Chemie ist, wenn es schmeckt: Wissenschaftliche Sensorik

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1 Chemie ist, wenn es schmeckt: Wissenschaftliche Sensorik Schüler-Uni ii 1 Die Referentinnen: Dr. Andrea Fraske (Lebensmittelchemikerin) : Studium der Lebensmittelchemie an der Universität Münster : Promotion am Institut für Lebensmittelchemie der Universität Münster Metabolismus? gesundheitsfördernde Verbindungen

2 NEU: PACE-Chem: Professional Approaches to Career Education in Chemistry Die Referentinnen: Prof. Dr. Verena Pietzner (Chemiedidaktikerin) : Lehramtsstudium (Mathe/Chemie) : Referendariat : Promotion (Chemgapedia) : wiss. Assistentin Seit 10/2009: Professorin an der Uni Hildesheim ChiLe Chemie interaktiv Lernen Sensorik Was ist das? Sensorik ist die wissenschaftlich fundierte und reproduzierbare Erfassung von Produkteigenschaften aufgrund von Sinneseindrücken, bei der aus einzelnen Urteilen eine objektive Aussage erarbeitet wird. 4

3 Sensorik Wozu? Qualitätskontrolle: Produktkontrolle (Wareneingang, -ausgang) Haltbarkeits- und Lagerversuche Marktforschung und Produktentwicklung Einstufung in Handelsklassen Wissenschaft und Forschung: Grundlagenforschung (Geschmacks- und Geruchsmechanismen) Lebensmitteltechnologie (z. B. Einfluss der Verarbeitung eines Lebensmittels) Verfälschungen von Lebensmitteln Analytische Nachweise 5 Problematik bei sensorischen Untersuchungen: Teilweise sehr unangenehm (Bsp.: Deo-Tester) Interindividuelle, subjektive Unterschiede Abhängigkeit von der Verfassung der Tester (Hunger, Müdigkeit ) Ziel: Objektivierung von Geruch und Geschmack! 6

4 Tasten haptisch Sehen visuell Qualitätsprüfung mit den 5 Sinnen als Messinstrument Hören akustisch Riechen olfaktorisch Schmecken gustatorisch 7 Sensorische Sinneseindrücke 1. Visuelle Eindrücke: Farbe Form 2. Auditorische Eindrücke: Geräusche und Klang beim Verzehr 8

5 Sensorische Sinneseindrücke 3. Olfaktorische Eindrücke: Geruch (Flavour/Off-Flavour) 4. Gustatorische Eindrücke: Geschmack 9 Sensorische Sinneseindrücke 5. Haptische Eindrücke: Tasteindruck Temperatureindruck Geruchs- und Geschmacksempfinden ist ein Zusammenspiel aller Sinne! 10

6 Physiologie der olfaktorischen Wahrnehmung Querschnitt der Nase = Regio olfaktoria Schema der Riechschleimhaut Voraussetzungen: flüchtige Verbindungen nasal und retronasal Andocken an Rezeptoren Geruchseindrücke unterscheidbar Regio olfaktoria (Größe: 50 Cent- Stück) 11 Impressionen aus der Nase 12

7 Physiologie der gustatorischen Wahrnehmung Rezeptoren: Zunge Gaumen Rachen (Darm) Voraussetzungen: orale Aufnahme von Geschmackstoffen wässrige Lösungen im Gegensatz zum Geruchssinn relativ hohe Konzentrationen 13 Geschmacksqualitäten bitter sauer süß salzig umami metallisch? wässrig? fettig 14

8 Zusätzliche Geschmacks -Empfindungen kühlend scharf adstringierend Trigeminale Wahrnehmung 15 Topographische Verteilung von Geschmacksqualitäten auf der Zunge ist falsch! Ursache für dieses Missverständnis: Falsche Interpretation einer skizzenhaften Abbildung im Jahre

9 Gustatorische Wahrnehmung auf der ganzen Zunge Kkkk k 17 Schwellenkonzentrationen Geschmack Substanz Schwelle[g/L] süß Saccharose 4,10 umami Na-Glutamat 0,28 salzig NaCl 0,70 adstringierend Tannin 0,50 bitter Coffein 0,19 sauer Citronensäure 0,17 Evolutionsbedingt geringe Schwellenwerte beim Bitter- und Sauergeschmack Signalisierung von Gefahren durch giftige oder verdorbene Nahrungsmittel 18

10 Geruch & Geschmack beeinflussen sich gegenseitig! Demonstrationsversuch: Nase zuhalten Mit der anderen Hand Gefäß öffnen Was schmecken Sie? Öffnen Sie Ihre Nase Was schmecken Sie nun? Inhalt des Gefäßes in den Mund geben. Nase dabei weiter geschlossen halten! 19 Einfluss der Stereochemie auf die olfaktorische Wahrnehmung D-Carvon: kümmelartig L-Carvon: pfefferminzartig Geruch ist chiral Chirale Rezeptoren 20

11 Geruch ist chiral! Demonstrationsversuch: Weiteres Beispiel für einen chiralen Duftstoff : Limonen Schraubdeckelglas öffnen Fächelnd riechen D-Carvon: Kümmel L-Carvon: Minze D-Limonen: Zitrusfrüchte L-Limonen: Tanne, Terpentin 21 Einfluss der Stereochemie auf die gustatorische Wahrnehmung D- und L-Phenylalanin Aminosäuren schmecken meist süß oder bitter Geschmack ist konfigurationsabhängig 22

