| Biologische Grundlagen für den temperaturgeführten Transport Probleme der Ware und Qualitätserhaltung während des Transportes |
| Vortrag von Herrn Uwe-Peter Schieder, Gesamtverband der Deutschen Versicherungswirtschaft e.V. |
Inhaltsverzeichnis
Definitionen
Leichtverderbliche Lebensmittel
Zu den leichtverderblichen Lebensmitteln gehören u. a.:
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Fleisch |
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Brot |
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Eier |
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Fisch |
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Früchte |
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Milch |
Leichtverderbliche Lebensmittel bestehen u. a. aus:
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Eiweißen |
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Kohlehydraten |
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Mineralstoffen |
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Wasser |
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Fetten |
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sowie Spurenelementen und Vitaminen |
Kühlung
"Normale" Temperaturen führen bei leichtverderblichen Lebensmitteln u a. zu folgenden negativen Eigenschaften:
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Überreife |
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Vitamin- und Aromaverluste |
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Schimmel |
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Fäulnis |
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Bildung von toxischen Substanzen |
Die Produkte werden dann schnell ungenießbar, daher der Begriff "leicht verderblich".
Kühlung kann die Lebensdauer bzw. die Qualität der leichtverderblichen Lebensmittel deutlich verlängern.
Für die Haltbarkeit sind folgende drei Faktoren hauptverantwortlich:
- Wassergehalt
- Biotische Aktivität
- Lagerklima-Kondition
Wassergehalt
Der Wassergehalt der Waren wird in 4 Wassergehaltstufen (WGS) eingeteilt:
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WGS 0: Zur Wassergehaltsstufe 0 gehören all diejenigen Waren, die kein Wasser enthalten, wie z.B. Glas, Porzellan, Metalle, Kunststoffe usw. |
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WGS 1: Die Wassergehaltsstufe 1 entspricht einem Wassergehalt von > 0 … < 1,5 %, wie z.B. Zucker, Salz, Düngesalze etc. |
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WGS 2: Zu den Waren mit niedrigem Wassergehalt (> 1,5 … < 30 %) gehören Waren, wie Getreide, getrocknete Lebensmittel, Naturfasern etc. |
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WGS 3: Die Wassergehaltsstufe 3 entspricht > 30 … 90 % Wassergehalt. Zu dieser Warengruppe gehören Obst, Gemüse, Fleisch, Fisch etc. |
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Biotische Aktivität (BA)
Die biotische Aktivität wird in fünf Stufen unterteilt:
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BA 0: nicht lebende Produkte mit passivem Verhalten |
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BA 1: lebende Tiere / Organismen mit Stoffwechsel mit Auf- und Abbauprozessen |
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BA 2: Obst und Gemüse / lebende Organe mit Stoffwechsel ohne Zufuhr von Nährstoffen (Abbauprozesse überwiegen) |
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BA 3: Fisch, Fleisch, Trockenfrüchte. Bei diesen Waren laufen noch mikrobielle, biochemische Zersetzungsprozesse ab. |
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BA 4: Konserven, Getränke / unterbrochene mikrobielle und biochemische Prozesse. |
Lagerklimakondition
Die Lagerklima-Kondition beschreibt die Anforderung der Ware an das Lagerklima ihrer Umgebung. Sie wird in acht Klassen aufgeteilt (LK0 bis LK7):
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LK0 = keine Anforderungen |
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LK1 = Luftwechsel |
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LK2 = Temperaturregelung |
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LK3 = Temperatur und Luftwechsel |
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LK4 = Feuchte |
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LK5 = Feuchte und Luftwechsel |
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LK6 = Temperatur, Feuchte und ggf. Lüftung |
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LK7 = Temperatur, Feuchte, Luftwechsel |
Fazit
Je höher der Wassergehalt und die biotische Aktivität, desto höher sind die Anforderungen der Waren an die Lagerklima-Kondition. Für den Kühlbereich gilt:
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Ziel der Temperaturführung
Das Ziel der Temperaturführung respektive Kühlung ist, die Qualität der leichtverderblichen Waren zu erhalten:
Kühlfleisch soll die Qualität von Frischfleisch aufweisen.
Bei Früchten, z. B. Bananen, sollen die Reifungsprozesse möglichst gering gehalten werden. Es darf aber auf keinen Fall so weit gekühlt werden, dass sie ihre Fähigkeit zur Nachreifung verlieren!
