Das Geheimnis des Weihnachtsdufts

Prof. Dr. Klaus Roth (Bearbeitung/Zusammenfassung: Prof. Dr. Bärbel Kniel)

Weihnachten ohne Lebkuchen, Christstollen und Zimtsterne ist für uns nicht denkbar. Kein Wunder, denn von klein auf strömt ab dem 1. Advent aus der Küche der Duft von frisch gebackenen Weihnachtsplätzchen, der in Kindern und Erwachsenen die Vorfreude auf das nahende Weihnachtsfest weckt. Nehmen wir die Duftspur auf und versuchen, deren chemische Basis zu ergründen.

Heute werden Gewürzpflanzen überall auf der Welt in den jeweils geeigneten Klimazonen angebaut. Trotzdem ist der Aufwand bei der Gewinnung qualitativ hochwertiger Gewürze immer noch hoch, vom Anbau und der Ernte, von der Verarbeitung bis zum Transport und der richtigen Lagerung. Gewürze sind für uns heute zwar erschwinglich, gehören aber immer noch zu den teuren Zutaten in unserer Nahrung, wie die Preisschilder an Vanille, Safran und Kardamom in Fachgeschäften demonstrieren. Glücklicherweise benötigen wir Gewürze nur in geringen Mengen, sodass ihre Verwendung heute kein Privileg der Wohlhabenden mehr ist. Tatsächlich können wir sogar weihnachtliche Blumengestecke und Adventskränze mit Zimtstangen und Sternanis schmücken.

Die jährlich nach Deutschland importierten Gewürzmengen sind beachtlich, wobei Pfeffer unangefochten an erster Stelle steht, gefolgt von Ingwer, Paprika und Zimt (Abb. 1). Die im Jahr 2016 insgesamt importierte Menge betrug 117.614 t im Wert von 623 Millionen Euro (1). Gewürzpreise werden vom Markt bestimmt, wobei wie für alle am Weltmarkt gehandelten Agrarprodukte die Erntemengen und -qualitäten auf der einen und die global agierenden Importfirmen und Großkunden auf der anderen Seite einen entsprechenden Einfluss haben. Ein besonders ungewöhnlicher Einbruch des Vanillepreises durch den zeitweiligen Ausfall eines mächtigen Großkunden, der Coca-Cola Company, führte in den 1980er-Jahren fast zum wirtschaftlichen Zusammenbruch Madagaskars (2).

Was sind Gewürze?

Gewürze sind Teile einer bestimmten Pflanzenart, nicht mehr als technisch notwendig bearbeitet, die wegen ihres natürlichen Gehaltes an Geschmacks- und Geruchsstoffen als würzende oder geschmacksgebende Zutaten zum Verzehr geeignet und bestimmt sind. Die gewürzgebenden Pflanzenteile sind sehr vielfältig und umfassen Früchte, Samen, Blüten, Wurzeln und auch Rinde (Abb. 2).

Aus botanischer Sicht sind Gewürzpflanzen seltene Glücksfälle. Von den geschätzten 380.000 Pflanzenarten, die auf der Erde vorkommen, besitzen nur etwa 2.500 Arten ausreichende Mengen an Duftstoffen, und von denen haben unsere Vorfahren in Tausenden von Jahren einige Hunderte als die geschmacklich besten ausgewählt.

Die von Gewürzpflanzen gebildeten Duftstoffe gehören nicht zu den Hauptinhaltsstoffen wie Aminosäuren, Zucker, Fettsäuren, Chlorophyll, die zur Aufrechterhaltung des Stoffwechsels unabdingbar notwendig sind, sondern zu den Sekundärinhaltsstoffen, die der Pflanze beim Überlebenskampf im jeweiligen Biotop Vorteile verschaffen. Dies können vielfältige Vorteile sein, beispielsweise das Anlocken von Insekten zur Bestäubung, das Abtöten von Bakterien und Pilzen, das Vertreiben von Fressfeinden oder, gemäß dem Prinzip: „Der Feind meines Feindes ist mein Freund“, das Anlocken eines Feindes des gerade am Blatt knabbernden Fressfeindes (3). Damit ein pflanzlicher Sekundärinhaltsstoff als Duftstoff von anderen Lebewesen wahrgenommen werden kann, muss die Substanz einen ausreichend hohen Dampfdruck besitzen, also flüchtig sein. Dafür müssen zwei chemische Voraussetzungen erfüllt sein:

  • Der Duftstoff darf sich nicht oder zumindest nur sehr wenig im Zellsaft (Wasser) lösen, denn dies würde den Dampfdruck erniedrigen. Er muss also unpolar sein.
  • Das Molekulargewicht darf nicht allzu hoch sein, denn mit steigender Molekülgröße sinkt der Dampfdruck.

Diese unpolaren, wasserunlöslichen und fast immer flüssigen Verbindungen scheidet die Pflanze in spezielle dafür vorgesehene Hohlräume ab. Bei den meisten Gewürzpflanzen sind dies intrazelluläre Vakuolen, die von einer fast gasdichten Membran umgeben sind, was das Verdunsten der Duftstoffe verhindert. Die Vakuolen können so groß werden, dass sie fast den gesamten Zellraum ausfüllen. Solche Ölzellen finden sich unter anderem in der Rinde des Zimtbaums, in den Wurzelteilen des Ingwers oder in den Blättern des Lorbeers (4).

