Naturwissenschaftliche Grundlagen - der-junge-koch.de

Naturwissenschaftliche
Grundlagen
Die ernährungswirtschaftlichen Berufe stehen mit
ihrem Tätigkeitsfeld, dem Verarbeiten von Lebensmitteln,
zwischen der Lebensmittelerzeugung und
dem Verzehr.
Erzeugung
Anbau von Pflanzen, Aufzucht und Mast von Tieren
Verarbeitung
Zubereitung von Speisen durch Kochen, Braten,
Backen usw.
Verzehr
In diesen Bereichen wird Althergebrachtes durch die
Wissenschaft erfasst und bestätigt, aber auch durch
neue Erkenntnisse verdrängt. Moderne Fertigungsmethoden
gründen auf wissenschaftlichen Erkenntnissen.
Diese beruhen auf der Erforschung grundlegender Vorgänge.
Die Agrarwissenschaften liefern die Grundlagen für
optimale Anbau- und Aufzuchtmethoden. Fertigungsabläufe
werden durch die Technologie erklärt. Die Wirkung
der Inhaltsstoffe der Nahrung auf den Körper des
Menschen erforscht und lehrt die Medizin.
Wichtige Erkenntnisse dieser Wissenschaften sind hier
mit beruflichem Bezug als naturwissenschaftliche
Grundlagen dargestellt.
Beispiele für das Zusammenwirken der Wissenschaften:
Biologie
Zucht, Mast
Qualität
Biologie
Arten
Anbaumethoden
Fleisch
Rettich
Erzeugung
Agrarwissenschaften
Verarbeitung
Technologie
Verzehr
Medizin
Chemie Physik Biologie
Naturwissenschaftliche Grundlagen
Chemie ist die Wissenschaft von der Zusammensetzung
und Umwandlung der Stoffe.
Physik ist die Lehre von den Zuständen der Stoffe und
ihren Veränderungen.
Biologie befasst sich mit dem Lebendigen, den Tieren
und den Pflanzen.
Dass es Gebiete gibt, die mehreren Wissenschaftsgebieten
zuzuordnen sind, zeigt die Tatsache, dass
man z. B. von biochemischen Vorgängen spricht.
Physik: Schneiden von Fleisch
Klopfen von Schnitzeln
Chemie: Pökeln von Schinken
Marinieren von Fleisch
Biologie: Reifen und Verderben
Physik: Raffeln, Schneiden
„Weinen“ nach Salzen
Chemie: Wirkung der Inhaltsstoffe
Einführung

Einführung
18 Naturwissenschaftliche Grundlagen
1 Chemische Grundlagen
1.1 Element – Verbindung
Elemente sind Stoffe, die sich durch chemische Vorgänge
nicht weiter teilen lassen. Der Einfachheit halber
werden die Namen der Elemente abgekürzt. Die
Grundlage für die Abkürzung bildet der wissenschaftliche
Name, z. B.
Sauerstoff ➟ Oxigenium ➟ O
Wasserstoff ➟ Hydrogenium ➟ H
Vereinigen sich mehrere Elemente, entsteht eine Verbindung,
z.B. H2O. Verbindungen sind Stoffe mit neuen Eigenschaften.
Wasser z. B. ist eine Verbindung aus zwei Elementen
Wasserstoff und einem Element Sauerstoff.
1.2 Atom – Ion – Molekül
Die kleinsten Teile eines Elements sind die Atome.
Atome eines Elements sind untereinander gleich.
Bau der Atome
Atome Atome Moleküle
+
Abb. 1: Aus Elementen entstehen Verbindungen.
Alle Atome bestehen aus einem Kern und den ihn auf
sogenannten Schalen umkreisenden Elektronen. Der
Kern besteht aus Protonen, die elektrisch positiv geladen
sind, und Neutronen, die keine Ladung aufweisen
(Abb. 2).
Atomkern
Schale
Abb. 2: Aufbau des Atoms
Elektron
Protron
Neutron
Auf den Schalen bewegen sich die negativ geladenen
Elektronen. Jedes einzelne Atom ist in der elektrischen
Ladung ausgeglichen, weil die Summe der positiven
und der negativen Teilchen gleich ist.
Ionen
Wenn Atome aus der Schale Elektronen abgeben oder
in die Schale Elektronen aufnehmen, sind sie nicht
mehr neutral. Man bezeichnet sie als Ionen (Abb. 3).
➟ Weniger Elektronen als ursprünglich ➟ positives Ion.
➟ Mehr Elektronen als ursprünglich ➟ negatives Ion.
➟ Kennzeichnung: hochgestelltes + oder – nach dem
Symbol des betreffenden Elements, z. B. Na + , O – – .
Abb. 3: Ionenbildung
Zwischen unterschiedlich geladenen Ionen bestehen
starke Anziehungskräfte, sie führen zur Ionenbindung.
Moleküle
Moleküle sind zwei oder mehr untereinander verbundene
Atome. Dabei kann es sich um Atome gleicher
oder unterschiedlicher Elemente handeln (Abb. 4).
