Entwicklung eines innovativen Hochdruck-Behandlungsverfahrens zur umweltfreundlichen Sterilisation von Lebensmitteln

 Im Lebensmittelmarkt findet ein überaus harter nationaler und internationaler Wettbewerb mit geographisch angrenzenden Niedriglohn-Ländern statt. Hierbei spielen Sicherheit, hohe Qualität und ernährungsphysiologischer Wert eines Produktes eine herausragende Rolle. Nur durch besondere Einhaltung dieser Kriterien lassen sich Wettbewerbsvorteile überhaupt erzielen. Um diese überaus hohen Anforderungen zu erfüllen, erfordern die klassischen Verfahren zur Herstellung von Lebensmitteln einen hohen Einsatz von Ressourcen.

Demgemäß laufen im Markt rege Aktivitäten auf der Suche nach solchen Innovationen, welche in der Produktherstellung Ressourcen und Umwelt schonen bei gleichzeitiger Verbesserung der Produktqualität. Unter den innovativen Verfahren verfügt die Behandlung der Nahrung mit hohen Drücken (bis zu 5000 bar) über ein großes Potential, um die Anforderungen eines produktionsintegrierten Umweltschutzes zu erfüllen. Im Unterschied zu der klassischen thermischen Behandlung bleiben ernährungsphysiologisch wertvolle Inhaltsstoffe (wie etwa Vitamine und Aromastoffe) bei den Hochdruckverfahren weitestgehend unverändert. Dabei erlaubt die Hochdruckbehandlung zugleich eine Sterilisation des Lebensmittels.

Dieses Projekt zielt darauf ab, der Lebensmittelindustrie das Potential der Hochdruckbehandlung auf dem Gebiet des produktionsintegrierten Umweltschutzes zu erschließen. Ein typischer, energie- und hilfsstoffintensiver Produktionsschritt (die Erhitzung inkl. Sterilisation) soll hinsichtlich der erforderlichen Produktqualität, der Produktsicherheit und des Ressourcenbedarfes analysiert werden. In einem weiteren Schritt sollen Laborversuche Aufschluss darüber geben, wie die hohen Produktanforderung bei einer Hochdruckbehandlung umgesetzt werden können. Dies bildet zusammen mit scale-up-Untersuchungen die Grundlage zu einer alternativen, verfahrenstechnischen Umgestaltung zu einer umweltschutzintegrierten Produktion mit verbesserten Produkteigenschaften und minimalem Ressourceneinsatz.

Im Rahmen dieses Projekts gilt es einen Hochdruckprozess mit den Parametern

• Druck,
• Temperatur,
• Haltezeit,
• zeitliche Temperaturänderung,
• zeitliche Druckänderung 

am Beispiel des Lebensmittels Karottenbrei zu entwickeln. Der Prozess soll das Hauptziel, die ressourcen- und umweltschonende Behandlung von Lebensmitteln unter Hochdruck, erfüllen. Weitere Eigenschaften erweisen sich für eine erfolgreiche Umsetzung des Verfahrens als unabdingbar:

• Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen,
• Lebensmittelsicherheit,
• positiver / neutraler Einfluss auf die Produkteigenschaften,
• Umsetzbarkeit des Verfahrens in den industriellen Maßstab.

Die ressourcen- und umweltschonende Behandlung von Lebensmitteln beinhaltet vor allem die Reduzierung des Energieaufwands bei der Sterilisierung im Vergleich zum thermischen Verfahren. Mit Hilfe von systematischen Untersuchungen zur Inaktivierung von vier Mikroorganismen (Sporenbildner), die typischerweise auf Karotten zu finden sind, erfolgt die Entwicklung eines Standard-Referenz-Prozesses, der die Bedingung eines sterilen Produktes erfüllt. Energiebilanzen für jeden der durchgeführten Hochdruckprozesse ermöglichen einen Vergleich mit dem etablierten thermischen Verfahren.

Parallel laufende Analysen detektieren den Einfluss des Prozesses auf Leitkomponenten im Karottenbrei (Vitamine, Proteine und deren Reaktionsprodukte, Aromastoffe) mit dem Ziel einer ernährungsphysiologischen Beurteilung. Die Messung der rheologischen Eigenschaften des hochdruckbehandelten Breis liefert bedeutende Aussagen über die stoffliche Veränderungen durch die Sterilisation. Ein Sensorikpanel beurteilt Farbe, Geruch sowie den Geschmack des Karottenbreis nach einer Hochdruckbehandlung in Bezug auf die Marktakzeptanz und die Erwartungshaltung der Verbraucher.

Ein besonderes Augenmerk gilt der Übertragbarkeit von Ergebnissen aus dem Labormaßstab in den industriellen Maßstab. Das Instrument der numerischen Simulation ermöglicht die Detektion von Temperaturenhomogenitäten in einem simulierten Druckraum industrieller Größe. Durch die Implementierung von Reaktions- und Inaktivierungskinetiken in den numerischen Code wird der Einfluss der Temperaturinhomogenitäten auf die Konzentration von Mikroorganismen, Proteinen und weiteren Leitkomponenten erkennbar.