2.2.1 Allgemeines
Für die Qualitätserhaltung von Lebensmitteln ist neben der Kühlung die Verpackung ein wichtiges Kriterium. Bei Lebensmitteln steht dabei in erster Linie der Schutz vor atmosphärischen Einflüssen im Vordergrund (PAULUS 1996), aber auch der Schutz vor direkter Berührung durch das Personal oder die Kundschaft. Daher werden viele Lebensmittel heutzutage unter Schutzatmosphäre verpackt. Diese Verpackungs-technologie wird auch Modified atmosphere packaging (MAP) genannt. In den letzten zwei Jahrzehnten ist diese Art der Verpackung immer mehr in den Vordergrund gerückt, als „neue“ Technologie kann man sie aber dennoch nicht bezeichnen. Die ersten Berichte reichen bis in die dreißiger Jahre zurück; damals wurde erstmals frisches Rindfleisch unter CO2 verpackt mit dem Schiff von Australien nach Neuseeland versendet (FARBER 1990). Modified atmosphere packaging (MAP) wird
Literatur 41
beschrieben als „der Einschluss von Lebensmitteln in Gas undurchlässigem Material, in welchem die Atmosphärenzusammensetzung verändert wurde“ (YOUNG et al.
1988). Weiterhin wird diese Technologie beschrieben als die optimale Gasat-mosphäre für das jeweilige Produkt in einer spezifischen Verpackung. Diese optimale Atmosphäre ist abhängig von bestimmten intrinsischen Faktoren wie pH-Wert, aw-Wert, Fettgehalt und Art des Fettes des Produktes (DEVLIEGHERE et al. 2004).
Durch die veränderte Schutzatmosphäre sollen Verderbniserreger gehemmt werden und somit die Qualität verbessert und die Haltbarkeitsdauer des Lebensmittels verlängert werden. Es existieren zwei unterschiedliche Formen der Verpackung mit modifizierten Atmosphären: die Vakuumverpackung und die Verpackung unter Schutzatmosphäre. Bei der Vakuumverpackung wird das Lebensmittel in einem Material mit geringer Sauerstoffdurchlässigkeit unter vollständigem Entzug der vorhandenen Atmosphäre verpackt. Die Verpackung unter Schutzatmosphäre unterscheidet sich von der Vakuumverpackung dadurch, dass nach Entzug der vorhandenen Atmosphäre eine definierte „neue“ Atmosphäre in die Verpackung eingebracht wird (SMITH et al. 1990). Bei der Wahl der Verpackungstechnologie ist es sinnvoll, oxidativ gefährdete Lebensmittel (z. B. Aufschnittware von Mortadella, Salami) entweder unter Vakuum oder unter Atmosphären, die Stickstoff enthalten, zu verpacken. Essentiell dabei ist es, Sauerstoff als Schutzgas für diese Produkte auszuschließen (DEVLIEGHERE et al. 2004). Bei mikrobiologisch gefährdeten Lebensmitteln dagegen findet vorwiegend Kohlendioxid (CO2) als Schutzgas Verwendung, da dem Kohlendioxid eine bakteriostatische Wirkung nachgesagt wird (PAULUS 1996). Generell werden für die MAP-Technologie drei Gase in verschiedenen Zusammensetzungen als Schutzgase verwendet: Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) und Kohlendioxid (CO2) (FARBER 1990, CHURCH u. PARSONS 1995, NOWAK et al. 2005). In den letzten Jahren finden vermehrt auch Spuren der Gase Kohlenmonoxid (CO), Argon (Ar) und Helium (He) Verwendung als Schutzgase (THIPPAREDDI u. PHEBUS 2003). Es gibt viele Vorteile von modified atmosphere packaging, aber es gibt auch einige nennenswerte Probleme. Als Vorteile sind eine verlängerte Haltbarkeit und weniger wirtschaftliche Verluste zu nennen. Außerdem sind unter Schutzatmosphäre verpackte Produkte von hoher Qualität. Nachteilig
42 Literatur
allerdings sind die deutlich höheren Kosten für die Verpackung und das Equipment, da beispielsweise für verschiedene Produkte verschiedene Zusammensetzungen der unterschiedlichen Gase benötig werden. Weiterhin muss das Personal geschult werden und eine Temperaturkontrolle der verpackten Produkte ist unerlässlich. Ein ganz wesentlich nachteiliger Punkt ist die mikrobiologische Sicherheit der Waren, da sich durch die längere Haltbarkeit auch unerwünschte Keime vermehren können, besonders die psychrotrophen Bakterien wie Listeria monocytogenes, die in der Lage sind, unter Kühltemperaturen zu wachsen (FARBER 1990). Tabelle 4 bietet eine Übersicht über die Vor- und Nachteile der MAP-Technologie.
