Wie natürliche Farbstoffe in der Lebensmittelindustrie verwendet werden: Von Cochenille bis Kurkuma

Das wachsende Interesse an natürlichen Farbstoffen in der alternativen Medizin hat auch ihre Verwendung in der Lebensmittelindustrie beeinflusst. Ein Beispiel hierfür ist Kurkuma, das aufgrund seiner antioxidativen und entzündungshemmenden Eigenschaften zunehmend Beachtung findet. Obwohl es unbestreitbar wirksam sein kann, sind die benötigten Dosen von 1–4 g pro Tag nur durch den Verzehr von konzentriertem Curcumin und nicht durch die übliche Gewürzmischung in der Nahrung zu erreichen. Es erscheint daher wenig wahrscheinlich, dass die antioxidativen Eigenschaften von Kurkuma seine Aufnahme in Produkte wie Shampoos oder Kosmetika rechtfertigen. In diesen Anwendungen bleibt die Wirkung des Farbstoffs fraglich und nicht belegt.

Ein Nachteil von Cochenille ist jedoch, dass es aus Insekten gewonnen wird, was es für jüdische und muslimische Verbraucher unzulässig macht, da es weder koscher noch halal ist. Auch Vegetarier und Veganer lehnen die Verwendung von Cochenille ab, was die Marktchancen für diesen Farbstoff einschränkt. Das Hauptbestandteil von Cochenille, die Karminsäure, ist ein Anthrachinonglykosid, das eine außergewöhnliche Bindung zwischen der Glukoseeinheit und der aglykonen Komponente aufweist. Die im Farbstoff enthaltenen Komplexe, die durch die Behandlung mit Aluminiumsalzen entstehen, sind als sogenannte „Lakes“ bekannt und können zur Herstellung wasserlöslicher Pulver verwendet werden.

Wie Cochenille und Saflor ist auch Sandelholz ein weiteres Beispiel für einen traditionellen Farbstoff, der wieder mehr Aufmerksamkeit erhält. Sandelholz wird aus dem Herzholz des Pterocarpus santalinus, einem Baum aus Südwestindien, gewonnen und ist bekannt für seine rötliche Farbe. Der Farbstoff Santalin A und B ist jedoch in Wasser unlöslich, aber in Ethanol löslich, was die Anwendung in der Lebensmittelindustrie limitiert. In Europa wird Sandelholz von den Aufsichtsbehörden ebenfalls als Farbstoffbestandteil und nicht als Additiv betrachtet.

Neben diesen pflanzlichen Farbstoffen gibt es auch die Verwendung von Malzextrakten und Karamell in der Lebensmittelindustrie. Malzextrakte werden oft genutzt, um braune Farbtöne in Produkten wie Limonade und Suppenmischungen zu erzeugen. Die braune Färbung entsteht durch die Maillard-Reaktion, die während des Mälzprozesses von Gerste auftritt. Das Ergebnis sind Extrakte, die reich an braunen Pigmenten und Zuckern sind und somit nicht nur Farbe, sondern auch Geschmack in die Endprodukte bringen.

Trotz der vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten natürlicher Farbstoffe in der Lebensmittelindustrie sind synthetische Farbstoffe nach wie vor weit verbreitet. Ihre Vorteile – günstig, stabil und in einer breiten Farbpalette erhältlich – führten zu einer breiten Nutzung, vor allem in der Süßwarenindustrie. Doch nach und nach wurden die Risiken und möglichen toxischen Eigenschaften einiger synthetischer Farbstoffe erkannt, was dazu führte, dass in den letzten Jahrzehnten eine zunehmende Regulierung und Reduzierung dieser Stoffe erfolgte. Ein bedeutender Schritt war die Entfernung von 19 der 32 im Jahr 1957 in Großbritannien zugelassenen synthetischen Farbstoffe bis 1973.

Dennoch bleibt der Markt für synthetische Farbstoffe bestehen, auch wenn Verbraucher zunehmend nach natürlichen Alternativen suchen. Die gesetzlichen Regelungen bezüglich synthetischer und natürlicher Farbstoffe variieren je nach Region, was es für Unternehmen zu einer Herausforderung macht, internationale Märkte zu bedienen. Auch wenn die Verwendung natürlicher Farbstoffe in Lebensmitteln ansteigt, sind die Herausforderungen, die mit der Stabilität und der regulatorischen Zulassung dieser Produkte verbunden sind, nach wie vor beträchtlich.

