Die Chemie des Kochens

An einem kalten Morgen im Januar 1912 saß in einem Labor am Collège de France in Paris ein Mediziner und Chemiker namens Louis-Camille Maillard an seinem Arbeitstisch und beobachtete, wie sich versiegelte Glasröhrchen auf einem Sandbad erwärmten. In jedem Röhrchen befand sich eine klare Lösung aus Glukose und einer Aminosäure namens Glycin. Als die Hitze zunahm, begannen die Lösungen ihre Farbe zu verändern, sie vertieften sich von wasserklar über blasses Honiggelb zu Bernstein und schließlich zu etwas, das der Farbe von starkem Kaffee nahekam. Maillard kochte nichts im gewöhnlichen Sinne, und doch hatte er soeben im Kleinen den einzelnen wichtigsten geschmacksbildenden Vorgang in der menschlichen Ernährung nachgestellt.

Wenige Wochen später trug er seine Ergebnisse zur Académie des Sciences und legte eine Abhandlung mit dem dichten Titel Action des acides aminés sur les sucres: formation des mélanoïdines par voie méthodique vor. Die von ihm beschriebene Reaktion, eine bescheidene Verbindung von Zucker und Protein unter Hitze, erwies sich als die vorherrschende Chemie jeder gerösteten, gebackenen, frittierten und scharf angebratenen Mahlzeit auf der Erde. Dieser Artikel stellt eine einfache Frage mit einer überraschend tiefgründigen Antwort: Was geschieht chemisch eigentlich, wenn wir unsere Lebensmittel kochen, fermentieren und konservieren?

Wie Zucker und Protein sich zusammentun, um Geschmack zu erzeugen

Die Reaktion, die Maillard entdeckte, trägt nun seinen Namen, und es lohnt sich, genau zu sein, worum es sich handelt. Die Maillard-Reaktion beginnt, wenn eine freie Aminogruppe, das stickstofftragende Ende einer Aminosäure, das Carbonyl-Kohlenstoffatom eines reduzierenden Zuckers wie Glukose oder Fruktose angreift. Diese erste Begegnung erzeugt eine instabile Verbindung namens Glykosylamin, die sich umgehend in ein stabileres Zwischenprodukt umlagert, das als Amadori-Verbindung bekannt ist. Von da an wird die Chemie unübersichtlich. Das Amadori-Zwischenprodukt zerfällt und dehydriert auf vielen konkurrierenden Wegen zugleich, wirft einen Schwarm kleiner flüchtiger Moleküle ab und baut große braune stickstoffhaltige Polymere auf, die Maillard Melanoidine nannte.

Das ist der entscheidende Punkt, der die Maillard-Bräunung von einer einfachen chemischen Gleichung unterscheidet: Sie ist kein einzelner Schritt, sondern eine Kaskade. Es gibt nicht das eine Maillard-Produkt. Je nachdem, welcher Zucker, welche Aminosäure, wie viel Wasser vorhanden ist und wie heiß die Oberfläche wird, erzeugt die Reaktion mehrere hundert verschiedene flüchtige Aromastoffe. Diese flüchtigen Stoffe sind der Grund, warum die Kruste eines scharf angebratenen Stücks Fleisch, eine getoastete Scheibe Brot, gerösteter Kaffee und gebräunte Zwiebeln alle unterschiedlich riechen und dennoch eine gemeinsame herzhafte Tiefe teilen. Die Melanoidine wiederum sind die braune Farbe selbst, und sie bauen sich weiter auf, solange die Reaktion läuft.

Die Maillard-Reaktion läuft effizient oberhalb von etwa 140 Grad Celsius ab, weshalb sie nur an der trockenen, heißen Oberfläche von Lebensmitteln stattfindet und niemals im wässrigen Inneren, wo die Temperatur nicht über den Siedepunkt von Wasser steigen kann. Das ist auch der Grund, warum Dämpfen und Kochen blasse Speisen hervorbringen, während Rösten und Frittieren eine braune Kruste erzeugen. Die Reaktion braucht Hitze, einen reduzierenden Zucker und eine freie Aminogruppe alle am selben Ort, und nur eine trockene Oberfläche liefert alle drei.

