gewebe Wasser und behindern dadurch die Entwicklung von Mikroorganismen. Ähnlich wirken das Einlegen in Alkohol oder Essig und der Zusatz von Konservierungsmitteln wie Benzoesäure oder Sorbinsäure, denn viele Bakterien benötigen zum Wachstum ein neutrales oder sogar schwach alkalisches Milieu.

Physikalische Methoden der Konservierung sind das Kühlen, um die Aktivität von Enzymen und Mikroben zu verringern, und das Abtöten von Keimen durch Sterilisieren, also Erhitzen auf Temperaturen zwischen 120 und 180 Grad Celsius. Der französische Chemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur (1822 bis 1895) entdeckte, daß auch kurzzeitige Erwärmung auf weniger als 100 Grad Celsius viele Mikroorganismen abtötet, wobei auch schädliche Enzyme inaktiviert werden. Allerdings bleiben Bakteriensporen – anders als nach dem Sterilisieren – weiterhin keimfähig; das Lebensmittel wird also nur beschränkt haltbar.

Weil Ende des letzten Jahrhunderts die Hitzesterilisation wegen fehlender Berechnungsmethoden und mangels geeigneter Systeme zur Prozeßüberwachung nur stark zerkochte Produkte lieferte, untersuchte Bert H. Hite an der Landwirtschaftlichen Versuchsstation von West Virginia alternative Verfahren. 1897 gelang ihm der Nachweis einer haltbarkeitsverlängernden Wirkung hoher hydrostatischer Drücke bei gleichzeitig geringerer Beeinträchtigung der Qualität von Fruchtsaft, Milch und Fleisch. Leider wurde dieser Ansatz von der zu Beginn unseres Jahrhunderts rasch expandierenden Lebensmittelindustrie nicht beachtet. Andere Branchen hingegen hatten das Potential hoher Drücke erkannt und entsprechenden Anlagenbau gefördert; Beispiele sind die Herstellung von Spezialkeramik oder die Verformung von Blechen.

Als vor etwa einer Dekade der Hochdruck als schonendes Verfahren zur Lebensmittelkonservierung und -modifizierung wiederentdeckt wurde, standen deshalb bereits technisch ausgereifte großvolumige Druckanlagen zur Verfügung. Seit 1991 sind hochdruckpasteurisierter Grapefruit- und Mandarinensaft in japanischen Supermärkten genauso erhältlich wie druckmodifizierte Fruchtgelees, Marmeladen oder Reisgerichte. In den Vereinigten Staaten und Europa gibt es erste Produkte wie Avocadopüree und Orangensaft (erst kürzlich koordinierten Coca Cola und ein amerikanischer Anlagenbauer ihre Aktivitäten).

Alle diese mittlerweile entwickelten Varianten beruhen auf der Anwendung von hydrostatischem Druck. Dazu bringt man flexibel verpackte Lebensmittel in einen mit Wasser gefüllten Zylinder und erhöht den Druck mit einem dicht abschließenden Kolben; bei flüssigen Produkten kann der Druck direkt übertragen werden. Obwohl für mehrere Minuten bis 6000 bar ausgesetzt, zeigen Lebensmittel kaum sichtbare Veränderungen, sofern sie keine größeren Gaseinschlüsse enthalten und auch nicht aus stark unterschiedlichen und abgrenzbaren Geweben aufgebaut sind (Bild 2). Der Grund: bei der Verdichtung entstehen keine Scherkräfte, denn der Druck wirkt von allen Seiten. Des weiteren ist die Volumenkontraktion, die bei Wasser und stark wasserhaltigen Lebensmitteln einige Prozent beträgt, umkehrbar (beispielsweise verringert sich der Rauminhalt von Wasser bei 6000 bar und 20 Grad Celsius um etwa 15 Prozent), und die mit der Kompression einhergehende Erwärmung erhöht die Temperatur eines Produktes nur geringfügig – bei einer Ausgangstemperatur von 5 auf lediglich 25 Grad Celsius, von 80 auf 115 Grad Celsius.

Derartige Bedingungen sind zur Abtötung von vegetativen Bakterien, Hefen oder Schimmelpilzen ausreichend, denn Zellstrukturen wie Membranen und lebenswichtige Reaktions- und Transportmechanismen der Organismen reagieren auf erhöhten Druck empfindlich. Auch krankheitserregende Keime können durch Hochdruck für das Lebensmittel schonender inaktiviert werden als durch herkömmliche thermische Verfahren.

Frischeeigenschaften wie Farbe, Geruch und Geschmack lassen sich mit diesem nicht-thermischen Verfahren erhalten, ebenso Vitamine und gegen Mutationen schützende Substanzen, die unter Hitze eher zerfallen. Ein weiterer Vorteil: Auf jeden noch so kleinen Bereich des Lebensmittels wirkt unmittelbar der gleiche Druck. Bei einer konventionellen Hitzebehandlung hingegen kann die Temperatur örtlich variieren.



