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Pulverisierung, Trocknung und Bräunung von Malzextrakt durch

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1. Gutsfeuchte y g H20 100 g TS y 4 6 2 8 1 e 0 15 t 2 8 1 e 0 8 t y 4 6 2 8 1 eX 0 1 t 0 8 1 e 0 8 t 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 Zeit t h DPGSS_V51 aPGSS_V46 APGSS_V48 PGSS_V50 ePGSS_V47 oPGSS_V52 oPGSS_V53 aPGSS_V54 PGSS_V57 PGSS V5 o PGSS_V8 oPGSS_V11 APGSS_V23 PGSS_V24 a PGSS_V29 xPGSS_V32 Abb 6 67 Feuchtaufnahme verschiedener PGSS Pulver in Luft bei 30 C 45 r F Abb 6 68 PGSS Pulver vor und nach der Feuchteaufnahme Alle Pulver haben das Gleichgewicht bei 45 r F bei 30 C nach 24 Stunden erreicht Der Restfeuchtegehalt liegt zwischen 8 und 10 5 0 5 g Wasser 100 g TS Die gr eren und vermutlich agglomerierten Partikel z B aus den Versuchen V52 106 um und V24 145 um nehmen schneller und mehr Wasser auf als die kleineren z B aus den Versuchen V5 18 um und V45 27 um Das stimmt mit den Ergebnisse und Diskussion 153 Ergebnissen aus der Spr htrocknung berein Die Abb 6 68 zeigt die Bilder von einem PGSS Pulver vor und nach der Feuchteaufnahme Die Malzextraktpulvereigenschaften wie Restfeuchtegehalt Br unungsgrad Partikel morphologie und Partikelgr enverteilung k nnen bei der Einstellung der PGSS Trocknungsparameter beliebig variiert werden Mittels des PGSS Trocknungs verfahrens wurden trockene Malzextraktpulver mit Restfeuchte zwischen 3 1 und 5 9 Gew erhalten Der Br unungsgrad wurde
2. Spr htrocknung V8 PGSS V42 PGSS V42 berechnet nach GAB R2 0 86 Sprthtrocknung V8 berechnet nach GAB R2 0 79 Abb 6 69 Malzextraktpulver Sorptionsisothermen bei 25 C Die aufgetragenen Werte der Gutsfeuchte Uber der Wasseraktivitat liegen fur Spruhtrocknung und PGSS nahezu auf einer gemeinsamen Kurve die getrennte Ermittlung von Ausgleichsfunktionen nach GAB liefert fur die PGSS ca 3 h here Monoschicht Adsorption als fur die Spruhtrocknung Die kristallin trocknenden Stoffe wie Glucose und Maltose zeigen eine schwache Hygroskopizitat Fructose weist eine schwache Hygroskopizitat bis zu 55 relativer Luftfeuchte auf Bei hoheren Luftfeuchten wandelt sie sich allerdings in flussige Form um und weist eine hohe Hygroskopizitat auf Abb 6 70 Ergebnisse und Diskussion 157 60 o Glucose Fructose Maltose _ 50 PGSS V42 un PGSS V42 berechnet nach GAB e 45 D 2 40 9 85 z I 30 2 oO g 25 2 20 Y L E 15 DEN 0 0 0 1 02 03 04 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Aw D Abb 6 70 Sorptionsisothermen bei 25 C von PGSS Malzextraktpulver Fructose Glucose und Maltose Wenn man die Verl ufe der Sorptionsisothermen vergleicht ist zu sehen dass der Verlauf der Malzextraktisothermen im Mittelbereich der Zuckerisothermen liegt Ein deutlicher Einfluss der Bestandteile spiegelt sich in der erhaltenen Malzextrakt isotherme wider Die reinen Zucker lagen vor der Messung in kri
3. C T 39 39 und 64 09 C t 15 3 und 18 2 min ACp 0 819 mW Tg 48 265 C W rmestrom mW W rmestrom mW PGSS getrocknet 4 6 Gew Restfeuchte 10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Temperatur C Abb 6 79 Verlauf der W rmestr me eines PGSS und spr hgetrockneten Malzextraktpulvers Daraus stellt sich die Frage wie stark die Glas bergangstemperatur durch den Feuchtegehalt beeinflusst wird Der theoretische Hintergrund dass der Wassergehalt einen enormen Einfluss auf die Glas bergangstemperatur hat Bhandari 2000 wurde in der vorliegenden Arbeit experimentell best tigt Daf r wurde der Restfeuchtegehalt von einem spr hgetrockneten und einem PGSS Pulver welche einen hnlichen Ausgangsfeuchtegehalt aufwiesen auf verschiedenen Feuchte gehalte zwischen 1 und 15 Gew absichtlich ge ndert Dies geschah durch nderungen der relativen Luftfeuchte mit Hilfe von Salzl sungen Tab 4 1 Abschnitt 4 4 1 Der Ausgangsfeuchtegehalt der Pulver wurde mit Hilfe des Karl Fischer Verfahrens gemessen Nach Erreichen des Gleichgewichtes wurde die Probe gewogen der Endfeuchtegehalt rechnerisch ermittelt und zus tzlich nach Karl Fischer analysiert Im Anschluss wurde die Glasubergangstemperatur gemessen Die Abb 6 80 zeigt die erhaltenen Ergebnisse Die Glas bergangs temperaturen der Pulver aus beiden Verfahren weisen ein hnliches Verh ltnis zum Feuchtegehalt auf Die Beziehung bei niedrigen Luftfeuchten zw
4. 182 106 EHEN ER RESET 60 169 re re lerne EE Eier 244 Pul Aggl 284 Pul Aggl 121 Pulver 19 126 Pulver 183 267 Pulver 56 199 Pulver 177 Pul Aggl 65 212 x Pulver 194 231 x Pulver 177 210 x Pulver 233 186 x Pul Aggl 314 258 x Pulver 132 177 x Pulver 194 154 x Pulver 230 191 x Pulver 52 138 x a Sd 134 Pulver 59 33 Pulver 60 21 Pulver 61 Pul Aggl 62 asil caan Ee ae ee De ee ee Eege 11 Pulver 64 Aggl 65 224 Pulver 66 283 Pulver 67 IE Po Mee JL SE aE A T er einer 168 Pulver Pulver 71 A 10 Anhang Tab 9 12 Versuchsdaten zur Abb 6 80 Glasubergangstemperatur in Abhangigkeit des Feuchtegehaltes des Malzextraktpulvers experimentelle und nach Gordon amp Taylor berechnete Werte Verfahren Salzl sung ee Se A Ursprungsform 4 68 0 00 42 1 0 1 LiCI 11 3 r F 3 56 0 27 56 2 0 1 Kaliumacetat 22 6 r F 4 56 0 26 47 6 1 0 PGSS V42 Magnesiumchlorid 32 7 r F 5 26 0 17 36 4 1 4 Natriumiodid 38 2 r F 7 04 0 45 18 5 0 0 Kaliumcarbonat 43 r F 8 08 0 18 13 6 0 6 Natriumbromid 57 6 r F 12 56 0 05 6 9 1 4 Ursprungsform 3 27 0 00 53 6 0 6 LiCI 11 3 r F 2 62 0 24 59 5 0 5 Soit Kaliumacetat 22 6 r F 3 78 0 20 49 5 0 4 trocknung V8 Magnesiumchlorid 32 7 r F 5 57 0 21 32 5 1 3 Natriumiodid 38 2 r F 6 75 0 06 25 5 1 2 Kaliumcarbonat 43 r F 7 88 0 00 16 0 0 6 Natriumbromid 57 6 r F 12 58 0 00 10 3 1 2 Tab 9 13 Mess
5. C n d 100 70 2 2 50 amp 25 2 CH 0 50 100 150 200 250 300 Druck bar Abb 6 11 Viskosit t von Malzextrakt CO bei verschiedenen Drucken und Temperaturen Die Viskositat nimmt bei gleichem Druck mit steigender Temperatur ab Bei 80 und 100 C nimmt die Viskositat mit steigendem Druck von einem bis etwa 100 bar ab bei weiterer Druckerh hung steigt die Viskosit t entweder weiter leicht an oder bleibt nahezu konstant Diese Beobachtung ist auf die Einl sung des Kohlendioxids zur ckzuf hren Es ist zu erkennen dass die Viskosit t des Malzextraktes durch die Einl sung von Kohlendioxid bei 80 C um 57 erniedrigt wurde Bei 120 C wurde keine Absenkung der Viskosit t von Malzextrakt festgestellt Eine weitere Druck erh hung verursacht keine merkliche Absenkung der Viskosit t Ab 150 bar steigt die Viskosit t trotz steigender CO2 Aufnahme mit dem statischen Druck und der Bildung von Melanoidinen hochmolekulare Molek le 92 Ergebnisse und Diskussion 6 2 Braunung durch thermische Behandlung 6 2 1 Reaktionskinetik der Maillard Reaktion Da die Maillard Reaktion eine wichtige Rolle im Bezug auf die Qualit t des Malzextraktes spielt wird die Auswirkung der Hitzebehandlung auf den Verlauf der Maillard Reaktion im Malzextrakt analysiert Der Ablauf der Maillard Reaktion wird anhand der Farbver nderung beurteilt Dabei werden die Reaktionsgeschwindig keiten bei verschiedenen Temperaturen experim
6. Hill V 1998 Investigation od the effect of high hydrostatic pressure in the Maillard reaction In O Brien John Ed Proceedings of Sixth International Symposium The Maillard Reaction 27 30 July 1997 London Cambridge Royal Society of Chemistry Information Services H hne G W H Hemminger W F Flammersheim H J 2003 Differential Scanning Calorimetry Second Edition Springer Verlag Berlin u a Iglesias H Chirife J 1976 B E T Monolayer values in dehydrated foods and food components Lebensmittel Wissenschaft und Technologie 9 107 113 Ike Y et al 2007 Complex heat capacity of non Debye process in glassy glucose and fructose Fluid Phase Equilibria 256 1 2 123 126 Ireks Arkady G 1991 Verfahren zur Herstellung eines dunklen zum F rben geeigneten Lebensmittels und dessen Verwendung Patentnr DE 4016314A1 28 11 1991 Deutschland ISO 13320 1 2000 Particle size analysis Laser difraction methods Part General principles Kappler P 2003 Partikelbildung und Morphologie bei der Hochdruck mikronisierung gashaltiger L sungen Bochum Univ Diss Quellenverzeichnis 179 Kawashima K Itoh H Chibata I 1977 Antioxidant activity of browning products prepared from low molecular carbonyl compounds and amino acids Journal of Agricultural and Food Chemistry 25 202 204 Kessler H 1996 Lebensmittel und Bioverfahrenstechnik Molkereitechnologie Verlag A Kessl
7. Influence of moisture on browning of dried whey and skim milk Industrial Engineering amp Chemistry 34 12 1460 1468 Eisenbrand G Eds 1995 R mpp Lexikon Lebensmittelchemie Thieme Verlag Stuttgart u a Ehrenstein G Riedel G Trawiel P 2003 Praxis der thermischen Analyse von Kunststoffen 2 v llig berarb Auflage Karl Hanser Verlag M nchen Fachverband Kohlens ure Industrie e V 1997 Eigenschaften der Kohlens ure 6 Auflage Hydrogas Deutschland GmbH Koblenz Falbe J Ed 1995 R mpp Chemie Lexikon 9 erw u neubearb Aufl Thieme Verlag Stuttgart Abschnitt Phase Fennema O 1993 Quimica de los Alimentos Editorial Acribia Zaragoza Findley J D et al 1946 The effect of the preheating temperature on the bacterial count and storage life of whole milk powder spay dried by Krause process The Journal of Dairy Research 14 3 378 399 Finot P 2005 Historial perspective of the Maillard Reaction in food science Annals of the York Academy of Sciences 1043 1 8 Fisher K 1935 Neues Verfahren zur ma analytischen Bestimmung des Wassergehaltes von Fl ssigkeiten und festen K rpern Angewandte Chemie 48 394 396 Focker H 2004 Mikronisierung von reaktiven Polymerschmelzen Einfluss der Stoffdaten auf Partikelbildung und morphologie Bochum Univ Diss Forst D 1993 Chemie f r Ingenieure VDI Verlag D sseldorf Gal S 1967 Die Methodik der
8. Melanoidinen fuhren Fennema 1993 Die Abb 2 9 zeigt eine Zusammenfassung der Reaktionswege der Maillard Reaktion Wie bereits erwahnt sind dabei zwei Phasen zu erkennen In der ersten Phase entstehen extrem reaktive Zwischenprodukte Charakteristisch dabei ist die Einbeziehung von Aminosauren oder anderen Aminoverbindungen In der zweiten Phase treten Folgereaktionen der reaktiven Zwischenstufen aus der ersten Phase 16 Theoretische Grundlagen auf Es handelt sich dabei um Reaktionen wie den Strecker Abbau und die Melanoidin Bildung Phase _ Phase Hl Zucker und Aminosauren Strecker Abbau Aldehyde Aminoverb Glycosylamin Bildung ee Oligomeri 2 3 Dicarbonyl Amino sation ei O verbindungen Arar I und Folgeprodukte imine Bo ungesatt Zucker Ketimine Vv N ei L Pra melanoidine Melanoidine Polymeri sation 3 Furfurale u a Amadori Heyns Umlagerung des Glycosylamins 2 3 Dicarbonyl verbindungen und Folgeprodukte Aminoverb Tricarbonyl verbindungen Reduktone C C Spaltprodukte u a Abb 2 9 M gliche Wege f r die Bildung der Melanoidine nach Angrick 1980 Der Strecker Abbau spielt eine wichtige Rolle in der Maillard Reaktion Als Strecker Abbau werden die Reaktionen zwischen a Dicarbonylverbindungen und Aminos uren bezeichnet Dabei wird die Amino Funktion unter Bildung von a Aminoketonen auf die a
9. Saccharose 62 0 27 Bruce 2008 Maltotriose 43 0 83 Pascale De Meuter 2008 Glucose 31 1 22 D Ans 1992 Fructose 5 0 86 Ike 2007 Der Vergleich von hieraus arithmetisch ermittelten Werten und den experimentellen Werten zeigt wie genau die Berechnung nach Gordon und Taylor ist Mit sinkendem Feuchtegehalt des Malzextraktpulvers scheint der Anteil an Proteinen und Vitaminen im Bezug auf die Glas bergangstemperatur eine gro e Rolle zu spielen Eine Voraussage ber die Glas bergangstemperatur des Malzextraktes mittels der Gordon Taylor Gleichung ist nicht m glich Wie bereits erkl rt spielt die Glas bergangstemperatur bei der Lagerung eine gro e Rolle Die Implikation dieser Temperatur ist f r die Trocknung entscheidend Bhandari 2000 spricht ber die Optimierung von Spr htrocknungsparametern die auf dem Konzept der Glas bergangstemperatur basiert Anhand der experimentell ermittelten Werte der Glas bergangstemperatur in Abh ngigkeit des Produktfeuchte gehaltes wurde der geeignete Parameterbereich der Spr htrocknung f r Malzextrakt ermittelt Abb 6 81 120 Tg 20 90 C 100 Trockenmasseanteil 0 98 80 Parameterbereich der Spr htrocknung Luftaustrittstemperatur 29 Tg 20 70 C Trockenmasseanteil 0 96 40 Glas bergangstemperatur Tg C 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 Trockenmasseanteil Gew Abb 6 81 Parameterbereich der Spr htrocknung von Malzextrakt anhand der Glas berganste
10. bei dem einen h heren Vorexpansionsdruck und eine h here spezifische Gasmenge verwendet wurden Die h chsten Sch ttdichten lagen bei 267 kg m und 254 kg m f r die Pulver aus den Versuchen V47 py 99 bar Ty 133 SGM 11 10 ME Malzextraktl sung 75 TS und V54 py 92 bar Ty 145 SGM 18 10 ME Malzextraktl sung 70 TS vor Ergebnisse und Diskussion 155 6 5 Sorption und Desorption Die Lagerungsstabilitat der hergestellten Malzextraktpulver wurde u a mit Hilfe der Sorptionsisothermen untersucht Die Kenntnis ihres hygroskopischen Verhaltens unter verschiedenen Luftfeuchtebedingungen bei Raumtemperatur soll helfen geeignete Lagerungsbedingungen zu ermitteln Die Bestimmung der Sorptions und Desorptionsisothermen bei Spr hturmbedingungen ca 65 C dient dazu das Verhalten des gebildeten Pulvers beim Trocknungsprozess zu beurteilen Es wurden die Einfl sse des Herstellungsverfahrens bzw der Partikelmorphologie sowie der Temperatur auf das Sorptionsverhalten des Malzextraktes analysiert Die Sorptionsisothermen von zwei ausgew hlten Malzextraktpulvern PGSS V42 py 104 bar Ty 147 SGM 12 10 ME Malzextrakt 75 TS und ST V8 Teintritt 120 C Tasten 75 C 3 33 Nm h kg Malzextraktl sung 60 TS und von drei reinen Zuckern die typische Bestandteile des Malzextraktes sind wurden bei einer Raumtemperatur von 25 C 1 C und Umgebungsdruck vermessen Jeder angegebene Messwert einer Isotherme ist der durchsch
11. dioxid in die Sichtzelle dosiert werden Dabei wird darauf geachtet dass die Untersuchungsmethoden 39 gewunschte Temperatur der Sichtzelle bereits vorher erreicht worden ist Durch Zugabe von CO wird schlie lich der gew nschte Druck in der Zelle eingestellt Mittels eines Druckaufnehmers und eines Thermoelementes werden die in der Hochdrucksichtzelle eingestellten Parameter berwacht Um einen guten Einblick in die Zelle zu erm glichen wird die Sichtzelle von der R ckseite mit einer Lampe ausgeleuchtet So ist es m glich mit Hilfe einer Videokamera und einem Bild speicherprogramm sogenannte Frame Grabber Karte Photos bei unterschiedlichen Dr cken und Temperaturen mit dem Messdatenerfassungscomputer aufzunehmen und abzuspeichern welche das Phasenverhalten des Stoffsystems sehr anschaulich wiedergeben Malzextrakt Beobachtung der Probe Abwarten einer evtl Entmischung 30 min Ruhezeit Foto Aufnahme Abb 4 2 Vorgehen der Bestimmung des qualitativen Phasenverhaltens 4 1 2 Quantitatives Phasenverhalten und Viskosit t Mit der Kenntnis des qualitativen Phasenverhaltens sind anschlie end Messungen zur Bestimmung der Zusammensetzungen und Viskosit t der beobachteten koexistierenden Phasen im Autoklaven m glich diesmal ohne die Option der optischen Kontrolle Eine Bestimmung des quantitativen Phasenverhaltens unter den sp teren Prozessbedingungen im statischen Mischer PGSS Trocknungsverfahren wird
12. enzylinder Boden des Messgef es Abb 4 5 Schema des Viskosit tsmessk rpers nach DIN 53019 4 2 2 Wasserl slicher Feststoffanteil F r verschiedene Analysen z B der Farbe der antioxidativen Kapazit t usw kann der Malzextrakt nicht in konzentrierter Form z hfl ssig oder als Pulver untersucht werden Er wird dazu auf einen niedrigeren Trockenmasseanteil bzw wasserl slicher Feststoffanteil verd nnt Da der Trockenmasseanteil gr tenteils aus wasser l slichen Feststoffen wie Zucker besteht wird der Trockenmassenanteil als vollst ndig wasserl slicher Feststoffe angenommen F r vergleichbare Analysen wird der einzustellende Wert des Anteils an wasserl slichen Feststoffen oder Grad Brix Brix bei 12 festgelegt 12 Grad Brix hat per Definition dieselbe Massendichte wie eine wasserige Saccharose L sung mit 12 Gew Saccharose Als l sliche Feststoffe werden alle Stoffe bezeichnet die zu einer nderung des Brechungsindex f hren Nach Kirk 1996 korreliert die Dichte der Fl ssigkeiten mit dem Brechungsindex und je h her die Dichte einer Fl ssigkeit ist umso st rker ist die 44 Untersuchungsmethoden Brechung Dadurch l sst sich der Gehalt an l slichen Feststoffen refraktometrisch berpr fen Diese Refraktometrische Schnellmethode dient zur Identifizierung und Charak terisierung von Fetten und len zur Reinheitspr fung verschiedener Lebensmittel sowie zur quantitativen Bestimmung von Lebensmitte
13. hat die m glichen Str mungsformen bei einer Zweiphasenstr mung bei brausender Zerst ubung effervescent atomization in Abh ngigkeit von der spezifischen Gasmenge schematisch dargestellt Abb 6 60 Nach den Phasengleichgewichtsuntersuchungen ist bekannt dass das Str mungsregime in der Mischstrecke bei dem PGSS Verfahren auch zweiphasig ist Es ist anzunehmen dass sich bei Abwesenheit von Mischelementen hnliche Str mungen ergeben wie es Sovani 2001 gezeigt hat Eine st rkere Br unung wird offenbar erreicht werden wenn eine Ringstr mung entsteht Blasenstr mung Blasenstr mung kleine Blasen Gro e Blasen Pfropfenstr mung Ringstr mung Abb 6 60 M gliches Str mungsformen Sovani 2001 Mit dem Einsatz von Mischelementen wird die Vermischung von Malzextrakt und Kohlendioxid effektiver die mittlere Temperatur wird schneller erreicht und die Br unung wird weniger stark Der Einfluss der SGM auf den Br unungsgrad kann vermutlich auf die zugef hrte Energiemenge zur ckgef ht werden da eine h here Menge an CO eine schnellere Erw rmung des Malzextraktes im Mischer auf die Vorexpansionstemperatur erm glicht Der Malzextrakt wird eine l ngere Verweilzeit bei dieser Temperatur verweilen dadurch wird die Br unung st rker Eine Beteiligung des CO an der Maillard Reaktion ist vermutlich ausgeschlossen Eine Ergebnisse und Diskussion 147 leichte pH Absenkung durch CO Einl sung in Malzextrakt welche die Ma
14. sst sich bei bekanntem Beugungsbild bestimmen Das Ergebnis einer Bestimmung der Partikelgr enverteilungen sind Z hlungen von Partikeln deren Volumen jeweils in einem vorgegebenen Intervall liegt Aus den Ergebnissen der Z hlungen berechnet die Software eine Summen und Dichteverteilung in Abh ngigkeit der Partikelgr e Malvern Intruments 1999 In der vorliegenden Arbeit werden ausschlie lich die Verteilungssummenkurven Q3 in Vol dargestellt um Missverstandnisse bei der Interpretation der Dichteverteilungen zu vermeiden Sommer 2000 Die Breite der Partikelgr enverteilung wird mit Hilfe der dimensionslosen Kennzahl span charakterisiert Gl 3 dgo 3 440 3 GI 3 d50 3 span Die Durchmesser dso3 sind die Medianwerte der Verteilung das hei t dass 50 Vol des Partikelkollektives eine Durchmesser kleiner als eben dieser Durchmesser haben Die Erkl rung von d4o 3 und danz ist entsprechend 4 2 8 Partikelmorphologie Die Morphologie der Pulverpartikel wurde mit einem Raster Elektronenmikroskop REM LEO Gemini 1530 untersucht Rasterelektronenmikroskope erlauben bis zu 300000 fache Vergr erungen bei einem 1000 fachen verbesserten Aufl sungs verm gen bis ca Inm gegen ber Lichtmikroskopen Ude 2002 Die Raster elektronenmikroskopie beruht auf der Detektion der von einer Oberfl che emittierten Elektronen Um kleinere Strukturen sichtbar zu machen ist eine Strahlung von k rzerer Wellenl nge erfo
15. 01 0 42 0 03 1 76 0 06 3 89 0 00 7 39 0 03 12 08 0 00 18 58 0 04 53 13 1 30 Glucose Mittelw Std Abw 1 31 1 59 3 35 1 30 6 47 0 59 10 54 0 01 15 30 0 04 21 56 0 19 31 74 0 26 104 59 0 77 Fructose Mittelw Std Abw 0 30 0 38 2 62 0 22 5 48 0 11 9 28 0 01 14 20 0 13 20 57 0 24 31 69 0 06 100 72 0 49 Maltose Mittelw Std Abw 4 09 0 09 4 99 0 11 6 03 0 11 7 73 0 05 10 77 0 30 14 87 0 36 22 16 0 01 53 13 0 48 A 12 Anhang 9 2 Abbildungen 4 5 eo 4 0 ra e T dD x Pal N 3 5 A d ba o r a 5 3 0 ER Q W re Winter Tu 18 C 2 5 ae A A Sommer Tu 26 C 0 200 400 600 800 Pumpeeinstellung U min Abb 9 1 Kalibrierung der Peristaltikpumpe mit einer Malzextraktl sung mit 60 Trockenmasseanteil bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen v34 s9 204 v32 t 105 V28b 45 210 V28a 40 186 Te SS Dd 90 3 V26a p 40 218 v22 Eed 81 md 10 3 vio gt 161 Vin s i 124 C 494 vs aa 125 o s 147 V5 x 155 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 Durchmesser um Abb 9 2 Partikelgr enverteilung der spr hgetrockneten Malzextraktpulver Anhang A 13 V34 DD O58 V32 EH D A V28b 41 V28a 45 V26b 42 V26a CoS E 3 V23 GH OO V22 H E 3 V19 59 V10 H 6 3 VQ COO D A ve H 450 VC 6 2 VE 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 span dg93 A403 dso 3 E Abb 9 3 Normierte Breite der Partikelgr enver
16. 1 2 2 52 18 145 90 10ME 10 75 85 23 3 53 18 145 92 10ME 10 65 87 28 3 54 18 10ME 10 70 9 37 7 145 92 7 55 21 146 117 64 7 3 1 1 2 10ME 10 70 95 3 38 47 9 30 6 17 3 56 18 150 112 70 9 4 0 1 2 0 75 81 4 88 33 5 26 0 7 5 57 18 145 89 65 8 3 7 1 4 0 70 91 3 63 31 4 28 0 3 4 1 67 58 19 146 125 70 9 3 8 1 2 0 70 76 3 74 27 4 22 3 5 2 5 1 2 0 7 59 15 12 108 46 7 75 5 60 15 119 102 45 7 0 75 54 61 27 134 1 10ME 10 75 43 62 18 127 97 60 7 3 5 1 2 10ME 10 75 65 5 8 63 16 133 156 79 9 5 0 0 9 10ME 10 75 37 64 20 135 10ME 10 39 65 14 140 108 53 9 10ME 10 56 66 16 139 97 10ME 10 70 67 9 141 101 52 4 5 8 1 2 10ME 10 75 64 6 54 68 10 158 150 80 0 7 9 0 9 10ME 10 75 80 6 3 69 7 152 117 51 5 7 1 1 2 10ME 10 75 75 70 8 157 102 53 9 6 8 1 2 10ME 10 75 84 3 85 152 6 6 71 13 152 98 82 0 63 1 2 Jtomerto 75 8 4 90 353 33 Anhang A 9 Fortsetzung der Tab 9 11 SD RD Eiweiss Kompak Feuchte verg Zucker ARP TBZ f d H REM Tg C Beurteil 503 nein kg m Gew P terung auinahme tom OEC so pq Bourteltung fl ssig 170 208 Pulver fl ssig fl ssig
17. 145 150 155 160 Vorexpansionstemperatur C Reihe I pv 100 bar SGM 12 1OME_ 10mm Reihe Il pv 100 bar SGM 12 0 ME_ 10mm Reihe Ill pv 100 bar SGM 15 1OME_ 10mm Reihe IV pv 150 bar SGM 24 0 0 5 ME_8mm quiv VWZ 6 s Reihe aquiv VWZ 14 4 s Reihen II und III aquiv VWZ 42 s Reihe IV Abb 6 59 Farbver nderung in Abh ngigkeit der PGSS Spr hparameter Versuchsreihen IV 144 Ergebnisse und Diskussion Tab 6 17 Reaktionsgeschwindigkeiten fur die Berechnung der aquivalenten Verweilzeit in der Mischstrecke TPC 125 130 135 140 145 150 155 160 Zum Vergleich wird EBC min 3 749 5 695 8 561 12 745 18 792 27 456 39 761 57 091 kn aqu VWZ t min 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 Aqu VWZ AFIEBC min 0 4 0 24 0 6 0 24 0 9 0 24 1 3 0 24 1 9 0 24 2 7 0 24 4 0 0 24 5 7 0 24 AF EBC 0 9 1 4 2 1 3 1 4 5 6 6 9 5 13 7 qu VWZ geit AFTEBCI 0 7 2 6 0 7 4 0 0 7 6 0 0 7 8 9 0 7 13 2 0 7 19 2 0 7 27 8 0 7 40 0 in Tab 6 18 auch die maximalen Verweilzeiten des Malzextraktes GI 13 wie sie ohne Gaszumischung gelten w rden angegeben Tab 6 18 Berechnete quivalente und maximale Verweilzeiten Reihe zah ME SGM Versuch Nr 10 10 12 12 15 24 40 42 47 71 27 43 44 45 46 19 20 21 8 9 15 Aqu max ieee VWZ del VWZ t s 0 4 3 6 2 3 6 3 9 0 7 4 1 3 3 3 8 2 7 5 4 1 4 6 5 1 5 1
18. 20 157 157 EE ea EE Pulver 11 70 Pul Aggl 22 125 182 x Pulver 23 145 182 x Pulver 24 150 166 X Pulver 25 183 197 X Pulver 26 mol else gt Pwer oz wor 195 243 170 181 132 Pulver 29 211 209 Pulver 30 221 172 Pulver 31 139 207 Pulver 32 fl ssig 33 here ie joe ee ol sec len EE fl ssig 36 A 8 Anhang Fortsetzung der Tab 9 11 V sem tvpey PY mooz Mua D se ME FSwazew Ty MO EBCpuer EBCwerexi AEBC ffc Nr bar kg h kg h mm imm Gew C Gew 37 12 132 105 77 3 6 7 1 0 16ME6 75 63 6 28 220 00 0 6 3 1 4 7 8 132 105 38 12 138 103 77 2 1 16ME 6 75 70 5 56 23 0 22 1 1 0 39 11 124 9 77 5 7 1 1 4 10ME 10 75 52 0 0 130 9 0 4 40 11 1 4 10ME 10 53 25 6 41 14 140 102 1 4 10ME 10 56 26 1 42 12 147 104 10ME 10 6 27 1 1 4 8 43 12 79 695 57 14 o 75 9 618 248 234 14 Fk 75 9 2 0 5 9 2 0 130 1 6 129 1 7 45 12 129 106 60 1 50 1 6 568 289 27 1 18 132 59 1 7 47 11 99 66 6 10ME 10 4 93 25 0 1 8 48 19 132 103 66 4 3 4 1 2 10ME 10 73 4 17 26 2 2 49 12 133 100 64 6 5 4 1 2 1ME 10 67 5 64 27 4 50 12 133 99 63 1 5 3 1 2 5ME 10 75 68 4 93 27 9 24 8 3 0 1 9 51 19 132 101 61 7 3 3 1 2 16ME 6 75 77 3 96 31 9 30 8 1
19. 23 3 5 9 13 7 12 1 21 4 10 3 28 1 7 0 15 5 15 1 28 2 11 8 31 9 7 9 18 9 18 2 32 9 13 2 35 7 9 0 20 6 9 9 22 6 11 0 26 4 12 0 27 8 13 0 30 9 13 9 32 7 15 0 36 2 Anhang A 3 Tab 9 4 Versuchsdaten zur Abb 6 7 Zusammensetzungen der koexistierenden Phasen der Systeme Malzextrakt CO2 und Wasser CO Malzextrakt CO Gasphase 60 C 80 C 100 C 120 C Druck CO Std CO Std CO Std CO Std bar Gew Abw Gew Abw Gew Abw Gew Abw 50 99 51 0 03 99 63 0 18 99 21 0 03 99 24 0 19 100 99 62 0 25 99 56 0 29 99 55 0 03 99 40 0 18 150 99 50 0 20 99 45 0 06 99 46 0 13 99 33 0 12 200 99 47 0 15 99 34 0 15 99 34 0 19 99 24 0 14 250 99 43 0 19 99 31 0 11 99 27 0 03 99 20 0 20 300 99 36 0 19 99 31 0 01 99 18 0 07 99 17 0 10 Fl ssigphase 50 1 14 0 14 1 22 0 14 1 37 0 13 1 83 0 19 100 1 68 0 07 1 75 0 05 2 04 0 28 2 21 0 33 150 1 94 0 17 2 01 0 28 2 24 0 31 2 76 0 34 200 2 13 0 09 2 15 0 33 2 42 0 26 3 31 0 14 250 2 21 0 07 2 44 0 18 2 64 0 15 3 57 0 09 300 2 61 0 27 2 84 0 48 3 09 0 55 3 92 0 15 Tab 9 5 Versuchsdaten zur Abb 6 8 Zusammensetzungen der Gasphase der Systeme Malzextrakt CO2 und Glucose Wasser CO Malzextrakt CO TEPC Druck Zeit Fl ssigphase Gasphase bar h CO Gew Std Abw CO Gew Std Abw 120 200 1 2 39 0 12 99 78 0 02 120 200 2 2 91 0 08 99 85 0 05 120 200 4 3 00 0 10 99 78 0 01 120 200 24 3 05 0 15 99 88 0 08 Glucose H O CO 12
20. 3 desoxyhexosulosen Kroh 1994 Die Polymere werden oft als Farbstoff in Lebensmittelprodukten wie Cola Getr nken Sojaso e und Speiseeis eingesetzt und mit der Kennzeichnung E150 bezeichnet U Wageningen 2010 3 Eingesetzte Substanzen Die wichtigsten eingesetzten Substanzen die in dieser Arbeit verwendet wurden sind Kohlendioxid Malzextrakt Wasser und Stickstoff Deionisiertes Wasser wurde gelegentlich zur Verdunnung des Malzextraktes eingesetzt Kohlendioxid wurde als Prozesshilfsmittel fur die Herstellung des Malzextraktpulvers mittels des PGSS Trocknungsverfahrens benutzt Dieses Gas ist ein reines Pulverisierungshilfsmittel das weder mit dem Malzextrakt w hrend des Prozesses reagiert noch im Endprodukt zu finden ist Stickstoff wird als verdichtetes Gas zur Druckerh hung dort verwendet wo geringe L slichkeit ohne Dissoziation gew nscht ist dient als reines Druckmedium f r einige Versuche 3 1 Malzextrakt 3 1 1 Eigenschaften und Herstellung Malzextrakt ist ein w ssriger Auszug aus dem gem lzten Getreide typischerweise Gerste Weizen oder Roggen Der Herstellungsprozess durchl uft verschiedene Stufen Abb 3 1 und schlie t mit einer Vakuumverdampfung ab bei der das Wasser aus der L sung entfernt wird bis der gew nschte Trockenmassenanteil erreicht ist Der Trockenmassenanteil kann bis zu 90 Gew betragen Bei den handels blichen Trockenmasseanteilen von 60 bis 80 Gew weisen die Produkte eine hohe Viskos
21. 50 C ber und unter dem Effekt Glas bergang liegt Ehrenstein 2003 Es ist daher vor dem Erstellen des Temperaturprofils abzusch tzen in welchem Temperaturintervall sich der Glas bergang der Probe befindet Zum Aufheizen der Messzelle dienen elektrische Heizelemente Da die K hl temperatur die Raumtemperatur bei Weitem unterschreitet kommt zur K hlung des Ofens am DSC Messger t ein mit fl ssigem Stickstoff gef llter Beh lter zum Einsatz Dieser hat eine Kapazit t von 1 5 Litern und wird zur Aufrechterhaltung der K hl leistung kontinuierlich aufgef llt Die Methode zur Messung der Glas bergangstemperatur mittels DSC wurde im Rahmen dieser Arbeit entwickelt Als Erstes wurde die optimale Heizrate K min und das Temperaturprofil Heiz und K hlvorg ngen anhand von reinen Bestandteilen des Malzpulvers wie Glucose Fructose Maltose und Maltotriose deren Glas bergangstemperatur bereits bekannt ist ermittelt Sowohl die Heizrate als auch das Temperaturprofil sind f r die Genauigkeit der Messergebnisse entscheidend Die Heizrate hat einen gro en Einfluss auf die Auswertung der Glas bergangs temperatur und das Temperaturprofil beeinflusst die Umwandlungsvorg nge vor und nach dem Glas bergang 66 Untersuchungsmethoden Fur die Bestimmung der Glasubergangstemperatur der kristallinen Stoffe wurde die Probe zun chst bei einer Heizrate von 20 K min bis zu 20 C ber ihren Schmelz punkt aufgeheizt und anschlie e
22. 6 62 Beziehung zwischen Farbe und den gebildeten Aromastoffen bei der thermischen Ver nderung Ergebnisse und Diskussion 149 Die thermische Beanspruchung beeinflusst den pH Wert kaum Die gemessenen pH Werte fur die drei Proben sowie fur den flussigen Malzextrakt liegen im Bereich von 5 1 und 5 4 Unterschiedlich thermisch behandelte PGSS Pulver wurden ausgewahlt und deren antioxidative Aktivitat Uberpruft Die Abb 6 63 stellt den Einfluss der thermischen Behandlung auf das antiradikale Potential ARP dar 80 Be 75 wr _ 70 ee se a 65 s S S 60 3 zf ARP 0 865 F 32 48 po t R 0 895 Farbe EBC Abb 6 63 Antioxidative Aktivit t in Abh ngigkeit der Farbe bzw der thermischen Behandlung Je h her der Farbwert die thermische Beanspruchung des Pulvers ist desto h her ist das antiradikale Potential ARP Das bedeutet dass die gebildeten Substanzen nach der Maillard Reaktion eine antioxidative Kapazit t aufweisen Dieses Verhalten stimmt mit der in der Literatur angegebenen Analyse berein Die antioxidative Aktivit t von Maillardreaktionsprodukten MRP wurde zuerst bei spruh getrocknetem Milchpulver aus der Erh hung der Oxidationsstabilit t beobachtet Findley 1946 Yamaguchi 1981 hat aus dem MRP von Xylose und Glycin eine antioxidative Fraktion mit Molekulargewichten um 5000 Da isoliert und Kawashima 1977 hat im Reaktionssystem von weiteren niedermolekularen Zuckern mit Amino s uren
23. Ansatz besteht eine lineare Beziehung zwischen dem nat rlichen Logarithmus von k t und dem Kehrwert der zugeh rigen Temperatur Die Arrhenius Gleichung lautet wie folgt 96 Ergebnisse und Diskussion E RT Kr R GI 10 Kr Ko e In Ko RT Ea Aktivierungsenergie J mol T Temperatur K H universelle Gaskonstante 8 3145 J mol K kir Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient EBC min kg Reaktionsgeschwindigkeitskonstante EBC min fur 1 T 0 Zwischen den Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten der Messreihen und ihrer zugeh rigen Temperatur l sst sich die Beziehung nach Arrhenius feststellen Abb 6 14 In kr 13408K T 35 01 Gl 11 Damit ergibt sich folgender Wert f r die Aktivierungsenergie Ea der Br unungsreaktion J kJ E 13408K R E 13408K 8 1345 109 Gl 12 mol K mol Kessler 1996 gibt in der Gr enordnung die Aktivierungsenergie von 50 bis 150 kJ mol f r chemische Reaktionen wie Vitaminabbau Braunungsreaktionen Bildung von Hydroxymethylfurfural HMF Enzyminaktivierung usw an Okazaki 2001 hat die Aktivierungsenergie von Br unungsmechanismen bei hydrostatischen Dr cken zwischen 1 und 4000 bar untersucht und gibt Werte zwischen 94 3 und 105 3 kJ mol an Er erw hnt dass die Aktivierungsenergie bei Hochdruck unver ndert bleibt Die in der vorliegenden Arbeit experimentell erhaltene Aktivierungsenergie stimmt in ihrer Gr enordnung mit den Literat
24. Dicarbonylverbindung bertragen w hrend zugleich aus der Aminos ure der um ein C Atom rmere Aldehyd entsteht Abb 2 10 Diese Aldehyde werden Strecker Aldehyde genannt Dabei werden a Aminocarbonyl verbindungen gebildet Die im Vergleich zu den Aminos uren um ein C Atom verk rzten Aldehyde besitzen in Abh ngigkeit von der abgebauten Aminos ure ein erhebliches Aromapotential Der Strecker Abbau ist irreversibel f hrt dadurch zum Verlust der Aminos uren Er erkl rt bei der Maillard Reaktion die beobachtete CO gt Entwicklung Die Reaktion l uft bei h heren Konzentrationen an freien Aminos uren und unter drastischeren Reaktionsbedingungen z B bei h heren Temperaturen oder unter Druck ab Belitz 2008 Theoretische Grundlagen 17 zech H2N CHR CO2H Se CR CO H Cso H20 La H o Nscr Go H H20 ec Sekt 3 E gt SH R CH 0 CO a Aminocarbonyl Verbindung Abb 2 10 Der Strecker Abbau von Aminos uren durch a Dicarbonylverbindungen Angrick 1980 Die beim Strecker Abbau gebildeten Produkte und die in der ersten Phase der Maillard Reaktion entstandenen Carbonyl und Hydroxycarbonyl Verbindungen und die verschiedenen Aminos uren stellen gemeinsam ein enormes synthetisches Potential dar Als Folgereaktionen werden die Reaktionen zwischen den genannten Substanzen bezeichnet diese reagieren miteinander und bilden heterocyclische Verbindungen Aromastoffe Ester S uren Alkohole Alkene Alkan
25. Die Dicke der trockenen Schicht w chst mit der Zeit und verursacht die Abnahme der Verdampfungsrate Dieser Teil Prozess wird als zweite Phase bezeichnet Masters 1991 Es gibt zwei Verfahren wie der Luftstrom in die Trockenkammer gef hrt werden kann Das Gleichstromverfahren bei dem die Hei luft in Richtung des Spr hstrahls str mt und das Gegenstromverfahren bei dem die Hei luft gegen die Spr hstrahl richtung str mt Abb 2 1 rechts Die Auswahl des Verfahrens h ngt von den Eigenschaften und Empfindlichkeit des zu trocknenden Produkts und den sp teren erw nschten Eigenschaften ab Durch die feine Verteilung der Tropfen wird die spezifische Oberfl che des Gutes vergr ert dies erm glicht dadurch eine sehr schnelle Trocknung unter kontrollierten Erw rmungsbedingungen ohne die Substanz bzw das Lebensmittel zu besch digen Diese Verdampfung entzieht viel W rme und erlaubt trotz der relativ hei en Trocknungsluft eine schonende Trocknung statt B chi 2010 8 Theoretische Grundlagen Im weiteren Verlauf wird das Endprodukt in den Zyklon Z weitergefuhrt Durch den Zyklonabscheider wird das Pulver von dem Luftstrom entfernt separiert und gek hlt Baltes 2007 Das Spr htrocknen wird in verschiedenen Bereichen der Industrie angewandt wie zum Beispiel in der Lebensmitteltechnik Pharmaindustrie Biotechnologie Land wirtschaft Kosmetikbranche oder neuerdings auch in der Nanotechnologie Einige bekannte Konsu
26. Die Tab 6 3 zeigt die dynamische Viskosit t von Malzextraktl sungen mit 40 Gew bzw 60 Gew Wasseranteil bei verschiedenen Temperaturen von 20 30 40 60 und 80 C und einer Scher geschwindigkeit von 100 sl Abb 6 10 vergleicht die unterschiedlichen Viskosit ten des Malzextraktes mit denen der Malzextraktl sungen bei 20 C Die Viskosit t von unverd nntem Malzextrakt bei 80 C und der Malzextraktl sung mit 40 Gew Wasseranteil bei 20 C sind etwa gleich Die Viskosit t einer Malzextrakt l sung bei 20 C mit 60 Gew Wasseranteil ist um ein 10 faches h her als die von Wasser bei 20 C F r eine problemlose Bef rderung des Malzextraktes mittels der Edukt Dreikopfmembranpumpe Abschnitt 5 2 1 reicht eine Erw rmung auf 60 C Allerdings ist eine Verd nnung des Malzextraktes auf 40 Gew Wasseranteil f r den Betrieb bei Raumtemperatur mit der Peristaltikpumpe Abschnitt 5 1 notwendig Eine Verd nnung auf 60 Gew Wasseranteil ist f r eine Bef rderung nicht notwendig Dar ber hinaus wurde beobachtet dass eine Verd nnung des Malz extraktes auf 60 Gew Wasseranteil zu einer beschleunigten Sedimentation von 90 Ergebnisse und Diskussion Feststoffen f hrt Aufgrund der drastisch verringerten Viskosit t der L sung nimmt die station re Sinkgeschwindigkeit der Schwebstoffe zu und es kommt innerhalb kurzer Zeit zu einer Entmischung F r die Bevorratung in den Versuchsanlagen bedeutet dies dass bei h heren Verd n
27. Die Verdampfungsleistung pro Stunde betr gt 1 bis 6 Liter Wasser Die eingesetzte Zerst ubungseinrichtung ist eine ZweistoffdUse Abb 5 2 Die Trocknungsluft wird aus der Umgebung angesaugt gefiltert F auf eine Temperatur zwischen 80 C und 160 C aufgeheizt W und in den Spr hturm ST geleitet Die Luft wird nicht vorgetrocknet daher h ngt der Feuchtegehalt der Trocknungsluft von den Umgebungsbedingungen ab Im Winter betr gt die relative Luftfeuchte ca 40 und im Sommer ca 60 Die Menge an Trocknungsluft wird mittels der Dreh zahl de Gebl se G bis zu einem maximalen Wert von 105 m h gesteuert Die Fl ssigkeit Edukt wird mit einer Peristaltikpumpe PE drucklos der Zweistoffd se zugef hrt Der Durchsatz wird ber die Umdrehungs frequenz der Schlauchpumpe gesteuert Gleichzeitig wird Druckluft aus der Hausleitung bei 6 10 bar zu der D se ber einen Schwebek rper zum Volumenstrommessger t gef rdert Die Fl ssigkeit Edukt wird mit Hilfe der Spr hdruckluft mittels der Zweistoffduse gespr ht die gebildeten Tropfen werden sofort in der Kammer getrocknet Anschlie end werden die trockenen Partikel im Zyklon Z abgeschieden Das Produkt wird im Produktbeh lter PB gesammelt Die Zyklonabluft wird nochmal durch einen Schlauchfilter SF gefiltert und zur Atmosph re geleitet Die Anlage ist mit verschiedenen Temperatur und Drucksensoren ausgestattet um diese Verfahrensparameter an verschiedenen Stellen zu kontrol
28. Gew 4 5 65 70 75 80 Spr hturmtemperatur C 43 V44 pv 78 bar Tv 130 C SGM 12 0 ME_ 10mm Abb 6 51 Einfluss der Spr hturmtemperatur auf die Trocknung 6 4 7 Verd nnung des Malzextraktes Um den Einfluss des Trockenmasseanteiles der Malzextraktl sung zu pr fen wurde der urspr ngliche Malzextrakt 75 Gew TS auf einen Wassergehalt von 35 Gew entsprechend einem TS Gehalt von 65 Gew verd nnt Bei diesem Wassergehalt ist die Viskosit t des Malzextraktes bei Raumtemperatur von 6000 auf 18 mPa s gesunken Damit ist die Malzextraktl sung ohne weitere Erw rmung mit der installierten Pumpe einfach zu f rdern Die Verd nnung des Malzextraktes hat die Ver nderung einiger Eigenschaften zur Folge Zwei Versuchsreihen V24 V32 und V52 V53 die unterschiedliche Wasseranteile in der Ausgangsl sung aufwiesen wurden verglichen Die Abb 6 52 zeigt die REM Aufnahmen der erhaltenen Partikel in der ersten Versuchsreihe Das Pulver aus dem Versuch V32 mit einem h heren Wasseranteil der Ausgangsl sung weist im Gegensatz zu den Partikeln vom Versuch V24 zahlreiche Poren auf Obwohl die SGM bei V24 h her als bei V32 war 29 vs 19 sind die Partikel von V32 wesentlich por ser als die Partikel von V24 Die starke Porosit t beeinflusst die Sch ttdichte das Kompaktierungsverhalten und die Lagerstabilit t des Produktes Die extrem por sen Partikel nehmen Wasser aufgrund der gro en spezifischen Oberfl che schneller
