Neue Haltbarmachungsver­fahren im Lebensmittelbereich

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  • Anwendung von gepulsten elektrischen Feldern auf Mikro­organismen © AvGK
  • Schema der Haltbarmachung im Vergleich: ­Entkeimung mit Hitze (rot) und im PEF Verfahren (blau) bei niederen Temperaturen. © AvGK
  • UHPH Schematische Darstellung der Ultrahochdruck-Entkeimung © AvGK

Neuartige nicht-thermische Haltbarmachungsverfahren liegen in der Lebensmitteltechnologie im Trend. Die Chancen, aber auch die Grenzen solcher nicht-thermischen Verfahren zur nachhaltigen Herstellung von sicheren, gesunden und hochwertigen Lebens­mitteln werden im folgenden Artikel beleuchtet.

Die Anforderungen, die Konsumenten an die Haltbarkeit von Lebensmitteln stellen, bewirken zeitentsprechend eine Entwicklung zu möglichst produktschonenden Haltbarmachungsverfahren. Am Institut für Lebensmittel- und Getränkeinnovation der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW im schweizerischen Wädenswil fand dazu letztes Jahr eine Fachtagung statt.
Die Reinraumtechnik als Breitentechnologie hat auch in der Lebensmittelindustrie Einzug gehalten. Reinräume schaffen eine Atmosphäre, in der ein Produkt unter geringem Kontaminationsrisiko verarbeitet wird. Eine zuverlässige Verlängerung der Produkthaltbarkeit ohne Anwendung von Hitze und Konservierungsmitteln ist allerdings nur dann möglich, wenn die Lebensmittel unter sauberen bis sterilen Bedingungen produziert werden. Dabei bieten nicht-thermische Verfahren wie Hochdruckbehandlung, gepulste elektrische Felder, gepulstes Licht, kaltes Plasma, E-beam oder der Einsatz von Schutzkulturen und von Bakteriophagen neue Möglichkeiten für die Lebensmittelindustrie. Die Anwendung von nicht-thermischen Verfahren und Technologien in der Produktion ist vielversprechend, aber auch anspruchsvoll, da neben einer Unempfindlichkeit der Lebensmittel häufig auch neue Prozess- und Verpackungsdesigns gefordert sind.
Lebensmittel, deren Haltbarkeit erhöht werden soll, müssen unter möglichst keimarmen Bedingungen – oft in Reinräumen – erzeugt werden. Reinräume zeichnen sich durch den Einsatz von Hochleistungsfiltern aus, die eine Kon­trolle der Luftpartikel ermöglichen. In der Lebensmittelindustrie sind Reinräume üblicherweise für die ISO-Klassen 5, 6 oder 7 ausgelegt. Dabei kommen spezielle HEPA-Filter (High Efficiency Particulate Air Filter), die Partikel mit einem Durchmesser von 0,5 – 60 μm herausfiltern, zum Einsatz. Die Filtrierung erfolgt mittels Schwebstofffiltern, die Schwebstoffpartikel der Luft, einschließlich Mikro­organismen, zurückhalten.

Ein Maß für die Luftreinheit ist die Keimbelastung, ausgedrückt durch die Anzahl der koloniebildenden Einheiten. Welche Reinraumklasse erforderlich ist, hängt vom Produkt ab. Gebäck kann in einer weniger sauberen Atmosphäre hergestellt werden als Fleischwaren oder Getränke. Am innovativsten sind derzeit die Getränkeabfüller. Immer mehr Getränke und sensible Produkte, die sich im schwachsauren pH-Bereich bewegen, werden in keimfreier Umgebung abgefüllt. Aus Kostengründen wird bei der Abfüllung die Miniaturisierung vorangetrieben. Lediglich die Strasse mit den desinfizierten Flaschen bis zur Abfüllung verläuft innerhalb eines Isolators, der für eine sterile Atmosphäre sorgt. Die erforderliche Sauberkeit wird durch Schleusenbereiche mit Schmutzfangmatten, langsame Bewegungsabläufe während der Arbeit, dem Einsatz von glatten, leicht zu reinigenden Oberflächen und von dicht gewebter Schutzkleidung sowie regelmäßiger und gründlicher Reinigung erreicht.