Wie wir Gewürze „schmecken“

Wenn wir das umgangssprachliche „Schmecken“ verwenden, meinen wir damit nicht nur die Geschmacksnoten süß, sauer, salzig, bitter und umami (5), sondern vor allem den Geruch (6) und zusätzlich die Schärfe, Temperatur, Textur und das vermittelte Mundgefühl. In der Lebensmittelsensorik verwendet man anstelle von „Geschmack“ den präziseren Begriff „Flavour“ (7), der die Gesamtheit aller im Bereich Nase-Zunge-Mundhöhle aufgenommenen Sinneseindrücke umfasst (Abb. 3).

Ein kulinarischer Genuss umfasst aber nicht nur den Flavour, sondern alle Sinne, also auch den Hör- und Sehsinn (8). Man denke nur an das Knacken beim Biss in einen frisch gebackenen Spekulatius oder an die Vorfreude (und den Speichelfluss) beim Blick auf einen schön angerichteten „Bunten Teller“ („Das Auge isst mit“).

Da wir vor allem dem Weihnachtsduft auf der Spur sind, konzentrieren wir uns im Folgenden auf die in den Weihnachtsgewürzen enthaltenen Verbindungen. Riechen wir allerdings an einer Zimtstange, werden wir enttäuscht sein, denn Zimtgeruch ist kaum wahrnehmbar, da die Duftstoffe in den teilweise noch intakten Vakuolen eingeschlossen sind. Dies ändert sich sofort, wenn wir die Gewürze zermahlen. Dadurch werden die Zellstrukturen zerstört, und über die große Oberfläche können die auch bei Zimmertemperatur flüchtigen Duftstoffe abdampfen. Zerdrücken wir ganze Nelken, so ist die aufsteigende Duftwolke fast unangenehm intensiv.

Eine richtige Duftexplosion gibt es aber, wenn wir Gewürzpulver in ein wässriges Medium einbringen, z.B. eine Suppe oder einen Teig, und dann erwärmen. Dieses Vorgehen ist normale Küchenpraxis, denn nichts anderes passiert beim Lüften eines Kochtopfdeckels oder beim kurzzeitigen Öffnen der Backofentür. Die physikalisch-chemische Basis dieser Duftexplosionen ist eine Art Wasserdampfdestillation, eine besonders milde Methode zur Überführung unpolarer Stoffe in die Gasphase. Im Gegensatz zum chemischen Labor stecken wir aber in der Küche unsere Nase gern in den Dampf und erfreuen uns am Gewürzduft.

Wie wir Gewürze riechen

Die mit Wasserdampf flüchtigen Duftstoffe der Gewürze gelangen entweder direkt durch Einatmen oder indirekt beim Essen aus dem Mund über den Rachenraum in die oberen Nasenhöhlen. Da das Gewebe im Mundraum einschließlich der Zunge feucht und gut durchblutet ist, steigen bei 37 °C aus einer gewürzten Nahrung die Duftstoffe aus dem Mundraum bis zum Dach der beiden oberen Nasenhöhlen auf. Dort lösen sie sich auf einer Fläche von etwa 5 cm2 in der Riechschleimhaut, in der 10 bis 30 Millionen Riechsinneszellen eingebettet sind (9). Die Duftstoffe kommen dort in Kontakt mit etwa 1.000 verschiedenen Rezeptortypen, die strukturell unterschiedliche Bindungsstellen besitzen und die gelösten Duftstoffe mit unterschiedlichen Stärken binden. Die in diesem Bindungsmuster kodierte Riechinformation wird von den Riechzellen zu den höheren Verarbeitungszentren im Gehirn weitergeleitet. Erst dort werden die Sinnesmeldungen dekodiert und zu einem Sinneseindruck verarbeitet. Durch die Vielzahl verschiedener Rezeptoren können Menschen über 10.000 verschiedene Gerüche unterscheiden.

Der Duft eines Gewürzes wird nie von einer Einzelverbindung, sondern immer von einem Substanzgemisch hervorgerufen. Der Beitrag einer Einzelkomponente zum gesamten Sinneseindruck hängt vom Dampfdruck und der substanzspezifischen Empfindlichkeit unseres olfaktorischen Systems ab. Die Mindestkonzentration, bei der eine Geruchsempfindung wahrgenommen werden kann, wird als Geruchsschwellenwert bezeichnet, der bei typischen Aromastoffen mehrere Zehnerpotenzen umfassen kann (10) (Abb. 4).

Der Gesamtsinneseindruck einer bestimmten Substanz hängt auch von der Konzentration in der Atemluft ab. So werden einige Komponenten im Aroma von geröstetem Kaffee oder Kakao in hohen Konzentrationen als schweißig oder nach Katzenurin riechend beschrieben, in großer Verdünnung aber tragen sie wesentlich zum angenehmen Röstaroma bei (11). Rosenöl riecht in hoher Konzentration sehr unangenehm und wird erst nach entsprechender Verdünnung ein wertvoller Aromastoff. Schließlich kann eine einzelne Verbindung in verschiedenen Duftbouquets völlig unterschiedlich empfunden werden: Diacetyl (2,3-Butandion) wird im Butter- und Vanillearoma als angenehm und im frisch gebrauten Pilsener Bier aber als extrem negativ empfunden. Diese Verbindung muss sich durch Lagerung des Jungbiers erst vollständig abbauen, bevor abgefüllt werden kann.

