Lebensmittelanalytik

Ein unverzichtbarer Parameter

Produktionsgerechte pH-Messung in der Lebensmittelanalytik. Nahrung frei von Schadstoffen zu halten, ist eine der wichtigsten Aufgaben der Lebensmittelanalytik. Denn besonders wenn es im Sommer heiß wird, häufen sich die Meldungen über verunreinigte Lebensmittel – in diesem Jahr etwa durch Listerien, Salmonellen oder Campylobacter.

Ob Milch, Käse oder Fleisch – Präzise und regelmäßige Kontrollen von pH und Temperatur sind für eine hohe Lebensmittelqualität unerlässlich.

Wo es nicht nur um den Geschmack, sondern auch um die Gesundheit geht, wundert es nicht, dass die rechtlichen Anforderungen an Hersteller hoch sind. Doch auch für die eigenen Qualitätsansprüche sind laufende Kontrollen unerlässlich. Der pH-Wert ist einer der verbreitetsten Messparameter, anhand dessen sich viele Qualitätsmerkmale wie Geschmack, Fermentation, Textur, Erscheinungsbild und Haltbarkeit bestimmen lassen.

Es ist die Aufgabe der Messtechnik, Messverfahren in der Lebensmittelanalytik einfach und verständlich, wie auch präzise und mit reproduzierbaren Ergebnissen zu ermöglichen. Das Lebensmittelrecht der EU verlangt hierfür hohe Standards. So müssen seit 2006 alle Unternehmen, die mit Lebensmitteln umgehen, mit einem vollständigen HACCP-Konzept (Hazard Analysis and Critical Control Points) arbeiten, also Gefahren analysieren, Gegenmaßnahmen festlegen und deren Durchführung – im Fall der Analytik mit GLP-Daten (Good-Laboratory-Praxis) – genau dokumentieren. Je nach Art der Anwendung bieten sich hierfür unterschiedliche Elektroden, Messgeräte und -verfahren an. Diese gilt es, für sich zu bestimmen und gemäß eigener Anforderungen umzusetzen.

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pH verstehen und messen
Der pH-Wert ist das Maß für den basischen oder sauren Charakter einer wässrigen Lösung und wird auf einer Skala von 0 bis 14 angegeben. Dabei bezeichnet pH 7 eine neutrale Flüssigkeit, in der die H+ und die OH- Ionen in der gleichen Konzentration vorliegen. Die meisten Organismen gedeihen bei diesem Wert am besten. Es gibt aber auch Bakterien, die ein leicht alkalisches (Überschuss von OH-, pH > 7) oder saures Milieu (Überschuss von H+, pH < 7) bevorzugen. Die meisten Pilze wachsen in einer leicht sauren Umgebung besonders gut.

Der pH-Wert einiger Lebensmittel im Vergleich mit anderen Produkten.

Lebensmittel werden entsprechend ihres pH-Werts generell in zwei Gruppen unterteilt: Saure Lebensmittel mit einem natürlichem pH-Wert von weniger als 4,6 und wenig saure Lebensmittel mit einem pH-Wert von über 4,6. Letzteren wird in manchen Fällen eine geeignete Säure zugesetzt, um die Vermehrung von Bakterien zu erschweren, welche die Qualität oder Haltbarkeit negativ beeinflussen könnten. Dies ist etwa bei Konserven oder fertigen Saucen der Fall – sogenannten angesäuerten Lebensmitteln.

Über die bloße Messung des pH-Werts hinaus sind die Herausforderungen in den einzelnen Bereichen der Lebensmittelherstellung spezifisch sehr verschieden. Doch ihr Verständnis trägt nicht nur zur Verbesserung eines Produkts bei, sondern kann Verantwortlichen sogar dabei helfen, ihre Produktionsprozesse zu optimieren. Ein gutes Beispiel hierfür ist die Verarbeitung von Milch: Ultrahocherhitzung (Pasteurisierung) kann auch auf kleinste pH-Wertschwankungen sehr empfindlich reagieren, was sich sowohl auf den Zeitbedarf für den Prozess als auch auf die Haltbarkeit der behandelten Milch auswirkt.