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Plus- und Minuswaren
Pluswaren
Der Transport von Pluswaren ist sehr anspruchsvoll. Das Ziel beim Transport von Pluswaren ist:
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durch eine bestimmte Temperatur Leben erhalten |
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Atmung auf ein Minimum reduzieren ("Schlaftemperatur") |
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Typische Pluswaren sind Obst, Gemüse, aber auch Waren tierischen Ursprungs |
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Aber: Kühlung von vegetabilen Waren unter ihren spezifischen "Chillpunkt", kann Kaltlagerschäden verursachen! |
Minuswaren
Zu den Minuswaren zählen u. a.:
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Fisch |
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Fleisch |
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Speiseeis |
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Fertigprodukte der Lebensmittelindustrie |
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Ursachen des vegetabilen Verderbs
Zu den Ursachen des vegetabilen Verderbs gehören:
- Schimmel und Fäulnis
- Reifung
- Austrocknung, Welkung, Erfrieren
sowie - Nachernteerkrankungen
- Mechanische Schäden beim Umschlag
Befall durch Mikroorganismen – Schimmel und Fäulnis
Diese Abbildung zeigt Schimmel- und Fäulnisbildung am Orangen:
Lebensmittel mit hohem Wassergehalt bilden gute Nährböden für Schimmelpilze, Bakterien und Hefen. Früchte wie Orangen weisen einen hohen Wassergehalt auf, sie gehören zur Wassergehaltsstufe 3 mit einem Wassergehalt > 30 bis 90 %.
Reifung
Diese Bananen sind frühzeitig während des Transportes gereift. Ein unumkehrbarer Prozess, der sich durch die Abprodukte des Reifens (Ethen) noch beschleunigt hat. Einige der Bananen sind so schnell gereift, dass sie geplatzt sind. Schimmel und Fäulniserreger haben so ungehindert Zugang zu der Frucht.
Austrocknung
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Die mit dem Pfeil gekennzeichnete Orange (Bild links) dient als gutes Beispiel für Austrocknung, wie sie nicht erwünscht ist. Die Austrocknung stellt hier einen Schaden und eine Qualitätsminderung dar. Bei Rosinen hingegen ist die Austrocknung erwünscht (Bild rechts) – sie konserviert die Früchte. Die Aufnahme von Wasser würde den Verderb begünstigen.
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Nachernteschäden
Ein Nachernteschaden stellt der Schimmelbefall am Stiel dieser Bananen da. Er entsteht, wenn die beim Ernten entstandene Schnittfläche nicht (ausreichend) versiegelt wird.
Mechanische Schäden beim Umschlag
Diese entstehen meist durch falsches Handling oder mangelhafte bzw. fehlende Ladungssicherung wie in diesem Fall. Freiräume zwischen den Ladeeinheiten, sog. Ladelücken, müssen während der Seereise ausgefüllt werden. Wird dies nicht gemacht, kann es zu Ladungsbewegungen kommen, die zur physischen Beschädigung der Ladeeinheiten führen können:
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Aflatoxine Aflatoxine sind äußerst toxische Substanzen, die von einigen Schimmelpilzen (z. B. Gattung Aspergillus) gebildet werden. Aflatoxine können durch verschimmelte Rohstoffe wie Getreideprodukte, Nüsse, Ölsamen und Futtermittel übertragen werden. Sie sind sehr hitzestabil und werden erst bei Temperaturen über 100 °C z. B. beim Rösten inaktiviert. Aflatoxine gelten als Lebergifte mit hohem krebserregenden Potenzial. Die Abbildung rechts zeigt den Pilz Aspergillus flavus oder auch Gießkannenschimmel, der das zu den stärksten Zellgiften zählende Aflatoxin bildet. Das Aflatoxin ist den Transportversicherern im Zusammenhang mit der Verschiffung von Erdnüssen eventuell ein Begriff. |
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Lebensbedingungen der Mikroorganismen
Die folgende Auflistung nennt drei Gruppen von Mikroorganismen:
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die kälteliebenden Arten |
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die mittlere Temperatur liebenden Arten |
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und die wärmeliebenden Arten |
Die folgenden drei Grafiken zeigen die bevorzugten Temperaturbereiche und -optima dieser Mikroorganismen-Gruppen. Es wird deutlich, dass bei fast allen Temperaturen von -10°C bis +95°C Mikroorganismen auftreten.
