Projekt 13053/20

Förderschwerpunkt Biotechnologie: Verbund Biotechnologie in der Lebensmittelwirtschaft – Innovative Problemlösungen in Kooperation zwischen Hochschulen und mittelständischen Industrieunternehmen: Entwicklung eines innovativen Hochdruck-Behandlungsverfahr

Projektdurchführung

Technische Universität MünchenLehrstuhl für Fluidmechanik und Prozessautomation
Weihenstephaner Steig 23
85350 Freising

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die Sterilisation von Lebensmitteln zur Haltbarmachung erfolgt in der Regel thermisch mit Hilfe von Dampf oder Heißwasser. Lebensmittel bestehen zu einem Großteil aus Wasser. In Folge der hohen thermischen Kapazität führt dies zu hohen Energieeinträgen. Eine Alternative zur Reduzierung des Energieeintrags und der Schonung von Umwelt und Ressourcen ergibt sich durch die Hochdrucktechnik mit Drücken bis zu 1.000 MPa. Die Evaluierung dieses bisher ungenutzten Potenzials sowie die Entwicklung eines Hochdruckprozesses erfolgt im Rahmen dieses Forschungsvorhabens. Zudem lässt die instantane Wirkung des Drucks gegenüber der thermischen Sterilisation eine Verbesserung der Produktqualität erwarten. Die erfolgreiche Umsetzung der Haltbarmachung von Lebensmitteln durch Hochdruck erfordert folgende Voraussetzungen: Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen, Lebensmittelsicherheit, positiver Einfluss auf die Produktqualität und die Übertragbarkeit des Verfahrens in den industriellen Maßstab. Ziel des Projekts ist es daher, einen Hochdruckprozess mit den Parametern Druck, zeitliche Druckänderung, Temperatur, Haltezeit, Art des Druckübertragungsmediums und Temperierung zu entwickeln, der die gestellten Anforderungen erfüllt.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDie Untersuchungen finden am Modelllebensmittel Karottenbrei statt. Die Ergebnisse werden mit denen eines voll ausgereiften, industriellen thermischen Sterilisationsprozesses verglichen. Bilanzen des Primärenergiebedarfs für jeden der durchgeführten Hochdruckprozessvarianten ermöglichen einen Ver-gleich mit dem etablierten thermischen Verfahren. Mit Hilfe systematischer Untersuchungen zur Inaktivie-rung relevanter Sporen und Enzymen, die typischerweise in Verbindung mit Karotten zu finden sind, erfolgt die Entwicklung eines Standard-Referenz-Prozesses, der die Bedingungen der Lebensmittelsicherheit erfüllt. Die Weiterentwicklung der FISH-Technik ermöglicht die zeitnahe Detektierung von Sporen der relevanten Mikroorganismen. Zur Beurteilung der Qualität des Lebensmittels finden Untersuchungen zum rheologischen Verhalten sowie zum Einfluss der Hochdruck- und der thermischen Behandlung auf essenzielle Lebensmittelinhaltsstoffe statt. Sensorische Tests runden die Analysen ab. Das Werkzeug der Numerischen Simulation ermöglicht ein Scale Up des entwickelten Hochdruckprozesses sowie die Ges-taltung der Thermofluiddynamik im Hochdruckbehälter im industriellen Maßstab mit dem Ziel eines energetisch günstigen und lebensmitteltechnisch sicheren Verfahrens.