Ein Parameter, viele Prozesse in der Wertschöpfung
Obwohl eine ganze Reihe von Faktoren die Güte von Milch bestimmen, hilft die pH-Messung, die Ursachen für bestimmte Zusammensetzungsänderungen zu verstehen und schädlichen Faktoren entgegenzuwirken. So hat frische Milch einen pH-Wert von 6,7. Fällt er, ist das ein typisches Zeichen für bakteriell verursachten Verderb. Bakterien aus der Familie der Lactobacillaceae wandeln die in der Milch vorhandene Laktose in Milchsäure um. Ist ein hinreichend saurer pH-Wert erreicht, setzt die typische Koagulation oder Gerinnung ein, begleitet vom charakteristischen Geruch und Geschmack saurer Milch.

Die neue Foodcare-pH-Meter Serie von Hanna Instruments besteht aus fünf Modellen, die speziell für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie entwickelt wurden.

Ein pH-Wert von mehr als 6,7 kann bei Frischmilch hingegen darauf hinweisen, dass die gemolkenen Kühe an einer Mastitis-Infektion leiden. Ein Weg für Milchproduzenten, diese Infektion nachzuweisen, ist die vergleichsweise aufwändige Zählung der somatischen Zellen in der Milch. Ein sehr viel schnelleres Screening ist dagegen die Messung des pH-Werts: Tritt Mastitis bei Kühen auf, setzt das Immunsystem Histamin und andere Verbindungen frei. Dadurch gelangen letzten Endes alkalische Blutbestandteile ins Euter, wodurch der pH-Wert der Milch ansteigt.

Wenn aus der Milch Käse oder Joghurt hergestellt wird, ist die Messung des pH-Werts ebenfalls unerlässlich für Produktqualität und Lebensmittelsicherheit. So wird Joghurt beispielsweise durch die Vermengung des Rohstoffs Milch mit lebenden Bakterienkulturen hergestellt. Nach dieser „Impfung“ wird die Mischung aus Milch und Bakterien inkubiert, was die sogenannte Fermentation beziehungsweise Umwandlung von Laktose in Milchsäure eintreten lässt. Sobald ein bestimmter pH-Endwert zwischen 4,0 und 4,6 erreicht ist, wird dieser Prozess durch schnelles Abkühlen gestoppt, denn innerhalb dieses pH-Bereichs besitzt der Joghurt den passenden Säuregehalt, der ihm seinen charakteristischen säuerlichen Geschmack und seine typische Konsistenz verleiht. Indem Joghurthersteller die Kühlung jedes Mal konsequent bei der Erreichung ihres Zielwerts beginnen, stellen sie eine gleichbleibende Konsistenz ihres Produkts sicher. Außerdem wird die Besiedelung durch unerwünschte Bakterienstämme erschwert.

Die Anforderungen bestimmen das Design
Die Lebensmittelindustrie kennt noch zahlreiche weitere Beispiele, in denen die Messung des pH-Werts ein fester Bestandteil industrieller Prozesse ist. Doch so vielfältig Nahrungsmittel sind, so verschieden sind auch die Herausforderungen, die es bei ihrer Produktion zu bedenken gilt. Ein einziges, universelles Messverfahren ist also unrealistisch. Während große Universal-pH-Meter eher für den stationären Gebrauch in Laboratorien geeignet sind, bestimmen in der laufenden Produktion andere Anforderungen das Design der Geräte. Dort gehören Mobilität, Flexibilität und einfache Bedienbarkeit zu den gewünschten Eigenschaften eines pH-Meters, so dass robuste, auf bestimmte Anwendungsgebiete spezialisierte Handgeräte einen größeren Mehrwert bieten. Damit können Mitarbeiter Messungen schnell und sicher vornehmen, bei Bedarf beliebig oft, ohne dass eine komplexe Einarbeitung notwendig ist. Weiter ist die Erfassung der GLP-Daten wichtig, die Hersteller aus rechtlichen Gründen vorweisen müssen. Dazu gehören Datum, Uhrzeit, verwendete Puffer, Offset und Steilheit der letzten Kalibrierung.

