Die Designs von Mutter Natur ändern

WHITE-SMOCKED-Wissenschaftler explodieren Eier in Prallkammern, bombardieren Fische mit Schallwellen, knirschen Kartoffelchips in mechanischen Backen und gestalten die Tomate neu. In Labors im ganzen Land spricht man von universellen Testmaschinen, Gentechnik und Extrusionskochen von Snacks und Cerealien.

Diese Wissenschaftler oder Lebensmittelingenieure, die hauptsächlich außerhalb von Universitäten und in der Unternehmensforschung arbeiten, verändern die Art und Vielfalt der amerikanischen Speisekarte.

Noch vor wenigen Jahrzehnten wurden zum Beispiel die meisten Tomaten von Hand gepflückt. Heutzutage werden Tomaten, sofern sie nicht für den Frischverzehr bestimmt sind, von mechanischen Erntemaschinen gepflückt, die bis zu 200.000 US-Dollar kosten, die die Früchte mit pneumatischen Geräten von Reben und Erdklumpen trennen und sie mit elektrischen 'Augen' nach Farbe sortieren. Auf diese Weise werden unter anderem auch Eier und Äpfel sortiert.



Als Kraftakt der Gentechnik reifen Tomaten heute massenhaft, sodass ganze Felder auf einmal geerntet werden können. Sie enthalten auch mehr Feststoffe, was ihnen hilft, unter 20-Tonnen-Lasten besser zu halten und für dickere Catsups zu sorgen. (Im Gegensatz zur beliebten Catsup-Werbung ist es mehr als 'Vorfreude', die uns warten lässt.)

tasse wie viele ml

All dies hat eine Art Tomatenrevolution gebracht. Ungefähr sieben Millionen Tonnen der Ernte werden in den Vereinigten Staaten jährlich geerntet, doppelt so viel wie vor 20 Jahren, wie das heute wachsende Meer von Supermarktsaucen, Spaghetti- und Pizzamischungen und immer beliebter werdenden mexikanischen und spanischen Lebensmitteln zeigt.

Tomaten, Melonen und Bananen vor dem zu schnellen Reifen zu bewahren, ist eine klassische Leistung von Lebensmittelingenieuren. Bananen werden beispielsweise in Honduras oder Ecuador grün gepflückt und dann in speziellen Kühlcontainern sauerstoffarm und kohlendioxidarm verschifft und gelagert. Ethylengas wird zum geeigneten Zeitpunkt in die Kammern injiziert, um die Reifung auszulösen.

Die Kontrollreifung hilft auch, Äpfel das ganze Jahr über in unseren Obstschalen zu halten. „Ein Apfel atmet noch, nachdem er gepflückt wurde“, sagt Gene Haugh, Professor für Agrartechnik am Virginia Polytechnic Institute und der State University. „Wie Mais oder sogar Eier nimmt es weiterhin Sauerstoff auf und gibt Kohlendioxid ab. Gemüse tut dies noch mehr, nachdem es gepflückt wurde – bis es stirbt und verfault.“

Somit kommt die Lagerung in kontrollierter Atmosphäre einer Art biologischer Verlangsamung oder ausgesetzter Animation gleich. (Haugh empfiehlt, Äpfel vor dem Kühlen in Zeitungspapier einzuwickeln, um Kohlendioxid einzuschließen und die Alterung zu verzögern.) Ein Apfel in einem Lagerhaus kann ein halbes Jahr oder länger frisch bleiben, sagen Experten. Einige behaupten sogar, dass die kleinen Gase, die sich in der Frucht bilden, sie eher zu einem Genuss für Kenner machen, als wenn sie frisch gepflückt werden.

Wenn in der Lebensmitteltechnik oft Parallelen zwischen biologischen und mechanischen Systemen gezogen werden, was haben Eier mit Flugzeugrümpfen und U-Boot-Rümpfen gemeinsam?