Warum das Karamellisieren einer Zwiebel nicht dasselbe ist wie das Bräunen eines Steaks

Es ist verlockend, alle Bräunungsvorgänge in der Küche in einen Topf zu werfen, doch meist laufen zwei wirklich unterschiedliche Chemien nebeneinander ab, und es lohnt sich, sie zu trennen. Die Maillard-Reaktion erfordert, wie oben beschrieben, sowohl einen reduzierenden Zucker als auch eine freie Aminogruppe, und sie erzeugt stickstoffhaltige Melanoidine sowie jene umfangreiche Bibliothek an Aromastoffen. Die Karamellisierung ist etwas völlig anderes. Sie ist die Pyrolyse und Dehydratisierung von Zuckern allein, ganz ohne Beteiligung von Aminosäuren.

Die beiden Vorgänge unterscheiden sich sogar in ihren Temperaturen. Die Karamellisierung setzt um die 160 Grad Celsius ein, etwas höher als die Maillard-Schwelle, und ihre Produkte sind Karamelle und eine Klasse von Verbindungen namens Furane statt Melanoidine. Wenn Sie Zwiebeln langsam garen, bis sie tief braun und süß werden, sehen Sie beide Reaktionen zugleich: die Zucker in der Zwiebel karamellisieren, und die Aminosäuren der Zwiebel reagieren mit denselben Zuckern über den Maillard-Weg. Wenn Sie hingegen aus reinem Haushaltszucker eine harte Bonbonmasse kochen, erhalten Sie Karamellisierung mit im Wesentlichen keiner Maillard-Chemie, weil kein Protein im Topf ist, das die Aminogruppen liefern könnte. Den Unterschied zu erkennen erklärt, warum ein Karamell süß und eindimensional schmeckt, während eine Maillard-Kruste herzhaft und komplex schmeckt.

Die Mikroben, die Geschmack aufbauen, bevor irgendeine Hitze angewandt wird

Nicht die gesamte Lebensmittelchemie findet bei hoher Temperatur statt. Ein großer Teil davon geschieht bei Körpertemperatur oder darunter, angetrieben von lebenden Mikroben, und derjenige, der dies zuerst richtig verstand, war Louis Pasteur. In einem Paar grundlegender Abhandlungen, einer über die Milchsäuregärung im Jahr 1857 und einer über die alkoholische Gärung im Jahr 1860, stellte Pasteur fest, dass Fermentation keine spontane Zersetzung ist, sondern die anaerobe Enzymologie lebender Mikroorganismen. Hefen und Bakterien wandeln, indem sie ohne Sauerstoff arbeiten, Zucker in Säuren, Alkohol und Kohlendioxid um, und dabei verwandeln sie Milch in Joghurt und Käse, Kohl in Sauerkraut, Traubensaft in Wein und Teig in Brot.

Pasteur blieb nicht bei der Erklärung der Fermentation stehen. 1864 patentierte er die Pasteurisierung, ein kurzes, mäßiges Erhitzen, das verderbniserregende Mikroben abtötet, ohne das Lebensmittel zu garen. Der Unterschied ist von Bedeutung: Die Pasteurisierung ist bewusst sanft, heiß genug, um die Mikroben zu zerstören, die Wein sauer werden lassen oder Milch verderben, aber nicht so heiß, dass sie den Charakter des Lebensmittels verändert. Fermentation und Pasteurisierung sind zwei Seiten derselben Erkenntnis, dass das Schicksal von Lebensmitteln von Populationen von Mikroben bestimmt wird, deren Aktivität entweder nutzbar gemacht oder gestoppt werden kann. Diese Erkenntnis wurde zur Gründungschemie der industriellen Mikrobiologie, und dieselbe Enzymologie, die Pasteur in einem Weinfass untersuchte, treibt heute die moderne Biotechnologie an, von der mikrobiellen Herstellung von Insulin bis zur Entwicklung von pflanzlichem Fleisch.