Tabelle 4: Vor- und Nachteile der MAP-Technologie (FARBER 1990)
Vorteile Nachteile
Verlängerung der Haltbarkeit höhere Kosten für Verpackung und Equipment geringere wirtschaftliche Verluste Temperaturkontrolle ist unerlässlich
Hohe Qualität des Produktes mikrobiologische Sicherheit ist herabgesetzt niedrigere Versandkosten Personal muss geschult werden
2.2.2 Allgemeine Wirkung verschiedener Schutzgase
2.2.2.1 Kohlendioxid (CO2)
Kohlendioxid (CO2) kann aufgrund seiner antimikrobiellen und fungistatischen Wirkung als wichtigstes Schutzgas bei der Verpackung von Frischfleisch und Erzeugnissen daraus angesehen werden. Eine Hemmung des Wachstums der aeroben Mikroflora findet bei Verwendung von höheren Dosen CO2 als Schutzgas statt (CARLIN et al. 1996). Bei Konzentrationen von 30 Vol. % und 50 Vol. % CO2 in der Atmosphäre konnten die Autoren eine signifikante Verzögerung der Wachstums-rate der aeroben Keime beobachten. Auch ARASHISAR et al. (2004) zeigten in ihren
Literatur 43
Untersuchungen ein verzögertes Wachstum von aeroben Keimen bei 100 Vol. % Kohlendioxid. CO2 hat weiterhin einen Einfluss auf die Farbe von frischem Fleisch.
MARTINÉZ et al. (2005) untersuchten frische Bratwürste, verpackt unter Schutzat-mosphäre mit verschiedenen Konzentrationen von CO2 und N2. Die Autoren konnten beobachten, dass die rote Farbe der Wurst besser erhalten werden konnte bei niedrigen Konzentrationen von 20 Vol. % CO2 als bei höheren von beispielsweise 80 Vol. % CO2. Weiterhin stellten die Autoren bei Verwendung von 20 Vol. % CO2 in Abwesenheit von Sauerstoff eine Verlängerung der Haltbarkeit fest.
Das in der modifizierten Atmosphäre enthaltene CO2 löst sich zum Großteil zuerst in der wässrigen Phase des Lebensmittels. Die Löslichkeit des Gases in dem jeweiligen Produkt ist von pH-Wert und Temperatur des Lebensmittels abhängig, bei niedrigen Temperaturen und pH-Werten steigt die Löslichkeit an (THIPPAREDDI u. PHEBUS 2003). Die Lösung des CO2 in der wässrigen Phase führt zu einer leichten pH-Wert-Absenkung (FARBER 1990; DEVLIEGHERE et al. 2000). Dieses wird durch die Säuerung des Produktes als eine Möglichkeit der keimhemmenden Wirkung des Kohlendioxids betrachtet. Der genaue Mechanismus hierfür ist allerdings noch nicht bekannt, ganz allgemein hat Kohlendioxid aber einen indirekten Einfluss auf die Mikroorganismen, da die lag-Phase des Bakterienwachstums ausgedehnt wird und die Wachstumsrate in der logarithmischen Phase herabgesetzt ist (FARBER 1990;
CHURCH u. PARSON 1995). Die Löslichkeit des Gases in der flüssigen Phase des Produktes wird beeinflusst von dem Gasvolumen/Produkt-Verhältnis und der Durchlässigkeit der Folie für CO2 (DEVLIEGHERE et al. 2000). Durch die Löslichkeit des Gases in Wasser und Fett ist die Verwendbarkeit von CO2 in der MAP-Technologie allerdings begrenzt, da diese hohe Wasser- und Fettlöslichkeit eine extreme Verformung der Verpackung bedingen kann, wenn der Anteil an CO2 in der Atmosphäre zu hoch ist (CHURCH u. PARSON 1995; DEVLIEGHERE et al. 2004).