29. Malzextrakt 60 C diese Arbeit H20 75 C Gillespie 1982 H20 110 C Takenouchi 1964 e Malzextrakt 80 C diese Arbeit oH2O 80 C Pham 2007 A H20 120 C Pham 2007 Malzextrakt 100 C diese Arbeit H20 93 C Gillespie 1982 A H20 121 C Gillespie 1982 a Malzextrakt 120 C diese Arbeit Abb 6 7 Zusammensetzungen der koexistierenden Phasen der Systeme Malzextrakt CO2 und Wasser CO2 Beim Vergleichen der L slichkeitskurven des Systems Malzextrakt CO2 mit dem von Wasser CO ist auf den ersten Blick zu erkennen dass die Anwesenheit von Zucker die L slichkeit von CO in der Fl ssigphase verringert Dieses Verhalten wurde von Rischbieter 1996 und V squez 1994 bewiesen Krinninger 1996 erw hnt dass der erh hte Zuckergehalt wie z B bei Limonadengetr nken von etwa 10 zu einer geringeren L slichkeit von CO f hrt Die COz L slichkeit wird auch durch den Salzgehalt oder durch die im Wasser gel ste Luft verringert In Abb 6 7 ist zu sehen dass mit steigender Temperatur die L slichkeit des CO2 im Malzextrakt ansteigt Dieses Verhalten ist eher ungew hnlich da normalerweise die L slichkeit des CO bei Erniedrigung der Temperatur beg nstigt wird Abb 3 6 Um dieses Verhalten zu erkl ren ist es wichtig den Malzextrakt als komplexes und nicht als reines System zu betrachten Dieses Mehrstoffssystem besteht aus verschiedenen Zuckerarten Proteinen und Wasser ihre Zusammensetzung ist aufgrund der Br unun
30. Malzextrakt gel st hat stellt sich ein Gleichgewicht ein Druck und Temperatur bleiben nun konstant Der R hrer wird ausgeschaltet Das Zwei phasengemisch wird 60 Minuten lang unter gegebenen Bedingungen in der Zelle belassen Anschlie end wird der behandelte Malzextrakt aus der Zelle entnommen und in einem kalten Wasserbad schnell abgek hlt Damit wird die Br unungsreaktion gestoppt Die Br unungsintensit t der Proben wird durch Farbbestimmung berpr ft Z llner 2010 Dabei ergeben die Versuche in der Hochdrucksichtzelle etwas h here Br unungs werte bei gleichen Temperaturwerten als die Braunungsversuche in den Metall r hrchen s Abschnitt 4 6 1 Da die Ber hrung des Malzextraktes mit Wandfl chen in den R hrchen wesentlich intensiver war als in der Sichtzelle kann ein katalytischer Effekt an den Wandfl chen ausgeschlossen werden Die Ursache f r die st rkere Br unung in der Sichtzelle ist offenbar die nicht erfasste bertemperatur der beheizten Zellenwand 5 Pulverisierungsanlagen 5 1 Spruhtrocknungsanlage 5 1 1 Versuchsanlage Die Pulverisierungsversuche wurden in einer bestehenden Spr htrocknungs pilotanlage im Fraunhofer Institut UMSICHT in Oberhausen durchgef hrt Das Schema und ein Bild der Anlage sind in Abb 5 1 und Abb 5 3 dargestellt Die Technikumsanlage ist in Gleichstrombauart gebaut Sie ist f r eine Eintritts temperatur der Trocknungsluft bis 350 C und mit einer Heizleistung von 12 kW ausgelegt
31. Performance Liquid Chromatography HPLC dient eine Fl ssigkeit als mobile Phase als station re Phase werden Feststoffe oder Fl ssigkeiten eingesetzt Die Methode erm glicht schwerfluchtige oder thermisch instabile Stoffe und Stoffgruppen zu trennen Diese Methode liefert analog zur Gaschromatographie qualitative und quantitative Aussagen in einem Analysengang Die Abb 4 17 zeigt den schema tischen Aufbau einer HPLC Anlage Mit Hilfe der Methode wird der Gehalt der verg rbaren Zucker wie Glucose Fructose Maltose und Maltotriose bestimmt Bei der Maillard Reaktion reagieren reduzierende Zucker mit Aminos uren Daher kann durch Messung des Zuckergehaltes im Malzextrakt vor und nach der Behandlung Verspr hen das Fortschreiten der Maillard Reaktion beobachtet werden Die Bestimmungen wurden von einem externen Labor durchgef hrt 56 Untersuchungsmethoden ehr Abb 4 17 Schematischer Aufbau einer HPLC Anlage E Elutionsmittelreservoir P Pumpe Elutionsmittelf rdersystem l Injektor Probenschleife S Trennsaule D Detektor Matissek 2006 4 3 5 Aromastoffe Die Menge an Aromastoffe Streckeraldehyde und 2 Furfural werden mit Hilfe der Gaschromatographie GC untersucht Dieses Verfahren dient zur Trennung fl chtiger Verbindungen die in einem Gasstrom ber durch die in einem langen dunnen Rohr fixierte stationare Phase stromen Matissek 2006 Abb 4 18 zeigt den schematischen Aufba
32. Sie ist eine Kennzahl die neben 5 Hydroxymethylfurfural HMF eine Vielzahl von Produkten der Maillard Reaktion und andere organische Verbindungen erfasst In diesem Abschnitt wird der Zusammenhang zwischen der Farbe EBC Wert und der Thiobarbiturs urezahl TBZ dargestellt Die Thiobarbiturs urezahl von verschiedenen thermisch behandelten Proben mittels PGSS hergestellten Pulvern wurde bestimmt Die Abb 6 16 zeigt die erhaltenen TBZ Werte im Vergleich zu den Farbwerten Es ist zu sehen dass die Beziehung zwischen den EBC Farbwerten und der TBZ linear ist und dass mit einer statistischen Sicherheit von 96 die Farbwerte mit den TBZ Werten korrelieren Abb 6 16 Diese Korrelation besagt da sich die TBZ zur Absch tzung der Br unung im Temperaturbereich bis 150 C gut eignet Zahlreiche Autoren wie Okazaki 2001 Tamaoka 1991 und Xu 2009 haben auch den Verlauf der Maillard Reaktion mittels der Farbintensit t bei 430 nm beschrieben Ergebnisse und Diskussion 99 300 UB 250 Va N oe DI 200 3 z ar ae 150 S y TBZ 5 366 F 2 225 R 0 956 Z 100 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Farbe F EBC Abb 6 16 TBZ Werte in Abh ngigkeit von der Farbe f r verschiedene thermisch behandelte Proben Es wurde zus tzlich die Menge an Hydroxymethylfurfural in den Proben mittels IR Infrarotspektroskopie und analytischen Methoden wie Winkler DIN10751 1 1992 und White DIN10751 2 1999 bestimmt HMF geh rt zu den Sub
33. Spektrum Akademischer Verl Heidelberg u a U Wageningen 2010 Food Info URL _http www food info net uk colour browning htm Stand 08 06 2010 Vasquez G et al 1994 Solubility of CO2 in aqueous solutions of saccharose glucose fructose and glycerin Journal of Chemical Engineering Data 39 639 642 Vega A Lara E Lemus R 2006 Isotermas de adsorcion en harina de maiz Zea mays L Ciencia y Tecnologia de Alimentos 26 4 2 13 URL http www scielo br pdf cta v26n4 16 pdf Stand 25 06 2010 Wagner W 2006 Thermofluids interactive software for the calculation of thermodynamic properties for more than 60 pure substances CD ROM Springer Verlag Berlin u a Weidner E 2009 High pressure micronization for food applications The Journal of Supercritical Fluids 47 3 556 565 Weissheimer 1991 Verfahren f r die Herstellung eines Malzproduktes f r Lebensmittel insbesondere fur die Bierherstellung und nach diesem Verfahren hergestelltes Malzprodukt Friedrich Weissheimer Malzfabrik Patentnr DE 3928274A1 28 02 1991 Deutschland Weyermann 2010 Malzextrakt URL http www weyermann de Stand 25 07 2010 Willmes 2007 Taschenbuch Chemische Substanzen 3 Auflage 3 vollst berarb und erw Aufl Harry Deutsch Verlag Frankfurt am Main Wittmann R Eichner K 1989 Nachweis von Maillard Produkten in Malzen Bieren und Braucouleuren Zeitschrift f r Lebensmittelunter
34. Thiobarbiturs urezahl kann nach Gl 7 bestimmt werden TBZ Ay AL 10 f Gl 7 TBZ Thiobarbiturs urezahl Ay Absorption des Hauptwertes bei 448 nm A Absorption des Leerwertes bei 448 nm Verd nnungsfaktor 10 4 3 7 Antioxidative Kapazitat Die Bestimmung der antioxidativen Kapazit t im fl ssigen Malzextrakt und im Malzpulver wird mittels der DPPH Messung durchgefuhrt Das DPPH Molekul 1 1 Diphenyl 2 picryl hydrazyl ist ein stabiles freies Radikal das sich in Ethanol lost und dabei violett farbt Diese Farbung ist auf das ungepaarte Elektron am Stickstoff atom zur ckzuf hren Durch die Oxidation verschiedener Antioxidantien und Phenole wird das DPPH Molekul reduziert und entfarbt sich gelb Abb 4 19 Qo O on N N NO AO H N N NO AO H O2 Och Abb 4 19 Strukturformel 1 1 Diphenyl 2 picryl hydrazyl DPPH violett links und reduzierte DPPH H 2 2 Diphenyl 1 picrylhydrazin gelb rechts Die DPPH Messung wird im Elektronenspinresonanz Spektrometer ERS durch gef hrt um die Radikalkonzentrationen direkt zu messen Die Abb 4 20 zeigt ein ERS Spektrum von DPPH und dem Standard Mn Der relative Signalwert der reinen DPPH L sung entspricht 100 und beschreibt das Verh ltnis der mittleren Amplituden des DPPH und der Standard Mn L sung Gl 8 Die Absolutwerte der Messungen k nnen nun mit den Relativwerten verglichen werden und prozentual dargestellt werden Gl 8 Signal
35. Versuch EBC 0 2 Std Abw 5 26 8 154 7 8 52 7 283 4 11 35 0 186 8 23 25 3 140 4 24 28 5 169 6 29 25 2 131 7 32 31 0 157 8 46 28 4 153 1 47 25 0 141 4 48 26 2 140 4 50 27 9 152 6 51 31 9 188 8 Tab 9 10 Versuchsdaten der Spr htrocknungsversuche Spr htrocknungsversuche Versuch Nr 2 17 20 21 27 29 30 31 33 TS der L sung Gew 0 5 60 60 60 50 60 60 on 60 55 Spr hrate kg h 0 1 24 24 24 24 24 24 24 24 24 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 8 6 10 8 8 10 6 8 10 Zerst ubungsluft Nm h kg L sung 3 3 2 5 4 2 3 3 3 3 4 2 2 5 3 3 4 2 Trocknungsluft Eintrittstemp C 2 175 120 120 140 160 120 120 120 140 Tr Luftmenge Nm h 0 5 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 101 2 86 3 Luftaustrittstemp C 1 91 85 72 81 103 78 82 82 89 Restfeuchtegehalt Gew 0 05 19 4 22 3 17 3 68 3 4 29 2 75 2 66 Farbe Pulver EBC 0 2 31 6 252 236 32 2 283 32 5 23 2 26 2 Farbe fl Malzextrakt EBC 0 2 294 224 235 31 8 26 2 32 5 23 26 1 Farbveranderung EBC 2 2 2 8 0 1 0 4 2 1 0 0 2 0 1 Eiwei Gew 0 2 5 8 pH 0 2 5 2 5 2 ARP Flie f higkeit ffc 0 2 2 5 Sch ttdichte kg m 5 575 620 608 546 748 552 R tteldichte kg m 10 859 938 846 814 944 856 Partikelgr e dso um 1 27 16 27 19 33 13 74 21 span dg0 3 d10 3 d50 3 5 7 5 9 5 4 4 4 1 Kompaktierung qualitativ KK GK KK Bemerkung Pul
36. Verweilzeit der Luft im Spr hturm Einstellung der Gebl se Luftmenge Nm h Verweilzeit s 100 115 4 3 91 105 4 8 86 99 5 75 86 5 8 70 81 6 2 Eine Versuchsreihe in der die Luftmenge und die Verweilzeit der Trocknungsluft ge ndert wurden w hrend alle anderen Spr hparameter konstant gehalten wurden ist in Tab 6 9 gezeigt Da in der Lebensmitteltechnologie die blichen Hei luft eintrittstemperaturen zwischen 150 und 200 C liegen Kessler 1996 wurde als Eintrittstemperatur der Trocknungsluft 150 C und als Spr hrate der L sung zun chst 2 4 kg h gew hlt Beim Versuch Nr 3 wurden 43 6 kg Hei luft f r das Verdunsten von 0 4 kg Wasser verwendet spez Luftmenge 109 kg Hei luft pro kg Wasser Der Energiebedarf um 1 kg Wasser bei 150 C zu verdunsten betr gt 2744 kJ Die 109 kg Luft haben eine W rme von 5559 kJ abgegeben in dem sie ihre Temperatur von 150 auf 102 C verringert haben Die Zahlen zeigen dass die verf gbare Energie f r das Verdunsten doppelt so hoch ist und daher ausreichend f r die Trocknung war Allerdings hat die Verweilzeit nicht ausgereicht unter der Annahme dass die Verweilzeit der Luft der Verweilzeit von den Malzextraktpartikeln entspricht Bei den Versuchen 3 und 4 Einstellung der Gebl se bei 91 und 86 gen gt die Verweilzeit nicht f r eine vollst ndige Trocknung der gebildeten Tropfen Aus diesem Grund wurde f r die n chsten Versuche eine Einstellung des Gebl ses von 75 gew hlt
37. Wasserdampf Sorptionsmessungen Springer Verlag Berlin u a Gillespie P C Wilson G M 1982 Vapor Liquid and Liquid Liquid Equilibria Water Methane Water Carbon Dioxide Water Hydrogen Sulfide Water n Pentane Water Methane n Pentane Tulsa Okla Gas Processors Association Research report Gas Processors Association 48 Gnielinski A Mersmann F Thurner V 1993 Verdampfung Kristallisation Trocknung Vieweg Verlag Braunschweig u a 178 Quellenverzeichnis Greenspan L 1977 Humidity fixed points of binary saturated aqueous solutions Journal of Research of the National Bureau of Standards Section A Physics and Chemistry 81 1 89 96 Gruner S 1999 Entwicklung eines Hochdruckspr hverfahrens zur Herstellung hochkonzentrierter fl ssigkeitsbeladener Pulver Erlangen Friedrich Alexander Univ Diss Gupta R Shim J J 2007 Solubility in Supercritical Carbon Dioxide CRC Press Taylor amp Francis Boca Raton u a Hallbrucker A Mayer E 1989 The heat capacity and glass transition of hyperquenched Philosophical Magazine B 6 2 179 187 Hampe E Rudkevich D 2003 Exploring reversible reactions between CO and amines Tetrahedron 59 48 9619 9625 Hartmann T 1999 berkritisches Kohlendioxid als Reaktionsmedium f r die Naturstoffsynthese Die enantioselektive Hydrolyse von 3 Hydroxys ureester Hannover Uni Diss Elektronische Ressource
38. Zeit Die Abb 6 33 stellt den Vergleich zweier PGSS Versuche V66 und V65 dar Ein wichtiger Unterschied zwischen beiden Versuchen ist das Vorheizen des Spr hturmes Im Versuch V66 wurde der Spr hturm vorgeheizt im V65 dagegen nicht Wie in der Abb 6 33 zu erkennen ist wird eine konstante Nachexpansionstemperatur ohne Vorheizen des Spr hturmes innerhalb von 30 min nicht erreicht Dieser Unterschied im Prozess spiegelt sich in der Qualit t des Pulvers wider Der mittlere Restfeuchtegehalt des V66 betrugt 5 3 Gew und der des V65 6 61 Gew Beide lagen nach dem Versuch pulverf rmig vor allerdings hat das Pulver des Versuches V65 leicht Agglomerate gebildet und sich nach eine Woche in gummiartigen Zustand umgewandelt Das Pulver des Versuches V66 blieb wochenlang stabil Die erhaltenen Ergebnisse zeigen dass die Bedingungen im Spr hturm entscheidend f r die Trocknung der Pulver sind Dieser Einfluss wird in den n chsten Abschnitten diskutiert Jeder Versuch dauerte in der Regel mindestens 20 min und der Spr hturm wurde in allen Versuchen au er im Versuch V65 vorgeheizt Masters 1991 erw hnt dass die Partikel die man in Zyklon sammelt im Sammelbeh lter kompaktieren k nnen Die Kompaktierung ist zeitabh ngig w hrend die Klebrigkeit pl tzlich entsteht Kontaktzeit 1 s Dieses Ph nomen wird umso mehr beschleunigt je h her die Temperatur und die relativen Feuchte bedingungen sind besonders wenn das Pulver nicht gek hlt ist A
39. aus einem Hochdrucktank entnommen und mittels einer Dreikopfmembrandosierpumpe DP bis auf den gew nschten Druck komprimiert und ber ein Coriolis Massendurchflussmessger t gef rdert Das von der Pumpe komprimierte noch unterkritische Kohlendioxid wird anschlie end in einem W rme bertrager W erhitzt und dort auf berkritische Temperatur gebracht Kurz Pulverisierungsanlagen 75 vor dem statischen Mischer befindet sich auf der Kohlendioxidleitung ein Ruckschlagventil RV welches einen Ruckfluss des Malzextraktes in die Kohlen dioxidleitung verhindert Zyklon W rme bertrager Dreikopf Spr hturm membranpumpe beh lter Abb 5 5 PGSS Trocknung Technikumsanlage Die Mischstrecke die die Mischelemente der statischen Mischer enth lt und in die Kohlendioxid und Eduktleitung einm nden wurde in dieser Arbeit neu konzipiert Ein dreiteiliger beheizbarer Mischerhochdruckblock wurde f r 300 bar und 250 C ausgelegt und angefertigt Die Zeichnungen der Konstruktion der Mischstrecke sind im Anhang Abschnitt 9 4 dargestellt In den oberen Teil werden die Kohlendioxid und Malzextraktleitung zugef hrt Im Zentrum des Mischerblocks befindet sich eine Bohrung die 100 mm lang ist und einen Durchmesser von 12 mm hat In dieser Bohrung werden die Mischelemente eingesetzt Die Mischelemente mit verschiedenen Durchmessern 6 8 und 10 mm werden zwischen die geteilte H lse zur Durchmesseranpassung platziert Abb 5 6
40. bei Druckabsenkung stark ab Aus diesem Grund herrschen im Spr hturm geringere Temperaturen als die eingestellte Vorexpansionstemperatur Gleichzeitig entsteht eine vorteilhafte Inertgas Atmosph re die Oxidationsprozesse in den feinen Flussigkeitstropfchen ausschlie t und somit eine sehr schonende Pulverisierung zul sst Bei der PGSS Trocknung wird mit einem berschuss an Gas gegen ber der reinen L slichkeit unter Gleichgewicht bei Vorexpansionsbedingungen gearbeitet Der Quotient zwischen dem Massenstrom an Kohlendioxid und an zu pulverisierender Fl ssigkeit wird als spezifische Gasmenge SGM bezeichnet Werden die Versuchsparameter Druck vor Expansion Vorexpansionsdruck py Temperatur vor der D se Vorexpansionstemperatur T und spezifische Gasmenge SGM passend gew hlt liegt der Zustandspunkt der Gasatmosph re im Spr hturm nach der Expansion im 10 Theoretische Grundlagen einphasigen Bereich oberhalb der Taupunkttemperatur des Gemisches aus L sungsmittel und Gas Zu geringer CO2 Menge f hrt zu Taupunkt Unterschreitung und unvollst ndiger Trocknung L sungsmittel und Gas k nnen mit Hilfe eines Gebl ses G einphasig aus dem Spr hturm ber einen Zyklon abgezogen werden Gleichzeitig wird im Spr hturm und im Zyklon ein l sungsmittelarmes Pulver abgeschieden Ein vereinfachtes Flie bild des Verfahrens ist in der Abb 2 2 zu sehen Die Abb 2 3 zeigt ein T x y Diagramm von Kohlendioxid mit einem L sungsmittel be
41. davon wie lange das Malzextraktpulver einer solchen Atmosph re ausgesetzt ist wird wieder Wasser aus der Umgebung aufgenommen Nach einiger Zeit wird dann das Sorptions gleichgewicht von Malzextrakt Wasser erreicht Das Sorptionsgleichgewicht Malzextrakt Wasserdampf begrenzt den zul ssigen Wasserdampf Partialdruck nach der Expansion In der Anlage sind insgesamt 7 Thermoelemente und 3 Druckmessger te eingebaut Die Thermoelemente sind so eingeteilt dass w hrend des Versuches die Temperatur an jeder Stelle registriert wird Die Temperaturen Dr cke und Massenstr me werden alle 5 Sekunden ausgewertet und gespeichert 5 2 2 Versuchsdurchf hrung Die ausgew hlten statischen Mischelemente werden in den Mischerblock eingebaut Zwei Stunden vor dem Versuchsbeginn werden alle Thermostaten und elektrische Heizungen in Betrieb genommen Die Temperaturen des Kohlendioxid lthermostaten W betragen f r die Versuche in der Regel ber 180 C Eduktbeh lter EB Eduktleitungen Beh lter Mischstrecke und Abluftleitung Spr hturm Zyklon werden in einem Stromkreis Begleitsheizung angeschlossen und mittels Heizbandagen je nach Bedarf elektrisch beheizt Die Heizung der Kohlendioxidleitung Thermostat statische Mischer und die Mischstrecke Mischerblock sind an eine andere Stromleitung angeschlossen welche 5 Minuten vor dem Versuchsbeginn eingeschaltet wird Sobald die Thermostaten und Leitungen die gew nschte Temperat
42. der Malzextrakt im statischen Mischer eine kurzzeitige Millisekunden bis Sekunden Erw rmung durch die Vermischung mit hei em Kohlendioxid Aus diesem Grund wurde eine zus tzliche Versuchsreihe bei 100 C durchgef hrt Diesmal betrugen die Verweilzeiten 1 bis 15 min Die Ergebnisse sind in der Abb 6 13 dargestellt Dabei ist zu erkennen dass der Verlauf der Br unungsreaktion bis zu einer Erhitzungsdauer von 5Minuten vermutlich linear verl uft danach besteht kein linearer 94 Ergebnisse und Diskussion Zusammenhang mehr Laut empirischen Ergebnissen erfolgt die Reaktion bei 100 C annahernd nach erster Ordnung 15 oO 2 Mm S DI D 10 u C J al By E z 10 5 7 Q 8 ae 100 C U pe Zeit min Abb 6 13 Farbver nderung in Abh ngigkeit der Erhitzungsdauer Okazaki 2001 erw hnt dass die Maillard Reaktion bei 100 C und hydrostatischen Dr cken von 1 bis 4000 bar einer Reaktion erster Ordnung folgt Dieses Verhalten ist allerdings ab 105 C nicht mehr g ltig da die Reaktionsordnung dann h her ist Die experimentellen Haltezeiten nach Okazaki betragen zwischen 5 und 30 Minuten dabei ist zu erkennen dass w hrend der ersten 5 Minuten der Behandlung die Reaktion nahezu linear verl uft Das belegt die Vermutung dass bei kurzzeitigen Behandlungen mit einer Reaktion nullter Ordnung gerechnet werden kann Aus diesem Grund werden f r die Berechnungen der Reaktionsgeschwindigkeiten bei h heren Temperaturen bis 16
43. des PGSS Malzextraktpulvers bei 25 und 65 C Die ermittelten Ergebnissen der Isothermen bei 25 und 65 C und die Gleichung von Clausius Clapeyron erm glichen es die Bindungsw rme in Abh ngigkeit vom Restfeuchtegehalt der Substanz zu bestimmen Gl 16 Aw Q In 2 e Aw R al GI 16 1 Aw Wasseraktivit t T Temperatur K R universelle Gaskonstante 8 3145 J mol K Qs Bindungsw rme J mol Die berechnete Bindungsenthalpien rs in kJ kg sind aus der Abb 6 75 zu entnehmen Negative Werte von Bindungsenthalpien bei h heren Restfeuchte gehalten in zuckerhaltigen Lebensmitteln wurde auch bei Ayranci 1990 berichtet Aus dem Diagramm ist zu erkennen dass im Gebiet von monomolekularer Belegung hohe Bindungsenthalpien wirksam sind die zus tzlich zur Verdampfungsw rme z B 2453 kJ kg f r 20 C zu ber cksichtigen sind Aus diesem Grund ist das Trocknen des Produktes auf niedrigere Restfeuchtegehalte sehr schwer Der niedrigste erreichte Restfeuchtegehalt mittels Spr htrocknung lag bei 2 g H20 100 g TS Mittels PGSS Trocknung betrug die niedrigste erreichte Restfeuchte 3 2 g H20 100 g TS Ergebnisse und Diskussion 161 0 e 610 amp 0 5 19 6 510 At 076 gn R S Ss lt A4 8 A x 15 i TUR 210 0 N EE RS 110 2 ee EN A 10 90 2 5 3 3 5 0 5 10 15 20 25 1 T x 103 K1 Gutsfeuchte g H 0 100g TS Abb 6 75 Zur Bestimmung der Bindungswarme aus den Sorptionsisothermen
44. die Zustands nderungen des Pulvers w hrend der Trocknung zu verstehen Alle Analysen wurden mindestens zweimal durchgef hrt um aussagekr ftige Ergebnisse zu erhalten 4 1 Eigenschaften des Systems Malzextrakt CO unter hohem Druck 4 1 1 Qualitatives Phasenverhalten Viele Stoffe oder Stoffgemische verhalten sich unter hohem Druck anders als unter Umgebungsbedingungen Es ist daher essentiell die Substanzen unter hohem Druck visuell beobachten zu k nnen Zur Ermittlung und Visualisierung des qualitativen Phasenverhaltens eines pseudo tern ren Systems Malzextrakt Wasser CO unter verschiedenen Dr cken und Temperaturen wird eine Hochdrucksichtzelle verwendet Diese Hochdrucksichtzelle kann einem Druck bis zu 500 bar und einer Temperatur bis zu 200 C ausgesetzt werden 38 Untersuchungsmethoden Phasen sind homogene das hei t in allen Teilen physikalisch gleichartige durch scharfe Grenzfl chen gegeneinander abgegrenzte optisch unterscheidbare und meist physikalisch voneinander trennbare Zustandsformen der Stoffe Falbe 1995 Stellt man eine Mischung aus zwei Stoffen her so kann man abh ngig von den Stoffen und Druck und Temperaturbedingungen zwei unterschiedliche Verhaltens weisen beobachten Bei vollst ndiger Mischbarkeit der Stoffe erh lt man eine Phase in der sich beide Stoffe im gew hlten Mischungsverh ltnis gleichm ig verteilt wiederfinden Herrscht zwischen den beiden Stoffen unter den be
45. entsprechend einer mittleren Verweilzeit von 5 8 s Ergebnisse und Diskussion 103 Tab 6 9 Versuchsreihe bei verschiedenen Verweilzeiten Versuch Nr 3 4 5 6 TS der L sung Gew 0 5 60 60 60 60 Spr hrate kg h 0 1 2 4 2 4 2 4 2 4 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 8 8 8 8 Einstellung der Geblase 91 86 75 70 Menge an Trocknungsluft Nm h 0 5 104 7 98 9 86 3 80 5 Lufteintrittstemp C 1 150 150 150 150 Luftaustrittstemp C 1 102 101 92 6 95 Menge an Trocknungsluft in Nm h 43 6 41 2 36 33 5 pro kg L sung 60 Gew TS keine keine Restfeuchte Restfeuchte Bemerkung vollst ndige vollst ndige des Pulvers des Pulvers Trocknung Trocknung 2 47 Gew 2 04 Gew Mit den Ergebnissen der Vorversuche wurden die wichtigsten Spr hversuchs parameter festgelegt Die n chsten Versuchsreihen werden mit einer 60 igen Malzextraktl sung sowie mit einem Durchsatz von 2 4 kg h einer Zerstaubungsluft menge von 3 3 Nm h kg Malzextraktl sung und einer Trocknungsluftmenge von 86 3 Nm h durchgef hrt Die Einfl sse der Spr hparameter werden in den n chsten Abschnitten einzeln betrachtet und analysiert Es werden die Einfl sse der Eintrittstemperatur der Trocknungsluft die Menge an Zerst ubungsluft der Trocken masseanteil des Malzextraktes und die Dauer des Versuches auf die Partikel eigenschaften diskutiert 6 3 1 Eintrittstemperatur der Trocknungsluft Eine Versuchsreihe wurde unter nder
46. gegeben Danach wird der Messzylinder mit der Probe solange ger ttelt bis das Volumen konstant ist Nach der W gung der Masse des Pulvers und der Ablesung des Endvolumens kann die R tteldichte bestimmt werden Die Bestimmungen der Sch tt und R tteldichte werden mindestens zweimal durchgef hrt wobei die Differenz zwischen den Ergebnissen nicht mehr als 5 des Mittelwertes betragen soll Als Ergebnis wird das arithmetische Mittel beider Bestimmungen angegeben 4 2 5 Flie f higkeit Die Flie f higkeit der Pulver wird mit einer Ringscherzelle bestimmt Die Probe des Sch ttguts wird in einem Zylinder mit der Verfestigungsspannung o4 belastet Abb 4 11 Die Probe wird so verdichtet dass die begrenzenden Seitenw nde entfernt werden k nnen Die verfestigte Probe kann nun auf ihre Druckfestigkeit o lt berpr ft werden Tritt ein Bruch der Probe ein beginnt die Probe an dieser Stelle zu flie en 48 Untersuchungsmethoden SoA Flache A LLL Abb 4 11 Einachsiger Druckversuch Schulze 2006 Jedes Pulver hat eine spezifische Flie grenze da der Bruch erst bei berschreitung der f r das Sch ttgut charakteristischen Druckfestigkeit auftritt Der Quotient aus Verfestigungsspannung und Druckfestigkeit ergibt eine Kennzahl den sogenannten ffc Wert f r die Flie f higkeit Gl 2 01 Oc fcc GI 2 Je gr er ffc ist desto besser flie t das Sch ttgut Das Flie verhalten eines Pulvers wird an
47. insgesamt drei Sequenzen In der ersten Sequenz wird die Probe auf Raumtemperatur f r 180 Sekunden lang gehalten Anschlie end findet eine Abk hlung bei der maximalen K hlrate auf 65 C statt Mit dem bergang zur zweiten Sequenz wird das Pulver bei einer Anpassungszeit von 600 Sekunden bei 65 C gehalten damit die gesamte Probe die gew nschten 65 C annahm In dieser Sequenz findet die Messung der Glas bergangstemperatur statt Dabei wurde die Probe mit einer Heizrate von 10 K min auf 80 C erhitzt Anschlie end wird die Probe bei 80 C 120 Sekunden lang gehalten und bei 20 K min auf Raumtemperatur abgek hlt Die gewogene Menge des Pulvers von 5mg 2mg wird gem Untersuchungsmethoden 67 Herstellerangaben eingehalten Setaram 2008 Hierbei liegt die Menge der PGSS Probe im Durchschnitt bei 3 mg und bei dem spruhgetrockneten Pulver bei 5 mg Die Wahl der unterschiedlich eingesetzten Menge ist mit der Dichte der Probenmasse zu erklaren Somit wird vom PGSS Pulver weniger eingesetzt da dieses eine geringere Dichte besitzt Als Obergrenze fur die F llh he gilt 1 3 der Tiegelh he Eine noch h here Einf llmenge f hrt nach eigenen Erkenntnissen bei Erhitzungsvorg ngen zu einem Austreten des Stoffes aus dem Tiegel Die Menge des Probenmaterials hat einen Einfluss auf den Sprung des Glas bergangs Zu wenig Probenmaterial kann dazu f hren dass die W rmekapazit ts nderung gering ausf llt und dadurch bei der Auswertung nicht e
48. ist desto gr er ist die Farbver nderung des Produktes mit der Zeit Bei einer Lufteintrittstemperatur von 140 C ist bei einer Spr hdauer von 30 min noch keine Farb nderung nachweisbar dagegen ndert sich die Farbe bei einer Versuchsdauer von 75 min nachweisbar um 1 2 EBC Die erh hte Br unung bei l ngerer Versuchsdauer ist darauf zur ck zu f hren dass ein Teil des Produktpulvers trotz kontinuierlicher Versuchsf hrung l nger an den hei en W nden haftet und der Br unungsreaktion ausgesetzt ist Die H he des Spr hturms der verwendeten Pilotanlage betr gt 1 1 m in der Industrie haben Spr htrocknungsanlagen deutlich h here Spr ht rme welche l ngere Trocknungswege erm glichen Bei diesen Anlagen ist die Verweilzeit der Partikel l nger und dadurch treten gr ere Farbver nderungen auf Masters 1991 erw hnt dass das Design des Trockners und die Menge an verstr mter Trocknungsluft ber die Verweilzeit des Tropfens in dem Turm entscheidet Sobald die erw nschte Feuchtigkeitsabnahme erreicht ist soll das Produkt dem Turm entnommen werden bevor die Produkttemperaturen bis zur Ausgangstemperatur der Trocknungsluft steigen Bei den Versuchen wurde das Pulver nach Versuchsende in der Regel 30 min dem Sammelbeh lter entnommen 112 Ergebnisse und Diskussion Anschlie end wurde das Pulver auf Raumtemperatur abgek hlt um Kompaktierung zu verhindern Tab 6 13 Spr htrocknungsversuche Variation der Versuchs
49. modulated temperature differential scanning calorimetry for the characterization of food systems International Journal of Pharmaceutics 192 1 77 84 Denis D 2009 Studienarbeit Einfluss des Feuchtegehaltes und Herstellungsverfahrens auf die Glas bergangstemperatur von Malzextraktpulver Ruhr Universit t Bochum zl Dibenedetto A Aresta M Narraci M 2002 Carbon dioxide capture by amines increasing the efficiency by amine structure modification Abstracts of papers of the American Chemical Society 223 U569 U569 Diehl J 2000 Chemie in Lebensmitteln R ckst nde Verunreinigungen Inhalts und Zusatzstoffe Wiley VCH Weinheim u a Dijkstra Z J et al 2007 Formation of carbamic acid in organic solvents and in supercritical carbon dioxide Journal of Supercritical Fluids 41 109 114 DIN ISO 697 1984 Bestimmung der Sch ttdichte DIN10751 1 1992 Untersuchung von Honig Bestimmung des Gehaltes an Hydroxymethylfurfural Photometrisches Verfahren nach Winkler DIN10751 2 1999 Untersuchung von Honig Bestimmung des Gehaltes an Hydroxymethylfurfural Teil 1 Photometrisches Verfahren nach White DIN10752 1992 Untersuchung von Honig Bestimmung des Wassergehaltes Refraktometrisches Verfahren Quellenverzeichnis 177 DIN53019 1 2008 Viskosimetrie Messung von Viskosit ten und Flie kurven mit Rotationsviskosimetern Teil 1 Grundlagen und Messgeometrie Doob H 1942
50. nge werden bei der Auswertung abgezogen F r einige Proben wird zus tzlich auch der Gehalt der TBZ Thiobarbiturs urezahl nach Abschnitt 4 3 6 und des HMF Hydroxymethylfurfural qualitativ mittels NIR bestimmt um eine Beziehung zwischen diesen Merkmalen der thermischen Beanspruchung festzulegen Mit den erhaltenen Ergebnissen werden die Reaktionsgeschwindigkeiten und Aktivierungs energie der Farb nderung berechnet Abb 4 29 Metallr hrchen f r die Analyse der thermischen Behandlung Malzextrakt Abf llen in Metallr hrchen ca 4 ml Erhitzen im Olbad bei T C fiir tx S Schnelles Abk hlen im Eisbad bei 0 C Umf llen des w rmebehandelten Malzextraktes in ein Becherglas Farbbestimmung Abb 4 30 Verfahrensschema der thermischen Behandlung Untersuchungsmethoden 69 4 6 2 Analyse in Gegenwart verdichteter Gase CO N3 Der Einfluss der Druck des Kohlendioxids bzw des Stickstoffes auf die Kinetik der Maillard Reaktion wird untersucht Zu diesem Zweck werden Versuche bei 100 C in Abwesenheit und in Gegenwart von verdichtetem Kohlendioxid und Stickstoff bei 50 und 200 bar in der Hochdrucksichtzelle durchgefuhrt Hierfur werden 30 ml des Malzextraktes in eine Sichtzelle gegeben der Ruhrer eingeschaltet und die Zelle auf 100 C erhitzt Wenn diese Temperatur erreicht ist wird das Gas Kohlendioxid bzw Stickstoff bis zu dem gew nschten Druck in die Zelle zugegeben Nachdem sich ein Teil des Gases in dem
51. ssige Malzextrakt besitzt nahezu keine Enzymaktivit t mehr und ist wegen des geringen Wasseranteils gut lagerbar Richter 2008 Getreide Gerste Weizen Roggen Sortieren und Reinigen 3 Sorte und Ausputz 1 2 Sorte gt 2 5 mm ca 12 15 Wassergehalt Weichen co 18 48 Std ca Temp 12 15 C Schwimmgerste Spitzmalz ca 40 Wassergehalt Keimen CO 4 7 Tage ca 13 15 C RH 50 100 Gr nmalz K rner mit Keimlingen und ca 45 Wassergehalt H O Q Malzkeime Darren Heizluft 24 Std Temp 80 1 20 C Darrmalz ca 3 4 Wassergehalt Maischen Temp 52 62 68 72 78 C L utern Filtrieren Unl sbare Stoffe Treber H O W rze l sbare Stroffe Kochen P 1 bar Temp 100 C t 60 min Abtrennung Koagulierte im Whirlpool bis ca 90 C Proteine Eindampfen 2 Stufen P 140 mbar T 75 80 C l Malzextrakt ca 75 Feststoff Abb 3 1 Schema der Herstellung von Malzextrakt Eingesetzte Substanzen 27 In Brauereien wird Wurze im Allgemeinen als Anteil an nichtfluchtigen im Brau wasser gel sten Stoffen bezeichnet besser bekannt als Stammw rze Sie bezieht auch den gel sten Hopfen mit ein und besteht haupts chlich aus Malzzucker Vitaminen Eiwei Aminos uren Mineralien Hopfenanteilen und Aromastoffen Sie dient als Grundlage f r den Brauprozess und f r die Berechnung des Alkohol gehaltes im Bier und ist somit
52. und das System in die genannte Bohrung des Mischerblocks eingebaut Somit werden eine einfache nderung der L nge mittels Anzahl an Mischelementen und des Durchmessers der Mischstrecke sowie das Auseinanderbauen und das Reinigen der Mischelemente m glich Der Durchmesser und die Lange eines Mischelementes sind vergleichbar d h dass um die 100 mm lange Mischstrecke vollst ndig mit Mischelemente 10 mm zu f llen sind 10 Elemente notwendig Im unteren Teil des Mischerblocks werden die D se Abb 5 7 das Thermoelement und der Druckaufnehmer angebracht Der Mischerhochdruckblock wird w hrend des Versuches mittels Heizst be auf die Vorexpansionstemperatur erhitzt dabei dieser mit Glasfaserband isoliert 76 Pulverisierungsanlagen Abb 5 6 Statische Mischer 5 Elemente 8 mm links statische Mischer 2 x 5 Elemente 6 mm in Schutzh lle rechts Abb 5 7 D se mit Wirbelk rper der Firmen Spraying Systems links und Schlick rechts Das im Mischer entstandene Gemisch wird durch eine Einstoffd se der Firma Schlick oder Spraying Systems Abb 5 7 in den Spr hturm gespr ht Durch die Expansion des Gases wird das Spr hgut in feine Tr pfchen zerrissen Durch die Druck absenkung erfolgen eine Volumenzunahme und eine starke Temperaturabsenkung Joule Thomson Effekt Die Substanz wird durch das freigesetzte Gas in kleine Tr pfchen zerrissen Aufgrund des abgetrennten L sungsmittels erf hrt sie eine Zustan
53. vergleichbar mit dem Most in der Weinherstellung Im Allgemeinen wird der Gehalt an Stammwurze in Grad Plato P angegeben Dabei entspricht das spezifische Gewicht einer Stammw rze mit einem Grad Plato dem spezifischen Gewicht einer w ssrigen L sung mit einem Gewichtsprozent an Saccharose Abschnitt 4 2 2 F r die Versuche wurde bayerischer Pilsner Malzextrakt der Firma Weyermann verwendet Charge vom 25 10 2007 Das Produkt eignet sich wie der Name sagt besonders gut zur Herstellung von bayerischem Pils Es wird aus Pilsener Braumalz hergestellt Es besitzt eine goldbraune Farbe ein fein s es Malzaroma und hohe Viskosit t Weyermann 2010 Seine u ere Erscheinung und Konsistenz sind mit Bl tenhonig vergleichbar Die wichtigsten Qualit tsmerkmale die der Hersteller angibt sind in der Tab 3 1 angegeben Die durchschnittliche Zusammensetzung des frischen verwendeten Malzextraktes wurde untersucht und in der Tab 3 1 aufgelistet Der Wasseranteil wurde nach der Karl Fischer Titration der Proteinanteil nach Kjeldahl und das Zuckerspektrum mittels Hochleistungsfl ssigkeitschromatographie HPLC bestimmt Wie der Tab 3 1 zu entnehmen ist hat Maltose den h chsten Mengenanteil an den Zuckerarten im Malzextrakt Aus diesem Grund wird Maltose als Zucker des Malzes bezeichnet Sie entsteht bei der enzymatischen Spaltung von St rke durch das Enzym Diastase w hrend der Keimung Abb 3 1 In der Maltose sind zwei Glucose Einheite
54. w Drehrichtung der Scherzelle 4 2 6 Kompaktierungsverhalten Der Kompaktierungstest beschreibt das Verhalten des Pulvers bei auRerer Belastung z B Transport Lagerung In der vorliegenden Arbeit wird das Kompaktierungs verhalten qualitativ analysiert Um die Anf lligkeit fur Kompaktierung der Pulver zu untersuchen werden 50 g der Probe in einen Kompaktierungsbeh lter gegeben und w hrend 144 h stufenweise mit Gewicht belastet Die ersten 48 h wird das Pulver mit einem 500 g Gewicht die folgenden 48 h mit 1000 g und die letzten 48 h mit 1500 g belastet Die Proben werden bei einer Temperatur von 23 2 C und einer relativen Luftfeuchte von 45 5 gelagert Zur Beurteilung des Kompaktierungsverhaltens wird die Last entfernt und das Pulver leicht herausgedr ckt Die Proben die nach dem Herausdr cken wieder in lockeres Pulver zerfallen werden mit keiner Kompaktierung KK gekennzeichnet Die Proben die zuerst in gr ere Bruchst cke und nach einer leichten Ersch tterung in kleine Partikel zerfallen werden als geringe Kompaktierung GK bezeichnet Wenn die Probe nach einer Ersch tterung nur in gr ere Bruchst cke zerf llt wird sie als bleibende Kompaktierung BK gekennzeichnet Abb 4 13 Abb 4 13 Pulverproben zur Einteilung des Kompaktierungsverhaltens 50 Untersuchungsmethoden 4 2 7 Partikelgr enverteilung Die Partikelgr enverteilung der hergestellten Pulver wird mit einem Mastersizer 2
55. 0 mit Hilfe des Arrhenius Ansatzes nur die Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten km O ter Ordnung die bei der Behandlungen bei 60 80 und 90 C erhalten wurden verwendet Die Tab 6 5 zeigt das Bestimmtheitsma R der Gleichungen der Ausgleichsgeraden von Abb 6 12 die Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten und die Werte f r die Auftragung der Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten im Bezug auf die Temperatur nach Arrhenius s Abb 6 14 Tab 6 5 Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient der Farbver nderung in Abh ngigkeit der Temperatur T C R Naherung km EBC min In Kon 1 T IK 60 0 993 F 0 005 t 22 86 0 005 5 221 3 00E 03 80 0 992 F 0 044 t 22 84 0 044 3 055 2 83E 03 90 0 995 F 0 142 t 22 12 0 142 1 861 2 75E 03 Farbe F EBC Zeit t min Ergebnisse und Diskussion 95 In k m 13408 T 35 01 R 0 998 k m EBClmin TIK 2 7E 03 2 8E 03 2 9E 03 3 0E 03 3 1E 03 1 T IK Cu CH Kr EBC min N oO CH N Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient 60 80 100 120 140 160 Temperatur C Abb 6 14 Korrelation zwischen In kr und der Temperatur oben berechnete Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten in Abh ngigkeit der Temperatur unten Anhand dieser abgesch tzten Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten werden im Abschnitt 6 4 11 die quivalenten Verweilzeiten im statischen Mischer bestimmt bei denen ein bestimmter Br unungsgrad eintritt Nach dem Arrhenius
56. 0 01 0 04 0 00 15 71 0 03 5 59 0 01 60 11 82 0 14 12 08 0 00 21 56 0 19 20 57 0 24 14 87 0 36 70 19 53 0 02 20 21 0 15 31 78 0 00 31 61 0 15 54 11 0 04 90 50 23 1 13 53 13 1 30 104 59 0 77 100 72 0 49 53 13 0 48 Tab 9 15 Messdaten zur Bestimmung der Desorptionsisothermen bei 25 C Feuchtegehalt g H O 100 g Trockensubstanz PGSS V42 Spr htrocknung V8 Glucose Fructose Maltose r F Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw 12 3 9 10 0 90 9 50 0 97 9 56 0 03 11 51 0 28 5 50 0 04 22 8 8 88 1 29 9 85 1 13 9 56 0 02 9 78 1 44 5 41 0 04 33 3 10 57 1 41 10 50 1 28 9 57 0 02 12 62 1 38 5 51 0 03 43 9 10 28 0 87 11 13 0 90 9 57 0 04 14 61 0 09 5 66 0 02 52 9 12 50 1 12 13 00 0 86 9 60 0 02 27 64 1 18 5 72 0 02 57 6 14 12 0 34 14 83 0 38 9 55 0 00 22 90 0 10 5 79 0 01 68 9 19 00 0 25 18 60 0 25 9 56 0 01 28 32 0 03 5 90 0 00 75 3 29 15 0 61 30 23 0 23 9 61 0 03 48 77 0 72 6 14 0 10 84 3 35 10 0 44 35 86 0 01 9 62 0 02 58 02 0 35 6 51 0 38 93 6 36 29 0 70 37 32 0 33 9 61 0 02 56 90 2 57 6 37 0 26 Tab 9 16 Messdaten zur Bestimmung der Desorptionsisothermen bei 65 C Muster r F 11 20 30 40 50 60 70 90 PGSS V42 Mittelw Std Abw 0 00 0 11 0 00 0 12 1 26 0 08 3 46 0 03 6 90 0 01 11 82 0 14 18 37 0 13 50 23 1 13 Feuchtegehalt g H2O 100 g Trockensubstanz Spr htrocknung V8 Mittelw Std Abw 0 00 0