Die Biochemie des Weihnachtsdufts

Aus chemischer Sicht ist es natürlich reizvoll herauszufinden, wonach unser Weihnachtsgebäck riecht, wie die wunderbaren Duftstoffe von den Gewürzpflanzen biosynthetisiert werden und wie sie sich in den relativen Mengen und chemischen Strukturen unterscheiden.

Im Prinzip stehen Pflanzen zwei biochemische Synthesewege zur Herstellung von Duftstoffen und anderen Sekundärmetaboliten offen. Einer davon ist der Abbau der Aminosäure Phenylalanin zu Phenylpropanoiden, wobei eine Fülle von Aromastoffen entsteht; einige davon sind auch prägend für den Duft von Weihnachtsgewürzen (Abb. 5). In den jeweiligen Gewürzpflanzen können bei vorgegebenem genetischem Synthesepotenzial je nach Standort, Klima und Boden die Mengenverhältnisse der verschiedenen Komponenten stark variieren. In den Porträts der weihnachtlichen Gewürzpflanzen können daher immer nur Wertebereiche für den Gehalt einzelner aromabestimmender Verbindungen angegeben werden. Zusätzlich führten der schon seit Jahrhunderten betriebene weltweite Anbau und langjährige Züchtungen dazu, dass von der ursprünglichen Gewürzpflanze heute unzählige Unterarten, Varietäten und Sorten entstanden sind, in denen sich die Zusammensetzungen der Duftstoffe ganz erheblich unterscheiden können. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Sowohl im mexikanischen als auch im jamaikanischen Piment sind Eugenol und Eugenylacetat die dominierenden Komponenten, allerdings einmal im Mengenverhältnis 7:1 bei Piment aus Jamaika und zum anderen 1:6, also völlig anders, in Piment aus Mexiko. Feinschmecker bevorzugen deswegen mexikanisches Piment, da darin ein großer Teil des streng nach Nelken riechenden Eugenols durch das frisch, süß-warm und weniger strenge Eugenylacetat ersetzt ist.

Ein Blick auf die Formelbilder in Abb. 5 erschlägt auch begeisterte Fachleute, zumal nur Bestandteile mit mehr als 1 % Anteil aufgeführt wurden. Würde man alle bisher analytisch nachgewiesenen und identifizierten Verbindungen aus den ätherischen Ölen der Weihnachtsgewürze aufführen, würden wohl mehrere Ausgaben von backwaren aktuell nicht ausreichen.

Gesundheitliche Aspekte

Gewürze sind nur wenig bearbeitete Naturprodukte – was geerntet wird, kommt also auf den Tisch. Dies bedeutet, dass Gewürze mit anderen, mitverarbeiteten biologischen Bestandteilen wie Holzsplittern und Insektenresten verunreinigt sein können. Da die Produktionsländer weit weg sind, ist es durchaus möglich, dass dort bei uns nicht zugelassene Pestizide und Herbizide verwendet wurden. Auch die korrekte Lagerung ist für die Qualität von Gewürzen wichtig, um beispielsweise Pilzbefall zu verhindern. Die Einkäufer seriöser Gewürzhändler, insbesondere der großen, weltweit agierenden Firmen, kennen aber die örtlichen Zustände und können auf die Arbeitsweise und Hygiene in den Plantagen einwirken.
So hat die International Organisation of Spice Trade Associations Richtlinien für „Gute landwirtschaftliche Praxis“ festgelegt, die auch die Gesundheit der Arbeiter und die hygienischen Bedingungen bei der Feldarbeit beinhalten. Der Europäische Gewürzverband (ESA, European Spice Association) hat entsprechende Regeln und Qualitätskriterien für die einzelnen Gewürze festgelegt. Darüber hinaus gelten für importierte Gewürze eine Vielzahl deutscher und europäischer Lebensmittelgesetze und -vorschriften, die den Verbraucher unter anderem vor unerlaubten Farbstoffen und anderen Beimischungen und auch vor zu hohen Belastungen mit Schwermetallen und Pflanzenschutzmitteln schützen. Für jedes Gewürz sind Konzentrationsspannen für die charakteristischen Inhaltsstoffe festgelegt, die mit normierten Analysenmethoden bestimmt werden müssen. Aber Achtung: Dies gilt nur für die EU! Daran sollten wir denken, wenn wir in fernen Ländern auf den Markt gehen, uns von den Gewürzhändlern mit ihren farbenfrohen Pulvern begeistern lassen und exotische Gewürze als Urlaubsmitbringsel erwerben.

Alle in unserer Küche verwendeten Gewürze und Kräuter, auch die hier behandelten Weihnachtsgewürze, werden seit Jahrhunderten als Heilmittel in der Volksmedizin eingesetzt (12) (Abb. 6).

Im Folgenden werden zwei Gewürze näher beschrieben, die für Weihnachtsgebäcke unentbehrlich sind: Zimt und Vanille (13).

Zimt: Das Weihnachtsgewürz Nummer eins

Zimt ist ein Gewürz aus den getrockneten Rinden von Zimtbäumen der Pflanzengattung Cinnamon, die mehr als 250 Arten umfasst (Abb. 7).

