Wie die Physik das Essen erforscht

Moleküle auf der Zunge

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Essengehen mit Thomas Vilgis ist ein besonderes Erlebnis. Schnell ist man bei der Frage, wie Mundgefühl, Geschmack und Aromen entstehen. Was passiert beim Kauen? Wie brechen dabei Strukturen aus großen Molekülen auf und setzen Aromen frei? Bei dem Mainzer Physikprofessor und Max-Planck-Forscher lernt man: Die Eigenschaften von Nahrung sind ganz direkt mit der Nanowelt der Moleküle verknüpft. Dabei spielt verblüffend viel Physik mit. Allerdings sind Käse, Nudeln, Schokolade, Gemüse oder Fleisch ziemlich komplexe Materialien. Bei ihrer Erforschung kann die Physik jedoch eine Stärke ausspielen: das geschickte Vereinfachen. Damit kann sie komplexe Nahrungsmittel in verständliche Grundelemente zerlegen.

Moleküle bestimmen den Unterschied zwischen einem zartem und einem zähen Filet, den Schmelz von Schokolade und viele andere physikalische Eigenschaften von Nahrungsmitteln. Darum geht es in Thomas Vilgis‘ Forschungsgebiet „Food Physics“, also der Physik des Essens. Sein Team forscht am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Kocht es auch im Labor?

Diese Frage bringt Birgitta Zielbauer zum Lachen. „Leider nicht“, antwortet sie: „Wir gehen wie alle in der Mensa essen.“ Die promovierte Physikerin ist Laborleiterin im Team und Expertin für das Enträtseln molekularer Vorgänge. Dazu setzen Zielbauer und ihre Teamkollegen verschiedenste Labormethoden ein. Mikroskopische Techniken zählen zum Beispiel dazu, die mit Röntgenstrahlen, Elektronen und Neutronen selbst einzelne Moleküle sichtbar machen können. „Fast alle dieser Methoden haben wir im Haus“, schwärmt die Experimentalphysikerin. Allerdings bedarf es einer guten Theorie, um die Resultate der Experimente richtig zu interpretieren.

Schauen wir uns einige Grundbestandteile von Essen an: Unser Körper benötigt zum Beispiel Proteine für das Muskelwachstum, sie liefern zudem Energie. Hinzu kommen reine Energiespeicher-Moleküle, wie die Kohlenhydrate Zucker und Stärke, die Pflanzen durch Photosynthese herstellen. Am meisten verwertbare Energie speichern die Fette. Je nach Zusammensetzung kann ein Gramm Fett einen „Brennwert“ von bis zu 40 Kilojoule erreichen1. Der Brennwert beschreibt die Energie, die der Stoffwechsel unseres Körpers aus einem Stoff gewinnen kann. Kohlenhydrate und Proteine kommen pro Gramm auf ungefähr 17 Kilojoule, Alkohol (Ethanol) sogar auf fast 30 Kilojoule.

Weitgehend unverdauliche Ballaststoffe haben nur einen geringen Anteil verwertbarer Energie. Sie geben uns aber im Wortsinne zu beißen. Dazu zählt Cellulose, deren reißfeste Fasern den Pflanzenzellen Halt geben. Eine vergleichbare Funktion in tierischem Gewebe hat Collagen. Es bildet ein sehr stabiles Netzwerk. Solche Riesenmoleküle machen manche rohe Nahrung zäh, schwer kau- und verdaubar. Die geniale Lösung hierfür ist das Garen. Höhere Temperaturen können die zähen Molekülnetzwerke zerlegen, weich und damit besser verdaulich machen. Mit der Entdeckung des Feuers konnten unsere Vorfahren so neue Nahrungsquellen erschließen. Was Garen genau bewirkt, haben die Mainzer an Schweinefilets als Beispiel untersucht.

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