Neue Weger der Haltbarkeit

Die Verfahren der Lebensmittelproduktion entwickeln sich stetig weiter. Denn ein effizienter Umgang mit Ressourcen ist essenzieller denn je und betrifft alle Prozesse in der Wertschöpfungskette. Hinzu kommt: Lebensmittel und Getränke müssen heute vielen Erwartungen genügen. Gefragt sind hochwertige Produkte, die gesund, nachhaltig und möglichst naturbelassen sind. Minimal Processing heißt hier der Schlüsselbegriff, den sich die Entwicklungsabteilungen auf die Fahne geschrieben haben, um Lebensmittel nur noch "minimal", also weniger oder mit kürzeren Verarbeitungsschritte herzustellen. Dabei geht es

auch um neue Techniken zur Qualitätsverbesserung und Haltbarkeitsverlängerung. Beispielsweise die Behandlung von Kartoffeln, anderem Gemüse oder Früchten durch gepulste elektrische Felder (PEF). Elea Technology hat das Verfahren gemeinsam mit dem Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik (DIL) zur Marktreife gebracht. Für die Behandlung werden die Rohstoffe kurzen Hochspannungsimpulsen ausgesetzt. Ein Verfahren, das mittlerweile bei der Herstellung von Pommes als Vorbehandlung vor dem Schneiden weltweit Anwendung findet. Die Anwendung ermöglicht es, die Frittierzeit und -temperatur zu verringern und unerwünschte Qualitätsverluste zu reduzieren.

Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Hochdruck. Statt Lebensmittel durch langes Kochen zu erhitzen, wird es kurzzeitig hohem Druck ausgesetzt. Experten auf diesem Gebiet sehen darin viel Potenzial für eine schonende Methode der Konservierung. „Die Hochdruckbehandlung ermögliche es, Produkte direkt in ihrer Endverpackung haltbar zu machen“, erklärt Boris Brockhaus. „Das funktioniert für Vakuum- und Schutzgasverpackungen (MAP) genauso wie bei Kunststoffflaschen und bietet ein hohes Maß an Sicherheit, da die Produkte anschließend nicht mehr kontaminiert werden können“, so der Produktmanager von Uhde High Pressure Technologies (Uhde HPT). Thyssenkrupp hat sich mit der in der Hochdrucktechnologie führenden Tochtergesellschaft vor einigen Jahren auf den Bau von Anlagen für die Hochdruckpasteurisierung (HPP) spezialisiert. Das Unternehmen fertigt Maschinen vom kleinen Maßstab bis hin zur industriellen Anwendung, abgestimmt auf die individuellen Anforderungen der Lebensmittelindustrie. Die Hochdruckpasteurisierung bewährt sich in der Praxis bei vielen Produktgruppen. Zum Einsatz kommt sie bei Gemüse, Obst sowie Milch- und Fleischprodukten, als auch zur Haltbarmachung von pflanzlichen Proteinen oder Novel Foods wie Algen.

HPP steht dabei für einen nicht-thermischer Haltbarkeitsmachungsprozess. Das Prinzip: Die Produkte werden in ihrer Endverpackung automatisch in einen Hochdruckbehälter befördert, der mit Wasser gefüllt wird. Ein Wasserdruck mit meist 6.000 bar wirkt homogen von allen Seiten gleichmäßig auf das verpackte Produkt bis in den Kern. Nach wenigen Minuten wird der Druck kontrolliert wieder gesenkt. „Der hohe Druck eliminiert zahlreiche lebensmittelschädliche Organismen, wodurch Verfallsprozesse stark verlangsamt werden“, erläutert Brockhaus. Was die Behandlung allerdings nicht abtöten kann, sind Sporen. „Das ist auch der Grund, warum die Produkte anschließend in der Kühlkette verbleiben müssen“, so Brockhaus. Da es bei der Hochdruckpasteurisierung keinen thermischen Einfluss auf die Produkte gibt, bleiben Nährstoffe und Vitamine nahezu unverändert erhalten. Dies biete große Vorteile, „etwa in der Anwendung bei Fruchtsäften, die derzeit den größten Anteil an HPP-Produkten ausmachen. Da keine hohen Temperaturen notwendig sind, bleiben die

Produkte frisch und hochwertig.“ Hinzu kommt: Nicht nur auf Hitze, auch auf den Einsatz von Konservierungsstoffen kann durch das HPP-Verfahren verzichtet werden. Damit ermöglicht das "High Pressure Processing" oder "High Hydrostatic Pressure Processing", wie das Verfahren auch genannt werden kann, eine breite Palette an "naturbelassenen" Lebensmitteln, die haltbarer und ressourceneffizienter sind.

