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Einkochen und Einwecken mit Mehl - Warum geht das nicht?

Kürzlich hat meine Leserin Pia geäussert, was ich daraufhin vielfach in Foren zum Einkochen wiedergefunden habe:

Beim Einkochen (Einwecken) darf man nichts mit Mehl binden – das säuert. Aber Kuchen mit Mehl kann man einkochen. Auch Brot und Nudeln darf man – überall Mehl drin. Nur die Sauce darf nicht mit Mehl … warum nicht?

Eine spannende Frage – die mich veranlasst hat, mich näher mit der Physik und Chemie des Einkochens zu beschäftigen.

Einkochen: Wieso? Weshalb? Warum?

Durch Einkochen oder Einwecken werden Lebensmittel haltbar gemacht. Die sind nämlich nicht nur für uns äusserst nahrhaft, sondern auch für allerlei Mikroorganismen. Die nisten sich in Lebensmitteln ein, verändern ihr Aussehen und ihren Geschmack in oft nicht gewünschter Weise, und machen uns im schlimmsten Fall auch noch krank.

Eine einfache Methode, diese Störenfriede loszuwerden, ist, sie mitsamt ihrer Umgebung so gründlich zu erhitzen, dass sie selbst gekocht werden und damit absterben. Die meisten Lebewesen bestehen nämlich aus Proteinen, die ab 42°C ihre Form und damit ihre Funktionsfähigkeit verlieren: Sie denaturieren. Und damit ist es dann vorbei mit Leben. Wenn man dann noch dafür sorgen kann, dass es auch so bleibt…

Konservieren durch Erhitzen

Zum Einkochen werden die Lebensmittel in Gläsern erhitzt, die mittels eines Dichtungsringes oder Schraubdeckels luftdicht verschlossen werden können. Dabei dehnen sich Luft und allenfalls entstehender Wasserdampf (dank der Anomalie des Wassers auch flüssiges Wasser ein wenig) aus und können sich notfalls an der Dichtung vorbei nach draussen zwängen.

Sobald solch ein Glas jedoch abkühlt, zieht sich die Luft darin zusammen (und allfälliger Wasserdampf kondensiert zu flüssigem Wasser). So entsteht im Glas ein Unterdruck, der dafür sorgt, dass die Dichtung fest gezogen wird. Nun kann nichts mehr aus dem Glas hinaus oder hinein. Auch keine Mikroorganismen oder ihre Sporen.

Damit ist sicher gestellt, dass nicht nur alle Bakterien und Pilze im Einkochgut tot sind, sondern auch keine neuen mehr hinein gelangen können. Um dessen wirklich sicher zu gehen, erhitzt man das Einkochgut entsprechend gründlich und lange (in der Regel auf 100°C, die Siedetemperatur von Wasser bei Atmosphärendruck). So soll auch das Innerste eines Einmachglases warm genug werden, um lebensfeindlich zu sein.

Die Industrie gibt dem Ganzen einen Namen

Der deutsche Chemiker Rudolf Rempel hat das Einmachglas Ende des 19. Jahrhunderts erfunden und sich 1892 patentieren lassen – und starb ein Jahr darauf mit nur 34 Jahren. So kam es, dass der Unternehmer Johann Carl Weck das Patent erwarb und zum ersten industriellen Hersteller von Einmachgläsern und Zubehör wurde. Mit dem Namen Weck verbreitete sich bald der Begriff “Einwecken” für die Verwendung der Gläser.

Inzwischen hat das “Einwecken” Eingang in den Duden gefunden und darf damit als allgemeingültiger Teil der deutschen Sprache als Synonym für das Einkochen verwendet werden – ganz gleich welche Gläser man dazu benutzt. Anders verhält es sich jedoch mit dem Wortteil “Einweck-“. Der ist nach wie vor geschützt. Ein Einweckglas oder einen Einweckring gibt es somit bis heute nur von der Firma Weck.

Und wenn sich jetzt die österreichischen Leser fragen, wovon ich eigentlich schreibe: Bei euch war im frühen 20. Jahrhundert die Rex-Konservenglas-Gesellschaft Hersteller Nummer 1 für Einmachgläser. So hat sich in Österreich der Begriff “Einrexen” eingebürgert.

Warum klappt das Einwecken nicht mit Mehl?

Mehl enthält Amylasen: Das sind Enzyme, also Proteine, welche die langen Stärke-Ketten in kürzere Einfach- oder Zweifachzucker spalten können.