Moleküle sind nach außen ohne Ladung, also neutral.
H
H
H H
+
Abb. 4: Molekülbildung
O
O
chemical fundamentals
la chimie de base
Beispiel
Wasser: Aus zwei Molekülen Wasserstoff (H2) und
einem Molekül Sauerstoff (O2) entstehen zwei
Moleküle Wasser (H2O). =
H
H
H
H
O
O

1 Chemische Grundlagen 19
1.3 Formeln, Sprache der Chemie
Der Chemiker bezeichnet die einzelnen Elemente und
Verbindungen mit Formeln, die über die Zusammensetzung
des Stoffes genaue Auskunft geben.
Formelart
Die Summenformel nennt die Anzahl der von jedem
Element enthaltenen Atome.
Wasser Zuckerstoffe
H2O C6H12O6 Die Strukturformel ist aussagekräftiger, denn sie zeigt
an, wie die Atome einander zugeordnet sind.
H
H
O
Das grafische Symbol ist eine Vereinfachung, die uns
das Denken und Verstehen erleichtert. Es ist meist an
die Strukturformel angelehnt.
H
H
Beispiele:
O
H H
O
H
O NA
H
Wasser lagert sich
um Natrium-Ion
+ O
H
O
H
H H
Abb. 1: Formelschreibweisen
CH2OH
1.4 Säuren – Basen – Salze
C
H
H
C
OH
OH
C
O
H
C
H
C
OH
H OH
Zwei Einfachzucker
verbinden sich
zu Zweifachzucker
Säuren bestehen immer aus Wasserstoff und einem
Säurerest.
Der Wasserstoff
bewirkt die saure Reaktion,
führt zu einem pH-Wert unter 7,
färbt blaues Lackmus rot.
Säure ➟ pH niedrig ➟ Lackmus rot
Beispiel:
Wasserstoff + Säurerest ➟ Säure
H + Cl ➟ Salzsäure
H 2 + SO 4 ➟ Schwefelsäure
H + COOH ➟ Ameisensäure
Basen bestehen immer aus einer OH-Gruppe und einem
Metall.
Die OH-Gruppe
bedingt die alkalische oder basische oder laugenhafte
Wirkung,
führt zu einem pH-Wert über 7,
färbt rotes Lackmus blau.
In Wasser gelöste Basen heißen Laugen.
NaOH in Wasser gelöst ist die Natronlauge. Der Bäcker
bezeichnet sie entsprechend der Verwendung als Brezenlauge.
Beispiel
Metall + OH-Gruppe ➟ Lauge/Base
Na + OH ➟ Natronlauge
K + OH ➟ Kalilauge
Ca + (OH) 2 ➟ Kalkwasser
Salze entstehen durch die Reaktion von Säuren und
Basen.
Dabei werden die Eigenschaften von Säure und Base
neutralisiert. Die Zahl der H-Ionen und der OH-Ionen ist
ausgeglichen.
Beispiel:
HCI + NaOH ➟ NaCl + H 2O
Salz- + Natron- ➟ Koch- + Wasser
säure lauge salz
pH-Wert – Säurewert
Der pH-Wert ist eine Messzahl. Sie zeigt an
ob Säure oder Base vorhanden ist,
wie stark die Säure oder Base ist.
Vergleichstafel
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
sauer
neutral
Indikatorpapier
Abb. 2: Messung des pH-Wertes mit Indikatorpapier
basisch
Indikatoren sind „Anzeiger“, die bei einem bestimmten
pH-Wert die Farbe ändern. Am häufigsten wird Lackmus
verwendet (Abb. 2).
Einführung

Einführung
20 Naturwissenschaftliche Grundlagen
Abb. 1: pH-Wert-Messgerät
Das Gerät hat eine Sonde, die mit dem Lebensmittel in
Verbindung gebracht wird. Über eine Leitung werden
die Daten zum Gerät geführt und dort auf der Skala angezeigt.
1.5 Lösungen
Die einzelnen Stoffe verhalten sich unterschiedlich,
wenn sie mit Wasser in Verbindung kommen. Zur Erläuterung
wählen wir aus dem Bereich der Lebensmittel
Kochsalz, Gebrauchszucker (Rohr- oder Rübenzucker)
sowie Gelatine, eine Eiweißart.
Ionenlösung
Gibt man Kochsalz in Wasser, zerfällt das Salzkristall in
die Ionen Na + und Cl – . Um diese elektrisch geladenen
Teilchen lagern sich Wassermoleküle an. Die Ionen verbinden
sich erst wieder zu Kochsalz, wenn das Wasser
verdampft (Abb. 2).
Na +
Molekularlösungen
Cl -
Na +
Abb. 2: Salz zerfällt in Ionen.
Na +
Cl -
Salz
NaCl
Ein Molekül Gebrauchszucker besteht aus einem Teil
Traubenzucker und einem Teil Fruchtzucker. Die
Zuckermoleküle lagern sich zusammen und bilden ein
Zuckerkristall. Bringt man Zucker in eine Flüssigkeit,
löst sich zwar das Kristall auf, doch die Moleküle bleiben
unverändert erhalten (Abb. 3).
