Fettverkapselung verbessert Backeigenschaften

Wirbelschicht-Coating von Sorbinsäure

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24.04.2020 In der Lebensmittelindustrie dient Sorbinsäure seit langem zur Konservierung. Bei der Herstellung von Backwaren kann der Säureeinfluss zu unerwünschten Reaktionen mit anderen Backzutaten führen.

Entscheider-Facts

  • Sorbinsäure ist ein verbreitetes Konservierungsmittel für Backwaren. Die Säure kann jedoch insbesondere bei Hefeteigen unerwünschte Nebeneffekte in der Teigzubereitung und Verarbeitung haben.
  • Wirbelschicht-Verkapselung kann diese Nebeneffekte verhindern. Die Sorbinsäure wird erst während des Backens freigesetzt und beeinträchtigt weder die Hefeaktivität noch die Teigbeschaffenheit.
  • Mit entsprechender Auswahl des Überzugsmaterials lassen sich ähnliche Effekte auch für andere Inhaltsstoffe erzielen.
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Einfluss von Sorbinsäure auf die Hefeentwicklung: links Einsatz als Rohsäure, rechts in einer Fettverkapselung. (Bilder: Neuhaus Neotec)

Durch Fettverkapselung der Sorbinsäure lassen sich diese Negativeffekte verhindern. Sorbinsäure und ihre Salze Kaliumsorbat (E202) und Calciumsorbat (E 203) dienen der pH-Kon-trolle und sind als Konservierungsmittel in festgelegten Höchstmengen für bestimmte Lebensmittel zugelassen. Die ungesättigte organische Säure besitzt eine keimtötende Wirkung und verlängert dadurch die Lager-eigenschaften hygienisch einwandfreier Lebensmittel. So lässt sich beispielsweise die Haltbarkeit von Schnittbrot, Margarine sowie Hart- und Brühwürsten verlängern. Die sauren Bedingungen verhindern den mikrobiellen Verderb, der gerade bei Backwaren ein wesentliches Qualitätsproblem darstellt. Gleichzeitig bilden sie mit Schimmelpilzhemmern synergetische Effekte.

Probleme mit Rohsäuren

Die Verwendung säurehaltiger Zutaten birgt jedoch auch Schwierigkeiten. Die Zugabe von roher Sorbinsäure hat Auswirkungen auf die rheologischen Eigenschaften des Teiges. Teigbeschaffenheit und Produktqualität wie Störung der Hefeaktivität, schlechtere Teighandhabung, verminderte Ausbeute sowie Veränderung von Geschmacksprofil und -intensität sind die Folge.

Wird die Sorbinsäure in Form von verkapselten Partikeln eingesetzt, bleibt sie so lange gegen Feuchtigkeit, Sauerstoff und manuelle Einwirkungen isoliert, bis deren Freisetzung gezielt im Prozess erwünscht ist. Damit fallen nicht nur die unerwünschten Reaktionen weg, sondern es entstehen zusätzlich positive Effekte: Die Hefeaktivität wird optimal gefördert, es entstehen Teige mit längerer Standzeit. Die Säurezugabe kann im trockenen Zustand erfolgen. Ein Vorteig-Ansatz kann entfallen, Wartezeiten werden verkürzt. Es muss keine Starterkultur Aufrechterhalten werden. Füllstoffe sind überflüssig, so dass die Kosten hierfür eingespart werden. Es besteht ein zuverlässiger Dosis-Wirkungs-Effekt, und eine Gluten-Interaktion wird verhindert.

Bei der Verkapselung der Sorbinsäure, dem sogenannten Coating, werden die Säurepartikel mit einer Fettschicht ummantelt. Bei Backwaren setzt man hierzu beispielsweise Palmfette ein. Neben dem Einsatz verkapselter Säuren ist bei der Backwarenherstellung auch die Verwendung verkapselter Triebmittel interessant. So lassen sich vorzeitige Reaktionen mit Natriumcarbonat auf natürliche Weise verhindern. Das bietet eine größere Prozessflexibilität, ein Vorteil beispielsweise bei vorgebackenen Erzeugnissen. Gleichzeitig ist die Toleranz gegenüber längeren Standzeiten höher, die Kühlzeit der Teige wird verlängert und das Vergrauen gekühlter Teige verhindert.

Verkapselung in der Wirbelschicht

Es gibt unterschiedliche Verfahren, um Partikel mit einer Hüllsubstanz zu versehen. Größere, stückige Produkte werden häufig in sogenannten Trommelcoatern oder Dragiertrommeln beschichtet. Für kleinere Partikel oder flüssige Substanzen sind die Sprüh-Granulation oder das Coating in der Wirbelschicht besser geeignet. Insbesondere die Wirbelschichttechnologie ist aufgrund des intensiven Wärme- und Stoffaustausches besonders effizient und wird in der modernen Lebensmittelproduktion in vielen Bereichen eingesetzt. Flüssige Stoffe können im Wirbelschichtverfahren innerhalb eines Prozesses zu Partikeln geformt und getrocknet und anschließend verkapselt werden.

Wirbelschichtverfahren können als kontinuierlicher oder als batchweiser Prozess durchgeführt werden. Beide Betriebsarten haben individuelle Vorteile, abhängig von Produktionsvolumen, Platzverhältnissen, Installationsmöglichkeiten, von Zielvorgaben wie Produktionszeit oder -kosten und den erforderlichen Prozessschritten.