Die beiden bei uns verwendeten Zimte werden aus den Rinden zweier verschiedener Zimtarten gewonnen (14):

Ceylon-Zimt, auch echter Zimt oder Kanehl genannt (Cinnamonum zeylanicum), wird gewonnen, indem die äußere Korkschicht und Primärrinde der Bäume zunächst abgeschabt werden. Dann werden von der dünnen Innenrinde 30 bis 100 cm lange Stücke abgetragen. Sechs bis zehn dieser Stücke werden zigarrenähnlich ineinander geschoben (Abb. 8). Diese „Quills“ werden zuerst im Schatten aufbewahrt, wobei eine Fermentation erfolgt, und anschließend in der Sonne getrocknet, wobei sie die typisch gelb-braune Farbe annehmen. Diese Quills werden dann in Stücke von etwa 10 cm Länge zum Stangenzimt zerschnitten. Die Qualität wird nach der Farbe, die möglichst hell sein soll, der Feinheit der Rinde und dem Aroma bewertet.

China-Zimt, auch Cassia (Cinnamonum aromaticum) genannt, wird aus Rindenteilen ähnlich wie beim Ceylon-Zimt hergestellt. Cassia besteht aus 2 bis 5 cm breiten und 3 bis 5 mm dicken Rindenschichten, die Anteile von anderen Rinden- und Korkschichten enthalten und dadurch einen höheren Gerbstoffanteil aufweisen. China-Zimt kommt meist gemahlen in den Handel und hat einen kräftigeren Geschmack als Ceylon-Zimt.

In gemahlenem Zustand kann ein Laie Ceylon- und Cassia-Zimt nicht unterscheiden. Anders bei Zimtstangen: In einer Ceylon-Zimtstange sind mehrere feine Rindenlagen wie in einer Zigarre zusammengerollt, während eine Cassia-Zimtstange nur aus einer einzigen, dickeren Rindenschicht besteht (Abb. 8).

Der Zimtkrieg und das Cumarin

Die jahrhundertelange Nutzung von Zimt schützt allerdings nicht vor Überraschungen. Genau das Gewürz, das wir am stärksten mit Weihnachten verbinden, kam wegen seines Cumaringehalts ins Gerede (15). Cumarin mit seinem charakteristischen Duft nach Waldmeister ist Inhaltsstoff vieler Pflanzen wie Waldmeister, Tonkabohne, Erdbeeren, Kirschen, Salbei, Dill und eben auch Zimt. 1868 synthetisierte W.H. Perkin Cumarin als den ersten Duftstoff überhaupt. 1876 begann die industrielle Produktion durch Haarmann und Reimer in Holzminden.

Wie kam es zum sogenannten Zimtkrieg, in dem Cumarin die Hauptrolle spielte? Der Cumarin-Gehalt von Zimt war schon lange bekannt, als 2005 das Untersuchungsamt Münster „entdeckte“, dass in traditionell hergestellten Zimtsternen mit bis zu 80 mg/kg Cumarin der nach der damaligen Aromenverordnung zulässige Höchstwert von 2 mg/kg weit überschritten wurde. Das Untersuchungsamt informierte die Hersteller und die vorgesetzte Behörde, das Bundesministerium für Verbraucherschutz. Das wiederum beauftragte daraufhin im Februar 2006 sein Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) mit der gesundheitlichen Bewertung. Diese wurde dem deutschen Verbraucher in zwei Publikationen im Juni und August 2006 vorgelegt, und darin wurde zum maßvollen Zimtgenuss geraten.

Aufgrund von toxikologischen Tieruntersuchungen und unter Heranziehung von Humandaten leitete das BfR inzwischen einen TDI-Wert (Tolerable Daily Intake) (16) für Cumarin von 0,1 mg/kg Körpergewicht ab. Ein 70 kg schwerer Erwachsener dürfte danach ein Leben lang unbedenklich täglich 7 mg Cumarin aufnehmen. Inzwischen wurde in der europäischen Aromenverordnung der Höchstwert für Cumarin in Zimtsternen auf 50 mg/kg festgelegt (17). Da ein Kilogramm selbst bereiteter Zimtsternteig etwa 70 bis 100 Zimtsterne ergibt (18), kann ein einziger Zimtstern im ungünstigsten Fall 0,7 mg Cumarin enthalten. Bei einem TDI-Wert von 0,1 mg/kg Körpergewicht ergibt sich für die täglich maximal bedenkenlos verzehrbare Zahl von Zimtsternen Nmax: 1/7 Körpergewicht (kg).

Auf der Basis dieser Gleichung wird die Empfehlung des BfR von 2007 an Eltern verständlich, die Zahl der von kleinen Kindern verzehrten Zimtsterne sicherheitshalber auf wenige Stück am Tag zu beschränken, zumal gerade in der Weihnachtszeit traditionell noch weitere zimthaltige Backwaren verzehrt werden (19).

An dieser Stelle muss darauf hingewiesen werden, dass die „Zimtbäcker“ diese Empfehlungen für völlig übertrieben halten und der Auffassung sind, dass das BfR weit über das Ziel hinausgeschossen ist. Obwohl sich aus toxikologischer Sicht an den Fakten seitdem nichts geändert hat, ist die Aufregung um den Zimt inzwischen längst abgeebbt.

