Lebensmittelanalytisches Praktikum für Ernährungswissenschaftler

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1 1 Lebensmittelanalytisches Praktikum für Ernährungswissenschaftler QUALITATIVE ANALYSE VON KONSERVIERUNGSMITTELN IN MARMELADE 1. Verderbnis Für die Mehrzahl der verderblichen organischen Stoffe kommen vornehmlich vier verschiedene Verderbnismöglichkeiten in Betracht. a. Die mikrobielle Zersetzung, die durch die universelle Anwesenheit von Mikroorganismen wie Bakterien, Schimmelpilzen, Hefen u.a. Pilzen zustande kommt, die in diesen Stoffen oft einen ausgezeichneten Nährboden finden (vgl. biologischer Abbau, Gärung, Fäulnis und Mikrobiologie); b. Die enzymatische Autolyse, die zur Selbstzersetzung der Organismen u. Gewebe nach dem Tode führt; c. Die Kontamination mit pathogenen Keimen oder Mykotoxinen als Folge der Einwirkung der unter a) erwähnten Faktoren; d. Die abiotische Zersetzung, die durch allmähliches Reagieren verschiedener Stoffkomponenten untereinander zustande kommt. Als schädliche Einwirkungen kommen neben den oben erwähnten physikalischen Faktoren noch Fraßschäden durch Insekten und Nagetiere hinzu die entsprechenden Gegenmaßnahmen rechnet man im allgemeinen jedoch nicht zur Konservierung. Die Vielzahl der zu schützenden Stoffe erfordert verschiedene Maßnahmen, die sich im einzelnen vor allem nach Eigenschaften und Verwendung der betreffenden Substanzen richten. So kann man bei Stoffen, die nicht der Ernährung, der Kosmetik oder der Gesundheit dienen, auch stärkere Gifte als Konservierungsmittel anwenden: z.b. Arsen-Präparate bei ausgestopften Tieren, Teer-Verbindungen bei Holz, Formaldehyd bei zoologischen Präparaten usw. Auf die Details der einzelnen Konservierungsmethoden und -substanzen soll hier nur für das Teilgebiet der Konservierung von Lebensmitteln hingewiesen werden. 2. Konservierung Besondere Aufmerksamkeit beansprucht seit jeher der Schutz der zur menschlichen und tierischen Ernährung bestimmten Lebensmittel. Hier unterscheidet man folgende Hauptverfahren:

2 Konservierung durch Kälte, Kaltlagerung und Gefrierenlassen Die mit modernen Kältemaschinen (vgl. Kältetechnik) erzeugte Kälte wird zur Konservierung von Fleisch, Obst, Milch, Gemüse, Eiern, Fischen in Haushalt und Lebensmittelgewerbe am meisten verwendet. Bakterienwachstum und Enzymaktivität werden durch Kälte gehemmt, und der Vitamin-Gehalt nimmt kaum ab. Essfertige, gekochte bzw. gebratene Speisen kann man einfrieren und bei -18 C bis 21 C bis zum Verzehr lagern. Bei rascher Abkühlung auf 20 C bis 40 C bleiben Nährwert und Genusswert fast unverändert erhalten, da die hohe Gefriergeschwindigkeit nur zur Bildung winziger Eiskriställchen führt, welche lediglich geringfügige Gewebszerstörungen verursachen. Bei der Tiefkühlverarbeitung auf modernen Fischdampfern wird das schnelle Einfrieren meist durch Berieseln oder Besprühen des durch Überzüge geschützten Fisches mit einer Kältesole von 20 C bis 22 C vorgenommen. Reife Äpfel u. Birnen halten sich bei Gas-Kaltlagerung länger; am günstigsten wirkt eine Atmosphäre mit 79% Stickstoff, 13% Sauerstoff u. 8% Kohlendioxid. Die Haltbarkeit von Bananen soll sich durch Druckminderung auf 0.5 bar verdoppeln, auf 0.3 bar vervierfachen, wobei die Entfernung des Ethylens eine Rolle spielen dürfte Konservierung durch trockene oder feuchte Hitze Erhitzen auf Temperaturen unter 100 C bezeichnet man auch allgemein als Pasteurisierung. Es wird besonders beim Haltbarmachen von Milch und Fruchtsaftgetränken angewendet und führt zu einer Inaktivierung autolytischer Enzyme; Mikroorganismen bzw. deren Sporen werden jedoch nicht immer abgetötet. Wesentlich ist auch, dass der Erfolg einer Pasteurisierung in Abhängigkeit von der chemischen Zusammensetzung und dem ph-wert des Lebensmittels unterschiedlich nachhaltig ausfällt; z.b. hält sich bei 75 C pasteurisierte Milch nur wenige Tage, während unter gleichen Bedingungen konservierte Fruchtsäfte jahrelang haltbar sind. Konservierungsverfahren mit Erhitzungstemperaturen über 100 C werden als Sterilisation bezeichnet, da sie zu Keimfreiheit führen; sie werden in großem Umfang bei der Herstellung von Dosenkonserven (Gemüse, Fleisch) verwendet. Die Sterilisierung erfolgt im Allgemeinen bei Temperaturen zwischen 115 C 122 C in entsprechenden Autoklaven mit einer Verweilzeit zwischen einer Viertelstunde (Gemüse) und 2 Stunden (Fleisch). Bei der Hoch-Kurz-Sterilisation (z.b. von Gemüsesäften) erhitzt man 0.7 min auf 138 C und kühlt dann schnell auf 88 C ab. Nach dem gleichen Prinzip arbeitet das UHT-(Ultra-High-Temperature)-Verfahren oder Uperisations-Verfahren zur Milchsterilisation (H-Milch). Der Nährwert der Nahrungsmittel wird durch solche Verfahren nicht beeinträchtigt; bei Konservenfrüchten ist er wegen des Zuckerzusatzes sogar stark erhöht. Der Gehalt an Spurenelementen und den meisten Vitaminen bleibt praktisch unverändert; daher enthalten gut hergestellte Obst- und Gemüse-Konserven oft mehr Vitamine als die gleichen Produkte, die im Haushalt gekocht wurden. Die garantierte Haltbarkeit einer Vollkonserve wird meist nur mit einigen Jahren angegeben, denn die eingangs erwähnten abiotischen Prozesse führen sicherlich zu einer fortschreitenden Minderung der Geschmacksqualität. Hält man sich jedoch an den Begriff Genießbarkeit, so bleibt eine Konserve ggf. auch jahrzehntelang genießbar Konservierung durch Trocknung und Eindicken Einfaches Trocknen der Nahrungsmittel wirkt konservierend. Da Bakterien zu nahezu 85% aus Wasser bestehen, können sie im Allgemeinen nur in feuchter Umgebung leben. Die an der Sonne getrockneten Stockfische, das Heu, Dörrgemüse und Dörrobst enthalten weniger als 40% Wasser, und bei dieser Grenze hört das Bakterienwachstum im Allgemeinen auf. Hierher gehört auch die weitgehende Entwässerung (Dehydratisierung) von Lebensmitteln, z.b. durch Gefriertrocknung oder azeotrope Destillation mit Ethylacetat, wogegen die Herstellung von