Strukturformel Stärke bzw. Amylose
Einfaches Stärkemolekül (“Amylose”) – eine Kette aus Glucose-Molekülen, hier als Sechsringe dargestellt.

Der Name verrät uns das: Die unverzweigte Form der Stärke nennen die Chemiker auch Amylose, wobei die Endung “-ose” auf ein Kohlenhydrat hinweist. Die verzweigte Form dieser Molekülketten nennen sie hingegen Amylopektin. Die Endung “-ase” der Amylase weist hingegen auf ein Enzym hin, das spaltet bzw. zerlegt, was im Namen davor steht.

Wie kommen solche Enzyme in das Mehl?

Die Amylasen sind ein wichtiger Bestandteil von Getreidekörnern. Sie werden von der Mutterpflanze darin eingelagert, damit sie die Stärke im Samenkorn spalten können. Denn der Keimling, der daraus wächst, kann nur mit kleinen Zuckermolekülen etwas anfangen.

So lange die Amylasen funktionsfähig sind (und das bleiben sie beim Mahlen und bei vielen Vorgängen der Lebensmittelzubereitung auch), machen sie ihren Job jedoch auch in Lebensmitteln. Dabei entstehen aus Stärke und Wasser kleinere Zuckermoleküle wie z.B. Maltose (Malzzucker), ein Zweifachzucker aus zwei Glucose-Einheiten.

Ein Maltose-Molekül besteht aus zwei Glucose-Ringen

Zucker sind süss. Warum wird dann das Eingemachte sauer?

Geschmacksveränderungen in verderbenden Lebensmitteln sind in der Regel die Folge von Gärung. Dabei erzeugen wie Bakterien und Hefen aus den Lebensmittelbestandteilen neue Stoffe, die anders schmecken. Die beiden wichtigsten Gärungsprozesse sind die alkoholische (hierbei entsteht der “Trinkalkohol” Ethanol) und die Milchsäuregärung (hierbei entsteht Milchsäure bzw. das Lactat-Anion). Und zwar ganz ohne Sauerstoff-Zufuhr.

Wie die alkoholische Gärung genau funktioniert, könnt ihr hier nachlesen und im Experiment gleich selbst beobachten. Dabei zeigt sich, dass als Nebenprodukt des Gärprozesses das Gas Kohlenstoffdioxid, CO2, entsteht. Und mit der Entstehung von Gas erhöht sich der Druck im Einmachglas – bis der Verschluss undicht wird.

Um das zu bewerkstelligen, brauchen die Mikroben Zucker aus kleinen Molekülen. Ergo solche Zucker, wie die Amylasen ihn aus der Stärke freisetzen. Nicht inaktivierte Amylasen können also nicht nur Pflanzenkeimlinge, sondern auch Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen ernähren.

Bakterien und Hefen im Einmachglas?!

Nun sollte man annehmen, dass Amylasen im Einmachglas kein Problem darstellen sollten. Schliesslich werden beim Einkochen die Mikroben im Einmachgut totgekocht. Und an diesem Punkt sind alle meine bisherigen Recherchen ins Leere gelaufen.

So bleibt mir als Erklärung letztendlich nur der Umstand, dass auch der Einkochvorgang keine perfekte Konservierung ermöglicht. Irgendwo wird da immer die ein oder andere Zelle überleben. Oder zumindest ihre Enzyme für die Gärung werden nicht vollständig unbrauchbar gemacht (sind die richtigen Enzyme beisammen, funktioniert Gärung nämlich auch ohne Zellen).

Wenn diese letzten Überlebenden nichts zu futtern haben, können sie jedoch nichts – oder nur sehr, sehr langsam etwas – ausrichten. Mit einer Zuckerquelle aus Stärke samt Amylasen können diese Mikroben jedoch mit der Gärung beginnen und sich womöglich sogar etwas vermehren. Dabei muss nicht all zu viel CO2 entstehen, um den Unterdruck im Einmachglas aufzuheben. Und schon können weitere Mikroorganismen durch den undichten Verschluss eindringen, sich vermehren und im Einmachgut eine grosse Biochemie-Party schmeissen. Dabei entstehen dann noch mehr Stoffe, darunter noch mehr Gas, was den Verschluss um so undichter werden lässt…

Kurzum: Stärke mit Amylasen ist demnach nicht Voraussetzung für eine Gärung im Einmachglas, sondern beschleunigt sie “bloss” um ein Vielfaches.

Wie kann man das Stärke- Desaster verhindern?

