Auf unserer Webseite verwenden wir Cookies, die unter „Cookie-Einstellungen anpassen“ näher beschrieben werden. Notwendige Cookies werden für grundlegende Funktionen der Webseite benötigt, um eine optimale Nutzung zu ermöglichen. Dadurch ist gewährleistet, dass die Webseite einwandfrei funktioniert. Darüber hinaus können Sie Cookies für Statistikzwecke zulassen. Diese ermöglichen es uns, die Webseite stetig zu verbessern und Ihr Nutzererlebnis zu optimieren. Ihre Einwilligung zur Nutzung der Statistik-Cookies ist freiwillig und kann in der Datenschutzerklärung dieser Webseite unter „Cookie-Einstellungen“ jederzeit widerrufen werden.
Datenschutzerklärung
Impressum
Optimierung der Porengrößenverteilung von getreidebasierten Schäumen zur Herstellung feiner Backwaren
Projekt
Förderkennzeichen: AiF 18238 N
Laufzeit: 01.01.2015
- 31.12.2017
Fördersumme: 244.240 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung
Bei allen Lebensmitteln, die Lufteinschlüsse enthalten, handelt es sich technisch betrach-tet um Schäume. Als Schaum versteht man gasförmige Bläschen (Poren), die von festen oder flüssigen Wänden eingeschlossen wer-den. Bei getreidehaltigen Lebensmittelschäu-men handelt es sich mikroskopisch betrachtet um eine heterogene Suspension von festen, nahezu runden Stärkepartikeln, die sich in einer viskoelastischen Matrix (Gluten) mit Gaseinschlüssen befinden. Die Größe der Gaseinschlüsse reicht vom mikrodispersen Bereich bis zu mehreren hundert Mikrometern und hängt neben den einzelnen Komponenten der Matrix von der Intensität und Dauer der mechanischen Exposition und der Geometrie der dazu verwendeten Geräte ab.
Massen sind getreidebasierte Schäume mit einem geringeren Mehlanteil als Teige und werden in der Lebensmittelindustrie zur Her-stellung von Feinen Backwaren verwendet. Weitere wichtige Bestandteile sind Vollei oder Eiklar, Zucker und Stärke. Aufgrund der un-terschiedlichen Rezeptur von Teigen und Massen unterscheidet sich die flüssige Phase insbesondere durch das Verhältnis von Vis-kosität zu Elastizität. Der Gehalt und die Grö-ßenverteilung der Poren im dispersen Schaumsystem (Schaumstruktur) beeinflusst zum einen die rheologischen Eigenschaften des Schaums und somit insbesondere seine Verarbeitbarkeit und zum anderen die Quali-tät des Produkts nach der thermischen Fixie-rung. Insbesondere Volumen, Form, Textur und Porosität des ausgebackenen Produkts werden durch die Schaumstruktur beein-flusst. Veränderungen der Schaumstruktur werden schon durch geringe Schwankungen der Rohstoffeigenschaften und Prozesspara-meter hervorgerufen. Rohstoffeingangskon-trollen und -analysen sind zur Erfassung der komplexen Wirkungen der funktionellen Ei-genschaften der Einzelkomponenten in der Lebensmittelmatrix nicht hinreichend. Um eine optimale Schaumstruktur zu erreichen, müssen daher Schwankungen der Rohstoff-eigenschaften durch variable Prozessparame-ter, wie Aufschlagzeit oder Schergeschwin-digkeit, kompensiert werden.
Derzeit fehlen aber Methoden, um den Ein-fluss und den Effekt der Prozessparameter auf die Schaumstruktur in Echtzeit zu messen und somit Rückschlüsse über die technologi-sche Steuerbarkeit des Prozesses zu ziehen. Die Überwachung erfolgt größtenteils anhand der visuellen und haptischen Eindrücke des Fachpersonals.