Der Einsatz von CO2 als Schutzgas hat einen weiteren großen Nachteil, da durch die Verwendung von hohen CO2-Konzentrationen zwar die aeroben Mikroorganismen gehemmt werden, die pathogenen Keime aber weiter wachsen können, das bedeutet das Produkt kann für den Verbraucher gefährlich hohe Keimzahlen von pathogenen
44 Literatur
Keimen erreichen, bevor es für diesen als nicht mehr akzeptabel erkannt werden kann (FARBER 1990; DEVLIEGHERE et al. 2000; NOWAK et al. 2005). Aerobe Keime dienen als Indikator für Verderb.
2.2.2.2 Stickstoff (N2)
Stickstoff (N2) wird als geruchloses, inertes Gas bei der MAP -Technologie gerne als Füllgas eingesetzt. Da es kaum wasserlöslich ist, wird durch den Einsatz von Stickstoff einem Kollaps der Verpackung bei Verwendung von hohen CO2-Dosen vorgebeugt (LAMBERT et al. 1991). Außerdem ist N2 in der Lage, Sauerstoff aus der Verpackung zu verdrängen, so dass das Wachstum der aeroben Keime zusätzlich indirekt gehemmt wird und ebenfalls keine Fettoxidation stattfinden kann (FARBER 1990; THIPPAREDDI u. PHEBUS 2003). Dem Stickstoff selbst konnte kein Einfluss auf die Fleischfarbe (LAMBERT et al. 1991; THIPPAREDDI u. PHEBUS 2003) und nur geringe bzw. keine eigenständigen Wirkungen auf das Wachstum von Mikroorganismen nachgewiesen werden (FARBER 1990). KOSEKI und ITOH (2002) fanden heraus, dass N2, verwendet zu 100 Vol. %, weder auf die mesophile aerobe Gesamtkeimzahl oder auf coliforme Bakterien und Bacillus cereus noch auf psychrophile Keime signifikante Auswirkungen in Bezug auf das Wachstum hat.
Dagegen stehen die Aussagen von ENFORS et al (1979). Die Autoren konnten in ihren Untersuchungen eine Verlängerung der Haltbarkeitsdauer von Schweinefleisch beobachten. Sie zeigten, dass die aerobe Keimzahl unter 100 Vol. % N2 die doppelte Zeit im Vergleich zur unverpackten Ware brauchte, um Keimzahlen von 5 x 106 / cm2 zu erreichen.
2.2.2.3 Sauerstoff (O2)
Die Verwendung von Sauerstoff (O2) als Schutzgas hat verschiedene Auswirkungen auf das Aussehen der verpackten Produkte zum einen und auf den
mikrobio-Literatur 45
logischen Status derselben zum anderen. O2 fördert generell das Wachstum der aeroben Keimflora und kann das Wachstum der obligat anaeroben Keime hemmen (FARBER 1990). Durch eine Begünstigung der aeroben Keimflora wird allerdings ebenfalls der Verderb beschleunigt. Eine wichtige Bedeutung hat O2 bei der Verpackung von frischem Fleisch, da durch den Sauerstoff die frische rote Farbe des Fleisches länger erhalten bleibt. Der in der Atmosphäre enthaltene Sauerstoff verbindet sich mit dem Muskelfarbstoff Myoglobin zu Oxymyoglobin, dadurch bleibt die rote Fleischfarbe erhalten (FARBER 1990; CHURCH u. PARSONS 1995).