12 Exkurs: Riech- und Schmeckstörungen Anosmie/Ageusie: Vollständiger Verlust des Riech- und Schmeckvermögens Hyposmie/Hypogeusie: eingeschränktes Riech- und Schmeckvermögen Parosmie/Parageusie: Fehlwahrnehmungen (z. B. ständiger Brand- oder Faulgeruch) Phantosmie: Geruchshalluzinationen Mögliche Ursachen: angeboren Defekte Virusinfekte Polypen Schädelverletzungen Einnahme von Medikamenten Diagnose und Therapieansätze mit Hilfe von Sniffin Sticks Riechtherapie 23 Sensorische Prüfverfahren Unterschiedsprüfungen Beispiel: 3 Schokoladenproben (2 x 70 %iger & 1 x 80%iger Kakaoanteil) Welche Probe schmeckt anders? Schwellenwertprüfung Ab welcher Konzentration nimmt man einen Geschmacks- oder Aromastoff wahr Rangordnungsprüfung Beispiel: Orangensäfte mit verschiedenen Säuregehalten sortieren Beschreibende und bewertende Prüfung Wie schmeckt ein Lebensmittel/Getränk? Beliebtheitsprüfung subjektiv Marktforschungszwecke Beispiel: unbekannte Biere nach individueller Beliebtheit sortieren 24

13 Sensorikraum- Impressionen 25 Beispiele für Aromastoffe OH OH OCH3 Eugenol Nelke CHO OCH3 Vanillin Vanille Cumarin Waldmeister Limonen Zitrusfrüchte 26

14 Klassifizierung von Aromastoffen natürlich: natürlich, Gewinnung durch Extraktion/Destillation; Bsp.: Vanillin aus der Vanillekapsel naturidentisch: chemisch gleich mit natürlichem Aromastoff, Herstellung durch chemische Synthese; Bsp.: chem. synthetisiertes Vanillin künstlich: kommt in der Natur nicht vor; Bsp.: Ethylvanillin Aromaextrakte: nicht definiertes Gemisch; Bsp.: Extrakt aus der Vanillekapsel Ethylvanillin Vanillin 27 Vanille und Vanillin-Isolierung Vanillaplanifolia Vanillekapseln kein Vanillegeschmack Vanillin: wichtigster Aromastoff weltweit Verwendung in Lebensmitteln, Getränken, Eis, Schokolade, Parfum Vanillekapseln nach der Fermentation Vanillegeschmack Weltjahresproduktion von Vanillin: t 12 $/kg davon aus Vanillekapseln: 20 t 4000 $/kg Vanillosid Isolierung ist kosten-und zeitintensiv! synthetische & biotechnologische Herstellungsverfahren 28

15 Technische Synthese: Isomerisierung von Eugenol mit anschließender Oxidation Biotechnologische Synthese (über Mikroorganismen): OH Technische & biotechnologische Synthese von Vanillin OCH3 OH OCH3 Deklaration: naturidentisch Deklaration: natürlich OH OCH3 Ferulasäure Eugenol Pseudomonas HO O Amycolatopsis CHO Vanillin 29 Identifizierung von Aromastoffen mittels Gaschromatographie/Olfaktometrie 30

16 Menschlicher Schnüffeldetektor Olfaktorische Detektion GC-Chromatogrammeines Kaffeearomas 31 Beispiele für Geschmacksstoffe Citronensäure H 3 C O Na-Glutamat N N CH 3 CH 3 N N Coffein Saccharose Catechin 32

17 Citronensäure (H 3 Cit) Geschätzte Produktion (2009): 1,6 Mio t E330, E331, E331 (reine Säure, Na- bzw. K-Salz) 33 Citronensäure (H 3 Cit) Funktion im Lebensmittel: Antioxidationsmittel Verhindert das Verderben Säuerungsmittel Einstellen des optimales ph-wertes Lässt Pektin gelieren Komplexbildner Fängt Metallionen ein, verhindert Verfärbungen und sonst: Medizin, Haushalt 34

18 Citronensäure (H 3 Cit) Scheele 1784: Isolierung von H 3 Cit aus Zitronen Heute: Biotechnologie (1913) Aspergillus niger (schwarzer Schimmelpilz) Neu (2006): Yarrowia lipolytica (Hefe) Rohstoff: u.a. Melasse 35 Literaturempfehlungen Hildebrandt: Geschmackswelten 1. Auflage, DLG-Verlag, 2008 (29,90 ) Plattig: Spürnasen und Feinschmecker Die chemischen Sinne des Menschen, 1. Auflage, Springer-Verlag, 1995 (24,95 ) 36

19 Literaturempfehlungen Legrum: Riechstoffe, zwischen Gestank und Duft 1. Auflage, Teubner-Verlag, 2011 (29,95 ) Goris/Hutter: Der Duftcode Wie die Industrie unsere Sinne manipuliert 1. Auflage, Heyne-Verlag, 2011 (17,99 ) 37