57. 0 200 2 2 19 0 06 99 91 0 07 120 200 24 3 21 0 08 99 55 0 42 120 100 2 1 80 0 01 99 15 0 66 80 100 2 1 29 0 03 99 89 0 09 80 200 2 1 60 0 14 99 32 0 19 A 4 Anhang Tab 9 6 Versuchsdaten zur Abb 6 11 Viskosit t von Malzextrakt CO2 bei verschiedenen Dr cken und Temperaturen Malzextrakt CO 60 C 80 C 100 C 120 C Druck bar u mPa s Std Abw u mPa s Std Abw u mPa s Std Abw u mPa s Std Abw 1 283 25 162 4 51 11 9 2 50 156 44 72 1 19 4 8 2 100 142 53 68 2 19 2 7 2 150 164 76 74 3 22 7 6 1 200 168 41 79 3 26 1 6 3 250 188 130 83 1 24 5 300 207 44 86 2 Tab 9 7 Versuchsdaten zur Abb 6 12 EBC Werte in Abh ngigkeit von Erhitzungsdauer und temperatur Temperatur C 60 C 80 C 90 C EBC Std Dev EBC Std Dev EBC Std Dev 0 22 9 0 5 22 8 0 6 22 3 1 0 30 23 0 0 9 24 3 0 7 26 5 0 6 60 23 2 0 7 25 3 0 4 29 9 0 7 90 23 4 0 9 27 1 0 9 35 3 0 8 120 23 6 0 8 28 0 1 0 39 3 0 9 180 23 8 0 8 31 4 0 9 50 5 1 1 Zeit min Tab 9 8 Versuchsdaten zur Abb 6 63 Antioxidative Aktivit t in Abh ngigkeit der Farbe bzw der thermischen Behandlung PGSS Farbe ARP Versuch Nr EBC 0 2 1 flussiges Gare atv SE o0 5 26 8 56 8 52 7 77 11 35 0 68 23 25 3 55 24 28 5 57 29 25 2 53 32 31 0 55 Anhang A 5 Tab 9 9 Versuchsdaten zur Abb 6 16 TBZ Werte in Abhangigkeit von der Farbe fur verschiedene thermisch behandelte Proben PGSS Farbe TBZ TBZ
58. 0 7 0 5 09 6 2 3 1 2 2 0 4 0 Eiwei Gew 0 2 5 8 5 8 5 8 5 9 5 6 5 8 5 7 5 8 pH 0 2 5 1 5 1 5 2 5 1 5 2 5 2 5 2 5 2 ARP 65 64 67 63 FlieRfahigkeit ffc 0 2 19 2 3 26 2 7 Sch ttdichte kg m 5 614 605 606 606 632 611 539 nm nm R tteldichte kg m 10 868 903 921 89 931 916 775 nm nm Partikelgr e dso 3 um 1 25 23 23 22 24 22 16 10 n m span don dun alten 6 7 62 5 3 5 5 4 Kompaktierung qualitativ KK KK KK GK KK GK nm nm Bemerkung Puer Pulver Pulver Pulver Pulver Pulver nen esa fl ssig getrocknet n m nicht m glich 100 i x e Bee ae os 60 gt 2 2 Trocknung N verfl 5 40 ausreichend y ssigung Bd 2 20 lt 0 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Eintrittstemperatur C Abb 6 19 Eintritts und Austrittstemperatur der Trocknungsluft Ergebnisse und Diskussion 105 6 x ae S gt x d 4 Eemere EE EE TE EE 2 3 Le Ge 8 ek er E 2 Trocknung ausreichend K D H X 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 Eintrittstemperatur C Abb 6 20 Lufteintrittstemperatur und Restfeuchtegehalt des Malzextraktpulvers Die experimentell gefundene K hlgrenztemperatur die tiefste Temperatur die sich durch die Verdunstungsk hlung erreichen l sst betr gt 70 C Um diese Temperatur zu erreichen ist eine minimale Eintrittstemperatur von 110 C erforderlich Unterhalb dieser Temperatur ist bei den eingestellten
59. 0 76 86 0 78 79 0 77 78 Fru Val 13 2 1 21 64 0 93 44 1 03 43 1 03 43 Fru Leu 13 9 1 52 77 1 27 57 1 31 52 1 4 56 Fru lle 8 7 0 79 64 0 69 50 0 73 47 0 59 38 Fru Pro 5 7 0 75 93 0 48 53 0 52 51 0 53 52 Fru Glu 13 7 3 a 7 Fru Ser 6 6 0 58 62 0 5 47 0 51 43 0 53 45 Fru Thr 5 4 0 5 65 0 33 38 0 37 38 0 35 36 Fru A Aminobittel 9 6 1 13 83 0 8 52 0 79 46 0 75 43 Summe 83 8 7 51 63 5 98 45 6 29 42 6 29 41 ohne Fru Glu 70 1 75 53 50 49 Die Prozentangaben beziehen sich auf die im Malz gefundenen Konzentrationen der einzelnen Verbindungen 100 Der Berechnung des Prozentsatzes in den W rzen und Bieren wurden die vom Hersteller angegebenen Werte ber die eingesetzten Malzmengen zugrunde gelegt A 2 Anhang Tab 9 2 Versuchsdaten zur Abb 4 7 Korrelation zwischen Brechungsindex und Trockenmasseanteil Trockenmasseanteil Brechungsindex Gew 0 2 0 0005 0 0 1 3324 4 6 1 3393 7 2 1 3431 8 8 1 3458 10 3 1 3482 11 8 1 3503 13 2 1 3527 Tab 9 3 Versuchsdaten zur Abb 4 10 Farbgerade f r verschiedene Verd nnungen im Malzextrakt abh ngig von der Lagerdauer links Farbanderung bei 13 B in Abhangigkeit der Lagerdauer Januar 2008 Januar 2009 Juli 2009 Brix Farbe Brix Farbe Brix Farbe 0 2 EBC 0 2 0 2 EBC 0 2 0 2 EBC 0 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 6 8 3 1 5 3 4 6 12 1 3 9 8 7 6 1 10 6 7 2 18 9 5 0 11 0 9 1 16 6 8 8
60. 00 N2_50 N2 200 Abb 6 15 Farbver nderungen von Malzextrakt bei Temperatur und Druckbehandlungen 98 Ergebnisse und Diskussion Des Weiteren ist bei 50 bar die hemmende Wirkung von Kohlendioxid gr er als die von Stickstoff Vergleich CO2 50 und Nz 50 Ein m glicher Grund daf r kann eine pH Wertver nderung sein da CO2 durch die Einl sung im Malzextrakt den pH Wert verringert und damit die Maillard Reaktion langsamer abl uft In ges uerten L sungen liegt die Aminogruppe protoniert vor Dadurch ist die Bildung von Glycosylamine gehemmt Fennema 1993 Die Beobachtungen stimmen mit den Ergebnissen von Xu 2010 bei der Untersuchung von Ribose Cysteine mit berkritischem Kohlendioxid berein Die Farbver nderungen der Versuche bei 200 bar in Gegenwart von Kohlendioxid und Stickstoff sind hnlich Vergleich CO 200 und N gt _200 Bei der Probenentnahme trennt sich das CO wieder vom Malzextrakt Die pH Werte der Proben haben sich nach der Behandlung nicht ver ndert Die Hemmung der Maillard Reaktion entsteht demnach zum einen durch den Druck und zum anderen durch die Verringerung des pH Wertes 6 2 3 Charakterisierung der Maillard Reaktion Da sich w hrend der Maillard Reaktion zahlreiche Komponenten bilden ist eine Beurteilung des Reaktionsverlaufes durch einen summarischen Indikator empfehlenswert Die Thiobarbiturs urezahl gilt als derartige summarische Kenn gr e f r die thermische Belastung von Malz und W rze
61. 000 von Malvern nach dem Prinzip der Laserstreulichtmessung bestimmt Die Laserstreulichtmessung beruht auf den Prinzipien der Brechung Reflexion und Beugung von Lichtstrahlen beim Auftreffen auf die Materie Der Messbereich des Instruments liegt zwischen 0 02 und 2000 um Die Abb 4 14 zeigt den schema tischen Aufbau eines Laserbeugungsspektrometers Optik Messzelle Sammellinse Detektor Beugungsfigur Abb 4 14 Schematische Darstellung eines Laserbeugungsspektrometers ISO 2000 F r die Messung kann die Probe mit Hilfe von Druckluft trockendispergiert oder mit einem L sungsmittel nassdispergiert werden Die zu untersuchenden Malzpulver partikel werden mit 2 bar trockendispergiert Eine Pulverprobe wird ber eine R ttelrinne gleichm ig in eine Injektord se gef rdert Dort wird das Pulver angesaugt und durch die Messzelle geleitet Als Lichtquelle dient ein Laserstrahl der mittels eines optischen Systems aufgeweitet wird Der aufgeweitete Laserstrahl wird von dem zu vermessenden Partikel passiert und abh ngig von der Gr e und Form des Partikels wird ein charakteristisches Beugungsbild erzeugt Der Laserstrahl wird danach mit Hilfe einer Sammellinse geb ndelt Die Sammellinse sorgt daf r dass die Beugungsbilder unabh ngig von der Position der Partikel im Messvolumen immer dieselbe Position auf dem Detektor einnehmen Die ungebeugten Laserstrahlen werden dabei im blinden Mittelpunkt des Detektors Brennpunkt fokussie
62. 00g TS 0 3 9 5 Min 2 0 5 8 5 1 49 1 8 koh siv 506 735 10 4 1 keine K 8 114 Ergebnisse und Diskussion Abb 6 28 Foto eines spruhgetrockneten Malzextraktpulvers V10 Alle hergestellten Pulver zeigen nach dem Kompaktierungstest von sechs Tagen entweder gar keine oder eine nur sehr geringe Kompaktierungsneigung Die hergestellten Pulver sind koh siv Abb 6 29 Lediglich bei Versuch 33 Malzextraktl sung mit 55 Gew TS 4 2 Nm h Zerst ubungsluft kg L sung zeigt das Pulver ein sehr koh sives Verhalten welches vermutlich auf die kleineren Partikelgr en zur ckzuf hren ist 1 leicht flie end koh siv ge sehr koh siv Flie f higkeit ffc N wo A Aa DN O O 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Partikelgr e dso 3 um Abb 6 29 Flie f higkeit der spr hgetrockneten Pulver aufgetragen ber der Partikelgr e Die Sch tt und die R tteldichte der hergestellten Pulver h ngen stark von der Partikelgr e ab Abb 6 30 Die maximal und minimal erzeugten Sch ttdichten betragen dementsprechend 697 kg m und 506 kamt Ergebnisse und Diskussion 115 1000 900 S Zo fe d on Get oe 2 D gt 700 i 5 a Rd A 600 SR 8 g x sx 500 o R tteldichte Schuttdichte 400 0 10 20 30 40 50 60 70 80 Partikelgr e dso 3 ym Abb 6 30 berblick der Sch tt und R tteldichte der spr hgetrockneten Pulver in Abh ngi
63. 1 i v20 v19 V18 V17 vip V15 V14 V13 V12 Vi v9 V V5 ORutteldichte kg m3 GSchittdichte kg m3 403 Abb 9 6 Sch ttdichte und R tteldichte der PGSS getrockneten Malzextraktpulver Anhang A 17 9 3 Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen Tab 9 17 REM Aufnahmen der spr hgetrockneten Malzextraktpulver Versuchsparameter s Tab 6 10 Tab 6 11 und Tab 6 12 V7 v19 V22 V23 Uberblick spriihgetrocknetes Pulver V10 A 18 Anhang Tab 9 18 REM Aufnahmen der PGSS getrockneten Malzextraktpulver Versuchsparameter s Tab 9 11 V23 V24 V25 Anhang A 19 Fortsetzung der Tab 9 18 V48 V50 V51 A 20 Anhang Fortsetzung der Tab 9 18 Uberblick PGSS getrocknetes Pulver V16 ERS TANNA Sy ee F ARE ZA PR J II STR A 22 Anhang 12 5 Schnitt A D o E o D Ww k a E o E x m 27 2 0 2 35 7 Mischerblock Oberteil Eingangsseite maaan I IL I Ge SG ZOrLt co n lt A 24 Anhang Ansicht A yr Mischerblock Unterteil Dusenkopf Anhang A 25 Dusenkopf Ansicht A Thermoelement Bohrung 15 tief 91 5 mm 5 8 UNF 34 Lebenslauf Name Geboren Familienstand Grund und Sekundarschule Stu
64. 1 GI 6 Untersuchungsmethoden 55 Das gelbbraune lod l2 wird dabei zum farblosen lodid I reduziert Bei diesem Vorgang wird Wasser umgesetzt Der Titrationsendpunkt wird elektrometrisch bivoltametrisch detektiert und kann visuell erkannt werden da sich bei einem loduberschuss die L sung gelb bis braun verfarbt 4 3 2 pH Wert Der pH Wert wird gem der potentiometrischen Methode nach MEBAK Il 2 17 MEBAK 1993 bestimmt Die Probe wird auf 12 Gew TS verdunnt und wahrend der Messung mit einem Magnetruhrer homogenisiert 4 3 3 Stickstoffgehalt Der Stickstoffgehalt von Malzextrakt flussig oder pulverformig wird nach Kjeldahl MEBAK 1993 MEBAK 1997 Matissek 2006 bestimmt Der erhaltene Wert des Stickstoffgehaltes wird mit dem Proteinfaktor 6 25 Faktor fur Getreide multipliziert Daraus resultiert der Gehalt an Eiwei Die Maillard Reaktion hat keinen Einfluss auf den Stickstoffgehalt da die Produkte dieser Reaktion auch stickstoffhaltig sind Dabei ist es wichtig den Gesamtstickstoffgehalt zu berwachen weil es zu den Ausf llungen von Eiwei en kommen kann welche die Qualit t des Extraktes negativ beeinflussen k nnen Die Analysen wurden bei Prof T Becker TU M nchen Freising Weihenstephan durchgef hrt 4 3 4 Zuckerspektrum Die Analyse des Zuckerspektrums wurde nach der Methode MEBAK III 3 2 mittels HPLC MEBAK 1996 bestimmt Bei der Hochleistungs Fl ssigchromatographie in S ulen engl High
65. 100 C und 100 bar Unter diesen Bedingungen besteht die Gasphase zu 99 5 Gew aus CO und zu 0 5 aus Malzextrakt Die zugeh rige Fl ssigphase besteht aus 2 1 CO und zu 97 9 aus Malzextrakt Bez glich der Zusammensetzung der Gasphase k nnen nur geringe Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Isothermen festgestellt werden Die L slichkeit von Malzextrakt in Kohlendioxid Gasphase ist sehr gering die gel ste Menge an Malzextrakt liegt zwischen 0 5 und 1 0 Gew Demzufolge sind auch die Unterschiede zwischen den einzelnen Werten sehr gering Sie liegen im Bereich des Messfehlers Eine Druck oder Temperaturabh ngigkeit des L sungsverhaltens l sst sich unter diesen Voraussetzungen nicht feststellen Gupta 2007 berichtet die L slichkeit von Fructose und Glucose in Kohlendioxid von 18 3 x10 Molanteil bei 75 C und 93 bar Dieses Ergebnis impliziert dass der Anteil an Malzextrakt der in CO gel st ist nur aus Wasser besteht Ein messbarer Unterschied l sst sich allerdings auf der linken Seite der Abb 6 7 im aufgetragenen Phasenverhalten der Fl ssigphase erkennen Eine deutliche Ab h ngigkeit der L slichkeit vom Druck ist bei allen vier Isothermen gegeben Der Maximalwert der Gasl slichkeit in Wasser wird bei allen Isothermen bei einem Druck von 300 bar erreicht Ergebnisse und Diskussion 85 Druck bar 350 300 250 200 150 100 50 1 2 3 4 5 67 97 98 99 100 CO Massenanteil Gew
66. 18 10 ME Malzextraktl sung 70 TS runde und kaum por se Partikel auf Sie weisen keine Kompaktierungsneigung und eine gegen ber allen anderen PGSS Pulvern bessere Flie f higkeit auf Die normierte Breite span der Partikelgr enverteilung der PGSS getrockneten Malzextraktpulver schwankt im Bereich zwischen 2 4 und 22 7 Abb 9 4 im Anhang Das hei t dass mittels der PGSS Trocknungsverfahren wahlweise enge und breite Verteilungen erzeugt werden k nnen Die breiteste Partikelgr enverteilung zeigt der Versuch V46 py 105 bar Ty 130 SGM 12 0 ME Malzextrakt 75 TS Die engste Partikelgr enverteilung wird bei dem Versuch V67 py 100 bar Ty 141 C SGM 9 10 ME Malzextrakt 75 TS erreicht Bei diesem Versuch wurde im Gegensatz zum Versuch V46 mit 10 Mischelementen und einer niedrigeren spezifischen Gasmenge gearbeitet 154 Ergebnisse und Diskussion Die gemessenen d10 3 ds0 3 und dgo 3 Werte der PGSS getrockneten Malzpulver sind aus der Abb 9 5 im Anhang zu entnehmen Die d10 3 Werte liegen zwischen 2 und 16 um Die Medianwerte doa schwanken in einem Bereich zwischen 10 und 314 um Der Grobkornbereich der durch den dgo 3 Wert gekennzeichnet wird erreicht zwischen 241 und 968 um Die Abb 9 6 im Anhang gibt einen berblick der erhaltenen Sch tt und R tteldichten der Malzextraktpulver Die niedrigste Schutt dichte lag bei 70 kg m im Versuch V22 py 170 bar Ty 136 SGM 18 10 ME Malzextrakt 75 Gew TS
67. 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Durchmesser um Abb 6 23 Vergleich der Partikelgr en d10 3 ds0 3 enz Kodierung Versuchsnummer_TS der L sung in Gew _Zerstaubungsluft in Mm kg L sung Ergebnisse und Diskussion 109 100 Y amp 3 ei 80 A 2 e ge 60 et La e V32_55_3 2 D ey A D 40 4 a V34_55 2 7 we o V7_60 A 5 gt 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um Abb 6 24 Partikelgr enverteilung V32 V24 und V7 Kodierung Versuchsnummer_TS der L sung in Gew _Zerst ubungsluft in Nm h kg L sung 6 3 3 Trockenmassegehalt des Malzextraktes Um den Einfluss der Verdunnung des Malzextraktes auf die Partikeleigenschaften zu prufen wurden zwei Versuchsreihen durchgefuhrt Der Trockenmassegehalt der L sung wurde von 65 bis 55 Gew variiert Die Parameter der Versuche sind in der Tab 6 12 zusammengestellt Die Ergebnisse zeigen dass die Partikel kleiner sind wenn der Trockenmasseanteil der L sung niedriger ist Dadurch ist die Partikelgr enverteilung enger und die Dichte geringer Beispielsweise ist bei den Versuchen V23 V7 und V22 die Partikelgr e dso 3 von 28 auf 15 um der span von 9 auf 5 3 und die Sch ttdichte von 606 auf 506 kg m gesunken Allerdings steigt die Restfeuchte des Pulvers wenn der Wassergehalt der Malzextraktl sung h her ist Bei der Versuchsreihe V23 V7 V22 ist die Restfeuchte von 2 51 auf 3 47 Gew gestiegen wenn der Wassergehalt der L sung v
68. 3 5 Aromastoffe 4 3 6 Thiobarbiturs urezahl TBZ 4 3 7 Antioxidative Kapazit t 4 4 Untersuchung des Sorptionsverhaltens der Malzextraktpulver 4 5 Bestimmung der Glas bergangstemperatur der Produktpulver 4 6 Analyse der Br unung bei der thermischen Behandlung 9 1 0 ch 11 12 22 25 25 29 36 36 37 37 37 39 42 42 43 45 47 47 49 50 51 53 53 55 55 55 56 56 57 58 63 67 Pulverisierung Trocknung und Br unung von Malzextrakt durch Spr hverfahren Pulverisierungsanlagen 5 1 Spr htrocknungsanlage 5 2 PGSS Hochdruckspr hanlage Ergebnisse und Diskussion 6 1 Voruntersuchungen 6 1 1 Phasengleichgewichte 6 1 2 Viskosit t von Malzextraktl sungen unter Umgebungsdruck 6 1 3 Dynamische Viskosit t des Malzextraktes unter CO2 bei hohem Druck 6 2 Br unung durch thermische Behandlung 6 2 1 Reaktionskinetik der Maillard Reaktion 6 2 2 Einfluss verdichteter Gase auf die Maillard Reaktion 6 2 3 Charakterisierung der Maillard Reaktion 6 3 Parametereinfl sse bei der Spr htrocknung 6 3 1 Eintrittstemperatur der Trocknungsluft 6 3 2 Menge an Zerst ubungsluft 6 3 3 Trockenmassegehalt des Malzextraktes 6 3 4 Versuchsdauer 6 3 5 Zusammenfassung der Spr htrocknungsergebnisse 6 4 Parametereinfl sse bei PGSS Trocknung 6 4 1 Anzahl der eingesetzten Mischelemente 6 4 2 Durchmesser der Mischelemente 6 4 3 Spezifische Gasmenge 6 4 4 Vorexpansionsdruck 6 4 5 Vorexpansionstemperatur 6 4 6 Spr hturmtemperatur 6 4 7 Verd
69. 4 4 7 0 1 8 7 4 1 3 9 5 2 0 3 4 3 8 14 4 5 6 6 6 5 9 28 7 12 1 18 8 42 11 6 23 0 5 8 max VWZ aqu VWZ 0 6 0 5 0 3 0 2 Dabei sind die berechneten Werte der aquivalenten Verweilzeiten fur je eine Versuchsbedingung pv SGM Zahl ME konstant F r die Berechnungen wurde eine Reaktion O ter Ordnung angenommen Damit wird eine gute Wiedergabe der Versuchsreihen durch je eine aquivalente Verweilzeit erzielt Die Annahme ier Ordnung steht in Widerspruch zu den Ergebnissen von Okazaki 2001 der f r Temperaturen ber 105 C eine h here Reaktionsordnung postuliert Ergebnisse und Diskussion 145 Eine EBC von 29 wird im statischen Versuch nach Abschnitt 6 2 1 bei Normaldruck erst nach 42 Sekunden erreicht w hrend bei der Hochdruckbehandlung im Str mungsrohr V8 unter CO2 eine maximale Verweilzeit von 12 1s Gl 13 ausreichend ist Beide Werte sind extrem verschieden Tab 6 18 zeigt dass bei allen Versuchen die theoretische maximale VWZ Spalte 7 geringer ist als die quivalente VWZ in statischen Versuchen Spalte 6 Hierf r ist ein wesentlicher Grund dass die Versuchsdurchf hrung bei der PGSS Trocknung nicht isotherm ist und die vor der D se gemessenen Temperaturen jeweils nur lokale Werte sind Hei es Gas z B 180 C trifft vor dem statischen Mischer mit relativ kaltem Malzextrakt z B 60 C zusammen In direktem W rme bergang wird der Malzextrakt aufgeheizt und das Gas k hlt sich ab Das Gemisch dur
70. 52 9 53 6 Natriumbromid 57 6 57 5 Kaliumiodid 68 9 69 0 Natriumchlorid 75 3 76 2 Kaliumchlorid 84 3 85 5 Kaliumnitrat 93 6 92 4 Kaliumsulfat 97 3 Fur die Untersuchungen bei 65 C wird ein Klimaschrank der Firma Memmert verwendet in welchen kontrolliert destilliertes Wasser eingespritzt wird so werden die Feuchtebedingungen und die Temperatur konstant gehalten In die trockenen leeren und gewogenen Petrischalen wird etwa 1g des zu untersuchenden Pulvers Anfangswassergehalt bekannt hinzugef gt und anschlie end in das Oberteil des Exsikkators Abb 4 23 bzw in die Kammer des Klimaschranks gelegt Die Petrischalen werden mindestens 96 Stunden unter definierten Bedingungen aufbewahrt bis sich das thermodynamische Gleichgewicht Gewichtskonstanz eingestellt hat Danach wird der Endwassergehalt des Malzextraktpulvers mit Hilfe 62 Untersuchungsmethoden des Karl Fischer Verfahrens bestimmt Wenn die Probe nicht mehr pulverf rmig ist wird der Endwassergehalt durch W gung bestimmt Ein Vorteil des Exsikkator Verfahrens ist dass mehrere Proben gleichzeitig analysiert werden k nnen Es werden pro Bedingung 3 Proben untersucht Mit den Ergebnissen werden die Diagramme der Sorptionsisothermen relative Luftfeuchte bzw Ay Wert vs g H20 100 TS erstellt Proben z B Silikonsiegel Malzextraktpulver WZ Abb 4 23 Malzextraktpulver im Exsikkator bei einer definierten relativen Luftfeuchte gesattigte Salzl sun
71. 6 2 5 3 4 5 5 4 Kompaktierung qualitativ BK KK KK KK KK 100 gam se LLE gt 80 See be oe E ae E 60 S 5 S Da 2 o 2 40 wed K D Z e V22_55 TS 2 K 2 20 ry V7_60 TS E Malzextraktl sung Variabel Trockenmassegehalt der L sung e V23_65 TS 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um Abb 6 25 Partikelgr enverteilung bei unterschiedlichem Trockenmassegehalt der Malzextraktl sung Ergebnisse und Diskussion 111 Die REM Aufnahmen der Versuche V23 V7 und V22 sind in der Abb 6 26 dargestellt Ein deutlicher Einfluss des Trockenmassegehalts der Malzextraktlosung auf die Partikelmorphologie ist nicht zu erkennen V23_65 TS 28 um V7_60 TS 23 um V22_55 TS 15 um Abb 6 26 Morphologien bei unterschiedlicher Verdunnung des Malzextraktes V23 V7 V22 Kodierung Versuchsnummer_TS der Malzextraktl sung in Gew _ dso 3 in um Es wurde kein Einfluss der Verd nnung der Malzextraktl sung auf den Br unungs grad festgestellt Die Eigenschaften der Pulver dieser Versuchsreihe hneln den Eigenschaften die im Abschnitt 6 3 1 analysiert worden sind 6 3 4 Versuchsdauer Da der Einfluss der Spr hversuchsparameter auf den Br unungsgrad in den Versuchen der Abschnitte 6 3 1 bis 6 3 3 nicht klar festgestellt werden konnte wurden zwei Versuchsreihen mit unterschiedlicher Dauer 30 bis 90 min durchgef hrt Tab 6 13 Je h her die Arbeitstemperatur und je l nger die Versuchsdauer
72. 8 25 9 125 115 64 3 7 3 1 0 10ME 10 75 68 5 28 22 1 21 3 0 8 26 10 133 121 6 7 10ME 10 69 25 0 27 9 138 122 6 9 0 69 26 7 28 12 133 121 5 6 5ME 10 73 26 7 29 16 133 120 66 2 4 9 1 2 16ME 6 65 77 4 70 25 2 24 1 1 2 1 86 30 14 137 105 48 7 3 9 1 2 16ME 6 65 77 5 30 25 4 21 3 4 2 31 13 138 93 56 9 4 2 1 2 10ME 10 65 83 4 00 30 5 24 1 6 5 32 19 59 8 3 1 1 2 10MeE 10 65 91 3 10 241 72 18 72 34 11 125 97 76 9 7 0 1 0 16ME 6 75 54 7 20 22 0 21 6 0 4 35 12 127 98 76 8 6 6 1 0 16ME 6 75 60 6 88 22 0 21 9 0 2 36 12 75 62 630 l Anhang A 7 Fortsetzung der Tab 9 11 SD RD Eiweiss Kompak Feuchte verg Zucker F ARP TBZ Vv Zens kg m REM ae aufnahme i Tg PCI Beurteilung fe fa ee green a u nn NS a Pul Aggl 3 Pul Aggl 4 18 141 BK 154 Pulver 5 Pul Aggl 6 St Trost fruasge 7 gt m as 77 283 bie 8 73 142 x BK Pulver 9 S S 2 Pul Aggl 10 20 166 X BK Pulver 11 95 116 X BK Pul Aggl 12 16 117 X BK Pulver 13 50 120 9 no 21 x e PS Pure 15 46 138 BK Pulver 16 197 200 BK Pul Aggl 17 240 206 BK Pul Aggl 18 109 146 Pulver 19 149 152 Po Pater
73. 9 Ergebnisse und Diskussion 93 45 90 C o F 0 142 t 22 12 40 80 C 4 A ness _ we O j D 3 F LL p 2 p S 30 ei 3 F 0 044 t 22 84 Ze R u 0 992 PG a te F E 0 005 t 22 86 R2 0 993 0 25 50 75 100 125 Verweilzeit t min Abb 6 12 EBC Werte in Abh ngigkeit von Erhitzungsdauer und temperatur Die Steigungen der Ausgleichsgeraden der Messpunkte der Abb 6 12 stellen die Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten kor der Farbver nderung dar Jede behandelte Probe wurde mit dem unbehandelten Malzextrakt mittels des Zweistichproben t Tests Irrtumswahrscheinlichkeit lt 5 verglichen Der Zweistich proben t Test ist ein Hypothesentest der anhand der Mittelwerte zweier Stichproben pr ft ob die Erwartungswerte zweier Grundgesamtheiten einander statistisch gleich oder unterschiedlich sind Nach der statistischen Analyse fallen die Messwerte der Messreihe bei 60 C komplett in den statistischen Schwankungsbereich Selbst bei einer Erhitzungsdauer von 120 Minuten besteht kein statistisch signifikanter Unterschied zu den unbehandelten Proben Aus den Ergebnissen l sst sich ableiten dass die maximale Temperatur des Vorlagebehalters und der Leitungen der Spr hanlage bei einer maximalen Verweilzeit von 120 Minuten 60 C betragen darf Unter diesen Bedingungen sind keine signifikanten Farbver nderungen des Malzextraktes zu erwarten Beim Pulverisieren von Malzextrakt mittels des PGSS Verfahrens erf hrt
74. 996 Adsorption 1 0 Aw Abb 4 22 Bereiche der Sorptionsisotherme Santanu 2006 Fast alle G ter zeigen bei der Adsorption Befeuchtung und Desorption Trocknung bei gleicher relativer Luftfeuchte unterschiedliche Feuchtegehalte im Gleichgewichts zustand Dieses Ph nomen wird als Hysterese bezeichnet welches bei verschiedenen Lebensmitteln mehr oder weniger stark ausgepr gt ist Untersuchungsmethoden 61 4 4 1 Sorptionsisothermen Fur die Bestimmung der Sorptionsisothermen wird in einem abgeschlossenen unterdruckfesten Gef Exsikkator Uber einem Medium eine bestimmte relative Luftfeuchte eingestellt Tab 4 1 wobei geloste Stoffe wie Salze oder Zucker eine Dampfdruckabsenkung infolge osmotischer Krafte bewirken Kessler 1996 Sie entziehen der Luft den Wasserdampf bis zum Gleichgewicht Somit ist es m glich ber einer w ssrigen L sung mit bekanntem Wasserdampfdruck der vom gel sten Stoff und dessen Konzentration abh ngt eine bestimmte relative Luftfeuchte einzustellen F r diesen Zweck werden verschiedene ges ttigte Salzl sungen bekannten Dampfdrucks bei Raumtemperatur hergestellt Tab 4 1 Ges ttigte Salzl sungen zum Einstellen bestimmter relativer Luftfeuchten relative Luftfeuchte Temperatur C 25 Greenspan Labusa Salzl sung 1976 1985 Lithiumchlorid 11 3 11 4 Kaliumacetat 22 5 23 7 Kaliumfluorid 30 9 Magnesiumchlorid 32 8 Kaliumcarbonat 43 2 Magnesiumnitrat
75. DPPH Signal Mn Relatives Signal GI 8 58 Untersuchungsmethoden F r die Messung muss jeweils eine frische DPPH L sung hergestellt werden Die DPPH L sung und Probe werden in einem Verh ltnis von 2 8 ml zu 0 2 ml vermischt Nach genau einer Minute wird diese Mischung in das ESR gegeben und anschlie end ber 10 min gemessen F r die Auswertung wird zun chst eine Kurve mit der prozentualen Abnahme der DPPH Konzentration erstellt und anschlie end die Fl che oberhalb des Graphen berechnet Abb 4 20 rechts Das antiradikale Potential ARP wird auf die m gliche Gesamtfl che 100 bezogen Je gr er die ARP Fl che ist desto gr er ist die antioxidative Kapazit t AiF Projekt 15222 2009 1500 1000 500 Signal CH 500 1000 1500 338 339 340 341 342 343 344 345 346 Magnetic Field strength mT Zeit min Abb 4 20 DPPH Spektrum im ESR links Auswertung des ARP rechts Die Analysen wurden bei Prof W Back TU Munchen Freising Weihenstephan durchgef hrt 4 4 Untersuchung des Sorptionsverhaltens der Malzextraktpulver Aus der Ermittlung der Sorptions und Desorptionsisothermen der hergestellten Malzextraktpulver bei Umgebungs und Spr hturmbedingungen Temp ca 65 C k nnen zwei Aussagen getroffen werden Erstens bei welcher relativen Luftfeuchte das hoch hygroskopische Malzextraktpulver stabil und lagerungsf hig bleibt und zweitens welche relative Feuchtebe
76. Komponenten und ihrer antioxidativen Wirkung Eine signifikante nderung des pH Wertes wurde bei den Versuchen nicht festgestellt Eine Reduzierung des Eiwei gehalts bei stark thermisch behandelten Proben konnte nicht nachgewiesen werden da die Maillard Produkte stickstoffhaltig sind Ein starker Br unungsgrad ist allerdings mit Verminderung der Menge an verg rbaren Zuckern verbunden und f hrt zum Verlust von essentiellen Aminos uren Beide Spr hverfahren liefern amorphe Pulver Die Glas bergangstemperatur der Pulver h ngt stark von der Restfeuchte ab und kann indirekt durch die Spr h parameter gesteuert werden Malzextraktpulver mit einer Restfeuchte von 5 Gew weisen eine Glas bergangstemperatur von 40 C auf Die Pulver sollen h chstens 174 Zusammenfassung bei Temperaturen 20 K unter der Glas bergangstemperatur Tg gelagert werden um den bergang in den gummiartigen Zustand zu vermeiden Geeignete Lagerungs bedingungen von Malzextraktpulver wurden mit Hilfe der Sorptionsisothermen bestimmt Dabei wurde festgestellt dass die relative Luftfeuchte bei Raumtemperatur 25 C maximal 35 betragen darf um die Restfeuchte des Pulvers bei maximal 5 Gew zu halten Eine lange Haltbarkeit des Pulvers wird gew hrleistet wenn das Pulver au erdem in eine weitgehend wasserdampfundurchl ssige Folie PA HV PE 90 um 2 6 g H20 m Tag bar verpackt wird und bei Temperaturen T lt Tg 20K gelagert wird Pulver mit einem Wasse
77. Maximal zulassige Arbetisplatzkonzentration ME Mischelemente MEBAK Mitteleurop ische Brautechnische Analysenkommision MRP Maillard Reaction Products Maillard Reaktion Produkte MS Massenspektrometrie PA HV PE Polyamid Polyethylen PB Produktbehalter PGSS Particles fron Gas Saturated Solutions PTFE Polytetrafluorethylen REM Rastelektronenmikroskopie RESS Rapid Expansion of Supercritical Solutions RV R ckschlagventil SCCO supercritical carbon Dioxide superkritisches Kohlendioxid SM statischer Mischer ST Spr hturm TS Trockensubstanz Trockenmasse UV VIS Ultraviolet Visible Radiation ultraviolette sichtbare Strahlung Vol Volumenprozent WU W rme bertrager Z Zyklon ZT Zerstauber 1 Einleitung und Zielsetzung Seit Jahrhunderten versucht der Mensch ma geschneiderte d h bedarfsgerecht aufbereitete Nahrungsmittel herzustellen Ein solches Lebensmittel soll haltbar und einfach zu handhaben sein gute sensorische Eigenschaften und N hrwerte haben vorzugsweise keine Konservierungs und Zusatzstoffe enthalten und preiswert sein Um solche Produkte herstellen zu k nnen existieren heutzutage zahlreiche Verarbeitungsmethoden in der Lebensmitteltechnik denen es gelingt in einem oder in mehreren Schritten Lebensmittel bedarfsgerecht f r Weiterverarbeitung oder Verbrauch zu konfektionieren Auf dem deutschen Markt gibt es einen gro en Bedarf an Malzextrakt mit ma geschneiderten Eigenschaften Malzextrakte s
78. Parametern eine Trocknung des Malzextraktes nicht m glich Mit Hilfe der K hlgrenztemperatur kann der geeignete Durchsatz die Verweilzeit und die Menge an Trocknungsluft ermittelt werden Kessler 1996 erw hnt dass die Verdunstungstemperatur der Tropfen deren Durchmesser im Allgemeinen kleiner als 300 um ist zwischen 40 und 50 C liegt wenn die in der Lebensmitteltechnologie blichen Hei lufteintrittstemperaturen 150 bis 200 C betragen Bei der Spr htrocknung von Malzextrakt werden wesentlich niedrigere Trocknungstemperaturen verwendet da bei h heren Eintritts temperaturen wie zum Beispiel bei 160 C fl ssiges Malz im unteren Bereich des Spr hturms gefunden wurde V14 Bei diesen Temperaturen wird das entstandene Pulver klebrig und verfl ssigt Bhandari 1997 empfiehlt bei der Spr htrocknung von zuckerreichen Produkten eine Wandtemperatur des Spr hturmes lt Tg 20 K Bei einer Glas bergangstemperatur des Pulvers von 60 C ist eine Wandtemperatur lt 80 C empfohlen Aus diesem Grund sind h here Lufttemperaturen f r das Trocknen des Malzextraktes nicht geeignet Die Rolle der Glas bergangstemperatur w hrend der Trocknung wird im Abschnitt 6 6 diskutiert Die h chste Luft austrittstemperatur bei der man noch Pulver erhalten hat liegt bei 93 C Im trockenen Zustand nehmen die Produktteilchen maximal die Temperatur der Abluft an Der Einfluss der Eintrittstemperatur der Trocknungsluft auf die Pulver eigenschaften wie F
79. Pulverisierung Trocknung und Braunung von Malzextrakt durch Spruhverfahren Dissertation zur Erlangung des Grades Doktor Ingenieurin der Fakultat fur Maschinenbau der Ruhr Universitat Bochum von Silvia Gallegos Lopez de Odvody aus Huanuco Peru Bochum 2011 Dissertation eingereicht am 12 01 2011 Tag der m ndlichen Pr fung 28 02 2011 Erster Referent Prof Dr Ing Eckhard Weidner Zweiter Referent Prof Dr Ing Karl Sommer Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand in den Jahren 2008 bis 2010 am Lehrstuhl fur verfahrenstechnische Transportprozesse der Fakultat Maschinenbau der Ruhr Universitat Bochum An erster Stelle bedanke ich mich bei Prof Dr Ing Eckhard Weidner Inhaber des oben genannten Lehrstuhls fur die Vergabe der Doktorarbeit die Betreuung die Unterstutzung und das Vertrauen dass er mir entgegengebracht hat Ebenfalls bedanken m chte ich mich bei Prof Dr Ing Marcus Petermann Leiter des Lehrstuhls f r Feststoffverfahrenstechnik der mich jeder Zeit unterst tzt motiviert und meine Arbeit gef rdert hat Ich danke ihm f r seine Zeit und seine guten Ratschl ge Prof Dr Karl Sommer der Technischen Universit t M nchen danke ich f r die Begutachtung meiner Doktorarbeit und der AiF f r die finanzielle Unterst tzung des Projektes Ganz herzlich bedanke ich mich bei Dr Ing Andreas Kilzer f r die laufende Diskussion meiner Arbeit bedanken Er war mir bei der Bew ltigung vieler Probleme
80. So kann man den Anteil des Kohlendioxids bestimmen welcher in der Gas bzw Fl ssigphase bei den im Autoklaven herrschenden Druck und Temperaturbedingungen gel st war Nach dem Entgasen und Abk hlen des Reagenzglases auf Raumtemperatur wird dieses erneut gewogen und der Massenanteil an CO und Malzextrakt wird berechnet 42 Untersuchungsmethoden Malzextrakt Zugabe in den Autoklaven ca 300 ml Erw rmung bis zur gew nschten Temperatur Zugabe von CO bis zum gew nschten Druck Schutteln 30 min Ruhen lassen 1 2 h Probenentnahme aus der Gas und Fl ssigphase Ermittlung der Zusammensetzung Abb 4 4 Vorgehen der Bestimmung des quantitativen Phasenverhaltens Dabei ist es wichtig zu erw hnen dass die gro e Kapazit t des Autoklaven 1300 ml die Einstellung von bis zu 2 verschiedenen Druckbedingungen pro Versuch erlaubt ohne dass sich die Zusammensetzungen der Phasen durch Proben entnahmen und Wiedereinstellung neuer Bedingungen merklich ndert Die Bestimmung des qualitativen Phasengleichgewichts in einer Sichtzelle ware auch m glich man kann dann allerdings nur eine Probe pro Charge entnehmen da die Kapazitat der Zelle nur 30 ml zulasst 4 2 Physikalische Untersuchungen 4 2 1 Viskosit t Die Viskosit t ist die Z higkeit eines Fluids In z hen Fl ssigkeiten sind die Teilchen Molek le stark aneinander gebunden und schlecht beweglich starke innere Reibung Malzextrakte weisen aufgrund ih
81. a Acta 240 183 189 Ledi F 1991 Der Abbau von reduzierenden Zuckern und Aminen bei der Maillard Reaktion Zeitschrift f r Ern hrungswissenschaft 30 1 4 17 Ledl F Schleicher E 1990 Die Maillard Reaktion in Lebensmitteln und im menschilichen K rper neue Ergebnisse zu Chemie Biochemie und Medizin Angewandte Chemie 102 6 597 626 180 Quellenverzeichnis Lee G D Kwon J H 1998 The use of response surface methodology to optimize the Maillard reaktion to produce melanoidines with high antioxidative and antimutagenic activities International Journal of Food Science and Technology 33 4 375 383 Lerici C 1990 Early indicator of chemical changes in foods due to enzymatic or non enzymatic browning reactions 1 Study on heat treated model systems Lebensmittel Wissenschaft und Technologie 23 4 289 294 Linde 2005 Kohlendioxid Sicherheitshinweise Umgang mit Kohlendioxid CO2 URL http www aquaspender de Downloads Kohlendioxid 20Daten 20und 20Sicherheit pdf Stand 15 06 2010 Littel R Versteeg G Van Swaaij W 1991 Kinetics of CO2 with primary and secondary amines in aqueous solutions l zwitterion deprotonation kinetics for DEA and DIPA in aqueous blends of alkanolamines Chemical Engineering Science 47 8 2027 2035 Mahler K 1964 Bestimmung der Restfeuchte Uber Gleichgewichtsdampfdruck und Sorptionsisotherme Chemie Ingenieur Technik 36 5 461 463 Malvern I
82. adori Umlagerung Heyns Umlagerung CH20H CH20H O O O O NHR OH CHaOH gt lt OH uo HO DCH NHS no Mun Ho CH OH HO OH NHR Abb 2 6 Amadori Umlagerung links Heyns Umlagerung rechts Angrick 1980 Die durch die Umlagerung entstandenen Amadori Produkte sind relativ stabil und k nnen in gelagerten und erhitzten Lebensmitteln nachgewiesen werden Die Amadori Produkte werden auf zwei verschiedenen Wegen abgebaut Abb 2 8 die 1 2 Enolisierung im schwach sauren bis neutralen pH Bereich oder die 2 3 Enolisierung bei neutralen bis basischen pH Werten B ttner 1997 Fennema 1993 Somit werden die Umlagerungsprodukte in a Dicarbonyl verbindungen berf hrt Die Umlagerungsprodukte stellen sekund re Amino verbindungen dar welche erneut mit einem Zuckermolek l unter Glycosylamin Bildung und anschlie ender Umlagerung reagieren k nnen Auf diese Weise wird ein Zyklus aufgebaut der im Endeffekt zu einer intramolekularen Redoxreaktion im Zuckermolek l f hrt und beliebige Mengen der isolierbaren a Dicarbonylverbindung liefert ohne dass die Aminokomponenten dabei verbraucht werden Angrick 1980 Der letzte Schritt der ersten Phase der Maillard Reaktion ist die Umwandlung der a Dicarbonylverbindungen in verwandte reaktive Spezies Die Variationsf higkeiten der Dicarbonylverbindungen stellt einen der Hauptschl ssel zum Verst ndnis der Vielfalt von Maillard Folgeprodukten dar Die wichtigsten Umwandlungen sind Isomerisieru
83. an verf gbarem Zucker sinkt Bei einer sehr starken thermischen Behandlung V8 ist die Menge an verg rbarem Zucker um 16 gesunken Das bedeutet dass diese Malzextraktpulver f r eine Verg rung in Bier einen geringeren Alkoholgehalt liefern In diesem Zusammenhang ist auch zu beachten dass bei der Maillard Reaktion essentielle Aminos uren die im Malzextrakt vorhanden sind Tab 9 11 im Anhang mit den reduzierenden Zuckermolek len reagieren und dadurch ihre biologische Verf gbarkeit verlieren Die Abb 6 62 vergleicht die drei Pulver V5 V11 V8 im Bezug auf die Menge an Aromastoffen und den Farbwert Die Ergebnisse der Aromaanalyse sind gut korrelierbar lineare Beziehung mit den Ergebnissen der Farbbestimmung da eine Maillard Reaktion eine dunklere Farbe und einen erh hten Anteil an Strecker aldehyden und 2 Furfural zur Folge hat 148 Ergebnisse und Diskussion Menge g l Maltose Maltotriose Glucose Fructose Saccharose Malzextrakt_Farbe 24 EBC vergarbare Zucker 90 1 g l DVD Farbe 27 EBC verg rbare Zucker 86 1 g l OV11_Farbe 33 EBC vergarbare Zucker 79 2 g l OV8_Farbe 53 vergarbare Zucker 75 5 g l Abb 6 61 Zuckerspektrum von PGSS Malzextraktpulvern und von flussigem Malzextrakt 60 gt 2 504 Geng 404 see ei j aa o Be E U A g k 20 A Streckaldehyde 2 Furfural 104 7 Linear Streckaldehyde Linear 2 Furfural 0 1000 2000 3000 4000 5000 Menge an Aromastoffe ug l Abb
84. anach wird die Pulverprobe aus dem Produktbeh lter entnommen Anschlie end wird die D se ausgebaut warmes Wasser in den Eduktbeh lter gegeben und die Eduktpumpe angeschaltet So werden die Leitungen gesaubert Der statische Mischer wird nach jedem Versuch ausgebaut und ebenfalls mit hei em Wasser gr ndlich gereinigt Die Produktpulver aus dem Produktbeh lter wurden unmittelbar nach dem Versuch kalt in wasserdichte Folien verpackt und gut versiegelt s Abschnitt 5 1 2 Die Lagerungsbedingungen betrugen 23 C 2 C bei 45 5 r F Die Pulver wurden mit Hilfe der im Abschnitt 4 2 beschriebenen Untersuchungen charakterisiert welche sp testens sieben Tage nach der Herstellung erfolgte 6 Ergebnisse und Diskussion Im Folgenden werden die Ergebnisse anhand von Diagrammen und Tabellen in sechs Abschnitten vorgestellt und diskutiert Die H he der Fehlerbalken entspricht bei den Diagrammen der doppelten Standardabweichung der Messwerte welche zus tzlich im Anhang zu finden sind Im ersten Abschnitt werden die Voruntersuchungen beschrieben die f r das Verst ndnis und den Erfolg der Pulverherstellung wichtig sind Phasengleich gewichtsuntersuchungen des Systems Malzextrakt Kohlendioxid Messungen der Viskosit tserniedrigung von Malzextrakt durch Einl sung von Kohlendioxid unter hohem Druck und Messungen der Viskosit t von Malzextrakt bei verschiedenen Temperaturen und Umgebungsdruck Im zweiten Abschnitt wird der Einfluss der Hitze
85. arb als auch die Geschmacksentwicklung gehemmt werden Tamaoka 1991 Die Wirkung der Hochdruckbehandlungen mit Uberkritischem Kohlendioxid scCO auf die Maillard Reaktion wird erst seit 2006 erforscht Casal 2006 studierte das Modelsystem Lactose Ovine Caseinmacropeptide und Lactose Betalactoglobulin bei 50 C und 300 bar in Gegenwart von scCO Dabei stellte sich heraus dass scCO2 die Maillard Reaktion nicht beg nstigt So kann das scCO evtl in vorteilhaft lysinreichen Lebensmitteln verwendet werden da die essentiellen Aminos uren nicht besch digt werden und damit ihre biologische Verf gbarkeit behalten Xu 2009 untersuchte das Modelsystem Ribose Cystein Ausgangs pH Wert 5 6 bei Temperaturen zwischen 120 180 C und 200 bar in Gegenwart von berkritischem Kohlendioxid Dabei stellte er fest dass die mit Temperatur und Druck behandelten Proben bei der UV VIS Spektroskopie eine niedrigere Absorption 20 bei 420 nm als thermisch behandelte Proben aufwiesen Au erdem ist die Bildung von fl chtigen Substanzen bei Verwendung von scCO2 komplex Viele fl chtige Komponenten wurden bei der genannten Untersuchung gehemmt w hrend fleischige Aromastoffe Thiole und Disulfide in gr eren Mengen produziert wurden Xu 2009 Die Aromabildung des gleichen Modellsystems Ribose Cystein bei 140 C und in 20 Theoretische Grundlagen Abwesenheit von scCO2 und scN2 wurde bei Xu 2010 untersucht Die Konzentration an 3 Methyl 1 2 d
