Lebensmittelkonservierung

Report
Lebensmittelkonservierung
Luisa Wanka
SS 2009
Gliederung
1. Einleitung: Was bedeutet Konservieren?
2. Geschichte der chemischen
Lebensmittelkonservierung (D1a,b)
3. Konservierung durch Senkung des pHWertes (D2)
4. Schwefeln von Lebensmitteln (V1+2)
5. Pökeln von Lebensmitteln (D3,V3+4+5)
6. Nachteile
7. Schulrelevanz
8. Literatur
2
1. Einleitung
3
1. Einleitung
1.1 Definition: Was bedeutet Konservieren?
• Konservierung: conservare (lat.) = bewahren, erhalten
• Definition:
Schaffen eines Zustands, in dem äußere
und innere Verderbsursachen beseitigt
bzw. der Prozess des Verderbs
verlangsamt wird.
Verlängerung der Haltbarkeit
• Ziel: Erhaltung des äußeren Erscheinungsbildes, des
Geschmacks und der Konsistenz
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1. Einleitung
1.2 Verursacher des Lebensmittelverderbs:
• Lebensmittelverderb wird durch Bakterien,
Hefen und Schimmelpilze verursacht
• Bakterien: Fäulnis, Ansäuerung, Verfärbung
(z.B. Fäulnis: Abbau von Aminosäuren und Proteinen,
Freisetzung von H2S oder NH3)
• Hefen: Gärung (z.B. Säfte)
• Schimmelpilze: Verschimmeln und Erweichung
(z.B. Schimmelpilzrasen)
5
1. Einleitung
1.3 Wirkungsweise von Konservierungsstoffen
Wirkungsklassen:
• mikrobiozide Stoffe:
(z.B. in Pflanzenschutzmitteln): Abtöten von
schädlichen Organismen
• mikrobiostatische Stoffe:
(z.B. Lebens- oder Futtermittelkonservierung):
Verhindern: Bakterien-Wachstum, Bildung von
Toxinen
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1. Einleitung
Einteilung der Konservierungsverfahren
Lebensmittelkonservierung
chemisch (5 %)
Einsalzen
Einzuckern
Pökeln
Räuchern
physikalisch (95 %)
Bestrahlung
- UV-Licht
thermisch
- Sterilisieren
- Pasteurisieren
- Trocknen
- Kühlen
- Einfrieren
Zusatzstoffe
7
2. Geschichte der
Lebensmittelkonservierung
8
2. Geschichte
2. Geschichte der Lebensmittelkonservierung
~ 7000 v. Chr.:
~ 3000 v. Chr.:
~ 2000 v. Chr.:
~ 1000 v. Chr.:
~ 50 n. Chr.:
~ 1400 n. Chr.:
~ 1900 n. Chr.:
~ 1950 n. Chr.:
Heute:
Salzen, Trocknen, Räuchern
Einlegen in Öl (Mesopotamien)
Einlegen in Essig (Ägypten)
und Honig (Römisches Reich)
Einlegen in Alkohol (Arabien)
und Milchsäure (Ostasien)
Schwefeln (Römisches Reich)
Pökeln
Bor- und Salicylsäure
Bestrahlung
Kühlung und Sorbinsäure
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2. Geschichte
2.1 Notwendigkeit der Lebensmittelkonservierung
• Haltbarkeit: von Lebensmitteln beschränkt
• Verfügbarkeit vieler Rohstoffe: nur während Erntezeit
• Internationaler Warenaustausch:
Weg von Produktionsort zum Verbraucher immer länger
• Konsument: Wandel der Einkaufsgewohnheiten
• Medizin/Toxikologie: Schutz vor Toxinbildung
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2. Geschichte
2.1 Notwendigkeit der Lebensmittelkonservierung
Vorbeugung des Missbrauchs von Konservierungsmitteln
Richtlinien der WHO und EU:
• ADI-Werte (acceptable daily intake) = Tageshöchstdosis
in mg/kg
Zusatzstoffe kennzeichnungspflichtig:
• klassifiziert durch E-Nummern (z.B. E210 für
Benzoesäure)
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2. Geschichte
Demo 1a
Trocknen von
Champignons
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2. Geschichte
Demo 1b
Konservierung mit Salz
und Essig (nach Runge)
13
2. Geschichte
Auswertung Demo 1
• Wasserentzug macht Lebensmittel fast unbegrenzt
haltbar
Wassergehalt < 4 % und trockene Lagerung
• Salz entzieht den Mikroorganismen im Lebensmittel das
lebensnotwendige Wasser
mind. 8 bis 24 %ige Kochsalzlösung nötig
• Salz meist in Kombination mit Essig
14
3. Konservierung
durch Senkung des
pH-Wertes
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3. pH-Wert-Senkung
3.1 Konservierung mit Essigsäure
• konservierende Wirkung beruht auf Senkung des pHWertes
Essigsäurekonzentration mind. 0,5 %
• Wirkung steigt mit sinkenden pH-Wert
• bei niedrigen pH-Werten kann die Säure die Zellmembran
der Mikroorganismen durchdringen und zerstören
Wirkung:
Mikroorganismen benötigen für Wachstum neutrales Milieu,
daher Essigsäure sehr effektiv.
