Wie die Physik das Essen erforscht

Zuerst schauen wir uns aber Bitterschokolade an, denn bei ihr bestimmt die Physik ganz direkt den Genuss. Klassische Bitterschokolade besteht aus den drei Zutaten Kakaomasse, Zucker und etwas zusätzliche Kakaobutter und ist ein schön einfaches „Modellsystem“. Für den richtigen Schmelz sorgen Fettkristalle. Denn, so erstaunlich das klingt: Fettmoleküle können sich zu einer dreidimensionalen Ordnung sortieren. So ein Kristall ist wie ein Parkhaus für gleichartige Atome oder Moleküle. Sind sie darin ordentlich „eingeparkt“, dann spart das Platz und senkt die im Kristall gespeicherte Energie. Wärmeenergie steigert jedoch den Bewegungsdrang der Moleküle. Erhitzt man einen Kristall, dann fliegt das „molekulare Parkhaus“ bei einer bestimmten Schmelztemperatur auseinander. Genauso verflüssigen soll sich Schokolade auf der Zunge. „Sie setzt dann auch die wunderbaren Röststoffe aus dem Kakao frei“, schwärmt Vilgis.

Bitterschokolade unter die Lupe genommen

<p>Mit jedem Vergrößerungsschritt (von rechts oben nach rechts unten) wechselt die Struktur des Fetts: Vom Netzwerk aus erstarrten Fett-Tröpfchen über Fett-Teilchen aus scheibchenförmigen Kristallen bis hin zur Kristallstruktur aus einzelnen Triacylglycerol-Molekülen. Die gezeigte Kristallsorte schmilzt bei 33,8 Grad Celsius, zergeht also auf der Zunge. Rechts unten: die chemische Struktur von Triacylglycerol.</p> Bild vergrößern

Mit jedem Vergrößerungsschritt (von rechts oben nach rechts unten) wechselt die Struktur des Fetts: Vom Netzwerk aus erstarrten Fett-Tröpfchen über Fett-Teilchen aus scheibchenförmigen Kristallen bis hin zur Kristallstruktur aus einzelnen Triacylglycerol-Molekülen. Die gezeigte Kristallsorte schmilzt bei 33,8 Grad Celsius, zergeht also auf der Zunge. Rechts unten: die chemische Struktur von Triacylglycerol.

 

Schokolade zum Schmelzen

Für das gewünschte Schmelzverhalten müssen die Schokoladehersteller ganz bestimmte Fettkristalle wachsen lassen. Deren Schmelztemperatur hängt direkt von den Eigenschaften der Moleküle ab. In natürlichen Fetten und Ölen sind das vor allem Moleküle, die Triacylglycerole genannt werden. In den Triacylglycerolen hängen drei Fettsäuren wie Beinchen an einem zentralen Glycerin. Dabei gibt es verschiedene Triacylglycerol-Sorten mit unterschiedlich langen Fettsäure-Beinchen.

Ketten aus Kohlenstoffatomen bilden das „Rückgrat“ dieser Fettsäuren. Da ein Kohlenstoffatom vier äußere Elektronen hat, sozusagen vier Hände, kann es maximal vier Nachbaratome festhalten. In gesättigten Fettsäuren geht jedes Kohlenstoffatom zu seinem benachbarten Kohlenstoffatom nur eine einfache Bindung ein, an den beiden noch freien Bindungen hängen dann meist je zwei Wasserstoffatome. Hat sich in die Kohlenstoffkette eine chemische Doppelbindung eingeschlichen, bei der sich zwei Kohlenstoffatome an beiden Händen fassen, dann sprechen Chemiker von einer ungesättigten Fettsäure und je nach Anzahl der Doppelbindungen von einer einfach, zweifach und so weiter ungesättigten Fettsäure.

Die Eigenschaften der Fettsäuren bestimmen die Schmelztemperatur der Fettkristalle: Je schwerer die Fettsäuren sind, desto höher ist die Schmelztemperatur des Fettkristalls. Je ungesättigter die Fettsäuren sind, desto mehr wiederum wird die Schmelztemperatur gesenkt. „Denn jede Doppelbindung macht einen Knick ins Fettsäuremolekül“, erklärt Vilgis. „Geknickte Fettsäuren können sich aber nicht mehr so schön zu einem stabilen Kristall sortieren. Deshalb genügen relativ niedrige Temperaturen, um Kristalle aus ungesättigten Fettsäuren zu schmelzen. Olivenöl und andere Speiseöle sind daher bei Zimmertemperatur flüssig.“

Gute Schokolade braucht dagegen eine Sorte Fettkristalle, die bei knapp über 30 Grad Celsius auf der Zunge schmilzt. Kakaomasse ist aber eine komplexe Mischung aus Triacylglycerolen mit verschiedenen Fettsäuren. Diese würden gerne sechs verschiedene Kristalltypen mit unterschiedlicher Schmelztemperatur ausbilden. Deshalb lässt man die geschmolzene Schokomasse ganz langsam auf 28 bis 31 Grad Celsius abkühlen. Das erzwingt vor allem das Wachsen des gewünschten Kristalltyps. Dieser erzwungene Zustand ist allerdings nicht dauerhaft stabil. Altert Schokolade, dann baut sie sich in verschiedenartige Fettkristalle um und bildet an der Oberfläche weißen „Fettreif“. Das ist vor allem ein unerwünschter Kristalltyp mit zu hoher Schmelztemperatur.

Um ihrer feinen Schokolade den richtigen Schmelz zu geben, mischen Chocolatiers oft Kakaobutter aus verschiedenen Gegenden. Für den Kakao gilt wie für jede andere Pflanze: Je weiter nördlich sie wächst, desto ungesättigter sind ihre Fettsäuren. Ursache ist wieder die Temperatur, denn das Fett darf im kälteren Klima nicht auskristallisieren und die Zellen zerstören. Je heißer aber das Klima wird, desto schneller reagieren ungesättigte Fettsäuren mit Sauerstoff: Sie oxidieren, das Fett wird ranzig. Deshalb enthält Kakao vom Äquator mehr gesättigte Fettsäuren – wie Kokosfett. Diese Kakaobutter schmilzt bei etwas höheren Temperaturen.

Besonders viel Fett speichern die Samen von Hülsenfrüchten, Nüssen, Sojabohnen und andere Ölfrüchten. Sie benötigen diesen Energievorrat zum Keimen. „So eine Nuss oder Sojabohne muss aber in der Natur viel aushalten können“, sagt Vilgis. Einmal vom Strauch gefallen, muss sie Hitze, Kälte, Trockenheit überstehen, ohne dass ihr Fettvorrat ranzig wird. Manche Samen bleiben sogar über Jahrhunderte hinweg keimfähig. Das geht nur, wenn ihr Fettspeicher extrem stabil verpackt ist. Dafür sorgen raffiniert aufgebaute Ölkörperchen.

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