Die fünf Foodcare Spezialelektroden für die HI9816X pH-Meter. Von links nach rechts, die Modelle für allgemeine Anwendungen in der Lebensmittelanalytik, für Milch, für Fleisch (mit auswechselbarer Edelstahlklinge), für Joghurt und für Käse.

Die Wahl der richtigen Elektrode, mit der das pH-Meter arbeitet, ist für zuverlässige, reproduzierbare Messergebnisse der ausschlaggebende Faktor. Besonders deren Form und Material müssen je nach Anwendungsgebiet unterschiedlich beschaffen sein. Speziell für die Messung von pH-Werten und Temperatur hat Hanna Instruments darum eine fünfteilige Serie von tragbaren pH-Metern (HI98161 bis HI98165) mit dazu passenden Foodcare pH-Elektroden entwickelt, ausgelegt für Anwendungen in der Lebensmittelanalytik allgemein oder im Umgang mit Milch, Fleisch, Joghurt oder Käse.

Lebensmittel lassen sich in Sachen Analytik in vier Probenarten unterteilen: Sie treten als Flüssigkeiten, feste und halbfeste Stoffe oder als Suspensionen mit hohem Feststoffanteil auf. Besonders die letzten drei neigen dazu, die empfindliche Glasmembranoberfläche von pH-Elektroden mit einem Film zu überziehen oder das Diaphragma zu verstopfen. Daher ist es notwendig, die entsprechenden Elektroden jeweils mit offenem Diaphragma auszustatten. Diejenigen, die für Messungen in (halb-)feste Stoffe eingestochen werden, benötigen hierzu zudem eine konische Spitze. Das Einstechen in Fleisch und Käse wiederum gelingt nur durch eine auswechselbare Edelstahlklinge beziehungsweise einen schmalen Edelstahlschaft, der keine großen Löcher im Käse hinterlässt. Um Messfehler durch das Verschmutzen solcher Elektroden zu vermeiden, verfügen die pH-Meter über eine „CAL Check“-Funktion, die die Daten der aktuellen Kalibrierung mit denen der vorherigen vergleicht und den Benutzer informiert, falls eine Reinigung oder ein Wechsel der Elektrode notwendig ist.

Drei der Foodcare Elektroden haben einen Korpus aus Polyvinyliden (PVDF), das den meisten Chemikalien, wie Lösungsmitteln und Natriumhypochlorit, widersteht. Zudem zeichnet sich der lebensmittelechte Kunststoff durch seine Abriebbeständigkeit, Festigkeit und Unempfindlichkeit gegenüber ultravioletter Strahlung aus. PVDF ist zudem gegen Pilzwachstum resistent. Für Joghurt kommt ein leicht zu reinigender Glaskorpus zum Einsatz, für Käse ein stabiler Korpus aus Edelstahl.

Von sauer bis alkalisch – es kommt auf den pH-Wert an
In der Lebensmittelherstellung gehört der pH-Wert zu den ausschlaggebenden Parametern, um die Qualität, Sicherheit, Haltbarkeit und Konsistenz von Produkten zu gewährleisten. Eine regelmäßige Kontrolle ist darum unabdingbar. Da die teils sehr verschiedenen Anforderungen in den einzelnen Bereichen der Lebensmittelanalytik ein jeweils spezifisch angepasstes Design der pH-Meter und Elektroden erfordern, erweisen sich einfach bedienbare Handgeräte, die speziell für je eine bestimmte Anwendung ausgelegt sind, im laufenden Betrieb häufig als am besten geeignet. Doch auch die rechtlichen Anforderungen bei der Verarbeitung von Lebensmitteln sind sehr hoch. Die Messung per pH-Meter und Elektrode bietet hierfür die genauesten und am leichtesten zurückverfolgbaren Messergebnisse, die auch die Aufzeichnung von GLP-Daten berücksichtigen. So unterstützt beispielsweise die neue pH-Meter-Serie von Hanna Instruments Lebensmittelhersteller dabei, die HACCP-Konformität ihrer Prozesse zu gewährleisten.

Leonie Storz

Leonie Storz studierte Lebensmittelchemie an der Universität Hohenheim. Seit 2015 ist sie Applikations- und Produktspezialistin bei Hanna Instruments Deutschland.

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