3 3 Instant-Produkten keine Methode der Konservierung ist. Auch das Eindicken von Frucht- und Gemüsesäften sowie das Einkochen von Obst bringen durch den Wasserentzug und durch die Anreicherung der Inhaltsstoffe ggf. konservierende Wirkung mit sich, die aber durch geeignete Maßnahmen (Sterilisation, Zucker, Konservierungsmittel) unterstützt werden müssen, vgl. a. Gelees, Konfitüren u. Marmeladen Konservieren durch chemische Verfahren Hier unterscheidet man in der Anwendung: zwischen Hilfsmittel-Methoden wie Einzuckern, Einsalzen (s.a. Beizen), Pökeln und Räuchern, d.h. Methoden, wie sie von alters her in der konservierenden Lebensmittelbevorratung gebräuchlich sind. Diese Methoden werden vor allem bei Fleisch und Fischen angewendet. Das Salz wirkt auf osmotischem Wege auf Fleisch und Bakterien austrocknend (s. Osmose); wird zu wenig Salz verwendet, kann es in seltenen Fällen zu Botulismus einer Lebensmittelvergiftung durch Bakterien kommen. Beim Räuchern addiert sich zu dem Effekt der osmotischen Trocknung noch die Entstehung von bakterizid wirkenden Phenolen, Kreosot, Formaldehyd usw. Starkes Zuckern wirkt im Prinzip wie Einsalzen, denn die Bakterien werden durch die osmotische Wirkung hoher Zuckerkonzentrationen ausgetrocknet ; deshalb halten sich z.b. Marmeladen, Gelees und Kondensmilch mit über 50% Zucker lange Zeit unverändert. Nach dem gleichen Prinzip war im alten Babylon eine Leichenkonservierung in Honig, in dem außerdem noch antibakterielle Wirkstoffe vorkommen, möglich. Konservierungsmittel: Chemische Konservierungsstoffe sind Stoffe, die die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern. Sie dürfen nur dort angewendet werden, wo die technologische Notwendigkeit nachgewiesen ist. Chemische Konservierungsstoffe üben im Wesentlichen eine keimhemmende, d.h. antiseptische Wirkung, aus. Einige dieser Stoffe greifen die Zellmembranen der Mikroben an, die sie zerstören oder abdichten, womit lebensnotwendige Austauschvorgänge unterbunden werden. Andere blockieren reaktionsfähige Gruppen der Enzyme (z.b. S-H-; C=O- oder NH 2 -Gruppen von Mikroorganismen und wirken so hemmend. Antimikrobielle Konservierungsstoffe, die zur Haltbarmachung von Lebensmitteln eingesetzt werden, sind in der Tabelle 1 aufgelistet Konservieren durch mikrobiologische u. enzymatische Verfahren Als biologische Konservierung kann die natürliche Säuerung von Gemüsen durch Milchsäure- Gärung bezeichnet werden (Sauerkraut). Dabei halten die Anwesenheit der zahlreichen Milchsäurebakterien bzw. die von ihnen produzierten Säuren Lebensbedingungen aufrecht, unter denen Schadorganismen nicht gedeihen können. Dieses Gleichgewicht ist labil und kann z.b. durch pektolytische Bakterien (Weichwerden des Konservierungsgutes) oder Schimmelpilze gestört werden; letztere bauen die Milchsäure ab. Die Milchsäure- Fermentation spielt auch bei der Silage eine Rolle, bei der man die erwünschte Entwicklung von Milchsäurebakterien durch künstliche Ansäuerung, z.b. mit Ameisensäure begünstigt. Zu einer mehr od. weniger beständigen Konservierung kann man Gemüse auch künstlich mit einer schwachen Essigsäure-Lösung ansäuern (Essiggemüse); meist wird zusätzlich pasteurisiert.

4 2.6. Konservierung durch Bestrahlung Die Strahlenkonservierung von Nahrungs- u. Futtermitteln ist in den letzten Jahren intensiv untersucht worden. Als Strahlungsquellen kommen Elektronen-, Gamma-, Röntgen- u. UV- Strahlen in Frage, die sowohl bakterizid als auch enzym-inaktivierend wirken. Bei höherer Strahlendosis zeigen sich aber bereits Zersetzungserscheinungen, bei denen die Bildung schädlicher Produkte nicht ausgeschlossen werden kann u. eine Genusstauglichkeit aus sensorischen Gründen ebenfalls fraglich ist. Aus diesen u.ä. Gründen ist eine Anwendung der Strahlenkonservierung außer in einigen Ländern (Gammastrahlung in England, Niederlande, UdSSR) u. allg. nur für Tierfutter bisher nicht zustande gekommen. In der BRD darf ionisierende Strahlung bei Lebensmitteln nicht zur Konservierung, sondern nur zu Mess- u. Kontrollzwecken, UV-Strahlung nur zur Entkeimung von Trinkwasser, der Luft in den Lebensmittelbetrieben u. der Oberfläche von Obst- u. Gemüseerzeugnissen sowie der Rinde von Hartkäse bei der Lagerung angewendet werden, s. Lebensmittel-Bestrahlungs-VO in der Fassung vom (BGBl. I S. 1281, 1859). 4