16
3. pH-Wert-Senkung
Demo 2
Aufnahme einer
Titrationskurve von
Gurkenwasser
17
3. pH-Wert-Senkung
3.2 Graphische Auswertung der aufgenommenen
Titrationskurve
Auswertung der Titrationskurve von Gurkenwasser
14
12
pH-Wert
10
8
ÄP bei V(NaOH) = 11,5 mL
pH = 8,48
6
4
2
Pufferpunkt (1/2 V(NaOH) am ÄP): pH = 4,39
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
V (NaOH) /mL
13
14
15
16
17
18
19
20
21
18
3. pH-Wert-Senkung
3.2 Graphische Auswertung der aufgenommenen
Titrationskurve
Ergebnisse: Säure im Gurkenwasser
Essigsäure (pKs-Wert: 4,75)
Reaktionsgleichung:
CH3COOH (aq) + Na+(aq) + OH-(aq)
CH3COO-(aq) + Na+(aq) + H2O
Bestimmung der Menge von Essigsäure:
n(CH3COOH) = c(NaOH)*V(NaOH)* t = 0,1mol/L*11,5 mL*1,00
= 1,15 mmol
m(CH3COOH) = M(CH3COOH)*n(CH3COOH)
= 60,05 mg/mmol*1,15 mmol
= 69,05 mg/mmol
In 50 mL Gurkenwasser sind demnach 69,05 mg Essigsäure enthalten.
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4. Schwefeln von
Lebensmitteln
20
4. Schwefeln
4.1 Allgemeines und Wirkung
• Lebensmittel werden mit Schwefeldioxid oder Salzen der
schwefeligen Säure behandelt
• wird in der Technologie wegen ihrer antimikrobiellen,
antioxidativen und reduzierenden Eigenschaften
eingesetzt
(z. B. Obst: Verhinderung von Bräunungsreaktionen)
• ADI-Wert: 0,7 mg/kg Körpergewicht, d.h. ein
Erwachsener (KG = 70 kg) kann ohne Gefahr täglich 49
mg SO2 zu sich nehmen
21
4. Schwefeln
4.2 Toxizität und Anwendungsgebiete
• Einsatz aus toxikologischer Sicht umstritten
zerstört Vitamin B1 im Organismus, Entstehung von
Krämpfen der Bronchialmuskulatur
• Anwendung hauptsächlich bei Trockenfrüchten oder
Gemüse, Konfitüre und der Weinherstellung.
Rotwein hat zum Beispiel einen Gesamtgehalt an
Schwefel von 175 mg/L
22
4. Schwefeln
Versuch 1
Schwefeln von
Apfelstücken
23
4. Schwefeln
Auswertung Versuch 1
• Schwefel wird durch den Sauerstoff der Luft zu
Schwefeldioxid oxidiert
0
0
S8(s) + 8 O2(g)
+4-2
8 SO2(g)
• das entstandene SO2–Gas verhindert die
Bräunungsreaktion durch Phenoloxidation
• um Lebensmittel vor einer Oxidation an der Luft zu
schützen, verwendet man Antioxidantien (hier: SO2)
• Antioxidantien können Luftsauerstoff abfangen und somit
eine Oxidation verhindern
24
4. Schwefeln
Versuch 2
Nachweis von SO2 in
Trockenobst mit
Bleiacetat-Papier
25
4. Schwefeln
Auswertung Versuch 2
0
+1
+2
3 Zn(s) + 6 HCl(aq)
0
+4
3 H2(nasc) + 4 SO2(g)
H2S(g) + Pb(CH3COO)2 (aq)
0
3 ZnCl2(aq) + 3 H2(nasc)
+1 -2
+1
H2S(g) + 2 H2O
PbS(s) + 2 CH3COOH(aq)
• Braunfärbung des Bleiacetat-Papiers durch Bildung von H2S
• Schwarzfärbung erfolgt durch Bildung von PbS
26
5. Pökeln von
Lebensmitteln
27
5. Pökeln
5.1 Allgemeines
• Pökelsalz besteht hauptsächlich aus Kochsalz (NaCl)
und geringen Mengen an Nitrit-Salzen (NaNO2Massenanteil: 0,4 bis 0,5 %)
• weitere Inhaltsstoffe: Saccharose und Pökelhilfsstoffe,
wie z.B. L-Ascorbinsäure
• Anwendung: Rohe Fleisch- und Wursterzeugnisse
28
5. Pökeln
5.2 Pökelarten
• Trockenpökelung: Einreiben mit NaCl-NaNO2 Gemisch
• Nasspökelung: in 15-20%ige Pökelsalz-Lösung
eingelegt (mehrere Tage)
• Spritzpökelung: Injektion einer Pökellake, darin
eingelegt (1 Tag)
 Lagerung: bis zu mehreren Monaten
29
5. Pökeln
5.3 Wirkung
Wirkung ist von zwei Faktoren abhängig:
• Senkung der Wasseraktivität durch Zugabe von NaCl
• Anwesenheit von Nitrit (wirkt antibakteriell, antioxidativ und
verstärkt die haltbarkeitsverlängernde Wirkung von NaCl)
z.B. 100 mg Nitrit/kg gegen Clostridium botulinumSporen nötig
• optimale Wirkung bei niedrigen pH-Werten und niedrigen
Lagertemperaturen
30
5. Pökeln
Demo 3
Wirkung von Pökelsalz
31
5. Pökeln
Wirkung von Pökelsalz
Nach 1 Woche Lagerung
Ungepökeltes Fleischstück
Gepökeltes Fleischstück
32
5. Pökeln
Auswertung Demo 4
Die antimikrobielle Wirkung des Nitrits beruht auf der freigesetzten
salpetrigen Säure und den daraus entstehenden Stickoxiden.