Das Konzept kontinuierlicher Systeme besteht aus einer Anlage mit mehreren einzelnen Zu- und Abluftkammern, sodass sich die Prozessparameter individuell für jede Zone einstellen lassen. Alle Verfahrensschritte laufen vollautomatisch und ohne manuelles Eingreifen ab. Die Produktmenge ist unbegrenzt. Das kontinuierliche Verfahren eignet sich daher insbesondere für die Mengenproduktion.

Batch-Systeme werden häufig zur Verarbeitung begrenzter Produktionsmengen mit einer Vielzahl verschiedener Rezepturen eingesetzt. Alle Prozessschritte laufen nacheinander in einem Behälter mit vorgegebenem Volumen ab. Die Menge des zu verarbeitenden Produktes bestimmt dabei, wie groß der Behälter und damit die ganze Anlage ausgelegt wird. Laboranlagen beginnen schon bei 100 g minimaler Einsatzmenge. Produktionsanlagen können ein Fassungsvermögen von über 1.500 l annehmen.

Da durch Coatingprozesse wie im Fall der Sorbin-säure in der Regel ein gleichmäßiger, geschlossener Überzug erzielt werden soll, wird meistens das Bottom-Spray-Verfahren angewendet, entweder als sogenannter Wurster-Prozess oder als Spouted-Bed-Prozess. Das Schema zeigt das Prinzip des sogenannten Spouted Bed Coatings: Von unten strömt Luft oder ein Gas in das Produktbett. Aufgrund der Behältergeometrie entsteht eine zentrale Strähne. Bodennahe Feststoffpartikel aus dem Ringbereich werden in den Strahl eingesaugt und durch den Spray hindurch nach oben gezogen. Das Produkt zirkuliert dabei wiederholt durch den Coatingfilm, so dass sich der Überzug schichtmäßig über die Partikel-oberfläche legt. Da die Produktbewegung sehr gleichmäßig erfolgt, lassen sich mit dem Spouted Bed-Verfahren sehr exakte und homogene Coating-Ergebnisse erzielen.

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Die Partikel sind in der Wirbelschicht rundum sehr gut zugänglich, der Schichtaufbau wird dadurch besonders gleichmäßig.
Bilder: Neuhaus Neotec

Überzug je nach Funktion

Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich beim Coating um die Umhüllung oder Ummantelung eines Kernsub-strates. Abhängig von der zu erfüllenden Funktion des „Mantels“ wird das Überzugsmaterial ausgewählt. Dies können wasser- oder lösungsmittelbasierte Substanzen sein. Allerdings sind diese häufig nicht lebensmittelkonform und aufgrund höherer Kosten nicht immer wirtschaftlich. In der Lebensmittelindustrie verwendet man eher natürliche Stoffe wie Wachse oder Fette als Hüllsubstanzen. Durch diese sogenannten Schmelzcoatings werden hydrophobe Partikeloberflächen geschaffen, deren Fett-Hülle erst durch Temperatureinwirkung aufschmilzt. Im Fall der Sorbinsäure geschieht dies kontrolliert zum Ende des Backprozesses, so dass die Säure den Hefetrieb nicht beeinflusst, sondern erst nach Abschluss der Gare seine antimikrobielle Wirkung entfaltet.

Für die Festlegung der geeigneten Prozesse und Coatingmaterialien ist viel Erfahrung und Fingerspitzenge-fühl erforderlich. In einem professionell ausgestatteten Technikum lässt sich das passende Verfahren mit den optimalen Prozessparametern an Kleinmengen unter realen Produktionsbedingungen erproben. In Machbarkeitsstudien können dabei vorab beispielsweise unterschiedliche Substanzen und Rezepturen in Hinblick auf Optimierung der Backeigenschaften, der Haltbarkeit und des Geschmacks getestet werden.

Was passiert in einer Wirbelschicht?

Eine Wirbelschicht bildet sich aus, wenn Pulver oder Granulate von einem Luft- oder Gasstrom (beispielsweise Inertgas wie Stickstoff) mit einer bestimmten Luftgeschwindigkeit durchströmt werden. Die Produktschicht gerät dabei in intensive Bewegung und verhält sich wie eine Flüssigkeit. Die gesamte Parti-keloberfläche ist rundum zugänglich, für Trocknungsluft ebenso wie für aufgesprühte Flüssigkeiten, beispielsweise Fett- oder Wachsschmelzen, Emulsionen oder Suspensionen. Das Coatingmaterial wird nun über eine Düse fein zerstäubt und benetzt die Oberfläche jedes Partikels. Schichtweise bildet sich eine sehr gleichmäßige Hülle um jedes Partikel. Je nach qualitativen Anforderungen an ein Coating wird das geeignete Setup für den Wirbelschichtprozess gewählt. Dabei unterscheidet man zwischen Top-Spray- und Bottom-Spray-Konfigurationen. Im Bottom-Spray ist eine definiertere Bewegung der Partikel und folglich eine exaktere Ummantelung möglich. Beim Top-Spray-Prozess ergibt sich eine sehr gut durchmischende, zufällige Partikelbewegung.

Heftausgabe: Pharma + Food April 2020
Henning Falck, Leiter Geschäftsbereich Trocknungs- und Partikeltechnologien, Neuhaus Neotec

Über den Autor

Henning Falck, Leiter Geschäftsbereich Trocknungs- und Partikeltechnologien, Neuhaus Neotec
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