Eine Schutzatmosphäre oder Schutzgasatmosphäre wird bei der Lagerung und Verpackung von Nahrungsmitteln eingesetzt, um deren Alterung zu verlangsamen und damit die Haltbarkeit zu verlängern. Die Schutzatmosphäre besteht aus verschiedenen Schutzgasen, die in der Luft enthalten sind. Sie hat aber eine von der Luft abweichende Mischung, d. h. relative Zusammensetzung. Schutzgase sind somit natürlich vorkommende Bestandteile der Luft, deren Mengenanteile in der Schutzatmosphäre in Abhängigkeit vom Einsatzgebiet angepasst werden müssen. Gemäß Zusatzstoff-Zulassungsverordnung ist es nicht notwendig, die Art der Schutzgase in der Schutzatmosphäre zu spezifizieren. Allerdings muss der Hinweis „unter Schutzatmosphäre verpackt“ angegeben werden.
Einsatzgebiete Schutzatmosphäre wird in der Landwirtschaft unter der Bezeichnung Controlled Atmosphere (CA) zur Lagerung eingesetzt. Bei deutlich reduziertem Sauerstoffanteil, niedrigen Temperaturen, erhöhter Luftfeuchtigkeit und Anreicherung mit Kohlenstoffdioxid wird der natürliche Reifeprozess von Obst, Gemüse und Blumen verlangsamt und damit die Haltbarkeit verlängert. Das Verfahren wird außerdem bei langen Schiffstransporten eingesetzt (zum Beispiel Bananentransport). Controlled Atmosphere heißt, dass die Lagerbedingungen ständig kontrolliert und nachgeregelt werden.
Im Bereich Modified Atmosphere Packaging (MAP) wird die Schutzatmosphäre als Packgas zusammen mit dem Produkt in die meist gasdichte Verpackung gegeben. Durch die Verpackung in einer geeigneten Schutzatmosphäre ist es möglich, die Haltbarkeit bei hoher Qualität – in Abhängigkeit vom Produkt – um Tage oder Wochen zu verlängern. Dieses vereinfacht die Vertriebslogistik und Lagerhaltung, da Waren seltener und über größere Distanzen geliefert werden müssen. Gleichzeitig gibt es weniger Verderb und Retouren, wenn Hygienebedingungen und die Kühlkette immer kontrolliert und eingehalten werden. Im Gegensatz zu vielen anderen Konservierungsarten (Konservendose, Einfrieren, Erhitzen (z. B. Pasteurisieren), Pökeln, Bestrahlung, Trocknen, Einlegen, Gärung und Hinzufügen von Konservierungsmitteln) bleibt das Produkt selbst unverändert, ohne die Qualität oder den Geschmack zu beeinträchtigen. Durch die Verpackung unter Schutzatmosphäre ist es z. B. überhaupt erst möglich, geschälte oder küchenfertig zubereitete Gemüse und Salate oder industriell hergestelltes Frischfleisch zum Verkauf in Supermärkten anzubieten.
Geschichte Erste wissenschaftliche Untersuchungen mit Schutzatmosphären führte der französische Naturforscher und Chemiker Jacques Étienne Bérard 1821 durch. Er beschäftigte sich mit der Wirkung von verschiedenen Gasen auf die Reifung von Früchten. Bérard erkannte, dass geerntete Früchte Sauerstoff (O2) verbrauchen und Kohlenstoffdioxid (CO2) abgeben und dass die Reifung durch Reduzierung von Sauerstoff verlangsamt wird. Diese Erkenntnisse wurden aber nicht kommerziell genutzt.
Der französische Chemiker und Mikrobiologe Louis Pasteur und sein Assistent Joubert fanden 1877 am Beispiel von Bacillus anthracis heraus, dass Kohlenstoffdioxid das Wachstum von Bakterien hemmt bzw. diese abtötet. Fünf Jahre später publizierte der Deutsche Hermann Kolbe, dass Kohlenstoffdioxid (CO2), das Anhydrid der Kohlensäure, die Haltbarkeit von Ochsenfleisch erheblich verlängert. Nach 14 Tagen sei das Fleisch zwar äußerlich grau gefärbt, aber durchaus „wohlschmeckend und von frischem Fleisch nicht zu unterscheiden“. Nach einer Lagerung von drei Wochen war das Fleisch geschmacklich noch von gleicher Güte, allerdings war das Fleisch „weicher geworden und erforderte eine kürzere Zeit beim Kochen“.