86. arbver nderung und Partikelgr e ist aus den Ergebnissen der Versuchsreihe nicht deutlich erkennbar Die Partikelgr e ndert sich nicht stark mit dem Feuchtegehalt des Partikels da die erhaltenen Partikelgr en danz zwischen 22 und 24 um liegen Die Breite span der Partikelgr enverteilung steigt leicht mit Erh hung der Lufteintrittstemperatur von 5 auf 6 7 Dieses Verhalten kann mit der 106 Ergebnisse und Diskussion Klebrigkeit der Partikel bei h heren Austrittstemperaturen bzw Wandtemperaturen des Spr hturmes erkl rt werden da bei Wandtemperaturen gt Tg 20 K die Partikel kleben und agglomerieren Dadurch werden die Partikelgr enverteilungen breiter Die Farbver nderungen entsprechen nicht den Erwartungen Dar ber wird im Abschnitt 6 3 4 in der Analyse der Versuchsdauer diskutiert Durch die kurze Verweilzeit im Spr hturm ist allerdings kein deutlicher Einfluss der Eintrittstemperatur auf die Farbver nderung zu erwarten und die Farbe sollte sich nicht wesentlich bei einer Erh hung der Temperatur ver ndern Der Einfluss der Eintrittstemperatur der Trocknungsluft auf die Schutt und R tteldichte ist erkennbar Die Sch ttdichte steigt von 539 auf 632 kg m und die R tteldichte von 775 auf 931 kg m bei Erh hung der Temperatur von 100 auf 150 C Die Abb 6 21 zeigt eine repr sentative Partikelgr enverteilung und das Kompaktierungsverhalten der Versuchsreihe Kein Pulver aus dieser Versuchsreihe zei
87. as refraktometrische Verfahren ist f r die Bestimmung des Wassergehaltes des fl ssigen Malzextrakts geeignet aber nicht f r das Pulver Das Karl Fischer Verfahren oder die Karl Fischer Titration eignet sich f r eine pr zise Bestimmung des Wassergehaltes von fl ssigem sowie von pulverf rmigem Malzextrakt Mit dieser Methode wird chemisch der Gesamt wassergehalt das freie und das gebundene Wasser erfasst Fischer 1935 Sch ffski 2000 Kirk 1996 F r die Wassergehaltbestimmung des Malzextraktes muss die zuckerhaltige Substanz gel st werden F r diese Methode wird in der Regel Methanol als L sungsmittel verwendet Da sich zuckerhaltige Stoffe schwer in reinem Methanol l sen wurde HYDRANAL Methanol rapid und HYDRANAL Formamid dry der Firma Sigma Aldrich im Verh ltnis 1 1 als L sungsmittel eingesetzt Zus tzlich wird ein Doppelmantel Gef verwendet um das Beh ltnis zu beheizen und dadurch die L slichkeit des Malzextraktes zu beg nstigen Die Messungen werden mit einem temperierten Karl Fischer Titrator 870 KF Titrino plus Metrohm bei 45 C durchgef hrt Als Titrant wird HYDRANAL Composite 5 1 ml ca 5 mg H20 der Firma Sigma Aldrich verwendet Das Composite 5 enthalt lod Schwefeldioxid und eine Base Pyridin Diese Substanzen nehmen an der Reaktion teil Dabei ist wichtig zu beachten dass der Titer Faktor der die Nennkonzentration einer Ma l sung an die effektive Konzentration anpasst an die Titrierlosung ange
88. asf rmig F r praktische Zwecke sind zwei dimensionale Projektionen des Diagramms besser geeignet Als Beispiel ist in Abb 3 4 ein Druck Temperaturdiagramm Der Tripeldruck von CO liegt oberhalb des Atmosph rendrucks Damit ist es vergleichsweise einfach m glich durch Entspannung auf Atmosph rendruck festes CO zu erzeugen das als Trockeneis bezeichnet wird Erfolgt die Entspannung in einer D se mit nachgeschaltetem Schneerohr entstehen feinteilige Partikel Trockenschnee kann in Kompaktoren zu Bl cken oder Tabletten geformt werden Bei W rmezufuhr sublimiert das feste CO bei Atmospharendruck bei einer Temperatur von ca 78 C F r die Berechnung der Referenzdaten f r Kohlendioxid hat sich die Zustandsgleichung von Span und Wagner durchgesetzt Span 1993 Wagner 2006 F r die Entwicklung und Realisierung der Anwendungen von Kohlendioxid sind vertiefte Kenntnisse der Eigenschaften von Systemen in Gegenwart von Kohlen dioxid notwendig Als Beispiel sei zun chst die L slichkeit in w ssrigen Systemen genannt F r die Verwendung des Kohlendioxids in der Getr nkeindustrie zur Neutralisation sowie f r den Transport in Pipelines und der Speicherung des Gases in Wasser ist die Kenntnis der L slichkeit in Wasser als Funktion von Druck und Temperatur unerl sslich Bei niedrigem Druck steigt die L slichkeit mit zunehmendem Druck und abnehmender Temperatur Abb 3 5 Bei hohem Druck Abb 3 6 durchl uft die CO gt L slichkeit
89. auf zeigen eine niedrigere Sch ttdichte und ein starkes Kompaktierungs verhalten Mit der Absenkung der Viskosit t auf 18 mPa s steigt die Beweglichkeit der Molek le und damit geschehen die Reaktionen schneller Au erdem wird die Wasseraktivit t der L sung und damit die Reaktionsgeschwindigkeit ge ndert Nach Abb 2 12 findet Ergebnisse und Diskussion 135 die Maillard Reaktion bei Ay Werten von 0 7 schneller statt Laut der Versuchser gebnisse verl uft die Maillard Reaktion bei einer Malzextraktl sung mit 35 Gew Wassergehalt schneller als bei einer L sung mit 25 Gew Wassergehalt Abb 6 52 Farbver nderung EBC O gt N WO A A DN 60 65 70 75 80 TS der Ausgangsl sung Gew V24 V32 pv 100 bar Tv 137 C 10 ME_ 10mm V 52 V53 pv 90 bar Tv 145 C SGM 18 10 ME_ 10mm A Ren um SSS gt GRAS V24 _75 TS V32_65 TS Abb 6 52 Einfluss der Verdunnung des Malzextraktes auf den Braunungsgrad oben und die Partikelmorphologie unten Der Einfluss der Verd nnung des Malzextraktes auf die Partikelgr enverteilung ist in keiner Versuchsreihe ganz eindeutig Bei einer Erh hung der Verd nnung ist die L sung niedrigviskoser und damit ist das Zerrei en der Partikel einfacher Die Partikel sollten kleiner werden wenn die Verd nnung h her ist Laut der Ergebnisse ist das allerdings nicht immer der Fall Abb 6 53 Die gr eren Partikeln bei Verwendung von verd nnten L sungen k nnen auf eine s
90. auf die Braunung 6 4 2 Durchmesser der Mischelemente Die Verweilzeit des Malzextraktes in der Mischstrecke kann anhand des Durch messers der Mischelemente indirekt gesteuert werden Zwei Versuchsreihen V40 V36 und V51 V48 wurden durchgef hrt in dem die 100 mm lange Misch strecke mit Mischelementen verschiedener Durchmesser 6 und 10 mm gef llt wurde Somit wurde das Volumen der Mischstrecke um knapp das 2 8 fache variiert und damit auch die Verweilzeit Die tatsachliche Verweilzeit kann mit den bekannten Versuchsparametern nicht berechnet werden da der Volumen Anteil von CO2 und Malzextrakt in der Mischstrecke unbekannt ist Eine theoretisch maximale Verweilzeit wurde nach Gl 13 berechnet Dabei wurde das freie Volumen der Mischstrecke durch den Volumenstrom des Malzextraktes ohne Ber cksichtigung des CO2 Stroms dividiert Ver A ANA i Mischstrecke GI 13 V Malzextrakt Die Restfeuchten des Malzextraktes f r verschiedene Mischelementdurchmesser der Versuche sind in der Abb 6 39 dargestellt Bei den Versuchen 40 und 36 wurden Ergebnisse und Diskussion 125 Agglomerate und bei den Versuchen 51 und 48 Pulver erhalten Die berechneten maximale Verweilzeiten f r die Versuche 48 ME 10mm und 51 ME 6mm betragen 7s bzw 2 6s f r die Versuche 36 ME 6mm und 40 ME 10mm 1 3s bzw 3 6 s Es ist zu sehen dass obwohl die max VWZ um das 2 7 fache variiert wurden die Restfeuchten der Pulver in hnlichen Bereic
91. aylor berechnet Gl 18 Nach Bhandari 1997 zeigt die genannte Gleichung eine gute Anpassung f r Mehrkomponentensysteme wenn der Trockenmasseanteil h her als 70 Gew ist Die Glas bergangstemperatur wurde f r das Malzsystem zwischen 100 und 82 5 Gew TS berechnet n Terz i 1 gm n 2 Wir Bro Tg Glasubergangstemperatur einer Komponente C ACpj nderung der W rmekapazit t beim Durchschneiden des Glas berganges J molK wi Massenanteil der einzelnen Komponenten Gew Tgm Glas bergangstemperatur der Mischung C F r die Berechnung der Glas bergangstemperatur wird die Kenntnis der Zusammensetzung des Mehrkomponentengemisches Malzextraktpulver voraus gesetzt Der Malzextrakt besteht aus Wasser f nf Zuckern Fructose Maltose Glucose Maltotriose und Saccharose Proteinen Vitaminen und Salzen Der geringe Anteil der Proteine Vitamine und Salze im Malzextrakt Tab 3 1 wird bei der Berechnung der Glas bergangstemperatur vernachl ssigt Die Glas bergangs temperatur und nderung der W rmekapazit t beim Durchschreiten des Glas berganges der f nf Zucker die f r die Gordon Taylor Gleichung eingesetzt wurden sind der Tab 6 20 zu entnehmen Ergebnisse und Diskussion 167 Tab 6 20 Glas bergangstemperatur und nderung der Warmekapazitat bei einem Glas bergang der Einzelkomponenten des Malzextraktes Komponente Tg C ACp J mol K Quelle Wasser 135 1 60 Hallbr cker 1989
92. b 6 36 Einfluss der Anzahl der Mischelemente auf die Partikelgr enverteilung Die Anzahl der Mischelemente hat auch einen merklichen Einfluss auf den Rest wassergehalt der Partikel Zwei Versuchsreihen werden in der Abb 6 37 hinsichtlich des Restwassergehalts der Partikel verglichen Anhand des Diagramms ist zu erkennen dass mit zunehmender Anzahl an Mischelementen die Trocknung Ergebnisse und Diskussion 123 effektiver ist Eine Erhohung der Anzahl der ME von 5 auf 10 hat allerdings keinen weiteren deutlichen Einfluss auf den Restwassergehalt Die Verwendung nur eines Mischelementes hat gegen ber der Verwendung keines Mischelementes dagegen keinen deutlichen Einfluss auf den Restwassergehalt 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 Restfeuchte Gew 3 5 3 0 012 3 45 6 7 8 9 10 Anzahl der Mischelemente 54 V57 pv 100 bar Tv 145 C SGM 18 V45 V49 V50 V47 pv 100 bar Tv 133 C SGM 12 Abb 6 37 Einfluss der Anzahl der Mischelemente auf den Restfeuchtegehalt Die Abb 6 38 stellt den Einfluss der Anzahl der Mischelemente auf den Br unungs grad dar Zus tzlich ist zu erkennen dass die Br unung mit steigender Vorexpansionstemperatur zunimmt Bei Verwendung von zehn Mischelementen ist die Br unung geringer w hrend wenn man auf die Mischelemente verzichtet die Br unung intensiver ist Diese Beobachtung kann dadurch erkl rt werden dass die Verweilzeit in der 100 mm Mischstrecke bei Verwendung von Mischelementen g
93. behandlung und der verdichteten Gase auf die Maillard Reaktion im Malzextrakt analysiert Mit diesen Ergebnissen wird das thermische Verhalten von Malzextrakt bei der Pulverisierung mittels PGSS Trocknungsverfahren bestimmt Im dritten und vierten Abschnitt werden die Ergebnisse der Spr htrocknungs und PGSS Trocknungsversuche vorgestellt und die Einfl sse der Prozessparameter auf die Partikeleigenschaften und auf den Br unungsgrad diskutiert Des Weiteren werden die Arbeitsbereiche f r ein erfolgreiches Trocknen in Abh ngigkeit von den Prozessparametern mittels der beiden Verfahren bestimmt Au erdem wird die Steuerung des Br unungsgrades bzw die Intensit t der Maillard Reaktion anhand der PGSS Spr hparameter pr sentiert Zudem wird die Qualit t des Malzextraktes nach der thermischen Behandlung w hrend der Pulverisierung analysiert Im f nften und sechsten Abschnitt werden die Sorptions und Desorptions messungen sowie die Glas bergangstemperaturmessungen der gewonnenen Malzextraktpulver erl utert Dabei werden die geeigneten Lagerungsbedingungen relative Luftfeuchte und Temperatur f r die Haltbarkeit des Pulvers definiert und der Arbeitsbereich f r die Spr htrocknung anhand der Glas bergangstemperatur verifiziert 80 Ergebnisse und Diskussion 6 1 Voruntersuchungen 6 1 1 Phasengleichgewichte Phasengleichgewichte wurden in Sichtzellen und einem Autoklaven untersucht um die Zusammensetzung der koexistierenden Phas
94. bei 40 C und 100 bar direkt nach dem R hren und nach 60 Minuten ohne Bewegung Die Bildung stabiler Sch ume beim R hren kommt vermutlich durch Proteine zustande die im Malzextrakt vorhanden sind Neben dem zugegebenen Kohlendioxid ist zus tzliches CO durch eine Maillard Reaktion produziert worden Diese Reaktion kann sogar bei Raumtemperatur in nennenswertem Umfang stattfinden Finot 2005 61 bar Abb 6 2 Malzextrakt mit Kohlendioxid bei 25 C Weg aa Sas a Abb 6 3 Schaumbildung bei Malzextrakt in Gegenwart von Kohlendioxid bei 40 C und 100 bar Nach dem R hren links bzw nach 60 Minuten ohne Bewegung rechts Die Untersuchungen ergaben erwartungsgem dass mit steigender Arbeits temperatur eine Farbvertiefung des Malzextraktes auftritt W hrend der Malzextrakt 82 Ergebnisse und Diskussion zu Beginn von hellbrauner Farbe ist zeigen die Aufnahmen des Extraktes nach einigen Stunden Aufenthalt in der Sichtzelle bei Temperaturen ber 90 C eine tiefbraunrote F rbung Die nderung der Farbe ist auf hochmolekulare Komponenten zur ckzuf hren welche bei der Maillard Reaktion entstehen Baltes 2007 1 bar 50 bar 200 bar Abb 6 4 Malzextrakt mit Kohlendioxid bei 100 C Bei Temperaturen ber 110 C findet die Maillard Reaktion schneller und au erdem die Karamellisierung Pyrolyse der Fructose statt Aus diesem Grund ist bei hohen Temperaturen eine st rkere Farbver nderung des Malzextra
95. bewirken kaum eine nderung dieser Eigenschaft Das PGSS Pulver des V54 py 92 bar Ty 145 SGM 18 10 ME Malzextraktl sung 70 TS weist aufgrund seiner gr eren Partikel eine bessere Flie f higkeit auf Ergebnisse und Diskussion 151 10 9 8 7 leicht flie end KSE 5 e 5 Bag 2 4 ER Ae BR koh siv R 2q Se ew 4 e sehr koh siv 0 50 100 150 200 250 300 350 Partikelgr e dzo 3 ym Abb 6 65 Flie f higkeit der PGSS Malzextraktpulver Das Kompaktierungsverhalten ist vom Restfeuchtegehalt abhangig Pulver die 3 3 Gew oder eine geringere Restfeuchte aufweisen zeigen keine Kompak tierung Pulver die mehr als 3 7 Gew Restfeuchte besitzen zeigen eine bleibende Kompaktierung Pulver mit einem Feuchtegehalt zwischen 3 3 und 3 7 Gew werden als gering kompakt beurteilt Abb 6 66 Ausgenommen von dieser Aussage sind die extrem por sen Pulver die aus einer Malzextraktl sung mit 65 Gew TS hergestellt wurden V32 py 94 bar Ty 137 SGM 19 10 ME Die hohe Porositat dieser Proben beeinflusst das Kompaktierungsverhalten negativ bleibende Kompaktierung geringe Kompaktierung keine Kompaktierung 3 1 3 3 34 5 9 Restfeuchtegehalt Gew Abb 6 66 Kompaktierungsneigung in Abh ngigkeit des Restfeuchtegehaltes der PGSS Pulver Abb 6 67 gibt einen berblick der Feuchteaufnahmegeschwindigkeit von verschiedenen PGSS Pulvern 152 Ergebnisse und Diskussion 11 10 wake
96. chstr mt ein Rohr das gegebenfalls statische Mischelemente enth lt Das Rohr ist elektrisch beheizt Die Solltemperatur der Heizung wird auf den Temperaturwert vor der D se eingestellt Der Malzextrakt kann rtlich oder zeitweilig in Kontakt mit dem hei eren CO Temperaturen weit oberhalb der gemessen annehmen Die Kurven f r die Abh ngigkeit der Br unung von der Temperatur sind stark gekr mmt d AEBC dT gt 0 sodass eine Variation der Temperatur um einen Mittelwert stets eine wesentlich gr ere Br unung liefert als bei konstanter mittlerer Temperatur Hierzu kommt dass bei h heren Temperaturen weitere Reaktionen Karamellisierung auftreten k nnen sodass die Annahme einer Maillard Reaktion alleine dann zu geringen Br unungswerten f hrt Ein Vergleich der Br unung bei der PGSS Trocknung mit den Messungen die in Abschnitt 6 2 1 unter kontrollierten Temperaturbedingungen durchgef hrt wurden ist demnach nur bedingt m glich Die Hochdruckverfahrensweise erm glicht eine sehr pr zise und gut einstellbare Kurzzeittemperaturbehandlung des Malzextraktes die so mit der klassischen Spr htrocknung nicht realisierbar ist Das Verh ltnis Tab 6 18 Spalte 8 von quivalenter VWZ zu maximaler VWZ Gl 13 nimmt mit der zugegebenen SGM zu Die in der Abb 6 58 dargestellten Ergebnissen zeigen dass h here SGM Vergleich Reihe und Ill sowie die Abwesenheit von Mischelementen Vergleich Reihe und Il zu st rkerer Br unung f h
97. ckes nicht immer die Trocknung da bei h heren Dr cken der Joule Thomson Effekt st rker ist und die Nachexpansionstemperatur f llt Bei niedrigerer Nachexpansionstemperatur verl uft die Trocknung langsamer wodurch h here Restfeuchten erhalten werden Ergebnisse und Diskussion 131 6 5 x 8 6 0 a P to o g 5 0 70 90 110 130 150 170 Vorexpansionsdruck bar V43 V45 Tv 130 C SGM 12 0 ME_ 10mm V16 V22 Tv 135 C SGM 16 10 ME_ 10mm Abb 6 47 Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf die Restfeuchte Der Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf den Braunungsgrad ist in Abb 6 48 dargestellt Bei dem Versuchspaar V16 V22 ist eine Absenkung von 17 2 EBC bei einer Druckerh hung von 130 auf 170 bar festgestellt worden Diese Beobachtung stimmt mit den im Abschnitt 6 2 2 vorgestellten Ergebnissen uberein wo bei h heren Dr cken die Br unungsreaktion bis um 11 langsamer verl uft Dieser Effekt liegt bei den Spr hversuchen bei Dr cken zwischen 80 und 110 bar im Rahmen der Messgenauigkeit 14 12 m wW 40 S D 5 8 S 6 D 4 amp 2 5 0 70 90 110 130 150 170 Vorexpansionsdruck bar V43 V45 Tv 130 C SGM 12 0 ME_ 10mm V16 V22 Tv 135 C SGM 16 12 ME_ 8mm Abb 6 48 Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf den Braunungsgrad 132 Ergebnisse und Diskussion 6 4 5 Vorexpansionstemperatur Die Vorexpansionstemperatur ist ein wichtiger Parameter beim PGSS Trockn
98. d Glucose Wasser CO2 Der Prozentanteil an Kohlendioxid in der flussigen Phase ist um 1 Gew gestiegen wenn die Wartezeit auf 24 Stunden verlangert wird Eine langere Ruhezeit hat eine positive Auswirkung auf die L slichkeit des Kohlendioxid da eine l ngere Reaktionszeit die Br unungsmechanismen f rdert Wie das Kohlendioxid tats chlich in den gebildeten Komponenten absorbiert wird ist nicht genau bekannt Dennoch postulierte Kroh 2008 eine netzf rmige dreidimensionale Struktur eines auf Kohlenhydraten basierten Melanoidins Abb 2 11 und man kann davon ausgehen dass die Kondensation von unges ttigten Ringen die netzf rmige Bildung von Molek len mit sich bringt welche mit dem Kohlendioxid mittels Wasserstoffbr cken reagiert 88 Ergebnisse und Diskussion Folglich k nnen die zwei vorgestellten Hypothesen die zunehmende L slichkeit mit steigender Temperatur erkl ren Die h here L slichkeit von CO2 im Malzextrakt im Vergleich zum Glucose Wasser System ist auf die Anwesenheit von Aminen und von verschiedenen Zuckerarten zur ckzuf hren 6 1 2 Viskosit t von Malzextraktl sungen unter Umgebungsdruck Die Viskosit t von Malzextrakt im Lieferzustand ca 25 Gew Wasseranteil und von Malzextraktl sungen wurde mit unterschiedlichen Wasseranteilen 40 und 60 Gew bei verschiedenen Temperaturen 20 30 40 60 80 C ermittelt um die F rderbarkeit mit den verf gbaren Pumpen zu pr fen Der Wassergehalt der Malzex
99. daten zur Bestimmung der Sorptionsisothermen bei 25 C Feuchtegehalt g H2O 100 g Trockensubstanz Muster PGSS V42 Spr htrocknung V8 Glucose Fruktose Maltose r F Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw 11 3 3 27 0 07 2 99 0 02 9 23 0 08 0 26 0 01 5 43 0 02 22 6 4 78 0 06 3 93 0 02 9 25 0 01 0 27 0 01 5 45 0 01 32 8 5 55 0 20 5 89 0 02 9 27 0 00 0 29 0 01 5 60 0 00 38 2 7 57 0 02 7 24 0 08 9 29 0 17 0 29 0 01 5 45 0 02 43 0 8 58 0 14 8 84 0 01 9 29 0 03 0 31 0 00 5 84 0 02 52 9 9 95 0 35 9 63 0 43 9 26 0 00 0 29 0 01 5 84 0 01 57 6 12 50 0 15 12 40 0 00 9 29 0 17 11 63 0 02 5 49 0 16 68 9 16 64 0 07 16 58 1 37 9 34 0 01 20 40 2 98 5 86 0 05 75 3 19 72 0 06 19 57 1 07 9 45 0 00 30 57 1 30 5 88 0 05 84 3 26 86 0 43 26 86 0 60 9 56 0 00 41 19 1 80 5 99 0 13 93 6 36 29 0 70 37 32 0 33 9 61 0 02 56 90 2 57 6 37 0 26 Anhang A 11 Tab 9 14 Messdaten zur Bestimmung der Sorptionsisothermen bei 65 C Feuchtegehalt g H2O 100 g Trockensubstanz Muster PGSS V42 Spr htrocknung V8 Glucose Fructose Maltose r F Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw Mittelw Std Abw 11 1 47 0 04 1 50 0 01 0 04 0 03 0 06 0 03 4 92 0 02 20 3 37 0 06 3 51 0 04 0 17 0 03 0 09 0 03 5 24 0 01 30 5 54 0 03 6 22 0 01 0 16 0 02 0 18 0 01 5 12 0 02 40 7 82 0 02 7 78 0 09 0 23 0 04 14 16 0 18 5 60 0 01 50 8 02 0 07 8 79
100. dauer Variabel Versuchsdauer Versuch Nr 26a 26b 28a 28b TS der L sung Gew 0 5 60 60 60 60 Spruhrate kg h 0 1 2 4 2 4 2 4 2 4 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 8 8 8 8 Lufteintrittstemp C 1 120 120 140 140 Tr Luftmenge Nm h 0 5 86 3 863 863 86 3 Luftaustrittstemp C 1 79 9 80 4 95 3 95 8 Versuchsdauer min 30 90 30 75 Restfeuchtegehalt Gew 0 05 3 37 3 63 2 96 3 18 Farbe Pulver EBC 0 2 25 3 26 1 24 1 25 3 Farbe fl Malzextrakt EBC 0 2 25 3 25 3 24 1 24 1 Farbver nderung EBC 0 0 8 0 1 2 Eiwei Gew 0 2 6 6 6 6 pH 0 2 5 2 5 2 5 2 5 2 Flie f higkeit ffc 0 2 2 8 2 9 Sch ttdichte kg m 5 609 659 659 697 R tteldichte kg m 10 882 907 857 904 Partikelgr e dso3 um 1 40 47 40 49 span d 0 3 d10 3 ds0 3 5 3 4 2 4 5 4 1 Kompaktierung qualitativ KK KK KK KK Bemerkung on im Sammelbeh lter C 99 SES 95 Andere Eigenschaften wie die Partikelgr e und Dichte werden ebenfalls durch die Versuchsdauer beeinflusst Mit zunehmender Dauer neigen die Partikel zur Agglo meration Durch die hohe Temperatur im Sammelbeh lter 49 bis 60 C k nnen sich Feststoffbr cken zwischen den Partikeln bilden Im Zusammenhang dazu stellte Labuza 1985 folgende Ph nomene fest Umgebungstemperatur unerw nschte Effekte Tg 10 C Bildung von Klumpen Tg 20 C Produkt wird klebrig Tg 30 C bis 50 C Kristallisierung Tg gt 50 C Kollaps und Verfl ssigu
101. den Schergeschwindigkeiten ca 100 s n hert sich die Viskosit t asymptotisch einen Grenzwert Bei h here Scherraten 100 s zeigt der Malzextrakt eine ca 5700 fache h here Viskosit t als Wasser 1 mPa s Schramm 2002 erw hnt als typische Viskosit tswerte bei 20 C f r Honig von etwa 10 Pa s Damit ist die dynamische Viskosit t des unverd nnten Malzextraktes hnlich der von Honig Geringe Temperaturerh hungen bewirken im Bereich unter 40 C eine sehr starke Viskosit tssenkung Bei h heren Temperaturen im Bereich zwischen 60 und 80 C ndert sich dagegen die Viskosit t nur noch geringf gig Bei 80 C ergibt sich eine Viskosit t von 0 172 Pa s Mit steigender Temperatur wird das newtonische Plateau nahezu konstant F r die Versuche muss der Extrakt in pumpf higer Form mit geeignet geringer Viskosit t vorliegen Die Ergebnisse zeigen dass das durch eine Bevorratung bei erh hten Temperaturen erfolgen kann Gleichzeitig jedoch haben erh hte Lagerungstemperaturen einen Einfluss auf die Produktqualit t Farbe Aroma Zusammensetzung usw Wie bereits aus den qualitativen Phasengleichgewichts untersuchungen entnommen werden kann kommt es aufgrund von Reaktionen unter anderem zu einer Farbintensivierung Gleichzeitig ver ndert sich die Zusammen setzung Die Viskosit t der Malzextraktl sung kann auch durch die Zugabe von Wasser reduziert werden Deshalb wurden Messungen mit verd nnten Malzextraktl sungen durchgef hrt
102. den Elektronenbeschuss zun chst evakuiert werden muss Die Proben die zu viel Fl ssigkeit enthalten oder die bei niedrigem Druck verfl ssigen oder verdampfen sind f r die Untersuchung ungeeignet Kathode Anode Elektro magnetische Linsen Blende Elektronenstrahl Ablenkspulen N Detektor Vakuumpumpe Abb 4 15 Schematischer Aufbau eines Rasterelektronenmikroskops F cker 2004 Untersuchungsmethoden 53 4 3 Chemische Analysen 4 3 1 Wassergehalt Der Wassergehalt des fl ssigen und des pulverf rmigen Malzextraktes ist ein wichtiges Qualit tskriterium Er ist direkt mit der Wasseraktivitat Aw Wert verbunden die wiederum mit der Lagerf higkeit und mikrobiologischen Belastbarkeit der Substanzen zusammenh ngt Mit der Kenntnis des Wassergehaltes des Ausgangs und Endproduktes kann die Massenbilanz der Trocknungsprozesse ermittelt werden Aus diesem Grund ist eine pr zise Bestimmung des Wasser gehaltes wichtig Einige Methoden zur Bestimmung des Feuchtegehaltes sind Trocknungsverfahren Kirk 1996 refraktometrische Verfahren DIN10752 1992 Matissek 2006 und chemische Verfahren Karl Fischer Titration Die Trocknungs verfahren im Vakuum sowie bei Umgebungsdruck sind f r Malzextrakt ungeeignet da bei Erhitzung die Maillard Reaktion stattfindet und das System chemische Ver nderungen erf hrt Auf diese Weise werden in der anschlie enden W gung Wasser Kohlendioxid und Aromastoffe ermittelt D
103. die Anzahl an Mischelementen im statischen Mischer eine gro e Rolle Kartoffelf rmige Partikel mit h herer Porosit t und breiter Partikelgr enverteilung wurden bei Abwesenheit von Mischelementen erhalten w hrend runde weniger por se Partikel mit einer engen Partikelgr enverteilung bei Einsatz von 10 Mischelementen erzielt wurden Eine hohe Anzahl an Misch elementen beg nstigt die Mischung von Malzextrakt und Kohlendioxid Dadurch wird die Durchmischung intensiver und mehr Wasser wird durch Kohlendioxid extrahiert Die Pulver werden trockener Auch durch h here spezifische Gasmengen werden niedrigere Restfeuchten erreicht Zusammenfassung 173 Um die Restfeuchte m glichst gering und die Sch ttdichte m glichst gro zu halten d rfen der Vorexpansionsdruck sowie die spezifische Gasmenge w hrend des Prozesses nicht zu hoch sein pv lt 100 bar und SGM lt 18 kg kg Dabei soll die Vorexpansionstemperatur ber 125 C liegen Die Bedingungen im Spr hturm die direkt von den Vorexpansionsbedingungen abh ngig sind spielen eine gro e Rolle f r die Partikeltrocknung Die relative Feuchte im Spr hturm soll unter 20 liegen damit trockene Malzpartikel lt 5 Gew erhalten werden Durch eine Massenbilanz f r den statischen Mischer wurde festgestellt dass der Entzug von Wasser aus dem Malzextrakt teilweise durch Extraktion mittels Kohlendioxid im statischen Mischer teilweise durch Verdampfung bei der Entspannung sowie durc
104. dingungen im Spr hturm herrschen m ssen um ein trockenes Produkt zu erhalten Die Kinetik des Sorptionsverhaltens in Abh ngigkeit der Partikelform bzw der Herstellungsverfahren wird zudem analysiert Die Sorptionsisotherme beschreibt die Wasseraufnahme eines Stoffes in Abh ngigkeit der Umgebungsluftfeuchte und stellt die Beziehung zwischen Wassergehalt und Wasseraktivit t bzw relativen Luftfeuchte bei einer bestimmten Temperatur her Mathlouthi 2003 Die Wasseraktivit t ist der Quotient aus dem Wasserdampfdruck ber einer Stoffprobe Lebensmittel p und dem Wasserdampf druck ber reinem Wasser po Aw p po das hei t die relative Erniedrigung des Dampfdruckes des gebundenen Wassers im Vergleich zum freien Wasser Bei Annahme dass sich Dampf wie ein ideales Gas verh lt ist die relative Luftfeuchte Untersuchungsmethoden 59 gleich der Wasseraktivitat Diese Annahme wurde von Gal 1972 bestatigt Es ist daher m glich die Dampfdruckabsenkung infolge gebundener Feuchte in der Probe durch die relative Luftfeuchte r F zu beschreiben Kessler 1996 Der Aw Wert ist ein Ma des Gehaltes an ungebundenem und locker gebundenem Wasser und bezeichnet die Verf gbarkeit von Wasser in Lebensmitteln Aus diesem Grund ist der A Vert eine wichtige Gr e f r die Haltbarkeit von Lebensmitteln Je mehr freies Wasser ein Lebensmittel enth lt umso schneller und leichter kann es verderben A Wert ca 1 Das freie verf gbare Wass
105. dium Praktika Beruf Master Studium Beruf 31 08 1980 03 1985 12 1996 03 1997 12 2002 08 1999 01 03 2000 01 2001 02 2001 02 2001 03 2001 09 2002 04 2003 03 2003 09 2005 10 2005 03 2007 04 2007 10 2007 ab 12 2007 Silvia del Pilar Gallegos L pez de Odvody Hu nuco Per verheiratet Privatschule Reina del Mundo Gymnasium La Molina Lima Per Ingenieurwissenschaften Lebensmitteltechnologie Universidad Nacional Agraria La Molina Lima Per Abschluss Ingeniero Ing Qualit tskontrolle chemische Analysen zur Bestimmung der Inhaltsstoffe von Lebensmittel La Molina Labor f r Qualit tssicherung Lima Qualit tskontrolle und Assistentin des Produktionsleiters Nudeln El Triunfo A G Callao Produktion und Qualit tskontrolle K se und Frischmilch Produkte Molkerei der Universidad Nacional Agraria La Molina Institution zur Vernetzung agrarwissenschaftlicher Forschung Fortbildung REDAR PERU Berufsbildung Wissenschaftliche Mitarbeiterin Dozentin Fakult t f r Lebensmitteltechnologie Universidad Nacional Agraria La Molina Lima Per Technologie und Biotechnologie der Lebensmittel Technische Universit t M nchen Master Thesis Influence of Emulsifiers on the Crystallization Kinetics of Chocolate Fat Systems Abschluss Master of Science M Sc Wissenschaftlerin Produktentwicklung Molkerei Abteilung Kraft Foods R amp D Inc M nchen W
106. dlichen relativen Luftfeuchten dargestellt Dabei ist zu sehen dass die relative Luftfeuchte fur die Lagerung bei Raumtemperatur h chstens 35 betragen darf damit sich der pulverige Zustand nicht ver ndert Oberhalb dieser relativen Feuchte ist das Pulver nicht mehr stabil und geht nach und nach in eine L sung ber 11 3 r F 32 7 r F 38 2 r F 43 r F 57 6 r F Abb 6 73 PGSS Pulver bei 25 C und verschiedenen relativen Luftfeuchten Da der Verlauf der Sorptionsisotherme des PGSS Pulvers mit der Isotherme des spr hgetrockneten Pulvers nahezu berein stimmt werden die PGSS Isothermen ab jetzt in der voliegenden Arbeit als Malzextraktpulverisothermen bezeichnet Abb 6 74 zeigt die zwei Isothermen der PGSS Pulver bei unterschiedlichen Temperaturen 25 C und 65 C Es zeigt sich dass der Endwassergehalt des Pulvers bei 65 C und einer relativen Luftfeuchte unter 60 etwas geringerer ist als bei 25 C Bei einer relativen Luftfeuchte ber 60 ist der Endwassergehalt bei 65 C h her als bei 25 C 160 Ergebnisse und Diskussion 55 m S 45 S 40 ii 2 ei RE 2 20 fo 5 GP 7 2 15 E 7 Le _ g 10 RT 5 grer 0 0 0 0 1 02 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Aw Sorption 25 C PGSS V42 Sorption 25 C PGSS V42 berechnet nach GAB Sorption 65 C PGSS V42 a Poly Sorption 65 C PGSS V42 y 233 3Aw 244 1Aw2 94 01Aw 6 774 Abb 6 74 Sorptionsisothermen
107. druck Braunungsgrad f Ty SGM ME VWZ py Die Vorexpansionstemperatur ist der Parameter der den gr ten Einfluss auf den Br unungsgrad hat s Abschnitt 6 2 Die SGM und die Anzahl der Mischelemente bestimmen die Mischg te in der Mischstrecke Dadurch wird der Br unungsgrad beeinflusst Die tats chliche Verweilzeit des Malzextraktes in der Mischstrecke ist unbekannt da eine genaue Messung der Volumenanteile von Malzextrakt und CO in der verwendeten Anlage nicht m glich ist Der Vorexpansionsdruck hat erwartungsgem nur einen untergeordneten Einfluss auf den Br unungsgrad s Abschnitt 6 2 2 Zur Untersuchung des Einflusses der Versuchsparameter auf den Br unungsgrad wurden vier Versuchsreihen 15 Versuche durchgef hrt Die Tab 6 16 stellt die Parameter dieser Versuchsreihen dar Tab 6 16 Gruppeneinteilung bei der Beschreibung der Ergebnisse f Anzahl an Druck PEINE ele SGM Mischelemente bar V40 V42 V47 V71 12 10 100 II V43 V44 V45 V46 V27 12 0 100 II V19 V20 V21 15 10 100 IV V8 V9 V15 24 0 0 5 150 Im Abschnitt 6 2 1 wurde die thermische Behandlung des Malzextraktes bei Umgebungsdruck analysiert und dabei festgestellt dass die Br unung mit Hilfe der Temperatur und der Verweilzeit gesteuert werden kann Au erdem wurden die Reaktionsgeschwindigkeiten der Maillard Reaktion bei verschiedenen Temperaturen bestimmt In den Versuchen wurden Farbver nderungen von 0 bis zu 29 EBC erreicht Wegen der s
108. ds nderung und verwandelt sich zu Pulver Die Partikel erreichen abh ngig von den eingestellten Parametern und der Substanz Gr en im Bereich von einigen Nano bis zu mehreren hundert Mikrometern Die wichtigsten Parameter des Verfahrens sind Vorexpansionsdruck und temperatur sowie die spezifische Gasmenge Kohlendioxid Massenstrom Malzextrakt Massenstrom Nach dem Verd sen sammelt sich das Pulver im Spr hturm oder es wird zusammen mit dem Gas abgesaugt und mittels eines Zyklons Z abgetrennt Das Gemisch aus Kohlendioxid und Wasserdampf wird ber ein Gebl se G abgesaugt und das Pulver in einem Beh lter gesammelt Der verwendete Spr hturm hat eine H he von 1m einen Durchmesser von 0 6 m und ist mit Armaflex thermisch isoliert Nach dem Eind sen des Malzextraktes in den Spr hturm bei der PGSS Trocknung bildet sich eine Kohlendioxidatmosph re die das verdampfte L sungsmittel Wasser enth lt Um eine gute Abtrennung des Losungsmittels aus der zu pulverisierenden Pulverisierungsanlagen 77 Substanz zu erreichen m ssen die Gaszusammensetzung die Temperatur und der Druck im Spr hturm kontrolliert werden Nur wenn Kohlendioxid und Wasserdampf ohne Kondensation gasf rmig abgezogen werden ist eine effektive Abtrennung m glich berschreitet dagegen der Zustandspunkt des Gasgemisches die Taulinie so beginnt die l sungsmittelreiche Fl ssigkeit zu kondensieren Eine R ck befeuchtung des Pulvers ist die Folge Abh ngig
109. e Arene Mercaptane Furane Furanone Pyranone und unter anderem Reduktone Die Maillard Reaktion f hrt schlie lich zu rotbraunen bis schwarzbraunen hoch molekularen Pigmenten 10000 bis 100000 Da den sogenannten Melanoidinen Diese Substanzen sind in Wasser und in S uren unl slich aber in stark alkalischen Medien l slich In den Vorstufen der Melanoidin Bildung bilden sich wasserl sliche niedermolekulare farbige Verbindungen die Pr melanoidine ber die Zusammen setzung und Struktur der Melanoidinen ist bisher noch wenig bekannt Diehl 2000 Abb 2 11 stellt die postulierte Struktur eines auf Kohlenhydraten basierten Melanoidins nach Kroh 2008 dar bei dem das 3 Desoxyoson der Maltose in einer Aldolkondensation miteinander reagiert und eine dreidimensionale Struktur des Melanoidins entsteht Se 3 Desoxyoson der Maltose Abb 2 11 Struktur des Melanoidins Kroh 2008 18 Theoretische Grundlagen Viele der oben genannten Verbindungen k nnen auch bei der Zucker Karamellisierung allerdings unter sehr viel extremeren Bedingungen entstehen siehe Abschnitt 2 2 2 Einfluss der Prozessparameter auf die Maillard Reaktion Die verschiedenen Prozess Variablen wie Temperatur pH Wert Feuchtigkeit Reaktionszeit Anwesenheit von lonen die Struktur der Zucker und die Konzentration der Reaktionspartner k nnen die Maillard Reaktion beeinflussen Von zentraler Bedeutung f r die Produktbildung sind Reaktionsdauer und Te
110. e der Br unungsreaktionen ist auf Enzyme wie Polyphenoloxidasen zur ckzuf hren die in Gegenwart von Sauerstoff Diphenole zu braunen Chinonen umsetzen Oxidation Solche Reaktionen sind bei der Br unung von frisch gesch lten pfeln Bananen Birnen Kartoffeln oder Salat festzustellen und in diesem Fall unerw nscht Im Gegensatz dazu ist die enzymatische Br unung z B bei der Fermentation von gr nem zu schwarzem Tee und Kakao erw nscht wo die dunkle Farbe und der Geschmack durch die Oxidation der urspr nglich enthaltenen Catechine entstehen W hrend der enzymatische Br unung werden keine oder nur wenige Geruchskomponenten gebildet Fennema 1993 Br unungsreaktionen ohne Mitwirkung von Enzymen sind die Karamellisierung und die Maillard Reaktion In beiden Reaktionen laufen unterschiedliche chemische Prozesse ab Die Br unung von Malzextrakt entsteht unterhalb von ca 160 C haupts chlich durch die Maillard Reaktion Um die Reaktionen bei der Br unung des Malzextraktes zu verstehen werden im Folgenden deren Mechanismen und Reaktionsvariablen dargestellt Ein kurzer berblick ber die Karamellisierung wird ebenfalls gegeben 12 Theoretische Grundlagen 2 2 1 Maillard Reaktion Die Maillard Reaktion wurde 1912 vom algero franzosischen Chemiker Louis Camille Maillard durch das Erhitzen eines Gemisches von D Glucose Zucker und Glycin Aminos ure gefunden W hrend des Verlaufes dieser Reaktion wird Kohlendioxid abgespal
111. ebenfalls ein Hinweis auf gel stes CO2 welches bei der Drucksenkung wieder freigesetzt wird Abb 6 6 Abb 6 6 Drucksenkung in der Zelle von 200 auf 1 bar bei 25 C Die quantitativen Phasengleichgewichtsuntersuchungen wurden bei vier Temperaturen unter verschiedenen Dr cken vorgenommen Tab 6 2 H here Temperaturen konnten wegen der Karamellisierung des Malzextraktes nicht 84 Ergebnisse und Diskussion untersucht werden Niedrigere Temperaturen sind fur die Pulverisierungsversuche nicht geeignet und daher nicht hilfreich Tab 6 2 Uberblick der quantitativen Phasengleichgewichtsuntersuchungen Isotherme C Druckbereich bar 60 50 300 80 50 300 100 50 300 120 50 300 Die in dieser Arbeit vermessenen L slichkeitskurven des Systems Malzextrakt CO2 sind in der Abb 6 7 dargestellt Vergleichend sind in dieser Abbildung Daten aus der Literatur des Systems Wasser CO bei hnlichen Bedingungen aufgef hrt F r alle vier vermessenen Isothermen stellt sich heraus dass sich keine vollst ndige Mischbarkeit zwischen Malzextrakt und Kohlendioxid und zwischen Wasser und Kohlendioxid im betrachteten Druck und Temperaturbereich ergibt Diese sogenannte offene Mischungsl cke wurde durch Beobachtungen in der Sichtzelle best tigt s oben Rechts in Abb 6 7 ist die Zusammensetzung der Gasphase und links die Zusammensetzung der Fl ssigphase zu sehen Das Photo in Abb 6 7 zeigt den Inhalt der Sichtzelle bei
112. edingungen experimentell eingegrenzt 100 90 _ 80 Oo 70 gt w 2 60 be E 50 gt Z S 40 N 30 20 gt 0 965 0 975 0 985 0 995 CO Massenanteil g CO g CO H20 10 r F 20 r F en 30 r F 100 r F erfolgreich erfolglos Abb 6 54 T x y Diagramm von Kohlendioxid und Wasser Die Spr hturmbedingungen spielen eine gro e Rolle f r den Erfolg eines PGSS Versuches Um zu berpr fen inwieweit die Spr hturmbedingungen die Trocknung beeinflussen wurden die theoretischen Wassergehalte der Malzextraktpulver unter Annahme einer reinen Extraktion des Wassers mittels CO im statischen Mischer berechnet Mithilfe der Phasengleichgewichtsuntersuchungen Abschnitt 6 1 1 ist bekannt wie viel Wasser sich vom Malzextrakt bei bestimmten Druck und Temperaturbedingungen in Kohlendioxid l sen kann Somit wurden die zugeh rigen Massenbilanzen bei 100 bar und 120 C f r verschiedene spezifische Gasmengen 138 Ergebnisse und Diskussion erstellt und die extrahierten Mengen Wasser kalkuliert Die Abb 6 55 stellt die berechneten Werte dar Es wurden verschiedene PGSS Trocknungsversuche die bei Verwendung von 10 Mischelementen 10mm 100 bar und bei ca 120 C durchgef hrt wurden ausgew hlt und deren Wassergehalt in Abh ngigkeit von der SGM im Diagramm erstellt Anhand des Diagramms sind die experimentellen Restwassergehalte der Pulver in allen F llen niedriger als die berechneten Restwasse