Wie werden synthetische Aromen hergestellt und welche Herausforderungen entstehen dabei?

Synthetische Aromen sind ein faszinierendes und komplexes Gebiet der Lebensmittelchemie, das es ermöglicht, eine Vielzahl von Geschmacksrichtungen künstlich zu erzeugen. Besonders die Herstellung von "Prozess-Aromen" – oder auch "thermische Prozess-Aromen" im Rahmen der EU-Vorschriften – stellt eine innovative Lösung dar, um den Geschmack von Lebensmitteln nachzuahmen, der während des Kochens durch verschiedene chemische Reaktionen wie die Maillard-Reaktion oder die thermische Zersetzung von Fettsäuren entsteht. Diese Verfahren sind notwendig, da die gewünschten Aromastoffe in der Regel nicht direkt in den Rohstoffen enthalten sind, sondern erst während des Kochens durch komplexe Reaktionen gebildet werden. Eine der größten Herausforderungen bei der Replikation dieser Aromen ist, dass die Produkte der Maillard-Reaktion oft extrem komplexe molekulare Strukturen aufweisen, die mit den aktuellen Methoden der synthetischen organischen Chemie schwer nachgebildet werden können.

Ein weiteres Beispiel für einen Prozessgeschmack, der in vielen Snack-Produkten vorkommt, ist der "flüssige Rauch", dessen Produktion im weiteren Verlauf eines speziellen Kapitels erläutert wird. Diese Technologie ist ein Paradebeispiel dafür, wie die Lebensmittelchemie in der Lage ist, mit hohen Präzisionsmethoden den Geschmack von Lebensmitteln künstlich nachzubilden.

Die Entdeckung von Genen, die mit der Wahrnehmung von Süß- und Umami-Geschmack verbunden sind, hat das Verständnis des Geschmacks noch weiter vertieft. Diese Gene, wie T1R1, T1R2 und T1R3, sind für die Produktion von Geschmackrezeptoren verantwortlich, die die Reaktion auf bestimmte Moleküle vermitteln. Die Kombination von T1R2 und T1R3 wirkt als Rezeptor für Süßgeschmack, während das T1R1-T1R3-Dimer spezifisch für Umami ist, der als „herzhafter“ Geschmack bekannt ist. Diese Rezeptoren haben mehrere Bindungsstellen, die es ermöglichen, dass verschiedene Moleküle – darunter Zucker, Aminosäuren und künstliche Süßstoffe – miteinander interagieren, was wiederum die neuronalen Signale auslöst, die der Körper als Geschmack interpretiert.

Besonders bemerkenswert ist die Entdeckung, dass die Rezeptoren für Umami nicht nur auf Glutamat reagieren, sondern auch auf Ribunukleotide wie IMP und GMP. Diese Verbindungen verbessern die Wirkung von Glutamat und erklären die synergistischen Effekte, die bei der Kombination von Glutamat und bestimmten Aminosäuren oder anderen Molekülen auftreten. Der mechanische Vorgang dieser Bindung lässt sich mit den Veränderungen von Enzymen bei der Bindung von Liganden an allosterische Stellen vergleichen.

Während die Rezeptoren für Süße und Umami relativ einfache Aufgaben haben, ist die Wahrnehmung von Bitterkeit wesentlich komplexer, da die Vielfalt der möglichen giftigen Substanzen, die in der Natur vorkommen, extrem hoch ist. Das biologische System hat daher eine einfache Lösung gefunden: Alle bitteren Substanzen lösen eine Warnung aus, um die Aufnahme potentiell schädlicher Substanzen zu verhindern. Etwa 30 verschiedene Bitterkeitssinneszellen (T2Rs) sind an dieser Wahrnehmung beteiligt, wobei diese Zellen meistens universell für jede Art von bitterer Substanz empfindlich sind.

Neben der Entschlüsselung der biologischen Grundlagen des Geschmacks ist es auch wichtig zu erkennen, wie die Lebensmittelindustrie diese wissenschaftlichen Erkenntnisse nutzt, um den Geschmack von Produkten zu steuern und zu verbessern. Die Entwicklung und Anwendung von synthetischen Aromen – die unter anderem durch die gezielte Manipulation von Rezeptoren und den Einsatz innovativer Verfahren wie Prozess-Aromen möglich werden – ist ein Paradebeispiel für die praktische Anwendung von biochemischen und molekularbiologischen Entdeckungen in der Lebensmitteltechnologie.