MARTINÉZ et al. (2005) untersuchten frische Bratwürste in einer Verpackung mit modifizierten Atmosphären mit 20 Vol. % CO2 und 80 Vol. % O2. Bei hohen O2 -Konzentrationen blieb die rote Fleischfarbe länger erhalten, allerdings war die Halt-barkeit herabgesetzt.
2.2.2.4 Argon (Ar)
Argon ist ein in der Atmosphäre vorkommendes Edelgas. Es wird in den letzten Jahren vermehrt als Füllgas bei der MAP-Technologie verwendet (NOWAK et al.
2005). Im Vergleich zu der auf Stickstoff basierenden Technologie ist Argon (Ar) in der Lage, den Sauerstoff effektiver aus der Verpackung zu verdrängen als Stickstoff (N2) (SPENCER u. HUMPHREYS 2003). In ihrer Studie untersuchten die Autoren verschiedene Lebensmittel wie z. B. Käse, Geflügelfleisch oder Fleischerzeugnisse und fanden heraus, dass Argon positive Auswirkungen auf den Geschmack, das Aroma, das Aussehen, die Farbe und die Struktur der Produkte hat.
46 Literatur
2.2.3 Wirkung der Gase auf Listeria monocytogenes
2.2.3.1 Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2)
Kohlendioxid (CO2) wird in Kombination mit Stickstoff (N2) in der MAP-Technologie zur anaeroben Verpackung von Fleischerzeugnissen verwendet. Dabei liegen die Schutzgase häufig in verschiedenen Konzentrationen vor. Stickstoff dient hierbei wie oben beschrieben als Stützgas (s. Kapitel 2.2.2.2.). Der Effekt von Kohlendioxid auf das Wachstum von Listeria monocytogenes ist nicht genau geklärt, es gibt in der Literatur widersprüchliche Aussagen. Andere Parameter wie Temperatur und pH-Wert des Produkts stehen dabei in direktem Zusammenhang zur Wirkung des Gases. HARRISON et al. (2000) untersuchten das Wachstum von Listeria monocy-togenes in einem flüssigen Medium jeweils bei 4 °C und 8 °C unter MA1 (5 Vol. % O2, 10 Vol. % CO2, 85 Vol. % N2) und ebenfalls unter MA2 (30 Vol. % CO2, 70 Vol. % N2), als Kontrolle diente das Wachstum unter Normalatmosphäre. Die Autoren konnten signifikante Veränderungen in der Wachstumsrate feststellen. MA1 und MA2 bewirk-ten eine Hemmung des Wachstums der Keime bei 4 °C, im Gegensatz dazu konnte bei 8 °C lediglich in der Charge MA2 eine Wachstumshemmung beobachtet werden.
MA1 hatte mit der Kontrollcharge identische Wachstumsraten. GARCÍA DE FERNANDO et al. (1995) berichten, dass bei rohem Fleisch mit einem für dieses Produkt normalen pH-Wert (z.B. 5,5) und einer niedrigen Lagerungstemperatur von z. B. 1 °C das Wachstum psychrotrophen Bakterien wie Listeria monocytogenes ge-hemmt werden konnte, wenn der Anteil des Kohlendioxids bei 40 Vol. % liegt. Bei höheren pH-Werten und Temperaturen allerdings können diese Keime wachsen. Im Gegensatz dazu stehen die Ergebnisse von WIMPFHEIMER et al. (1990). Rohes Geflügel wurde mit Listerien beimpft, unter einer aeroben, modifizierten Atmosphäre (72,5:22,5:5, CO2:N2:O2) verpackt und bei verschiedenen Temperaturen gelagert.
Das Wachstum von Listeria monocytogenes wurde durch diese Schutzatmosphäre nicht beeinträchtigt. GILL und REICHEL (1989) konnten in ihren Untersuchungen ebenfalls keine keimhemmende Wirkung auf Listeria monocytogenes nachweisen.
