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Artikel und Hintergründe zum Thema

Temperaturmessung in der Lebensmittelanalytik

Dr. Katharina Fejfar,

Bis aufs Zehntel Grad genau

Bei Herstellung, Verarbeitung und dem Verkauf von Lebensmitteln stehen Hygiene und Verbraucherschutz im Fokus. Dazu ist es enorm wichtig, die biochemischen Prozesse, die zur Herstellung, Reifung und zum Verderb von Speisen beitragen, zu verstehen und laufend zu kontrollieren. Nicht zuletzt die Temperatur gilt dabei als ein streng überwachter Mess- parameter, geregelt durch die Lebensmittelverordnung DIN10508 „Lebensmittelhygiene – Temperaturen für Lebensmittel“. Eine adäquate Messtechnik muss diesen Anforderungen genau entsprechen.

In der Lebensmittelanalytik gilt die Temperatur zurecht als einer der wichtigsten Qualitäts- und Messparameter, insbesondere bei zubereiteten Speisen, denn sie bestimmt den Ablauf der meisten biochemischen Prozesse (Bild: fotolia/juefraphoto).

Ob im Lager oder in der Produktion: Mit Ausnahme des pH-Werts gibt es kaum einen weiteren Messparameter in der Lebensmittelanalytik, dem eine größere Bedeutung zukommt als der Temperatur. Beispielsweise bei der Süßwarenherstellung bestimmt die Temperatur des Zuckersirups die Konsistenz des Endprodukts. Für Karamellen oder andere weiche Bonbons wird der Zuckersirup auf 121 °C erhitzt, während spröde, harte Bonbons eine Erhitzung des Sirups auf 148 °C erfordern. Temperaturabweichungen um wenige Grad können dabei signifikante Unterschiede von einer Charge zur nächsten bedeuten. Moderne Messgeräte sorgen hier bei kontinuierlichen Messungen mit einer 0,1-K-Auflösung für exakte Kontrollen und optimale Qualität.

Darüber hinaus sind insbesondere während der Lagerung und Kühlung von Nahrungsmitteln einige Regeln einzuhalten, die durch die DIN10508 klar definiert sind. Seit Ende 2012 in Kraft, sollen die in der Industrie-norm aufgeführten Temperaturangaben ein einheitliches, sicheres Vorgehen erleichtern. Lebensmittel herstellende und verarbeitende Unternehmen sind dazu verpflichtet, die Kühlkette ihrer Produkte einzuhalten und im Rahmen einer selbstständigen Eigenkontrolle zu dokumentieren. Obwohl im Einzelfall auf eine Vielzahl an Verordnungen zu achten ist, gibt es einige Richtwerte, die dem routinierten Lebensmittelanalytiker bekannt sein sollten.

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Wie kalt genau?
Die Pflicht zur Einhaltung der Kühlkette gilt für alle Lebensmittel, deren Lagerung bei Raumtemperatur nicht unbedenklich ist. Die Dokumentation der Temperatur muss dabei sowohl bei Wareneingang als auch im Lager und bei der Ausgabe erfolgen, wobei Lager- bzw. Umgebungstemperatur des Produkts zu messen sind. Lose Ware muss generell bei maximal +7 °C lagern, verpackte Ware gemäß den Angaben des Herstellers. Die Lagertemperatur von Obst und Gemüse sollte in der Regel ebenfalls bei +6 bis 8 °C liegen, wobei für einige kälteempfindliche Früchte und Gemüsesorten Ausnahmen definiert sind: So lagert man Bananen und Zitronen beispielsweise bei +13 °C, Tomaten und Paprika aber bei +8 bis 10 °C. Weitere Sonderfälle leicht verderblicher Lebensmittel, für die es genaue Regelungen gibt, betreffen die Lagerung von Fleisch (0 bis +4 °C je nach Sorte), Eiern (+5 bis 8 °C), Milchprodukten (+8 bis 10 °C), Meeresfrüchten (Schmelzeistemperatur) und tiefgekühlter Ware (-18 °C) – siehe hierzu Bild 2.