Der interessierte Leser sollte sich selbst ein Bild machen, wie komplex und schwierig es ist, eine Grenzwertfestlegung zwischen wirtschaftlichen, politischen, gesundheitlichen und juristischen Interessen bei gleichzeitigem Getöse von lobbygetriebenem und sensationslüsternem Journalismus durchzuführen (20).

Was tun, wenn man Zimtsterne und Milchreis mit Zucker und Zimt über alles liebt und sich und seine Kleinen damit erfreuen will? Die Lösung liegt nahe: Ausweichen vom bei uns üblichen Cassia-Zimt auf Ceylon-Zimt, der praktisch kein Cumarin enthält. Diese Umstellung ist allerdings schwierig, da beide Sorten bei uns unter dem Namen „Zimt“ verkauft werden und ein Laie nicht beurteilen kann, von welcher Baumart das Zimtpulver stammt. Der Verbraucher kann auf die deutlich unterschiedlichen Zimtstangen (Abb. 8) ausweichen und diese selbst zermahlen oder in gut sortierten Supermärkten, Gewürzhandlungen oder Biomärkten nach deklariertem Ceylon-Zimt suchen. Es lohnt sich, denn der teurere Ceylon-Zimt hat ein feines, mild-süßes Aroma, während der in Deutschland marktbeherrschende Cassia-Zimt zwar hocharomatisch, aber ein wenig scharf und bitter ist. Feinschmecker bevorzugen daher den feineren Ceylon-Zimt, der in der Schweiz fast nur verwendet wird, was vom guten Geschmack der Eidgenossen zeugt. Machen wir es ihnen einfach nach!

Ceylon-Zimt ist etwas teurer und leider auch weniger ergiebig als Cassia-Zimt, denn der Gehalt am Hauptduftstoff Zimtaldehyd ist geringer. Aber es gibt einen einfachen Ausweg: Gemäß den Angaben in Abb. 9 muss man die zugegebene Zimtmenge nur in etwa verdoppeln, dann kann die ganze Familie Milchreis und Zimtsterne nicht nur sorglos, sondern obendrein mit feinerem Aroma genießen.

Vanille: Die Königin der Gewürze

Von den 110 Arten der Gattung Vanilla, die zur Familie der Orchideengewächse (Orchidaceae) gehört, haben nur 15 aromatische Kapseln. Die wirtschaftlich wichtigste Art ist die Gewürzvanille Vanilla planifolia, die auch als die Königin der Gewürze bezeichnet wird (Abb. 10).

Vanille wurde im Ursprungsland Mexiko lange vor der spanischen Eroberung schon als Gewürz verwendet. Die Spanier versuchten, aus wirtschaftlichen Gründen ein Monopol zu etablieren, indem es bei Todesstrafe verboten war, die Pflanze aus der Kolonie zu exportieren. Erst nach Mexikos Unabhängigkeit im Jahr 1810 gelangten die ersten Stecklinge in die europäischen botanischen Gärten. 1819 versuchten die Holländer den Anbau auf Java und 1822 die Franzosen auf Réunion (damals Île Bourbon). Dies misslang, da die bestäubenden Insekten nicht auf Réunion lebten.

Edmond Albins, ein Mitarbeiter auf den Vanilleplantagen auf Réunion, entwickelte 1846 ein künstliches Bestäubungsverfahren mithilfe eines kleinen Bambusstiels. Damit begann die kommerzielle Vanilleproduktion, die später zunächst auf andere Inseln im Indischen Ozean und dann überall in geeignete Klimazonen ausgedehnt wurde.

Die künstliche Bestäubung der Vanille ist ein sehr aufwendiges Verfahren, denn die Orchidee blüht nur an einem Tag und kann nur zwischen 8 und 11 Uhr vormittags bestäubt werden. Da nicht alle Blüten an einer Pflanze gleichzeitig blühen, muss der Blütenstand an vielen Tagen überprüft werden. Diese arbeitsintensive Bestäubung macht Vanille auch heute noch nach Safran zum zweitteuersten Gewürz weltweit. Nach zehn bis zwölf Monaten werden die Fruchtkapseln (umgangssprachlich „Schoten“) geerntet, wobei sie einen unangenehm bitteren Geruch haben (23). Für das völlige Fehlen jeglichen Vanillearomas der geernteten Schoten ist die Bindung von Vanillin an ein Glucosemolekül verantwortlich. Dieses sogenannte Glucosid wurde 1885 von Tiemann aus Vanilleschoten isoliert und als Glucovanillin bezeichnet (Abb. 11).

Das freie Vanillin bildet sich erst während des folgenden mehrstufigen Reifungsprozesses:

killing (abtöten): Durch Eintauchen in heißes Wasser oder Erhitzen werden die Zellstrukturen der frisch geernteten Vanilleschoten teilweise aufgebrochen, sodass die noch aktiven Enzyme auf ihre Substrate treffen.

sweating (schwitzen): Der sich anschließende Trocknungsprozess ist besonders kritisch. Zunächst dampft so viel Wasser ab, dass ein mikrobiologischer Befall nicht mehr möglich ist. Auf der anderen Seite herrschen bei erhöhten Temperaturen optimale Bedingungen für die Enzyme, insbesondere die Glycosidasen, die die Aromastoffe durch die Spaltung der glycosidischen Bindung freisetzen. Während des etwa sieben bis zehn Tage dauernden Trocknungsprozesses werden viele phenolische Verbindungen oxidiert, und die Schoten bekommen ihre charakteristische braunschwarze Farbe.

drying (trocknen): Beim weiteren Trocknen wird die Aktivität aller noch intakten Enzyme beendet.
conditioning (reifen): Die Vanilleschoten werden in geschlossenen Kisten teilweise mehrere Monate aufbewahrt. Während dieser Zeit läuft eine Vielzahl von chemischen Reaktionen ab, beispielsweise Veresterungen, Etherbildungen und oxidative Abbaureaktionen. Erst in dieser Phase werden viele Aromastoffe gebildet.

