Schutzatmosphäre

Schutzatmosphäre wird in der Landwirtschaft unter der Bezeichnung Controlled Atmosphere (CA) zur Lagerung eingesetzt. Bei deutlich reduziertem Sauerstoffanteil, niedrigen Temperaturen, erhöhter Luftfeuchtigkeit und Anreicherung mit Kohlenstoffdioxid wird der natürliche Reifeprozess von Obst, Gemüse und Blumen verlangsamt und damit die Haltbarkeit verlängert. Das Verfahren wird außerdem bei langen Schiffstransporten eingesetzt (zum Beispiel Bananentransport). Controlled Atmosphere heißt, dass die Lagerbedingungen ständig kontrolliert und nachgeregelt werden.

Im Bereich Modified Atmosphere Packaging (MAP) wird die Schutzatmosphäre als Packgas zusammen mit dem Produkt in die meist gasdichte Verpackung gegeben. Durch die Verpackung in einer geeigneten Schutzatmosphäre ist es möglich, die Haltbarkeit bei hoher Qualität – in Abhängigkeit vom Produkt – um Tage oder Wochen zu verlängern. Dieses vereinfacht die Vertriebslogistik und Lagerhaltung, da Waren seltener und über größere Distanzen geliefert werden müssen. Gleichzeitig gibt es weniger Verderb und Retouren, wenn Hygienebedingungen und die Kühlkette immer kontrolliert und eingehalten werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Konservierungsarten (Konservendose, Einfrieren, Erhitzen (z. B. Pasteurisieren), Pökeln, Bestrahlung, Trocknen, Einlegen, Gärung und Hinzufügen von Konservierungsmitteln) bleibt das Produkt selbst unverändert, ohne die Qualität oder den Geschmack zu beeinträchtigen. Durch die Verpackung unter Schutzatmosphäre ist es z. B. überhaupt erst möglich, geschälte oder küchenfertig zubereitete Gemüse und Salate oder industriell hergestelltes Frischfleisch zum Verkauf in Supermärkten anzubieten.

Erste wissenschaftliche Untersuchungen mit Schutzatmosphären führte der französische Naturforscher und Chemiker Jacques Étienne Bérard 1821 durch. Er beschäftigte sich mit der Wirkung von verschiedenen Gasen auf die Reifung von Früchten. Bérard erkannte, dass geerntete Früchte Sauerstoff (O₂) verbrauchen und Kohlenstoffdioxid (CO₂) abgeben und dass die Reifung durch Reduzierung von Sauerstoff verlangsamt wird. Diese Erkenntnisse wurden aber nicht kommerziell genutzt.

Der französische Chemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur und sein Assistent Joubert fanden 1877 am Beispiel von Bacillus anthracis heraus, dass Kohlenstoffdioxid das Wachstum von Bakterien hemmt bzw. diese abtötet. Fünf Jahre später publizierte der Deutsche Hermann Kolbe, dass Kohlenstoffdioxid (CO₂), das Anhydrid der Kohlensäure, die Haltbarkeit von Ochsenfleisch erheblich verlängert. Nach 14 Tagen sei das Fleisch zwar äußerlich grau gefärbt, aber durchaus „wohlschmeckend und von frischem Fleisch nicht zu unterscheiden“. Nach einer Lagerung von drei Wochen war das Fleisch geschmacklich noch von gleicher Güte, allerdings war das Fleisch „weicher geworden und erforderte eine kürzere Zeit beim Kochen“.

Im Folgenden entstanden zahlreiche Veröffentlichungen über die hemmende Wirkung von CO₂ auf Mikroorganismen. Haines fand zum Beispiel 1933 heraus, dass bei niedrigen Temperaturen um Null °C bereits Konzentrationen von 10–20 % Kohlenstoffdioxid ausreichen, um das Bakterienwachstum auf Fleisch deutlich zu reduzieren. Unter diesen Bedingungen verringerte sich im Vergleich mit einer Lagerung in Luft bei gleicher Temperatur die Geschwindigkeit des Bakterienwachstums auf die Hälfte.