Cl -
Na +
Cl -
Ionen
Ionenlösungen und Molekularlösungen bezeichnet
man als echte Lösungen. Neben festen gelösten
Stoffen wie Salz oder Zucker gibt es auch
Lösungen von Flüssigkeiten in Flüssigkeiten, z. B. in
Spirituosen, wo sich Alkohol in wässriger Lösung befindet,
Lösungen von Gasen in Flüssigkeit, z. B. Kohlendioxid
in Limonaden und Schaumwein.
Die Menge des gelösten Stoffes in einem Lösungsmittel
wird als Konzentration bezeichnet. Wie die Grafik
zeigt, ist die Menge, die gelöst werden kann
je nach Stoff unterschiedlich,
von der Temperatur abhängig (Abb. 4).
Kann das Lösungsmittel nichts mehr von dem zu lösenden
Stoff aufnehmen, so ist die Lösung gesättigt.
Wird in dieser Situation noch mehr von der zu lösenden
Substanz beigegeben, setzt sie sich am Boden ab, die
Lösung ist übersättigt.
Kolloidale Lösungen
Zucker
Abb. 3: Zuckermoleküle zerfallen nicht.
g Stoff in 100 g Wasser
Moleküle
500
400
300
200
100
0
0 50 100
Eiweiß bildet Riesenmoleküle, die um ein Vielfaches
größer sind als z. B. die Zuckermoleküle. Riesenmoleküle
bleiben auch in der Lösung als eine Einheit erhalten,
doch sie lagern Wassermoleküle an. Man spricht
von kolloidalen Lösungen (Abb. 5).
Sol
kolloidale Lösung
Temperatur in C°
Abb. 4: Unterschiedliche Löslichkeit
Abb. 5: Koagulation (Gerinnung)
Rohrzucker
NaCl
Gel
Gallerte

1 Chemische Grundlagen 21
Sol ist eine kolloidale Lösung, z. B. aufgelöste Gelatine,
Eiklar.
Gel, Gallerte ist geronnenes Eiweiß, z. B. gekochtes Ei,
Aspik, Joghurt.
Dieses Erstarren nennt man Gerinnen oder Koagulieren
(Seite 20, Abb. 5). Ein Eiweiß-Sol kann durch Zugabe
von Säure oder durch Erhitzen zum Gerinnen
gebracht werden.
1.6 Emulsionen
Fett schwimmt auf
Wasser, weil es leichter
ist als dieses (Abb. 1).
Anders ist das bei
Emulsionen.
Emulsionen sind feinste
Verteilungen einer
Flüssigkeit (Fett) in einer
anderen (Wasser)
mit der sie sich üblicherweise
nicht vermischt
(Abb. 2).
Diese bleibende Verteilung
ermöglichen Emulgatoren
oder Schutzstoffe,
die die Oberflächenspannung
und
damit die „Abstoßungskraft“
der Moleküle herabsetzen.
Bekannte Emulsionen Emulgator
Milch: Fett in Wasser Eiweiß der Milch
Sahne: Fett in Wasser Eiweiß der Milch
Butter: Wasser in Fett Eiweiß der Milch
Mayonnaise: Wasser in Fett Eigelb
1.7 Diffusion – Osmose
Abb. 1: Fett auf Wasser
Abb. 2: Emulsion
In einer Flüssigkeit sind die Moleküle in ständiger
Bewegung. Je wärmer eine Flüssigkeit, desto stärker
die Bewegung. Dabei stoßen die Teilchen wie Billardkugeln
aneinander und verändern unkontrolliert ihre
Richtung. So kommt es nach einer bestimmten Zeit zu
einer selbstständigen Vermischung der Teilchen und es
herrscht überall die gleiche Konzentration. Diesen Vorgang
nennt man Diffusion (Abb. 3).
Die Wände der tierischen und pflanzlichen Zellen hindern
den freien Austausch der Teilchen, die Diffusion
wird eingeschränkt. Die Zellwände enthalten jedoch
feinste Poren, die nur für Wasser durchlässig sind, nicht
aber für die viel größeren Eiweiß- oder Zuckermoleküle.
Diese Zellwände werden deshalb als halbdurchlässige
Membranen bezeichnet.
Abb. 3: Zellwand ist nur für Wasser durchlässig.
Der Ausgleich unterschiedlicher Konzentrationen ist
darum nur in einer Richtung möglich: Wassermoleküle
wandern zum Ort der höheren Konzentration. Diesen
Vorgang bezeichnet man als Osmose.
Beispiele
Durch die Haut nimmt die Kirsche Wasser auf, kann
aber keine Zuckermoleküle abgeben. Durch die Quellung
platzt letztlich die reife Kirsche.
Abb. 4: Die Kirsche zieht Wasser.
Werden Früchte gezuckert, ist die Zuckerkonzentration
außerhalb der Frucht höher als im Fruchtfleisch. Das
Wasser wandert durch die Fruchtwand zum Zucker
(Abb. 5).
Abb. 5: Der Zucker zieht Saft aus der Kirsche.