  • Stärke ohne Amylasen verwenden: Stärke ohne Enzyme gibt es sicher für den Laborbedarf, (bio-)synthetisch hergestellt oder entsprechend gereinigt. Für den Hausgebrauch in der Küche aber viel zu teuer.
  • Saucen und anderes erst nach dem Einkochen mit Mehl binden: Dem Einmachglas ist die Konsistenz der Speisen egal. Die können daher auch erst beim Wiederaufwärmen kurz vor dem Verzehr angedickt werden.
  • Mehl und Mehlspeisen so stark erhitzen, dass die Amylasen sicher denaturiert werden: Dazu sind Temperaturen von deutlich mehr als 100°C nötig! Gebackenes Brot oder Kuchen sind daher durch und durch amylasefrei – die werden im Ofen heiss genug. Auch bei der Herstellung von trockenen Teigwaren (Nudeln, Pasta) scheinen die Amylasen beseitigt zu werden. Und wer nicht auf eine Mehlschwitze zum Andicken verzichten will, kann diese in Pflanzenöl ansetzen. Öl wird in der Pfanne nämlich heisser als wasserhaltige Butter und kann so die nötigen Temperaturen erreichen.
  • Wirklich lange und gründlich einkochen: Die in der Literatur empfohlenen Kochzeiten mindestens einhalten! Dabei steigt nicht nur die Wahrscheinlichkeit, möglichst viele Amylasen auszuschalten, sondern auch die Mikroben sterben zu einem grösseren Anteil ab. Der Nachteil: Je zerkochter die Mikroben werden, desto zerkochter wird auch das restliche Einmachgut.
  • Einen Dampfdrucktopf zum Einkochen verwenden: Unter steigendem Druck steigt auch der Siedepunkt von Wasser. Das Gargut wird damit heisser als im offenen Kochtopf. So gart es nicht nur schneller, sondern auch gründlicher: Die zur Denaturierung von Amylasen notwendige Temperatur kann so womöglich erreicht werden.

Wirklich sicher (und praktikabel) ist jedoch nur der zweite Vorschlag – auf Mehl, welches nicht gebacken wurde, beim Einkochen ganz zu verzichten.

Und welche Erfahrungen habt ihr beim Einkochen mit oder ohne Mehl schon gemacht? Wisst ihr bezüglich der Folgen des Vorhandenseins von Amylasen im Einmachgut mehr als ich?

Experiment: Gärung - die Superkraft von Hefe

Vor ein paar Tagen war es einmal wieder soweit: Ich hatte Geburtstag. Zur Feier des Tages habe ich mich in die Küche gestellt und der Biochemie gewidmet….ähm, Kuchen gebacken. Und zwar mit Hefe! Und damit wird das Kuchenbacken tatsächlich echte Küchen-Biochemie.

Was ist eigentlich Hefe?

Unsere Backhefe besteht aus richtigen Lebewesen! Aber nicht aus Pflanzen oder Tieren, sondern aus Pilzen mit dem komplizierten Namen “Saccharomyces cervisiae”.

Wenn ihr euch jetzt an Asterix und Obelix erinnert fühlt…richtig: Das Lieblingsgetränk der beiden Comic-Gallier ist lauwarme Cervisia – ein Bier. Tatsächlich ist die Backhefe der gleiche Pilz, der auch zum Bierbrauen verwendet wird.

Der erste Teil des Namens bedeutet übrigens so viel wie “Zuckerpilz”, womit der ganze Name sich etwa mit “Bier-Zuckerpilz” übersetzen lässt. Damit ist auch geklärt, wovon diese Pilze sich ernähren.

Hefen bilden übrigens keine Schirme und Hüte im Wald, wie ihr sie von anderen Pilzen kennt. Sie gehören nämlich zu den Einzellern und vermehren sich durch Zellteilung oder die Bildung von Ablegern. Deswegen sehen wir von ihnen ohne Mikroskop auch nicht mehr als eine gelblich-graue Masse. Mit einem Mikroskop hingegen kann man die einzelnen Hefezellen sehen:

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Einzelzellen sind jetzt gut erkennbar.

Backhefe unter dem Mikroskop: Die Teilstriche der Skala sind jeweils 11 Mikrometer (Millionstel Meter!) voneinander entfernt. By Bob Blaylock [CC BY-SA 3.0 or GFDL], from Wikimedia Commons

Was macht ein Pilz in Brot und Kuchen?