Die erste bedeutende Anwendung bekam die Schutzatmosphäre Anfang der 1930er Jahre bei der Lagerung von Äpfeln in einer Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoffgehalt und erhöhtem Kohlenstoffdioxidgehalt sowie beim Transport von Früchten in den Lagerräumen von Schiffen. Dabei wurde festgestellt, dass auch Rinderschlachtkörper in modifizierter Atmosphäre beim Transport über lange Distanzen eine um 100 % gesteigerte Haltbarkeitsdauer erlangten.

Die Verpackung von Frischfleisch in kontrollierter Atmosphäre (MAP) wurde in den USA bereits Mitte der 1970er Jahre durchgeführt. Dadurch verlängerte sich die Haltbarkeit, wodurch sich in der Folge neue Vertriebswege ausbildeten. Insbesondere Supermärkte boten immer mehr unter Schutzgas verpackte Ware an. In Deutschland begannen die Discounter Penny und Plus Anfang der 2000 Jahre mit dem Vertrieb von abgepacktem Frischfleisch. Der Durchbruch erfolgte aber erst 2003/2004, als Aldi und Lidl ihr Angebot entsprechend erweiterten.

Die wichtigsten Schutzgase sind Kohlendioxid, Stickstoff und Sauerstoff. Daneben kommen aber weitere Gase zur Anwendung, deren Eigenschaften nachfolgend beschrieben werden.

In den meisten Anwendungen wird der Sauerstoff zur Verlängerung der Haltbarkeit durch andere Gase so weit wie möglich aus der Verpackung verdrängt. Gleichzeitig wird Kohlendioxid mit einem Anteil größer 20 % eingesetzt, um das Bakterienwachstum zusätzlich zu hemmen, wobei meist versucht wird, möglichst hohe Anteile davon zu verwenden. Als Stützgas wird meist Stickstoff verwendet.

Je nach Lebensmittel können sehr hohe Konzentrationen von Kohlendioxid ungewünschte Veränderungen des Produktes oder der Verpackung bewirken. Sahne wird leicht sauer, so dass sahnehaltige Speisen vorzugsweise in Stickstoff oder einer Gasmischung mit eher geringen Kohlendioxidkonzentrationen verpackt werden. Hartkäse verträgt sehr hohe Anteile von Kohlendioxid, das die Bildung von Schimmel effektiv verhindert, den Reifeprozess des Käses aber nicht behindert. In Weichkäse mit hohem Feuchtigkeitsanteil löst sich Kohlendioxid hingegen, so dass hier die Gefahr besteht, dass die gasdichte Verpackung zusammenfällt. Ein ähnliches Problem tritt auf, wenn die Oberfläche (z. B. bei geriebenem Käse) sehr hoch ist. Stickstoff als Stützgas verhindert hier mit Konzentrationen von 50 % und mehr das Kollabieren der Verpackung.

Fisch und Meeresfrüchte zählen zu den empfindlichsten Lebensmitteln. Direkt nach dem Fang droht schneller Qualitätsverlust und Verderb. Verantwortlich hierfür sind Mikroorganismen und Enzyme, die bei neutralen pH-Werten bestens gedeihen. Außerdem wird das Fett bei Sauerstoffkontakt besonders schnell ranzig. Besonders wichtig ist für rohen Fisch eine Temperierung nahe 0 °C (ohne Unterbrechung der Kühlkette), sowie eine genau angepasste Schutzatmosphäre, wobei Kohlendioxid den pH-Wert in den sauren Bereich verschiebt. Zu hohe Konzentrationen von Kohlendioxid können allerdings zu unerwünschten Nebeneffekten wie Flüssigkeitsverlust oder saurem Geschmack führen. Bei manchen Schalentieren wird hingegen bewusst etwa 30 % Sauerstoff zugefügt, um die Farbe zu erhalten.

