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Intelligente Technologien zur Optimierung von Effizienz und Qualität in der Feinkostherstellung

Innovationsworkshop Lebensmittelqualität und -sicherheit Feinkost und Convenience 24. Mai 2012 ttz Bremerhaven, Fischkai 1, Bremerhaven. Intelligente Technologien zur Optimierung von Effizienz und Qualität in der Feinkostherstellung Klaus Lösche ttz Bremerhaven BILB/EIBT.

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Intelligente Technologien zur Optimierung von Effizienz und Qualität in der Feinkostherstellung

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  1. Innovationsworkshop Lebensmittelqualität und -sicherheit Feinkost und Convenience 24. Mai 2012 ttz Bremerhaven, Fischkai 1, Bremerhaven Intelligente Technologien zur Optimierung von Effizienz und Qualität in der Feinkostherstellung Klaus Lösche ttz Bremerhaven BILB/EIBT

  2. Struktur Wirkung  Technologie Struktur, Textur, Reaktivität Technologie/ Verfahren(Konstruieren) - Molekuarer Aufbau- physikalischer Zustand Funktionelle Eigenschaften Abb.: Struktur-Wirkungsprinzipien durch Technologie beeinflussen

  3. Komplexe Flüssigkeiten

  4. Polymer: Kette von vielen Monomeren sehr flexibel Orientierung im Raum wie Bahn eines Random walkers z. B. Proteine oder DNA Makromoleküle und Polymerketten

  5. deformierte Kugeln, entweder in Stäbchen- oder Plättchenform Flüssigkristalle, dh. sie fließen wie Flüssigkeiten, aber brechen Licht wieKristalle Zwischenstufe zwischen isotroper Flüssigkeit und periodischem Gitter Mesogenische Stoffe

  6. Amphiphile, Lipide polarer „Kopf“ und unpolareKohlenwasserstoff-KettealsSchwanz in polaremLösungsmittelformensichMicellen: Selbstassemblierung + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

  7. Selbstassemblierung • Tenside • Reduktion der Oberflächenspannung vonÖl-Wasser-Grenzflächen • Entstehung von Monolayern

  8. Tinten, Farben, Milch bestehen aus Kolloiden Teilchengröße im nm bzw. μm-Bereich, dh. große Oberfläche mitunter Verhalten wie extrem große Atome  aber: a) polydispers b) thixotrop c) Brownsche Bewegung Suspensionen - Kolloide

  9. „Verarmungskräfte“- depletion forces zwischen zwei Kolloiden Verarmungszone von kleinen Teilchen Anziehung zweier großerTeilchen für kurze Abstände Partikel-Interaktionen

  10. Löslichkeit , Quellung : Getränke, Flüssignahrung… Wasserbindung : Teige. Kuchen, Wurst… Viskosität : Teige, Suppen, Massen, Kindernahrung, Waffelmassen, Nasspanaden , Tempura… Gelbildung : Geleebelag, Simulate (Texturate), Extruderprodukte, Käse, Rohwurst… Emulgiereigenschaften: Massen, Kremes, Eis, „frozen dessert“, Milch, Wurst, Mayonnaise, Eiaustauscher… Schaumeigenschaften: Massen, Schäume (Bier) , Schlagsahne, weiches Bonbon, süßer Proteinschaum ( Marshmallows, Schaumwaren aller Art), Baiser, „whipped toppings“… Nährwert: Spezialprodukte, Diabetikergebäck, Snackprodukte. Kindernahrung… Funktionelle Eigenschaften der Proteine in Lebensmitteln

  11. Die Funktionalität der Proteine bewegt sich innerhalb von Grenzzuständen, zu denen gehören: Nativ denaturiert Gefaltet entfaltet Hydrophil hydrophob Elektrisch geladen elektrisch neutral Reduziert (-SH) oxidiert (-SS-) Dissoziiert (desaggregiert) assoziiert (aggregiert) Geordnete höhere Struktur vollständig ungeordnete Struktur (randomcoil) Löslich unlöslich Hydrolysiert polymerisiert Unvernetzt vernetzt Funktionelle Eigenschaften der Proteine in Lebensmitteln

  12. Stabilisierung von Schäumen Interaktion zwischen Chitosan und Molkeprotein Interaktion zwischen teilweise-entpolymerisiertem Chitosan und Molkeprotein Abb.: Funktion von mikrokristallinem Chitosan

