Hydrokolloide spielen eine entscheidende Rolle in der Lebensmittelindustrie, da sie die Textur, Konsistenz und Haltbarkeit von Lebensmitteln verbessern. Dieser Beitrag bietet eine umfassende Übersicht über diese funktionalen Substanzen und beschreibt ihren vielfältigen Einsatz in Backwaren, der Fleischverarbeitung und Molkereiprodukten.
Die Beschaffenheit eines Lebensmittels wird maßgeblich durch die Fähigkeit seiner Bestandteile beeinflusst, Wasser zu binden und/oder Fett zu kristallisieren. Diese Eigenschaften haben sowohl technologische als auch sensorische Auswirkungen. Deshalb ist die Rolle von Lebensmittelhydrokolloiden bei der Stabilisierung der Textur und des Mundgefühls von großer Bedeutung. Hydrokolloide, abgeleitet von den griechischen Wörtern „hydro“ für Wasser und „kolla“ für Leim, bilden eine Vielfalt von Polysacchariden und Proteinen, die eine hohe Wasserbindungsfähigkeit (bzw. Gelbindung) in Lösungen aufweisen. Die Funktionalität der verwendeten Hydrokolloide hängt von ihren strukturellen Merkmalen ab, die unter anderem durch das Molekulargewicht, den Typ der Verknüpfung von Zuckermonomeren, die elektrische Ladung, die Modifikation und spezifische Interaktionen beeinflusst werden. Die Polysaccharide bestehen aus verschiedenen Monosacchariden, die durch intermolekulare Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrücken, Ionenbindung oder hydrophobe Interaktionen miteinander interagieren können und zu komplexen Vielfachzuckern zusammengesetzt werden. Diese intermolekularen Wechselwirkungen führen zu einer Erhöhung der Viskosität in wässrigen Lösungen. Ein proteinhaltiges Hydrokolloid wie Gelatine quillt in Wasser und löst sich bei einer Temperatur von 50 °C auf. Beim Abkühlen bildet es ein Gelnetzwerk, das sich beim Erwärmen wieder auflöst, was die Gelatine temperaturempfindlich und thermoreversibel macht (2).
Je nach Natur des Hydrokolloids bilden sich mehr oder weniger effektive dreidimensionale Netzwerke, die Wassermoleküle über Wasserstoffbrücken binden und immobilisieren können. Elektrisch neutrale Hydrokolloide wie Guar und Johannisbrotkernmehl bilden im Allgemeinen keine Gelstrukturen. Dagegen neigen elektrisch geladene Hydrokolloide wie Agar, Alginate, Carrageenan und Pektine dazu, Gelnetzwerke zu bilden. Obwohl die Wasseraktivität eines entsprechend angereicherten Produkts in der Regel nicht abnimmt, sind Hydrokolloide als Verdickungsmittel, Emulgatoren oder Stabilisatoren in Lebensmitteln einsetzbar.
Darüber hinaus gehören die meisten, von ihnen zur Gruppe der Ballaststoffe und haben eine verdauungsfördernde Wirkung auf den Menschen (1,2).
Die Vielfalt der Hydrokolloide (siehe Grafik.1) ermöglicht ihre Einteilung in verschiedene Gruppen, darunter solche, die aus Pflanzen (z. B. Cellulose, Pektine, Agar, Alginate, Carrageenane, Inulin) isoliert sind, fermentativ hergestellte Varianten (Exopolysaccharide (EPS) von Milchsäurebakterien, Xanthan aus Xanthomonas campestris), pflanzliche Hydrokolloide mit chemischer Modifikation (Methylcellulose (MC), Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) u. a.) sowie solche tierischen (z. B. Gelatin, Chitin) Ursprungs. (3) Diese unterschiedlichen Arten bieten eine breite Palette von Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen der Lebensmittelherstellung (siehe Tabelle 1).
Rechtliche Rahmenbedingungen und Clean Label in der Schweiz:
Die Verwendung von Hydrokolloiden in Schweizer Lebensmitteln unterliegt einer strikten gesetzlichen Regulierung gemäß der Lebensmittelgesetzgebung des Landes. Diese Gesetzgebung umfasst die Lebensmittel- und Gebrauchsgegenständeverordnung (LGV) sowie die Verordnung des Eidgenössischen Departements des Innern (EDI) über Lebensmittelzusatzstoffe (ZuV). Diese Vorschriften legen die zugelassenen Arten von Hydrokolloiden fest sowie die maximal erlaubten Mengen in verschiedenen Lebensmittelkategorien (6). Beispiele für zugelassene Hydrokolloide gemäß der Schweizer Gesetzgebung sind Agar (E406), Carrageen (E407), Guarkernmehl (E412), Xanthan (E415) und Pektine (E440) (9,10).