Einführung

Einführung
22 Naturwissenschaftliche Grundlagen
1 Erklären Sie den Unterschied zwischen einem Atom und einer Verbindung.
2 „Jetzt habe ich soviel Salz in das Wasser gegeben, dass es sich nicht mehr auflöst.“
Erklären Sie den Zusammenhang.
3 Stimmt es, dass in heißem Wasser mehr Zucker aufgelöst werden kann als in kaltem?
4 Wenn man Radieschen einschneidet und dann in Wasser legt, erhält man dekorative „Blüten“.
Erklären Sie den Vorgang.
5 „Die Osmose ist doch das Gleiche wie eine Diffusion,“ sagt der eine. Der andere meint: „Aber nur fast.“
Erklären Sie den Unterschied.
6 Wenn man Gurken in Scheiben schneidet und als Salat anmacht, schwimmen diese nach kurzer Zeit in Flüssigkeit.
Kennen Sie den Grund?
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Hebelgesetz
Der Hebel ist die einfachste Maschine. Wir wenden ihn
in vielfältiger Weise an, ohne uns der Hebelgesetze bewusst
zu werden. Deren Kenntnis kann aber sehr nützlich
sein, denn Hebel helfen Kraft sparen.
Abb. 1: Hebelwirkung
D
Das Beispiel (Abb. 1) zeigt eine Dose mit einem
Klemmdeckel, der so fest sitzt, dass er mit der Hand
nicht geöffnet werden kann. Nutzt man das Griffende
eines Löffels als Hebel, ist es ein Leichtes, den Deckel
abzuheben.
Man unterscheidet zwei Arten von Hebeln.
Beim zweiseitigen Hebel liegen Kraftarm und Lastarm
auf zwei verschiedenen Seiten der Drehachse.
Beim einseitigen Hebel liegt die Drehachse am Ende
der Hebelstange.
Aufgaben
F 1
L1
D
L2
Abb. 2: Zweiseitiger Hebel und einseitiger Hebel
F 2
An einem Hebel herrscht Gleichgewicht, wenn
Kraft · Kraftarm
F1 · L1
Drehmoment 1
2.2 Hebel als Werkzeuge
Bei Scheren sind zwei Hebel verbunden; über den gemeinsamen
Drehpunkt setzt die Kraft an (Abb. 3).
Abb. 3: Hebelwirkung bei einer Schere
=
=
physical fundamentals
la physique de base
L1
L2
F 1
F 2
Last · Lastarm
F2 · L2
Drehmoment 2

2 Physikalische Grundlagen 23
Die Schnittkraft ist „innen“ in der Schere am stärksten.
Darum liegt bei der Geflügelschere auch der „Knochenschneider“
nahe am Drehpunkt. Die Flossenschere hat
zusätzlich Zähne, damit die glitschigen Flossen nicht
durch den Druck nach außen weggeschoben werden.
Die Püreepresse, wie man sie z. B. zum Durchdrücken
von gekochten Kartoffeln benutzt, ist um so leichter zu
bedienen, je länger die Kraftarme sind. Man greift darum
ganz außen an die Hebel.
Drehachse
Abb. 1: Püreepresse
Mit Flaschenöffnern arbeitet es sich am leichtesten,
wenn man sie ganz außen fasst, denn durch den langen
Hebel wird die Kraft am besten genutzt (Abb. 2).
Abb. 2: Flaschenöffner
2.3 Tragen und Heben von Lasten
Das Heben und Tragen ist nicht nur mühsam, es
belastet auch die Wirbelsäule. Diese besteht aus fein
gestalteten, nicht austauschbaren Wirbelkörpern, die
zusammen eine leicht geschwungene S-Form bilden.
Zwischen den Wirbelkörpern sind die Bandscheiben
eingelagert. Dieses faserige Knorpelgewebe ermöglicht
die Beweglichkeit der Wirbelsäule.
Wer falsch hebt und trägt, wird auf die Dauer nicht ohne
Bandscheibenschäden bleiben. Diese können von einfachen
Schmerzen beim Aufrichten des Körpers bis zu
Ischias und Lähmung reichen.
Beim Tragen von Lasten soll der Körper gleichmäßig
belastet werden, damit Spannungen in der Wirbelsäule
vermieden werden. Darum ist die Last nach Möglichkeit
auf beide Arme zu verteilen (Abb. 3).
1
1
Lasten werden aus den Knien aufgenommen. Dann ist
die Belastung auf die Wirbel gering und gleichmäßig
verteilt. Die „Arbeit“ leisten die Beinmuskeln (Abb. 4).
2.4 Elektrizität
1
2
Abb. 3: Falsches und richtiges Tragen
Abb. 4: Falsches und richtiges Heben
Die wichtigste Energieart ist heute der elektrische
Strom. Er lässt sich leichter als jede andere Energieart
verteilen und dosieren, die Anwendungsmöglichkeiten
sind vielfältiger.
Wird eine Stromquelle über einen Leiter mit einem Verbraucher
verbunden, entsteht ein Stromkreis (Abb. 5).
