Dem Knuspereis die kalte Schulter zeigen – mit einem Schuss Zellulose

Speiseeis kann ein Gaumenschmaus sein, außer wenn es unangenehm knusprig wird, weil Eiskristalle darin eingewachsen sind. Heute berichten Wissenschaftler, dass dem Leckerbissen eine aus Pflanzen gewonnene Form von Zellulose zugesetzt werden kann, um das Auskühlen von Kristallen zu stoppen – und der Zusatz wirkt besser als derzeit verwendete Eiswachstumshemmer angesichts von Temperaturschwankungen. Die Erkenntnisse könnten auf die Konservierung anderer Tiefkühlkost und vielleicht gespendeter Organe und Gewebe ausgeweitet werden.

Die Forscher stellen ihre Ergebnisse heute auf der Frühjahrstagung der American Chemical Society (ACS) vor.

Frisch zubereitetes Eis enthält winzige Eiskristalle. Aber während der Lagerung und des Transports schmilzt das Eis und wächst wieder nach. Während dieses Umkristallisationsprozesses schmelzen kleinere Kristalle und das Wasser diffundiert zu größeren, wodurch sie wachsen, sagt Tao Wu, Ph.D., der Hauptforscher des Projekts. Wenn die Eiskristalle größer als 50 Mikrometer werden – oder ungefähr der Durchmesser eines Haares – nimmt das Dessert eine körnige, eisige Textur an, die die Attraktivität für den Verbraucher verringert, sagt Wu. „Die Kontrolle der Bildung und des Wachstums von Eiskristallen ist daher der Schlüssel zum Erhalt hochwertiger Tiefkühlkost.“

Eine Lösung wäre, die Lösung der Natur zu kopieren: „Einige Fische, Insekten und Pflanzen können bei Minusgraden überleben, weil sie Frostschutzproteine ​​produzieren, die das Wachstum von Eiskristallen bekämpfen“, sagt Wu. Aber Frostschutzproteine ​​sind teurer als Gold und nur begrenzt verfügbar, daher sind sie nicht praktisch, um sie zu Eiscreme hinzuzufügen. Stattdessen werden Polysaccharide wie Guarkernmehl oder Johannisbrotkernmehl verwendet. „Aber diese Stabilisatoren sind nicht sehr effektiv“, bemerkt Wu. „Ihre Leistung wird von vielen Faktoren beeinflusst, einschließlich Lagertemperatur und -zeit sowie der Zusammensetzung und Konzentration anderer Inhaltsstoffe. Das bedeutet, dass sie manchmal in einem Produkt funktionieren, aber nicht in einem anderen.“ Außerdem ist ihr Wirkungsmechanismus ungewiss. Wu wollte ihre Funktionsweise klären und bessere Alternativen entwickeln.

Obwohl Wu in der Studie keine Frostschutzproteine ​​verwendete, ließ er sich von ihnen inspirieren. Diese Proteine ​​sind amphiphil, was bedeutet, dass sie eine hydrophile Oberfläche mit einer Affinität zu Wasser sowie eine hydrophobe Oberfläche haben, die Wasser abweist. Wu wusste, dass Zellulosekristalle in Nanogröße auch amphiphil sind, also hielt er es für sinnvoll zu prüfen, ob sie das Wachstum von Eiskristallen in Eiscreme stoppen könnten. Diese Zellulose-Nanokristalle (CNCs) werden aus den Pflanzenzellwänden von land- und forstwirtschaftlichen Nebenprodukten extrahiert, sodass sie kostengünstig, reichlich vorhanden und erneuerbar sind.

In einem Modelleis – einer 25-prozentigen Saccharoselösung – hatten die CNCs zunächst keine Wirkung, sagt Min Li, eine Doktorandin in Wus Labor an der University of Tennessee. Obwohl immer noch klein, hatten Eiskristalle dieselbe Größe, unabhängig davon, ob CNCs vorhanden waren oder nicht. Aber nachdem das Modell-Eis einige Stunden gelagert wurde, stellten die Forscher fest, dass die CNCs das Wachstum von Eiskristallen vollständig unterbrachen, während sich die Kristalle im unbehandelten Modell-Eis weiter vergrößerten.

Die Tests des Teams zeigten auch, dass die Zellulose die Eisrekristallisation durch Oberflächenadsorption hemmt. CNCs scheinen wie Frostschutzproteine ​​an den Oberflächen von Eiskristallen zu haften und verhindern, dass sie sich zusammenziehen und verschmelzen. „Dies widersprach völlig der bestehenden Annahme, dass Stabilisatoren die Eisrekristallisation durch Erhöhung der Viskosität hemmen, von der angenommen wurde, dass sie die Diffusion von Wassermolekülen verlangsamt“, fügt Li hinzu, der die Arbeit auf dem Treffen vorstellen wird.

In ihrer neuesten Studie fanden die Wissenschaftler heraus, dass CNCs schützender sind als herkömmliche Stabilisatoren, wenn Eiscreme schwankenden Temperaturen ausgesetzt ist, etwa wenn die Leckerei im Supermarkt gelagert und dann mit nach Hause genommen wird. Das Team entdeckte auch, dass der Zusatzstoff das Schmelzen von Eiskristallen verlangsamen kann, sodass er zur Herstellung von langsam schmelzender Eiscreme verwendet werden könnte. Andere Labore haben gezeigt, dass der Stabilisator in den für Lebensmittel erforderlichen Konzentrationen ungiftig ist, bemerkt Wu, aber der Zusatzstoff müsste von der US-amerikanischen Food and Drug Administration überprüft werden.

Mit weiterer Forschung könnten CNCs zum Schutz der Qualität anderer Lebensmittel – wie gefrorener Teig und Fisch – oder vielleicht zur Konservierung von Zellen, Geweben und Organen in der Biomedizin verwendet werden, sagt Wu. „Derzeit muss ein Herz innerhalb weniger Stunden transplantiert werden, nachdem es einem Spender entnommen wurde“, erklärt er. „Aber diese Zeitbegrenzung könnte eliminiert werden, wenn wir das Wachstum von Eiskristallen hemmen könnten, wenn das Herz auf niedrigen Temperaturen gehalten wird.“