Von frisch bis gefriergetrocknet: Was haben die Obst- und Gemüsechips, die Astronauten essen, erlebt?

Wenn wir über die gefriergetrockneten Obst- und Gemüsesnacks sprechen, die wir heute oft essen, müssen wir die Gefriertrocknungstechnologie erwähnen, und diese muss mit der Entwicklung der Luft- und Raumfahrttechnologie im letzten Jahrhundert beginnen. Nachdem Gagarin aus der ehemaligen Sowjetunion im Jahr 1961 mit einem Raumschiff ins All flog, begannen immer mehr Astronauten, im Weltraum zu leben. Das Langzeitleben im Weltraum stellt höhere Anforderungen an die tägliche Nahrungsergänzung der Astronauten. Sie müssen wissen, dass das Essen – insbesondere von flüssiger Nahrung – in der schwerkraftfreien Weltraumumgebung eine mühsame und sogar gefährliche Angelegenheit ist. Obwohl verschiedene Früchte reich an Vitaminen und Ballaststoffen sind, sind sie aufgrund ihres hohen Wassergehalts nicht für den Verzehr im Weltraum geeignet.

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Aber dieses kleine Problem stellt die Wissenschaftler natürlich nicht vor ein Rätsel. Da das größte Hindernis beim Verzehr von Obst im Weltraum die Flüssigkeit im Inneren der Frucht ist, wäre es nicht ausreichend, die Frucht einfach „trocken“ zu machen? Natürlich ist es auch ganz einfach, Obst zu trocknen, sei es durch Lufttrocknen, Backen oder Einlegen. Die Schwierigkeit besteht jedoch darin, die ursprünglichen Nährstoffe der Früchte möglichst vollständig zu erhalten und sie gleichzeitig „trocken“ zu machen. Nach wiederholter Forschung und Überprüfung durch Wissenschaftler wurde die Gefriertrocknungstechnologie in den 1960er Jahren in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt.

1. Von frischem Obst zu gefriergetrocknetem Obst sind nur drei Schritte nötig

Das Prinzip der Gefriertrocknungstechnologie ist eigentlich nicht kompliziert. Es dient zum Trocknen von Gemüse und Obst in einer Umgebung mit extrem niedrigen Temperaturen. Der gesamte Prozess gliedert sich grob in drei Schritte:

01 Schnellgefrieren

Durch Schockgefrieren werden Gemüse und Obst schnell einer Tiefkühlumgebung von minus 40 Grad Celsius ausgesetzt. In einer Umgebung mit solch niedrigen Temperaturen verfestigt sich die in Obst und Gemüse enthaltene Feuchtigkeit sofort und nimmt einen festen Zustand an.

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Durch diesen Vorgang können alle wirksamen Nährstoffe in Obst und Gemüse „eingeschlossen“ werden, um einen Nährstoffverlust während des Dehydrationsprozesses zu verhindern. Der Grund für die Verwendung der Schnellgefriermethode besteht darin, dass bei einer unzureichenden Abkühlgeschwindigkeit die Feuchtigkeit im Lebensmittel während des Verfestigungsprozesses große Eiskristalle bildet und so die innere physiologische Struktur des Lebensmittels zerstört wird.

02 Staubsaugen

Nach dem Schockfrosten von Obst und Gemüse ist ein Vakuumverfahren erforderlich. Der Grund, warum Vakuum erforderlich ist, liegt im Umwandlungsprozess von Wasser zwischen festem und gasförmigem Zustand.

Trockeneissublimation | Quelle: Yitu.com

Wir wissen, dass der Siedepunkt von Wasser bei einem Standardatmosphärendruck von 100 °C beträgt, d. h., es verwandelt sich bei 100 °C in Wasserdampf. Der Siedepunkt von Wasser ist jedoch nicht festgelegt. Mit abnehmendem Luftdruck sinkt auch der Siedepunkt des Wassers. Wenn der Luftdruck auf 0,006 Standardatmosphärendruck fällt, kann Wasser direkt von festem Eis zu gasförmigem Wasserdampf sublimieren, ohne einen flüssigen Phasenwechsel zu durchlaufen. Wenn wir Obst und Gemüse bei ultraniedriger Temperatur vakuumieren, setzen wir es tatsächlich einer Umgebung mit extrem niedrigem Druck aus, sodass wir die Lebensmittel für das Trocknen in einer Gefrierumgebung mit niedriger Temperatur vorbereiten können.

03 Trocknen

In der durch die ersten beiden Schritte geschaffenen Umgebung mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck ist nur ein geringer Temperaturanstieg erforderlich. Das in Obst und Gemüse „gefrorene“ feste Wasser sublimiert direkt in gasförmigen Wasserdampf und verlässt das Lebensmittel. Beachten Sie, dass Obst und Gemüse in dieser Umgebung mit niedriger Temperatur und niedrigem Druck nur Wasser verlieren, während andere Nährstoffe fast vollständig erhalten bleiben. Darüber hinaus wird die Zellstruktur von Obst und Gemüse bei diesem Vorgang nicht vollständig zerstört, sodass auch die äußere „Form“ des Lebensmittels erhalten bleibt. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die innere Struktur durch den Wasserverlust locker und porös wird.