Im Folgenden entstanden zahlreiche Veröffentlichungen über die hemmende Wirkung von CO2 auf Mikroorganismen. Haines fand zum Beispiel 1933 heraus, dass bei niedrigen Temperaturen um Null °C bereits Konzentrationen von 10–20 % Kohlenstoffdioxid ausreichen, um das Bakterienwachstum auf Fleisch deutlich zu reduzieren. Unter diesen Bedingungen verringerte sich im Vergleich mit einer Lagerung in Luft bei gleicher Temperatur die Geschwindigkeit des Bakterienwachstums auf die Hälfte.
Die erste bedeutende Anwendung bekam die Schutzatmosphäre Anfang der 1930er Jahre bei der Lagerung von Äpfeln in einer Atmosphäre mit reduziertem Sauerstoffgehalt und erhöhtem Kohlenstoffdioxidgehalt sowie beim Transport von Früchten in den Lagerräumen von Schiffen. Dabei wurde festgestellt, dass auch Rinderschlachtkörper in modifizierter Atmosphäre beim Transport über lange Distanzen eine um 100 % gesteigerte Haltbarkeitsdauer erlangten.
Die Verpackung von Frischfleisch in kontrollierter Atmosphäre (MAP) wurde in den USA bereits Mitte der 1970er Jahre durchgeführt. Dadurch verlängerte sich die Haltbarkeit, wodurch sich in der Folge neue Vertriebswege ausbildeten. Insbesondere Supermärkte boten immer mehr unter Schutzgas verpackte Ware an. In Deutschland begannen die Discounter Penny und Plus Anfang der 2000 Jahre mit dem Vertrieb von abgepacktem Frischfleisch. Der Durchbruch erfolgte aber erst 2003/2004, als Aldi und Lidl ihr Angebot entsprechend erweiterten.
Arten von Schutzgasen, Wirkungsweise und Kennzeichnung Die wichtigsten Schutzgase sind Kohlendioxid, Stickstoff und Sauerstoff. Daneben kommen aber weitere Gase zur Anwendung, deren Eigenschaften nachfolgend beschrieben werden.
Stickstoff mini|Schutzatmosphäre ohne Sauerstoff Stickstoff (N2) ist zu etwa 78 % in Luft enthalten. Es ist ein inertes Gas und geht somit keine direkte Reaktion mit dem Lebensmittel ein. Es wird als Packgas insbesondere zur Verdrängung von Sauerstoff aus der Luft eingesetzt. Dieses verhindert damit indirekt die Oxidation von Lebensmitteln und hemmt das Wachstum von sauerstoffabhängigen (aeroben) Mikroorganismen. Es wird häufig auch als Füllgas verwendet, da es nur sehr langsam durch Verpackungsfolien diffundiert und damit lange in der Packung verbleibt. Es ist als Lebensmittelzusatzstoff unter der E-Nummer E 941 als Packgas für alle Lebensmittel zugelassen und darf auch zur Verpackung von Bioprodukten verwendet werden. Eine Beschränkung der Höchstmenge gibt es nicht. Stickstoff besitzt keine schädlichen Auswirkungen auf die Gesundheit und ist zudem geruchs- sowie geschmacksneutral.
Kohlenstoffdioxid Kohlenstoffdioxid oder kurz Kohlendioxid ist eine chemische Verbindung aus Kohlenstoff und Sauerstoff mit der chemischen Summenformel CO2. Das farblose Gas löst sich gut in Wasser und hat leicht saure Eigenschaften. In der normalen Luft ist es mit etwa 0,04 % enthalten.
Als Packgas wird es neben Stickstoff zur Verdrängung von Sauerstoff eingesetzt und hemmt so unerwünschte Oxidationsprozesse, die oft mit dem Verlust von Struktur, Farbe und Aroma einhergehen. Bei Konzentrationen größer 20 % hemmt es außerdem wirksam das Wachstum von sauerstoffabhängigen (aeroben) Bakterien und von Schimmelpilzen. Es löst sich in Flüssig- und Fettphasen und bildet so auf der Oberfläche des Produkts ein saures Milieu, was die Ansiedlung von Bakterien erschwert. Kohlenstoffdioxid wird häufig zur Erhöhung der Haltbarkeit eingesetzt, wobei die Haltbarkeit gewöhnlich mit dessen Konzentration steigt. Bei zu hoher Dosierung können allerdings manche Nahrungsmittel schneller sauer werden. Außerdem verändert es beim Durchdringen biologischer Membranen deren Durchlässigkeit und Funktion. Allerdings kann das Gas leichter durch die Verpackung diffundieren. Dieses, sowie die Reaktion mit dem Produkt, kann dazu führen, dass die Verpackungen mit der Zeit einfallen. Kohlendioxid ist als Packgas unter der E-Nummer E 290 deklariert.