E-Werk
Batterie
Abb. 5: Stromkreis
Stromquelle
Leiter
Verbraucher
1
2
Einführung

Einführung
24 Naturwissenschaftliche Grundlagen
Die Stromleitung muss dem Stromdurchfluss entsprechend
gewählt werden. Fließt zu viel Strom durch eine
Leitung, erwärmt sich diese, die Isolierung schmilzt und
es kann zu einem Kurzschluss und zu einem Brand
kommen.
Sicherung
Leitung Leitung
Abb. 1: Sicherung im Stromkreis
Damit eine Stromleitung nicht überlastet werden kann,
baut man Sicherungen in die Stromkreise ein. Bei
Überlastung unterbrechen sie den Stromkreis (Abb. 1).
Das schützt Leitung und Geräte.
2.5 Energie – Arbeit – Leistung
Energie kann in verschiedener Form vorliegen: Kohle
und Öl enthalten Wärmeenergie, Wasser in einem Speichersee
kann mechanische Energie liefern. In den
Kraftwerken wird daraus elektrische Energie erzeugt.
Energie entsteht nicht neu, es kann nur eine Energieform
in eine andere umgewandelt werden.
Öl, Kohle
Wärmeenergie
Wasserkraft
Mechanische Energie
Wärmeenergie
Elektoherd
Mechanische Energie
Küchenmaschine
Abb. 2: Energietransport
Kraftwerk
Elektrische
Energie
Verbraucher
Elektrische
Energie
Die Einheit für die elektrische Leistung ist Watt (W).
Volt · Ampere = Watt
V · A = W
Stromspannung · Stromstärke = Leistung
Wird die Leistung in einer bestimmten Zeit erbracht, so
spricht man von Arbeit.
Sie wird gemessen bei mechanischer Arbeit als Ws und
bei Wärmeerzeugung als Joule.
Watt · 1 Sekunde = 1 Wattsekunde (Ws) v 1 Joule (J).
Das Leistungsschild auf Geräten gibt über deren Leistungsfähigkeit
Auskunft. In Abb. 3 z. B. 920 W.
Weil die Einheit Wattsekunde sehr klein ist, misst der
Zähler den Verbrauch in kWh, in Kilowatt je Stunde. Er
misst also die „Arbeit“, die aus dem Stromnetz entnommen
wird.
Der Anschlusswert ist die höchstmögliche Stromaufnahme
bei voller Leistung, z. B. wenn der Herd aufgeheizt
wird.
Der Verbrauchswert ist der tatsächliche Energieverbrauch,
z. B. die Energie, welche der Heizplatte nach
und nach zugeführt wird.
Der Verbrauchswert ist immer geringer als der Anschlusswert.
2.6 Wärmelehre
Die Wärme nimmt bei der Verarbeitung von Lebensmitteln
eine wichtige Rolle ein: Alle Garverfahren, das
Backen und mehrere Konservierungsverfahren stehen
in engem Zusammenhang mit den Einflüssen der
Wärme.
Aber auch das Kühlen und Frosten, also der Entzug von
Wärme, sind Gebiete der Wärmelehre.
Aggregatzustände
Leistung
Arbeit
230 V • 4 A = 920 W 2 h
Leistung • Zeit = Arbeit oder Wärme
Abb. 3: Elektrische Arbeit
Führt man einer Flüssigkeit Wärme zu, so schwingen
deren Moleküle schneller, bis sie aus der Flüssigkeit
ausbrechen und in den gasförmigen Zustand übergehen.
Bei der Abkühlung verhält es sich genau umgekehrt.
Die langsamer werdenden Moleküle verdichten

2 Physikalische Grundlagen 25
sich aus dem gasförmigen Zustand zur Flüssigkeit und
werden bei weiterer Abkühlung fest.
Für Wasser ergibt sich bei normalem Luftdruck die folgende
Übersicht.
Wasserdampf
Kondensationspunkt
Siedepunkt
Erstarrungspunkt
Schmelzpunkt
Eis
Abb. 1: Aggregatzustände
Aggregatzustand
100 °C
0 °C
Molekülabstand
Wasser kann aber auch unmittelbar vom festen in den
gasförmigen Zustand übergehen, aus Eis wird dann sofort
Wasserdampf. Das nennt man Sublimation.
Die Sublimation
nutzt man beim Gefriertrocknen z. B. bei löslichem
Kaffee,
führt zu Gefrierbrand bei Lebensmitteln, die unverpackt
gefrostet werden.
Die Zustandsformen fest, flüssig und gasförmig nennt
man die Aggregatzustände. Die Übergangstemperatur
von einem Aggregatzustand in einen anderen ist für jeden
Stoff typisch. Bei Wasser liegen diese Werte z. B.
bei 0 °C und bei 100 °C.
Fett ist ein Gemisch von unterschiedlichen Fettmolekülen.
Da jede Art den ihr eigenen Schmelzpunkt hat,
schmilzt oder erstarrt das Fett nicht bei einem bestimmten
Temperaturpunkt, sondern innerhalb eines
Temperaturbereiches. Man spricht darum vom
Schmelzbereich und Erstarrungsbereich (Abb. 2).