Ergebnisse und Diskussion

Der Einsatz der Hochdruckbehandlung zur Haltbarmachung von Karottenbrei weist gegenüber dem herkömmlichen thermischen Prozess ein erhebliches Einsparpotenzial bezüglich des Energieeinsatzes auf (größer 40 %). Dies bedeutet eine substanzielle Schonung der Umwelt und ihrer Ressourcen. Damit liegen gesicherte Ergebnisse für die Erfüllung des primären Projektziels vor. Die Hochdruckbehandlung er-weist sich bei der Anwendung auf Karottenbrei auch als äußerst schonend gegenüber den rheologischen Eigenschaften, den wertgebenden Schlüsselaromastoffen sowie den Kohlenhydraten. Dies entspricht der Erfüllung eines weiteren Projektziels. Im Vergleich dazu entstehen bei der thermischen Behandlung Schlüsselaromastoffe aus geruchlosen Aminosäuren, die das Gesamtaroma und damit die Naturbelas-senheit des Produkts deutlich verändern. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen weiterhin, dass für die Entwicklung des Hochdruckprozesses die alleinige Festlegung der Parameter Haltedruck, Starttemperatur, Druckrampe und Haltezeit nicht ausreicht. Vielmehr beeinflussen die neben dem Produkt im Druckbehälter eingesetzten Materialien (Druckübertragungsmedium, Verpackungen, Druckbehälterwand) in Verbindung mit der Geometrie und der Temperierung des Behälters ganz erheblich den Temperatur-Zeit-Verlauf währen der Behandlung und somit die Inaktivierungskinetiken von Mikroorganismen und Enzymen. Durch gezielte Wahl der Materialien und Randbedingungen wurde ein praxisnaher Hochdruckprozess entwickelt, der bei einem Haltedruck von 600 MPa sowie einer Haltezeit von 20 min. für spezifi-sche Produkte und Konsumentengruppen eine ausreichende Inaktivierung von Mikroorganismen realisiert. Die Druckresistenz der Organismen (B. licheniformis, B. subtilis, B. amyloliquefaciens, C. botulinum und T. thermosaccharolyticum) korrelierte nicht immer mit der Hitzeresistenz, weder bei Vergleich zwi-schen den unterschiedlichen Arten, noch bei Vergleich unterschiedlicher Stämme derselben Art. Die Leitkeime für die thermische Sterilisation eigenen sich daher nicht grundsätzlich für die der Hochdruckbehandlung. Der Leitkeim für die thermische Sterilisation C. botulinum lässt sich durch eine geeignete Druck-Temperatur-Behandlung inaktivieren ebenso wie das hitzeresistente Enzym alpha-Amylase. Bei Versuchen mit der Meerrettich-Peroxidase bei 700 MPa, 80 °C und 15 min. Haltezeit weist diese noch eine Aktivität von 20 % auf. Die Inaktivierung der alkalischen Protease aus B. lichenifomis findet bei 800 MPa und 80 °C statt. Hervorzuheben ist, dass bakterielle Enterotoxine durch eine Druckbehandlung nicht maskiert werden; deren Nachweis ist demnach noch nach einer druckbasierenden Lebensmittelkonservierung weiterhin möglich. Bei der FISH-Technik zum zeitsparenden Nachweis von Mikroorganismen ist es erstmalig gelungen durch direkte in situ-Analyse von Sporen die Analysendauer auf 3 h herab-zusetzen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

- Baars, A., Pereyra, N., Delgado, A., Margosch, D., Ehrmann, M.A., Vogel, R.F., Czerny, M., Schieberle, P., Meußdoerffer, F.: High Hydrostatic pressure - an energy saving technology for preservation of food. ICEF9, Montpellier, 07.-11.03.2004.
- Baars, A., Pereyra, N., Delgado, A., Margosch, D., Ehrmann, M.A., Vogel, R.F.., Czerny, M., Schieberle, P., Meußdoerffer, F., Beimfohr, C.: Entwicklung eines innovativen Hochdruckverfahrens zur umweltfreundlichen Sterilisation von Lebensmitteln. 36. Techn. Sem. Weihenstephan, Januar 2003
- Gemeinsames Statusseminar von BMBF-, DBU- und DFG-geförderten Forschungsprojekten Hoch-druckbehandlung von Lebensmitteln. 01.-02.10.2003 TU Berlin, FG Lebensmittelbiotechnologie und -prozesstechnik.
- Vorstellung der Ergebnisse auf der Anuga Food Tec in Köln, 08.-11.04.2003 und der ACHEMA 2003 in Frankfurt/M. 19.-24.05.2003.
- Baars, A., Marjanovic, D., Delgado, A.: Relations of Diffusive Momentum Transport and Conformational Changes in Aqueous beta-Lactoglobulin Solutions under High Pressure. Conf. High Pressure Biosciences and Biotechnology, Rio de Janeiro, 26.-30.09.2004. - Delgdao, A., Hartmann, Chr.: Pressure Treatment of Food: instantaneous but not Homogeneous Effect. In: Winter, R. (Ed.): Advances in High Pressure Bioscience and Biotechnology II. Springer, Berlin 2003.
- Margosch, D., Ehrmann, M.A., Vogel, R.F.: Rolle der Dipicolinsäure bei der druckinduzierten Inaktivierung bakterieller Endosporen. Poster, 5. Fachsymposium Lebensmittelmikrobiologie der VAAM und DGHM in Deeon, Mai 2003.
- Gänzle, M.G., Margosch, D., Ehrmann, M.A., Vogel, R.F.: Frisch gepresst - Untersuchungen und Überlegungen zur mikrobiologischen Sicherheit hochdruckbehandelter lebensmittel. Vortrag, GDL-Kongress Lebensmitteltechnologie in Stuttgart-Hohenheim, September 2003.
- Margosch, D., Gänzle, M.G., Ehrmann, M.A., Vogel, R.F.: Pressure inactivation of Bacillus endospores. Appl. Environ. Microbiol. In press.
- Margosch, D., Ehrmann, M.A., Gänzle, M.G., Vogel, R.F.: Comparison of pressure and heat resistance of Clostrdium botulinum and other endospores in mashed carrots. J. Food Protect. In press.


Fazit

Die Anwendung der Hochdrucktechnik ermöglicht eine neue, hoch innovative, umwelt- und ressourcen-schonende Möglichkeit zur Haltbarmachung von Lebensmitteln bei gleichzeitig schonender Behandlung essenzieller Nahrungsmittelinhaltsstoffe.