Das Proteingerüst, das Brot aufgehen lässt

Brot verdient einen genaueren Blick, denn es beruht auf einem Stück Proteinchemie, das so elegant ist wie alles in der Küche. Weizenmehl besteht etwa zur Hälfte aus Gliadin und zur Hälfte aus Glutenin, zwei Familien von Speicherproteinen mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften. Gliadin ist ein kleines, annähernd kugelförmiges Monomer, und es trägt zur Dehnbarkeit bei, der Bereitschaft des Teigs, sich zu strecken. Glutenin ist ein großes Polymer, über Disulfidbrücken zu ausgedehnten Aggregaten vernetzt, und es trägt zur Elastizität bei, der Neigung des Teigs, zurückzuspringen.

Für sich allein, im trockenen Mehl, leisten diese Proteine nichts Bemerkenswertes. Doch wenn Mehl mit Wasser versetzt und geknetet wird, verbinden sich Gliadin und Glutenin zu einem durchgehenden viskoelastischen Geflecht, das als Glutennetzwerk bekannt ist. Dieses Netzwerk ist das Gerüst des Brotes. Während die Hefe die Zucker im Teig vergärt, setzt sie Kohlendioxid frei, und das Glutennetzwerk fängt dieses Gas in unzähligen winzigen Taschen ein, indem es sich ohne zu reißen um jede Blase spannt. Das ist es, was den Teig aufgehen lässt und was einem fertigen Laib seine offene, federnde Krume verleiht. Knete zu wenig, und das Netzwerk ist zu schwach, um das Gas zu halten; der Laib bleibt dicht. Die gesamte luftige Struktur des Brotes ist im Grunde ein Gleichgewicht zwischen der Dehnung des Gliadins und der Spannkraft des Glutenins, von innen aufgebläht durch Pasteurs gärende Mikroben.

Vier uralte Wege, Lebensmittel vor dem Verderben zu bewahren

Lange vor den Kühlschränken hielten die Menschen Lebensmittel durch Chemie genießbar, und die klassischen Methoden ordnen sich sauber in vier Wege, von denen jeder über einen eigenen Mechanismus wirkt. Der erste ist das Pökeln, bei dem Salz und Nitrit die Wasseraktivität des Lebensmittels senken und den Mikroben das freie Wasser entziehen, das sie benötigen, während das Nitrit gezielt Clostridium botulinum hemmt, das für Botulismus verantwortliche Bakterium. Der zweite ist das Räuchern, das Lebensmittel mit phenolischen Verbindungen und Aldehyden überzieht, die im Holzrauch mitgeführt werden; diese Moleküle sind echte antimikrobielle Stoffe, und sie steuern zudem den charakteristischen rauchigen Geschmack bei. Der dritte ist die Kühlung, heute die geläufigste, die nach der Arrhenius-Regel funktioniert: Chemische und enzymatische Reaktionen verlangsamen sich mit sinkender Temperatur, sodass das Kühlen von Lebensmitteln schlicht den Stoffwechsel der Mikroben verlangsamt, die sie andernfalls verderben würden.

Der vierte Weg ist die Konservendose, und sie hat einen genauen Ursprung. 1809 fand ein französischer Konditor namens Nicolas Appert heraus, dass Lebensmittel, die in luftdichten Behältern eingeschlossen und dann erhitzt werden, lange Zeit haltbar bleiben, eine Technik, die einer thermischen Sterilisation in einem geschlossenen Gefäß gleichkommt. Appert tat dies Jahrzehnte, bevor irgendjemand verstand, warum es funktionierte, denn die Keimtheorie, die es erklären würde, lag noch in Pasteurs Zukunft, doch seine Methode war stichhaltig, und sie wurde zur Gründungstechnologie der industriellen Lebensmittelkonservierung. Zusammen decken diese vier Wege, Pökeln, Räuchern, Kühlung und Konservendose, die chemische Landschaft des sicheren Aufbewahrens von Lebensmitteln ab.