  13. Gelbildende und nicht gelbildende Hydrokolloide Abb.: Differenzierung der Hydrokolloide nach ihrem Ladungssinn

  14. Makromoleküle und Polymerketten • GelezeigenViskoelastizität • viskosesFließenbeikleinen und • elastischesVerhaltenbeigroßenDrücken

  15. Wirkung von Galaktomannanen in LebensmittelQuellung (Wasser-Bindung) ViskositätserhöhungStabilisierung • durch Synergismus mit anderen Hydrokolloiden • durch Interaktionen mit anderen Inhaltsstoffen • in der NahrungVerdauungsförderung (Nahrungsfaser)

  16. Praktisches Beispiel: EISCREME • Synergismus: JBKM - Carrageen (Verhinderung der Synärese, positive Beeinflussung des cremigenGeschmackes, großerEinfluss auf den Schmelzpunkt) • Mouth feel “chewy”: Guar (chewy: das EisbleibtlängerimMunde und eswirktkälter)

  17. “Schutzkolloidwirkung” bei der Haltbarmachung (Thermisierung) Praktisches Beispiel: FRISCHKÄSE / QUARK

  18. Suppen / Saucen Beispiel: Gulasch konstanteViskosität um Fleischstückchen in Schwebe zu halten. Praktisches Beispiel: SUPPEN / SAUCEN

  19. Structure D-mannuronic acid, L-guluronic acid Poly M blocks Poly G blocks Alternating M-G blocks M/G ratio differs depending on the source Alginat

  20. Low MW fractions show nearly Newtonian flow Non-Newtonian behavior increases with – Increasing degree of polymerization (DP) – Increasing concentration – Presence of Ca++ instead of Na+ Alginat-Eigenschaften

  21. Alginat-Strukturen Poly-D-mannuronic acid segment of alginate Poly -L-guluronic acid segment of alginate

  22. Ca++ gels Acid gels Combination gels These are all called chemically set gels Alginat-Gelbildung

  23. Einschluss von konventionellen oder probiotischen Bakterien in Alginatmikrokapseln durch Vertropfung Druck/ Pumpe Produkt Vibrations- Düse Na-Alginat-lösung Bakterien-partikel Ca2+Fäll- Bad Quelle: de Vrese et. al. 2007

  24. Einschluss von Probiotika in Multilayer- Mikrokapseln aus Fettkern und Alginathülle Hartfett Probiotika Lyophilisat Beschichtungsbäder Chitosan (+) Alginat (-) Vibrationsdüse große runde Partikel (Kälte) Fällbad Quelle: de Vrese et. al. 2007

  25. Untersuchung eines mehrschichtigen Kapselaufbaus durch Messung der Oberflächenladung der Partikel Quelle: de Vrese et. al. 2007

  26. “Particle Charge Detection” (PCD) (in Aqua bidest.)” 6350 Coulomb/g -0,58 Witepsol H 37 +Chitosan(0,5%Tween 80) -2828 Quelle: de Vrese et. al. 2007

  27. Feste Partikel Erweichen geschmolzen Schmelzen von Chitosan-Alginat- beschichteten Hartfett-Mikropartikeln Quelle: de Vrese et. al. 2007

  28. Produktinnovation Obstsalat-Dressing : Verkapselung von Orangenöl etc. in Alginat (Trophelia 2012)

  29. Many food proteins are globular structures of between 10s and 100s of nanometres in size. Most polysaccharides and lipids are linear polymers, 2nm thick. Stabilised foams/emulsions are two-dimensional nanostructures, one molecule thick at the air/water or oil/water interface. Three-dimensional nanostructures are formed when food biopolymers assemble into fibrous networks. http://www.ifr.ac.uk/publications/scienceinnovation/0502_nanotechnology/ Nanotechnology occurs naturally in many foods

  30. When starch is heated to produce custard, small three-dimensional polysaccharide crystalline lamellae (nanometres-range) “melt”. The paste formed on cooling depends on the recrystallisation/hydration process. Custard –a nanotechnology transformation