Am Ende des zeitraubenden und arbeitsintensiven Herstellungsverfahrens können wir endlich eine glänzende, schwarzbraune Vanilleschote in den Händen halten, die uns mit einem Aroma von bisher 170 identifizierten Duftkomponenten verwöhnt (24, 25) (Abb. 12).

Für den chemischen Genießer zählt aber nicht die absolute Zahl, sondern nur die zum Vanillearoma beitragenden etwa 26 Aromastoffe. Dominierend ist die Hauptkomponente Vanillin, jedoch tragen auch einige andere Stoffe wie Valeriansäure und Methylsalicynat ganz wesentlich zum sensorischen Gesamteindruck bei.

Mithilfe moderner Messtechniken und geschulter Testpersonen lässt sich dieses sehr komplexe Substanzgemisch des Vanillearomas analysieren. Dabei wird das Gemisch der flüchtigen Verbindungen mittels Gaschromatografie in die einzelnen Stoffe getrennt, die dann mit Massenspektroskopie chemisch identifiziert werden. Zur zusätzlichen sensorischen Charakterisierung können die getrennten Einzelkomponenten an einem „Sniffing Port“, eine Art Schnüffelvorrichtung, abgerochen werden (26).

Die große Lücke zwischen dem weltweiten Bedarf von ca. 12.000 t pro Jahr und einer Vanilleproduktion von jährlich 1.800 t wird heute durch synthetisch hergestelltes Vanillin (4-Hydroxy-3-methoxy-benzaldehyd) geschlossen. Vanillin wurde erstmals 1858 aus Vanille isoliert. Wenig später gelang die Synthese aus natürlichen Verbindungen, die in Holz vorkommen (27). Noch heute verwendet man ein ähnliches Prinzip. Die Hauptmenge an Vanillin wird aus den Sulifitlaugen der Papierfabriken hergestellt (28). Der darin gelöste polymere Holzbestandteil Lignin wird bei hohen Temperaturen und Druck im alkalischen Milieu oxidativ zu Vanillin abgebaut.

Würzen nach Chemikerart

Aus den bisher gewonnenen Erkenntnissen über die Weihnachtsgewürze eröffnen sich durch harmonische Zusammenführung von gesundem Menschen- und chemischem Sachverstand einige einfache Umgangsregeln mit Gewürzen.

  • Gewürze sind nahezu unverarbeitete Naturprodukte, und die Qualitäts- und Preisschwankungen können sehr groß sein. Da die von uns verbrauchten Mengen sehr gering sind, sollte immer auf die Qualität geachtet werden. Das Leben ist zu kurz, um sich mit zweitklassigen Gewürzen das Essen zu verleiden (frei nach O. Wilde (29)). Fehlkäufe sind kaum zu vermeiden, aber die Wahrscheinlichkeit, Lehrgeld zu zahlen, ist bei seriösen Bezugsquellen sehr viel geringer.
  • Die in Abb. 5 aufgeführten Aromastoffe sind aufgrund ihrer chemischen Struktur sehr reaktiv und äußerst empfindlich gegenüber Wärme, Licht und Sauerstoff sind. Gewürze halten ihre Qualität nur in lichtgeschützten, luftdicht verschlossenen und kühl aufbewahrten Gefäßen. Geeignet sind Metalldosen oder dunkle Glasgefäße. Über dem Herd angebrachte Gewürzregale mit klaren Glasflaschen, in denen viele bunte Gewürze jahrelang schlummern, sollten daher abgeschraubt werden und zusammen mit den überlagerten Gewürzen im Mülleimer landen.
  • Selbst bei guter Lagerung haben Gewürze nur eine begrenzte Haltbarkeitsdauer, wobei unzerkleinerte Gewürze wie Zimtstangen, Anis, Nelken, Muskatnuss und Kardamom vier bis fünf Jahre halten. Bei Gewürzpulvern nimmt die Würzkraft bereits nach einigen Monaten ab, und die Gefahr von geschmacklichen Veränderungen nimmt zu. Man sollte sich daher grundsätzlich nur mit kleinen Gewürzmengen bevorraten und diese regelmäßig optisch und am Geruch kritisch überprüfen.

Experimenteller Teil

Chemisch interessierte Genießerinnen und Genießer können ihre bisherige Küchenpraxis durch zwei einfache Experimente überprüfen.

Experiment 1: Riechen Sie abwechselnd kräftig an einer Tüte Vanillinzucker und vorsichtig an einer frisch aufgeschnittenen Vanilleschote. Sie werden feststellen, dass der Vanillinzucker nach, aber nicht wie natürliche Vanille riecht. Für den chemischen Kenner kein Wunder, ein Blick auf Abb. 12 sagt alles. Das natürliche Vanillearoma wird eben nicht nur von Vanillin, sondern von Dutzenden zusätzlicher Duftstoffe mitbestimmt. Erst das Gesamtbouquet macht natürliche Vanille so einzigartig, und darauf sollte man bevorzugt zurückgreifen (30). Vanillin ist ein wirklich tolles Surrogat, aber eben nicht das Original!