Die scharfen Moleküle der Gewürze und ein hartnäckiger Mythos

Gewürze sind Lebensmittelchemie von ganz anderem Geschmack, im wahrsten Sinne des Wortes. Pflanzen erzeugen kleine Bibliotheken scharfer sekundärer Stoffwechselprodukte, und viele davon dienen sowohl als Geschmacksstoff als auch als antimikrobielle Abwehr. Capsaicin, mit der Formel C18H27NO3, ist die brennende Verbindung der Chilischoten, und es schädigt das Gewebe überhaupt nicht; stattdessen bindet es an den TRPV1-Rezeptor, denselben Nervenrezeptor, der echte Hitze erkennt, weshalb sich eine scharfe Schote heiß anfühlt. Schwarzer Pfeffer entfaltet seine Schärfe durch ein anderes Molekül, Piperin, und Knoblauch erzeugt Allicin, eine Verbindung, die nur entsteht, wenn die Zehen zerdrückt werden und ein Enzym auf sein Substrat trifft. Die antimikrobielle Seite dieser Verbindungen ist nicht nebensächlich. Sie hilft zu erklären, warum stark gewürzte Küchen tendenziell in warmen Klimazonen gehäuft auftreten, wo dieselben Moleküle, die das Essen scharf machen, auch dazu beitragen, es vor dem Verderben zu bewahren.

Das bringt uns zu einer der hartnäckigsten Behauptungen in jeder Küche, der Vorstellung, dass das scharfe Anbraten von Fleisch den Saft einschließt. Es ist eine befriedigende Geschichte, und sie ist falsch. Die braune Kruste auf einem scharf angebratenen Steak ist ein Produkt der Maillard-Reaktion, eine Schicht aus geschmackvollen Melanoidinen und Aromastoffen, und sie ist keinerlei wasserdichte Barriere. Sorgfältige Wägeversuche haben wiederholt gezeigt, dass ein scharf angebratener Braten im Wesentlichen denselben Anteil seines Wassers verliert wie ein nicht angebratener. Scharfes Anbraten lohnt sich, aber für Geschmack und Farbe, nicht für die Feuchtigkeit. Die Kruste ist Chemie; der eingeschlossene Saft ist ein Mythos.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Kochen ist angewandte Chemie, und der Großteil seines Geschmacks geht auf eine einzige Kaskade zurück, die Louis-Camille Maillard 1912 in Paris beschrieb, bei der eine freie Aminogruppe oberhalb von etwa 140 Grad Celsius das Carbonyl eines reduzierenden Zuckers angreift, sich über ein Amadori-Zwischenprodukt umlagert und in Hunderte flüchtiger Aromastoffe und braune Melanoidine zerfällt; dies unterscheidet sich von der Karamellisierung, der aminosäurefreien Pyrolyse von Zuckern allein, die nahe 160 Grad Celsius einsetzt. Louis Pasteur stellte die Fermentation als anaerobe Enzymologie der Mikroben fest (1857 und 1860) und patentierte 1864 die sanfte Pasteurisierung, während Brot aufgeht, weil die Proteine Gliadin und Glutenin des Weizens ein viskoelastisches Glutennetzwerk bilden, das von der Hefe erzeugtes Kohlendioxid einfängt. Die vier klassischen Konservierungswege, Pökeln, Räuchern, Kühlung und Konservendose (Letztere von Nicolas Appert 1809 begründet), wirken jeweils über einen eigenen Mechanismus, Gewürze wie Capsaicin wirken über Rezeptoren wie TRPV1 und dienen zugleich als antimikrobielle Stoffe, und der vertraute Glaube, dass scharfes Anbraten den Saft einschließt, ist nach dem Beleg wiederholter Wägeversuche schlicht falsch.