Literatur 47
Rindfleischproben wurden dabei mit Listeria monocytogenes beimpft und unter CO2 -Atmosphäre verpackt. Die Lagerungstemperatur betrug 10 °C. Die Autoren konnten keine wachstumshemmende Wirkung der Atmosphäre auf Listeria monocytogenes beobachten. Untersuchungen von KRÄMER und BAUMGART (1992) bestätigen ebenfalls diese Beobachtungen. Bei 4 °C wurde unter CO2-Konzentrationen von 50 Vol. % bzw. 80 Vol. % das Wachstum der Bakterien gehemmt, bei einer Lage-rungstemperatur von 7 °C dagegen konnte ein Wachstum von Listeria monocytoge-nes noch unter 80 Vol. % CO2 nachgewiesen werden. Die Auswirkungen der Atmosphäre allein konnten von SZABO und CAHILL (1998) in ihrer Studie in der Verlängerung der lag-Phase der Bakterien beschreiben. Dabei konnten die Autoren eine inhibitorische Wirkung auf das Wachstum von Listeria monocytogenes bei Verwendung von 100 Vol. % Kohlendioxid nachweisen. Wachstumshemmende Wirkungen auf die Keime konnten CLAIRE et al. (2004) in ihren Untersuchungen mit höheren Dosen von CO2 ebenfalls nachweisen. Modifizierte Atmosphären unter 100 Vol. % Stickstoff dagegen unterstützten sogar das Wachstum von psychro-trophen Bakterien wie Listeria monocytogenes (GARCÍA DE FERNANDO et al.
1995). Auch hier zeigt die Literatur starke Widersprüche. KOSEKI und ITOH (2002) konnten in ihren Versuchen keine hemmende Wirkung auf das Wachstum von psychrophilen Bakterien beobachten.
2.2.3.2 Sauerstoff (O2)
GEYSEN et al. beobachteten in ihrer Studie im Jahre 2005, dass Sauerstoff selbst hochdosiert keine keimhemmenden Auswirkungen auf das Wachstum von Listeria monocytogenes besitzt. Die Autoren beimpften einen Nährboden mit Listeria innocua als Modelkeim für Listeria monocytogenes und stellten heraus, dass der Einsatz von O2 als hochdosiertes Schutzgas keinen signifikanten Einfluss auf das Wachstum der Keime hatte. Die Lagerungstemperatur betrug dabei 7 °C, als Nährboden wurde ein einfacher Nährboden gewählt, um die natürliche Qualität von Lebensmitteln nach-zuahmen.
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2.2.3.3 Argon (Ar)
Spezielle Ergebnisse aus Untersuchungen zum Einfluss von Argon (Ar) auf das Wachstum von Listeria monocytogenes liegen in der Literatur zum aktuellen Zeit-punkt nicht vor.
2.2.3.4 Wachstum von Listeria monocytogenes in normaler Umgebungs-atmosphäre
Listeria monocytogenes ist in der Lage, sich in einer natürlichen Umgebungs-atmosphäre zu vermehren. WIMPFHEIMER et al. (1990) fanden in einer Unter-suchung von Listeria monocytogenes in rohem Hühnerfleisch, verpackt in normaler Umgebungsatmosphäre, heraus, dass die Bakterien sich in dieser Atmosphäre bei jeder Temperatur vermehren konnten. Auch MANU-TAWIAH et al. (1993) beob-achteten in ihrer Studie ein Wachstum von Listeria monocytogenes in normaler Umgebungsatmosphäre. Die Autoren untersuchten in ihrer Studie Schweineschnitzel in modifizierter Atmosphärenverpackung und verpackt unter Umgebungsatmosphäre.
Sie stellten dabei fest, dass sich Keime von Listeria monocytogenes allerdings langsamer vermehrten als die übrige psychrotrophe Keimflora. Im Jahre 1998 konnten SZABO und CAHILL in ihren Untersuchungen ebenfalls ein Wachstum von Listeria monocytogenes in Umgebungsatmosphäre mit Lagerung bei 4 °C bestätigen.