Da sich schädliche Mikroorganismen in der Regel bei Temperaturen zwischen +10 und +65 °C besonders gut und schnell vermehren, gibt es auch bei der Erhitzung und Abkühlung von Nahrungsmitteln wichtige Regeln. Gehört zum Herstellungsprozess von Nahrungsmitteln eine Abkühlung, gilt es, den erwähnten Temperaturbereich innerhalb von höchstens 2 h zu durchschreiten. Bei Gefrierverfahren kommen noch kürzere Zeiten zur Geltung. Im Falle der Erhitzung, beispielsweise um Speisen gemäß HACCP-(Hazard Analysis and Critical Control Points-)Verfahren zuzubereiten, wird der Erhitzungsprozess per Kerntemperaturmessgerät stichprobenartig überwacht, wobei Kerntemperaturen von +70 °C für mindestens 10 min oder +80 °C für wenigstens 3 min einzuhalten sind. Je nach Zutaten dürfen Speisen für maximal zwei oder drei Stunden bei mindestens +65 °C warmgehalten werden.

Temperaturmessung maßgeschneidert
Während die Temperaturmessung nahezu universell in vielen verschiedenen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommt, steht eine sehr anspruchsvolle Messtechnologie hinter den vermeintlich einfachen Geräten. Nicht zuletzt stellt auch die DIN10508 auf der technischen Seite hohe Anforderungen an die eingesetzte Messtechnik. Beispielsweise darf die Messunsicherheit ±1 °C nicht überschreiten. Um auf die jeweils spezifischen Anforderungen jeder Anwendung eingehen zu können, entwickelt der Messgerätehersteller Hanna Instruments Thermometer entweder als eigenständige Geräte – speziell für die Lebensmittelanalytik in Form der Foodcare-Serie – oder integriert die Temperaturmessung in Messgeräte für temperaturabhängige Parameter, wie beispielsweise pH-Meter, Leitfähigkeitsmessgeräte oder Messgeräte für gelösten Sauerstoff.

Dabei stehen mehrere Varianten von Thermometertechnologien mit unterschiedlichen Vor- und Nachteilen zur Verfügung, bei denen die Messungen durch Thermistoren (THERMally- sensitive resISTOR) oder zwei verschiedene Thermoelementtypen erfolgen. Konstruiert für die Verwendung in Küchen, Gastronomie und allen Bereichen der Lebensmittelproduktion, bietet die Foodcare-Thermometer-Serie Vertreter aller drei Technologien; jeweils mit fester oder austauschbarer Sonde, wasserdicht und CAL-Check-Funktion, welche die Kalibrierung des Geräts automatisch prüft. Häufig sind diese anwendungsspezifisch gestaltet, etwa für den Einstich in Produkte mit einer bestimmten Konsistenz, für die Messung von Gasen oder zur Einführung in Paletten von Tiefkühlkost. Doch wofür eignet sich welche Thermometervariante?

Die richtige Technologie für das richtige Produkt
Thermistor-Thermometer lassen sich für einen Temperaturbereich von +50 bis +150 °C ideal einsetzen, höhere Temperaturen können den Halbleiter beschädigen. Sie messen äußerst genau, bis auf ein Zehntel Grad, weisen dafür aber verhältnismäßig lange Ansprechzeiten auf. Technische Grundlage ist hierfür der namensgebende Thermistor. Dieser ist ein Halbleiter, der seinen Widerstand (R) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) ändert:

R = R0 x (1+ α(T - T0 ))

wobei R0 den Widerstand zu Beginn der Messung bezeichnet, bei einer Anfangstemperatur T0 und einem Temperatur/Widerstands-Koeffizienten α. Dieser bestimmt, je nach Vorzeichen, ob die Änderung des Widerstands positiv oder negativ ist. Dementsprechend unterscheidet man Thermometer mit NTC-(Negative Temperature Coefficient-) und PTC-(Positive Temperature Coefficient-)Thermistoren. Hanna Instruments stellt NTC-Thermistorthermometer her.

