Einsatz physikalischer Messmethoden in der Lebensmitteltechnologie (NwT/Ph, Klasse 8, Dr. Götz)

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1 Einsatz physikalischer Messmethoden in der Lebensmitteltechnologie (NwT/Ph, Klasse 8, Dr. Götz) SchülerInnen stellen oft die Frage, "Wozu kann Physik eigentlich verwendet werden? Wozu kann das gut sein?" Um diese Frage zu beantworten und um die Schüler und insb. die Schülerinnen für die Physik und Technik zu gewinnen, hat Dr. Götz ein Anwendungsbeispiel aus der Lebensmitteltechnologie gewählt: die Herstellung von Butter. Sensoren auf physikalischer Basis werden in der Lebensmittelherstellung und -verarbeitung genutzt. Als Beispiel wurde in Klasse 8 die Entwicklung der elektrischen Leitfähigkeit (Ohmscher Widerstand) bei der Butterherstellung untersucht. Ausgangsstoff bei der Butterherstellung ist Rahm (bzw. Sahne). Rahm enthält (abhängig vom eingesetzten Butterherstellungsverfahren) 25 bis 50 % Fett. Butter enthält % Fett und % Wasser (Abb. 1). Zu Beginn der sog. Butterung wird festgestellt, dass Rahm eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Bei der klassischen Butterung im Butterfass entsteht aus Rahm Butter und Buttermilch. Das heißt, die Zusammensetzung der Mischung im Butterfass hat sich, über das Butterfass gemittelt, nicht geändert. Dennoch hat die elektrische Leitfähigkeit beim Übergang vom Ausgangsstoff Rahm zu dem Endprodukt Butter-Buttermilch-Gemisch dramatisch abgenommen. Es ist kein elektrischer Strom mehr festzustellen

2 Abb. 1: SchülerInnenposter zur Herstellung von Butter. Was ist passiert? Die Beobachtungen können nach Vorversuchen (Leitfähigkeit von Leitungswasser, destilliertem Wasser, Sonnenblumenöl, Essig, Wasser oder Öl plus Zucker, Wasser oder Öl plus Salz) wie in einem Kriminalfall "nach Sherlock Holmes" geklärt werden. Folgende Erklärung ist die einzige denkbare Lösung des Rätsels: Da sich die Zusammensetzung, über das Butterfass gemittelt, nicht geändert hat, muss sich der innere Aufbau, die Struktur des Gemisches in entscheidender Weise geändert werden. Bei Rahm handelt es sich um eine sog. o/w-emulsion, das heißt Fetttröpfchen sind umgeben von zusammenhängendem Wasser (kontinuierliche Phase von Wasser). Bei Butter hingegen handelt es sich um eine w/o-emulsion, das heißt Wassertröpfchen sind umgeben von zusammenhängendem Öl. Buttermilch ist wie Rahm eine o/w-emulsion. Butter stellt einen elektrischen Isolator da. Die elektrisch leitenden Wassertröpfchen sind von isolierendem Fett umgeben

3 Wozu kann diese Entdeckung bei der Butterung genutzt werden? Die Butterung ist abgeschlossen, wenn kein Strom mehr fließt. Fließt ein nachweisbarer Strom, muss die Butterung fortgesetzt werden. Die Butterproduktion kann damit hinsichtlich der Zeit, des Energieaufwandes und damit auch des Kostenaufwandes optimiert werden. Diese Vorteile aufgrund des physikalischen Sensors sind allen SchülerInnen verständlich und können mit einem einfachen Versuch zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit demonstriert werden (Abb. 2). Abb. 2: Versuchsaufbau zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit. Rechts: Sahne, Mitte: Butter, links: Butter und Buttermilch. Weiteres Lebensmittel. Um in der Lebenswelt der SchülerInnen zu bleiben und die Spannung aufrecht zu erhalten, wurde als weiteres Lebensmittel Pizza gewählt. Der ausgerollte Hefeteig wurde mit großer Begeisterung belegt (Abb. 3), wie man sieht, mit gutem und ansprechendem Ergebnis (Abb. 4), im eigenen neuen NwT-Ofen (Abb. 5) gebacken und anscheinend mit Genuss verspeist bzw. - akademisch gesprochen - verkostet (Abb. 6)

4 Abb. 3: Belegen der Pizzas

5 Abb. 4: Belegte Pizza. Abb. 5: Pizzas im NwT-Ofen

6 Abb. 6: Verkostung der Pizzas als erste Schritte im akademischen Fach der Sensorik von Lebensmitteln. Fazit. Physik und Technik machen Spass, bringen Spannung (Sherlock Holmes in der Physik), bieten darüber hinaus gute Berufsaussichten und stillen den Hunger. Bei geeigneter Themenwahl finden, jedenfalls in verstärktem Maße, Schüler und insb. Schülerinnen den Weg zu den MINT-Fächern