Luftgetrocknete Mango vs. gefriergetrocknete Mango | Bildquelle: nu1983/deposit_internal/IC, Hajai Photo/adobe/IC photo

Das in den drei Schritten verarbeitete Obst und Gemüse verliert Wasser, behält aber fast alle anderen Nährstoffe. Sie schmecken zudem knusprig und eignen sich daher sehr gut als Snack für Astronauten im Weltraum. Später, mit der Kommerzialisierung dieser Technologie, wurden gefriergetrocknete Lebensmittel aufgrund ihrer Nährstofferhaltung, der einfachen Transportierbarkeit über weite Strecken, der langfristigen Lagerung bei niedrigen Temperaturen und des einzigartigen Geschmacks zunehmend von Lebensmittelherstellern bevorzugt. So haben heute auch wir Normalbürger die Möglichkeit, das Essen zu probieren, das ursprünglich nur Astronauten vorbehalten war.

2. Gefriertrocknung, präziser Blitzschutz

Tatsächlich hat der Mensch, um Nahrungsmittel lange haltbar zu machen, im Laufe der Geschichte eine Vielzahl von Dehydrations- und Trocknungsmethoden für Obst und Gemüse erfunden, beispielsweise Einlegen, Lufttrocknen und Backen. Doch diese Methoden weisen alle verschiedene Mängel auf und führen zu einem großen Nährstoffverlust. Der Hauptgrund dafür liegt darin, dass einige Eigenschaften der Gemüse- und Obstzutaten selbst während des Verarbeitungsprozesses unüberwindbare Hindernisse darstellen. Die wichtigsten Minenfelder sind die folgenden:

01 Hochtemperaturdenaturierung

Zu den wichtigsten Nährstoffen in Obst und Gemüse zählen verschiedene Vitamine. Viele Vitamine weisen jedoch eine geringe thermische Stabilität auf und werden bei Hitzeeinwirkung leicht zersetzt und zerstört. Werden Lebensmittel durch Backen oder gar Braten ausgetrocknet, führt dies daher zwangsläufig zum Verlust von Vitaminen.

Apfelkuchen | Quelle: Paixin Creative

02 Oxidation

Vitamine werden nicht nur durch hohe Temperaturen leicht zerstört, sondern auch leicht durch Oxidation zersetzt. Daher kommt es auch dann zu einem großen Vitaminverlust, wenn Obst und Gemüse (z. B. Rosinen) nicht erhitzt, sondern luft- oder schattengetrocknet werden.

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03 Atemreaktion

Frisches Obst und Gemüse atmen weiter, solange ihre Zellen noch aktiv sind. Durch die Atmung wird nicht nur der in der Nahrung enthaltene Zucker verbraucht, sondern es kann auch zu Gärung kommen. Wenn beim Luft- oder Schattentrocknen von Lebensmitteln Temperatur, Sauerstoffkonzentration und andere Umgebungsbedingungen nicht richtig kontrolliert werden, können die Lebensmittel aufgrund der Atmungsgärung schneller verderben.

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04 Osmose

Konserviertes Obst und Gemüse wird durch Einlegen verarbeitet. Dabei werden die Zellen von Obst und Gemüse einer hochkonzentrierten Salz- und Zuckerlösung ausgesetzt, wodurch die Zellen aufgrund der osmotischen Wirkung der Zellmembran eine große Menge Wasser verlieren. Bei dieser Methode geht jedoch zusammen mit dem Wasser im Pflanzenkörper eine große Menge wasserlöslicher Mineralien verloren. Gleichzeitig dringt der Zucker oder das Salz in der externen Lösung in die Zellen ein, wodurch der Salz- oder Zuckergehalt der Nahrung den Standard überschreitet.

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Im Vergleich zu den Nachteilen der oben genannten herkömmlichen Lebensmitteltrocknungsmethoden können diese durch die Gefriertrocknungstechnologie perfekt und präzise vermieden werden. Die Schnellgefriertechnologie verhindert, dass die Nährstoffe durch hohe Temperaturen denaturiert werden, und hemmt gleichzeitig die Atmungsreaktion der Pflanzen. Die Vakuumumgebung verhindert Oxidation und das Trocknungsverfahren durch direkte Sublimation von Wasser aus dem festen Zustand verhindert den Verlust wasserlöslicher Nährstoffe mit dem Wasser. Während des gesamten Verarbeitungsprozesses gehen nur geringe Mengen an Vitaminen verloren, während andere Nährstoffe wie Ballaststoffe, Mineralien, organische Säuren usw. vollständig erhalten bleiben. Noch wichtiger ist, dass Obst und Gemüse, die in einer Umgebung mit niedrigen Temperaturen getrocknet und dehydriert werden, einen Teil ihrer Zellaktivität behalten, da die innere Zellstruktur nicht zerstört wird (einige Zellwände werden während des Eissublimationsprozesses zerstört).

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Bei Rückkehr auf Raumtemperatur sind diese Zellen außerdem in der Lage, ihre Zellaktivität teilweise wiederherzustellen, indem sie Feuchtigkeit aus der Luft wieder aufnehmen. Je länger das Lebensmittel bei Raumtemperatur steht, desto mehr Wasser nimmt es auf. Aus diesem Grund sind gefriergetrocknete Früchte und Gemüse frisch nach der Entnahme noch knackig, werden aber nach einer gewissen Zeit allmählich weicher.

Quelle: Chongqing Wissenschafts- und Technologiemuseum

Rezensionsexperte: CPU, Wissenschaftsautor.

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