Lebensmittelbestrahlung

Die Bestrahlung von Lebensmitteln ist ein physikalisches, nichtthermisches Konservierungsverfahren. Lebensmittel werden kontrollierten Dosen ionisierender Strahlung (energiereicher Strahlung, die Elektronen aus Atomen oder Molekülen lösen kann) ausgesetzt. Zum Einsatz kommen insbesondere Gamma-, Röntgen- und Elektronenstrahlung. Ziele sind die Reduktion pathogener und verderbniserregender Mikroorganismen, die Kontrolle von Vorrats- und Pflanzenschädlingen, die Hemmung der Keimung sowie die Verlängerung der Haltbarkeit [1, 3, 7].

Die biologische Wirkung ionisierender Strahlung beruht auf direkten Strahlenschäden an zellulären Makromolekülen (großen Molekülen in Zellen) sowie auf indirekten Effekten durch die Radiolyse (strahlenbedingte Spaltung von Molekülen) von Wasser. Dabei entstehen reaktive Spezies (hochreaktive chemische Teilchen), insbesondere Hydroxylradikale (besonders reaktive Sauerstoffteilchen), die Nukleinsäuren (Träger der Erbinformation), Proteine und Membranbestandteile von Mikroorganismen schädigen können [2].

Der Codex Alimentarius sieht für die Lebensmittelbestrahlung Gamma-Strahlung aus ⁶⁰Co oder ¹³⁷Cs, maschinell erzeugte Röntgenstrahlung mit Energien bis 5 MeV sowie Elektronenstrahlung mit Energien bis 10 MeV vor [7]. Die Behandlung mit ionisierender Strahlung macht das Lebensmittel nicht radioaktiv [8].

Einflussfaktoren auf die Nährstoffstabilität

Die Auswirkungen der Bestrahlung auf die Nährstoffqualität werden wesentlich durch die absorbierte Strahlendosis, die Strahlenart, die Lebensmittelmatrix, den Wasser- und Fettgehalt, die Temperatur während der Behandlung, die Sauerstoffexposition und die anschließenden Lagerungsbedingungen bestimmt [2-4].

In wasserreichen Lebensmitteln trägt die Radiolyse von Wasser wesentlich zur Bildung reaktiver Spezies bei. Sauerstoff kann oxidative Kettenreaktionen fördern. Niedrige Prozesstemperaturen sowie eine reduzierte Sauerstoffverfügbarkeit während Bestrahlung und Lagerung können oxidative Veränderungen begrenzen [2].

Die Nährstoffretention ist deshalb nicht allein von der Strahlendosis abhängig. Identische Dosen können in verschiedenen Lebensmittelmatrices unterschiedliche chemische und ernährungsphysiologische Effekte auslösen [2-4].

Einfluss auf Proteine

Ionisierende Strahlung kann Proteine über direkte Energieübertragung und reaktive Spezies chemisch modifizieren. Mögliche Reaktionen umfassen die Oxidation empfindlicher Aminosäurereste (Bestandteile von Eiweißmolekülen), Veränderungen von Disulfidbindungen (Schwefelbrücken in Proteinen), Fragmentierung (Zerfall in kleinere Teile), Vernetzung und Aggregation (Zusammenlagerung) von Proteinen [2, 6].

Bei Muskel-Lebensmitteln sind strahleninduzierte Proteinoxidationen (oxidative Veränderungen von Eiweißen) insbesondere in Abhängigkeit von Strahlendosis, Sauerstoffexposition und Lagerungsdauer relevant. Die systematische Übersichtsarbeit mit Metaanalyse von Fallah et al. zeigte bei bestrahlten Muskel-Lebensmitteln erhöhte initiale Proteinoxidationsraten und eine weitere Zunahme oxidativer Veränderungen während der Lagerung [6].

Einfluss auf Fette und Fettsäuren

Lipide (Fette) gehören zu den oxidationssensitiven Bestandteilen bestrahlter Lebensmittel. Strahleninduzierte Radikale können die Lipidperoxidation (oxidative Schädigung von Fetten) initiieren. Besonders reaktionsanfällig sind ungesättigte und mehrfach ungesättigte Fettsäuren [2, 5, 6].