Die oberen bzw. unteren Temperaturgrenzen stellen jeweils die Vermehrungsgrenzen der Mikroorganismen dar. Sporen dieser Organismen überleben noch bei weit geringeren Temperaturen über sehr große Zeiträume. Die große Temperaturspanne von -10°C bis +95°C zeigt, dass insbesondere leichtverderbliche Waren bei nahezu jeder Temperatur der Zersetzung durch Mikroorganismen ausgesetzt sind.
Temperaturbeispiel:
Auf Fleisch- und wasserhaltigen Fetten bleiben manche kälteliebender Erreger bis zu -10°C aktiv.
Das bedeutet im Umkehrschluss, dass erst bei einer Temperatur kleiner bzw. niedriger als -10°C eine mikrobielle Aktivität auszuschließen ist.
Aber:
Auch im Bereich von -10°C bis -62°C (Eutektischer Punkt) können noch mikrobielle Zersetzungsprozesse durch Fermente stattfinden.
Bei Temperaturen von -62° C wird der sogenannte Eutektische Punkt (E.P.) erreicht.
Erst bei Erreichen des Eutektische Punktes ist das gesamte Wasser in den Zellen der Ware ausgefroren und jegliche mikrobielle Zersetzung endet, d. h., bei Temperaturen unter – 62°C können Lebensmittel ohne Qualitätsverlust "unendlich lange" transportiert bzw. gelagert werden.
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Feuchtigkeitsansprüche
Das Wachstum von Mikroorganismen steht in direktem Zusammenhang mit der relativen Feuchte der Luft. Dies wird durch die folgende Grafik verdeutlicht:
Hinsichtlich ihrer Feuchtigkeitsansprüche lassen sich Mikroorganismen in vier Gruppen einteilen. Diese sind in der folgenden Abbildung aufgelistet:
Die Abbildung zeigt, dass unterhalb von 75% relativer Luftfeuchte keine Schimmelpilze mehr auftreten. Daher spricht man bei diesem Feuchtegehalt von der Schimmelgrenze.
Luftsauerstoffbedarf
Nach ihrem Luftsauerstoffbedarf lassen sich Mikroorganismen in folgende drei Gruppen einteilen:
In Abhängigkeit ihrer Zugehörigkeit zu den vorgenannten Gruppen benötigen die Mikroorganismen die unbedingte Anwesenheit von Sauerstoff, dessen Abwesenheit oder können sowohl mit als auch ohne Sauerstoff existieren und sich vermehren. Obligate Anaerobier können u. a. bei Konserven Schäden anrichten und z. B. Bombagen verursachen (s. Abbildung rechts). |
 Clostridium botulinum |
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Biochemische Ursachen des Verderbs
Wirkung durch Enzyme
Eine biochemische Ursache des Verderbs ist die Wirkung durch Enzyme (Enzym: In der lebenden Zelle gebildetes Protein, das Stoffwechselvorgänge steuert. (Synonym: Ferment, Enzymus, gesäuert / Sauerteig)
Neben den Mikroorganismen wirken auch Enzyme (Fermente) beim Abbau der Nährstoffe.
Das Temperaturoptimum der Enzymaktivitäten liegt bei 45°C. Ihre Aktivitäten nehmen bei geringeren Temperaturen ab, werden aber erst bei -62°C inaktiv. Die Enzymaktivitäten sind dafür verantwortlich, dass auch Gefrierfleisch nicht unendlich lange haltbar ist.
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Atmung vegetabiler Produkte
(Z. B. bei Äpfeln)
- aerobe Atmung
- anaerobe Atmung
Bei aerober Atmung wird Sauerstoff (O2) aufgenommen und durch Abbauprozesse (Verbrennung) Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf sowie Wärme gebildet.
Aerobe Atmung
Die Atmungsprodukte müssen durch ausreichende Lüftung aus dem Lagerraum entfernt werden.
Achtung: CO2 ist schwerer als Atemluft und reichert sich daher in den unteren Regionen der Laderäume an. Es besteht die Gefahr von Todesfällen – speziell bei allseitig geschlossenen Räumen, die nicht belüftet werden können, und in denen vegetabile Waren gelagert werden.