Verfahrensvarianten dank der Anomalie des Wassers



Druck und Temperatur bestimmen den Aggregatzustand eines Stoffes. Wasser – Hauptbestandteil der meisten Lebensmittel – weist eine Eigenart auf: Eis nimmt bei atmosphärischem Druck aufgrund seiner Kristallstruktur ein größeres Volumen ein als die Flüssigkeit – wer versehentlich eine Flasche Mineralwasser Frost ausgesetzt hat, kennt diesen Effekt. Übt man nun Druck auf das Eis aus, ist ein kleineres Volumen günstiger, und es schmilzt. Dieser Effekt läßt auch Schlittschuhe und Gletscher gleiten. Bis zu einem Druck von 2000 bar vollzieht sich dieser Phasenübergang bei stetig abnehmender Schmelztemperatur. Gleichzeitig nimmt die Schmelzwärme, also die Energiedifferenz von kristallinem und flüssigem Zustand, ab. Bei weiter wachsendem Druck bilden sich Eismodifikationen, die dichter als die Flüssigkeit sind, und der Schmelzpunkt steigt wieder (Bild 1).

Die Umwandlung der flüssigen in die gasförmige beziehungsweise feste Phase ist Grundlage zahlreicher thermischer Konservierungsverfahren: Um das Wasser zu entfernen, kann man es durch Erwärmen verdampfen – wobei feste Lebensmittel getrocknet, flüssige konzentriert werden – oder durch Abkühlen die flüssige Phase kristallisieren beziehungsweise die dampfförmige sublimieren (Gefrierkonzentrieren beziehungsweise -trocknen).

Gebräuchlich ist auch die qualitätserhaltende Gefrierkonservierung, bei der man das Wasser nicht abtrennt, sondern durch Abkühlen lediglich gefriert und somit die Aktivität von Enzymen und Mikroorganismen hemmt.

Durch Hochdruck lassen sich solche Phasenumwandlungen steuern: Bei 2000 bar liegt der Gefrierpunkt bei minus 22 Grad Celsius, die frei werdende – und somit aus dem Produkt abzuführende – Wärmeenergie ist um 93 Kilojoule pro Kilogramm gegenüber der Kristallisation bei atmosphärischem Druck reduziert. Zur Druckübertragung benötigt man freilich Medien mit jeweils niedrigem Gefrierpunkt, zum Beispiel bestimmte Kohlenwasserstoffgemische.

Im einfachsten Fall wird der Druck um maximal 2000 bar erhöht, um die Kristallisation zu beschleunigen; man spricht vom druckunterstützten Gefrieren (Bild 1, Verlauf ABHI). Vor allem die geringere abzuführende Wärmemenge ist dabei von Vorteil, aber auch eine höhere Wärmeleitfähigkeit und geringere spezifische Wärmekapazität. Eine Verkürzung der Gefrierzeit erreicht man auch beim Druckwechselgefrieren durch schnelles Entspannen einer unter Druck auf beispielsweise minus 15 Grad Celsius abgekühlten Probe (Bild 1, Kurve ABCDE). Weil sich schlagartig und sehr gleichmäßig im gesamten Volumen kleine Eiskristalle bilden, kommen pflanzliche oder tierische Zellgewebe nicht so zu Schaden wie bei herkömmlichem Gefrieren. Allerdings muß man die freiwerdende Kristallisationswärme schnell abführen, um ein Kristallwachstum zu verhindern; daran ist bei der Dimensionierung der Druckbehälter zu denken.

Einen vergleichbaren Effekt hätte das Ausfrieren zu Eismodifikationen geringerer Dichte: Während das Volumen der Form I um zehn Prozent zunimmt, schrumpfte es bei Eis III sogar um vier Prozent (Bild 1, Verlauf ABCDGF). Allerdings sind diese Modifikationen nur unter Druck stabil, so daß bei Entspannung die Umkristallisation zu Eis I folgen würde. In der Praxis müßte man die Lebensmittel unter Druck lagern und auftauen.

Auch das Einfrieren bei Temperaturen oberhalb von 0 Grad Celsius durch Druckerhöhung (Bild 1, Verlauf ABCK) wäre denkbar, hat jedoch nach heutigem Ermessen nur geringen Nutzen.

Auch beim Auftauen bringt höherer Druck Vorteile, weil die Absenkung des Schmelzpunkts die wirksame Temperaturdifferenz zum Druckmedium erhöht (Bild 1, Verlauf IHBA). So lassen sich Fleischprodukte mit einer Kantenlänge von etwa zehn Zentimetern mit 200 Megapascal druckunterstützt in fünf Grad Celsius kaltem Medium etwa doppelt so schnell auftauen wie unter atmosphärischen Bedingungen, denn die wirksame Temperaturdifferenz wird dabei von 5 auf 25 Kelvin angehoben (bei anderen Abmessungen der Produkte verändern sich diese Relationen). Zudem hemmt der Druck während der Temperierungsphase unerwünschte Enzyme und Mikroorganismen.

Einen schlagartigen Phasenwechsel ermöglicht schließlich das sogenannte druckerzwungene Auftauen (Bild 1, Verlauf EDCBA), doch scheint vor dem Schmelzen zunächst eine teilweise Umkristallisation nach Eis III zu erfolgen, wobei das Volumen abnimmt und der Druck sinkt.

Die Anwendungsmöglichkeiten der Hochdruckkonservierung, die heutzutage im großtechnischen Maßstab betrieben wird (Bild 3), reichen weit über die Lebensmittelindustrie hinaus. Beispielsweise läßt sich durch Drucksteigerung die Eisbildung auch gänzlich verhindern (Bild 1, Verlauf ABCD). Bei minus 20 Grad Celsius könnten also empfindliche Güter etwa für medizinische Anwendungen längere Zeit gelagert werden. Auch hierbei müßte vor der Entspannung eine Temperierung erfolgen, um bei atmosphärischen Bedingungen eine nachträgliche Eisbildung auszuschließen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1998, Seite 132
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
11 / 1998

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 11 / 1998

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