Neue Haltbarkeitsverfahren für mehr Geschmack und Nährstoffe
Lebensmittelhersteller stehen vor der Herausforderung, die Effizienz und die Umweltauswirkungen ihrer Prozesse kontinuierlich zu verbessern und gleichzeitig die Lebensmittelsicherheit und die Haltbarkeit ihrer Produkte sowie die Produktqualität zu gewährleisten. Dabei bieten nicht-thermische Verfahren wie gepulste elektrische Felder und gepulstes Licht neue Möglichkeiten. In der nicht-thermischen Verfahrenstechnik stehen mechanische oder elek­tromagnetische Verfahren im Vordergrund. Nachdem sichere Lebensmittel heutzutage als Standard gelten, zielen die neuen Verfahren verstärkt auf den Erhalt von Geschmack und Nährstoffen.

Pulsed Electric Fields (PEF) zur Inaktivierung von Mikroorganismen
Beim PEF-Verfahren wird ein Lebensmittel einem hohen elektrischen Feld (typischerweise 20–80 kV/cm) in Form von kurzen Impulsen ausgesetzt. Dabei werden die Mikroorganismen gezielt inaktiviert. Dieses Verfahren wird bisher vorwiegend bei Flüssigkeiten angewandt, doch ist auch eine Behandlung fester Lebensmittel möglich, bspw. zum Zellaufschluss pflanzlicher und tierischer Zellen.
Das Verfahrensprinzip von gepulsten elektrischen Feldern (PEF) basiert auf einer PEF-Anlage, die aus einer Quelle zur Erzeugung von Hochspannung von mehreren kV besteht, aus Kondensatoren und einem Entladungsschalter, der die in den Kondensatoren gespeicherte elektrische Energie durch das flüssige Lebensmittel leitet. Dieses Feld pulsiert dabei in Intervallen von Mikro- und Millisekunden. Das zu behandelnde Produkt wird zunächst auf etwa 30 – 40 °C erwärmt bevor die eigentliche PEF-Behandlung der Mikroorganismen durchgeführt wird. Da die Zellmembran bei diesen Temperaturen deutlich empfindlicher auf die PEF-Behandlung reagiert, wird vom Pulsgenerator weniger Energie als bei herkömmlichen Verfahren für die erfolgreiche Abtötung der Keime und der Sporen benötigt. Die Inaktivierung von Mikroorganismen in gepulsten elektrischen Feldern wurde an E. coli erforscht. Bei dem PEF-Verfahren wurden die kontaminierenden Bakterien gezielt zerstört, ohne dabei die Haltbarkeit des Lebensmittels zu beeinträchtigen. Dies im Gegensatz zur thermischen Sterilisation, bei der das ganze Produkt stärker erhitzt wird, obwohl eigentlich nur die Mikroorganismen inaktiviert werden sollen. Auf diese Weise wird das Produkt geschont. Zur Zeit kommt das PEF-Verfahren in der Industrie hauptsächlich für die verlängerte Haltbarkeit von Frischsäften zur Anwendung. Dadurch bleiben empfindliche Geschmacks- und Nährstoffe besser erhalten und die Haltbarmachung ist erhöht. Selbst frisch hergestellte Säfte können bei dieser  Methode bis zu mehrere Wochen gelagert werden.