  31. Casein particles are ~200nm in milk (>5oC). Lactic acid released by microbial action cleaves the kappa chain ends in casein, allowing the particles to grow and produce a gel-like structure. NB. casein is linked in a micelle by calcium phosphate. Below 5oC. This link dissociates to give ~50nm particles. Milk –yoghurt

  32. Homogenisation is a mechanical treatment of the fat globules in milk brought about by passing milk under high pressure through a tiny orifice. It results in a decrease in the average diameter, and an increase in the number and surface area, of the fat globules. http://journals.tubitak.gov.tr/veterinary/issues/vet-04-28-2/vet-28-2-9-0204-34.pdf Milk homogenisation

  33. Milk homogenisation process –followed by ultrasonics Courtesy Prof. Malcolm Povey

  34. Mikrostruktur von Emulsionen. Nur Öltröpfchen in Wasser?

  35. Die Emulsion in der Emulsion (Schuchmann, 2009)

  36. Emulgiermaschinen Delgado 2005

  37. Herstellung feindisperser Emulsionen Delgado 2005

  38. Mechanismen kontinuierlicher Dispergierer Delgado 2005

  39. Die meisten aller Emulsionensind thermodynamisch nicht stabil. Gefahr der Koaleszenz:schon während des Mischvorgangs Besonders bei:turbulenten Bedingungenniedriger Viskosität Stabilität u.a. Vermeidung von Koaleszenz Quelle:

  40. Applikation - Mikroprozesstechnik- Reagieren- Homogenisieren- Thermisieren- Mischen- Emulgieren- Verschäumen Flüssigkeit 1 Emulsion Flüssigkeit 2 Gas Gas Schaum (mit Emulsion) Mikro-Mischer: Homogenisieren und ThermisierenInstitut für Mikrotechnik Mainz GmbH Vorteile Erhöhte ProzessflexibilitätSteigerung der EnergieeffizienzDeutlich reduzierter PlatzbedarfSenkung der ProduktionskostenKurze Reaktionszeiten Abb.: Mikrostrukturierter Raupenmischer: Fettkügelchen in Rohmilch von 5 µm auf 1,3µm reduzieren

  41. Arbeitsprinzip basierend auf einem Tropfenaufschluss unter vornehmlichlaminarer Dehnströmung. Mit Hilfe von : einer geeigneten hohen spezifischen Energiedichte speziellen Korrelation der Viskositäten zwischen externer Phase ηDund interner Phase ηC ηC / ηD > 1 konstanten jederzeit reproduzierbaren Prozeßbedingungen NanoConti:Technology Quelle:

  42. Vorteile der laminaren Dehnströmung zum Mischen Energie kann gezielt und abgestimmt eingesetzt werden Hohe Scherkräfte pro Volumenelement einbringbar Keine Verwirbelungen wie bei turbulenten System Geringere Koaleszenzgefahr NanoConti Strömungsverhältnisse und das Schergefälle im NanoCon werdendurch die Anordnung und Größe der Mischwerkzeuge genau kontrolliert.So wird auch eine direktes Up-Scalen für Großanlagen möglich. Quelle:

  43. NanoConti:Erste Resultate Quelle:

  44. NanoConti: Prinzipschaltbild zur Herstellung einer O/W Emulsion Quelle:

  45. Resin Nanoemulsions 3 to/h Nanoemulsions spray 20 to/h O/W Emulsions 10 to/h W/O Emulsions 3 to/h Hair conditioner 20 to/h NanoConti: Outputs Quelle:

  46. Stabilitätstest Die Langzeitstabilität ist sehr hoch aufgrund einer weitgehend homogenen Partikelstruktur Quelle:

  47. Die NanoCon Prozessanlage bietet gegenüber konventionellen Anlagen folgende ökonomische Vorteile: • niedriger Energieverbrauch – je nach Produkt 1-10 KWh / to • geringer Platzbedarf • in den meisten Fällen kann auf Kühlwasser verzichtet werden • exakte Temperaturführung • Sicheres Scaling-up mit garantierter Produktqualität • garantierte Luftfreiheit ohne Vakuum • sichere und einfache Reinigung der Anlage Quelle:

  48. NanoConti Laboremulgieranlage Quelle:

  49. Mikrobiologische Stabilität (Beispiel): Keimvermehrung durch Tröpfchengröße hemmen

  50. „Colour engineering“: Anpassen der Produktfarbe durch Partikelgrößen

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