Bestehende Systeme, mit deren Hilfe Poren in getreidebasierten Schäumen charakterisiert werden können, sind Leitfähigkeitsmessung, konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie (CL-SM) und Röntgenuntersuchung des Schaums (Computertomografie, CT). Die elektrische Leitfähigkeit ist eine Stoffkonstante, die vom Gasgehalt des Schaums abhängt, allerdings kann keine direkte Auskunft über die Vertei-lung und die Größen der Poren ermittelt wer-den. Mit CLSM und CT kann die Porengrö-ßenverteilung bestimmt werden, sie sind aber aufgrund der Zeitverzögerung durch die Pro-benahme und Analysenzeit nicht echtzeitfä-hig und spiegeln nicht die Prozessdynamik wieder. Zudem erfordern sie einen hohen apparativen Aufwand und sind invasiv (CLSM). Eine Überwachung der Schaum-struktur ist allerdings wesentlich, um die Porengrößenverteilung von getreidebasierten Schäumen zu optimieren und einen störungs-freien Prozessablauf und eine bestmögliche Endproduktqualität sicherzustellen.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, die Po-rengrößenverteilung von getreidebasierten Schäumen bei der Herstellung von Feinen Backwaren zu optimieren. Dazu soll die Aus-bildung der Poren (Schaumstruktur) während des Herstellungsprozesses mit einer neuen ultraschallbasierten Messmethode überwacht und eine Schaumstrukturmessgröße entwi-ckelt werden, die die Anzahl und die Größe der prozessrelevanten Poren in Echtzeit abbil-det.
Wirtschaftliche Bedeutung:
Die deutsche Backwarenindustrie ist durch handwerkliche und mittelständische Bäcke-reien (13.666 Betriebe) geprägt, nur fünf Großbetriebe erzielten einen Umsatz von je-weils mehr als 150 Mio. € pro Jahr (Stand 2011). Insgesamt sind ca. 292.000 Mitarbei-ter in dieser Branche beschäftigt, die einen Umsatz in Höhe von 13,15 Mrd. € erzielt. Die Produktion von Feinen Backwaren hat dabei einen Anteil von etwa 18 % und ist im Jahr 2013 um 1,5 % auf 2,35 Mrd. € gestiegen. Gerade kleine Unternehmen stehen jedoch unter einem hohen Wettbewerbsdruck und sind von Konzentrationsprozessen betroffen. Dies zeigt sich insbesondere durch den Rück-gang um mehr als 2.500 Unternehmen seit dem Jahr 2007. Kaum eine Branche ist zu-dem vom Fachkräftemangel so betroffen wie die Betriebe im Lebensmittelhandwerk. Dadurch steht der Backbranche weniger ge-schultes Fachpersonal zur Verfügung und die Überwachung der Herstellung von Lebensmit-telschäumen, welche heute noch überwie-gend mit Hilfe visueller und haptischer Ein-drücke des Fachpersonals durchgeführt wird, wird zunehmend erschwert.
Die angestrebte Methode eröffnet der Back-branche neue Möglichkeiten, um während der Herstellung von getreidebasierten Schäumen die Porengrößenverteilung zu überwachen. Hierdurch können durch Roh-stoffschwankungen oder durch Fehler im Prozess bedingte Abweichungen der Schaum-struktur erkannt und korrigierend durch Varia-tion der Prozessparameter in den Prozess eingegriffen werden, um eine optimale Schaumstruktur zu erzielen. Dadurch können Fehlproduktionen vermieden und eine optima-le Endproduktqualität gewährleistet werden. Sowohl direkte Fehlerkosten (durch die Un-verkäuflichkeit der Fehlproduktion), als auch indirekte Fehlerkosten als Folge von Ausfall-zeit, Imageproblemen oder den Verlust von Kunden bzw. Marktanteilen lassen sich so minimieren. Bei kontinuierlichen Herstellungs-verfahren kann die Fehlproduktion wegen nicht optimaler Schaumstrukturen laut In-dustrieangaben mit 3 % veranschlagt wer-den, was hochgerechnet bei einem Umsatz von Feinen Backwaren von 2,35 Mrd. € zu Einbußen für die Herstellerbetriebe von schät-zungsweise über 70,5 Mio. € pro Jahr führt.
Von den Ergebnissen wird auch der Maschi-nen- und Anlagenbau profitieren. Gerade die Integration von innovativen Verfahren und Techniken der Prozessindustrie in den Anla-genbau besitzt ein großes Potential bei der Etablierung ressourcenschonender Produkti-onsverfahren bzw. bei der Optimierung vor-handener Verfahren. Da der Einsatz der ange-strebten Methode nach algorithmischer und ggf. apparativer Anpassung für weitere Me-dien, die Gaseinschlüsse enthalten, und damit über die Backindustrie hinaus möglich ist, ergeben sich für Unternehmen des Maschi-nen- und Anlagenbaus auch neue Geschäfts-felder.
Abschnittsübersicht
Fachgebiete
- Verfahrenstechnik Lebensmittel