Er lebt! Zumindest vor dem Backen. Und zwar wie alle Lebewesen von Zuckern. Nur ist Hefe dabei nicht zwingend auf Sauerstoff zum Atmen angewiesen. Während Menschen Sauerstoff als Oxidationsmittel brauchen, um aus den Zuckern chemische Energie zu gewinnen, können Hefen dazu auch andere chemische Reaktionen nutzen, die ohne Sauerstoff auskommen.

Solche Reaktionen werden zusammengefasst “Gärung” genannt. Bei der Gärung durch Hefe entsteht als “Abfall” der Trink-Alkohol “Ethanol” (auf den es die Bierbrauer abgesehen haben), und… findet es selbst heraus!

 

Experiment 1: Hefegärung sichtbar machen

Ihr braucht dazu

Eine Glasflasche mit engem Hals (ca. 0,5l),
Einen Luftballon, nicht aufgeblasen
Backhefe (1 Päckchen Trockenhefe)
Wasser (lauwarm)
Einen Teelöffel Haushaltszucker

Das braucht ihr für das Experiment

So geht es

Blast den Luftballon mehrmals hintereinander auf und lasst die Luft immer wieder heraus. So wird die Ballonhülle schon einmal gedehnt und lässt sich später leichter aufblasen.

Füllt die Flasche halb mit lauwarmem Wasser und löst den Zucker darin auf. Gebt die Hefe dazu und schwenkt die Flasche kurz, sodass sich alles gut mischt.

Stülpt dann die Öffnung des Luftballons über die Flaschenöffnung und stellt das Ganze an einen warmen Ort (ideal sind 28-32°C).

Wartet ab und beobachtet, was geschieht: In der Flasche geht es sichtlich geschäftig zu, und: Der Ballon bläht sich auf!

Im Laufe von 45 Minuten bläht der Ballon sich immer weiter auf!

Ein Gas entsteht: Links der Aufbau zu Beginn des Experiments, dann von links nach rechts: nach 15min, 30min, 45min

Was geschieht da?

Die Hefe verdaut den Zucker. Dabei entsteht ein Gas, das den Ballon füllt!

Was für ein Gas ist das?

Ihr könnt es selbst nachweisen!

Experiment 2: Gas-Nachweis

Ihr braucht dazu

Die Hefemischung in der Flasche aus Experiment 1
Ein Streichholz, etwas zum Anzünden
Eine Pinzette

So geht es

Entfernt den Luftballon von der Flasche. Entzündet das Streichholz und führt es mit Hilfe der Pinzette in die Flasche mit der Hefemischung (nicht eintauchen!). Beobachtet: Das Streichholz geht aus!

Was passiert da?

Das Gas, welches die Hefe produziert, ist Kohlenstoffdioxid (CO2)! Es ist schwerer als Luft und verdrängt so den Sauerstoff nach oben aus der Flasche. Ohne Sauerstoff kann Feuer nicht brennen – und geht aus.

 

Was in den Hefezellen passiert

Der wichtigste Zucker, von dem Hefe sich ernährt, ist Traubenzucker (Glucose). Das ist ein “Einfachzucker” (ein Monosaccharid), besteht also aus überschaubar kleinen, einzelnen Zuckermolekülen.

alpha-D-Glucose in 6-Ringform: Haworth-Strukturformel

Ein Glucose-Molekül

Aus Traubenzucker- bzw. Glucose-Molekülen können alle Lebewesen schnell Energie gewinnen. Die Hefe verwendet dazu eine Folge von Reaktionen, die die Biochemiker als “anaerobe Glykolyse” bezeichnen.

Dabei wird aus einem Molekül Glucose in mehreren Schritten ein Molekül “Pyruvat” hergestellt. Im Zuge dieser Schritte werden zwei Energieträger-Moleküle, die die Biochemiker abgekürzt “ADP” nennen, “aufgeladen”, indem je ein Phosphorsäure-Anion an jedes dieser Moleküle gehängt wird (die aufgeladenen Energieträger-Moleküle heissen dann “ATP”).

Für das Aufladen sind jedoch weitere Reaktionspartner (Moleküle namens NAD+) nötig, die ihrerseits recycelt werden müssen.

Gärung: Aus Pyruvat wird Ethanol. Dabei wird ein Molekül CO2 frei und ein Molekül NAD+ rezykliert.

Alkoholische Gärung By Arne “Norro” Nordmann. [GFDL, CC-BY-SA-3.0 or CC BY-SA 2.5 ], via Wikimedia Commons

Deswegen haben die Hefepilze ein weiteres Enzym (die Pyruvatdecarboxylase), das von den Pyruvat-Molekülen je ein Molekül Kohlenstoffdioxid (CO2) abspaltet.