Bei Snacks, Kartoffelchips, Nüssen, Gewürzen und Kaffee besteht die größte Gefahr im hohen Fettgehalt. Durch Oxidation werden die Fette schnell ranzig. In diesen Fällen reicht ein Ausschluss von Sauerstoff aus, so dass meist reine Stickstoffatmosphäre in der Verpackung eingesetzt wird. Der Stickstoff sorgt in Schlauchverpackungen außerdem für eine Polsterung stoßempfindlicher Kartoffelchips.

Bei Brot und Backwaren müssen insbesondere die Vermehrung von Schimmelpilzen verhindert werden, während das Wachstum von anderen Mikroorganismen aufgrund geringer Wasseraktivität selten ein Problem darstellt. Schimmelpilze lassen sich durch große Mengen Kohlendioxid und einen geringen Sauerstoffanteil gut kontrollieren. Versuche an mit Schimmelpilzen infiziertem Toast zeigten, dass die Zeit, bis sich in einer Atmosphäre von 99 % Stickstoff und 1 % Sauerstoff Schimmelpilze entwickeln 5 Tage beträgt, während es in einer Atmosphäre aus 99 % Kohlendioxid und 1 % Sauerstoff erst nach 100 Tagen zu einem Schimmelpilzwachstum kam. Die Art der Atmosphäre hat jedoch keinen oder nur einen geringen Einfluss auf das Altbackenwerden (Rückbildung von Stärke). Eine Lagerung bei tiefen Temperaturen beschleunigt hingegen das Altbackenwerden, so dass kalt gegessene Backwaren bei Raumtemperatur gelagert werden. Bei Backwaren, die vor dem Genuss aufgewärmt werden (Aufbackbrötchen) wird der Prozess des Altbackens wieder umgekehrt, so dass hier auch tiefere Lagertemperaturen in Frage kommen.

Der Verpackung kommt beim Schutzgasverpacken eine wichtige Bedeutung zu. Dabei werden aus mehreren Schichten aufgebaute Verbundfolien eingesetzt. Die wichtigsten Eigenschaften der Verpackung sind Gasdichtheit, Siegelfähigkeit, Transparenz, mechanischer Schutz und Stapelfähigkeit. Eine in die Verpackungsmaschine integrierte Gas- und Dichtigkeitsanalyse hilft, die nötige Qualität zu gewährleisten.

Im Jahr 2010 kam die Nutzung von Schutzatmosphäre bei der Verpackung von Fleisch in die Kritik, da große Lebensmittelketten unter dem gleichen Titel eine erhöhte Sauerstoffkonzentration verwenden. Zweck ist eine chemische Reaktion an der Oberfläche, die das Fleisch auch noch dann rot und rosig erscheinen lässt, wenn es schon verdorben ist, sowie das Verhindern des Wachstums von Clostridium botulinum unter anaeroben Bedingungen. Dabei tritt jedoch die gegenteilige Wirkung im Vergleich zu einer sauerstoffarmen Schutzatmosphäre ein und das Fleisch verdirbt schneller, Fett wird ranzig. Gemäß Informationen des BfR könne es unter solchen Schutzatmosphären durch Oxidation des Cholesterins zu Veränderungen und Beeinträchtigungen des Fleischgeschmacks kommen, die aber nicht gesundheitsgefährdend seien.

Speziell bei leicht verderblichem Hackfleisch ist die Einhaltung der Kühlkette absolut notwendig, um die Vermehrung von Keimen zu unterdrücken. Normalerweise sind hier dauerhaft Temperaturen von maximal +2 °C vorgeschrieben, die kaum in einem Haushaltskühlschrank erreicht werden. Zur Absicherung der Industrie ist zusätzlich der Warnhinweis auf der Verpackung aufgebracht, dass das Hack vor dem Verzehr vollständig durcherhitzt werden muss und nicht zum Rohverzehr geeignet ist. Wer sich beim Braten jedoch auf die Konsistenz und Farbe verlässt, kann getäuscht werden, da im Gegensatz zu unbehandeltem Fleisch das mit Schutzgas verpackte Fleisch schon bei 50 °C seine Farbe und Festigkeit verändert, während erst bei 70 °C die meisten Keime abgetötet werden.