5 5 Tabelle 1: Zur Haltbarmachung von Lebensmitteln eingesetzte antimikrobielle Konservierungsstoffe (nach Wallhäuser: Sterilisation, Desinfektion, Konservierung (4. Auflage), Stuttgart: Thieme 1988, Seite 396) Konservierungsstoff E Nummer ADI Wert [mg / kg d] Einsatzkonz. [%] Einsatzbereich Ameisensäure E Essigsäure E 260 kein Limit Propionsäure E 280 kein Limit Milchsäure E 270 kein Limit Sorbinsäure E Benzoesäure E (+) (+) (+) SO 2 und Sulfite E (+) PHB Ester E (+) + (+) + (+) (+) (+) - + Hexamethylentetramin E (+) Nitrite E t (+) Nitrate E (+) Fettemulsion + einsetzbar 2 Käse (+) bedingt einsetzbar 3 Fleischwaren - nicht einsetzbar 4 Fischerzeugnisse 5 Gemüseprodukte t temporär einsetzbar 6 Obsterzeugnisse 7 Alkoholfreie Getränke 8 Wein 9 Süßwaren Neben den freien Säuren nennt das EG Verzeichnis stets noch eine Reihe von Salzen, (Na +, K +,..), die ebenfalls mit einer E Nummer belegt sind.

6 6 3. Aufgabenstellung Untersuchung von Marmelade auf Konservierungsstoffe (Benzoesäure, Sorbinsäure, p-hydroxybenzoesäuremethyl- oder ethylester) mittles Dünnschichtchromatographie. COOH COOR COOH Benzoesäure Sorbinsäure OH para-hydroxybenzoesäureester PHB - Ester R = Methyl, Ethyl, Durchführung 10 g Marmelade werden in einem Becherglas mit 0.5 g Weinsäure und 20 ml dest. Wasser versetzt, durchmischt und filtriert. Das Filtrat wird 3mal mit 20 ml Diethylether extrahiert. Wichtig: Beim Schütteln den Stopfen festhalten! Häufig belüften und dabei immer von den Personen wegzielen! Die vereinigten Etherphasen werden 2mal mit je 10 ml dest. Wasser gewaschen, mit Natriumsulfat getrocknet und filtriert. Das Filtrat wird mit Hilfe eines Rotavapors bsi zur Trockene eingeengt. Der in wenig Ether gelöste Rückstand wird mit Vergleichsubstanzen auf eine Celluloseplatte aufgetragen (10 15 µl). Als Laufmittel für die DC Trennung dient n-butanol / 25 % Ammoniak = 7 / 2. Die Laufzeit beträgt zumindest 4 Stunden!!!! Nach dem Trocknen wird die DC Platte unter einer UV-Lampe betrachtet. Erst dann wird sie mit einer Mischung aus 9 ml 0.6 % H 2 O 2 und 1 ml gesättigter, frisch bereiteter MnSO 4 Lösung besprüht, leicht antrocknen gelassen und nach 3 min noch feucht mit einer Lösung von 5 g FeCl 3 und 5 g FeSO 4 in 100 ml Wasser besprüht. Der Farbkomplex von Benzoesäure ist dunkel / violett, der von Sorbinsäure gelb, der von PHB Ester grün. Das Erscheinungsbild der DC Platte nach der Farbreaktion und diverse R f - Werte sind sofort im Protokollheft festzuhalten, da die Farbkomplexe sehr rasch verblassen. 5. Protokoll - Aufgabenstellung - Durchführung - Skizze der entwickelten DC-Platte mit Beschriftung - Angabe der Laufweite des Laufmittels, der Standardverbindungen und der Probenkomponenten - Angabe der R f -Werte der Standardverbindungen und der Probenkomponenten - Angabe der identifizierten Konservierungsmittel

7 7 Reagenzien: Weinsäure Ether Na 2 SO 4 sicc. n-butanol 25% Ammoniak 0.6% Wasserstoffperoxid MnSO 4 Lösung, gesättigt FeCl 3 * 6 H 2 O FeSO 4 * 7 H 2 O Geräte: Schütteltrichter Celluloseplatten Chromatographietank