Das Kohlenstoffdioxid wird danach aus den Zellen entsorgt und füllt euren Luftballon!

Übrig bleibt ein Molekül Acetaldehyd. Das ist für Zellen giftig und wird deshalb schnell zu Ethanol weiterverarbeitet, wobei die Abfall-Moleküle NADH aus der Glykolyse zu NAD+ recycelt werden.

Der Trink-Alkohol “Ethanol” ist übrigens für uns Menschen giftig, weil es in unseren Zellen das Enzym Alkoholdehydrogenase auch gibt – nur fördert es da die Reaktion in umgekehrter Richtung: Aus Ethanol wird Acetaldehyd. Und das beschert und einen mächtigen Kater (über diesen biochemischen Katzenjammer könnt ihr hier mehr lesen).

Wie wird dann Haushaltszucker vergoren?

Die Moleküle des Haushaltszuckers (Saccharose) bestehen aus je zwei verbundenen Einfachzuckern: dem Traubenzucker Glucose und dem Fruchtzucker Fructose.

Saccharose, unser Haushaltszucker dargestellt in der Haworth-Strukturformel

Ein Saccharose-Molekül

In den Hefepilz-Zellen gibt es deshalb ein Enzym, das diese Paare spalten kann, bevor die Einzelteile wie oben gezeigt “verdaut” werden.

Diese Fähigkeit – Haushaltszucker zu spalten und zu verwerten – hat der Backhefe schliesslich ihren wissenschaftlichen Namen (Saccharomyces…) eingebracht.

Wie “geht” Hefe in Milch?

Normale Vollmilch besteht zu ca. 5% aus Milchzucker (Laktose) – das sollte ja genug Futter für die Hefe sein, oder? Weil Reto laktoseintolerant ist, habe ich allerdings laktosefreie Milch für den Kuchen benutzt…und hatte schon Sorge, die Hefe würde damit nicht aufgehen. Stattdessen ging meine Hefe aber schon nach dem Mischen mit der Milch ab wie Schmitz’ Katze!

Hefe in laktosefreier Milch

Laktose ist auch ein Zweifachzucker, sie besteht aus je einem Molekül Glucose und Galactose.

Ein Laktose-Molekül: Haworth-Strukturformel

Auch Laktose ist ein Zweifach-Zucker, der vor der Verwertung gespalten werden muss

Unglücklicherweise hat die Back-Hefe aber kein Enzym, um Laktose zu spalten und so an die Glucose zu gelangen (sie ist also “laktoseintolerant”, wenngleich Hefepilze keinen Darm haben, der deswegen verstimmt sein könnte). Zum Glück für die Hefe enthält normale Vollmilch jedoch immer auch freie Glucose.

Laktosefreie Milch wird nun hergestellt, indem man das Enzym Laktase dazugibt, welches die Laktose in Glucose und Galactose spaltet (deshalb ist laktosefreie Milch ein wenig süsser als normale). So findet die Hefe in laktosefreier Milch sogar mehr zu fressen als in normaler Vollmilch und geht dementsprechend eifrig auf!

Was im Ofen mit der Hefe passiert

Und bevor euch nun bei all den lebendigen Pilzen der Appetit auf Brot und Kuchen vergeht: Wie alle Lebewesen sind Hefepilze auf gemässigte Temperaturen angewiesen. Wenn ihr euren Hefeteig also in den Ofen schiebt und erhitzt, sterben alle Pilze ab.

Das Kohlenstoffdioxid, das sie vorher im Teig freigesetzt haben, dehnt sich jedoch in der Hitze aus und lässt so Kuchen und Brot aufgehen und so wunderbar fluffig werden. Wenn indessen Stärke, Proteine, Fett und Zucker im Teig zu einem festen Molekülgerüst reagieren (zum Beispiel im Zuge der Maillard-Reaktion, zu der ihr hier lesen könnt), fällt das Ganze nach dem Abkühlen auch nicht mehr zusammen.

 

Entsorgung

Das Hefe-Wasser-Gemisch könnt ihr in den Ausguss entsorgen – oder vielleicht ein Brot damit backen? Den Luftballon könnt ihr nach Belieben weiter benutzen.

 

Ich wünsche euch viel Spass beim Ausprobieren und Beobachten! Was macht ihr sonst am liebsten mit Hefe bzw. Hefeteig?