Für Geflügelfleisch zeigt die Metaanalyse von Asmarani et al. einen Anstieg von Thiobarbitursäure-reaktiven Substanzen (Messgrößen der Fettoxidation) und Peroxidwerten nach Gamma-Bestrahlung. Das Ausmaß der Lipidoxidation wurde durch die Strahlendosis und die Verpackungsbedingungen mitbestimmt [5].

Auch die Metaanalyse von Fallah et al. zu Muskel-Lebensmitteln zeigte eine Zunahme der initialen Lipidoxidation nach ionisierender Bestrahlung. Während der Lagerung beeinflussten Verpackung und antioxidativ wirksame Verpackungskomponenten den weiteren Verlauf der Oxidation erheblich [6].

Für die oxidative Stabilität lipidreicher Lebensmittel sind daher insbesondere eine optimierte Strahlendosis, niedrige Temperatur, begrenzte Sauerstoffexposition und geeignete Verpackungssysteme von Bedeutung [2, 5, 6].

Einfluss auf Kohlenhydrate und Ballaststoffe

Ionisierende Strahlung kann höhermolekulare Kohlenhydratstrukturen verändern. Bei Obst und Gemüse wurden insbesondere Veränderungen von Stärke, Pektinen (pflanzlichen Gerüst- und Gelierstoffen) und anderen Polysacchariden (Mehrfachzuckern) beschrieben [3, 4].

Strahleninduzierte Spaltungen glykosidischer Bindungen (chemischer Bindungen zwischen Zuckerbausteinen) können zu einer Depolymerisation (Abbau langer Molekülketten) von Polysacchariden führen. Ernährungsphysiologisch stehen dabei weniger Veränderungen des Gesamtgehalts an Kohlenhydraten als vielmehr strukturelle und technofunktionelle Effekte im Vordergrund. Dazu zählen Veränderungen von Textur, Festigkeit, Viskosität und Wasserbindung [3, 4].

Bei Früchten und Gemüse können Veränderungen pektinhaltiger Zellwandstrukturen die Erweichung des Gewebes fördern. Ausmaß und Richtung dieser Veränderungen sind dosis- und lebensmittelspezifisch [3, 4].

Einfluss auf Vitamine

Vitamine unterscheiden sich erheblich in ihrer Strahlenstabilität. Die Retention wird durch die chemische Struktur des Vitamins, die Lebensmittelmatrix, die Strahlendosis, Temperatur, Sauerstoffexposition und Lagerungsdauer bestimmt [2-4].

• Vitamin C – Ascorbinsäure ist oxidationssensitiv. Bei bestrahltem Obst und Gemüse wurden dosis- und matrixabhängige Abnahmen des Vitamin-C-Gehalts beschrieben. Veränderungen während der anschließenden Lagerung können den Gesamteffekt zusätzlich bestimmen [3, 4].
• Vitamin B1 (Thiamin) – für die Elektronenstrahlbestrahlung beschreibt die aktuelle Übersichtsarbeit von Sani et al. Thiamin als strahlensensitives Vitamin. Die Retention wird durch Strahlendosis, Lebensmittelmatrix und Behandlungstemperatur mitbestimmt [2].
• Carotinoide (pflanzliche Farbstoffe) und Provitamin A (Vorstufe von Vitamin A) – Bestrahlung kann Oxidations- und Isomerisierungsreaktionen (Umwandlungen in strukturell verwandte Molekülformen) carotinoider Verbindungen beeinflussen. In Obst und Gemüse wurden sowohl stabile als auch verminderte oder analytisch erhöhte Carotinoidgehalte beobachtet; die Effekte sind stark matrix- und dosisabhängig [3, 4].
• Vitamin E – im Kontext der Elektronenstrahlbestrahlung können Tocopherole (Vitamin-E-Verbindungen) als lipophile Antioxidantien (fettlösliche Schutzstoffe gegen Oxidation) durch strahleninduzierte oxidative Reaktionen umgesetzt werden. Die Retention wird insbesondere in lipidreichen Lebensmittelmatrices durch Strahlendosis und Sauerstoffverfügbarkeit beeinflusst [2].
• Weitere B-Vitamine – bei der Elektronenstrahlbestrahlung zeigen die einzelnen B-Vitamine eine unterschiedliche Strahlenstabilität. Ihre Retention ist substanz-, dosis- und matrixspezifisch zu bewerten [2].