Entkeimung durch Hochdruck-Homogenisierung in Lebensmitteln
Die Hochdruck-Homogenisierung (englisch Ultra High Pressure Homogenisation, UHPH), dient zur Herstellung und Zerkleinerung von Emulsionen und zur Inaktivierung von Mikroben. Sie stellt in der Lebensmittelindustrie, z. B. in der Milchindustrie, der Getränkeindustrie und der Kosmetikbranche, ein etabliertes Verfahren dar. Eine Flüssigkeit wird in einer Hochdruckpumpe verdichtet und durch eine Düse entspannt. Die Scherkräfte, die durch die Strömung entstehen, werden auf die Tropfen übertragen und zerkleinern sie.
Um 1980 wurden die ersten Anlagen mit einem Druck von bis zu max. 400 MPa (heute bis zu 1.000 MPa) erstellt und kontinuierlich weiterentwickelt. Die Inaktivierung durch Zellaufschluss der Mikroorganismen beinhaltet eine Kombination aus Homogenisierungsdruck, Scherstress und Temperatur.
Thermoresistente Sporen, wie die der Bazillen und Clostridien, die auch UHT-Verfahren überleben, stellen in der Lebensmittelbranche ein grosses Problem dar. Um das Auskeimen dieser Sporen zu verhindern, setzt man bei konventionellen Verfahren Konservierungsstoffe und hohe Temperaturen ein. Diese sind aber umstritten. Im UHPH Verfahren zur Verhinderung von Sporenauskeimung dagegen werden die Proben im kontinuierlichen Verfahren durch eine Düse gepumpt. Während herkömmliche Homogenisierungsprozessen bei ca. 50 MPa Druck ablaufen, wird bei UHPH-Verfahren 200 MPa appliziert. Die Effizienz des Verfahrens bei der Sporen­inaktivierung hängt auch von den zu sterilisierenden Mikroorganismen ab. Auch Viren lassen sich mittels des Hochdruckverfahrens inaktivieren, da diese druckempfindlich sind.
Im UHPH Verfahren kaltpasteurisierte Lebensmittel, z. B. Fruchtsäfte, sind wegen ihres guten Geschmacks und des Fehlens von Konservierungsstoffen bei den Konsumenten sehr beliebt. Bei der Hochdruck-Homogenisierung werden – nebenbei bemerkt – auch die Struktureigenschaften des Lebensmittels beeinflusst, sodass die Funktionalität von Proteinen oder Stärke erhöht werden kann. So lässt sich mit dieser Methode z. B. besonders fester Eischnee herstellen.

Dekontamination mit Lichtblitzen
Wie können Lichtblitze eine Desinfektion von Lebensmitteln bewirken? Diesem Thema widmet sich die Pulsed Light-Technologie. Gepulstes Licht (englisch Pulsed Light, PL) wurde auf der Basis der UV-Verfahren entwickelt. Hochspannungsimpulse an Xenon-Lampen dienen dazu, Lichtimpulse von hoher Intensität und kurzer Dauer zu erzeugen. Die Lichtblitze bewirken eine Entkeimung der bestrahlten Lebensmitteloberflächen.
Das Licht-Puls-Verfahren sollte nicht als alleiniges Haltbarmachungsverfahren eingesetzt werden, sondern vielmehr als letzter Schritt der Dekontamination zur Beseitigung allfälliger prozessbedingter Kontaminationen angesehen werden. Das Verfahren wird aktuell von Marija Zunabovic-Pichler und ihrem Team am Institut für Lebensmittelwissenschaften der Universität für Bodenkultur in Wien weiterentwickelt.

Inaktivierung von Mikroben durch kalte Plasmen
In der Lebensmittelindustrie werden seit langem thermische Plasmen eingesetzt, um Oberflächen, auch von geeigneten  Lebensmitteln, zu behandeln. Wegen der eingesetzten hohen Temperaturen eignen sich thermische Plasmen jedoch nicht zur Anwendung an lebenden Zellen oder an sensiblen Lebensmitteln. Durch ein nicht-thermisches Atmosphärendruckplasma eröffnen sich neue Anwendungen, um Proben zu entkeimen. Bei diesem Verfahren wird in einem neutralen Gas durch Zufuhr von Energie ein Plasma-Zustand erzeugt. Die Anregung von Atomen und Molekülen führt zur Emission von elektromagnetischer UV-Strahlung und zur Dissoziation von Molekülen. Ein Plasma ist somit eine reaktive Mischung aus Ionen, Radikalen, Elektronen, Atomen und Molekülen. Dieses Plasma emittiert elektromagnetische Wellen in Form von Licht und Wärme niedriger Energie. Die mikrobizide Wirkung solcher kalten Plasmen in der Lebensmittelanwendung befindet sich noch in der Entwicklungsphase.