113. eilung Bindungsw rme universelle Gaskonstante spezifische Gasmenge Masse CO Masse Malzextrakt Temperatur Thiobarbiturs urezahl Volumen Verweilzeit Feuchtegehalt II Nomenklatur Symbol SI Einheit physikalische Gr e Das Viskositat m Mischelement Durchmesser Brechungsindex nm Wellenlange N m Verfestigungsspannung N m Druckfestigkeit N m Normalspannung Glas bergang Hauptwert eine Komponente kritisch Leerwert Mischung vor der D se Titriermittel Anfangswert Volumen Summenformeln CO Kohlendioxid CH OH Methanol H O Wasser I lod Mn Mangan N Stickstoff Oz Sauerstoff SO Schwefeldioxid RN Base Pyridin Abkurzungen BET Brunauer Emmett Teller Sorptionsisothermentyp BK bleibende Kompaktierung CPF Concentrated Powder Form DP Dosierpumpe DPPH 1 2 Diphenyl 2 picryIhydrazyl DSC Differential Scanning Calorimetry Differential Kalorimetrie EBC European Brewing Convention Europ ische Braukommission Nomenklatur Ill Abk rzungen EDV elektronische Datenverarbeitung Engl Englisch EP Eduktpumpe ESR Elektronenspinresonanz Spektrometer F Filter G Gebl se GAS Gas Anti Solvent GC Gaschromatographie Gew Gewichtsprozent GK geringe kompaktierung HMF 5 Hydroxymethylfurfural HPLC High Performance Liquid Chromatography HS SPME Headspace Solid phase microextraction Festphasenmikroextraktion IR Infrarot Spektroskopie KK keine Kompaktierung MAK
114. ein nat rlicher Bestandteil der Luft wo es in einer mittleren Konzentration von 0 038 Vol vorkommt Es wird durch die vollst ndige Oxidation von Kohlenstoff gebildet beispielsweise als Abgas von Verbrennungsprozessen als Produkt des menschlichen oder tierischen Stoffwechsels sowie als Produkt von G rprozessen in Brauereien entstehen auf jeden hl Bier 1 3 kg und auf jedes kg Alkohol 0 7 kg Kohlens ure Bei der pflanzlichen Photosynthese wird es mit Wasser und unter Freisetzung von Sauerstoff zu Kohlenhydraten umgesetzt Forst 1993 R mpp 2010 30 Eingesetzte Substanzen Tab 3 2 Wichtige Daten des Kohlendioxids Eigenschaften Chemische Formel Namen CAS Nummer Molekulargewicht Molares Normvolumen kritischer Punkt kritische Dichte Tripelpunkt Relative Dichte bei 15 C und 1 bar bezogen auf trockene Luft Brandverhalten CO Atombildung O C O Kohlendioxid Kohlenstoff IV oxid Dioxidkohlenstoff 124 38 9 44 011 kg kmol 22 263 m kmol 31 03 C bei 73 83 bar 466 kg m 56 57 C bei 5 18 bar 1 528 Feuerloschmittel Farbe im Gaszustand farblos Geruch geruchlos Geschmack neutral MAK Wert AGW Wert 0 5 Vol maximale Arbeitskonzentration Kohlendioxid als Gas ist farblos geruchs und geschmacksneutral und deshalb mit den menschlichen Sinnesorganen praktisch nicht wahrnehmbar Es gilt als nicht giftig und ist kein Gefahrenstoff im Sinne der Gefahrenstoffverordnung Bei Konzen tra
115. eine starke antioxidative Aktivit t festgestellt Au erdem hat Lee 1998 die Bildung von Melanoidinen mit antioxidativer und mutagener Aktivit t in Sojabohnen und hydrolysierter St rke optimiert Die Beziehung zwischen antioxidative Aktivit t und Farbe oder Menge an MRP Reduktonen Pr melanoidinen Melanoidinen usw im pulverisierten Malzextrakt ist linear R 90 150 Ergebnisse und Diskussion 6 4 12 Zusammenfassung der PGSS Trocknungsergebnisse Tab 6 19 zeigt den Uberblick Uber die Pulvereigenschaften der nach dem PGSS Verfahren hergestellten Malzextraktpulver Die Abb 6 64 stellt ein reprasentatives Foto der PGSS Pulver dar Tab 6 19 Eigenschaften der hergestellten PGSS Pulver Pulvereigenschaften Max Min Restfeuchtegehalt Gew 0 05 5 9 3 1 Farbveranderung EBC 0 4 28 7 0 Eiwei gehalt Gew 0 2 6 3 5 5 pH 0 1 5 4 5 Glas bergangstemperatur C 0 5 55 9 30 Flie f higkeit 0 2 2 6 sehr kohasiv 1 4 koh siv Sch ttdichte kg m 5 267 70 R tteldichte kg m 10 403 176 Partikelgr e da um 1 314 11 Partikelgr e Verteilungsbreite span 22 7 2 4 Kompaktierungsverhalten 1 Woche bleibende K keine K Feuchteaufnahmekapazit t g H2O 100g TS 0 5 10 5 8 Abb 6 64 Foto eines PGSS Pulvers V16 Die Abb 6 65 gibt einen berblick der Flie f higkeit der PGSS Pulver Sie sind durch stark koh sive Kr fte charakterisiert Auch ge nderte Spr hversuchs parameter
116. eispielsweise Proteinen Lipiden Impfstoffen Vitaminen Hormonen oder Mikroorganismen B chi 2010 Neben dem Trocknen kann auch mittels des Spr htrocknungsverfahrens eine Partikelbeschichtung oder Verkapselung von fl ssigen oder festen Stoffen in Polymeren erzielt werden Heutzutage werden im Laborma stab mit Hilfe dieses Verfahrens Produkte wie inhalierbare Pulvermedikamente gegen Asthma Nanopartikel Suspensionen f r Brennstoffzellen Naturprodukte f r die traditionelle chinesische Medizin und funktionelle Lebensmittelzus tze Nanofood produziert Mikroverkapselung und Maskierung von D ften und Aromastoffen sowie gezielte Freisetzung von Wirkstoffen aus bioabbaubaren Polymerpartikeln werden auch mittels Spr htrocknung erstrebt B chi 2010 Theoretische Grundlagen 9 2 1 2 PGSS Trocknungsverfahren Das PGSS Trocknungsverfahren Particles from Gas Saturated Solutions ist ein Hochdruckspruhverfahren welches sich zur direkten Erzeugung von Pulvern aus L sungen bei gleichzeitiger L sungsmittelabtrennung und Pulverisierung eignet Mit diesem Verfahren ist es m glich eine schonende Trocknung und Pulverisierung von Substanzen zu erzielen Substanzen wie Extrakt aus gr nem Tee Meterc 2008 und schwarzem Tee wurden erfolgreich mit diesem Verfahren getrocknet Die zu pulverisierende Fl ssigkeit Edukt wird beim PGSS Trocknungsverfahren unter hohem Druck mit verdichtetem Kohlendioxid vermischt und diese Mischung anschlie e
117. en die Charakterisierung des Sorptionsverhaltens die Glas bergangs temperaturmessungen und die Analyse der thermischen Behandlung von Malzextrakt Die Analysen unter hohem Druck bis 300 bar dienen dazu das Verhalten von Reinstoffen bzw Stoffgemischen Malzextrakt in Gegenwart von Kohlendioxid in Abh ngigkeit von Druck und Temperatur zu untersuchen In der vorliegenden Arbeit werden die Phasengleichgewichte qualitativ und quantitativ ermittelt sowie die dynamische Viskosit t und die Dichte der ges ttigten L sung untersucht Diese Stoffdaten sind die Grundlage f r das Verst ndnis des PGGS Trocknungsverfahrens Die Untersuchungen dienen dazu den fl ssigen Malzextrakt Rohstoff sowie die Eigenschaften der hergestellten Pulver zu charakterisieren Mit den Analysen der thermischen Behandlung von Malzextrakt unter Atmosph rendruck wird die Reaktionsgeschwindigkeit der Maillard Reaktion anhand des Br unungsgrades bei verschiedenen Temperaturen ermittelt Die Analysen der thermischen Behandlung von Malzextrakt in Gegenwart von verdichteten Gasen Kohlendioxid und Stickstoff dienen dazu den Einfluss des Druckes bzw des Kohlendioxids auf die Maillard Reaktion w hrend des PGSS Trocknungsverfahren zu bestimmen Die Charak terisierung des Sorptionsverhaltens und die Messungen der Glas bergangs temperatur von Malzextraktpulver sind essentielle Analysen um die Lagerungs bedingungen des Malzextraktpulvers zu bestimmen und um das Verhalten und
118. en im statischen Mischer und die Lage der Mischungsl cke vorhersagen zu k nnen Fur die qualitativen Phasengleichgewichtsuntersuchungen wurden sieben Isothermen unter verschiedenen Dr cken beobachtet Tab 6 1 zeigt die Versuchsbedingungen und die Temperaturen mit den zugeh rigen Druckbereichen Bei der 25 C Isotherme wurde ein Dreiphasengebiet bei 61 bar beobachtet Da die Temperatur und Druckbedingungen im kritischen Bereich bzw unterhalb des kritischen Punktes von COd2 Tki 31 1 C Da 73 8 bar liegen ist CO2 hier sowohl als gasf rmige als auch als fl ssige Phase vorhanden Zus tzlich erkennt man die fl ssige Malzextraktphase das fl ssige CO2 milchig mischt sich mit dem Malz extrakt braun nicht Tab 6 1 berblick der qualitativen Phasengleichgewichtsuntersuchungen Isotherme C Druckbereich bar 25 1 200 40 1 200 60 1 200 80 1 300 100 1 200 120 1 300 160 1 100 Abb 6 1 Dreiphasengebiet bei 25 C und 61 bar gasf rmiges CO fl ssiges CO Malzextrakt Bei den Isothermen von 40 und 60 C wurden im gesamten betrachteten Druck bereich zwei Phasen eine fl ssige Malzextraktphase und eine gasformige berkritische Phase die im Wesentlichen aus Kohlendioxid besteht In den Untersuchungen zeigte sich dass der eingesetzte Malzextrakt in Gegenwart von Ergebnisse und Diskussion 81 Kohlendioxid beim Ruhren einen sehr stabilen Schaum bildet Die Abb 6 3 zeigt Bilder des Schaumes
119. en sind die Bereiche Backwaren Instantsuppen saucen und Getr nke In der Backwarenindustrie wird eine weitere Eigenschaft der Malzextrakte genutzt Malzeigene Zucker k nnen die Bindung das Backvolumen und die Kr melstruktur f rdern So kann z B die Backfeuchtigkeit erh ht werden die zu einer weichen Backkrume und einer l ngeren Frischhaltung f hrt In Instantprodukten wird die geschmackstabilisierende und f rbende Wirkung sowie die Verbesserung der Vollmundigkeit genutzt Die blichen Einsatzmengen liegen in der Regel zwischen 0 5 und 5 Ireks Arkady 1991 Weissheimer 1991 Sektkellerei Schlo Wachenheim 2005 und Stamag 2004 Khalil 2000 testete den Einfluss der Zugabe von 1 Malzextrakt in Weizen Cassava Backgemischen und stellte eine Verbesserung der a Amylase Aktivit t und der rheologischen Eigenschaften wie Knetstabilit t fest 3 2 Kohlendioxid 3 2 1 Eigenschaften und Herstellung Das Wort Kohlens ure ist eine bersetzung des franz sischen Wortes acide carbonique Der Name stammt vom franz sischen Physiker Lavoisier Er entdeckte 1780 dass dieses Gas aus einem Teil Kohlenstoff und zwei Teilen Sauerstoff CO2 besteht Krinninger 1996 Kohlendioxid auch Kohlenstoffdioxid oder in gel ster Form Kohlens ure genannt ist unter Atmosph renbedingungen ein farbloses geruchs und geschmacksneutrales nicht brennbares Gas Kohlendioxid z hlt zu den wichtigsten Substanzen der belebten Natur und ist
120. enstrom Zur Untersuchung des Einflusses der SGM werden drei Versuchsreihen V5 V12 V36 51 V47 V48 verglichen Aus Abb 6 42 ist zu entnehmen dass die SGM einen besonders gro en Einfluss auf den Restfeuchtegehalt des Pulvers hat Eine spezifisch gr ere Menge an Kohlendioxid kann unter den Hochdruckbedingungen im statischen Mischer mehr Wasser aufnehmen Folglich ist der Restfeuchtegehalt des Pulvers dabei geringer Dar berhinaus beeinflusst die SGM die Br unung Dies ist in der Abb 6 43 zu erkennen Eine Erh hung der SGM bewirkt eine gr ere Ver nderung des Farb wertes st rkere Br unung Diese Beobachtung kann m glicherweise auf die nderung der Phasengrenzfl che zwischen Malzextrakt und CO zur ckgef hrt werden Bei h herer SGM wird die Kontaktfl che Durchmischung zwischen den Fluiden gr er infolge gr erer Scherkr fte in der Zweiphasenstr mung Zus tzlich ist bei Verwendung von h heren SGM eine h here Menge an Energie verf gbar um den Malzextrakt auf die Vorexpansionstemperatur zu erw rmen Somit wird eine schnellere Erw rmung der Malzextrakt in der 100 mm langen Mischstrecke geschehen und dadurch verweilt der Malzextrakt l ngere Zeit bei der Vorexpansions temperatur Eine st rkere Br unung wird dadurch erzielt Es ist wichtig zu erw hnen Ergebnisse und Diskussion 127 dass w hrend der Versuche die Temperaturen von CO2 und Malzextrakt vor der Mischstrecke sehr unterschiedlich waren diese be
121. entell bestimmt Mit diesen Kenntnissen wird die Erhitzungszeit und Temperatur festgelegt bei denen der Malzextrakt w hrend der Spr hversuche im Eduktbeh lter verweilen kann ohne eine nennenswerte Farbver nderung 5 zu erfahren Daraufhin werden quivalente Verweilzeiten im statischen Mischer im Abschnitt 6 4 11 anhand der Farb nderung definiert Die thermischen Behandlungen von Malzextrakt wurden nach dem im Abschnitt 4 6 1 beschriebenen Vorgehen mit dem in Tab 6 4 vorgegebenen Versuchsparametern durchgef hrt Tab 6 4 Versuchsparameter der thermischen Behandlung von Malzextrakt beobachtete Parameter Wert Variable Temperatur C 60 80 90 Farbe EBC Verweilzeit min 0 30 60 90 120 Nach der thermischen Behandlung wurde der Farbwert gemessen und anschlie end die Unterschiede zwischen den Behandlungen statistisch bewertet Die Abb 6 12 zeigt die Ergebnisse der Messreihen den Farbwert in Abhangigkeit der Temperatur und der Verweilzeit Fur jede untersuchte Temperatur ist die Beziehung zwischen Farbwert und Zeit bis 120 min linear R gt 0 993 Die Steigung der Geraden der einzelnen Messreihen ist dabei umso gr er je h her die Erhitzungstemperatur gew hlt wird Wie in Abb 6 12 zu erkennen ist ist f r jede untersuchte Temperatur die Beziehung zwischen Farbwert und Zeit linear Kinetik O ter Ordnung und l sst sich durch die Gl 9 beschreiben F EBC t min km Fo k n EBC min Fo EBC Gl
122. er Freising Weihenstephan Khalil A et al 2000 Influence of malt on rheological and baking properties of wheat cassava composite flours Lebensmittel Wissenschaft und Technologie 33 159 164 Kilzer A 2003 Herstellung von Feinpulvern aus hochviskosen Polymerschmelzen mit Hochdruckspr hverfahren Bochum Univ Diss erschienen 2004 Kirk R Sawyer R Egan H 1996 Analisis de los Alimentos de Pearson 2da Edicion Mexico Krinninger K D 1996 Kohlendioxid Kohlens ure CO2 Herstellung Verteilung Anwendung Verl Moderne Industrie Landsberg Lech Die Bibliothek der Technik 126 Kroh L 1994 Caramelisation in food and beverages Food Chemistry 51 373 379 Kroh L 2008 Maillard Reaktion Melanoidine TU Berlin Institut f r Lebensmittel technologie und Lebensmittelchemie URL http www Imce tu berlin de id 39648 Stand 10 10 2010 Kr ll K 1978 Trockner und Trocknungsverfahren 2 neubearb Auflage Springer Verlag Berlin u a Kukova E 2003 Phasenverhalten und Transporteigenschaften bin rer Systeme aus hochviskosen Polyethylenglykolen mit Kohlendioxid Bochum Univ Diss Labuza T Kaanane A Chen J 1985 Effect of temperature on the moisture sorption isotherms and water activity shift of two dehydrated food Journal Food Science 50 2 385 391 Leal O et al 1995 Reversible adsorption of carbon dioxide on amine surface bonded norganica Chimic
123. er Br unen ist mit erheblichen Aminos ure Verlusten zu rechnen Dies gilt in besonderem Ma e f r die Hitzesterilisierung von Milch und anderer Lebensmitteln Schon bei der Lagerung von Trockenei Trockenmilch Sojamehl oder Fischmehl kann durch die Maillard Reaktion ein Verlust von bis zu 20 an Aminos uren eintreten Angrick 1980 Die starke antioxidative und antimutagene Wirkung der w hrend der Maillard Reaktion gebildeten Melanoidine wurde von zahlreichen Autoren nachgewiesen Lee 1998 Manzocco 2001 Baltes 2000 f hrt eine antioxidative und bakterizide Wirkung auf die Melanoidine zur ck So sch tzt beispielsweise die braune Brotkruste das Brot weitgehend vor Schimmelbefall Melanoidine enthalten wahrscheinlich Stickstoff Radikale Manzocco 2001 erw hnt in seiner Ver ffentlichung die durch zahlreiche Autoren bewiesene Existenz einer positiven Korrelation linear oder etwas komplexer zwischen der Br unung Farb nderung und der antioxidativen Kapazit t der MRPs Maillard Reaction Products Die thermische Behandlung sorgt daf r dass die gebildeten antioxidativen Komponenten wie Polyphenole oxidiert werden k nnen Theoretische Grundlagen 21 Die Beobachtungen von Manzocco zeigen dass die teilweise oxidierten Polyphenole eine h here antioxidative Kapazit t als die nicht oxidierten Phenole aufweisen Unter den zahlreichen Maillardprodukten befinden sich auch unerw nschte Substanzen Sugimura 1985 hat muta
124. er die Konzentration von Trockensubstanz Brix ist umso dunkler ist die Farbe h here Absorption Die Abb 4 10 zeigt die Kalibrierungsgerade f r verschiedene Brix nach unterschiedlicher Zeit innerhalb von 2 Jahren Dabei ist die Br unung bei 7 C w hrend der Lagerung des Malzextraktes zu erkennen In der vorliegenden Arbeit wird oft ber Farbver nderung oder Br unungsgrad gesprochen Damit ist der Unterschied der Farbe des Malzextraktes vor und nach der Behandlung gemeint Die Farbe des fl ssigen Malzextrakts wurde vor jedem Versuch einzeln bestimmt da es Unterschiede in der Farbe zwischen Kanistern derselben Charge gab Untersuchungsmethoden 47 40 Charge Okt 07 35 Jan 08 es Woe ge 30 e Jan 09 Mor gf Jul 09 Zei Co O 25 ul Pig ca WW E E bk d 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 0 5 10 15 20 25 Brix Lagerungsdauer Monat Abb 4 10 Farbgerade f r verschiedene Verd nnungen im Malzextrakt abh ngig von der Lagerdauer links Farb nderung bei 13 B in Abh ngigkeit der Lagerdauer 4 2 4 Sch tt und R tteldichte Die Sch ttdichte der hergestellten Pulver wird nach DIN ISO 697 1984 ermittelt Die Vorgehensweise zur Bestimmung der Sch ttdichte ist in dieser Norm und bei Pollak 2009 ausf hrlich beschrieben Die R tteldichte wird mit Hilfe eines Messzylinders ermittelt Eine bestimmte Menge an Pulverprobe ca 50 ml wird in einen vortarierten Messzylinder mit Hilfe eines Trichters
125. er ist fur das Wachstum bzw den Stoffwechsel von Mikroorganismen sowie f r viele Enzyme die Reaktionen katalysieren von entscheidender Bedeutung Fennema 1993 Wasser auf der Oberfl che eines Stoffs ist physikalisch oder chemisch gebunden Adsorbiertes Wasser kann in monomolekularer Schicht oder als Multischicht vorliegen F nf Typen von Isothermen sind bei Brunauer 1940 beschrieben Abb 4 21 H 0 H 0 H 0 Aw _ nn nn m m m m me H 0 H 0 Aw Aw i i i h i i I i i i i 1 1 0 0 Abb 4 21 Die funf Typen von Isothermen nach BET 1938 Der Typ 1 ist als Langmuir Isotherme bekannt Dabei handelt es sich um eine Gasadsorption in monomolekularer Schicht im begrenzten Volumen von Leerraumen eines por sen Stoffs Typ 2 ist die Sigmoid Isotherme welche in der Regel von l slichen Stoffen gezeigt wird und eine asymptotische Tendenz hat bei der der Aw Wert gegen 1 geht Typ 3 ist die Flory Huggins Isotherme welche z B die Adsorption eines Solvents oder eines Weichmachers wie Glycerin beschreibt Die Isotherme nach Typ 4 beschreibt die Adsorption eines quellbaren hydrophilen Stoffs welcher bis zu einem Maximum hydratisiert wird Typ 5 wird als das B E T Brunauer 1938 oder Mehrschicht Adsorptionsisotherme benannt Ein bekanntes 60 Untersuchungsmethoden mathematisches Model welches die Sorptionsisothermen interpretiert ist das von Brunauer Emmett und Teller Brunauer 1938 Die
126. erden die Sorptions und Desorptionsmessungen sowie die Glas bergangstemperaturmessungen der erzeugten Malzextraktpulver erl utert Auf diesen Grundlagen werden die geeigneten Lagerungsbedingungen relative Luftfeuchte und Temperatur f r eine gute Haltbarkeit des Pulvers und der Arbeitsbereich f r die Spr htrocknung anhand der Glas bergangstemperatur definiert Die Ergebnisse beider Spr hverfahren werden zusammenfassend dargestellt 2 Theoretische Grundlagen 2 1 Trocknungsverfahren Das Trocknen ist eine der altesten Konservierungsmethoden in der Lebensmittel technik Es wurde schon vor Jahrtausenden zur Haltbarmachung und Bevorratung von Obst Gem se Fleisch und Fisch eingesetzt Trocknung wird als das Entfernen von Wasser oder L sungsmitteln aus feuchten Feststoffen Pasten Emulsionen oder L sungen definiert Ziel der Trocknung ist es ein Produkt zu erhalten das m glichst lange haltbar ist und das w hrend der Lagerzeit m glichst keine wertmindernde Ver nderungen erf hrt Das Produkt soll sich m glichst leicht mit Wasser rekonstruieren lassen und die Eigenschaften des Ausgangsproduktes m glichst vollst ndig annehmen Kessler 1996 Durch den Entzug von Feuchte werden viele G ter haltbar verwendbar und brauchbar bekommen ein besseres Aussehen einen h heren Wert werden leichter und dichter und sind dadurch vorteilhafter zu dosieren und transportieren Die verschiedenen Trocknungsmechanismen k nnen in drei gro e Gru
127. ereitet Die Konzentration an l slichen Feststoffen berwiegend Zucker wird mit Hilfe eines Refraktometers berpr ft Danach werden die D se und der Produktbeh lter eingebaut Das Gebl se G und die Heizung W werden in Betrieb genommen und die Trocknungsluft in die Kammer geblasen Dann wird die Kammer ST bis zu der gew nschten Temperatur erhitzt Anschlie end wird der Spr hluftdruck eingestellt und die Peristaltikpumpe angeschaltet Das Edukt wird zu der D se gef rdert und mit Hilfe der Druckluft in die Kammer gespr ht Die station ren Trocknungsbedingungen konstante Ausgangstemperatur sind nach 2 Minuten erreicht Ein Versuch dauerte in der Regel mindestens 20 Minuten Zum Versuchsende werden die Eduktpumpe dann die Spr hdruckluft und zuletzt das Gebl se ausgeschaltet Das Produkt wird von dem Produktbeh lter genommen und in wasserdichten Folien kalt verpackt Der Schichtaufbau der Folien besteht aus den Materialien PA HV PE die eine Gesamt st rke von 90 um und eine Wasserdampfdurchlassigkeit von 2 6 g m Tag bar aufweisen Zum Abschluss wird die D se mit Wasser gesp lt und die Anlage mit Hilfe eines Hochdruckreinigers gereinigt Das verpackte Pulver wurde bei 23 2 C und bei 45 5 relativer Luftfeuchte gelagert und sp testens sieben Tage nach der Herstellung mit Hilfe der im Abschnitt 4 2 beschriebenen Untersuchungen charakterisiert 74 Pulverisierungsanlagen 5 2 PGSS Hochdruckspruhanlage 5 2 1 Versuc
128. eringer wird da das Volumen in der Mischstrecke verringert wird und eine geringere Br unung erhalten wird Au erdem ergeben sich bei der Verwendung von Mischelementen eine bessere Durchmischung in radialer Richtung und dadurch eine homogenere Temperaturverteilung Der Mischerblock wird mittels elektrischer Heizst be beheizt Dadurch k nnen lokal Wandtemperaturen auftreten die je nach Kontaktzeit mit dem Produkt den Br unungsgrad beeinflussen Zusammenfassend ist festzustellen dass der Br unungsgrad vom Temperatur und Str mungsprofil abh ngt Eine gute Quervermischung wie sie bei 10 ME vorliegt baut Temperaturspitzen ab wodurch die Br unung reduziert wird Bei weniger guter Quervermischung 5 ME scheinen noch Spitzen vorzuliegen die m glicherweise gr er sind als bei 0 ME Dieser Effekt wird aber noch nicht vollst ndig verstanden d h es ist unklar warum die Verwendung von f nf Mischelementen teilweise zu 124 Ergebnisse und Diskussion einem h heren Br unungsgrad f hrt Der Effekt der Mischelemente und der spezifischen Gasmenge auf den Br unungsgrad wird im Abschnitt 6 4 8 ausf hrlicher analysiert 4 0 35 5 m 3 0 u o 2 5 S 5 20 A 5 1 5 e 10 u 05 0 0 O 1 2 3 4 5 6 7 8 9410 Anzahl der Mischelemente V54 V57 pv 100 bar Tv 145 C SGM 18 V27 V28 V26 pv 125 bar Tv 135 C SGM 10 V45 V50 V47 pv 100 bar Tv 133 C SGM 12 Abb 6 38 Einfluss der Anzahl der Mischelemente
129. ers 1991 Bei dem Prozess der Spr htrocknung Abb 2 1 wird zuerst das Feuchtgut Edukt durch eine Pumpe PE ber einen Zerst uber ZT in eine Trockenkammer ST gespr ht Das Verspr hen der L sung oder der Suspension kann entweder durch D sen oder durch rotierende Scheiben erfolgen Bei den D sen unterscheidet man zwischen Einstoffd sen Druckd sen und Zweistoffdusen pneumatische D sen Bei den rotierenden Scheiben existieren flache Teller D senr der Schaufelr der und andere Ausf hrungsformen Die Scheibenzerst uber werden bevorzugt f r Suspensionen und hochviskose Substanzen verwendet da D sen leicht korrodieren oder verstopfen k nnen Gnielinski 1993 F r mittelviskose Fl ssigkeiten sind Zweistoffdusen geeignet In der Zweistoffduse wird die Fl ssigkeit mit einem weiteren Stoff wie Luft oder Dampf bei 1 bis 3 bar vermengt und in Spr hnebel verwandelt Bei der Verd sung bildet sich ein Spr hkegel mit einem ffnungswinkel von 20 bis zu 40 Der Spr hkegel kann je nach D senform voll oder hohl sein Bei einem Luftbedarf von 0 2 bis 0 5 kg Druckluft pro kg Fl ssigkeit k nnen pro D se bis zu 1000 kg h Produkt durchgesetzt werden Die Tropfengr e wird von der Fl ssigkeitscharakteristik vom Luft und Produktdurchsatz und von Luftdruckt bestimmt Der erzeugte Tropfendurchmesser liegt in der Regel zwischen 3 und 250 um Kessler 1996 Nach dem Zerst uben des feuchten Gutes kommt die fein verspr hte Substan
130. fentemperatur Einlauf des Schutzgases OnahWNDN A Abb 4 26 Schematische Darstellung des DSC Beim Ablauf des Experiments werden beide Zellen mit der gleichen konstanten Heizrate dT dt erw rmt Zum Erwarmen der Probe wird jedoch ein h herer Warmestrom benotigt als zur Referenzprobe Daher zeigt das DSC einen konstanten Warmestromunterschied an Beim Erreichen des Glasuberganges steigt die Warme kapazitat des zu messenden Stoffes an und damit auch der Warmestrom Abb 4 27 Untersuchungsmethoden 65 exo Tgi Anfangstemperatur des Glas bergangs Tge Endtemperatur des Glas bergangs Tg Glas bergangstemperatur Tge Tgi Temperaturbereich des Glas bergangs ACp nderung der Cp proportional zur H he der Stufe W rmestrom mW Temperatur C Abb 4 27 Charakteristischer Verlauf des DSC W rmestroms beim Glas bergang H hne 2003 Als Zellen werden 30 ul Einweg Aluminiumtiegel verwendet Zur Vermeidung von Reaktionen innerhalb der DSC Messzelle findet die Sp lung des Probenraums mit Inertgas Stickstoff statt Setaram 2008 Vor jeder Messung ist man aufgefordert ein Temperaturprofil f r die zu untersuchende Probe aufzustellen Das Temperatur profil beinhaltet die Starttemperatur die Heiz und K hlrate die L nge der Haltezeit bei entsprechenden Temperaturen sowie die Endtemperatur Gem Literatur angaben ist bei der DSC Messung als Start und Endtemperatur die Temperatur zu w hlen die ca
131. g 4 4 2 Desorptionsisothermen Die Desorptionsisothermen werden nach dem gleichen Prinzip wie die Sorptions isothermen ermittelt Der Unterschied bei der Bestimmung der Desorptions isothermen liegt darin dass die Proben im ersten Schritt der h chsten relativen Luftfeuchte ausgesetzt werden und daraufhin die relative Luftfeuchte stufenweise verringert wird 4 4 3 Sorptionskinetik Um die Kinetik des Sorptionsvorganges zu bewerten wird die Wasseraufnahme geschwindigkeit bei Lagerung des Pulvers im Klimaschrank bei 30 C und 45 relativer Luftfeuchte bestimmt F r die Versuche wird ein Klimaschrank der Firma Memmert mit 50 Litern Kapazit t verwendet In einer Schale werden 5g des Pulvers gewogen Daraufhin wird das Gewicht wiederholt innerhalb der ersten Stunde alle 15 min und anschlie end nach 2 3 4 24 48 72 h bestimmt bis ein konstantes Gewicht erreicht ist Die Gewichtszunahme erfolgt durch das Wasser welches das Pulver unter den eingestellten Klima bedingungen aus der Umgebungsluft aufnimmt Untersuchungsmethoden 63 4 5 Bestimmung der Glasubergangstemperatur der Produktpulver Viele pulverf rmigen Lebensmittel haben die Tendenz bei falschen Lager bedingungen und Temperaturen an Qualit t und Stabilit t zu verlieren Stoffe die in teilkristallinem oder amorphem in hartem oder spr dem Zustand vorliegen k nnen in einen gummiartigen Zustand bergehen und dabei verklumpen oder ihre Textur negativ ver ndern D
132. g von Malzextrakt Pers nliche Mitteilung Abteilung Qualit tssicherung Firma Weyermann Bamberg Rischbieter E Schumpe A 1996 Gas solubilities in aqueous solutions of organic substances Journal of Chemical Engineering Data 41 4 809 812 R mpp 2010 Kohlendioxid R mpp Online Enzyklopedie Thieme Verlag Stuttgart URL http www roempp com Stand 15 06 2010 182 Quellenverzeichnis Santanu B Shivhare U S Mujumdar A S 2006 Models for sorption isotherms for foods A review Drying Technology 24 8 917 930 Schoffski K 2000 Die Wasserbestimmung mit Karl Fischer Titration Chemie in unserer Zeit 34 3 170 175 Schramm G 2002 Thermo Haake Rheologie Einf hrung in Rheologie und Rheometrie Thermo Haake GmbH Karlsruhe Schulze D 2006 Pulver und Sch ttg ter Flie eigenschaften und Handhabung Springer Verlag Berlin u a Schurz L 1972 Viskosit tsmessungen an Hochpolymeren Berliner Union Verlag Stuttgart u a Sektkellerei Schlo Wachenheim 2005 G rungsgetr nk Patentnr DE 202004020329U1 07 04 2005 Deutschland Sengespeik A 2008 Spr htrocknung Pers nliche Mitteilung Gesch ftsfeld Spezialwerkstoffe Fraunhofer UMSICHT Setaram 2008 Setaram Instrumentation Bedienungsanleitung DSC 131 Evo Putting into Service Applications Severini C 2002 Effect of high pressure on olive oil oxidation and the Maillard Reaction in model and foods s
133. gen sind das Resultat der verschiedenen Trocknungsmethoden Abb 6 71 Abb 6 71 REM Aufnahmen eines mit dem PGSS Verfahren hergestellten Pulvers links und eines durch Spr htrocknung hergestellten Pulvers rechts Zus tzlich wurde die Sorptionskinetik beider Pulver bei 30 C und 45 r F ermittelt Das PGSS Pulver erreichte nach drei Stunden das Gleichgewicht w hrend das spr hgetrocknete Pulver mindestens vierundzwanzig Stunden daf r gebraucht hat Abb 6 72 12 10 PGSS V42 Spruhtrocknung V8 eons y 4 9 4 1 e4 9 93 t 2 1 e4 0 44 t y 3 4 3 7 1 eX 0 56 t 2 2 1 e 0 09 t Gutsfeuchte y g H 0 100 g TS oOo 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Zeit t h Abb 6 72 Sorptionskinetik von Malzextraktpulvern in Luft bei 30 C 45 r F Das PGSS getrocknete Pulver weist zahlreiche Poren auf die zu einer gr eren Oberfl che f hren auf der sich mehr Wasser mittels Wasserstoffbr cken an die Hydroxylgruppen der Kohlenhydrate binden kann Im Gegensatz dazu hat das Ergebnisse und Diskussion 159 spruhgetrocknete Pulver eine glatte Oberflache Die schnelle Trocknung mittels Spruhtrocknung verursacht das Schrumpfen der Oberflache Nach Miao 2004 k nnen sich dadurch mehr Wasserstoffbr cken zwischen den Molek len der Kohlen hydrate bilden was dazu f hrt dass weniger Sorptionsstellen f r Wasser frei sind In Abb 6 73 sind die verschiedenen Zustande des Pulvers bei unterschie
134. gene und carcinogene Komponente beim Kochen von Fleisch und Fisch nachgewiesen Led 1990 erw hnt die mutagene und zum Teil cancerogene Wirkung der Nitrosamine In Kartoffel und Getreideprodukten wurde die Bildung von Acrylamid aus der Aminos ure Asparagin gefunden Von besonderem Interesse ist die gebildete Menge an Hydroxymethylfurfural HMF und deren biologische Wirksamkeit HMF hat sich nicht nur in mehreren in vivo Systemen als mutagen erwiesen sondern stellte sich auch unter in vivo Bedingungen als Tumorinitiator und promotor im Dickdarm von Ratten und M usen heraus Die gentoxische Wirkung kommt nicht von HMF selbst sondern ist auf das im Tierk rper entstandenen 5 Sulfooxymethylfurfural zur ckzuf hren Diehl 2000 Die erw hnten mutagenen Wirkungen wurden bei der Pr fung von isolierten Produkten wie dem HMF beobachtet Wurde dagegen der Gesamtkomplex der aus Zuckern und Aminos uren entstandenen Maillardprodukte eingesetzt fand man entweder keine oder eine viel schw chere mutagene Wirkung als nach dem Gehalt an HMF und anderen Mutagenen zu erwarten war Ursache daf r sind antimutagen wirksame Substanzen die bei der Br unungsreaktion ebenfalls entstehen Dabei handelt es sich vermutlich vor allem um die antioxidativen Reduktone die in der Bierbrauerei seit langem als stabilisierend wirkende Maillardprodukte bekannt sind Nach dem heutigen Stand des Wissens berwiegt in der klassischen Maillard Reaktion in erhitzten Lebensm
135. genit t in der Endmischung wichtig Die sensorischen Eigenschaften wie Farbe Br unungsgrad Geschmack und Aroma von Malzextrakten sind auf die Maillard Reaktion zur ckzuf hren Diese Reaktion findet zwischen Zucker und Proteinen statt und verl uft bei Raumtemperatur langsam bei h heren Temperaturen schnell Abh ngig vom Produkteinsatz variieren der gew nschte Br unungsgrad und die Intensit t an Geschmack und Aroma Um einen ma geschneiderten Malzextrakt herzustellen m ssen die bereits genannten Eigenschaften dem Verwendungszweck angepasst werden In der vorliegenden Arbeit werden zwei Spr hverfahren das PGSS Trocknungsverfahren ein Hochdruckspr hverfahren und das konventionelle Spr htrocknungsverfahren zur 2 Einleitung und Zielsetzung Pulverisierung von Malzextrakt untersucht Beim PGSS Particles from Gas Saturated Solutions Trocknungsverfahren wird der Malzextrakt mit verdichtetem Kohlendioxid vermischt und diese Mischung anschlieRend entspannt Das im Malzextrakt enthaltene Wasser wird mit dem entweichenden Kohlendioxid abgezogen Dadurch erh lt man trockenes Malzextraktpulver Die Eigenschaften der pulverf rmigen Malzextrakte werden durch das Herstellungsverfahren beeinflusst Als ein wesentlicher Bestandteil dieser Arbeit sollen die Produkteigenschaften der Malzextraktpulver analysiert werden die mit den beiden Spr htechnologien hergestellt werden Die Eigenschaften die in der vorliegenden Arbeit analysier
136. genwart von Natriumionen hat keinen Effekt Fennema 1993 Ledl 1990 Eine Sauerstoffabhangigkeit kann nicht festgestellt werden Kessler 1996 Eine Hemmung der Maillard Reaktion bei h heren hydrostatischen Dr cken zwischen 500 und 2000 bar wurde nach Tamaoka 1991 nachgewiesen Hierbei muss man jedoch zwischen der ersten Phase der Kondensation und der zweiten Phase des Br unungsprozesses unterscheiden Der Einfluss hohen statischen Druckes ist in der zweiten Phase weitaus h her als in der ersten Phase Aufgrund mangelnder Erkenntnisse im Ablauf der Maillard Reaktion ist schwer zu erkl ren was die Unterdr ckung im Hinblick auf die Reaktionsmechanismen ausl st Es ist jedoch zu beachten dass die Diffusionsrate von instabilen freien Radikalen mit Elektronenresonanzspektrum durch hohen Druck reduziert wird Okazaki 2001 Nach den Studien von Tamaoka ist der Einfluss des Druckes so gro dass der Farbwert Ma f r die Menge an braunfarbige Komponente bei 5000 bar nur einem Drei igstel des Farbwertes bei Normaldruck entspricht Hill 1997 hat bewiesen dass Hochdruckbehandlungen bei niedrigeren pH Werten zwischen 5 1 und 5 6 die Maillard Reaktion hemmen und dass die Wirkung des Druckes bei pH Werten zwischen 7 0 und 7 5 nur geringf gig ist Bei L sungen mit pH Werten zwischen 8 0 und 10 1 ist die Maillard Reaktion verbessert F r die Lebensmittelverarbeitung kann dieser Druckeinfluss erw nscht oder unerw nscht sein da sowohl die F
137. gkeit von der Partikelgr e Die Abb 6 32 stellt die Kinetik der Feuchteaufnahme verschiedener spr h getrockneter Pulver dar Abb 6 31 zeigt die Bilder eines spr hgetrockneten Pulvers vor und nach der Feuchteaufnahme Alle spr hgetrockneten Pulver erreichten das Gleichgewicht innerhalb von ca 24 Stunden Die gr eren 47 um vermutlich st rker agglomerierten und dadurch por seren Partikel wie im Versuch V26b nehmen schneller und mehr Wasser auf 9 5 g H20 100 g TS als die kleineren 27 um wie im Versuch V20 8 g H20 100 g TS Die Pulver aus Versuch V26b war 90 min im Produktbeh lter bei ca 60 C das Pulver von Versuch V20 nur 20 min Nach 72h Abb 6 31 Spr hgetrocknetes Pulver vor und nach der Feuchteaufnahme 116 Ergebnisse und Diskussion 10 nee l D une T SW gd e L7 oe ee d a V9 S foB 5 z i nd i 4 oV28b 3 1 Y 3 5 2 1 eX 0 7 t 4 1 1 eX 0 07 t y 3 1 2 1 eX 0 5 t 3 9 1 eX 0 09 t 0 10 20 30 40 50 S Zeit t h Abb 6 32 Kinetik der Feuchteaufnahme der spr hgetrockneten Malzextraktpulver bei 45 r F und 30 C nach 72 Stunden Der Restfeuchtegehalt des Pulvers kann mit der Temperatur der Trocknungsluft sowie durch die Verweilzeit der Tropfen eingestellt werden Mittels Spr htrocknung wurden trockene Malzextraktpulver mit Restfeuchtegehalten zwischen 2 und 4 Gew erhalten Die Glas bergangstemperatur der Pulver h ngt vom Rest fe
138. gs mechanismen in st ndiger Ver nderung vor allem bei h heren Temperaturen F r die Suche nach m glichen Erkl rungen werden im Folgenden zwei Hypothesen vorgeschlagen 86 Ergebnisse und Diskussion Die erste Hypothese besteht darin dass die Anwesenheit von Proteinen Amine im Malzextrakt und die sp tere Bildung von sekund ren Aminen w hrend der Maillard Reaktion die L slichkeit von CO2 erh hen k nnte Dibenedetto 2002 Littel 1991 Die Affinit t von Aminen vor allem prim re und sekund re Amine zu CO wird heutzutage f r umweltfreundliche Verfahren zur CO gt Abscheidung aus Emissionen in Kraftwerken verwendet Die Reaktion zwischen Aminen und CO ist reversibel Leal 1995 Hampe 2003 was die h here Menge an gel stem CO im Malzextrakt bei der Entspannung s Abb 6 6 und Probenentnahme erkl ren k nnte Da die Wartezeit f r die Einstellung des Gleichgewichtes bei den Versuchen bei h heren Temperaturen und Dr cken drei bis vier Stunden betr gt k nnte in dieser Zeit die Reaktion zwischen Aminen und CO stattfinden Bei der Entspannung und Proben entnahme wird das CO freigesetzt und deshalb eine h here Menge an CO2 gemessen Veroffentlichungen zeigen eine sehr gute Affinit t von Aminen f r CO2 bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck 1 mol CO2 mol Amine Dibenedetto 2002 und eine Desorption von CO beim Erhitzen auf 100 C Da die Versuche bei h heren Dr cken und Temperaturen durchgef hrt wurden k
139. gsgrad zu erreichen Hierf r werden Metallr hrchen mit einer L nge von 150 mm einem Au en durchmesser von 6 mm und einer Wandst rke von 1 mm Abb 4 29 angefertigt Die R hrchen werden mit Malzextrakt gef llt Dies erfolgt durch eine Spritze mit einer Metallkan le um den Einschluss von Luftbl schen im R hrchen zu verhindern Die Enden der R hrchen sind jeweils mit einem Gewinde versehen so dass der aus Edelstahl bestehende Schraubdeckel fest verschlossen werden kann In einem der Deckel ist ein Thermoelement eingel tet dass die Temperatur in der Mitte des 68 Untersuchungsmethoden R hrchens auf halber L nge und halber Breite w hrend der Behandlung misst Diese R hrchen werden daraufhin in ein auf die Untersuchungstemperatur vorgeheiztes lbad getaucht und verbleiben dort eine vorgegebene Zeit Eine Kunststoffdichtung im Deckel der R hrchen verhindert dass der Malzextrakt im Inneren mit dem lbad in Ber hrung kommt Das lbad wird permanent ger hrt und seine Temperatur ber eine mit einem Thermometer geregelte Heizplatte konstant gehalten Die nach der Verweilzeit entnommenen Proben werden in einem Eisbad schnell heruntergek hlt anschlie end wird eine m glichst gro e Probenmenge mit einem Glasst bchen in einen Messzylinder berf hrt Daraufhin wird der Farbwert nach Abschnitt 4 2 3 des behandelten Malzextraktes gemessen Abb 4 30 Sudbrock 2008 Die Farbver nderungen durch die Aufheiz und Abk hlvorg
140. gte kompaktierende Eigenschaften aber sie sind als koh siv oder sehr koh siv einzuordnen Ce 100 me ES e lt op ge Mg E 3 60 Ha i 2 40 ag d 10 3 5 um C d 50 3 24 um oO 20 d 90 3 125 um gt 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um v9 Abb 6 21 Partikelgr enverteilung V8 Kompaktierungsverhalten nach 6 Tagen Die Abb 6 22 zeigt REM Bilder der Partikel der Versuchsreihe Besonders bei gr eren Partikeln sind in der Oberfl che Falten und Dellen erkennbar hnlich einem Ball ohne Luft Kessler 1996 gibt folgende Erkl rung f r eine solche Struktur Bei der Trocknung bildet sich schnell eine trockene Feststoffkruste an der Oberfl che durch die aus dem Inneren heraus Feuchte diffundiert Dabei stellt sich ein Unterdruck in den Teilchen ein welcher zur Vergr erung der Luftbl schen und teilweise zum Schrumpfen der Partikel f hrt Die Vakuolenbildung steigt mit der Temperaturdifferenz zwischen Lufteintritt und Luftaustritt Die Vakuolen sind n mlich keine Dampfblasen sondern reine Luftblasen Ergebnisse und Diskussion 107 Mm 2 VI 140 C 2 52 23 1 um V8_120 C 3 27 23 9 um V9_ 110 C 3 37 22 1 um 13_100 C 3 73 15 9 um Abb 6 22 REM Bilder der spr hgetrockneten Malzextraktpartikel Versuchsnummer_Lufteintrittstemp Restfeuchtegehalt in Gew dso 3 in um 6 3 2 Menge an Zerst ubungsluft Um den Einfluss der spezifisc