Disproportionierungsreaktion:
NO2- (aq) + H3O+ (aq)
+3
3 HNO2 (aq)
HNO2 (aq) + H2O
+5
+2
HNO3 (aq) + 2 NO (aq/g) + H2O
Stickstoffmonoxid wirkt konservierend, farbbildend, aromabildend
und antioxidativ
33
5. Pökeln
5.3 Weitere Wirkung: Umrötung von Fleisch
Umrötung:
Nitrit kann sich an den Muskelfarbstoff
Myoglobin unter Bildung des Nitrosomyoglobin
anlagern
gekochtes Fleisch erhält rote Farbe
(Umrötung)
Subjektive Wirkung (Geschmack/Optik):
Bildung von Nitrosomyoglobin
(rote Fleischfarbe ≠ Frische!)
34
5. Pökeln
Versuch 3
Umrötung von Hackfleisch
35
5. Pökeln
Auswertung Versuch 3
Struktur des Myoglobins (Mb)
Tertiärstruktur von Mb:
(His)
Globin
NH
N
C
N
HC
N
Fe2+
N
CH
N
C
H
purpurrot
N
N
H
Quelle:
(His)
http://1.bp.blogspot.com/_oN9Qi7HfHqA/Rzyy
MYu17XI/AAAAAAAAAWw/vaRKauDzD_Y/s3
20/Myoglobin.png
36
5. Pökeln
Auswertung Versuch 3
Reaktion ohne Zugabe von Pökelsalz
Mb(Fe²+)-His
Kochen
Myoglobin, purpurrot
Mb(Fe³+)-His
MetMb, grau-braun
Reaktion mit Zugabe von Pökelsalz
1. Schritt: Nitrit-Reduktion
+3
Mb(Fe²+)-His + NO2-(aq) + 2 H3O+ (aq)
Myoglobin, purpurrot
+2
Mb(Fe3+)-His + NO(g) + 3 H2O
MetMb, grau-braun
2.Schritt: Reaktion mit NO
a) Mb(Fe2+)-His + NO(g)
Mb(Fe2+)NO + “His”
Nitrosomyoglobin
b) Mb(Fe3+)-His + NO(g)
Mb(Fe3+)NO + “His”
Nitrosometmyoglobin
37
5. Pökeln
5.4 Nachweis und Gehalt-Bestimmung
von Nitrit in Pökelsalz
Nach der Zusatzzulassungsverordnung darf nicht
mehr als 100 mg/kg Nitrit über Pökelsalz der
Lebensmittel zugegeben werden.