Anaerobe Atmung
Wird ein bestimmter Sauerstoffgehalt der Luft unterschritten, kann es zu anaerober Atmung kommen. Durch die anaerobe Atmung (Gärung) kann eine Ladung binnen weniger Stunden zum Totalverlust werden.
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Reifung vegetabiler Produkte
Es werden vornehmlich bei den Obstarten (hier am Beispiel Bananen) drei Reifestadien unterschieden:
- Vorklimakterium
- Klimakterium
- Postklimakterium
Das Vorklimakterium ist das Stadium, in dem die Bananen transportiert werden können. Sie sind grün, haben eine feste Konsistenz und sind relativ unempfindlich. Während des Transportes müssen die Früchte durch Kühlung und ggf. durch eine kontrollierte Atmosphäre (CA-Führung) in einen "Schlafzustand" versetzt und gehalten werden.
Im Vorklimakterium ist die Atmung reduziert, die Früchte geben wenig H2O und CO2 ab, der Stärke- und Chlorophyll-Abbau stagniert nahezu.
Erst im Klimakterium ändern sich die Prozesse. Stärke und Chlorophyll werden abgebaut, aus Stärke wird Zucker. H2O, CO2, Wärme und Ethen werden abgegeben. Die Früchte beginnen zu reifen und ihre Transportfähigkeit geht relativ schnell verloren. Hat die Reifung erst einmal begonnen, ist dieser Prozess unumkehrbar.
Im Postklimakterium sind die Bananen zunehmend überreif, sie haben keine Transportfähigkeit mehr.
Die Prozesse während dieser Reifestadien sind in diesem Diagramm dargestellt:
1 – Vorklimakterium (grün)
2 – Klimakterium (turner)
3 – Postklimakterium (gelb mit Tigerflecken)
c.r. – climacteric rise
Atmungskurve reifender Äpfel bei 12°C
Werden die Äpfel gekühlt und unter CA-Führung gelagert, können manche Sorten bis zu einem Jahr gelagert werden.
Reifung vegetabiler Produkte am Beispiel von Bananen
Die fortschreitenden Reifestadien der Bananen sind in der folgenden Abbildung gut erkennbar. Lässt man die Bananen noch weiter reifen, werden sie zunehmend matschig und für den Verzehr zunehmend unattraktiv bis ungeeignet.
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Allelopathie
Die von Früchten im Klimakterium ausgeschiedenen Gase CO2, Ethen und Aromastoffe können die benachbart gelagerten Früchte ebenfalls zum Übergang vom Vor- ins Klimakterium veranlassen. Vereinfacht gesagt: Werden einzelne reife Früchte neben unreifen gelagert, regen sie letztere ebenfalls zur Reifung an.
Durch eine Ethenkonzentration von 0,02 % in der Lageratmosphäre kann der Reifeprozess um das 4- bis 10fache beschleunigt werden!
Bananen, die ins Klimakterium (Genussreife) umschlagen, werden als "turner" bezeichnet.
Es gibt starke, mittlere und schwache Ethenentwickler (s. folgende Abbildung). Dadurch kann die Allelopathie zusätzlich verstärkt werden. Äpfel erzeugen viel Ethen, Bananen sind mittlere Ethenerzeuger.
Wird z. B. eine Kiste Äpfel (starke Ethenerzeuger) zu einer Ladung Kiwis gestellt (schwache Ethenerzeuger, sie reagieren äußerst empfindlich auf Ethen), so kann dies schneller zu einer Vollreife der Kiwis führen.
Der Effekt der Allelopathie wird in den sog. Reifehäusern für die Bananen genutzt. (Die Athmosphäre wird dort künstlich mit Ethen versetzt.)
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Physikalische Veränderungen
Austrocknung, Welkung von Kühl- und Gefrierprodukten
Diese Veränderungen können sowohl nützlich sein als auch Schäden verursachen. Die Fischplatten in der Abbildung oben links sind in gefrorenem Wasser gelagert, durch das Wasser ist der Fisch vor Austrocknung geschützt. Das Trocken von Früchten ist ebenfalls eine der ältesten Konservierungsmethoden. Bei Tiefkühlfleisch hingegen führt eine Austrocknung der Randschichten zu Gefrierbrand, der eine Qualitätsminderung darstellt.