141. h die nachfolgende Verdunstung im Spr hturm stattfindet Die Restfeuchte des Malzextraktes in Abh ngigkeit von der Vorexpansionstemperatur und der spezifischen Gasmenge wurde bei einem Vorexpansionsdruck von 100 bar mit Hilfe der Surface Response Methode dargestellt Der Br unungsgrad von Malzextrakt konnte zwischen 0 und 29 EBC Werten variiert werden Im Gegensatz zur Spr htrocknung ist bei der PGSS Trocknung die Farbe mittels der Spr hparameter gut zu steuern Die Farbintensit t wird haupts chlich durch die Vorexpansionstemperatur die Durchmischung und die Str mungsform in der Mischstrecke bestimmt Die Durchmischung vor der D se wird durch die spezifische Gasmenge und die Ab oder Anwesenheit von Misch elementen in der Mischstrecke bestimmt H here spezifische Gasmengen und die Abwesenheit von Mischelementen f hren zu st rkerer Br unung quivalente Verweilzeiten des Malzextraktes bei gleicher Br unung in der Mischstrecke wurden anhand der Reaktionsgeschwindigkeiten und Farbver nderungen ermittelt H here Br unungsgrade bis 29 EBC entsprechend einer quivalenten Verweilzeit von 42 s wurden f r spezifische Gasmengen von 24 ermittelt Die bei Umgebungsdruck ermittelten Reaktionsgeschwindigkeiten der Maillard Reaktion bleiben bei h herem Druck bis 150 bar unver ndert Das antiradikale Potential ARP der Malzextraktpulver steigt mit erh hter thermischer Beanspruchung aufgrund der durch die Maillard Reaktion gebildeten
142. hand des ffc Wertes folgenderma en nach Schulze 2006 eingeteilt ffc lt 1 nicht flie end 1 lt fie lt 2 sehr koh siv 2 lt fe lt 4 kohasiv 4 lt fic lt 10 leicht flie end 10 gt ffc frei flie end Das Ringscherger t Abb 4 12 besteht aus einer ringf rmigen Probenzelle in die das Pulver eingef llt wird Die Probenzelle wird mit einem Deckel belastet Um das Sch ttgut verschiedenen Normalspannungen On auszusetzen wird der Deckel mit verschieden gro en Gewichten beaufschlagt Mit Hilfe von zwei Zugstangen wird der Deckel in eine Drehung versetzt und die jeweiligen Kr fte K und K2 die ber einen definierten Hebelarm ein Drehmoment aus ben gemessen Aus dem Verh ltnis von Drehmoment und Widerstandsmoment der Sch ttung l sst sich die im Sch ttgut auftretende Schubspannung bestimmen Beim Anscheren wird die Probe definiert belastet und anschlie end der Deckel verdreht bis das Sch ttgut einen station ren Zustand erreicht hat das hei t bis die aufzubringende Kraft f r die Bewegung des Deckels konstant bleibt Es wird in diesem Fall von station rem Flie en gesprochen Palzer 2000 Schulze 2006 AiF Projekt 15222 2009 Die Messungen wurden am Lehrstuhl f r Verfahrenstechnik disperser Systeme der Technischen Universit t M nchen durchgef hrt Untersuchungsmethoden 49 Abb 4 12 Ringschergerat Hersteller Dr Ing Schulze 1 Deckel 2 Scherzelle 3 Sch ttgut K4 K2 Scherkrafte o Normalkraft
143. hen Menge an Zerst ubungsluft zu testen wurden drei Versuchspaare ausgew hlt bei denen die spezifische Menge an Zerstaubungsluft zwischen 2 5 und 4 2 Nm h kg Malzextraktl sung variiert wurde Tab 6 11 Anhand der Ergebnisse stellt man fest dass die Menge an Zerst ubungsluft einen direkten Einfluss auf die Partikelgr e des enthaltenen Pulvers und somit auf die Dichte hat Je mehr Zerst ubungsluft benutzt wird desto kleiner sind die Partikel Dieser Einfluss ist deutlich bei den Versuchen 32 und 34 zu beobachten bei denen bei nderung von 2 7 auf 3 2 Nm h Menge an Zerst ubungsluft pro kg Malzextrakt l sung die Partikelgr e dso 3 von 39 um auf 19 um gesunken ist Abb 6 24 Bei diesen Versuchen wurde die Malzextraktl sung auf 55 Gew TS verd nnt und damit die Viskosit t erniedrigt ca 14 mPa s so dass sich im Spr hturm kleine Tr pfchen gebildet haben Nach Masters 1991 betr gt der durchschnittliche Partikeldurchmesser 5 bis 20 um wenn das Massenverh ltnis zwischen der Luft und der newtonischen Fl ssigkeit gr er als 5 zu 1 ist Wenn das Verh ltnis zwischen 2 5 zu 1 und 5 zu 1 liegt betr gt die Partikelgr e 20 bis 30 um Bei den in der vorliegenden Arbeit durchgef hrten Versuchen betr gt das Massenverh ltnis Luft zu Malzextrakt zwischen 3 2 zu 1 und 5 4 zu 1 Die erhaltenen Partikelgr en ds50 3 haben eine Gr e von 20 bis 40 um Die Eigenschaften der Pulver dieser Versuchsreihe hneln sehr
144. hen liegen 7 0 6 5 3 6 0 5 5 5 0 4 5 4 0 E 3 5 3 0 Restfeuchte Gew 4 6 8 10 12 Durchmesser der ME mm V40 V36 pv 100 bar Tv 130 C SGM 12 51 V48 pv 100 bar Tv 132 C SGM 19 Abb 6 39 Einfluss der ME Durchmesser auf den Restfeuchtegehalt Abb 6 40 zeigt die Farbanderungen der Versuche Es ist zu erkennen dass der Braunungsgrad leicht steigt wenn die max VWZ verlangert wird bzw der ME Durchmesser erh ht Allerdings ist dieser Effekt nur bei erh hter SGM zu erkennen 2 0 oO B 1s t D t a 1 0 CH Cc e L 05 2 D LL 0 0 4 6 8 10 12 Durchmesser der ME mm V40 V36 pv 100 bar Tv 130 C SGM 12 V51 V48 pv 100 bar Tv 132 C SGM 19 Abb 6 40 Einfluss der ME Durchmesser auf die Farbveranderung 126 Ergebnisse und Diskussion Die Partikelgr enverteilung zeigt ebenfalls eine leichte Abh ngigkeit von dem Durchmesser der Mischelemente Die Partikel sind etwas kleiner wenn die rechnerische max Verweilzeit des Malzextraktes gr er ist 100 ER o 90 S WI 80 o gt D 70 2 60 E 50 40 Verteilungssumme Q 30 20 PGSS V51_ 6mm 10 e PGSS V48_ 10mm 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um Abb 6 41 Einfluss der ME Durchmesser auf die Partikelgr enverteilung 6 4 3 Spezifische Gasmenge Ein wichtiger Prozessparameter des PGSS Trocknungsverfahrens ist die spezifische Gasmenge SGM Verh ltnis von Kohlendioxid zum Malzextraktmass
145. hen zeen 90 Min 20 Fe G rung 18 kg Malz hi Lagerung L utern 5 200 hl 100 C En 0 46 0 65 0 48 0 49 Zucker g 100g g 100ml g 100ml mg 100ml mg 100ml Fru 0 3 0 14 328 0 15 313 14 26 7 13 Ge 2 52 0 93 259 1 01 251 7 2 7 2 Sacch 3 06 0 2 46 0 22 45 0 0 0 0 Mal 6 18 5 61 0 6 25 632 61 5 58 5 Imal 0 26 0 028 6 0 033 79 42 90 36 77 mg 100g Innosit 23 5 121 5 121 Aminosaure mg 100g mg 100ml mg 100ml mg 100ml mg 100ml Gly 15 3 7 173 41 171 46 170 44 163 aAla 54 11 9 155 13 1 152 12 8 132 13 134 Val 66 14 6 156 17 161 13 5 114 13 6 114 Leu 77 20 3 185 22 5 179 8 5 61 8 7 63 lle 45 9 2 144 10 2 142 5 2 64 5 2 64 Pro 273 49 126 53 6 123 49 100 50 6 103 Asp 40 7 4 130 8 2 128 2 9 40 2 8 39 Asn 40 7 3 128 8 1 127 2 9 40 2 8 39 Glu 57 9 4 116 10 3 113 5 2 51 5 6 55 Gin 164 9 6 41 3 1 12 0 7 2 0 7 2 Ser 41 8 3 142 9 4 143 0 3 4 0 4 5 Thr 35 7 8 157 9 2 164 0 2 3 0 2 3 Phe 73 14 8 143 15 7 134 11 9 91 12 1 92 Tyr 75 12 4 116 13 4 112 10 1 75 10 3 76 Cystin 24 2 5 73 2 0 a 0 0 Met 18 4 4 172 4 5 156 0 8 25 0 8 25 Aminobutters urd 26 7 9 214 8 4 202 8 4 179 8 6 184 Lys 46 12 8 196 13 4 182 2 0 0 His 41 8 137 7 9 120 5 6 76 6 1 83 Trp 29 5 1 124 5 5 119 4 4 84 4 4 84 Arg 66 14 9 159 15 7 149 3 2 27 3 2 27 Amadori mg 100g mg 100ml mg 100mI mg 100m mg 100mI Verbindungen Fru Gly 1 5 0 23 108 0 22 92 0 25 93 0 26 96 Fru Ala 5 5 0 8 102
146. hiedene Vor und Nachexpansionstemperaturen einstellen Es ist wichtig zu erw hnen dass das feine Einstellen bei niedrigen Massenstr me des Malzextrakt Massenstroms mittels der Eduktpumpe etwas schwierig ist da beim Einschalten der Pumpe eine h here Menge an Malzextrakt als die erw nschte gef rdert wird und damit werden die Vor und Nachexpansionstemperaturen senken Nach paar Sekunden kann die Pumpe auf eine niedrigere Drehzahl oder Hub eingestellt werden und die erw nschte Menge an Edukt f rdern Nach etwa 10 Minuten wird die Spr hturmtemperatur konstant und somit werden die station ren Bedingungen erreicht Als station r wurden die Spr hversuche betrachtet bei denen die Versuchsparameter innerhalb folgenden Toleranzen schwanken Vorexpansionsdruck 2 bar Vorexpansionstemperatur 2 K Spezifische Gasmenge 2 kg kg Nachexpansionstemperatur 2 K Ein Spr hversuch dauert in der Regel mindestens 20 Minuten Das freigesetzte Kohlendioxid mit dem abgetrennten Wasserdampf wird mit dem Gebl se G ber die Abluftleitung und den Zyklon Z abgesaugt F r eine bessere Pulver Gas Abtrennung wird ein Stofffilter im Zyklon eingebaut W hrend des Versuches werden die Versuchsparameter ber ein Messwert erfassungsprogramm aufgenommen und gespeichert Nach dem Versuch wird zun chst die Dreikopfmembranpumpe des Eduktes anschlie end die Dreikopf membranpumpe f r die Kohlendioxiddosierung und zuletzt das Gebl se aus geschaltet D
147. hsanlage Die Pulverisierungsversuche nach dem PGSS Trocknungsverfahren werden in einer Technikumsanlage Abb 5 4 und Abb 5 5 durchgef hrt Die Anlage wurde zuvor f r die Pulverisierung und L sungsmittelabtrennung von verschiedenen Substanzen wie gr nen Tee Gelatine Wasser L sungen Polyethylenglykol Wasser L sungen Pham 2007 verwendet Diese Technikumsanlage ist f r einen Druck von 300 bar und einer Temperatur von 200 C ausgelegt W hrend dieser Arbeit wurde die Anlage teilweise umgebaut Die nderungen werden im Folgenden erkl rt Malz extrakt CO L sungs mittel Abb 5 4 Schema der PGSS Trocknungs Versuchsanlage Die zu pulverisierende Substanz Malzextrakt wird in einen dlbeheizten 10 Liter Kapazit t Vorlagebeh lter VB eingef llt und bei Bedarf erw rmt Ein Thermo element pt100 das am Boden des Beh lters platziert ist dient zur Ermittlung der Produkttemperatur F r die Ermittlung des Produktmassenstromes wird der Eduktbeh lter auf eine Plattformwaage montiert Die K pfe der Edukt Dreikopf membranpumpe EP werden mit l beheizt und damit wird die Temperatur des Eduktes w hrend des Pumpens konstant gehalten Das Edukt wird mittels dieser Pumpe zu dem statischen Mischer gef rdert Der Eduktbeh lter wird an eine Kohlendioxidflasche angeschlossen und ein Vordruck von 2 bar am Druckminderer eingestellt Dieser Vordruck erleichtert das Pumpen des Edukts Fl ssiges Kohlendioxid CO2 wird
148. i Umgebungsdruck abgebildet Der Arbeitsbereich des Verfahrens liegt oberhalb der Taulinie und ist hellgrau hinterlegt G a COo L sungs mittel Abb 2 2 Vereinfachtes Flie bild des PGSS Verfahrens nach Kilzer 2003 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 Arbeitsbereich Temperatur K fl ssig gas 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 Massenanteil Kohlendioxid Abb 2 3 T x y Diagramm von Kohlendioxid und Wasser Theoretische Grundlagen 11 Die Trocknung des Gutes mittels des PGSS Trocknungsverfahrens erfolgt in drei Schritten Einen Teil der Feuchte nimmt die Uberkritische CO2 Phase bereits im statischen Mischer auf Ein weiterer Teil entweicht zusammen mit gel stem CO aus dem Gut bei der schnellen Entspannung in der D se und der Rest wird von den Partikeln durch Verdampfung an die Spr hturmatmosph re abgegeben 2 2 Braunungsreaktionen Bei der Trocknung von Malzextrakt mittels der zwei genannten Trocknungsverfahren Abschnitt 2 1 wird der Malzextrakt erhitzt Dabei wird die Farbe des Malzextraktes dunkler bzw br unlich Der Begriff Br unung bezieht sich in der Lebensmittel chemie auf unterschiedliche Prozesse die in zwei Gruppen aufgeteilt werden k nnen die enzymatische und die nicht enzymatische Br unung Abb 2 4 Br unungsreaktionen right enzymatisch Karamellisierung Maillard Reaktion Abb 2 4 Br unungsmechanismen in der Lebensmittelchemie Eine Grupp
149. iche Reaktion Karamellisierung Pyrolyse auf Der Einfluss der Prozessparameter beider Verfahren auf die Pulvereigenschaften insbesondere auf den Br unungsgrad Intensit t der Farbe wird in dieser Arbeit analysiert Bei der Spr htrocknung wird der Malzextrakt mittels Druckluft lt 8 bar durch eine Zweistoffd se in einer Trocknungskammer zerst ubt Zus tzlich wird hei e Luft in die Kammer zugef hrt und die Malzextrakttropfen im Kontakt mit der Luft schnell 170 Zusammenfassung getrocknet Dieser Prozess findet bei Umgebungsdruck statt Das getrocknete Pulver wird mit Hilfe eines Zyklons aus der Luft abgeschieden und in einem Behalter gesammelt Im PGSS Particles from Gas Saturated Solutions Trocknungsverfahren wird der Malzextrakt durch eine Pumpe in einen statischen Mischer Mischstrecke gef rdert und dort mit berkritischem Kohlendioxid bei hohem Druck und hoher Temperatur vermischt Dabei l st sich ein Teil des Kohlendioxids im Malzextrakt und ein Teil des Malzextraktes insbesondere Wasser in der berkritischen Kohlendioxidphase Das Zweiphasengemisch wird dann durch eine D se bei bestimmten Vorexpansions bedingungen Vorexpansionsdruck Vorexpansionstemperatur und spezifische Gasmenge Massenstrom des Kohlendioxids Massenstrom des Malzextraktes vor der D se in einem Spr hturm entspannt Der Malzextrakt wird durch das sich entspannende Kohlendioxid schlagartig in Tr pfen zerrissen und dabei durch den Joule Tho
150. ichtigsten Aminos uren unterschieden Davon werden 10 als essentielle Aminos uren betrachtet 8 f r Erwachsene und 10 f r Heranwachsende weil der menschliche Organismus sie nicht selber produzieren kann Die essentiellen Aminos uren des Menschen sind Valin Leucin Isoleucin Threonin Methionin Phenylalanin Tryptophan Lysin Hystidin und Arginin Im Malz wurden die 10 essentiellen Aminos uren nach Wittmann 1989 nachgewiesen Diese allerdings liegen in niedrigeren Mengen von 35 bis 75 mg 100 g vor Die wichtigste Amino s ure im Malz ist Prolin mit 273 mg 100 g Aus dieser lassen sich zahlreiche Aromastoffe gewinnen die typisch f r Getreideprodukte sind Ledl 1991 Bei der Herstellung von Malz dem sogenannten Malzen werden die ersten Amadori Verbindungen beim Darren gebildet Die Konzentration dieser ist unter anderem von der Art des Malzes bzw der Art des Darrens abh ngig Im Anhang in der Tab 9 1 sind die Aminos uren sowie Amadori Verbindungen aufgelistet die nach Wittmann 1986 analytisch identifiziert wurden Eingesetzte Substanzen 29 3 1 2 Anwendungsgebiete Da die Herstellung von Malzextrakten ohne Zusatzstoffe erfolgt sind diese als reine Lebensmittel zu betrachten Sie sind damit deklarationsfrei und somit bevorzugter Ersatz fur Zuckercouleur bzw Zuckersirup In der Lebensmittelindustrie nehmen Malzextrakte aufgrund ihrer f rbenden und w rzenden Eigenschaften einen festen Platz ein Besonders hervorzuheb
151. ider Spr hverfahren f r die Trocknung von Malzextrakt und mit der Br unungs reaktion Maillard Reaktion Die eingesetzten Substanzen die Analysenmethoden und die erforderliche Verfahrens und Anlagentechnik werden erkl rt Die Ergebnisse werden vorgestellt und diskutiert In Voruntersuchungen werden das qualitative und quantitative Phasenverhalten des Systems Malzextrakt Kohlendioxid die Viskosit tserniedrigung von Malzextrakt durch das Einl sen von Kohlendioxid unter hohem Druck und die Temperaturabh ngigkeit der Viskosit t von Malzextrakt bei Umgebungsdruck betrachtet Danach wird der Einfluss der Hitzebehandlung und der verdichteten Gase auf die Maillard Reaktion im Malzextrakt analysiert Mit diesen Ergebnissen wird das thermische Verhalten von Malzextrakt w hrend der Pulverisierung mittels des PGSS Trocknungsverfahrens bestimmt Einleitung und Zielsetzung 3 Die Ergebnisse der Spruhtrocknungs und PGSS Trocknungsversuche werden vorgestellt und die Einflusse der Prozessparameter auf die Partikeleigenschaften und auf den Braunungsgrad diskutiert Des Weiteren werden die Arbeitsbereiche fur ein erfolgreiches Trocknen in Abhangigkeit von den Prozessparametern mittels der beiden Verfahren bestimmt Au erdem wird die Steuerung der Maillard Reaktion bzw des Br unungsgrades anhand der PGSS Spr hparameter beschrieben Die Qualit t des Malzextraktes nach der thermischen Behandlung bei der Pulverisierung wird analysiert Schlie lich w
152. ie Beziehung zwischen Brechungsindex und Trockenmasseanteil Gew oder Brix im Malzextrakt ist im ausgew hlten Bereich 0 bis 14 Brix linear Abb 4 7 Untersuchungsmethoden 45 1 355 1 350 C 7 i 1 345 ee o 8 2 yer 1 340 Ba RE n 0 001 TS 1 332 E 1 335 7 R 0 999 0 2 4 6 8 10 12 14 Trockenmasseanteil TS Gew Abb 4 7 Korrelation zwischen Brechungsindex und Trockenmasseanteil 4 2 3 Farbe Der Farbwert ist ein wichtiges Qualit tsmerkmal f r Malzextrakte da diese wegen ihrer f rbenden Eigenschaften eingesetzt werden Anhand der Farbe kann das Fortschreiten der Maillard Reaktion berwacht werden da die Endprodukte der Maillard Reaktion Melanoidine den Extrakt verdunkeln Durch die Farbbestimmung werden die Produkte die sich in der zweiten Phase der Maillard Reaktion bilden erfasst Die Farbbestimmung wird mit einem Spektralfotometer des Typs UV 2401 PC der Firma Shimadzu nach der EBC Methode MEBAK II 2 16 2 MEBAK 1993 bestimmt MEBAK ist die Mitteleuropaische Brautechnische Analysenkommision Die EBC European Brewing Convention ist eine Vereinigung die zur Sicherstellung der Qualit t von Bier gegr ndet wurde Sie entwickelt verschiedene technische Verfahren zur Optimierung der Produktion und analytische Methoden zur Sicher stellung und Einhaltung der Bierqualit t Der Malzextrakt in fl ssiger oder in pulverf rmiger Form wird dabei zun chst mit dem desti
153. ieses Ph nomen tritt im Bereich der Glas bergangstemperatur Tg Bhandari 1997 auf Die Abb 4 24 zeigt ein PGSS getrocknetes Malzextrakt pulver im amorphen Glaszustand und im gummiartigen z hplastischen Zustand Abb 4 24 PGSS Malzextraktpulver im amorphen Zustand links und im gummiartigen Zustand rechts Die Molek le der amorphen Feststoffe befinden sich im Gegensatz zur kristallinen Form nicht in einer regelm igen Gitterstruktur sondern liegen ungeordnet vor Man bezeichnet die amorphen Feststoffe auch als feste Fl ssigkeiten Die kristalline Form stellt in Allgemeinen die platzsparenste M glichkeit der Molek lanordnung im Raum dar Im amorphen Stadium hingegen sind die Molek lketten weniger dicht angeordnet woraus ein gr eres spezifisches Volumen resultiert Abb 4 25 Zus tzlich bietet die ungeordnete Struktur eine gr ere Angriffsfl che f r Reaktionspartner wodurch das amorphe Stadium leichter Wasser absorbieren kann Bhandari 2000 Abb 4 25 Schematische Darstellung der kristallinen links und amorphen rechts Struktur Wird einem amorphen Festk rper Energie in Form von W rme zugef hrt erweicht er und tritt in einen gummiartigen Zustand ein Dabei nimmt die Viskosit t schlagartig von 10 10 Pas auf 10 10 Pas ab und der Stoff weist einen klebrigen Charakter auf Bhandari 2000 Der Raum in einer Polymermatrix der nicht von 64 Untersuchungsmethoden Polymerketten a
154. illard Reaktion langsamer macht ist nicht von der SGM abh ngig sondern von der Temperatur und Druckbedingungen 6 4 11 Br unung w hrend der Pulverisierung und Qualit t des Produktpulvers Nachdem nun bekannt ist wie man den Br unungsgrad des Pulvers anhand des PGSS Trocknungsverfahren einstellen kann wird in diesem Abschnitt analysiert welchen Einfluss die thermische Behandlung auf die Qualit t des Malzextraktes hat Hierbei werden die Einfl sse der thermischen Beanspruchung auf das Zuckerspektrum die Menge an Aromastoffen die antioxidative Aktivit t und den pH Wert analysiert Unterschiedlich thermisch behandelte PGSS Malzextraktpulver V5 V8 V11 wurden ausgew hlt und deren Zuckerspektrum und Menge an Aromastoffen bestimmt Der Einfluss der thermischen Behandlung auf das Zuckerspektrum beim Spr hprozess ist in der Abb 6 61 dargestellt Der Gehalt an Zucker in drei PGSS Versuchen und im urspr nglichen Malzextrakt wird in der Abb 6 61 verglichen Der Gehalt an verg rbaren Zuckern ist umso niedriger je h her die thermische Beanspruchung Farbe des Materials ist Die Ergebnisse zeigen dass sich bei der thermischen Behandlung Maltotriose in Maltose und Glucose und Saccharose in Glucose und Fructose spalten Die gebildeten reduzierenden Zucker Fructose und Glucose k nnen mit Aminos uren in der Maillard Reaktion reagieren Bei steigender thermischer Belastung laufen die oben erw hnten Reaktionen vermehrt ab und der Anteil
155. im Anhang dargestellt In den durchgef hrten Experimenten wurden die Einfl sse unterschiedlicher Prozessparameter auf die Partikeleigenschaften der erzeugten Pulver untersucht Die Einfl sse der PGSS Prozessparameter auf die Pulverisierung und Trocknung von anderen Stoffen wie Polyethylenoxid und Polyurethan wurden von Kilzer 2003 Kappler 2003 und Pham 2007 bereits ermittelt Ein Naturstoff System wie der Malzextrakt wurde bisher nicht untersucht Ein Schwerpunkt der Analyse der PGSS Trocknungsparameter bezieht sich auf die Br unung des Malzextraktes Die Tab 6 15 listet die Bereiche auf in denen die Versuchsparameter ver ndert wurden Tab 6 15 Versuchsparameter der PGSS Trocknungsversuche Versuchsparameter Bereich Vorexpansionstemperatur C 2 118 160 Vorexpansionsdruck bar 2 75 170 Spezifische Gasmenge SGM 2 6 29 Nachexpansionstemperatur C 1 34 97 Malzextrakttemperatur C 1 60 Malzextraktmassenstrom kg h 2 2 10 6 Kohlendioxidtemperatur C 1 150 180 Kohlendioxidmassenstrom kg h 43 120 Bohrungsdurchmesser der D se mm 0 7 1 4 Anzahl der Mischelemente 0 10 Durchmesser der statischen Mischer mm 6 8 10 Wassergehalt der Malzextraktl sung Gew 0 5 25 5 35 SGM Kohlendioxidmassenstrom kg h Malzextraktmassenstrom kg h Hierbei es ist wichtig zu erw hnen dass viele Parameter nicht unabh ngig von einander gew hlt werden k nnen So wird beispielswei
156. im Wasser ein Minimum 32 Eingesetzte Substanzen a d S D Ss We 9 e Q D TAARN IAEA Baehr 1992 toffes Abb 3 3 p v T Diagramm eines Reins berkritisch lt 7 kritischer Punkt eq yon a Tripelpunkt Temperatur K Abb 3 4 Phasendiagramm des CO Krinninger 1996 Eingesetzte Substanzen 33 CO2 Gehalt g CO2 1 Wasser de O aN WH OO NOW Druck bar Abb 3 5 L slichkeit von CO in Wasser bei niedrigen Dr cken Krinninger 1996 CO3 Gehalt g CO2 100 g H20 Temperatur C II 1 273 283 293 303 313 323 333 343 353 363 373 383 393 Temperatur K Abb 3 6 L slichkeit von CO in Wasser bei hohen Dr cken Fachverband Kohlens ure Industrie e V 1997 34 Eingesetzte Substanzen 3 2 3 Anwendungsgebiete Festes Kohlendioxid Trockeneis hat unter Umgebungsdruck eine hohe K hlkapazit t Verdampfungsenthalpie und wird zu unterschiedlichen K hlzwecken z B zur Konservierung von Nahrungsmitteln verwendet Ein weiteres Anwendungs gebiet f r Trockeneis in Form von Pellets oder Partikelstrahlen ist das Reinigen von Oberfl chen mit dem sogenannten Cold Jet Verfahren Damit k nnen weiche Schichten le Fette Schmierstoffe stark haftende Beschichtungen Lacke Wachse Harze Klebstoffe und Schmu
157. im thermodynamischen Gleichgewicht ermittelt Zur Bestimmung des quantitativen Phasenverhaltens und der dynamischen Viskosit t wird ein Autoklav verwendet der mit einem Faltenbalg ausger stet ist Abb 4 3 Im Faltenbalgautoklav k nnen Temperaturen bis zu 200 C und Dr cke bis zu 400 bar eingestellt werden Der Autoklav besitzt ein Innenvolumen von 1300 cm 40 Untersuchungsmethoden und ist im Bodenverschluss des Druckbeh lters mit einem Quarzviskosimeter zur Messung der Viskositat der flussigen Phase ausgerustet Gaszahler Probe Gasphase Faltenbalg CO Gasz hler Viskosimeter EDV Abb 4 3 Schematischer Aufbau der Versuchsanlage Kukova 2003 Proben aus der Fl ssig und der Gasphase werden entnommen Deren Zusammen setzung werden bez glich des Gasgehaltes volumetrisch durch Gasuhr und im Bezug auf den Malzextraktanteil gravimetrisch bestimmt Die gew nschte Temperatur im Autoklaven wird mit Hilfe eines Thermostats eingestellt welcher Thermo l durch den Doppelmantel des Autoklaven pumpt Die im Autoklaven vorherrschende Temperatur wird von zwei Thermoelementen gemessen und auf einem Display angezeigt Ein Thermoelement befindet sich in der Gasphase und das zweite in der Fl ssigphase Um den Druck einzustellen wird fl ssiges Kohlendioxid in einer Pumpe komprimiert und anschlie end durch ein Ventil in den Autoklaven gef llt Im ersten Schritt der Versuchsdurchf hrung wird der Autoklav ber den ab
158. ind hochviskose sirupartige und w ssrige Ausz ge aus gem lzten Getreiden die mittels Vakuumverdampfung auf einen Trockenmassenanteil von ca 75 Gew konzentriert werden Sie bestehen haupts chlich aus Zucker 70 Proteinen 5 und Wasser 25 und besitzen einen s en w rzigen Geschmack und eben solches Aroma Da die Herstellung von Malzextrakten ohne Zusatzstoffe erfolgt sind sie deklarationsfrei und bevorzugter Ersatz f r Zuckercouleur bzw Zuckersirup Die Backwaren und Getr nkeindustrie vor allem die Bierindustrie verwenden Malzextrakt bei der Herstellung von Produkten Leider ist ihre Weiterverarbeitung Handhabung und Dosierung aufgrund ihrer hohen Viskosit t schwierig Aus diesem Grund wird Malzextrakt f r Instant produkte wie Getr nke Dessert Suppen und So enpulver sowie Back mischungen und Backgrundstoffe in pulverf rmigem Zustand bevorzugt Die Akzeptanz pulverf rmiger Malzextrakte beim Produzenten wird durch deren Produkteigenschaften bestimmt Wird das Produkt in fl ssigen Produkten wie z B in Getr nken Suppen oder So en eingesetzt so stehen gutes Aufl sungsverhalten einfache Dosierbarkeit und sensorische Eigenschaften wie Farbe oder Geschmack im Vordergrund F r den Einsatz im festen Zustand in pulverf rmigen Produkten wie z B in Fertigbackmischungen werden neben den sensorischen Parametern Partikeleigenschaften wie die Korngr enverteilung Sch ttdichte und Rieself higkeit oder die Homo
159. ine L sung ber 10 r F 20 r F 30 r F 40 r F 50 r F 70 r F Abb 6 78 PGSS Pulver bei 65 C und verschiedenen relativen Luftfeuchten Ergebnisse und Diskussion 163 6 6 Rolle der Glasubergangstemperatur bei Lagerung und Trocknung Die Trocknung von Malzextrakt mittels der beiden Verfahren Spruhtrocknung und PGSS Trocknung verlauft sehr schnell Aus diesem Grund ist anzunehmen dass die erzeugten Partikel nicht ausreichend Zeit zum Kristallisieren haben und deswegen in amorphem bzw teilkristallinem Zustand vorliegen Der amorphe Zustand ist metastabil Alexander 1985 Im Abschnitt 4 5 wurden das Glasphanomen und dessen Wichtigkeit fur die Lagerung und Trocknung von Lebensmitteln sowie die Entwicklung der DSC Methode ausf hrlich erkl rt Im Folgenden werden die Ergebnisse vorgestellt In dieser Arbeit wurde Malzextrakt mit Hilfe der Spr htrocknung und der PGSS Trocknung hergestellt Dabei stellte sich die Frage wie stark der Glas bergang des Pulvers vom Verfahren beeinflusst wird und ob die hergestellten Pulver immer in amorphem Zustand vorliegen F r die Versuchsdurchf hrungen wurden verschiedene PGSS und spr hgetrocknete Pulver ausgew hlt die unter unterschiedlichen Prozessbedingungen getrocknet wurden Vor der Bestimmung der Glas bergangstemperatur wurde der Feuchtgehalt des Ausgangspulvers mit Hilfe des Karl Fischer Verfahrens bestimmt Die untersuchten Pulver wiesen Restfeuchtegehalte zwische
160. inem konstanten L sungsmassenstrom kg h Zerst ubungsluft SR d kg Malzextraktl sung U gt ae l A Abb 6 18 Spruhkegel bei verschiedener Menge an Zerstaubungsluft und unterschiedlichen Trockenmassegehalten der Malzextraktl sung Trockenmasseanteil der L sung Gew Bei der Kombination 65 2 5 Nm h kg L sung 65 _3 3 Nm h kg L sung 60 2 5 Nm h kg L sung sind die gebildeten Tropfen mit dem blo en Auge zu erkennen und zu gro um eine erfolgreiche Trocknung zu erzielen 102 Ergebnisse und Diskussion Sengespeik 2008 Bei den anderen Kombinationen sind die gebildeten Tropfen feiner und als Nebel zu sehen In der Abb 6 18 ist zu erkennen dass bei Verwendung von Malzextraktlosungen mit 60 Gew TS W2oc 14 mPa s und einer Menge an Zerst ubungsluft von 3 3 Nm h kg L sung g nstige Bedingungen zum Trocknen vorliegen die gebildeten Tropfen sind weder zu fein noch zu gro Daher wurden bei diesen Bedingungen Versuche mit verschiedenen Luftmengen durchgef hrt um den maximalen Durchsatz die Menge an Trocknungsluft und die Verweilzeit der Luft im Spr hturm zu bestimmen Die Menge an Trocknungsluft wurde mittels der Einstellung der Gebl se G in Abb 5 1 gesteuert Die Verweilzeit der Luft im Spr hturm wurde ber das Spr hturmvolumen berechnet Die Tab 6 8 zeigt die Verweilzeit je nach Menge an Luft bei Normbedingungen f r das Spr hturmvolumen von 0 137 m Tab 6 8 Mittlere
161. isch ber 100 verschiedene Produkte bilden Je gr er der Zucker ist desto langsamer reagiert dieser mit den Aminos uren Beispielsweise reagiert Fructose f nfmal schneller als Glucose Hier ist wichtig zu erw hnen dass Zucker in verschiedenen Formen auftreten Diese unterscheiden sich in der Position der Carbonylgruppe an der Kohlenstoffkette Wenn die Carbonylgruppe an einem nicht endst ndigen Kohlenstoffatom der Kohlenstoffkette sitzt ist der Zucker eine Ketose und wenn die Carbonylgruppe in endst ndiger Position ist ist es eine Aldose Eine Hemmung im ersten Schritt der Maillard Reaktion ist durch Zusatz von Schwefeldioxid oder Sulfiden m glich Diese Komponenten reagieren mit der Carbonylgruppe des Zuckers und dadurch wird die Reaktion mit der Aminos ure verhindert Die ersten Zwischenprodukte der Maillard Reaktion die Glycosylamine sind instabile Substanzen die sich durch die Amadori bzw Heyns Umlagerung in eine stabile a Amino carbonyl Verbindung umwandeln F r diese Umlagerung ist ein pH Wert zwischen 4 und 7 von Vorteil Nach diesem Prinzip werden Aldosylamine Glycosylamin aus einer Aldose in 1 Amino 1 desoxy ketosen durch die Amadori Umlagerung stabilisiert Ketosylamine Glycosylamin aus einer Ketose werden durch die sogenannte Heyns Umlagerung in 2 Amino 2 desoxy aldosen umgewandelt Abb 2 6 Die Amadori Umlagerung ist irreversibel w hrend die Heyns Umlagerung reversibel ist 14 Theoretische Grundlagen Am
162. ischen 2 und 8 Gew scheint linear zu sein R 98 bei h heren Luftfeuchten jedoch gekr mmt Im linearen Bereich l sst sich die Glas bergangstemperatur mit Hilfe der Gl 17 berechnen Ergebnisse und Diskussion 165 70 p spr hgetrocknet 60 e PGSS getrocknet 50 Ay x berechnet nach sm EN Gordon amp Taylor GI 16 Glas bergangstemperatur C Gutfeuchte Gew Abb 6 80 Glasubergangstemperatur in Abhangigkeit des Feuchtegehaltes des Malzextraktpulvers experimentelle und nach Gordon amp Taylor berechnete Werte Tg C 83 75 C 8 785 W Gl 17 W Feuchtegehalt des Malzextraktpulvers in Gew Mit diesem Zusammenhang ist es m glich die Glas bergangstemperatur abh ngig von Restfeuchtegehalt des Pulvers abzusch tzen und eine g nstige Lagerungs temperatur auszuw hlen Die Lagerungstemperatur soll unter der Glas bergangs temperatur liegen Je gr er der Unterschied zwischen diesen Temperaturen ist desto l nger ist die Haltbarkeit des Produktes In dem vorherigen Abschnitt wurde festgestellt dass bei Raumtemperatur 25 C die relative Luftfeuchte maximal 35 betragen darf um das Pulver im pulvrigen Zustand zu halten Bei diesen Bedingungen wird das Pulver einen Restfeuchtegehalt von 5 3 Gew im Gleichgewicht mit der Umgebung erreichen Zu diesem Restfeuchte gehalt geh rt eine Glas bergangstemperatur von 40 C Die Lagerung bei einer Temperatur von Tg 20K w rde die Haltbarkeit des Pu
163. issenschaftliche Mitarbeiterin LS f r verfahrenstechnische Transportprozesse Ruhr Universit t Bochum
164. it t auf Der in der vorliegenden Arbeit untersuchte Malzextrakt wurde aus Gerste gewonnen Diese wird zuerst ges ubert und gesch lt und danach bis zu zwei Tage unter Wasser gesetzt Dadurch steigt der Wassergehalt des Getreides an und die Keimruhe das hei t der Punkt ab dem das Korn keimt wird berwunden Im Anschluss wird das Zwischenprodukt Spitzmalz in Keimk sten gebracht und eine Woche lang stetig befeuchtet bel ftet und gewendet um eine gleichm ige Keimung zu gew hrleisten Das Produkt das Gr nmalz wird beim Darren getrocknet um ihn lagerf hig zu machen Der Zweck des beschriebenen Prozesses der sogenannten M lzung ist es durch das keimen Enzyme zu bilden die sp ter f r den Abbau von St rke und Eiwei ben tigt werden Es entstehen au erdem Spaltprodukte der St rke wie Disaccharide und Maltose Oschmann 2010 F r die Weiterverarbeitung zu Malzextrakt wird das Malz zuerst geschrotet und anschlie end in Wasser gegeben Die resultierende Maische wird bei Temperaturen zwischen 50 C und 80 C leicht erhitzt und ziehen gelassen Im Anschluss werden unl sliche Stoffe Treber abgefiltert und als Produkt bleibt die W rze brig Sie wird im Anschluss f r eine Stunde gekocht und anschlie end werden die Proteine und koagulierten Stoffe in einem Whirlpool abgetrennt Im letzten Schritt wird das 26 Eingesetzte Substanzen Wasser schonend im Vakuum ausgedampft Der so erhaltene z hfl
165. ithian 4 one ist mit Erh hung des Druckes mittels scCO gestiegen und deren Konzentrationen waren bei Verwendung von scCO h her als bei Verwendung von Sch Die Bildung von Thiolen Disulfiden und formyl substituierte Thiophene wurde bei Verwendung von scCO gt beg nstigt Xu 2010 vermutet dass die reversibel Absenkung des pH Wertes durch Einl sung von CO2 zu einer Katalyse der 2 3 Enolisierung f hrt Dadurch werden niedrigere Menge an braunen Substanzen aber h here Mengen an hoch aromatischen fleischigen Substanzen produziert Dies ist eine potenzielle Anwendung in der Herstellung von Aromastoffen Technologie Ern hrungs und Gesundheitsbedeutung der Maillard Reaktion Die Maillard Reaktion wird in der Lebensmittelindustrie h ufig angewand um charakteristische Koch Back und R staromen herzustellen Allein beim Kaffee sind ca 1000 und im Fleisch ca 600 Aromakomponenten nachgewiesen worden Angrick 1980 Auch der bittere Geschmack von Bier und Brotkrusten ist auf eine Maillard Reaktion zur ckzuf hren Dennoch ist bei der Maillard Reaktion eine N hrwertminderung zu ber cksichtigen die durch die Blockierung von Proteinen zu unverdaulichen Verbindungen sowie dem Abbau von freien Aminos uren durch den Strecker Abbau entstehen Dies ist darauf zur ckzuf hren dass w hrend der Maillard Reaktion essentielle Aminos uren wie Lysin reagieren k nnen und damit ihre biologische Verf gbarkeit verlieren Beim Trocknen R sten od
166. itteln die antioxidative und antimutagene Wirkung In der Gesamtbeurteilung m ssen daher die klassischen Maillard Produkte durchaus positiv beurteilt werden dritter schweizerische Ern hrungsbericht Diehl 2000 In der Lebensmittelchemie ist man bestrebt die Maillard Reaktion so ablaufen zu lassen dass die Bildung von toxischen Produkten und die Minderung essentieller Bestandteile unterdr ckt wird w hrend erw nschte Substanzen in gew nschten Umfang entstehen Ledl 1990 Bestimmung der Produkte der Maillard Reaktion Nach Fennema 1993 bildet sich in der ersten Phase der Maillard Reaktion eine L sung mit hoher reduzierender Wirkung die weder im sichtbaren Bereich noch im UV Bereich Strahlung absorbiert Wenn die Reaktion abl uft zeigt sich die Absorption im Nah UV Bereich 200 bis 380 nm Lerici 1990 berichtet dass die ersten farblosen Komponenten die sich w hrend der Maillard Reaktion bilden eine Absorption zwischen 285 und 300 nm zeigen mit einem Maximum bei 294 nm 22 Theoretische Grundlagen In der zweiten Phase der Maillard Reaktion bilden sich gelb bis braunfarbige Komponenten die ein Absorptionsmaximum bei 420 nm aufweisen Oft wird der Braunungsgrad durch ber die Lichtabsorption bei 420 nm bestimmt Fennema 1993 Xu 2010 Tamaoka 1991 Andere Methode wie die chromatografische Trennung die Bestimmung der Menge an produziertem Kohlendioxid und die Analyse UV bzw IR Spektra werden auch f r die Bes
167. ktes sichtbar Die genannten Ph nomene sind bei den Vorversuchen in Abb 6 4 und Abb 6 5 deutlich zu erkennen Versuche bei noch h heren Temperaturen wurden nicht durchgef hrt da im Malzextrakt bei 120 C nach einiger Zeit Glasblasen entstehen Es scheint angesichts der hohen Siedetemperaturen bei hohen Dr cken in der Sichtzelle wahrscheinlicher dass es sich nicht um Sieden sondern um eine chemische Reaktion unter CO2 Entwicklung Maillard Reaktion bzw Karamellisierung handelt In den Versuchen konnte keine wesentliche Ver nderung des Phasenspiegels in Abh ngigkeit vom Druck und Temperaturniveau festgestellt werden Ein Anstieg des Phasenspiegels der Fl ssigphase resultiert zumeist aus einer erheblichen Einl sung von Kohlendioxid Eine solche Ver nderung wurde hier nicht beobachtet dies bedeutet jedoch nicht dass sich kein CO2 in der Fl ssigphase gel st hat Einen genaueren Aufschluss bieten hier die quantitativen Phasengleichgewichts Ergebnisse und Diskussion 83 untersuchungen Auch in der komprimierten Gasphase l sen sich Bestandteile des Malzextraktes Dies kann man aus der Tatsache schlie en dass bei einer Proben entnahme aus der Gasphase ein charakteristischer Malzgeruch wahrnehmbar war 1 bar 50 bar 200 bar Abb 6 5 Malzextrakt mit Kohlendioxid bei 120 C Wird nach dem Versuch der Druck in der Zelle reduziert kann das Entstehen zahlreicher Gasblasen in der Fl ssigphase beobachtet werden Dies ist
168. l ist durch eine glatte Oberfl che die keine Poren und Falten aufweist charakterisiert Die Morphologie ndert sich bei nderung der Spr hparameter kaum Die Abb 9 3 im Anhang zeigt die normierte Breite span der Partikelgr enverteilung der spr hgetrockneten Malzpulver Es ist zu sehen dass die Partikelgr enverteilungen nicht die ideale Verteilungsbreite aufweisen Nach Masters 1991 ist das Tropfengr enverteilungsspektrum bei der Zwei stoffduse gegen ber der Einstoffd se breiter Die breiteste Partikelgr enverteilung ist im Versuch V23 zu sehen bei dem eine Malzextraktl sung mit 65 Gew TS verwendet wurde Die engste Partikelgr enverteilung wird im Versuch V28b erreicht Bei diesem Versuch wurde mit einer Malzextraktl sung mit 60 Gew TS gearbeitet Diese wurde bei 140 C getrocknet Die gemessene d10 3 ds50 3 und dgo 3 Werte der spr hgetrockneten Malzpulver ist aus Abb 9 2 im Anhang zu entnehmen Die dio 3 Werte liegen zwischen 3 und 8 um Die Medianwerte ds50 3 schwanken in einem Bereich zwischen 14 und 49 um Der Grobkornbereich der durch den dgo 3 Wert gekennzeichnet wird erreicht zwischen 80 und 255 um 118 Ergebnisse und Diskussion 6 4 Parametereinflusse bei PGSS Trocknung Im Rahmen dieser Arbeit wurden insgesamt 71 Versuche zur Trocknung und Pulverisierung von Malzextrakt durchgefuhrt Die Versuchsparameter sowie die charakterisierten Eigenschaften der Versuche V1 V71 sind in Tab 9 11
169. liegt zwischen 2 und 4 Gew Pulver mit solch geringem Restwassergehalt weisen Glas bergangstemperaturen zwischen 49 und 68 C auf sie sind bei Raumtemperatur l nger lagerf hig als Pulver mit h herem Restfeuchtegehalt und damit niedrigerer Glas bergangstemperatur Mit Hilfe des PGSS Trocknungsverfahrens wurde Malzextrakt bis zu einer Restfeuchte von 3 1 Gew getrocknet Die Partikelmorphologie der PGSS getrockneten Partikel ist durch ihre Porosit t charakterisiert welche eine schnelle L slichkeit gew hrleistet Die PGSS getrockneten Pulver zeigen eine h here Wasseraufnahmegeschwindigkeit als die spr hgetrockneten Pulver Sie weisen eine Sch ttdichte zwischen 70 und 270 kg m und eine R tteldichte zwischen 176 und 403 kg m auf die normierten Breiten span der erzeugen Partikelgr en verteilungen liegen zwischen 2 4 und 22 7 Damit ist der span Bereich dieser Pulver gr er als der der spr hgetrockneten Pulver zw 4 1 und 9 3 Die Medianwerte Cen a schwanken zwischen 11 bis 314 um und sind damit viel gr er als die der durch Spr htrocknung erzeugten Pulver Das Flie verhalten der PGSS getrockneten Pulver ist hnlich wie bei dem spr hgetrockneten Pulver koh siv Die Kompaktierungsneigung der durch PGSS hergestellten Pulver war sehr unterschiedlich sie h ngt stark von Wassergehalt und Porosit t ab Es wurden runde kartoffelartige und faserartige Partikel mit verschiedenen Graden von Porosit t erzeugt Dabei spielt