1. Für den Nitrit-Nachweis: Lunges-Reagenz
2. Gehalts-Bestimmung: Kaliumpermanganat
38
5. Pökeln
Versuch 4
Qualitativer Nachweis von
Nitrit in Pökelsalz
39
5. Pökeln
Auswertung Versuch 4
Lunges 1: 1 g Sulfanilsäure in 30 -%iger Essigsäure
Lunges 2: 0,3 g α-Naphthylamin in Eisessig und Wasser
Reaktionen:
1.Schritt: Diazotierung
NH2 +
HO3S
O
N
OH
+ H3O+(aq)
Sulfanilsäure
Diazotierung
+
HO3S
N N
Diazonium-Ion
(farblos)
+ 3 H2O
(aq)
40
5. Pökeln
Auswertung Versuch 4
2. Schritt: Azokupplung
+
HO3S
N N
Diazonium-Ion
(farblos)
+
NH2 + H2 O
(aq)
 -Naphthylamin
(Kupplungskomponente)
(farblos)
Kupplung
HO3S
N N
NH2 + H3O+(aq)
Azofarbstoff
(intensiv rot)
41
5. Pökeln
Versuch 5
Quantitative Bestimmung
des Nitrit-Gehalts in
Pökelsalz
42
5. Pökeln
Auswertung Versuch 5
Reduktion:
+7
+2
MnO4- (aq) + H3O+(aq) + 5 e-
Mn2+ (aq) + 12 H2O
violett
farblos
Oxidation:
+3
+5
NO2
-
(aq) +
3 H2 O
NO3- (aq) + 2 H3O+ (aq) + 2 e-
Gesamtreaktion:
2 MnO4-(aq) + 5 NO2-(aq) + 6 H3O+(aq)
violett
5 NO3-(aq) + 2 Mn2+(aq) + 9 H2O
farblos
43
5. Pökeln
Auswertung Versuch 5
Berechnung von Nitrit-Gehalt:
Beispiel:
Einwaage Pökelsalz: m(Pökelsalz) = 25,000 g
Mittelwert: VAnalyse = 18,35 mL
Berechnung des Massenanteils w(NaNO2) in Pökelsalz: [M(NaNO2)=69 g/mol]
1 mL KMnO4-Lösung, c(KMnO4) = 0,02 mol/L, entspricht 3,45 mg NaNO2.
 6,25 mL KMnO4-Lösung entsprechen 21,56 mg NaNO2.
m(NaNO2)= 18,35 mL · 25000 mg/100 mL = 4575 mg NaNO2.
Massenanteil: w(NaNO2)= 21,56 mg/4575 mg · 100% = 0,47%
Richtwert: 0,4 – 0,5 %
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6. Nachteile
45
6. Nachteile
6. Nachteile der Lebensmittelkonservierung
Schwefeln:
• schwefelige Säure zerstört Vitamine und löst bei empfindlichen
Menschen (z.B. Asthmatikern) Überempfindlichkeitsreaktionen aus
• viele Menschen reagieren ab 25 mg Schwefel, z.B. pro Liter Wein,
mit Kopfschmerzen
Pökeln:
• Verlust von Vitaminen und Mineralstoffen
• Entstehung von Nitrosaminen
Krebserregend
in Bier, Fischprodukten, gepökelten
Fleischerzeugnissen
Bildung von Nitrosaminen:
NaNO2 (aq) + H3O+(aq)
HNO2 (aq) + H2O + Na+ (aq)
HNO2 (aq) + H3O+ (aq)
NO+(aq) + 2 H2O
R-NH + NO+ (aq)
R-N-NO + H+
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7. Schulrelevanz
47
7. Schulrelevanz
7. Schulrelevanz
G8-Lehrplan:
• fächerübergreifend: Chemie-, Biologieunterricht für Jg. 8-10
z.B. Besprechung des Zellaufbaus von Bakterien und Pilzen
• Themenkomplex für Jg. 11-12: „Konservierung und
Zusatzstoffe“ oder fakultativ im Bereich „Alkansäuren und
ihre Derivate“
• Vielfalt der Konservierungsmethoden aus Haushalt bekannt
starker Alltagsbezug (Schüler-Interessen)
• ermöglicht außerschulische Lernorte (z.B. Supermarkt)
• experimentelle Hausaufgaben
48
8. Literatur
8. Literatur
•
•
•
•
•
BALTES, W.: Lebensmittelchemie, 5. Auflage, Springer Verlag, Berlin.
S. 133-153.
FLUCK, E./MAHR, C.: Anorganisches Grundpraktikum, 6. Auflage, VCH, Weinheim 1985
RIEDEL, E.: Anorganische Chemie, 5. Auflage, Verlag Walter de Gruyter, Berlin - New York
2002
SEABERT, H./WÖHRMANN, H.: Konservierung von Lebensmitteln mit und ohne Chemie.
Materialien für den Unterricht. Hrsg.: AG Naturwissenschaften - sozial, Marburg 1992
STUTE, R.: Lebensmittel haltbar machen – die Entwicklung einer Technologie. In: NiU-Ch
10, Heft Nr. 49, 1999. S. 7-11
•
http://www.chemie-macht-spass.de/2003-konservierungsstoffe.html#01
•
http://www.chids.de/dachs/expvortr/580Lebensmittelkonservierung_Damm_Scan.pdf
•
http://www.schulebw.de/unterricht/faecher/nwt/unterrichtseinheiten/bausteine/ernaehrung/bilder/01Geschicht
e%20Lebensmittelkonservierung.pdf
•
http://www.chemieunterricht.de/dc2/wsu-bclm/kap_05.htm
•
http://de.encarta.msn.com/encyclopedia_761560675/Lebensmittelkonservierung.html
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