Alle drei, wie sich herausstellt, können als Zylinder mit sich verjüngenden und geschlossenen Enden betrachtet werden. Solche Strukturen seien stark, sagt Haugh, aber bei Eiern nicht stark genug, um etwa 5 Prozent Bruch beim Legen oder Handling zu verhindern, weitere 5 Prozent bei der Verarbeitung oder Vermarktung.

Unter Rückgriff auf traditionelle Ingenieurtechniken machte sich Haugh daran, die Stärke der Eierschalen zu quantifizieren, um Geflügelzüchter bei der Identifizierung stärkerer Sorten für die Kreuzung zu unterstützen.

Zuerst zerkleinerten Haugh und Mitarbeiter Eier in universellen Testmaschinen (Bollwerk der Forschung in der Lebensmittelindustrie), um die Schalenfestigkeitsmerkmale von Eiern verschiedener Hühnerfamilien zu untersuchen.

Als nächstes schlugen sie Eier in Oszillatoren mit 60 Zyklen pro Minute, um die Kräfte während des Sammelns und der Handhabung zu simulieren. Dann bohrten sie Löcher durch die Schalen von Testeiern, setzten Injektionsnadeln ein und pumpten Luft hinein, bis die Opferdinger explodierten. Sie fanden heraus, dass ein größerer Druck als bei Autoreifen erforderlich war, um die Schalen zu brechen.

Mit diesen und anderen Tests bestätigte Haugh, wie viele behauptet hatten, dass die bläulich-grünen Eier einiger südamerikanischer Hühner tatsächlich haltbarer sind als weiße oder braune Eier.

Schließlich beschloss Haugh, das Eierbruchproblem auf den Legeprozess selbst zurückzuführen und entdeckte, dass einige Hühner dazu neigen, ihre Schwänze etwas zu hoch zu heben, was dazu führt, dass die Eier brechen, wenn sie fallen.

„Diese Art von Vogel landet normalerweise in der Suppe“, witzelt Haugh.

Einige Forscher ignorierten die 'Schöne neue Welt'-Obertöne und versuchten sogar, einen Kraftaufnehmer chirurgisch in die Eierstöcke von Hühnern zu implantieren, um das Gerät in ein sich entwickelndes Ei zu integrieren.

Dies würde theoretisch die Überwachung von Kräften auf das Ei (die von einem Sender signalisiert werden) während seiner Bildung ermöglichen. Bisher hat sich Mutter Natur jedoch dieser Art der Sondierung widersetzt.

Eine weitere klassische Aufgabe der Lebensmitteltechnik nahm während des Zweiten Weltkriegs eine besondere Dringlichkeit ein, als Piloten begannen, während des Fluges schwere Magen-Darm-Beschwerden zu melden, so Joseph Rackis, Forschungschemiker beim US-Landwirtschaftsministerium.

Bei Untersuchungen stellte die Air Force fest, dass Flieger, die normalerweise nicht an Blähungen leiden, in großen Höhen oft Schwierigkeiten hatten, wo ein reduzierter Druck 'das Gas ausdehnt und ein wenig davon wie viel mehr anfühlt', erklärt Rackis.

Die Air Force verfolgte das Problem bis zu seiner Quelle und entdeckte, dass die Ernährung der Männer reich an Bohnen und anderen Hülsenfrüchten war, und erklärte diese Lebensmittel umgehend für 'verboten'.

Aber erst 20 Jahre später fanden Wissenschaftler (immer noch auf der Suche nach einer gasfreien Bohne) heraus, warum Hülsenfrüchte solche Übeltäter sind, als Rackis und andere zeigten, dass die Ketten von Zuckermolekülen in diesen Lebensmitteln die Schuldigen sind.

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Es stellt sich heraus, dass diese Zuckerketten im Magen nicht abgebaut werden, aber in der bakteriellen Umgebung des Darms, wo die Fermentation stattfindet. Und Fermentation bedeutet Gase – viel Kohlendioxid, Wasserstoff und Methan.

Ein neuer technischer Ansatz zum Entleeren der flüchtigen Hülsenfrucht, über den kürzlich vom Bhabha Atomic Research Center in Bombay berichtet wurde, besteht darin, sie mit Gammastrahlen von Kobalt-60 zu überschütten, die einige der Zuckerkettenglieder schwächen und die Nahrung bekömmlicher machen (ohne wodurch es radioaktiv wird).