170. lieren Wenn der Druckverlust im System mehr als 20 mbar betr gt wird die Anlage automatisch ausgeschaltet Die Erh hung des Druckverlustes erfolgte durch Ablagerungen in der Abluftleitung Dies geschieht wenn das Produkt nicht trocken genug ist und an den W nden der Leitung haftet In diesem Fall wird der Versuch abgebrochen Die Bef rderung der L sung mittels der Peristaltikpumpe erfolgt bei Umgebungs temperatur Die benutzte Peristaltikpumpe der Firma Ismatec MV Pump System ist mit einem Schlauch von 3 5 mm Innendurchmesser ausgestattet Da die Viskosit t des Malzextraktes bei Umgebungstemperatur in der Ausgangskonzentration zu hoch ist wird der Malzextrakt verd nnt 72 Pulverisierungsanlagen Die wichtigsten Versuchsparameter wie Lufteintrittstemperatur Luftaustritts temperatur Trocknungsluftmenge Drehzahl der Pumpe und Durchsatz Einstellung der Peristaltikpumpe werden von einem Messdatenerfassungssystem registriert am Bildschirm des Rechners angezeigt und per Hand notiert Druckluft _ PB Pulver Abb 5 1 Schema der Spruhtrocknungs Versuchsanlage Luft Edukt N d Abb 5 2 Schematische Darstellung und Bild der verwendeten Zweistoffd se Pulverisierungsanlagen 73 Schlauchfiter BER Zweistoffdiise_ i Peristaltik pumpe Produktbehalter Abb 5 3 Spruhtrocknungsanlage 5 1 2 Versuchsdurchf hrung Die Malzextraktlosung wird mit destilliertem Wasser vorb
171. linhaltsstoffen wie der Wasser gehalt in Honig Die Methode ist auch f r die Extraktbestimmung bei Lebensmitteln geeignet bei der der Extrakt haupts chlich aus Zucker besteht wie bei Konfit ren Honig St rkesirup S ften usw Matissek 2006 Die Konzentration der wasserl slichen Feststoffe wird mit Hilfe eines temperierten Abb Refraktometers bestimmt Das Prinzip des optischen Messgerats der Messung beruht auf der Brechung des Lichts die durch Art und Konzentration der gel sten Stoffe entsteht Der Brechungsindex n ist als Quotient des Sinus des Einfalls winkels sin i4 und des Sinus des Brechungswinkels sin iz des Lichts beim ber gang zwischen Luft und einem optisch dichteren Medium definiert n sin i sin iz Medium 1 Lichtquelle Prismen Abb 4 6 Das Brechungsgesetz i Einfallswinkel iz Brechungswinkel links Schematischer Aufbau eines Abbe Refraktometers Matissek 2006 Der Brechungsindex ist stark von der Zusammensetzung der Probe von ihrer Temperatur und von der Wellenl nge des verwendeten Lichts abh ngig In der Regel wird n bei der Spektrallinie des gelben Natriumlichts A 589 nm und bei Temperaturen von 20 25 oder 40 C gemessen und in folgender Schreibweise angegeben Mb Der Brechungs oder Refraktionsindex wird in dieser Arbeit bei 23 C und 579nm oranges Licht der Quecksilberdampflampe gemessen n2 Die Abb 4 7 zeigt die f r die Versuche experimentell bestimmte Eichkurve D
172. links Bindungswarme als Funktion des Wassergehalts rechts Die experimentell ermittelten Desorptionsisothermen des Malzextraktspulvers bei 25 C und 65 C sind in der Abb 6 76 und Abb 6 77 aufgezeigt In beiden Fallen ist eine deutliche Hysterese zu erkennen Allerdings ist eine umgekehrte Hysterese bei der Desorption bei 65 C zu sehen Dieses Verhalten wurde in drei Versuchen reproduzierbar festgestellt und ist vermutlich auf die Freisetzung des Wassers w hrend der Maillard Reaktion zur ckzuf hren 40 35 i 3 0 A f Gutsfeuchte g H 0 100 g TS N 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Ay Sorption 25 C Sorption 25 C berechnet nach GAB R2 0 86 Desorption 25 C See Desorption 25 C berechnet nach GAB R2 0 93 Abb 6 76 Sorptions und Desorptionsisothermen bei 25 C von PGSS Malzextraktpulver 162 Ergebnisse und Diskussion Sorption 65 C 45 e Desorption 65 C Gutsfeuchte g H20 100 g TS 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Aw Abb 6 77 Sorptions und Desorptionsisothermen bei 65 C von PGSS Malzextraktpulver In der Abb 6 78 sind die verschiedenen Zustandsformen des Pulvers bei 65 C und verschiedener relativer Luftfeuchte dargestellt Es lasst sich erkennen dass die maximal zul ssige relative Feuchte bei Spr hturmbedingungen 65 C h chstens 20 betragen darf wenn Pulver hergestellt werden soll Oberhalb dieser relativen Feuchte geht das Pulver in e
173. llierten Wasser auf 12 Gew Trockenmasseanteil per W gung verd nnt dann mit einem 15 um Taschenfilter vorfiltriert und dann mit einem 0 45 um PTFE Membranfilter klar filtriert Mit Hilfe des Refraktometers und durch Zugabe von destilliertem Wasser wird die gefilterte L sung auf den Brechungsindex eingestellt der exakt 12 Gew TS oder 12 Brix entspricht s Abb 4 7 Anschlie end wird die Absorption der L sung im Spektralfotometer bei einer Wellenl nge von 430 nm gegen ber destilliertem Wasser gemessen Abb 4 8 und Abb 4 9 Der Absorptions wert Ay4sonm wird nach Gl 1 mit dem Faktor 25 multipliziert und das Ergebnis in 46 Untersuchungsmethoden EBC Einheiten angegeben Die EBC Farbzahl ist eine wichtige Gr e zur Messung der Farbqualitat von Bier F EBC 25 Agen Gl 1 Malzextrakt Einl sen in Wasser ca 12 Gew TS Filtrieren mit Taschenfilter 15 um Filtrieren mit PTFE Membranfilter 0 45 um berpr fen des Brechungsindex 12 Brix Messung der Lichtabsorption bei 430 nm Abb 4 8 Verfahrensschema der EBC Farbwertbestimmung gt Probe CS Referenz Abb 4 9 Schematischer Aufbau eines Zweistrahl Photometers L Strahlungsquelle Lichtquelle M Monochromator P Probenstrahl R Referenzstrahl D Detektor S Signalauswerteeinheit Matissek 2006 Bei der Farbbestimmung ist auf eine genaue Einhaltung der L sungsverd nnung zu achten da je h h
174. lvers ohne Verpackung gew hrleisten Die im Rahmen dieser Arbeit hergestellten Malzextraktpulver wurden mit einer Folie PA HV PE 90 um die eine Wasserdampfdurchl ssigkeit von 2 6 g m Tag bar aufweist verpackt und bei einer relativen Luftfeuchte von 45 5 und Temperaturen von 23 2 C gelagert Die Pulver die einen Restfeuchtegehalt von 4 7 Gew bei der Herstellung aufwiesen haben eine Haltbarkeit von 9 Monaten gezeigt Pulver mit 166 Ergebnisse und Diskussion einem Restfeuchtegehalt bei der Herstellung von 3 5 Gew oder weniger haben eine Haltbarkeit von mindestens 1 5 Jahren gezeigt Die Hygroskopizitat des Malz extraktes wird nicht durch Pulverisierung verandert werden aber eine lange Haltbarkeit kann mit Hilfe einer dampfundurchlassigen Folie und bei Lagerung bei Temperaturen Tg 20 K erzielt werden Die Pulverisierung des Malzextraktes beg nstigt im Vergleich zu den fl ssigen Malzextrakten die Haltbarkeit Bei der Trocknung wird die Wasseraktivitat von Malzextrakt von 0 85 auf ca 0 2 verringert s Abb 6 73 und damit die Vermehrung mikrobiologischer Kontamination ausgeschlossen Au erdem wird bei niedrigen Wasseraktivit ten die Maillard Reaktion langsamer geschehen s Abb 2 12 und damit die Zusammensetzung des Malzextraktpulvers konstant gehalten Zus tzlich zur Messung wurde die Entwicklung des Glas berganges bei unter schiedlichen Feuchtegehalten des Malzextraktes mit der Gleichung von Gordon und T
175. m Abb 6 50 Abhangigkeit des Braunungsgrades von der Vorexpansionstemperatur Weitere Einflusse der Erhohung der Vorexpansionstemperatur von 125 auf 160 C auf die Partikeleigenschaften sind eine leichte Absenkung der Partikelgr e und Erh hung der R tteldichte 6 4 6 Spr hturmtemperatur Eine Vortrocknung des Malzextraktes erfolgt beim PGSS Verfahren durch Hochdruckextraktion von Wasser mittels Kohlendioxid in der Mischstrecke und anschlie end durch Entweichen von feuchtem Kohlendioxid bei der Entspannung in der D se die weitere Trocknung der Partikel erfolgt im Spr hturm durch Hei luft Die Spr hturmbedingungen sind wie bei einer einfachen Spr htrocknung wichtig f r die Eigenschaften des entstehenden Pulvers Die Abb 6 51 vergleicht zwei Spr h versuche die sich im Wesentlichen in der Spr hturmtemperatur unterscheiden Um h here Spr hturmtemperaturen zu erreichen wurde der Spr hturm in einem dieser Versuche auf 90 C vorgeheizt Der anschlie ende Spr hversuch selbst hat nur 10 Minuten gedauert Die station re Nachexpansionstemperatur wurde absichtlich nicht erreicht Eine mittlere Erh hung von 7 K der Spr hturmtemperatur bewirkt hiernach eine Senkung von knapp 1 Gew in der Restfeuchte Die Restfeuchte des Pulvers h ngt also auch von der Nachexpansionstemperatur ab Weitere Einfl sse auf die Partikeleigenschaften wurden nicht festgestellt 134 Ergebnisse und Diskussion 6 5 6 0 5 5 5 0 H Restfeuchte
176. mg ter sind Waschmittel Keramikpulver D ngemittel Farb pigmente Milchpulver Molkenpulver Babynahrung Instantkaffee verkapselte Lebensmittelinhaltsstoffe wie Aromen Antioxidantien usw Das Spr htrocknungsverfahren wurde bereits im 19 Jahrhundert in der Industrie verwendet Im Jahr 1850 wurde das Verfahren erstmals in der Milchindustrie eingef hrt Das erste Patent Improvements in Drying and Concentrating Liquid Substances by Atomizing wurde 1872 von Samuel Percy angemeldet Im Jahr 1901 patentierte Stauff ein Spr htrocknungsverfahren f r Blut und Milch Der Durchbruch jedoch gelang erst 1933 in den USA als der Amerikaner Grey und der D ne Jensen einen neuartigen D senzerst uber erfunden haben und diesen kommerziell vermarkten konnten Der erste rotierende Zerst uber wurde 1912 von dem Deutschen Kraus erfunden aber erst 1933 durch den d nischen Ingenieur Nyrop patentiert Zimontkowski 2006 Im zweiten Weltkrieg wurden Lebensmittel Kunststoffe und Waschmittel spr hgetrocknet Masters 1991 Auf dieser Basis folgten weitere Entwicklungen und f hrten dazu dass die heute vorhandenen Anlagen technisch h chst ausgereifte Konstruktionen sind Einer der gr ten Vorteile der Spr htrocknung liegt in dem kurzen Kontakt zwischen Spr hgut und hei er Trocknungsluft Es handelt sich dabei um einen sehr raschen und trotzdem schonenden Prozess Dies erm glicht auch die Trocknung von stark w rmeempfindlichen Stoffen wie b
177. mperatur 168 Ergebnisse und Diskussion Bei den Spr htrocknungsversuchen lag der h chste Restfeuchtegehalt bei dem das Malzextraktpulver im trockenen Zustand vorlag bei 3 7 Gew Der niedrigste erreichte Restfeuchtegehalt war 2 Gew Bhandari 1997 hat die Auswirkung von der Glasubergangstemperatur auf die Trocknung von Lebensmitteln analysiert Er empfiehlt Trocknungstemperaturen die nicht mehr als 20 K ber der Glas bergangs temperatur liegen um die Klebrigkeit der Produkte zu verhindern Aus diesem Grund ist bei der Spr htrocknung von Malzextrakt darauf zu achten die Luftaustritts temperaturen zwischen 70 und 90 C zu halten um ein trockenes und nicht klebriges Produkt zu erhalten s auch Abschnitt 6 3 1 Bei dem PGSS Trocknungsverfahren ist auch die Glas bergangstemperatur w hrend des Trocknungsprozesses zu ber cksichtigen Wie bereits bekannt steigt die Glas bergangstemperatur des Malzextraktes im Laufe des Trocknungs prozesses Die Malzextraktpartikel erreichen blicherweise bei der PGSS Trocknung einen Feuchtegehalt von ca 5 Gew Dies entspricht einer Glas bergangs temperatur von 40 C Die Partikel werden w hrend des Prozesses vom Spr hturm ber einen Zyklon bis zum Sammelbeh lter transportiert Dort haben sie Kontakt mit den Oberfl chen des Zyklons und des Sammelbeh lters deren Temperaturen nicht mehr als Tg 20 K betragen sollen um ein Verkleben zu verhindern Bei Versuchen in denen die Tempera
178. mperaturbereich Als Faustregel gilt dass sich der Umsatz mindestens verdoppelt wenn die Temperatur um 10 C erh ht wird Ledl 1990 Der Effekt des pH Wertes auf die Maillard Reaktion ist sehr wichtig In L sungen mit einem pH Wert der niedriger als 6 ist tritt kaum eine Reaktion auf weil in sauren L sungen die Aminogruppe protoniert ist und dadurch die Bildung von Glycosylamine gehemmt wird In einem pH Bereich von 7 8 bis 9 2 l uft die Reaktion schneller ab Fennema 1993 Mori 2003 hat das System Maltose Prolin erforscht und nachgewiesen dass bei pH Werten unter 4 fast keine fl chtigen Verbindungen entstehen Led 1990 Bei Wasseraktivit ten Ay Wert zwischen 0 6 und 0 9 wird die Reaktion beg nstigt Fennema 1993 Doob 1942 beobachtete dass die Br unung von fettarmem Milchpulver bei Ay Werten zwischen 0 6 und 0 8 ihr Maximum erreicht hatte Aw Werte niedriger als 0 6 schr nken die Mobilit t der Komponenten ein Ay Werte h her als 0 9 hemmen die Reaktion da die Komponenten verd nnt sind Abb 2 12 gt Fettoxidation nicht enzymat Braunung d hydrolyt d Reaktionen Wachstum von Schimmel pilzen Hefen Bakterien Intensitat der Produktveranderungen 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 Wasseraktivitat Aw Abb 2 12 Mechanismen in Lebensmitteln Kessler 1996 Theoretische Grundlagen 19 Die Anwesenheit von Kupfer und Eisen beg nstigt die Maillard Reaktion Fe III ist effektiver als Feil Die Ge
179. mson Effekt des Gases abgek hlt Es bildet sich unter entsprechenden Nachexpansionsbedingungen im Spr hturm Pulver der gew nschten Eigenschaften Das freigesetzte feuchte Kohlendioxid wird aus dem Spr hturm mittels eines Gebl ses ber einen Zyklon abgesaugt und das Pulver durch eine Schleuse in einem Sammelbeh lter deponiert Qualitative und quantitative Voruntersuchungen des Verhaltens von Malzextrakt in Gegenwart von Kohlendioxid wurden bei Dr cken von 50 bis 300 bar und Temperaturen von 60 bis 120 C durchgef hrt Dabei zeigt sich dass in diesem Druck und Temperaturbereich praktisch keine Mischung von Kohlendioxid und Malzextrakt stattfindet Die experimentell ermittelte L slichkeit von Malzextrakt im Kohlendioxid liegt zwischen 0 5 und 1 Gew Die Einl sung von Kohlendioxid in Malzextrakt steigt mit der Temperatur und dem Druck Die L slichkeit von Kohlendioxid bei hohem Druck in Malzextrakt unter den Bedingungen der Vorversuche betr gt maximal 4 Gew Sie gew hrleistet das Zerrei en der Tropfen bei der Entspannung w hrend der PGSS Trocknung In beiden Spr hprozessen ist eine F rderung des Malzextraktes mittels Pumpen notwendig Um das Flie verhalten zu beurteilen wurde die Viskosit t des Malzextraktes bei verschiedenen Temperaturen Verd nnungen und Scherraten gemessen Bei einer Temperaturerh hung von Umgebungstemperatur auf 60 C sinkt die Viskosit t des Extraktes von 6 Pas auf 0 4 Pas Damit kann der Extrakt mittel
180. muss das Viskositatsmessgerat kalibriert werden Dazu dient eine Kalibriersubstanz z B Glycerin deren Dichte und Viskositat genau bekannt sind Fur quantitative Phasengleichgewichtsbestimmungen wird vor jeder Proben entnahme sowohl f r die Gas als auch f r die Flussigphase je eine Blindprobe entnommen So werden eventuell in den Hochdruckleitungen abgelagerte Stoffe aus vorangegangenen Versuchen entfernt und die eigentliche Probe dadurch nicht verf lscht Anschlie end werden aus jeder der beiden Phasen mindestens zwei Proben entnommen Die Probenfinger fur die Entnahme der Probe sind an einem Gaszahler angeschlossen Dieser misst das Volumen des aus der Probe entweichenden Gases Dieses Volumen wird f r die anschlie ende Bestimmung des gel sten CO2 in den Phasen ben tigt Das experimentelle Vorgehen bei der Phasengleichgewichtsuntersuchung ist in Abb 4 4 zusammengefasst Die Proben werden nach der Entnahme gewogen und anschlie end nochmal entgast F r die Entgasung werden die Proben der Gasphase 10 Minuten lang offen stehen gelassen w hrend die Proben der Fl ssigphase 5 Minuten lang im Wasser bad bei 50 C erw rmt werden Die Erw rmung soll sicherstellen dass der Malzextrakt aufgrund seiner hohen Hygroskopizit t keine Luftfeuchte aufnimmt W hrend der Erw rmung wird der Gehalt an l slichen Feststoffen refraktometrisch kontrolliert um sicherzustellen dass die Malzextraktprobe kein Wasser durch Verdunstung verliert
181. n 3 und 5 Gew auf Bei der Aus wertung und Analyse der erhaltenen W rmestromkurven traten Glas berg nge immer auf allerdings wurde kein Schmelzpeak beobachtet Das bedeutet dass mittels der Spr hverfahren Malzextraktpulver in amorphem Zustand erhalten wird Au erdem wurde festgestellt dass bei trockeneren Pulvern die Glas bergangs temperatur niedriger ist Die Glas bergangstemperatur h ngt damit indirekt vom Herstellungsprozess ab da je nach Herstellungsprozess sowie angewendeten Trocknungsparametern eine bestimmte Feuchte erreicht wird Die Abb 6 79 zeigt den Verlauf der W rmestr me bei der Messung der Glas bergangstemperatur eines PGSS V42 und spr hgetrockneten Pulvers V8 Die Glasubergangstemperatur des Malzextraktpulvers liegt zwischen den Glasubergangen der Einzelkomponenten Die Komponenten haben eine gemeinsame Glas bergangstemperatur gebildet Bei unvertr glichen Mischungen kann es auch vorkommen dass die Eigenschaften der Komponenten in der Mischung weitgehend erhalten bleiben und mehrere Glas berg nge bei den Temperaturen der urspr nglichen Einzelkomponenten vorgefunden werden Aufgrund des sehr niedrigen Glas berganges des Wassers 135 C nach Hallbr cker 1989 ist die Glas bergangstemperatur der Proben stark vom Restfeuchtegehalt abh ngig 164 Ergebnisse und Diskussion Spr hgetrocknet 3 77 Gew Restfeuchte T 34 90 und 65 47 C t 14 8 und 17 9 min ACp 0 377 mW Tg 49 279
182. n durch eine a 1 4 glykosidische Bindung miteinander verkn pft Fennema 1993 Maltose geh rt zu der Gruppe der reduzierenden Disaccharide da die Hydroxylgruppe OH am C1 Atom einer Glucose noch frei ist rechts im Abb 3 2 CH OH CH OH H H H OH oO oO H H OH H OH H OH O H H OH H OH Glucose Glucose Abb 3 2 Schematische Darstellung der Maltose Die reduzierende Gruppe ist mit gekennzeichnet 28 Eingesetzte Substanzen Tab 3 1 Eigenschaften und Zusammensetzung des verwendeten Malzextraktes Eigenschaften Wert Trockenmasseanteil Gew 72 79 spezifisches Gewicht g ml 1 35 2 _ 41 40 Brennwert kJ 100 g 1100 1200 H Farbe EBC in 13 P Stammw rze 15 18 Farbe EBC in 13 P Stammw rze 23 6 0 1 Viskosit t bei 20 C Pa s 5 8 0 1 pH Wert 5 1 0 1 1 Zusammensetzung Gew Wasser 25 5 0 3 Proteine 5 8 0 5 Maltose 39 3 0 5 Maltotriose 18 0 5 Glucose 6 4 0 5 Saccharose 1 9 0 5 Fructose 1 6 0 5 Salzen Vitaminen 1 5 0 3 diese Arbeit Januar 2008 I laut Hersteller Der Anteil an Proteinen im Malzextrakt betragt etwa 6 Gew Proteine sind lange Ketten von Aminos uren die ber Peptidbindungen verkn pft sind das hei t die Carbonylverbindung der Aminos ure A verbindet sich mit der Aminogruppe der Aminos ure B Aminos uren bestehen aus einer Carbonylgruppe COOH und einer Aminogruppe NH2 und einem Rest Aufgrund der Polarisation dieser Seitenkette Rest werden die 20 w
183. n im Bereich von 0 und 29 EBC Werte ver ndert Die Partikelmorphologie der durch PGSS getrockneten Partikel wird durch ihre Porosit t charakterisiert Es wurden runde kartoffelartige und faserartige Partikel mit verschiedenen Graden an Porosit t erzeugt Die erzeugten Partikel weisen eine niedrige Sch ttdichte zwischen 70 und 270 kg m auf Die R tteldichte schwankt zwischen 176 und 403 kamt Das antiradikale Potential ARP steigt mit erh hter thermischer Beanspruchung aufgrund der durch die Maillard Reaktion gebildeten Komponenten und deren antioxidativer Wirkung Eine Absenkung des Eiwei gehalts bei den stark thermisch behandelten Proben wurde nicht nachgewiesen da die Maillard Produkte stickstoffhaltig sind Um den Restfeuchtegehalt so gering wie m glich und die Dichte so gro wie m glich zu erreichen sollen die Spr hparameter so ausgew hlt werden dass der Vorexpansionsdruck sowie die SGM w hrend des Prozesses nicht allzu hoch sind p lt 100 und SGM lt 18 Eine Verd nnung des Malzextraktes hilft die viskose Substanz leichter zu f rdern Die Verd nnung des Extraktes ber 30 Gew Wassergehalt hat die Bildung von extrem por sen Partikeln zur Folge Statische Mischer werden eingesetzt um das Kohlendioxid gut zu verteilen und einzul sen sowie um runde massive Partikel mit m glichst enger Partikelgr enverteilung zu erzeugen Von den durchgef hrten Versuchen weisen die Partikel im Versuch V54 py 92 bar Ty 145 SGM
184. nd ber D sen in einem Spr hturm entspannt Dazu wird fl ssiges Kohlendioxid mittels einer Dosierpumpe PK komprimiert Abb 2 2 in einem W rme bertrager W erw rmt und zu einem statischen Mischer SM gef rdert Die zu pulverisierende Substanz wird mit einer weiteren Dosierpumpe PE ebenfalls zum statischen Mischer gef rdert Im statischen Mischer werden Gas und Fl ssigkeit unter hohem Druck intensiv f r kurze Zeit vermischt Millisekunden bis Sekunden Durch das Kohlendioxid werden Grenzfl chenspannung und Viskosit t der Substanz herabgesetzt was eine besondere effektive Durchmischung beg nstigt Dabei wird das Gemisch durch das erw rmte Gas schnell auf die Vorexpansionstemperatur Temperatur vor der D se erw rmt Ein Teil des Gases l st sich in der Fl ssigkeit und verringert damit deren Viskosit t Anschlie end wird die Mischung schlagartig durch eine Einstoffd se in einem bei Umgebungsdruck betriebenen Spr hturm ST adiabat entspannt Bei der Entspannung tritt das Gas schlagartig in gasf rmigem Zustand aus der fl ssigen Phase aus Durch die starke Volumenzunahme wird die Mischung in feine Tr pfchen zerrissen Die Tr pfchen des Gemisches die in der D se gebildet wurden werden durch das entweichende Kohlendioxid weiter zerteilt so dass ein sehr feiner Tr pfchennebel entsteht Gleichzeitig entweicht das L sungsmittel dampff rmig Bei der Entspannung k hlt sich das Kohlendioxid aufgrund des Joule Thomson Effektes
185. nd schlagartig bei maximaler K hlrate ca 60 K min bis zu 50 C unter die theoretische Glas bergangstemperatur abgek hlt W hrend der schnellen Abk hlung erstarrt der geschmolzene Kristall amorph Abb 4 28 Bei einem zweiten Aufheizen ist ein Glas bergang zu erkennen Bei der Aufheizung wird ein Sprung der W rmekapazit t gemessen und somit auch die Glas bergangstemperatur festgestellt Dabei es ist wichtig eine geeignete Heizrate auszuw hlen Um eine optimale Heizrate zu ermitteln wurde der Glas bergang des Glucosepulvers bei unterschiedlichen Heizraten von 5 10 und 20 K min gemessen Eine bessere Aufl sung und Genauigkeit wurde mit einer Heizrate von 10 K min erreicht Bei einer Heizrate von 5 K min konnte der Glas bergang nicht ermittelt werden Bei 20 K min nahm die Deutlichkeit des Sprunges Glas bergang zu die Genauigkeit der Glas bergangstemperatur nahm allerdings ab Bei 20 K min ist die gemessene Glas bergangstemperatur geringf gig h her als bei 10K min Diese Beobachtung wird auch in der Literatur best tigt Ehrenstein 2003 Die ermittelte Glas bergangstemperatur bei einer Heizrate von 10 K min lieferte Ergebnisse die mit der Literatur gut bereinstimmen Temperatur C 5 15 25 40 60 65 Zeit min Abb 4 28 Temperaturverlauf w hrend der Messung der Glas bergangstemperatur von Maltose Das verwendete Temperaturprofil f r die Bestimmung der Glas bergangstemperatur von Malzextraktpulver umfasst
186. ng Ergebnisse und Diskussion 113 Die Glasubergangstemperaturen der Pulver in der Versuchsreihe Tab 6 13 liegen je nach Restfeuchte zwischen 50 und 60 C Wenn die Pulver bei 60 C gelagert werden fangen diese an zu klumpen Dieses Ph nomen erkl rt die Vergr erung der Partikel ds50 3 von 41 auf 49 um Abb 6 27 100 egos d 9 E Kc e 80 ER O ce ZG E 60 E E R 2 amp 40 ee 3 e V28a_30 min 2 20 d S 5 ee e V28b_75 min 1000 0 1 10 100 Partikelgr e um 10000 Abb 6 27 Partikelgr enverteilung in Abh ngigkeit der Versuchsdauer 6 3 5 Zusammenfassung der Spr htrocknungsergebnisse Ein berblick aller Ergebnisse der Spr hversuche ist in Tab 6 14 dargestellt Die maximalen und minimalen Werte der Pulvereigenschaften sind angegeben Die Abb 6 28 zeigt ein repr sentatives Foto der spr hgetrockneten Pulver Tab 6 14 berblick ber die Pulvereigenschaften der mittels Spr htrocknung hergestellten Malzextraktpulver Pulvereigenschaften Max Restfeuchtegehalt Gew 0 05 4 Farbver nderung EBC 0 4 6 2 Eiwei gehalt Gew 0 2 6 2 pH 0 1 5 2 Glas bergangstemperatur C 1 68 Flie f higkeit 0 2 2 9 sehr kohasiv Sch ttdichte kg m 5 697 R tteldichte kg m 10 938 Partikelgr e dso 3 um 1 49 Partikelgr e Verteilungsbreite span 9 3 Kompaktierungsverhalten 1 Woche geringe K Feuchteaufnahmekapazit t g H2O 1
187. ngen Dehydratisierungen Redoxreaktionen und C C Spaltungen Die entstandenen Verbindungen sind fast alle au erordentlich reaktiv und k nnen sich spontan mit Aminokomponenten weiter umsetzen Beide Wege f hren zu sehr komplizierten und komplexen Mischungen welche Aromastoffe wie Furfural und Hydroxymethylfurfural HMF bilden Abb 2 7 Furfural ist das Produkt der Reaktion einer Pentose z B Fructose w hrend HMF das Produkt der Reaktion einer Hexose z B Glucose ist Insgesamt geht aus der ersten Phase der Maillard Reaktion eine ganze Palette reaktiver Di und Tricarbonylverbindungen hervor UN T O O H H Furfural 5 Hydroxymethylfurfural Abb 2 7 Furfural und Hydroxymethylfurfural HMF Verbindungen Theoretische Grundlagen 15 Hz C NHR w HC NHR H2 C NHR l a el il c OH 2 3 Enolisierung Be o 1 2 Enolisierung C OH OH EEN OH CH ve HO CH HC OH HO OH HC OH HC OH HC OH esch CH OH CH OH CHOH 1 Amino 2 3 Endiol Amadori Verbindung 1 2 Enaminol Amin OH CH HC NR C OH C OH cS O CH l us HC OH HO OH HO OH CH OH CH OH Ihren H H20 H N R H H 0 C O C O C o 1 Desoxyoson re 3 Desoxyoson CH ethy HC OH SE a Dicarbonylverbindung H i OH H i OH CH OH H20 SE EN EE Ho 0 2 C 6 CH a H OH CH OH Melanoidine H20 Reduktone 5 Hidroxymethyl a Dicarbonylverbindungen 2 Furfural Abb 2 8 Dekompositionswege der Amadori Verbindungen die zur Bildung der
188. nittliche Wert von mindestens zwei Messungen In Abb 6 69 und Abb 6 70 ist die sorptiv gebundene Feuchte in der Trockensubstanz in Abh ngigkeit vom Ay Wert bzw von der relativen Luftfeuchte dargestellt Beide Malzextraktpulver weisen eine Sorptionsisotherme zwischen Typ 2 oder sigmoidal und Typ 4 nach der BET Klassifizierung auf s Abschnitt 4 4 Diese zwei Arten von Isothermen treten h ufig in Nahrungsmitteln auf Die Isotherme Typ 2 ist f r l sliche Produkte wie Zucker typisch Die Sorptionsisothermen von Malzextraktpulvern bei 25 C lassen sich nach GAB Guggenheim Anderson de Boer modellieren Gl 15 Dieses Modell ist aus dem BET und dem Langmuir Modell entstanden und beschreibt das Sorptions und Desorptionsverhalten von vielen Lebensmitteln Das GAB Modell zeigt einen guten Korrelation zwischen A Werten von 0 1 bis 0 9 Santanu 2006 a ee lk slat ad Xe Xm C3 C4 Xi Xm LC Gl 15 Aw Wasseraktivitat Xe Feuchtegehalt bezogen auf TS Xm Monoschicht Feuchtegehalt bezogen auf TS C3 Konstante abh ngig von Monoschicht Sorptionswarme C4 Konstante abhangig von Mehrfachschicht Sorptionswarme 156 Ergebnisse und Diskussion Fur Malzextraktpulver aus Spruhtrocknung Xm 6 18 g H20 100g TS c3 5 154 c4 0 253 Fur Malzextraktpulver aus PGSS Xm 6 35 g H20 100g TS c3 6 062 c4 0 217 40 35 30 25 Gutsfeuchte g H 0 100 g TS N CH 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 Aw
189. nn Hier sind Vorbeugungs und Gegenma nahmen Erdung erforderlich Kohlendioxid wird auch als Treibgas in Spraydosen und Treibmittel in der Kunststoffverarbeitung angewendet In der Medizin wird es als Lasergas in der K ltechirurgie als CQz2 Injektion gegen arterielle Verschlusskrankheiten und in nat rlichen und k nstlichen B dern gegen Herz und Kreislaufst rungen verwendet Als saures Gas wird es zur Neutralisation alkalischer Abw sser Aush rtung von Trinkwasser und Wasserbehandlung eingesetzt Eingesetzte Substanzen 35 Ein neuer Anwendungsbereich ist die Gerbung In Gegenwart von gasformigem Kohlendioxid bei Drucken von uber 20 bar wird der klassische Gerbprozess um den Faktor 6 9 beschleunigt Gleichzeitig gelingt es die Abwassermenge auf weniger als 1 10 zu reduzieren Renner 2009 Fl ssiges Kohlenstoffdioxid wird mit der Bezeichnung R744 als K ltemittel in Fahrzeug und station ren Klima und K lteanlagen verwendet Es besitzt eine gro e volumetrische K lteleistung eine hohe Umweltvertr glichkeit Treibhauspotenzial im Vergleich zu heute verwendeten Kaltemitteln etwa 1 1000 kein Ozonabbau Potenzial Gewinnung aus industriellem Abfallgas berkritisches Kohlendioxid besitzt ein hohes L sungsverm gen f r unpolare Stoffe und kann organische L sungsmittel ersetzen Viele Substanzen l sen sich in berkritischem CO wesentlich besser als in flussigem oder gasf rmigem Diese Eigenschaft macht CO als Ext
190. nnen in 100 Litern Wasser gel st werden Willmes 2007 F r die Industrie wird Stickstoff mit Hilfe des Linde Verfahrens durch Verfl ssigung von Luft und anschlie ende fraktionierte Destillation gewonnen Der hier verwendete Stickstoff hat eine Reinheit von 99 99 und ist nach UN 1066 verdichtet Der Anfangsdruck der Flasche betrug 200 bar 3 4 Wasser Die chemische Verbindung Wasserstoffoxid besteht aus Wasserstoff und Sauerstoff Das chemische Formelzeichen ist H20 Wasser ist eine leichtbewegliche geruchs farb und geschmacklose Fl ssigkeit Die Viskosit t von Wasser bei 20 C betr gt 1 mPa s Der Schmelzpunkt von Wasser bzw Eis liegt bei 0 C 273 15 K Der Siedepunkt liegt bei 100 C 373 1 K Wasser hat bei 3 98 C eine Dichte von 1000 kg m Wasser ist die Fl ssigkeit mit dem gr ten L sungsverm gen f r Malzextrakt was auf den Dipolcharakter und die Dielektrizit tskonstante zur ckzuf hren ist Das Wassermolek l ist sehr stabil obwohl es eine reaktive Verbindung ist Willmes 2007 Die Bezeichnung Wasser gilt f r den fl ssigen Aggregatzustand Der feste Zustand wird als Eis und der gasf rmige Zustand als Wasserdampf bezeichnet Wasser wird in seiner deionisierten Form in dieser Arbeit als L sungs und Reinigungsmittel benutzt 4 Untersuchungsmethoden Die angewendeten Analysetechniken unterteilen sich in sechs Gruppen die Analysen unter hohem Druck die physikalischen Untersuchungen die chemischen Analys
191. nnte sich entsprechend dem Prinzip von Le Chatelier Prinzip des kleinsten Zwangs ein anderes Reaktions gleichgewicht einstellen Dadurch kann die Reaktion der beiden Stoffe Kohlendioxid und Amine beg nstigt werden Dijkstra 2007 berichtet dass h here Dr cke bis 200 bar die Reaktion von CO2 und Aminen beg nstigen w hrend h here Temperaturen bis 100 C diese Reaktion nicht f rdern Demzufolge k nnte die vorgestellte Hypothese das beobachtete Verhalten erkl ren Zus tzliche Versuche wurden mit einem vereinfachten System in Anwesenheit einer einzigen Zuckerart und in Abwesenheit von Proteinen durchgef hrt Das System D Glucose 75 Gew Wasser 25 Gew wurde bei 80 C 120 C und bei Dr cken von 100 bar und 200 bar untersucht Die erhaltenen L slichkeitswerte sind in Abb 6 8 gezeigt In bereinstimmung mit dem Malzextrakt zeigen die Ergebnisse dass das Glucose Wasser System das gleiche Verhalten wie der Malzextrakt aufweist In diesem Fall aber ist die L slichkeit des Kohlendioxids geringer als beim Malzextrakt Ausserdem haben sich die entnommenen fl ssigen Proben gelb bis hellbraum verf rbt Diesem Ph nomen liegt ein chemischer Prozess zugrunde Obwohl in diesem System die Maillard Reaktion wegen des Fehlens von Aminen nicht stattfinden kann kann die Erw rmung der Zuckerl sung zu chemischen Ver nderungen f hren wie beispielsweise zu anomerischen Ver nderungen Dehydratierung und zur Bildung von unges t
192. nnung des Malzextraktes 6 4 8 Partikelbildung in Abh ngigkeit von den Spr hturmbedingungen 6 4 9 Optimaler Arbeitsbereich 6 4 10 Steuerung des Br unungsgrades 6 4 11 Br unung w hrend der Pulverisierung und Qualit t des Produktpulvers 6 4 12 Zusammenfassung der PGSS Trocknungsergebnisse 6 5 Sorption und Desorption 6 6 Rolle der Glas bergangstemperatur bei Lagerung und Trocknung Zusammenfassung Quellenverzeichnis Anhang 71 71 74 79 80 80 88 91 92 92 97 98 99 103 107 109 111 113 118 121 124 126 129 132 133 134 136 139 141 147 150 155 163 169 175 A 1 Nomenklatur Nomenklatur Physikalische GroBen Symbol Cp d10 3 ds0 3 Ayo SI Einheit J kg K m m m kJ kg s m kmol kg kg kg kg J mim J mol J kmol K kg kg 3 physikalische Gr e spezifische isobare Warmekapazitat Partikeldurchmesser Partikeldurchmesser volumetrischer Medianwert Partikeldurchmesser Verd nnungsfaktor Flie f higkeit Wert Brechungswinkel Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizient Reaktionsgeschwindigkeitskontante Masse Druck Radius Bindungsenthalpie relative Luftfeuchte Zeit Molvolumen Massenanteil Gutsfeuchte bezogen auf Trockenmasse Fl che antiradikales Potential Wasseraktivit t Absorption bei x nm Grad Brix Masseanteil Saccharose in der L sung in Titer Aktivierungsenergie Br unungswert Farbe Kraft Grad Plato W rme Volumen Summenvert
193. nstemperatur und der spezifischen Gasmenge bei Verwendung von zehn Mischelementen 810 mm in der Mischstrecke die notwendig sind um Pulver zu erzeugen Der Arbeitsbereich liegt jeweils oberhalb der gestrichelten Linie Laut der erhaltenen Ergebnisse sind bei 150 bar h here Vorexpansionstemperaturen oder eine h here SGM n tig um Malzextraktpartikel zu erzeugen als bei 100 bar Dieses Ph nomen ergibt sich aus den unterschiedlichen Nachexpansionstemperaturen Spr hturmtemperaturen Bei der Verwendung von h herem Vorexpansionsdruck ist der Joule Thomson Effekt st rker und somit die K hlung des Spr hturmes st rker Um diesen Effekt auszugleichen ist es notwendig mehr Kohlendioxid pro kg Malzextrakt zu benutzen oder bei h heren Vorexpansionstemperaturen zu arbeiten 1 5 OT 5 0100 bar V17 V46 V67 V70 We R 150 bar V63 V65 V68 3 150 gt a E 140 D Wal S S 130 E D Q S 120 O gt 110 6 8 10 12 14 16 18 SGM Abb 6 56 Arbeitsbereich f r die Trocknung des Malzextraktes Die g nstigsten Parameter f r die Malzextrakttrocknung sind niedrigere Dr cke bei einer m igen Trocknung Dabei sind weniger Kohlendioxid pro kg Malzextrakt sowie niedrigere Vorexpansionstemperaturen erforderlich und somit wird der Prozess insgesamt g nstiger Mit Hilfe des Programms Statgraphics 4 0 wurden experimentelle Daten mittels eines 3 level Factorial design 3 2 analysiert und eine responce surface ermit
194. ntruments 1999 Mastersizer 2000 ein standarisiertes System zur Partikelanalyse Produkt Information Malvern Instruments Manzocco L et al 2001 Review of non enzymatic browning and antioxidant capacity in processed foods Trends in Food Science amp Technology 11 9 10 340 346 Martinez J Ed 2007 Supercritical Fluid Extraction of Nutraceuticals and Bioactive Compounds CRC Press Boca Raton Fla u a Masters K 1991 Spray Drying Handbook 5th Edition Longman Scientific amp Technical Harlow Essex Mathlouthi M Roge B 2003 Water vapour sorption isotherms and the caking of food powders Food Chemistry 82 1 61 71 Matissek R Steiner G 2006 Lebensmittelanalytik Grundz ge Methoden Anwendungen 3 vollst berarb Aufl Springer Verlag Berlin u a MEBAK 1997 Brautechnische Analysenmethoden Band I 3 Auflage Selbstverlag der MEBAK Freising Weihenstephan MEBAK 1993 Brautechnische Analysenmethoden Band Il 3 Auflage Selbstverlag der MEBAK Freising Weihenstephan Quellenverzeichnis 181 MEBAK 1996 Brautechnische Analysenmethoden Band Ill 2 Auflage Selbstverlag der MEBAK Freising Weihenstephan Meterc D Petermann M Weidner E 2008 Drying of aqueous green tea extract using a supercritical fluid spray process The Journal of Supercritical Fluids 45 2 253 259 Miao S Roos Y H 2004 Comparison of nonenzymatic browning kinetics in spra
195. nungsstufen ein R hrwerk zur Durch mischung eingesetzt werden sollte Tab 6 3 Dynamische Viskosit t von Malzextrakt und Malzextraktl sungen bei verschiedenen Temperaturen Viskosit t Pas Wasseranteil Gew Temperatur C 25 40 60 20 5 73 0 18 0 014 30 2 62 0 11 0 010 40 1 22 0 07 0 008 60 0 39 0 04 0 006 80 0 17 0 02 0 006 zum Vergleich Viskosit t des Wassers bei 20 C 1 0 mPa s 10 00 T AS 25 Gew Wasser T 1 00 40 Gew Wasser D DL A 60 Gew Wasser iS bast O 5 0 10 gt 0 01 Schergeschwindigkeit 1 s Abb 6 10 Viskosit tskurven von Malzextrakt und Malzextraktl sungen bei 20 C Ergebnisse und Diskussion 91 6 1 3 Dynamische Viskosit t des Malzextraktes unter CO bei hohem Druck Die Messungen der Viskosit t der gasges ttigten malzextraktreichen Fl ssigphase sind f r die Zerstaubung im PGSS Trocknungsverfahren wichtig Die Viskosit t der fl ssigen Phase wurde f r die folgenden Temperaturen und Dr cke bestimmt 80 C 100 C und 120 C bei 50 100 150 200 250 und 300 bar Messungen bei Dr cken ber 200 bar konnten bei 120 C nicht durchgef hrt werden da sich Verkrustungen aus Zuckern auf dem eingesetzten Quarzviskosimeter bildeten und dadurch keine zuverl ssige Messung m glich war Die ermittelte Viskosit t der gasges ttigten malzextraktreichen Fl ssigphase in Abh ngigkeit des Druckes ist in der Abb 6 11 dargestellt 175 150 80 C 100 C 125 4120
196. on 35 auf 45 Gew ansteigt Aus der Abb 6 25 ist zu erkennen dass bei geringeren Trockenmassegehalten und damit geringerer Viskosit t kleinere Partikel entstehen Die beiden ausgew hlten Versuchspaare unterscheiden sich in der Qualit t der Trocknungsluft Bei dem ersten Paar V22 V23 und V7 betrug die relative Luftfeuchte 40 und bei dem zweiten Paar V28a und V32 65 Daher unterscheiden sich die erreichten Restfeuchten der Pulver leicht obwohl die Versuche V7 und V28 unter den gleichen Bedingungen durchgef hrt worden sind 110 Ergebnisse und Diskussion Tab 6 12 Spruhtrocknungsversuche Variation des Trockenmassegehaltes der Versuch Nr 23 7 22 28a 32 TS der L sung Gew 0 5 65 60 55 60 55 Spr hrate kg h 0 1 1 8 2 4 2 4 2 4 2 5 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 10 8 8 8 8 Zerst ubungsluft Nm h kg L sung S 3 3 3 3 3 3 3 2 Lufteintrittstemp C 2 140 140 140 140 140 Tr Luftmenge Nm h 0 5 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 Luftaustrittstemp C 1 90 88 86 95 89 Restfeuchtegehalt Gew 0 05 2 51 2 52 3 47 2 96 3 33 Farbe Pulver EBC 0 2 32 3 24 5 32 6 24 1 26 Farbe fl Malzextrakt EBC 0 2 31 8 24 1 31 8 24 1 25 7 Farbveranderung EBC 0 5 0 5 0 8 0 0 4 ARP 66 64 Flie f higkeit ffc 0 2 2 5 2 3 Sch ttdichte kg m 5 606 606 506 659 524 R tteldichte kg m 10 859 921 777 857 735 Partikelgr e dso 3 um 1 28 23 15 40 19 span dg0 3 d10 3 d50 3 9 0