Der Siedepunkt wird auch als Rauchpunkt bezeichnet,
weil sich das Fett in gasförmigem Zustand als Rauch
zeigt.
fest flüssig gasförmig
0 °C 100 °C 200 °C
Der Siedepunkt ist vom Druck abhängig.
Wasser lässt sich unter normalem atmosphärischem
Druck nicht über 100 °C erhitzen, die trotzdem weiter
zugeführte Wärme führt zum Verdampfen des Wassers
(Dampf = gasförmiges Wasser).
Je höher der Außendruck ist, desto schwerer haben es
die Wassermoleküle, als Gas zu entweichen, desto
höher ist die Siedetemperatur des Wassers (Abb. 3).
Es kann also heißer als 100 °C werden. Diese Temperaturerhöhung
führt zu einer Verkürzung der Garzeit.
Aus diesem Grund werden die Dampfdrucktöpfe auch
Schnellkochtöpfe genannt. Ein weiteres Beispiel für die
Anwendung einer erhöhten Siedetemperatur sind die
Autoklaven, die in der Industrie zum Sterilisieren von
Konserven verwendet werden.
Wird Luft abgepumpt und somit der Luftdruck verringert,
entsteht ein Vakuum. Das Wasser siedet bei geringerer
Temperatur und gibt dabei Wasserdampf ab.
Man nutzt dies z. B. beim Eindicken von Kondensmilch.
Die niedrigere Siedetemperatur vermindert hierbei die
Ausbildung des Kochgeschmacks.
Destillieren
Schmelzbereich
Butter
Abb. 2: Schmelzbereich und Rauchpunkt
Dampfdruck p
bar
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0
Rauchpunkt
0 80 90 100 110 120 130
t
Siedetemperatur
°C
Abb. 3: Siedetemperatur ist vom Druck abhängig.
Den unterschiedlichen Siedepunkt von Flüssigkeiten
kann man nutzen, um diese voneinander zu trennen.
Im Nahrungsgewerbe wird auf diese Weise z. B. Alkohol
von Wasser getrennt.
Einführung

Einführung
26 Naturwissenschaftliche Grundlagen
Das Gemisch wird erhitzt. Bei etwa 80 °C beginnt der
Alkohol zu sieden und verlässt als Dampf die Flüssigkeit.
Wasser siedet erst bei 100 °C und bleibt deshalb
bei dieser Temperatur zurück. Der Alkoholdampf wird
aufgefangen und abgekühlt. Er kondensiert und tropft
als flüssiger hochprozentiger Alkohol in die Auffangschale
(Abb. 1).
Wasser
bleibt
zurück
Abb. 1: Destillation
Thermometer
Wärmemenge und Temperatur
Kühlwasserablauf
Kühlwasserzulauf
Kühler
Alkohol
In einem großen Topf mit Wasser steckt eine Menge
Wärme, obwohl die Temperatur vielleicht nur 60 °C beträgt.
Wenn das Wasser in einem großen Topf erwärmt
werden soll, benötigt man eine größere Wärmemenge
als bei der Erwärmung einer geringeren Menge.
Die Einheit für die Wärmemenge ist das Joule (J); wir
werden beim Nährwert- oder Energiegehalt der
Lebensmittel noch darüber sprechen.
Beim Zubereiten von Fleisch liest man oft die Anweisung:
„Von allen Seiten scharf anbraten, das Fleisch
darf auf keinen Fall Flüssigkeit ziehen.“
Bei einer solchen Arbeitsanweisung werden Temperatur
und erforderliche Wärmemenge nicht klar getrennt.
Bei gleicher Temperatur ist die zugeführte Wärmemenge
klein
80 °C 1 l
groß
80 °C 10 l
In gleicher Zeit ist die zugeführte Wärmemenge
klein
40 °C in 5 min
Abb. 2: Wärmemenge und Wärmezustand
groß
80 °C in 5 min
Es ist zu unterscheiden zwischen:
Temperatur,
das ist die mit dem Thermometer im Augenblick
messbare Wärme
und
Wärmemenge,
das ist die Energiemenge, die dem Lebensmittel zugeführt
wird.
Beim korrekten Garen müssen beide Faktoren richtig
gewählt sein: Sowohl Temperatur als auch Wärmemenge
müssen stimmen. Ist die Wärmemenge zu
gering, sinkt die Temperatur ab, und es kommt zu Fehlprodukten.
Temperaturmessung
Den Wärmezustand oder die Temperatur eines Körpers
misst man mit dem Thermometer.
Temperaturskalen
Celsius setzte auf der Temperaturskala den Schmelzpunkt
von Eis mit 0 °C und den Siedepunkt des Wassers
mit 100 °C fest. Temperaturen unter 0 °C werden
als Minusgrade bezeichnet, z. B. –18 °C.
Da die Temperatur auf der Bewegung der Moleküle beruht,
ist dann die tiefste Temperatur erreicht, wenn die
Moleküle völlig ruhen. Das ist der absolute Nullpunkt,
kälter kann es nicht werden.