Zusätzlich zu den nationalen Vorschriften gelten in der Schweiz auch relevante EU-Verordnungen (EG) Nr. 1333/2008 über Lebensmittelzusatzstoffe und (EG) Nr. 1332/2008 über Lebensmittelenzyme, die ebenfalls Hydrokolloide betreffen. Diese rechtlichen Rahmenbedingungen dienen dazu, die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten, und die Einhaltung dieser Vorschriften ist für Lebensmittelhersteller verpflichtend (3,4,5).
Unter den Hydrokolloiden können einige als „Clean Label“ eingestuft werden, was bedeutet, dass sie von Verbrauchern als natürlich und unverarbeitet wahrgenommen werden. Zu diesen zählen natürliche Pflanzengummen wie Guar- oder Johannisbrotkernmehl, Exopolysaccharide (EPS), die von Milchsäurebakterien produziert werden, Pektine aus Früchten und Gemüse sowie Alginat aus Braunalgen. Diese Hydrokolloide werden oft ohne chemische Modifikation gewonnen, was sie für Hersteller attraktiv macht, die ein „sauberes“ Etikett anstreben.
In der Schweiz existiert ebenfalls keine gesetzliche Definition für „Clean Label“. Allerdings gibt es hier verschiedene Zertifizierungssysteme, die Kriterien für eine „natürliche“ Kennzeichnung festlegen. Ein Beispiel dafür ist das Label „IP-SUISSE“, das für Lebensmittel verwendet wird, die aus Schweizer Zutaten landwirtschaftlichen Ursprungs hergestellt wurden (11).
Das 9. GDL-Hydrokolloide-Symposium in Gerlingen, Deutschland
Die Gesellschaft Deutscher Lebensmitteltechnologen (GDL) organisierte am 18. und 19. April 2024 in Gerlingen bei Stuttgart das 9. GDL-Hydrokolloide-Symposium. Im Rahmen dieser Veranstaltung wurden 12 Fachvorträge präsentiert, die sich mit dem Thema Hydrokolloide und ihrer Anwendung in der Lebensmittelindustrie sowie Einsatzoptimierungen in der Forschung befassten. Wissenschaftler sowie Vertreter führender Unternehmen auf dem deutschen Markt tauschten in Podiumsdiskussionen ihre Erkenntnisse und Meinungen aus. In diesem Fachbeitrag werden die neuesten Erkenntnisse aus Forschung und Industrie präsentiert. Die relevanten Erkenntnisse des Symposiums wurden entsprechend ihrer Anwendungsbereiche eingeordnet und in den folgenden Abschnitten zusammengefasst.
Hydrokolloide in Fleischverarbeitung
Hydrokolloide haben einen wesentlichen Einfluss auf die Herstellung von Fleischerzeugnissen, indem sie sowohl die Textur als auch die Nährstoffzusammensetzung beeinflussen. Insbesondere werden sie häufig verwendet, um den Fett- und Fleischgehalt zu reduzieren und die Textur stabil zu halten. Typische Hydrokolloide, die in Fleischprodukten zum Einsatz kommen, sind Cellulosen, verschiedene Stärken, Guar, Johannisbrotkernmehl, Xanthan, Carrageen, Alginate und Gelatine, wie Frau Prof. Dr. Frederike Reimold von der Hochschule Bremerhaven erläutert.
Carrageen wird oft als Geliermittel und Bindemittel verwendet, um die Textur und Stabilität von Brühwursterzeugnissen zu verbessern, während es in Rohwurstprodukten als Bindemittel das Auftreten von Trocknungsrisse verhindert (12). Andere Hydrokolloide wie Xanthan oder Guarkernmehl dienen als Bindemittel, um die Festigkeit und Schneidbarkeit von Aufschnittwaren zu erhöhen. Sie tragen zur Stabilisierung der Emulsion bei und verbessern die Textur von Fleischsalaten (13).
Die Technical Sale, Fr. Dr. Anita Hirte von SE Tylose GmbH & Co. KG aus Wiesbaden betonte die Bedeutung funktioneller Hydrokolloide wie bspw. Methylcellulose (MC) und Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC). MC findet vor allem in veganen Fleischersatzprodukten Anwendung, um eine fleischähnliche Textur zu erzielen und als Ersatz für Ei zu dienen. Darüber hinaus bietet sie Vorteile in Fleischprodukten, indem sie einen festen und saftigen Biss erzeugt und eine Kostenreduktion durch die Möglichkeit des geringeren Fleischeinsatzes ermöglicht.