Doch auch Methoden, bei denen Feuchtigkeit entfernt wird, um das Wachstum von Mikroorganismen zu verhindern, stehen im Fokus der Entwicklungen, wie sich am Beispiel von Fruchtsaft zeigt. Denn: Wenngleich Direktsäfte zunehmend gefragt sind, wird der überwiegende Teil der konsumierten Fruchtsäfte weiterhin aus Saftkonzentrat hergestellt. Aus guten Gründen: So kann eine Reduktion des Wassergehalts einerseits dazu beitragen, dass Produkte ihre Funktionalität erhalten und während der Weiterverarbeitung und der Lagerung weniger anfällig sind. Zudem verringert sich durch den Entzug von Wasser das Volumen, sodass Lagerung und Transport effizienter und nachhaltiger werden. Die Trocknung zählt daher nach wie vor zu den zentralen Grundoperationen in der Lebensmittelherstellung. Etablierte Verfahren zur Konzentrierung wie die Verdampfung und die Gefrierkonzentrierung sind allerdings mit Nachteilen behaftet: Die einstufige Verdampfung beeinträchtigt die Naturbelassenheit des Produktes und ist energieintensiv. Die Gefrierkonzentrierung ist zwar produktschonender, doch der Energieaufwand ist ähnlich hoch wie bei der einstufigen Verdampfung. Hier ist angewandte Forschung gefragt: Im Rahmen eines IGF-Projektes haben Forschende der Universität Erlangen-Nürnberg und der Technischen Universität Berlin die Gashydrattechnologie als innovatives Verfahren für die Saftkonzentrierung sowie die Konzentrierung von wasserhaltigen Produkten untersucht

Zum Hintergrund: Bei Gashydraten handelt es sich um kristalline Festkörper aus Wasser und Gas. Sie sind aus Wassermolekülen aufgebaut, die über Wasserstoffbrückenbindungen eine eisähnliche Käfigstruktur bilden, die – je nach natürlichem Vorkommen oder Anwendung –Kohlenstoffdioxid (CO2), Methan oder Schwefelwasserstoff in gasförmiger Form einzuschließen vermag. Natürlich vorkommende Hydrate in Tiefeneisfeldern und Permafrostgebieten enthalten hauptsächlich Methan. Für die Lebensmittelverarbeitung kommen demgegenüber CO2-Hydrate in Frage: Unter Anwesenheit von CO2 entstehen in Reaktoren bei Drücken von 30 bis 80 bar und bei kühlen Temperaturen bis acht Grad Celsius die eisähnlichen Käfigstrukturen, die große Wassermengen aus wasserhaltigen Produkten binden können. Die gebildeten festen Hydrate mit dem gebundenen Wasser werden im Anschluss abgetrennt, so dass ein Konzentrat verbleibt.

Um die Produktqualität, den Konzentrierungsgrad und die Ausbeute messen zu können, haben die Forschenden die Hydrate von Apfel-, Orangen- und Sanddornsaft in verschiedenen Reaktoren gebildet und anschließend zusammen mit den Referenzkonzentraten charakterisiert: Neben Farbmessungen und Partikelgrößenverteilungen wurde Inhaltsstoffe wie Apfelsäure, Carotinoide und Polyphenole bestimmt, ebenso weitere Parameter wie Grad Brix, pH- und aw-Wert, Dichte oder die Gesamttrockensubstanz. Untersucht wurde auch, ob sich wertgebende Inhaltsstoffe wie Aromen, Vitamin C oder Farbstoffe im Konzentrierungsschritt in das Hydrat einbinden lassen. Auch der Einfluss der Produktzusammensetzung (inklusive Zuckergehalt und pH-Wert) auf die Bildung des Gashydrats und dessen Auftrennung wurde bestimmt. Das Ergebnis: Die Forschenden konnten keine signifikanten Veränderungen der Produktqualität vor und nach dem Prozess finden. Das bedeutet, dass die Gasthydrattechnologie für die Saftkonzentrierung aufgrund der niedrigen Temperaturen besonders schonend ist – hitzeempfindliche Inhaltsstoffe wie Phenole oder Vitamin C bleiben erhalten. Auch für zahlreiche andere thermisch empfindliche Produkte in der Lebensmittelverarbeitung ist das Verfahren einsetzbar. Die Produktpalette reicht dabei von Säften, Frucht-, Tee- oder Kaffee-Extrakten bis hin zu Suppen sowie sensiblen Fermentationsprodukten in der Biotechnologie.

Innerhalb des Projektes haben die Forschenden Prozessanforderungen herausgearbeitet, um auf dieser Basis drei Reaktorkonzepte (Sprühsystem, Blasensäule und Rührkessel) zu entwickeln: Die Hydratbildung wurde in allen Reaktoren erfolgreich getestet. So konnte in einem Blasensäulenreaktor ein optimales Hydratwachstum bei einem Druck von 37,5 bar, einer Hydratbildungsdauer von zwei Stunden und einem Füllstand des Reaktors von 35 Prozent erreicht werden. Im Rührkesselreaktor konnten Säfte auf 45 Grad Brix und Zuckerlösungen auf 60 Grad Brix konzentriert werden. Auch zeigte sich, dass bei zunehmender Konzentrierung der Flüssigkeiten ein höherer Druck und eine niedrigere Temperatur erforderlich ist, um die Hydratphase zu bilden und zu erhalten.

Auch energetisch weist das Verfahren Vorteile auf: Gegenüber der Verdampfung lässt sich eine Reduzierung des Energiebedarfs von bis zu 58 Prozent erreichen. Im Vergleich zur Gefrierkonzentrierung erzielt die Gashydrattechnologie Einsparungen von bis zu 66 Prozent. Damit bietet die Gashydrattechnologie ein erhebliches Potenzial – auch für Unternehmen, die klein und mittelständisch sind.