Nach Kelvin beginnt die Temperaturskala bei 0 K. Der
Schmelzpunkt des Wassers liegt bei 273 K. Der Abstand
auf der Skala ist für beide Systeme gleich. 1 K v
1 °C.
Einen Vergleich zeigt die Temperaturskala.
0 K Kelvin 273 K 373 K
-273 °C Celsius 0 °C 100 °C
Abb. 3: Temperaturskala in K und °C
Thermometer
Zur Messung von Temperaturen benutzt man Thermometer.
Diese zeigen über die Wärmeausdehnung den
Wärmezustand an. Nach der Bauart unterscheidet man
Flüssigkeitsthermometer und Bimetallthermometer.
Flüssigkeitsthermometer enthalten Quecksilber oder
Alkohol. Diese dehnen sich bei Erwärmung in ein luftleeres
Rohr hinein aus. Auf der Skala ist die Temperatur
abzulesen. Quecksilber erstarrt bei minus 40 °C. Bei
Minusgraden verwendet man darum statt Quecksilberthermometer
solche mit Alkoholfüllung, die meist blau
oder rot eingefärbt ist.

2 Physikalische Grundlagen 27
Bimetall-Spirale
Abb. 1: Bimetall-Thermometer
Beim Bimetallthermometer sind zwei Streifen unterschiedlicher
Metalle fest miteinander verbunden. Bei
Temperaturänderung dehnen sich die Metalle unterschiedlich
aus und die Streifen verbiegen sich. Diese
Durchbiegung wird auf einen Zeiger übertragen, die
Temperatur ist an der Skala ablesbar (Abb. 1).
Temperaturregelung
Temperaturregler oder Thermostate finden wir z. B. im
Fettbackgerät, im Kühlschrank, im Froster, bei elektrischen
Automatik-Kochplatten und zur Regelung der
Zimmertemperatur.
Die Regler haben die Aufgabe, eine bestimmte vorgewählte
Temperatur möglichst genau zu halten.
Regelung
durch
Thermostat
aus ein
Heizung
Kühlung
Abb. 2: Regelung durch Thermostat
40
40
Sollwert
5 °C
Istwert
30
30
20
20
10
0 °C
10
Prinzip
Die Temperatur wird vorgewählt wie sie sein soll
➟ Sollwert.
Ein Temperaturfühler meldet dem Thermostat, wie die
Temperatur ist ➟ Istwert.
Im Thermostat werden die beiden Informationen verknüpft.
Weicht der Ist-Wert, die tatsächliche Temperatur,
vom Soll-Wert, der vorgewählten Temperatur, ab,
wird durch den Thermostat entsprechend geschaltet
(Abb. 2).
Kühlmaschine – Wärmepumpe
Die Kühlmaschinen von Kühlschränken und Frostern
arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die Wärmepumpen,
die Wärme ins Haus bringen.
Bei den kühlenden Maschinen wird die Wärme aus
dem „Kühlraum“ herausgezogen, die Wärmepumpe
schafft umgekehrt Wärme in den Raum. Die Voraussetzungen
dazu beruhen auf physikalischen Gesetzen.
Werden Flüssigkeiten oder Gase zusammengepresst,
entsteht Wärme. Beim Aufpumpen des Fahrrades hat
dies jeder schon einmal festgestellt. Umgekehrt wirkt
eine verdampfende Flüssigkeit kühlend.
Die Technik fasst Verdichten = Wärmeabgabe und Verdampfen
= Wärmeaufnahme zu einem Kreislauf zusammen.
Im Röhrensystem befindet sich ein Arbeitsmittel,
das bereits bei sehr niedriger Temperatur verdampft.
Kühlschrank: Das gasförmige Arbeitsmittel wird
komprimiert, die dabei entstehende Wärme leitet man
außen am Kühlschrank ab. Durch diese Temperaturherabsetzung
verflüssigt sich das zusammengepresste
Arbeitsmittel (Aggregatwechsel). In Rohrschlangen
in dem zu kühlenden Raum wird der Druck
über ein (regelbares) Ventil wieder herabgesetzt, das
Arbeitsmittel verdampft dadurch (erneuter Aggregatwechsel)
und entzieht dabei, wie gewünscht, der Umgebung
Wärme. Anschließend gelangt das gasförmige
Arbeitsmittel wieder in den Kompressor, der Kreislauf
ist geschlossen (siehe Abb. 1 auf folgender Seite).
Bei der „Kälteerzeugung“ zum Kühlen und Frosten wird
also die Wärme den zu kühlenden Räumen entzogen
und an die Luft abgegeben.
Die „Wärmepumpen“ holen die Wärme aus der Luft
oder aus dem Grundwasser und pumpen sie in das
Haus, wo sie als Heizung genutzt wird. Das Prinzip ist
das Gleiche, nur wird jeweils die Technik mit anderem
Ziel eingesetzt.