Die richtige Verarbeitung von Hydrokolloiden, einschließlich ihrer Mischung mit anderen trockenen Zutaten und der Einhaltung bestimmter Temperaturen während der Herstellung, ist entscheidend für die Qualität der Fleischprodukte.
Einsatz in Milchprodukten
Prof. Dr. Daniel Wefers von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg präsentierte seine Forschung zur Testung von Carrageen in Modellsystemen, weil Carrageen oft in Milchprodukten wie bspw. Eiscreme verwendet wird. Die Untersuchungen ergaben, dass Carrageen-Moleküle auf molekularer Ebene unterschiedlich aufgebaut sind und verschiedene Eigenschaften besitzen. Die Qualität der Matrix hängt von ihrer Zusammensetzung und den enthaltenen Kationen ab. Dies unterstreicht die Bedeutung, die Struktur von Carrageen genau zu verstehen.
Die Senior-Projektmanagerin, Nadja Heinzmann vom Schweizer Unternehmen Jungbunzlauer in Basel, präsentierte in ihrem Vortrag interessante Erkenntnisse über den Einsatz von Hydrokolloiden in Milchprodukten. Sie betonte besonders die Verwendung von Gellan (fermentiert aus Sphingomonas elodea), einem effizienten Stabilisator und Verdicker, der bereits in geringer Konzentration als Gelbildner wirksam ist. Gellan bietet herausragende rheologische Eigenschaften, eine geschmeidige Textur und eine starke Stabilisierung während der Lagerung. Mit seiner fließenden Gelstruktur ist Gellan vielseitig einsetzbar in Milchprodukten wie Desserts, Puddings und Konfitüren.
In vielen Milchprodukten spielen Hydrokolloide eine wichtige Rolle, um spezifische Funktionen und Eigenschaften zu erreichen. Zum Beispiel werden in fermentierten Milchprodukten wie Joghurt und Kefir Hydrokolloide wie Exopolysaccharide (EPS) von Milchsäurebakterien eingesetzt, um die Viskosität, Cremigkeit und Haltbarkeit zu erhöhen sowie die Textur zu verbessern. Dazu kommen weitere Substanzen wie Pektin, Carrageen, Guar oder Xanthan zur Texturierung und Stabilisierung.
In Schmelzkäse verbessert Carrageen die Schmelzeigenschaften und verleiht eine glatte, geschmeidige Textur. Andere Hydrokolloide wie Guar oder Xanthan können die Schnittfestigkeit von Käse stabilisieren (7).
Für die Herstellung von Milchdesserts und Puddings werden oft Carrageen, Agar oder modifizierte Stärken als Geliermittel und Texturbildner verwendet. Diese Zutaten sorgen nicht nur für eine gelungene Konsistenz, sondern verleihen den Desserts auch eine geschmeidige, samtige Textur und stabilisieren ihre Struktur.
Bei Milchmischgetränken kommen Hydrokolloide wie Carboxymethylcellulose (CMC) oder Xanthan zum Einsatz. Diese werden verwendet, um die Emulsion zu stabilisieren und die Mundgefühlseigenschaften zu verbessern (8).
Einsatz in Backwaren
Hydrokolloide sind ebenfalls in der Backindustrie von großer Bedeutung, da sie die Eigenschaften von Teigen und Backwaren verbessern können. Hier sind einige wichtige Aspekte:
- Verbesserung der Maschinengängigkeit von Teigen: Hydrokolloide wie Guar und Xanthan erhöhen die Viskosität und Stabilität von Teigen, was sie besser für die maschinelle Verarbeitung macht.
- Verbesserung der Brotqualität: Sie tragen zu einer weicheren Krume, längerem Frischeerhalt und verzögertem Altbackenwerden bei, indem sie Wasser binden und die Austrocknung verlangsamen.
- Verlängerte Haltbarkeit: Die wasserbindenden Eigenschaften von Hydrokolloiden verlängern die Frischhaltung von Brot und Backwaren (2).
Neben kommerziellen Hydrokolloiden wie Guar und Xanthan werden auch fermentativ durch Milchsäurebakterien gebildete Exopolysaccharide (EPS) als natürliche Alternativen eingesetzt. Sie zeigen ähnliche positive Effekte auf Teig und Brotqualität.
Prof. Ulrich Müller erklärte in seinem Vortrag, dass Xanthan-Ketten in gelöster Form durch intensive Scherbeanspruchung gelöst werden können. Forschungsergebnisse der TH Ostwestfalen-Lippe (TH-OHW) in Lemgo zeigten, dass Xanthan in Wasser vorgelöst und dann in die Ölphase injiziert keine Emulsionsstabilität aufbauen kann, jedoch in der Ölphase suspendiert bleibt. Diese Erkenntnisse könnten erklären, was mit ähnlichen Stoffen geschieht, wenn sie intensiven Scherkräften ausgesetzt sind. Prof. Müller betonte auch, dass extreme Reibungseffekte in den Scherfeldern die kovalenten Bindungen brechen könnten.