Für andere Temperaturbereiche besser geeignet sind Thermometer auf Basis eines Thermoelements. Sie bestehen aus einer Verbindungsstelle (Messstelle) zwischen zwei Drähten aus unterschiedlichen Metalllegierungen, meist Nickel und Nickel-Chrom (das sogenannte Typ-K-Thermoelement). Die Temperatur eines Drahtendes ist konstant gleich und bekannt. Bei einer gegebenen Temperatur an den zwei Drahtenden entsteht eine Potentialdifferenz zwischen den entgegengesetzten kalten und warmen Enden der beiden Drähte. Aus den bekannten Charakteristika der beiden Metalle, der Temperatur- und der Potentialdifferenz lässt sich auf die gemessene Temperatur schließen. Mit Thermoelementthermometern des Typs K sind Messungen in Bereichen von bis zu +1350 °C möglich. In der Lebensmittelanalytik werden solche Werte eher selten erreicht, beispielsweise bei Profigrillgeräten, in denen Fleisch für einen sehr kurzen Zeitraum auf bis zu +800 °C erhitzt wird.

Für die meisten Kontrollen, bei denen eher die Messgenauigkeit im Fokus steht, gibt es eine noch bessere Lösung. Hier wird auf Thermoelemente des Typs T gesetzt, die Drähte aus Kupfer und Nickel-Kupfer nutzen. Sie sind zwar nur für Temperaturen von bis zu +400 °C geeignet, arbeiten jedoch mit der nahezu gleichen Genauigkeit wie Thermistor-Thermometer, ohne aber Ansprechgeschwindigkeit einbüßen zu müssen.

Konsistente Qualitätssicherung für Millionen Menschen
Wie die Messung der Temperatur die Qualitätssicherung im industriellen Betriebsalltag vor weitreichende Fragen stellt, zeigt das Beispiel einer Kaffeehauskette: Beim Brühen von Kaffee gibt es eine Reihe von Faktoren, die dessen Geschmack unabhängig von Marke und Qualität erheblich beeinflussen können. Dazu zählt der Mineraliengehalt im Wasser, vor allem aber dessen Temperatur. Denn sie bestimmt, welche und wie viele Bestandteile des Kaffeepulvers sich im Wasser lösen. Ist das Wasser zu kalt, so wird der Kaffee dünn und säuerlich schmecken. Ist es zu heiß, lösen sich zu viele Stoffe und der resultierende Kaffee schmeckt bitter und verbrannt.

Um ihren Kunden jeden Tag den konsistent gleich guten Geschmack anbieten zu können, kam die Wartungsabteilung der Kaffeehauskette auf Hanna Instruments zu. Für den typischen Geschmack ihrer Marke und Sorten war eine konstante Wassertemperatur von +80 bis 85 °C notwendig. Das für die Kontrollen zu verwendende Thermometer musste also sehr genau und zuverlässig messen, darüber hinaus aber schnell und einfach in allen Filialen vor Ort bedienbar sein. Als Nachfolgemodell für bisher verwendete Geräte fiel darum die Wahl auf das neue Foodcare-Thermometer HI935004 mit austauschbarem Typ-T-Thermoelementfühler, dessen Genauigkeit von ±0,5 °C im Messbereich von -50 bis +100 °C sowie dessen CAL-Check-Funktion, die den Mitarbeitern die Überprüfung der Kalibrierung abnimmt und so zuverlässige Messwerte sicherstellt, für diese spezifische Anwendung am geeignetsten erschienen.

Dr. Katharina Fejfar, Anwendungs- und Applikationsberaterin, Hanna Instruments Deutschland GmbH

Autorin:
Dr. Katharina Fejfar
Anwendungs- und Applikationsberaterin
Hanna Instruments Deutschland GmbH
An der Alten Ziegelei 7
89269 Vöhringen
E-Mail: info@hannainst.de

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