Wie wirkt Riboflavin im Körper und warum ist es empfindlich gegenüber Licht?

Riboflavin, auch bekannt als Vitamin B2, gehört zu den wasserlöslichen Vitaminen und spielt eine zentrale Rolle im Energiestoffwechsel des Körpers. Es ist ein essenzieller Bestandteil von Flavoprotein-Enzymen, die an Redoxreaktionen beteiligt sind, insbesondere in den Mitochondrien lebender Zellen. Diese Enzyme nutzen das Isoalloxazin-System von Riboflavin zur Elektronenübertragung – ein molekularer Mechanismus, bei dem Riboflavin Elektronen vom oxidierten Substrat auf ein reduziertes Zielmolekül überträgt. Dabei ist Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD) eine der wichtigsten aktiven Formen.

Bemerkenswert ist, dass Riboflavin im Vergleich zu anderen Vitaminen eine hohe chemische Stabilität aufweist. Es bleibt unter den meisten Koch- und Verarbeitungsbedingungen weitgehend intakt. Thermische Prozesse wie Braten, Backen oder Blanchieren führen kaum zu nennenswertem Verlust. Lediglich seine ausgeprägte Lichtempfindlichkeit stellt ein zentrales Problem dar. Die photochemische Zersetzung führt zur Bildung von Lumichrom und Lumiflavin, insbesondere bei neutralem oder alkalischem pH-Wert. Diese photolytischen Produkte sind wesentlich stärkere Oxidationsmittel als Riboflavin selbst. Besonders problematisch ist dabei die Sekundärwirkung: Die durch Licht entstandenen Abbauprodukte katalysieren die Zerstörung von Ascorbinsäure (Vitamin C) in Lebensmitteln wie Milch. Schon ein mäßiger Riboflavinabbau kann einen nahezu vollständigen Verlust an Vitamin C verursachen – eine Reaktion, die durch singuletten Sauerstoff verstärkt wird, ein hochreaktiver Zustand des Sauerstoffmoleküls, der durch Lichteinwirkung entsteht und die Autoxidation ungesättigter Fettsäuren in Milchfett beschleunigt. Das Resultat: ein ranziger Geschmack, der mit Qualitätsverlust einhergeht.

Milch ist zwar eine wichtige Riboflavinquelle, doch wird der Gehalt durch Licht drastisch reduziert – bis zu 50 % des Vitamins können innerhalb von zwei Stunden bei direkter Sonneneinstrahlung zerstört werden, insbesondere in herkömmlichen Glasflaschen. Obwohl moderne Verpackungsmaterialien wie PET-Flaschen oder lichtundurchlässige Kartonverpackungen die Verluste deutlich verringern können, bleibt die Beleuchtung in Supermärkten ein unterschätzter Risikofaktor. Nicht zufällig gilt Lumichrom als Hauptprodukt der Riboflavin-Zersetzung unter Licht – mit all den beschriebenen Auswirkungen.

Im Gegensatz zu Thiamin sind Getreideprodukte keine bedeutende Riboflavinquelle. Vielmehr liefern Fleisch (0,2 mg/100 g), Innereien wie Leber (3,0 mg/100 g), Milch (0,15 mg/100 g) und Käse (0,5 mg/100 g) nennenswerte Mengen. Auch Hefeprodukte – insbesondere getrocknete Bierhefe – enthalten beträchtliche Mengen, wobei der Fermentationsprozess einen interessanten Unterschied zwischen den B-Vitaminen offenbart: Während Thiamin in der Hefe verbleibt, diffundiert Riboflavin in das Bier – Konzentrationen bis zu 40 µg/100 g sind messbar.

Die industrielle Herstellung von Riboflavin begann bereits in den 1930er Jahren durch vollständige chemische Synthese. Ab 1980 setzte man auf ein Hybridverfahren, das bakteriell erzeugte D-Ribose als Ausgangsstoff nutzte. Heute wird Riboflavin ausschließlich durch biotechnologische Prozesse produziert – unter Einsatz mutierter Stämme von Bacillus subtilis oder dem filamentösen Pilz Ashbya gossypii. Diese Organismen sind darauf optimiert, hohe Mengen Riboflavin zu synthetisieren, wobei Effizienz und Nachhaltigkeit im Vordergrund stehen.

Trotz der bekannten physiologischen Relevanz von Riboflavin sind klinische Mangelsymp