Einführung

Einführung
28 Naturwissenschaftliche Grundlagen
Verdampfer
Wärmeaufnahme
im Kühlschrank
Abb. 1: Prinzip eines Kühlschrankes
Aufgaben
Verdichter
Wärmeabgabe
an den Raum
11 Andere Berufe haben auch Merksätze. Schlosser lernen: „Unglaublich ist des Schlossers Kraft, wenn er sich
Verlängrung schafft“.
Erklären Sie im Zusammenhang mit dem Hebelgesetz.
12 „Der Neue ist noch schwach. Erkläre ihm, wie er die gekochten Kartoffeln leichter durch die Presse bringt“, sagt
Ihr Ausbilder.
Was werden Sie dem Neuen sagen?
13 Nennen Sie zwei Regeln, wie bei der Arbeit die Belastung der Bandscheiben vermindert werden kann.
14 Erfahrenes Servicepersonal trägt ein volles Tablett nahe am Körper.
Welchen Grund haben diese Personen?
15 Eine Leitung mit 230 V ist mit 10 Ampere abgesichert.
Können drei Tauchsieder mit je 900 Watt eingeschaltet werden?
16 „Wer tiefgekühlte Hähnchen annimmt, muss genau darauf achten, dass die Verpackung nicht verletzt ist.“
Erklären Sie diese Anweisung im Zusammenhang mit den Aggregatzuständen.
17 Warum haben Fette einen Schmelzbereich und nicht einen Schmelzpunkt?
18 Warum wird der Dampfdrucktopf auch Schnellkochtopf genannt?
19 „Wir erhitzen unsere Konserven in Autoklaven.“
Erklären Sie, was der Betrieb mit den Konserven macht.
10 Wie wird aus Wein mit etwa 10% Alkohol ein Weinbrand?
11 „Die meisten Rezeptschreiber blicken nicht durch. Sie schreiben bei großer Hitze anbraten und meinen: Es
muss eine genügende Wärmemenge vorhanden sein.“
Erklären Sie diese Aussage im Zusammenhang mit dem Anbraten von 2 kg Gulaschfleisch auf einem Haushaltsherd.
12 „Ein Kühlschrank schaltet in bestimmten Zeitabständen ein und aus. Erklären Sie diesen Ablauf.“ So lautete
eine Prüfungsfrage. Wie wäre Ihre Antwort?

3 Biologische Grundlagen 29
3 Biologische Grundlagen
3.1 Zelle – Gewebe
Hauptbestandteile der Zelle sind
Zellkern, mit den gespeicherten Erbinformationen,
Zellplasma oder Zellsaft, worin die Nährstoffe wie
Zucker, Stärke oder Öl eingelagert sind,
Zellwand, die die ganze Zelle umfasst.
Bei der Zellwand bestehen zwischen der pflanzlichen
und der tierischen Zelle Unterschiede.
Abb. 1: Pflanzliche Zelle
Während die tierische nur von einem dünnen Eiweißhäutchen
umgeben ist (Abb. 2), besitzen pflanzliche
Zellen feste, manchmal auch „holzige“ Wände (Abb. 1).
Viele Zellen sind zu einem Gewebe oder Zellverband
vereinigt. Diese sind bei den Tieren stärker spezialisiert
als bei den Pflanzen. Das macht sich bei den Vorbereitungsarbeiten
in der Küche bemerkbar. So kann bei
den Tieren das Stützgewebe = Knochen verhältnismäßig
leicht vom Muskelgewebe getrennt werden. Bei
Pflanzen sind die härteren, faserigen oder holzigen
Stützbestandteile nicht so einfach von den übrigen Geweben
zu trennen.
Abb. 2: Tierische Zelle
Stärkekorn
Zellkern
Zellwand
Zellsaft
Zellhaut
Zellsaft
Zellkern
3.2 Fotosynthese
Die Energie auf der Erde entstammt überwiegend der
Sonne. Die Blätter der Pflanzen sind „Solarzellen“, mit
denen ein Teil dieser Energie aufgefangen wird. Mit
Hilfe dieser Energie entsteht aus dem Wasser des
Bodens und dem Kohlendioxid der Luft Einfachzucker.
Sauerstoff wird dabei an die Luft abgegeben (Abb. 3).
Sonnenwärme
Kohlendioxid
CO 2
Abb. 3: Fotosynthese
Die Strahlungsenergie der Sonne wird auf diese Weise
in den Blättern der Pflanze zu chemischer Energie. Bei
der Verdauung wird diese Energie wieder frei und als
Wärme (Körperwärme) oder mechanische Energie
(Kraft) genutzt.
Den Aufbau organischer Stoffe wie Zucker oder Fett
aus anorganischen Stoffen nennt man Assimilation
(Angleichung an das Lebendige). Dissimilation ist der
Abbau der organischen Nährstoffe zu anorganischer
Substanz (Abb. 4).
Sonnenwärme
Assimilation Dissimilation
Abb. 4: Stoffkreislauf
Organische
Stoffe
Sauerstoff
O 2
biological fundamentals
la biologie de base
Tier
Anorganische
Stoffe
Zucker
C 6H 12O 6
H 2O
Wasser
Einführung