Experiment 2: Zerreiben Sie im Mörser zwei bis drei Nelken möglichst fein. Sie werden feststellen, dass beim Mörsern eine gewaltige, fast unangenehm intensiv riechende Duftwolke aufsteigt. Dies zeigt, dass in ganzen Nelken die Duftstoffe in intakten Zellstrukturen eingeschlossen sind. Von dort können die Duftstoffe nur in geringem Maße abdampfen, und chemische Zersetzungsprozesse laufen langsam ab. Dies erklärt die längere Haltbarkeit von Gewürzen im ungemahlenen Zustand. Deswegen sollte man, wenn möglich, auf Gewürzpulver verzichten und jeweils nur die benötigte Gewürzmenge frisch zerkleinern (31).

Beim Zermörsern von Nelken sind bereits nach kurzer Zeit die innere Mörserwand und das Pistill mit einem leicht schmierigen, braunschwarzen Film überzogen. Dies sieht nicht sehr attraktiv aus, beweist aber die große Würzkraft, denn dieser Film stammt vom ätherischen Öl, dessen Anteil in Nelken mit bis zu 20 % außerordentlich hoch ist. Bei der Verwendung von frisch gemörserten Gewürzen, insbesondere bei Nelken, sollte die in den Rezepten angegebene Menge reduziert werden.

Lassen wir uns im Advent, an den Feiertagen und über den Jahreswechsel vom betörenden Duft unserer selbst gebackenen Kekse anlocken und sie uns langsam auf der Zunge (und den Duft in der Nase!) zergehen. Von der Chemie Begeisterte schwelgen dann in diesem raffinierten Gemisch chemischer Substanzen. Die Gewürzpflanzen hatten bei der Biosynthese dieser Bouquets sicherlich anderes im Sinn, als uns zum Weihnachtsfest zu verwöhnen, allerdings sollte dies unserem Genuss keinen Abbruch tun. Lassen wir uns das Weihnachtsgebäck einfach schmecken. Allen Lesern ein besinnliches und dank Eugenol, Charvicol, Zimtaldehyd und vor allem 4-Hydroxy-3-methyoxy-benzaldehyd auch ein sinnliches Weihnachtsfest.

Zusammenfassung

Für viele von uns hat sich der köstliche Duft von frisch gebackenen Weihnachtskeksen seit unserer Kindheit fest in unser Gedächtnis eingeprägt. Die traditionellen Rezepte mögen sich in vielen Ländern voneinander unterscheiden, aber meist basieren sie auf einigen typischen Gewürzen: Anis, Kardamom, Muskat, Nelken, Piment, Vanille und Zimt. Da der Geruchssinn ein chemischer Sinn ist, lohnt eine tiefere Betrachtung der Strukturen und der Biosynthese der sehr aromatischen Duftstoffe. Dies steigert noch die Freude an unseren Weihnachtskeksen.

 

Der ungekürzte Artikel ist erschienen in:

Roth, Klaus: Chemische Leckerbissen, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2014

 

Literatur und Anmerkungen

(1)    Fachverband der Gewürzindustrie e.V.: Marktentwicklung der Gewürzindustrie 2016, Bonn 2017; https://www.gewuerzindustrie.de/download/marktentwicklung-2016.pdf

(2)    Die 75 besten Managemententscheidungen aller Zeiten, S. Crainer, 2000, Wirtschaftsverlag Carl Ueberreuter, Wien/Frankfurt

(3)    Pflanzen können gegenüber Pflanzenfressern äußerst skrupellos sein. Hinterlistig sondert z.B. Mais bei Wurzelverletzungen durch die Larven des Maiswurzelbohrers (Diabrotica virgifera) in das umgebende Erdreich das Sesquiterpen (E)-ß-Caryophyllen ab, einen Lockstoff für im Boden lebende Fadenwürmer, die dann die Larven angreifen und töten.

(4)    Manche potenziellen Duftstoffe sind in der Pflanze mit Glucose zu wasserlöslichen, nichtflüchtigen Glycosiden verknüpft. Dann kann der Duftstoff erst nach einer Glycosidspaltung sein Aroma entwickeln, z.B. beim Welken (Waldmeister) oder nach einer von Menschenhand induzierten enzymatischen Spaltung (Vanille).

(5)    Umami (jap.: herzhaft, köstlich) ist eine 1908 erstmals von Kikunae Ikeda beschriebene Geschmacksqualität, die besonders von natürlichem Glutamat verursacht wird (S. Yamaguchi und K. Ninomiya, J.Nutrition, 2000, 130, 921 S). Diese Verbindung ist in vielen Lebensmitteln wie Fleisch, Muscheln, Pilzen, reifen Tomaten und in Käse (besonders Parmesankäse) enthalten und wird in der industriellen Nahrungsmittelproduktion als Geschmacksverstärker (E620–E625) eingesetzt. Übersicht: J. Chandrashekar et al., Nature, 2006, 444, 1476

(6)    Mit verstopfter oder zugehaltener Nase „schmeckt“ kein Essen, obwohl die Geschmacks-rezeptoren auf unserer Zunge unverändert funktionsfähig sind; aber wir können eben nicht mehr gut riechen.

