Lebensmittelchemie: Abbauprozesse, Oxidation & Schutzmaßnahmen

Karamelisierung: Zuckerabbau & Pyrolyse

Karamelisierung ist der Abbau von Zucker ohne die Anwesenheit von Aminosäuren oder Proteinen, erhitzt über seinen Schmelzpunkt (Pyrolyse). Dabei entstehen flüchtige und nicht-flüchtige Stoffe mit charakteristischem Geschmack und dunkelbrauner Farbe.

Lipidumbau: Auswirkungen auf Lebensmittelqualität

Der Umbau von Lipiden ist eine Veränderung der Lipide in Lebensmitteln, die nachfolgend die organoleptischen Eigenschaften und ernährungsphysiologischen Merkmale des Produkts beeinflusst und dessen Haltbarkeit verkürzt. Dies kann zur Bildung toxischer Substanzen führen, die eine Gefahr für den Verbraucher darstellen.

Lipidoxidation: Autoxidation & Fettsäuren

Die Oxidation von Lipiden ist eine Autoxidation, die eine Reaktion mit molekularem Sauerstoff darstellt, enzymvermittelt oder nicht. Die wichtigsten Substrate sind ungesättigte Fettsäuren. Gesättigte Fettsäuren benötigen Temperaturen über 60 °C zur Oxidation, während mehrfach ungesättigte Fettsäuren bereits bei Raumtemperatur und sogar im gefrorenen Zustand oxidieren.

Folgen der Lipidoxidation: Ranzigwerden & Toxizität

Die wichtigste Auswirkung der Lipidoxidation ist das Ranzigwerden. Dies äußert sich in unangenehmem Geruch und Geschmack in Lebensmitteln (verursacht durch Aldehyde, Ketone, Säuren, etc.). Zudem führt es zum Abbau von Carotinoiden und fettlöslichen Vitaminen (A, D, E, K) sowie zum Verlust essentieller Fettsäuren. Potenziell toxische Substanzen können dabei entstehen.

Die Reaktion wird durch Sauerstoff, Hitze, UV-Licht und einige Metalle (Pro-Oxidantien) katalysiert. Einige Reaktionen erfordern eine hohe Aktivierungsenergie (Wärme).

Freie Radikale: Instabile & hochreaktive Moleküle

Ein freies Radikal ist ein Molekül (organisch oder anorganisch), das in der Regel sehr instabil und daher hochreaktiv ist. Die Bildung wird durch die Addition eines Elektrons (e-) an molekularen Sauerstoff initiiert, wodurch ein Superoxid-Radikal entsteht. Superoxid-Radikale werden auch durch die katalytische Oxidation von Oxyhämoglobin produziert, wobei täglich etwa 3 % zu Methämoglobin oxidiert werden.

Zu den freien Radikalen gehören das Sauerstoffmolekül, das Wasserstoffatom und Übergangsmetalle (im Ionenzustand). Die enorme Reaktivität von Sauerstoffradikalen führt dazu, dass sie aggressiv mit anderen Molekülen interagieren.

Prävention von Lipidoxidation: Rolle der Antioxidantien

Ein Antioxidans ist eine Substanz, die die Aktivierungsenergie im oxidativen Prozess absorbiert und so die Übertragung von Lipidmolekülen auf Glyceride verhindert.

Antioxidantien: Wirkungsweisen & Typen

Antioxidantien stoppen die Kettenreaktionen der Fettoxidation. Sie können gelösten Sauerstoff im Produkt oder im Kopfraum der Verpackung eliminieren (z. B. O2-Absorber in aktiven Verpackungen) oder Spurenmetalle entfernen, die die Oxidation fördern (Chelatbildner).

Antioxidantien Typ I: Radikalketten-Unterbrecher

Diese Antioxidantien haben die Fähigkeit, die radikalische Kettenreaktion zu unterbrechen. Sie vermindern die Verfügbarkeit freier Radikale und verlängern so die Induktionsperiode. Ihre schützende Wirkung ist auch in Anwesenheit von Metallen wichtig. Es besteht ein synergistischer Effekt zwischen niedrigem Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre und der antioxidativen Wirkung.

Beispiele für Antioxidantien Typ I

• Derivate der Phenole:
  • Leicht wasserlöslich, wenig hitzebeständig und lipidlöslich: Propylgallat (E-310), Octylgallat (E-311), Dodecylgallat (E-312).
  • Fettlöslich und hitzebeständig: Butylhydroxyanisol (BHA) (E-320), Butylhydroxytoluol (BHT) (E-321).
• Holzrauch: Enthält phenolische Verbindungen.

Antioxidantien Typ II: Radikalbildungsverhinderer

Dies sind Verbindungen, die die Bildung freier Radikale verhindern oder verringern. Dazu gehören Metallchelatbildner. Ihre Wirkung hängt vom pH-Wert und der Temperatur ab. Einige haben auch andere Effekte, wie Säuerung oder Konservierung.

Beispiele für Antioxidantien Typ II

• Komplexbildner: Ethylendiamintetraacetat (EDTA), z. B. als Natriumsalz (H-3247), als Dinatriumsalz und Calciumsalz (H-3246).
• Säuren: Milchsäure und ihre Salze (E-270, E-325, E-326, E-327), Zitronensäure und ihre Salze (E-330, E-333, E-380), Weinsäure und ihre Salze (E-334, E-335, E-336, E-337, E-353, E-354).

Antioxidantien Typ III: Physikalische Schutzmaßnahmen

Dazu gehören physikalische Verfahren zum Schutz vor Oxidation:

• Vakuumverpackung
• Verpackung unempfindlich gegenüber Sauerstoff (und anderen Gasen)
• Aktive Verpackung in kontrollierter Atmosphäre (gasdicht) oder mit O2-Absorbern
• Reduzierung der Wasseraktivität (aw)
• Vermeidung von Produkterhitzung
• Lichtschutz (UV-Filter)

Geschmacksveränderungen & Oxidation

Einige industriell desodorierte, raffinierte Fette neigen dazu, durch milde Oxidation (ohne Ranzigkeit) unerwünschte Aromen (z. B. nach Farbe, Kräutern, Fisch) zu entwickeln. Am anfälligsten sind marine Öle, Leinöl, Sojaöl und Rapsöl. Dies kann den Geschmack von Bratgut beeinträchtigen.

Polymerisation von Fetten beim Erhitzen

Eine Erhöhung der Temperatur (z. B. beim Braten) führt zur Polymerisation von Estern hoch ungesättigter Fettsäuren. Dies erhöht die Viskosität des Öls (Bildung von Gelen) und beeinflusst dessen Wärmeleitfähigkeit. Dieser Prozess tritt insbesondere auf, wenn das Öl wiederholt verwendet wird.