Für die mikronährstoffmedizinische Bewertung ist die Bestrahlung im Kontext der gesamten Verarbeitungskette zu betrachten. Vorbehandlung, Transport, Lagerung, Sauerstoff- und Lichtexposition sowie die spätere thermische Zubereitung beeinflussen die Vitamingehalte zusätzlich [2-4].

Mineralstoffe und Spurenelemente

Mineralstoffe und Spurenelemente weisen gegenüber ionisierender Bestrahlung eine hohe chemische Stabilität auf. In Übersichtsarbeiten zu bestrahltem Obst und Gemüse werden die Mineralstoffgehalte im Vergleich zu strahlensensitiven Vitaminen als weitgehend stabil beschrieben [3, 4].

Für die mikronährstoffmedizinische Bewertung ist daher primär der analytisch bestimmte Mineralstoffgehalt des jeweiligen Lebensmittels maßgeblich. Aussagen zu einer veränderten intestinalen Bioverfügbarkeit (Aufnahme im Darm) einzelner Mineralstoffe erfordern spezifische Untersuchungen der jeweiligen Lebensmittelmatrix.

Bioaktive Pflanzenstoffe und antioxidative Kapazität (Fähigkeit, oxidative Prozesse abzufangen)

Polyphenole (pflanzliche Schutzstoffe), Flavonoide (Gruppe pflanzlicher Farb- und Schutzstoffe) und weitere sekundäre Pflanzenstoffe reagieren heterogen auf ionisierende Strahlung. Für Obst und Gemüse wurden dosis- und matrixabhängig verminderte, unveränderte und erhöhte analytisch messbare Gehalte beschrieben [3, 4].

Strukturelle Veränderungen der Pflanzenmatrix können gebundene bioaktive Verbindungen freisetzen und deren Extrahierbarkeit erhöhen. Gleichzeitig können reaktive Spezies oxidativ empfindliche Verbindungen abbauen. Veränderungen des analytisch bestimmten Gehalts sind deshalb im Zusammenhang mit Freisetzung, Umwandlung und Abbau zu interpretieren [3, 4].

Auch die antioxidative Kapazität kann sich in Abhängigkeit von Lebensmittelart und Strahlendosis unterschiedlich entwickeln. Für die Beurteilung sind die einzelnen bioaktiven Verbindungen und die Gesamtmatrix des Lebensmittels relevant [3, 4].

Strahlendosis und Mikronährstoffretention

Die Auswahl der Strahlendosis orientiert sich am jeweiligen technologischen Ziel. Nach dem Codex Alimentarius soll die minimale absorbierte Dosis ausreichen, um den definierten technologischen Zweck zu erreichen. Die maximal applizierte Dosis soll unterhalb der Dosis liegen, die Sicherheit, Genusstauglichkeit, strukturelle Integrität, funktionelle Eigenschaften oder sensorische Merkmale beeinträchtigt. Die maximale absorbierte Dosis soll grundsätzlich 10 kGy nicht überschreiten, sofern eine höhere Dosis nicht für einen legitimen technologischen Zweck erforderlich ist [7].

Niedrigere Dosen werden unter anderem zur Keimhemmung, Reifungsverzögerung und Schädlingskontrolle eingesetzt; höhere Dosen dienen einer stärkeren mikrobiellen Dekontamination (Verringerung der Keimbelastung) [2, 3].

Mit zunehmender absorbierter Dosis steigt die Wahrscheinlichkeit chemischer Veränderungen empfindlicher Lebensmittelbestandteile. Für die Mikronährstoffretention ist daher eine auf das technologische Ziel abgestimmte Strahlendosis wesentlich [2-4, 7].

Zusätzliche Prozessfaktoren können die erforderliche Strahlendosis und die oxidative Stabilität beeinflussen. Die Metaanalyse von Fallah et al. zeigte für Muskel-Lebensmittel, dass die Kombination ionisierender Strahlung mit biopolymerbasierten aktiven Verpackungssystemen die mikrobielle Kontrolle verbessern und die Zunahme der Lipid- und Proteinoxidation während der Lagerung reduzieren kann [6].