(7)    Nach DIN 10950-2 umfasst der Flavour die Gesamtheit aller Sinneseindrücke, die vom olfaktorischen und gustatorischen Organ sowie haptisch mit Zunge, Mundhöhle und Rachen empfangen werden. Der Begriff „Aroma“ kommt dem noch am nächsten, allerdings sind darin nicht die Temperatur, die Schärfe und das Mundgefühl enthalten.

(8)    Einfluss von Farbe: C. Spence et al., Chem.Percept. 2010, 3, 68; Einfluss von Klang: M. Zampin und C. Spence, Chem.Percept. 2010, 3, 57

(9)    Im Vergleich zu anderen Tieren ist unser Geruchssinn ziemlich degeneriert; ein Hund hat etwa 250 Millionen und ein Aal knapp 1 Milliarde Geruchssinneszellen.

(10)    Lebensmittel-Lexikon, W. Ternes et al., 2005, Behr’s Verlag, Hamburg

(11)    K. Roth, Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 416

(12)    Gewürzdrogen, E. Teuscher, 2003, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart

(13)    Die hier zusammengestellten Daten beruhen auf folgenden Quellen: Gewürze in der Lebensmittelindustrie, U. Gerhardt, 1990, Behr’s Verlag, Hamburg; Gewürzdrogen, E. Teuscher, 2003, Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart; Kleine Kulturgeschichte der Gewürze, H. Küster, 1997, Becksche Reihe, München; Naturwissenschaftliche Grundlagen der Lebensmittelzubereitung, W. Ternes, 2008, Behr’s Verlag, Hamburg.

(14)    Es gibt noch andere Arten, die bei uns allerdings keine große Rolle spielen, z.B. der Padang-Zimt (Cinnamomum burmannii, Cassia vera), der aromatisch und leicht würzig-brennend schmeckt. Er kommt überwiegend gemahlen auf den Markt.

(15)    Dies ergaben Tests mit Besuchern des Deutschen Hygienemuseums in Dresden. H.-S. Seo et al., Appetite, 2009, 53, 222.

(16)    Der TDI-Wert (Tolerable Daily Intake) gibt an, bei welcher täglich und lebenslang aufgenommenen Menge keine körperliche Schädigung zu erwarten ist.

(17)    In der ab 2011 rechtsverbindlichen Verordnung EG Nr.1334/2008 ist der Höchstgehalt von 50 mg/kg für „traditionelle und/oder saisonale Backwaren, bei denen Zimt in der Kennzeichnung angegeben ist“, festgelegt worden.

(18)    Die Gewichte von Zimtsternen schwanken stark. Vom Bäcker oder selbst gemachte Zimtsterne sind deutlich schwerer als industriell hergestellte. So enthält eine 100-g-Packung Zimtsterne der Fa. Bahlsen 18 Stück, selbst gemachte im Mittel etwa 7 bis 8.

(19)    ww.bfr.bund.de/cm/208/bfr_schlaegt_cumarin_hoechstwerte_fu- er_lebensmittel_vor.pdf

(20)    Zum Einstieg: J. Budde, in www.pharmazeutische-zeitung.de/in- dex.php?id=2332; pro Grenzwert: www.bfr.bund.de/cm/208/zimt_und_cumarin_eine_klarstellung_a us_wissenschaftlich_berhoerdlicher_sicht.pdf; kontra Grenzwert: www.svendavidmueller.de/auf-die-plaetzchen-fertig-los-der- zimtkrieg-geht-in-die-naechste-runde.html

(21)    F. Woehrlin et al., J.Agric.Food.Chem. 2010, 58, 10568; die hier angegeben Cumarin-Werte stimmen mit Untersuchungen der Stiftung Warentest vom Dezember 2007 überein. www.test.de/the-men/essen-trinken/test/Cumarin-in-Zimt-Ceylon-Zimt-im-Vorteil- 1602223–1601782

(22)    Botanisch handelt es sich nicht um Schoten, sondern um Kapseln.

(23)    S. Ramachandra Rao et al., J. Sci. Food Agric., 2000, 80, 289

(24)    M.J.W. Dignum et al., Food Rev. Int. 2001, 17, 199

(25)    J. Adedeji et al., Perfumer&Flavorist, 1993, 18, 25

(26)    A. Perez-Silva et al., Food Chem. 2006, 99, 728

(27)    K. Reimer, Ber. dtsch. Chem.Ges. 1876, 9, 423

(28)    M.B. Hocking, J. Chem.Educ. 1997, 74, 1055

(29)    Frei nach Oscar Wilde (1854–1900): I have the simplest tastes. I am always satisfied with the best.

(30)    Nur friedliche Zeiten erlauben diesen Luxus. In früheren Kriegszeiten verschwanden die exotischen Gewürze vom Markt, und die Verbraucher mussten sich mit Surrogaten zufriedengeben. E. Vaupel, Chem. Unserer Zeit, 2010, 44, 396–413

(31)    Vorsicht ist gerade bei Nelken geboten. Deren Duft ist äußerst intensiv, und man sollte sehr zurückhaltend damit würzen, besonders wenn man Nelken frisch zermahlt. Gewürze sollten immer frisch pulverisiert verwendet werden. Probieren Sie es aus. Das Ergebnis überzeugt!

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