Auch die Fische der Meere sind den Ernährungswissenschaftlern nicht gewachsen. An der Cornell University entwickeln der Lebensmittelverfahrensingenieur Sy Rizvi und Kollegen eine neue Methode, um Würmer in Kabeljau aufzuspüren.

Traditionell werden Fischfilets auf einen von unten beleuchteten Glastisch gelegt, der Wurmsilhouetten hervorhebt. Befallene Fische trafen den Mülleimer. Rizvis neue Methode würde menschliche Seher umgehen, indem sie Schallwellen durch die Fische schickt und dann tatsächlich Laserbilder der Ausbreitungsmuster macht. Der „Welleneffekt“ ist anders, wenn die Wellen auf Würmer treffen, erklärt Rizvi.

Irgendwann, sagt er, werden die Laser- und Akustikbilder so programmiert, dass ein Roboterarm ausgelöst wird, der die richtige Stelle findet, ein Loch in den Fisch bohrt und dann mit einem Vakuum den wurmigen Kern herauszieht.

Im Allgemeinen untersuchen Forscher die physikalischen Eigenschaften von Lebensmitteln nicht ausreichend, argumentiert Nuri Mohsenin, Direktor von Food Physics Information Systems Inc. am State College, Pennsylvania.

„Ein Stück Essen ist wie ein Stück Glas oder ein anderer Gegenstand“, behauptet er.

In diesem Sinne hat Mohsenin die Möglichkeit untersucht, Weizen oder andere Körner (sie bestehen zu etwa 50 Prozent aus Luft) für eine wirtschaftlichere Lagerung zu komprimieren. Er glaubt, dass dies mit großen Einsparungen möglich ist, warnt jedoch davor, dass weitere Studien erforderlich sind, um festzustellen, wie sich dies auf die Getreidequalität auswirkt.

Lebensmittel könnten sogar zu Knöpfen oder anderen Gegenständen gepresst werden, die in einem Raumschiff funktionsfähig wären, aber im Notfall gegessen werden könnten. Mohsenin hat dies vor einigen Jahren untersucht und glaubt, dass die Idee von einer Raumfahrtbehörde verwendet werden könnte.

Eine weitreichendere Anwendung dieser physikalischen Analyse von Lebensmitteln ist die „Komponentenanalyse“, eine leistungsstarke neue Technik zum „Fingerabdruck“ von Lebensmitteln.

Die grundlegende Theorie ist, dass alles in der Natur bestimmte Lichtfarben absorbiert oder reflektiert, in einem für jede Substanz einzigartigen Muster.

Indem man ein Lebensmittel mit einem ganzen Regenbogen von Farben bombardiert und sieht, welche absorbiert und welche reflektiert werden, können Wissenschaftler Rückschlüsse auf Feuchtigkeit, Fett- und Proteingehalt ziehen. Dies wiederum kann ihnen viel über Geschmack, Textur und Haltbarkeit aussagen.

Kaffeerezepte in einer Kaffeemaschine

Der Ansatz ist so vielversprechend, dass es verwundert, dass Komponentenanalyseeinheiten heute nicht mehr zum Standard in Supermärkten gehören. Laut Karl Norris, dem Leiter des Instrumentation Laboratory des USDA, gibt es in einigen Geschäften bereits Geräte zur Kontrolle des Fettgehalts in Hamburgern. In wenigen Augenblicken konnten Käufer erkennen, wie viel Fett sie ihre Familien ernähren würden.

Das Problem war, erklärt Norris, dass diese Zahlen manchmal nicht mit der auf der Verpackung angegebenen Fleischsorte übereinstimmten – ein rechtliches und ein PR-Problem für die Geschäfte. Die Instrumente wurden diskret zurückgezogen.

