Reaktionskinetik in Lebensmitteln

Die Reaktionskinetik der Lebensmittel hat den zeitlichen Verlauf und den Mechanismus von solchen Stoffwandlungen zum Gegenstand, bei denen Bindungen der Lebensmittelinhaltsstoffe in chemischen, biochemischen und/oder mikrobiologischen Prozessen umgruppiert werden.

Lebensmittel sind Stoffe, die vom Menschen in rohem, verarbeitetem oder zubereitetem Zustand gegessen, getrunken oder gekaut werden können (Heimann, 1972). Die so getroffene Charakterisierung der Nahrungs- und Genußmittel steht mit der Lebensmittelqualität in einem engen Zusammenhang (vgl. DIN ISO 8402). Eine gute Qualität der Lebensmittel ist mit einem hohen Genuß-, Nähr- und Gebrauchswert sowie einer gesundheitsfördernden Wirkung gleichzusetzen. In Bezug auf ihren Gebrauchswert werden besonders die funktionellen Eigenschaften von Lebensmitteln angesprochen.

Die Veränderung eines Lebensmittels wurde bisher im wesentlichen durch seine qualitativen und quantitativen stofflichen Parameter charakterisiert. An dieser Stelle sollen aber auch die thermodynamischen Aspekte der Lebensmittelveränderungen erwähnt werden. Im Vergleich zum Wissenschaftsgebiet der chemischen Thermodynamik werden hier die theoretischen Grundlagen aus pragmatischen Gründen sehr knapp dargestellt¹. Dem Titel diese Buches folgend besprechen wir hier vor allem Zustandsänderungen des Systems Lebensmittel.

Die energetische Bilanz einer chemischen, biochemischen oder mikrobiologischen Lebensmittelveränderung gibt Auskunft darüber, ob sie freiwillig abläuft oder sich das System unter den gegebenen Bedingungen in einem thermodynamischen Gleichgewicht befindet. Da die Bilanz aus der Differenz der Energiebeträge des Systems im Endzustand und im Anfangszustand errechnet wird, sind folglich weder Betrachtungen über den Weg der Prozesse, ihre Schrittfolge von dem einen Zustand zum anderen noch Informationen über den zeitlichen Ablauf einzelner Teilschritte in die Berechnung eingegangen bzw. zu erwarten.

Bei den Lebensmittelveränderungen nehmen die Konzentrationen sich bildender Produkte auf Kosten der reagierenden Lebensmittelinhaltsstoffe und der Komponenten aus der Umgebung (z.B. Sauerstoff, Kontaminanten) zu.

Die Temperatur ist ein außerordentlich wichtiger Faktor für die im Lebensmittel während seiner Gewinnung, Verarbeitung, Haltbarmachung, Lagerung und Zubereitung ablaufenden Prozesse. Wesentliche Verfahren der Lebensmittelverarbeitung beruhen auf einer gezielten Temperaturanwendung. Als Beispiele seien die Erhitzungsverfahren Blanchieren, Sterilisieren, Backen, Garen und Trocknen genannt. Zur Unterdrückung von unerwünschten Qualitätsänderungen sind u.a. das Gefrieren bzw. die Gefrier- sowie Kühllagerung der Lebensmittel bekannt. Aber auch die normale Umgebungstemperatur mit ihren Schwankungen kann z. B. bei der Lagerung und beim Vertrieb von Lebensmitteln einen entscheidenden Einfluß auf deren Qualität ausüben (vgl. Abschnitt 1.3.6).

Die Kenntnis des Abbaues oder der Bildung eines Lebensmittelinhaltsstoffes, der Mikroorganismenabtötung oder der Enzyminaktivierung während der Lebensmittelverarbeitung ist eine der wichtigsten Voraussetzungen für eine zielgerichtete qualitätsbezogene Verfahrensführung. Verarbeitungsprozesse in der Lebensmittelindustrie sind durch überwiegend dynamische Bedingungen gekennzeichnet. Für die Stoffumwandlungen heißt das unter anderem, die Parameter des Reaktionsmilieus sind nicht konstant. Es baut sich ein zeitlicher und räumlicher Gradient des Einflußfaktors in dem Lebensmittel auf und dementsprechend sind die ausgelösten Reaktionen sowohl in zeitlicher als auch in räumlicher Hinsicht zu untersuchen. Als Beispiel sei die thermische Sterilisation eines Lebensmittels genannt, in dem die Wärmeausbreitung durch Konduktion erfolgt und sich im Lebensmittel durch die Erhitzung ein sich zeitlich änderndes Temperaturfeld aufbaut. Oder beim Backen z.B. von Brot entsteht neben dem Temperaturfeld ein Gradient des Wassergehaltes, ferner Gradienten der sich bildenden flüchtigen Aromastoffe und anderer Komponenten, die ihren spezifischen Einfluß auf die ablaufenden Umsetzungen ausüben.

Fortschritte in der Lebensmitteltechnologie hängen essentiell von der gründlichen Untersuchung der einzelnen Prozeßstufen unter den realen Bedingungen ab. Die Beurteilung und Steuerung der Erzeugnisqualität und der Prozesse kann einerseits über Indikatorsubstanzen, deren Eigenschaften typisch für das Verhalten des Gesamtsystems Lebensmittel sind, erfolgen. Andererseits können auch RM-Parameter infolge ihrer Wirkpaarung mit den inneren Faktoren der Lebensmittelsysteme solche Funktionen übernehmen. Diesbezügliche Erfahrungen gelten allgemein. Dazu zählt auch, daß bei der Herstellung, Lagerung und Distribution von Lebensmitteln deren Vorgeschichte einzubeziehen ist.

Die Qualitäts- und Prozeßoptimierung von Lebensmitteln verlangt die Fachkompetenz und das Zusammenwirken von Ingenieuren und Naturwissenschaftlern. Dabei zielt die Tätigkeit des Ingenieurs auf die möglichst effektive Gestaltung der Technologie; in diesem Sinne nutzt er besonders die Erkenntnisse in der Reaktorkinetik. Der Naturwissenschaftler hat sein Wissen über die physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften der Lebensmittel und ihrer Rohstoffe einzubringen. Deren zeitabhängige änderungen zu messen und aufzuklären, führt ihn zur Reaktionskinetik. Die kinetische Analyse der molekularen Eigenschaften fördert das Verständnis zum Mechanismus der Stoffwandlungen und zur Identifizierung geeigneter Systemvariablen.

Es werden Lösungsschritte und Ergebnisse angegeben. In der Regel wird aber nur ein Lösungsweg angewendet.