Sauerstoff mini|Lebensmittelverpackung mit intakter Verpackung (oben) und Produkteinlagerung mit fehlerhafter Siegelnaht (unten). Durch die undichte Siegelnaht ist Luft in die Verpackung geströmt, so dass der Frühstücksspeck nicht mehr so rot aussieht. Sauerstoff (O2) kommt in der normalen Luft mit einer Konzentration von etwa 21 % vor und bildet die Voraussetzung für das Wachstum aerober Mikroorganismen. Das Gas fördert damit eher den oxidationsbedingten Verderb des Lebensmittels. Daher wird der Sauerstoff innerhalb der Schutzatmosphäre normalerweise erheblich reduziert oder gar ausgeschlossen. Bei der Verpackung von rotem Frischfleisch wird der Sauerstoffanteil signifikant erhöht, um die rote Farbe des Fleisches zu erhalten oder sogar zu intensivieren. Zusätzlich hemmen hohe Sauerstoffkonzentrationen das Wachstum anaerober Mikroorganismen. Auch Obst und Gemüse brauchen nach der Ernte gewisse Mengen Sauerstoff (3 bis 10 %) zur Zellatmung, was auch bei der Lagerung und Verpackung berücksichtigt werden muss. Sauerstoff ist ein Zusatzstoff mit der europäischen Zulassungsnummer E 948.
Argon Argon (Ar) ist ein Edelgas, das mit einem Anteil von 0,9 % in der Luft vorkommt. Es hat wie Stickstoff inerte Eigenschaften, so dass es zu keiner Reaktion mit dem Lebensmittel kommt. Es ist schwerer als Luft, so dass es beim Einleiten in ein Gefäß den Restsauerstoff im Vergleich zum Spülen mit Stickstoff effizienter verdrängt. Allerdings ist Argon im Vergleich zu Stickstoff deutlich teurer. Argon ist Teil neuerer Studien. Geschmackstests mit Kartoffelchips ergaben eine um 25 % verlängerte Haltbarkeit. Argon wird manchmal bei der Verpackung von Wein eingesetzt. Man geht davon aus, dass gewisse Enzymaktivitäten gehemmt werden und Argon bei einigen Gemüsearten metabolische Reaktionen verlangsamt. Argon ist als Zusatzstoff für Lebensmittel unter der E-Nummer E 938 mit der Funktion als Packgas gelistet. Argon darf auch für die Verpackung von Bio-Lebensmitteln verwendet werden.
Helium Helium (He) verhält sich als Edelgas ebenfalls inert. Es ist zwar als Packgas für Lebensmittel unter der E-Nummer E 939 zugelassen, wird aber nur in geringem Umfang eingesetzt, da es durch die kleine Molekülgröße sehr leicht durch Verpackungen diffundiert und außerdem sehr teuer ist. Es wird zum Teil als Hilfsgas eingesetzt, um Undichtigkeiten zu lokalisieren.
Wasserstoff Wasserstoff (H2) ist als Zusatzstoff für Lebensmittel unter der E-Nummer E 949 als Packgas zugelassen. Er darf aber nicht zur Verpackung von Bioprodukten verwendet werden. Aufgrund seiner kleinen Molekülgröße entweicht er sehr schnell aus der Verpackung. Er wird zum Teil als Prüfgas eingesetzt, um die Dichtigkeit zu überprüfen.
Kohlenstoffmonoxid Kohlenstoffmonoxid (CO) oder kurz Kohlenmonoxid ist ein giftiges Gas, das nur in Spuren in der Luft vorkommt. Trotzdem kann es in Konzentrationen bis 0,4 % zur Verpackung von rotem Fleisch oder rotem Fisch Anwendung finden. Derartiges wurde seit 1970 in Norwegen durchgeführt, seit 2004 wird dieses Verfahren auch in den USA eingesetzt. In der Europäischen Union ist Kohlenmonoxid als Lebensmittelzusatz verboten und besitzt daher auch keine E-Nummer.
Kohlenmonoxid bewirkt bei rotem Fleisch eine kirschrote Farbe, ohne dass hohe Mengen Sauerstoff in der Verpackung eingesetzt werden. Mit Sauerstoff behandeltes Fleisch zeigt durch die Bildung von Oxymyoglobin eine hellrote Farbe, während bei Zugabe von Kohlenmonoxid das etwas dunklere Carboxymyoglobin entsteht.
Anwendungsbeispiele und typische Gaszusammensetzungen In den meisten Anwendungen wird der Sauerstoff zur Verlängerung der Haltbarkeit durch andere Gase so weit wie möglich aus der Verpackung verdrängt. Gleichzeitig wird Kohlendioxid mit einem Anteil größer 20 % eingesetzt, um das Bakterienwachstum zusätzlich zu hemmen, wobei meist versucht wird, möglichst hohe Anteile davon zu verwenden. Als Stützgas wird meist Stickstoff verwendet. mini|Käse mit entsprechender Verpackung