Was die Käufer anbelangt, die ihre eigenen tragbaren Watchdog-Einheiten mit in den Laden nehmen können, sagt Norris: „Es bedarf einiger technischer Verbesserungen, bevor diese Instrumente einzeln erschwinglich werden. Aber wenn es passiert, werden wir einen neuen Tag beim Einkaufen im Supermarkt erleben.'

Aber vielleicht liegt die wahre Revolution in der Lebensmitteltechnik im Bereich der fabrikmäßig hergestellten Lebensmittel, völlig neue Lebensmittel, die der Mensch noch nie probiert hat. Heute zeugen unsere überfüllten Supermärkte von einer wahren Explosion neuer Lebensmittel – endlose Sorten von Cerealien, Hot Dogs, Snacks, Salatdressings, Kaugummis, Erfrischungsgetränken, künstlichem Fleisch.

Diese sogenannten technisch hergestellten oder hergestellten Lebensmittel (direkt aus dem Labor) sind in Bezug auf die Gewinne der Industrie das A und O.

Tatsächlich sind technisch hergestellte Lebensmittel nicht immer das Neueste unter der Sonne. Brot, vielleicht das erste industriell hergestellte Lebensmittel der Welt, geht auf die Steinzeit zurück. Margarine, die Butter simuliert, indem sie Öle aus Sojabohnen und anderen Quellen mischt, ahmt seit mehr als einem Jahrhundert die Natur nach.

Viele neu entwickelte Lebensmittel sind aktualisierte Versionen älterer Produkte (z. B. verbesserte Methoden zum Treiben von Brot). Oder es sind leicht modifizierte Ausgaben klassischer Standbeine – wie die neuen O'Grady's Extra Thick & Crunchy Potato Chips.

Hast du schon einen gegessen? Ob Sie sich dessen bewusst sind oder nicht, diese Chips repräsentieren die Arbeit von etwa 200 Wissenschaftlern, die zwei Jahre lang Vollzeit arbeiten – die Herstellung des ersten 'phasenverschobenen' Kartoffelchips, rühmt sich sein Hersteller Frito-Lay Inc..

Ausgehend von einem herkömmlichen gekräuselten Chip begann Frito-Lay, die Rippen oder Wellen so zu verschieben, dass die Wellen auf der Oberseite nicht mit denen auf der Unterseite synchron waren – wodurch Bereiche mit Dicke und Dünnheit anstelle eines einheitlichen Chips erzeugt wurden.

Unter Verwendung von Computermodellen experimentierten die Wissenschaftler mit verschiedenen Wellenmustern und -höhen sowie unterschiedlichen Spitze-zu-Spitze-Abständen. Schließlich wurde ein Chip mit „genau dem richtigen Verhältnis von Steifigkeit zu Zerbrechlichkeit“ entwickelt (nicht schwer zu kauen, aber immer noch knuspriger).

Um seinen Anspruch zu beweisen, setzte Frito-Lay eine universelle Testmaschine ein, die mit gewaffelten Metallbacken ausgestattet war, um das Kauen zu simulieren. Bei genau 374 Gramm pro Quadratzentimeter (mehr als das Doppelte der Kraft, die erforderlich ist, um einen gewöhnlichen geriffelten Chip zu brechen), berichtete Frito-Lay, dass der Testchip brach.

Die Wissenschaftler machten sich auch daran, den Geschmack des neuen Chips zu verfeinern, um ihm eher den Geschmack von gebackenen (und nicht frittierten) Kartoffeln zu verleihen. Probenchips wurden pulverisiert und die gasförmigen Aromastoffe abgezogen und in Basiskomponenten analysiert. Dann wurden diese „Essenzen“ von Kartoffelchips mit Elektronen beschossen, um ihre Identität zu enthüllen.

Kaffeeglas zum Mitnehmen

Nachdem das gewünschte Verhältnis zwischen „Texturprofil“ und „Geschmacksprofil“ erreicht war, schickte Frito-Lay seinen neuen Chip auf den Markt.