Darüber hinaus hat Frau Dr. Hirte von SE Tylose GmbH & Co. KG, Wiesbaden, in ihrem Vortrag ebenfalls die bedeutende Anwendung von HPMC in glutenfreien Backwaren hervorgehoben. HPMC trägt in glutenfreien Produkten zur Volumenzunahme und zur Weichheit der Textur bei, berichtete sie.
Die Verwendung von Hydrokolloiden in glutenfreien Produkten ist essenziell, um die gewünschten Eigenschaften des Teigs zu erhalten, die Frischhaltung zu gewährleisten und die Wasserbindung im gebackenen Endprodukt zu verbessern. Darüber hinaus können Hydrokolloide auch dazu beitragen, die Kontamination mit Gluten zu reduzieren oder zu verhindern, indem sie als Bindemittel oder Stabilisatoren wirken und somit die Struktur und Konsistenz des Teigs verbessern, ohne dass Gluten benötigt wird. Laut EU-Verordnung Nr. 828/2014 darf ein Produkt in den meisten europäischen Ländern als „glutenfrei“ gekennzeichnet werden, wenn der Glutengehalt 20 mg/kg Lebensmittel nicht übersteigt. Daher müssen von Natur aus glutenfreie Hydrokolloide sowie solche, die glutenfrei gemacht wurden (z. B. Weizenquellstücke), gezielt hergestellt und analytisch überprüft werden. Glutenhaltige Getreidesorten enthalten verschiedene Schleimstoffe, die Wasser binden können und somit zur längeren Frischhaltung des Produkts beitragen (2).
Übersicht: Hydrokolloide, Funktionen und Anwendungen
| HYDROKOLLOIDE | FUNKTIONEN | EINSATZBEREICH | TYPISCHE PRODUKTE |
|---|---|---|---|
| Agar, Carrageenan, Guarkernmehl, Hydroxypropylmethylcellulose, Carboxymethylcellulose | Verbesserung der Teigmaschinengängigkeit, Verlängerung der Haltbarkeit, Texturverbesserung | Backwaren | Brot, Kuchen, Gebäck |
| Carrageenan, Alginate, Pektine, Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose | Stabilisierung, Texturverbesserung, Viskositätserhöhung | Fertiggerichte | Suppen, Eintöpfe, Fertigsalate |
| Carrageenan, Alginate, Guarkernmehl, Carboxymethylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose | Stabilisierung, Viskositätserhöhung, Texturverbesserung | Getränke | Fruchtsäfte, Smoothies, Milchshakes |
| Carrageenan, Alginate, Pektine, Gelatine | Gelbildung, Stabilisierung, Verbesserung der Textur | Molkereiprodukte | Joghurt, Käse, Milchdesserts |
| Carrageenan, Guarkernmehl, Methylcellulose, Hydroxypropylmethylcellulose | Stabilisierung, Bindung, Texturverbesserung | Fleischverarbeitung | Wurst, Fleischsalate, Aufschnittware |
In der Lebensmittelindustrie spielen Hydrokolloide eine wesentliche Rolle, insbesondere in der Fleischverarbeitung, Milchproduktion und Backwarenherstellung. Carrageen und andere Hydrokolloide (siehe Tabelle 1) beeinflussen die Textur und Stabilität von Fleischerzeugnissen, während Gellan in Milchprodukten wie Desserts und Konfitüren als effizienter Stabilisator und Verdicker dient. In der Backbranche verbessern Hydrokolloide wie Guar und Xanthan die Maschinengängigkeit von Teigen und tragen zur Verlängerung der Haltbarkeit von Backwaren bei. Die Verwendung von Hydrokolloiden in glutenfreien Produkten, hauptsächlich HPMC, ist entscheidend für die Qualität und Frischhaltung der Backwaren. Zusätzlich zu den oben genannten Erkenntnissen bieten Hydrokolloide weitere Vorteile. Dazu gehören die Möglichkeit zur Fett- und Fleischreduktion, die Optimierung der Textur, die Stabilisierung von Emulsionen und die Herstellung von Clean-Label-Produkten.
Einige Hydrokolloide weisen besondere Eigenschaften auf, wie die thermische Gelierung von Methylcellulose, die ihre Anwendung in verschiedenen Lebensmitteln erweitert, und die vielseitige Gelbildung von Gellan-Gummi. Die Auswahl und Dosierung der Hydrokolloide hängen von den gewünschten Funktionen und Eigenschaften des jeweiligen Produkts ab.