Mikronährstoffmedizinische Bewertung

Für die mikronährstoffmedizinische Bewertung der Lebensmittelbestrahlung stehen strahlensensitive Vitamine und oxidative Veränderungen der Lebensmittelmatrix im Vordergrund. Bei Obst und Gemüse ist insbesondere Vitamin C zu berücksichtigen; Carotinoide und sekundäre Pflanzenstoffe zeigen ausgeprägt matrix- und dosisabhängige Reaktionen [3, 4].

Für die Elektronenstrahlbestrahlung werden Thiamin und Tocopherole als potenziell strahlensensitive Mikronährstoffe beschrieben. Die tatsächliche Retention ist von Lebensmittelmatrix, Dosis, Temperatur und Sauerstoffexposition abhängig [2].

Bei Muskel- und Geflügellebensmitteln ist insbesondere die oxidative Stabilität der Lipid- und Proteinfraktion zu berücksichtigen. Hierfür liegen metaanalytische Daten vor, die den Einfluss ionisierender Bestrahlung sowie die Bedeutung von Strahlendosis und Verpackung bestätigen [5, 6].

Fazit

Die Auswirkungen der Lebensmittelbestrahlung auf die Nährstoffqualität sind dosis-, matrix- und prozessabhängig. Bei Obst und Gemüse gehören Vitamin C sowie carotinoide und phenolische Verbindungen zu den mikronährstoffmedizinisch relevanten Inhaltsstoffen, deren Retention in Abhängigkeit von Lebensmittelart, Strahlendosis und Lagerungsbedingungen variiert [3, 4].

Bei der Elektronenstrahlbestrahlung sind insbesondere die substanz- und matrixabhängige Stabilität von Thiamin und Tocopherolen zu berücksichtigen [2]. Mineralstoffe und Spurenelemente weisen gegenüber der ionisierenden Bestrahlung eine hohe chemische Stabilität auf [3, 4].

Für lipidreiche Lebensmittel und Muskel-Lebensmittel sind die Begrenzung oxidativer Prozesse, eine angepasste Strahlendosis, niedrige Prozesstemperaturen, eine reduzierte Sauerstoffexposition und geeignete Verpackungssysteme von besonderer Bedeutung [2, 5, 6].

Für die Mikronährstoffretention ist die Kombination aus Lebensmittelmatrix, absorbierter Strahlendosis, Temperatur, Sauerstoffexposition und anschließender Lagerung entscheidend.

Literatur

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2. Sani MA, Velayati N, Yazdi NB, Khezerlou A, Jafari SM: Electron Beam Irradiation: A Non-Thermal Technology for Food Safety and Quality Control. Compr Rev Food Sci Food Saf. 2025;24:e70205. doi:10.1111/1541-4337.70205
3. Chaudhary S, Kumar S, Kumar V, Singh B, Dhiman A: Irradiation: A tool for the sustainability of fruit and vegetable supply chain-Advancements and future trends. Radiat Phys Chem. 2024;217:111511. doi:10.1016/j.radphyschem.2024.111511
4. Bhatnagar P, Gururani P, Bisht B, Kumar V, Kumar N, Joshi R, Vlaskin MS: Impact of irradiation on physico-chemical and nutritional properties of fruits and vegetables: A mini review. Heliyon. 2022;8:e10918. doi:10.1016/j.heliyon.2022.e10918
5. Asmarani RR, Ujilestari T, Sholikin MM, Wulandari W, Damayanti E, Anwar M et al.: Meta-analysis of the effects of gamma irradiation on chicken meat and meat product quality. Vet World. 2024;17:1084-1097. doi:10.14202/vetworld.2024.1084-1097
6. Fallah AA, Sarmast E, Ghasemi M, Jafari T, Mousavi Khaneghah A, Lacroix M: Combination of ionizing radiation and bio-based active packaging for muscle foods: A global systematic review and meta-analysis. Food Chem. 2023;405:134960. doi:10.1016/j.foodchem.2022.134960
7. Codex Alimentarius Commission: General Standard for Irradiated Foods. CXS 106-1983, Rev.1-2003. CXS 106-1983
8. International Atomic Energy Agency (IAEA): What is Food Irradiation and Why is it Important? 2025. IAEA