Die unsichtbare Hand des Lebensmittelingenieurs steckt auch hinter der neuen (und angeblich verbesserten) Hühnchenpanade. Darrel R. Suderman, ein Wissenschaftler bei Durkee Foods in Cleveland, erklärt, dass die traditionelle Methode zur Erhöhung der Panieradhäsion darin besteht, mehr Eialbumin, ein Protein im Eiweiß, hinzuzufügen. Aber das funktioniert nur bis zu einem gewissen Punkt.

So suchte Suderman nach einem anderen Ansatz zur Verbesserung der Beschichtungsfähigkeit beim Panieren. Auf der grundlegendsten Ebene klebt ein Paniermaterial aufgrund von Partikeln, die sich in den winzigen Gruben oder Tälern der Hühnerepidermis festsetzen. Daher versuchen Panierhersteller, eine Vielzahl von Partikelgrößen in die Mischung aufzunehmen (kleine Zuckerkörner, größere Salzpartikel usw.).

Suderman erweiterte diese Argumentation und fragte sich, ob es nicht möglich sei, die Rauheit oder Unebenheit der panierten Hähnchenoberflächen zu erhöhen.

Mit einem Rasterelektronenmikroskop machte er eine wichtige Entdeckung. Unter der glatten Zellschicht auf der Hühnerhautoberfläche befindet sich eine rauere Unterschicht, die bei Vergrößerung wie eine Art Mondlandschaftsgelände aussieht - ideal für eine bessere Haftung.

Aber wie kann man diese raue Unterlage zum Panieren freilegen? Suderman fand heraus, dass höhere Brühtemperaturen, die im kommerziellen Entschärfungsprozess verwendet werden, dazu führen, dass die seidene Kutikula (glatte Schicht) abrutscht und diese unterirdischen Nischen freilegen.

Im Zentrum der New Foods Explosion steht ein wenig bekanntes Verfahren namens Extrusionskochen, das die Getreide- und Snack-Food-Industrie revolutioniert hat.

Stellen Sie sich, wenn Sie so wollen, eine Masse aus überhitztem, frei fließendem Teig vor, die sich unter sehr hohem Druck durch ein langes röhrenförmiges Fass bewegt. Auf dem Weg von Abschnitt zu Spezialabschnitt wird der Teig gekocht, pasteurisiert, gefärbt, verfeinert und geformt – bis der Teig am Ende des Fasses plötzlich in eine Unterdruckzone austritt und die Feuchtigkeit im Inneren 'blitzkocht'. das Stück dramatisch aufblasen.

Es ist diese dramatische Ausdehnung oder das Aufblähen, die einen Großteil der Knusprigkeit, Luftigkeit oder Flauschigkeit ausmacht, die Sie beim Essen von Produkten wie Maispuffs, Käsebällchen, Maislocken, Cheerios, Alpha Bits oder Müsliriegeln (sie sind leichter) hören, schmecken oder fühlen und leichter zu kauen als früher, dank dieser neuen Methode).

Aus fertigungstechnischer Sicht ist es wirklich erstaunlich.

Zum Beispiel, sagt Judson Harper, Vizepräsident für Forschung und Professor für Agrar- und Chemieingenieurwesen an der Colorado State University, wurden früher die meisten Getreidesorten hergestellt, indem Körner in großen Kochern gedünstet, dann geflockt und gepresst wurden. Schließlich wurden die Stücke getrocknet und geröstet.

Aber der neue Extrusionskocher erledigt das gesamte Kochen und Formen in einem kontinuierlichen Gerät – eine Art kleine Fabrik in einem. Was früher Stunden gedauert hat, sei heute in Sekunden erledigt, sagt er.

Abschnitte oder Blöcke können einfach hinzugefügt oder entfernt werden, was eine nahezu endlose Nuancierung von Produkten ermöglicht.

Joe Hegadorn, Leiter der technischen Entwicklung bei General Foods, sagt: „Es liegt hauptsächlich an diesem Prozess, dass heutzutage jedes Mal, wenn Sie in den Laden gehen, neue Snacks oder Müsli im Regal stehen – mit Form, Farbe, Textur und Geschmack nicht ganz das, was Sie jemals zuvor gesehen haben.'