Desinfizieren mittels E-Beam Behandlung
Eine neuere Technik zur Inaktivierung von Mikroorganismen, das Elektronenstrahl-Sterilisations-Verfahren, kurz E-Beam, ist eine effiziente, wirtschaftliche und nachhaltige Alternative zu konventionellen Desinfektionsmethoden. Lebensmittel werden dabei durch Elektronen haltbar gemacht, im Vergleich zu Röntgenstrahlen jedoch bei viel niedrigeren Energien. Bei diesem Verfahren erzeugen Elektronenstrahlen freie Radikale, die vor allem die DNA und RNA von Mikroorganismen zerstören. Beschleunigte Elektronen haben eine ionisierende Wirkung und wirken damit keimabtötend.
Von einer Elektronenquelle ausgesendete Elektronen werden mit Hilfe von elektrischen Wechselfeldern beschleunigt. Anschliessend werden die beschleunigten Elektronen durch ein elektromagnetisches Feld abgelenkt und durch ein Austrittsfenster auf das Produkt geführt. Dies führt zur Bildung von freien Radikalen. Dadurch können beispielsweise pathogene Keime wie E.coli-Bakterien oder Salmonellen erfolgreich abgetötet werden, sensible innere Strukturen des Lebensmittels und Inhaltsstoffe bleiben hingegen erhalten. Samen und Saatgut, die mit diesem Verfahren behandelt werden, behalten gleichwohl ihre Keimfähigkeit.
Wegen der Durchdringungseigenschaften des E-Beam für die zu sterilisierenden Produkte und ihrer Verpackungen eignet sich dieses Verfahren besonders zur Desinfektion am Ende des Produktionsprozesses. So werden heute z. B. Tetra-Packs standardmässig mit E-beam behandelt.
Auch im Medizinbereich ist die Sterilisation von medizinischen Produkten durch Elektronenbestrahlung eines der sichersten und effizientesten Verfahren, bei dem nicht nur jegliche Form von Bakterien, sondern auch Viren, Plasmide sowie Sporen und DNA-Fragmente biologisch unwirksam gemacht werden.

Schutzkulturen zur Vermeidung von Lebensmittelkontaminationen
Neben den zahlreichen neuen Techniken, welche unerwünschte Keime bekämpfen, gibt es auch die Möglichkeit, gezielt Mikroorganismen zu nutzen, um Kulturen vor krankheitserregenden Keimen zu schützen. Dabei werden spezielle Mikroben eingesetzt, die gezielt die verunreinigenden Bakterien angreifen, ohne den Wirtsorganismus  oder die Lebensmittelprobe zu schädigen. Diese Schutzkulturen sind mit den Starterkulturen von fermentierten Lebensmitteln verwandt, aber sie erzeugen z.T. zusätzlich Stoffwechselprodukte mit antimikrobiellen Eigenschaften.

Bakteriophagen zur Kontrolle pathogener Bakterien in Lebensmitteln
Gerade in der aktuellen Diskussion um zunehmende Antibiotikaresistenzen von pathogenen Lebensmittelkeimen, z. B. Salmonellen, sucht man nach alternativen Waffen gegen Kontaminationen, z. B. Viren, die speziell Bakterien infizieren. Solche Bakteriophagen kommen in grosser Zahl überall in unserer Umwelt vor. Einige der Phagen-Kulturen werden erfolgreich in Lebensmitteln an der ZHAW-Fachstelle Mikrobiologie durch ein Forschungsteam um Lars Fieseler erprobt. Zukunftsweisend ist ein Forschungsprojekt an der ZHAW, bei dem intakte Phagen in Verpackungsmaterialen integriert, damit sie nach und nach an die Lebensmittel abgeben werden.

Literatur
Alexander Matthys et al.: Ultra high pressure homogenization (UHPH) inactivation of Bacillus amyloliquefaciens spores in phosphate buffered saline (PBS) and milk. Front. Microbiol. 2015; 6: 712.
Stefan Töpfl:  Strukturmodifikation durch kontinuierliche Prozesse am Beispiel der PEF- und Ultra­homogenisationstechnik. Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. (DIL), Quakenbrück

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