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Chilling / Kaltlagerschäden
Chilling sind Kaltlagerschäden. Es sind irreparable, funktionelle Stoffwechselstörungen. Durch die Kühlung unter ihrem sog. Chillpunkt verlieren die Früchte die Fähigkeit, zu reifen. Unterkühlte Früchte "sterben ab" und können zum Totalverlust werden. Die Transport- und Lagertemperaturen liegen beim Obst deshalb weit oberhalb ihres Gefrierpunkts, z.B. bei Grapefruits bei 8 bis 10°C, bei Bananen oberhalb von 13°C.
Bananen, die einen Kaltlagerschaden erlitten haben, sind grau bis leicht rosa-orange, reifen nicht mehr voll heran und schmecken fad.
Unterkühlte Äpfel sind von außen nicht so eindeutig zu erkennen. Die in der nächsten Abbildung gezeigte Herzbräune ist ein eindeutiges Zeichen für einen Chilling-Schaden:
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Postmortale Veränderungen bei Fleisch
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Kühlen und Gefrieren
Unter Kühlen versteht man im allgemeinen die Herabsetzung einer Lagerklimatemperatur im Verhältnis zur Umlufttemperatur. Durch das Kühlen wird die Aktivität von Mikroorganismen eingeschränkt und die biochemische Umsetzung verzögert. Die Haltbarkeit von Lebensmitteln kann bei einer Temperatursenkung von 10 Kelvin verdoppelt bis verdreifacht werden. |
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Gefrieren und Gefrierkette
Wasser gefriert in Lebensmitteln nicht proportional zur Temperatur aus, was durch das folgende Diagramm verdeutlicht wird (linke Abbildung):
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Erst bei ca. -62°C (Eutektischer Punkt) ist alles Wasser ausgefroren. Ab dann sind auch die Enzyme inaktiv.
Beim Transport von Gefrierwaren ist auf die Einhaltung der Gefrierkette zu achten, damit die Waren nicht wärmer als ihre spezifische Solltemperatur werden können (s. Abbildung oben rechts).
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Anforderungen an die Verpackung
Die Verpackung von Kühlwaren muss diese gegenüber äußeren Einflüssen schützen. Die Packstoffe dürfen nicht mit dem Füllgut reagieren. (Lebensmittelgesetz!) Zudem muss die Verpackungen gut stapelbar sein sowie Druck-, Stoß- und Bruchfestigkeit aufweisen. Bei den bereits zuvor gezeigten Fischplatten dient das gefrorene Wasser als Verpackung und schützt die Ware: |
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Bananen werden in perforierten Schachteln aus stabiler Wellpappe mit perforierter Plastikfolieneinlage verpackt:
Die Perforation dient der Belüftung (Abführung von Wärme, CO2 und Ethen) zur Reduzierung von schnellem Verderb durch Schimmel- und Bakterienbefall.
Beim Stapeln ist darauf zu achten, dass die Lüftungsöffnungen der Schachteln direkt übereinander gestaut werden, damit eine optimale Durchlüftung sichergestellt ist. Dies wird in dieser Abbildung verdeutlicht:
Verpackungen von Frischobst müssen den Stapelstauchdruck auch in feuchter Umgebung aufnehmen können, sonst beulen die Schachteln aus (wie im folgenden Bild zu sehen) und können durch nebenstehenden Ladeeinheiten beschädigt werden.
Werden die Schachteln noch weicher, geben sie den Druck der Ladung an die Früchte weiter, die dadurch Schaden nehmen.
Beim Packen der Früchte in die Schachteln darf die Füllhöhe nicht überschritten werden, da es beim Stapeln der Schachteln sonst unweigerlich zu Quetsch- und Druckschäden kommt. Dies ist an dieser Abbildung leicht nachzuvollziehen:
Bei diesen Weintrauben war ggf. die Folie zu dicht, die Wärme konnte nicht ausreichend abgeführt werden und in dem sehr feuchten Milieu konnten sich Schimmelpilze schnell entwickeln. Wie beim Beispiel der Bananen sind auch hier die Schimmelpilze durch die "Verletzung" der Traube, der Schnittstelle am Stiel, eingedrungen ("Ernteverletzung"):
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