197. p tere Agglomeration der Partikel zur ckgef hrt werden 136 Ergebnisse und Diskussion 100 oe 90 E 80 2 70 A e0 amp 50 Re 40 30 20 10 Verteilungssumme Q Zei Se 4 PGSS V52_75 TS E PGSS V53_65 TS g o PGSS V24_75 TS a PGSS V32_65 TS 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um Abb 6 53 Einfluss der Verd nnung des Malzextraktes auf die Partikelgr enverteilung 6 4 8 Partikelbildung in Abh ngigkeit von den Spr hturmbedingungen Aus den Untersuchungen zur Sorptionsisotherme bei einer Spr hturm Temperatur von 65 C s Abb 6 76 im Abschnitt 6 5 Sorptionsisotherme ist bekannt dass stabiles Pulver dann vorliegt wenn der Wassergehalt unter 3 5 g Wasser pro 100 g Trockensubstanz liegt Dies ist im Gleichgewicht dann der Fall wenn die relative Umgebungsfeuchte unter 20 liegt F r den Spr hprozess bedeutet dies dass zun chst mindestens soviel Wasser aus der L sung entfernt werden muss dass ein Wert von 3 5 Restwassergehalt in der Trockenmasse unterschritten wird Dabei entsteht im Prozess im Spr hturm eine feuchte Kohlendioxidatmosph re Je nach deren Wassergehalt wird daher das Pulver solange Wasser aus der Spr hturmatmosph re aufnehmen oder abgeben bis das Gleichgewicht erreicht ist oder das Pulver aus dem Spr hturm entnommen wird Je nach CQO2 Massenstrom und freigesetzter Wassermenge ergibt sich eine bestimmte Zusammensetzung der Atmosph re im Spr hturm Dieser Zusammen setz
198. passt wird Der Titer wird mit Hilfe eines Wasserstandards HYDRANAL Eichstandard 5 bestimmt Die Einstellungen f r Bestimmung sind Abschaltkriterium Drift lt 20 uL min Polspannung End Point 250 mV und R hrzeit 1 bis 2 min 54 Untersuchungsmethoden Zur Beginn jeder Wassergehaltbestimmung wird eine Vortitration auch Konditionierung genannt durchgef hrt um ein wasserfreies L sungsmittel und trockene Titrierzelle sicherzustellen Anschlie end wird die Probe eingewogen in die Zelle gegeben durch R hren vollst ndig gel st und anschlie end titriert Alle Messungen werden je nach Reproduzierbarkeit und Standardabweichung mindestens zweimal durchgef hrt Der Wassergehalt wird aus der Menge des verbrauchten Titriermittels Vtm dessen Titer C und der Einwaage an Malzextrakt m nach Gl 4 berechnet Sch ffski 2000 und automatisch am Bildschirm des Ger tes gezeigt Vrm W GI 4 m 10 W _ Feuchtegehalt Gew V m Menge des verbrauchten Titriermittels ml m Einwaage mg C Tuer mg ml 10 Prozentfaktor Abb 4 16 Karl Fischer Titrator Die Bestimmung des Wassergehaltes erfolgt in Anwesenheit von Schwefeldioxid lod einer Base und Methanol Matissek 2006 Nach Bruttel 2006 kann die Karl Fischer Reaktion in methanolischer L sung wie folgt formuliert werden SO CH3OH RN RHN SO3CH3 GI 5 H20 l2 RHN SO3CH3 2RN gt RHN SO CH3 2 RHN 2
199. ppen eingeteilt werden Mechanische Trocknung Diese Trocknung erfolgt durch mechanischer Kr fte wie z B durch Pressen oder Zentrifugen bis auf einen gewissen Anteil an Restfeuchte Chemische Trocknung Die Feuchtigkeit wird entweder durch einen stark hygroskopischen Stoff oder durch eine chemische Reaktion entfernt Thermische Trocknung Die Fl ssigkeit wird durch Verdunsten oder Verdampfen entfernt Bei jeder Art von thermischer Trocknung ist ein Phasenwechsel erforderlich der die Fl ssigkeit in dampff rmigen Zustand umwandelt Hierzu ist Energie notwendig die meist in Form von W rme zugef hrt wird Zwei Trocknungsverfahren werden in dieser Arbeit ausf hrlich erkl rt und f r die Trocknung und Pulverisierung von Malzextrakt eingesetzt Es handelt sich um ein konventionelles thermisches Verfahren die Spr h oder Zerst ubungstrocknung und ein modernes Trocknungsverfahren das PGSS Trocknungsverfahren 6 Theoretische Grundlagen 2 1 1 Spruhtrocknung Die Spruhtrocknung ist ein Prozess bei dem ein wasserhaltiger Stoffstrom in Form von Tropfen durch den Kontakt mit einem hei en Luftstrom zum schnellen Trocknen gebracht wird Es handelt sich dabei um eine thermische Trocknung bei der die an einem Feststoff anhaftende Fl ssigkeit durch Verdunsten oder Verdampfen in gasf rmigen Zustand berf hrt und der entstehende Dampf weggeleitet wird Abschlie end werden die trockenen Partikel von der Trocknungsluft getrennt Mast
200. r Durch Verarbeitungsprozesse wie Spr hverfahren ist das hygroskopische Verhalten nicht berwindbar Allerdings ist die Wasseraufnahmegeschwindigkeit umso geringer je weniger por s die Partikel sind Damit wird die Wasseraufnahme verz gert aber nicht verhindert Die Wasseraufnahme kann auch durch geeignete Lager bedingungen kontrolliert bzw beeinflusst werden F r die Getr nkeindustrie oder f r Instantprodukte ist ein gutes Aufl sungsverm gen vorteilhaft In diesem Fall sind por se Partikel eher erw nscht da sie das Wasser schnell aufnehmen Das gew nschte sensorische Profil des Malzextraktes charakterisiert durch Br unungsgrad und Intensit t von Geschmack und Aroma variiert je nach Einsatzgebiet In der vorliegenden Arbeit werden zwei Spr hverfahren zur Pulverisierung von Malzextrakt untersucht die konventionelle Spr h oder Zerst ubungstrocknung die bisher zur Pulverisierung von Malzextrakt verwendet wird und ein neuartiges Hoch druckspr hverfahren das PGSS Trocknungsverfahren In beiden Verfahren wird der Malzextrakt einer thermischen Behandlung unterzogen Dabei treten bei h heren Temperaturen ab 60 C im Malzextrakt chemische Ver nderungen auf die als Maillard Reaktion bezeichnet werden Bei dieser Reaktion reagieren Zucker und Aminos uren der Proteine miteinander die Reaktionsprodukte intensivieren die Farbe den Geschmack und das Aroma des Malzextraktes Oberhalb von 110 C f r Fruktose tritt als zus tzl
201. r Abb 6 34 dargestellt Auf den Bildern ist zu erkennen dass die Anzahl der Mischelemente die Partikelmorphologie beeinflusst Bei der Verwendung von Mischelementen sind die Partikel runder und regelm iger und besitzen kleinere Poren im Vergleich zu den Partikel die ohne Mischelemente erzeugt wurden V27 OME V28 5 ME V26 10 ME Abb 6 34 Einfluss der Anzahl der Mischelemente ME auf die Partikelmorphologie Diese Morphologieunterschiede spiegeln sich in der Sch ttdichte und in der Partikel gr enverteilung wider Abb 6 35 und Abb 6 36 Die Partikel die eine geringere Porosit t aufweisen zeigen eine h here Sch ttdichte Die Bildung von gr eren Partikeln wird durch eine h here Anzahl von Mischelementen beg nstigt 122 Ergebnisse und Diskussion 350 5 300 2 250 g ZS 200 S 5 150 O Ka 100 50 012 3 4 5 67 8 9 10 Anzahl der Mischelemente V47 49 pv 100 bar Tv 133 C SGM 12 V54 V57 pv 100 bar Tv 145 C SGM 18 V27 V28 V26 pv 125 bar Tv 135 C SGM 10 Abb 6 35 Einfluss der Anzahl der Mischelemente auf die Sch ttdichte 100 100 90 90 f gt 80 80 70 70 60 60 2 50 50 40 40 3 30 30 20 20 gt 10 10 A 0 anit 0 imme S Laag ao TT 0 1 10 100 1000 10000 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e d um Partikelgr e dso 3 um o PGSS V27_0 ME a PGSS V45_0 ME 4 PGSS V28 5 ME oPGSS V49_1 ME o PGSS V26_10 ME PGSS V50_5 ME a PGSS V47_10 ME Ab
202. raktionsmittel in Hochdruckprozessen interessant Es wird zum Beispiel zur Extraktion von Naturstoffen wie Koffein Herstellung von koffeinfreiem Kaffee oder Tee therischen Essenzen bioaktiven Wirkstoffen len oder Tocopherolen aus pflanzlichen Produkten verwendet Martinez 2007 DECHEMA 2008 Die besonderen Eigenschaften von berkritischem Kohlendioxid werden bei verschiedenen Hochdruckspr hverfahren wie Rapid Expansion of Supercritical Solutions RESS Particles from Gas Saturated Solutions PGSS und PGSS Trocknungsverfahren Gas Anti Solvent GAS und Concentrated Powder Form CPF ausgenutzt Weidner 2009 Die speziellen Eigenschaften des Kohlendioxids erm glichen damit die Herstellung von Partikelsystemen die mit klassischen Verfahren nicht oder nur mit sehr gro em Aufwand erzielt werden k nnen Martinez 2007 Weidner 2009 berkritisches Kohlendioxid wird auch als L sungsmittel zum Reinigen und Entfetten von Maschinenteilen und zum Beispiel von Wafern in der Halbleiterindustrie verwendet Die gute L slichkeit von Wachsen in CO und die anschlie ende schnelle Entspannung wird zur Reinigung komplexer Hohlr ume in Werkst cken genutzt Auch zur Reinigung von Textilien als Ersatz f r chlorierte und fluorierte Kohlenwasserstoffe wird es versuchsweise eingesetzt Bei der Herstellung von Aerogelen werden L sungsmittel aus dem Sol Gel Prozess mit Kohlendioxid ausgetauscht das anschlie end durch Ent
203. rderlich Elektronen haben eine deutlich k rzere Wellenl nge als das sichtbare Licht und k nnen dadurch f r die Betrachtung sehr kleiner Entfernungen genutzt werden Die Abb 4 15 zeigt den schematischen Aufbau eines Rasterelektronenmikroskopes Die Elektronenkanone Gl hkathode sitzt oben und emittiert Elektronen Dieser Elektronenstrahl wird im Vakuum mit einer lochblendenahnlichen Anode auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt Die ringf rmigen Elektromagnete b ndeln den Elektronenstrahl hnlich wie Linsen in einem Lichtmikroskop Kreuzf rmig 52 Untersuchungsmethoden angeordnete Ablenkspulen helfen den Elektronenstrahl ber das Pr parat zu lenken und zu f hren Der haarfeine Elektronenstrahl schl gt nun selbst Sekund relektronen aus der Oberfl che der Probe die von einem seitlich angebrachten Detektor aufgefangen und in einem Verst rker vervielfacht werden Durch dieses Abscannen entsteht ein hochaufgel stes vergr ertes Bild der Probe Proben die mit dem Rasterelektronenmikroskop untersucht werden sollen m ssen elektrisch leitf hig sein Aus diesem Grund wird die Oberfl che der Malzextrakt partikel vor der Untersuchung mit Gold bedampft Die Schicht muss d nn genug sein damit sie sich der Oberfl chenform anpassen kann Die Schicht darf keine Strukturen ausf llen oder berdecken Zus tzlich zur Leitf higkeit m ssen die Proben vakuumbest ndig sein da der Messraum bei dem hier verwendeten Ger t f r
204. reaktive Zwischenstufen die in der zweiten Phase zu unterschiedlichsten Folgereaktionen f hren k nnen Die Reaktion verl uft ber mehrere Stufen und ben tigt keine Enzyme sondern reduzierende Zucker und Aminos uren die in Gegenwart von Wasser miteinander reagieren Reduzierende Zucker sind Kohlenhydrate wie Glucose Fructose Galactose Maltose und Lactose deren Molek le in gel ster Form offenkettige Form eine freie Carbonylgruppe aufweisen Die erste Stufe der ersten Phase der Maillard Reaktion ist die Reaktion einer Carbonylgruppe der reduzierenden Zucker wie Glucose mit einer Aminogruppe aus Aminos uren oder freien Aminogruppen von Proteinen oder Peptiden unter Bildung von Glycosylaminen Aminozucker Abb 2 5 In der Literatur wird diese Phase als Kondensation bezeichnet da hierbei Wasser abgespalten wird Theoretische Grundlagen 13 H CH OH ne CH OH OH en S EE H HO HO OH Ho HO g cyclische Halbacetalform offenkettige Form der Glucose der Glucose R NH3 I KC H20 RNH2 CH OH CH OH H Gruppe der Aminos ure nO HO 1 HO HO NH R R CHR CO9H SR i Pyranoseform Schiff Base des Glucosylamins Abb 2 5 Erste Stufe der Maillard Reaktion zwischen Glucose und einer Aminos ure RNH Bildung des Glucosylamins Angrick 1980 In der Lebensmittelchemie gibt es mehr als 5 verschiedene Zucker und uber 20 reaktive Aminos uren Alleine im ersten Schritt der Maillard Reaktion k nnen sich theoret
205. ren Die Entfernung von Mischelementen oder eine Erh hung der SGM von 12 auf 15 f hrt zu einer Verl ngerung der quivalenten Verweilzeit von 6 s auf 14 4 s Bei der Versuchsreihe IV lag der Vorexpansionsdruck bei 150 bar und die spezifische Gasmenge bei 24 Bei dieser hohen spezifischen Gasmenge spielt die Anwesenheit oder Abwesenheit von Mischelementen sowie die VWZ keine gro e Rolle mehr Die Br unung wird haupts chlich durch die Temperatur und die SGM bestimmt Vergleich Reihe Il und IV 146 Ergebnisse und Diskussion Die Ergebnisse im Abschnitt 6 2 2 zeigen dass bei h herem Druck die Farb veranderungen von 8 bis 11 niedriger als bei Umgebungsdruck ausfallen Nach den Ergebnissen im Abschnitt 6 4 4 sinken die Farbveranderungen um 17 bei Druckerh hungen von 40 bar Das hei t dass der Braunungsgrad der Reihe IV beim Vorexpansionsdruck von 150 bar etwas geringer als die Br unung bei 100 bar ist Der Br unungsgrad von Malzextrakt ist mit den PGSS Verfahrensparametern gut steuerbar Farbver nderungen von 0 bis 29 EBC Einheiten wurden bei Verwendung von verschiedenen Parametern erreicht Der Einfluss der SGM und der Misch elemente auf die Braunung kann durch die Stromungsform erklart werden Wie die Str mungsstrukturen in der Mischstrecke aussehen ist nicht bekannt aber es ist zu vermuten dass bei Betrieb ohne Mischelemente eine Filmstr mung an der Wand der Mischstrecke des viskosen Malzextraktes auftritt Sovani 2001
206. res hohen Trockenmasseanteils eine hohe Viskosit t auf Diese Eigenschaft kann durch Erh hung der Temperatur oder durch Verd nnung verringert werden F r die Verarbeitung z B Pumpen des Malzextraktes ist eine Charakterisierung des Flie verhaltens in Abh ngigkeit der Verd nnungsstufe Temperatur und Schergeschwindigkeit wichtig Die Scher geschwindigkeit oder Scherrate ist das Verh ltnis zwischen dem Geschwindigkeitsunterschied zweier benachbarter Fl ssigkeitsschichten und deren Abstand Untersuchungsmethoden 43 Die Viskosit t des Malzextraktes und seiner L sungen werden mit einem Rotations viskosimeter RheoStress RS75 Thermo Haake untersucht Als Messk rper wird ein koaxiales Zylindersystem nach DIN 53019 verwendet das f r Substanzen mit h herer Viskosit t geeignet ist Thermo Haake 2001 Die zu untersuchende Substanz findet sich im Spalt zwischen den beiden Zylindern Abb 4 5 Bei der Drehung des inneren Messk rpers wird das Fluid geschert und die ben tigte Kraft f r die Bewegung des K rpers gemessen Je gr er die aufzubringende Kraft ist desto gr er ist die Viskosit t der Fl ssigkeit Die dynamische Viskosit t wird bei Temperaturen zwischen 20 C und 80 C und Scherrate von 0 1 bis 100s gemessen Dabei wird dieses Intervall innerhalb von 180 Sekunden durchlaufen Unterhalb von ca 10s sind die Messergebnisse nicht reproduzierbar Alle Messungen werden dreifach durchgef hrt Innenzylinder Au
207. rgehalt von 3 5 Gew die im Rahmen dieser Arbeit hergestellt wurden haben unter solchen Bedingungen eine Lagerf higkeit von mindestens 1 5 Jahren gezeigt Spr htrocknung PGSS Trocknung Restfeuchte Gew 0 05 5 9 3 1 Farbver nderung EBC 0 4 e S 28 7 0 Eiwei gehalt Gew 0 2 6 2 5 8 6 3 5 5 pH 0 1 5 2 5 1 5 4 5 Glas bergangstemp C 0 5 68 49 55 9 30 De pen 2 9 1 8 2 6 1 4 zerek le Be sehr koh siv koh siv sehr koh siv koh siv Schiittdichte kg m 5 697 506 267 70 R tteldichte kg m 10 938 735 403 176 Partikelgr e da um 1 49 10 314 11 Kompaktierung 1 Woche geringe K keine K bleibende K keine K Feuchteaufnahmekapazit t g H O 100g TS 0 5 9 5 Morphologie Keines der getesteten Spr hverfahren liefert alle erw nschten Eigenschaften eines ma geschneiderten Malzextraktes Einige Eigenschaften konnten besser durch die PGSS Trocknung andere durch Spr htrocknung erzielt werden Die Vorteile der PGSS Trocknung im Vergleich zur Spr htrocknung liegen in der guten Steuerbarkeit des Br unungsgrades und der Herstellung von gr eren Malzpartikeln mit einer guten L slichkeit Die Spr htrocknung bringt Vorteile f r die Herstellung von Pulver h herer Sch ttdichte und engerer Partikelgr enverteilung Die Wahl des geeigneten Verfahrens zur Malzextraktpulverkonfektionierung h ngt von der gew nschten Anwendung ab 8 Quellenverzeichnis AiF Projekt 15222 2009 Schlus
208. rgehalte Diese Ergebnisse best tigen dass sich die Trocknung des Malzextraktes in zwei Etappen vollzieht Ein Teil des Wassers wird unter hohem Druck im statischen Mischer durch Kohlendioxid extrahiert ein weiterer Teil entweicht mit gel stem CO bei der Entspannung in der D se der dritte Teil wird im Spr hturm verdunstet Bei einer durchschnittlichen Restfeuchte im Pulver von 5 Gew sind 16 Gew des urspr nglichen Gehaltes an Wasser vom Malzextrakt im Pulver geblieben Die restlichen 84 Gew an Wasser wurden im Prozess abgezogen Je h her die Menge an verwendetem Kohlendioxid SGM ist desto mehr Wasser bis zu 84 Gew wird im statischen Mischer extrahiert V23 Ist die verwendete spezifische Gasmenge zu gering um das notwendige Wasser des Malzextraktes zu extrahieren werden bis zu 49 Gew des gesamten Wasser im Spr hturm verdunstet V47 35 experimentell f r 100 bar 125 132 C 10 ME 10mm 30 D a ae berechnet f r 100 bar 120 C 25 V23 EE nach Phasengleichgewichtsuntersuchungen 20 SGM 15 10 0 2 4 6 B 10 12 14 16 18 207 22 24 Restfeuchte Gew Abb 6 55 Berechnete und experimentelle erhaltene Restfeuchtegehalte Ergebnisse und Diskussion 139 6 4 9 Optimaler Arbeitsbereich Anhand experimenteller Versuche wurde der Arbeitsbereich fur die Trocknung des Malzextraktes ermittelt Die Abb 6 56 zeigt die Parameterkombinationen des Vorexpansionsdruckes Vorexpansio
209. ritten Die letzten Reaktionen sind die Fragmentierung Geruchsproduktion und Polymerisierung Farbentwicklung U Wageningen 2010 Die Karamellisierung tritt je nach Zuckerart zwischen 110 C z B Fructose und 180 C z B Maltose ein Die Karamellisierung beginnt bei Saccharose Kristallzucker Glucose und Galactose bei 160 C Diese Reaktion kann durch die Gegenwart von S uren und Ammonium Salzen beg nstigt werden In der Lebensmittelindustrie wird Karamell h ufig bei Verwendung von Ammoniumbisulfid oder andere Ammoniumverbildungen als Katalysator hergestellt Fennema 1993 Nach Kroh 1994 kann die Reaktion in saurem wie basischem Milieu stattfinden Theoretische Grundlagen 23 9 lt pH lt 3 verlauft allerdings nach Fennema 1993 unter basischen Bedingungen pH gt 8 schneller Die Reaktion braucht weder Sauerstoff noch Stickstoff Wahrend des Karamellisierens werden zahlreiche Aromakomponenten ungesattigte cyclische Molek len sowie polymerisiertes Karamell produziert Als Aroma komponenten sind Diacetyl Furan Derivate wie Hydroxymethylfurfural HMF und Hydroxyacetylfuran HAF Furanone wie Hydroxy Dimethyl Furanone HDF Dihydroxy Dimethyl Furanone DDF Pyranone wie Maltol aus Disacchariden und Hydroxy Maltol aus Monosacchariden zu nennen Kroh 1994 Das polymerisierte Karamell besitzt ein hohes Molekulargewicht und hat vermutlich als Prakursor Osulosen meistens Keto oder Oxozucker genannt wie
210. rkannt wird Andererseits erh ht wiederum zu viel Probenmaterial den thermischen Gradienten wodurch die Tg verf lscht wird Ehrenstein 2003 Der Einfluss des Herstellungsverfahrens und des Restfeuchtegehalts auf die Glas bergangstemperatur wird untersucht Der Restfeuchtegehalt des Malz extraktpulvers wird bei nderungen des relativen Luftfeuchtegehalts mit Hilfe von Salzl sungen eingestellt Anschlie end wird die Glasubergangstemperatur gemessen s auch Denis 2009 4 6 Analyse der Br unung bei der thermischen Behandlung 4 6 1 Analyse bei Umgebungsdruck Da die Viskosit t des Malzextraktes bei Raumtemperatur sehr hoch ist ist es notwendig den Eduktbeh lter sowie die Leitungen der PGSS Anlage zu beheizen Durch die Erhitzung nimmt die Viskosit t des Extraktes ab und wird dadurch pumpf hig Dabei wird die Maillard Reaktion beschleunigt welche die Eigenschaften des Malzextraktes ver ndert Farbe Aroma usw Aus diesem Grund ist es wichtig die Reaktionsgeschwindigkeit der Maillard Reaktion zu bestimmen Mit Hilfe der Reaktionsgeschwindigkeit wird der Einfluss der thermischen Behandlung auf die Farbe als Ma f r die Hitzebeanspruchung bestimmt Dadurch wird festgestellt bei welcher Temperatur der Malzextrakt l ngere zeit im Beh lter lagern kann ohne dass sich eine erhebliche Farb nderung ergibt Au erdem kann vorausgesagt werden wie lange der Malzextrakt im statischen Mischer verweilen muss um einen bestimmten Br unun
211. rsuche hier einer naheren Bewertung und Auswertung unterzogen weil die brigen keine zus tzliche Information geliefert haben deren Versuchsparameter und Ergebnisse sind in der Tab 9 10 im Anhang zu finden Tab 6 7 Versuchsparameter der Spr htrocknungsversuche Versuchsparameter Bereich Eintrittstemperatur derTrocknungsluft C 1 80 175 Luftaustrittstemperatur C 1 50 103 Menge an Trocknungsluft Nm h 1 86 105 Trockenmasseanteil der Malzextraktl sung Gew 0 5 55 65 Spr hrate kgh 0 05 1 84 2 47 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 6 10 Bohrungsdurchmesser der D se mm 1 Versuchsdauer min 15 180 Die Abb 6 17 zeigt das Schema des experimentellen Vorgehens bei den Versuchen zur Spruhtrocknung Bestimmung des f rderbaren H chstrockenmassegehalts der Malzextraktlosung Bestimmung der notwendigen Menge an Zerstaubungsluft Bestimmung des h chsten Durchsatzes und Menge an Trocknungsluft Verh ltnis Luftmenge L sungsmenge und Verweilzeit der Luft im Spr hturm Analyse der Einfl sse der Spr hparameter auf die Pulvereigenschaften Eintrittstemperatur der Trocknungsluft Menge an Zerst ubungsluft Trockenmasseanteil der Malzextraktl sung Versuchsdauer Abb 6 17 Schema des experimentellen Vorgehens bei den Spr htrocknungsversuchen Zun chst wurde der h chste Trockenmasseanteil der Malzextraktl sung bestimmt Verschiedene Verd nnungen von Malzextrakt urspr nglicher Malzextrakt L
212. rt Die Intensit t des gebeugten Lichtes wird von dem Detektor der in der Brennebene der Sammellinse positioniert ist erfasst und vom Computer ausgewertet Die Intensit t des Beugungsbildes nimmt proportional mit der Anzahl der Partikel gleicher Gr e zu Ein Detektor erfasst die geb ndelten Beugungsspektren wandelt sie um und leitet sie an ein Rechnersystem weiter Dort werden die Signale in die entsprechende Partikelgr enverteilung ausgewertet Bei der Berechnung der Partikelgr en verteilung aus dem Beugungsbild stehen verschiedene Methoden zur Verf gung ISO 13320 1 2000 Die Berechnung der Beugungsbilder der Malzpartikel erfolgt mit Hilfe der N herung nach der Fraunhofer Gleichgr e Eine wichtige Voraus setzung f r die Berechnung nach Fraunhofer ist die Annahme dass die Partikel Untersuchungsmethoden 51 spharisch und opak sind Dies kann jedoch nur fur Partikel mit einem Durchmesser von 1 um oder mehr angenommen werden da die Streulichtintensit t bei Partikeln kleiner 1 um stark variiert Ein weiterer Grund f r die Verwendung der Fraunhofer N herung ist dass sowohl der Brechungsindex als auch der Absorptionsindex der erzeugten Malzpartikel unbekannt sind und bei der Fraunhofer Methode im Gegensatz zur Mie Theorie diese Werte f r die Berechnung nicht notwendig sind Der Computer errechnet ein Partikelkollektiv aus idealen Kugeln welches ein solches Beugungsmuster erzeugen w rde Der Durchmesser eines Partikels l
213. ry Applications_Briefs TA299 PDF Stand 18 07 2010 Brunauer S Emmett P Teller E 1938 Adsorption of gases in multimolecular layers Journal of the American Chemical Society 60 2 309 319 Brunauer S Deming L Teller E 1940 On a theory of Van der Waals adsorption of gases Journal of the American Chemical Society 62 7 1723 1732 Bruttel P Schlink R 2006 Wasserbestimmung durch Karl Fisher Titration Metrohm AG Herisau URL http www ipc uni jena de downloads IPC Lehre IA_Pharm_12_Karl Fischer Titration pdf Stand 18 07 2010 176 Quellenverzeichnis B chi 2010 B CHI Labortechnik AG URL http www buechigmbh de Verfahren 3553 0 html Stand 28 07 2010 B ttner U 1997 Bildung von Aminos urenderivaten aus reduzierenden Zuckern und aliphatischen Aminen in der Maillard Reaktion Utz Wiss Verl M nchen Zugl M nchen Univ Diss Casal E et al 2006 Effect of supercritical carbon dioxide treatment on the Maillard reaction in model food systems Food Chemistry 97 2 272 276 D Ans J Lax E 1992 Taschenbuch f r Chemiker und Physiker Band 1 Springer Verlag Berlin u a DECHEMA 2008 CO applied Elektronische Ressource Carbon dioxide in process engineering from combustion to catalysis from climate to supercritical fluids DECHEMA Gesellschaft f r Chemische Technik und Biotechnologie e V Frankfurt am Main De Meuter P et al 1999 The use of
214. s der Dreikopfmembranpumpe der PGSS Anlage gepumpt werden Eine Verd nnung des Malzextraktes von urspr nglich 25 auf 40 Gew Wassergehalt f hrt zu einer Verringerung der Viskosit t auf 0 18 bas bei Umgebungstemperatur Diese L sung kann problemlos mittels der Peristaltikpumpe der Spr htrocknungsanlage gef rdert werden Die Viskosit t des gasges ttigten Malzextraktes bei Temperaturen von 80 Zusammenfassung 171 bis 120 C und Dr cken von 50 bis 300 bar unter CO2 wurde mit Hilfe eines Quarzviskosimeters gemessen Mit steigendem Druck und steigender Temperatur sinkt die Viskositat des Malzextraktes Die Viskositatssenkung mit steigendem Druck wird auf die Einl sung von Kohlendioxid zur ckgef hrt Bei Drucken von 100 bar und Temperaturen von 120 C betr gt die Viskosit t des CO2 gesattigten Malzextraktes 0 002 Pas damit ist sie nur noch doppelt so hoch wie die von Wasser bei 20 C Um die Br unung des Malzextraktes w hrend des Prozesses zu kontrollieren wurden die Reaktionsgeschwindigkeiten der Maillard Reaktion bei verschiedenen Temperaturen 60 90 C und Umgebungsdruck mit einer statischen Methode bestimmt Der Malzextrakt kann bei Temperaturen bis 60 C zwei Stunden verweilen ohne dass er eine signifikante Farbver nderung erf hrt Deswegen wird die Temperatur der Leitungen und Vorlagebeh lter der PGSS Anlage auf maximal 60 C begrenzt Mit einer thermischen Analyse und mit Hilfe des Arrhenius Ansatzes wurden die Reaktion
215. sbericht des Projektes Einsatz neuartiger CO2 Spr hverfahren f r die Herstellung innovativer Produkte aus Malzextrakt Alexander K King C 1985 Factors governing surface morphology of spray dried amorphous substances Drying Technology 3 3 321 348 Angrick M Rewicki D 1980 Die Maillard Reaktion Chemie in unserer Zeit 14 5 149 157 Audu T O K Loncin M Weisser H 1978 Sorption isotherms of sugars Lebensmittel Wissenschaft und Technologie 11 1 31 34 Ayranci E Ayranci G Dogantan Z 1990 Moisture sorption isotherms of dried apricot fig and raisin at 20 C and 36 C Journal of Food Science 55 6 1591 1593 1625 Baehr D 1992 Thermodynamik eine Einf hrung in die Grundlagen und ihre technischen Anwendungen 8 Auflage Springer Verlag Berlin u a Baltes W 2007 Lebensmittelchemie 6 Auflage Springer Verlag Berlin u a Belitz H Grosch W Schieberle P 2008 Lehrbuch der Lebensmittelchemie 6 Auflage Springer Verlag Berlin u a Bhandari BR Howes T 2000 Glass transition in processing and stability of food Food Australia 52 12 579 585 Bhandari BR Nivedita D Howes T 1997 Problems associated with spray drying of sugar rich foods Drying Technology 15 2 671 684 Bruce R 2008 Physical aging and fragility of amorphous sucrose by DSC TA Instruments New Castle URL ttp www tainstruments co jp application pdf Thermal_Libra
216. schraub baren Deckel mit 300 mi Malzextrakt gef llt Mit Hilfe des Thermostaten wird er temperiert und anschlie end mit Kohlendioxid gef llt um den gew nschten Druck zu erreichen Um eine m glichst schnelle Durchmischung und damit die Einstellung des thermodynamischen Gleichgewichts des Stoffsystems zu erreichen ist der Autoklav in einem motorbetriebenen Schaukelgestell gelagert Durch das Schaukeln erreicht man eine Vergr erung und Erneuerung der Phasengrenzfl che und einen beschleunigten Stoffaustausch zwischen der Gas und der Fl ssigphase Damit sich beide Phasen vor der Probenentnahme wieder vollst ndig trennen wird der Autoklav nach dem 30 min tigen Schaukeln und vor der Probenentnahme f r 1 bis 2 Stunden in senkrechter Position arretiert Eine Probenentnahme erfolgt erst wenn die dynamische Viskosit t der fl ssigen Phase durch den Sensor als konstant ermittelt Untersuchungsmethoden 41 wird So wird sichergestellt dass die Entmischung von Gas und Fl ssigphase erfolgt ist Die Viskosit t der schweren Phase kann mit dem Quarzviskosimeter QVis 01 o schwingendes Quarzkristall bestimmt werden In den Boden des Autoklaven ist eine Messsonde eingelassen die mit einem Messwertwandler verbunden ist Die Messsonde selbst besteht aus einem piezoelektrischen Schwingquarz der bei der Messung zu Torsionsschwingungen angeregt wird Aus der Dampfung dieser Schwingung kann die Viskositat berechnet werden Vor der ersten Messung
217. se der Vorexpansionsdruck ma geblich durch die Wahl des D sendurchmessers beeinflusst Die Einstellung des gew nschten Spr hdruckes im Versuch erfolgt daher durch die Anpassung des Massenstromes bzw der Massenstr me an den D sendurchmesser Je kleiner der Bohrungsdurchmesser der eingebauten D se ist desto h her ist der Vorexpansions druck bei gleichem Massenstrom Die Vorexpansionstemperatur h ngt als Mischungstemperatur von der CO2 Temperatur und vom CO Massenstrom sowie Ergebnisse und Diskussion 119 von der Malzextrakt Temperatur und vom Malzextrakt Massenstrom ab Die Nachexpansionstemperatur im Spr hturm stellt sich je nach Vorexpansionsdruck Vorexpansionstemperatur und spezifischer Gasmenge ein Die spezifische Gasmenge SGM wird als Quotient des Kohlendioxidmassenstromes und des Massenstromes der L sung definiert Weitere Versuchsparameter sind von den anderen Parametern unabh ngig w hlbar wie z B die Anzahl der Mischelemente und der Wassergehalt der Malzextraktl sung Die drei Parameter die das Verfahren bestimmen sind Vorexpansionstemperatur Vorexpansionsdruck und spezifische Gasmenge Bevor auf die Analyse der Einfl sse der Versuchsparameter auf die Eigenschaften der erzeugten Pulver Partikelgr e und form Feuchte und Br unungsgrad eingegangen wird ist die Abb 6 33 zum besseren Verst ndnis der Versuche hilfreich Sie zeigt den Verlauf der wichtigsten Betriebsparameter der PGSS Anlage im Bezug auf die
218. ses Modell basiert auf einer mehrfachen Adsorptionsschicht Diese beschreibt die Gasadsorption an Aktivkohle und bezieht sich auf Isothermen vom Typ 2 und 3 Die Isothermen die sich am haufigsten bei Lebensmitteln zeigen sind die Typen 2 und 4 Als Sorptionsverhalten wird die Eigenschaft eines Stoffs bezeichnet Wasserdampf aus der Luft aufzunehmen oder abzugeben Dies erfolgt bis ein Gleichgewichts zustand erreicht ist Mahler 1964 Die Wasseradsorption in Lebensmitteln ist der Vorgang bei dem sich Wassermolekule stufenweise und reversibel mit dem Lebensmittelstoff via Chemiesorption physikalischer Adsorption und Multischicht kondensation verbinden Eine Isotherme kann in der Regel in drei Bereiche aufgeteilt werden Abb 4 22 Der Abschnitt A gibt den Bereich der monomolekularen Belegung mit Wasser an Dieser Abschnitt repr sentiert stark gebundenes Wasser mit einer Verdampfungsenthalpie die h her als die reinen Wassers ist Gebundenes Wasser ist an hydrophilen und polaren Gruppen der Lebensmittelstoffe Kohlenhydrate Proteine usw sorbiert oder chemisch gebunden und kann nicht ausgefroren werden Im Bereich B sind haupts chlich Doppel und Mehrfach molek lschichten abgebildet Hier sind die Wassermolek le nicht so stark gebunden wie im Bereich A Die Verdampfungsenthalpie ist etwas h her als die reinen Wassers Das Wasser von Abschnitt C ist freies Wasser welches sich in den Poren und Kapillaren befindet Santanu 2006 Kessler 1
219. sgeschwindigkeiten f r Temperaturen bis zu 160 C abgesch tzt Aus den temperaturabh ngigen Reaktionsgeschwindigkeiten und den ermittelten Farbver nderungen des Malzextraktes in der Mischstrecke bei der PGSS Trocknung konnten quivalente Verweilzeiten bestimmt werden das hei t Zeiten die nach der statischen thermischen Behandlung unter Atmosph rendruck zu einer gleichen Br unung f hren w rden Die Maillard Reaktionskinetik im Malzextrakt wurde auch in Gegenwart von verdichteten Gasen Kohlendioxid und Stickstoff untersucht Die Druckbehandlung mit Kohlendioxid oder mit Stickstoff hat eine schwach hemmende Wirkung von 4 bis 11 des Braunungsgrades auf die Maillard Reaktion Die hemmende Wirkung von Kohlendioxid ist gr er als die von Stickstoff Ein Grund hierf r k nnte eine pH Wert Senkung durch die Einl sung von Kohlendioxid im Malzextrakt sein da die Maillard Reaktion bei geringeren pH Werten langsamer abl uft F r die Anwendung der Verfahren zur Trocknung von Malzextrakt wurden geeignete Parameterwerte der Spr htrocknung experimentell ermittelt Eine spezifische Trocknungsluftmenge von ca 50 kg kg und Lufteintrittstemperaturen von 120 bis 140 C und Austrittstemperaturen von 70 bis 90 C eignen sich f r die Trocknung des zuckerhaltigen Malzextraktes Bei den Spr htrocknungsversuchen wurden eine K hlgrenztemperatur von 70 C und eine Verweilzeit der Luft von 5 8 s im Spr hturm experimentell ermittelt Die Partikelgr e l s
220. spannung abgetrennt wird Im Vergleich zu konventionellen fl ssigen L sungsmitteln kann dabei durch geeignete Temperatur und Druckf hrung das Zweiphasengebiet fl ssig gasf rmig umgangen werden Die Bildung von Dampfblasen die zur Zerst rung von Mikro und Nanostrukturen f hren wird auf diese Weise vermieden berkritisches Kohlenstoffdioxid wird auch als Reaktionsmedium f r die Naturstoff synthese Hartmann 1999 und Feinchemikalienherstellung z B f r die Herstellung 36 Eingesetzte Substanzen von Aromastoffen verwendet Man hat festgestellt dass Enzyme in Gegenwart von fl ssigem oder berkritischem Kohlendioxid ihre Aktivit t beibehalten Damit er ffnet sich ein Weg zur l semittelfreien Synthese und zur schonenden Reinigung der Produkte durch Hochdruckextraktion Allerdings wird dieses Verfahren bis jetzt noch nicht technisch angewendet 3 3 Stickstoff Stickstoff wird mit dem Elementsymbol N gekennzeichnet In der Natur kommt Stickstoff immer in der zweiatomigen Form mit der Summenformel N2 vor Die beiden Atome sind dabei durch eine Dreifach Bindung verbunden wodurch sich das inerte Verhalten erkl ren l sst Stickstoff ist mit 78 08 Vol der Hauptbestandteil der Luft Molekularer Stickstoff ist ein farb geruchs und geschmackloses Gas welches bei tiefen Temperaturen 196 C zu einer farblosen Fl ssigkeit kondensiert Die L slichkeit des Stickstoffes im Wasser ist gering nur 1 6 Liter Stickstoff k
221. st sich durch den Trockenmasseanteil der Malzextraktl sung und die Menge an Zerstaubungsluft leicht beeinflussen Ein steigendes Massenverh ltnis Zerst ubungsluft zu Malzextrakt f hrt zu kleineren Partikeln und effizienterer Trocknung Massenverh ltnisse Luft zu Malzextrakt von 3 1 bis 5 1 waren erforderlich um eine effiziente Trocknung der Malzextrakttropfen zu erzielen Die erhaltenen Partikelgr enverteilungen sind nicht ideal eng ihre normierte Verteilungsbreite span liegt zwischen 4 1 und 9 3 und die Medianwerte 172 Zusammenfassung Cen a zwischen 10 und 49 um Die spr hgetrockneten Malzextraktpulver zeichnen sich durch eine kompakte und kugelige Partikelform mit niedriger Porosit t aus die zu einer hohen Sch tt und R tteldichte f hren Sch ttdichten zwischen 500 und 700 kg m und R tteldichten zwischen 740 und 940 kg m wurde gemessen Die spr hgetrockneten Malzextrakte weisen keine Kompaktierungsneigung aber Agglomerationsneigung und schlechte L slichkeit auf Der Br unungsgrad ist durch die Versuchsparameter schwer zu beeinflussen da die Verweilzeit der Partikel im Turm w hrend der Trocknung sehr kurz ist Die erreichten Farbver nderungen liegen zwischen 0 und 6 EBC Einheiten Ein st rkerer Br unungsgrad wurde bei Versuchen ber 180 min erreicht wenn das Pulver l ngere Zeit in Kontakt mit hei en Wandfl chen in unteren Bereich des Spr hturmes blieb Die Restfeuchte der Pulver aus diesen Spr hversuchen
222. stalliner Form vor w hrend der Malzextrakt als unreiner Zucker in amorphem Zustand vorlag Als unreine Zucker werden anomerische Zuckerformen bezeichnet dazu geh ren auch Zuckerarten die Oligosaccharide in kleiner Menge enthalten Da amorphe Produkte st rker hygroskopisch sind als kristalline Produkte Audu 1978 ist Malzextrakt st rker hygroskopisch als reine Zucker Fennema 1993 erw hnt dass unreine Zucker oder Zucker in Form von Sirup mehr und schneller Wasser absorbieren als reine Zucker Die Unreinheiten st ren die Ausbildung von Wasserstoffbr cken zwischen den Zuckermolek len sodass OH Gruppen in gr eren Ma f r Wasser stoffbr ckenbildung mit Wassermolek len verf gbar sind Die Isothermen der zwei nach unterschiedlichen Trocknungsverfahren hergestellten Malzextraktpulver zeigen ein sehr hnliches Sorptionsverhalten Abb 6 69 Allerdings unterscheiden sie sich leicht bei niedrigeren relativen Luftfeuchten 10 bis 40 Beispielsweise erreicht das spr hgetrocknete Pulver 2 99 g H2O pro 100 g TS bei 11 r F w hrend das PGSS Pulver einen Wert von 3 27 g H20 pro 100 g TS aufweist Dieser Unterschied in der Aufnahmekapazit t bei Ay Werten von 158 Ergebnisse und Diskussion 0 11 und 0 23 ist statistisch signifikant p gt 0 05 Diese Unterschiede k nnen auf unterschiedliche Partikelmorphologien zur ckgef hrt werden Die ungleichen physikalischen Strukturen wie Oberfl che und molekulare Anordnun
223. stanzen der Maillard Reaktion und dient in der Lebensmittelbeurteilung berwiegend als Indikator f r Hitze und Lagerungssch den Die Kontrolle der Melanoidin Bildung kann indirekt ber die Bestimmung von HMF erfolgen Eisenbrand 1995 In der Regel geht ein erh hter HMF Gehalt mit einer sensorischen Qualit tsminderung einher Heutzutage wird HMF als eine Risikokomponente betrachtet da dieser Stoff krebserregend sein k nnte Die Bestimmung des HMF wurde durchgef hrt um herauszufinden ob das erzeugte Pulver diese potenziell toxische Substanz enth lt In den Proben wurde kein HMF gefunden 6 3 Parametereinflusse bei der Spruhtrocknung In den nachfolgenden Absatzen werden die Ergebnisse der Spruhtrocknungs versuche zur Pulverisierung von Malzextrakt vorgestellt Die Variablen f r die Pulverisierungsversuche waren Trockenmasseanteil der L sung Eintrittstemperatur der Trocknungsluft Menge an Zerst ubungsluft und Dauer der Versuche Die hergestellten Pulver wurden hinsichtlich des Restfeuchtegehalts der Partikelgr e des Br unungsgrades des Kompaktierungsverhaltens der Partikelmorphologie der Flie f higkeit des pH Wertes der Feuchteaufnahmekapazit t und der Sch tt und R tteldichte untersucht und verglichen Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden insgesamt 34 Spr hversuche durchgef hrt bei denen die Versuchsparameter wie in der Tab 6 7 beschrieben 100 Ergebnisse und Diskussion variierten Es werden 22 Ve
224. stark den Eigenschaften der Versuchsreihe die im Abschnitt 6 3 1 analysiert worden ist 108 Ergebnisse und Diskussion Tab 6 11 Spruhtrocknungsversuche Variation der Menge an Zerstaubungsluft Variabel Menge an Zerstaubungsluft Versuch Nr 32 34 19 7 10 18 TS der L sung Gew 0 5 55 55 60 60 60 60 Spruhrate kg h 0 1 2 5 2 45 2 4 2 2 4 2 4 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 8 6 5 10 8 8 6 Zerstaubungsluft Mech kg L sung 3 2 2 7 4 2 4 0 3 3 2 5 Trocknungsluft Eintrittstemp C 1 140 140 140 140 130 130 Tr Luftmenge Nm h 0 5 86 3 863 86 3 863 86 3 86 3 Luftaustrittstemp C 1 89 94 84 89 83 85 Restfeuchtegehalt Gew 0 05 3 33 2 66 2 51 2 52 2 74 3 43 Farbe Pulver EBC 0 2 26 27 8 23 3 245 22 2 24 Farbe fl Malzextrakt EBC 0 2 25 7 26 1 22 4 24 1 21 3 22 4 Farbver nderung EBC 0 37 1 63 0 86 0 46 0 94 1 54 Eiwei Gew 0 2 5 8 5 8 5 8 5 8 pH 0 2 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 5 1 ARP 65 64 Flie f higkeit ffc 0 2 2 3 2 3 Sch ttdichte kg m 5 524 630 634 606 606 577 R tteldichte kg m 10 735 838 939 921 869 842 Partikelgr e dso 3 um 1 19 39 27 23 22 23 span dg0 3 d10 3 ds0 3 5 4 5 1 5 9 6 2 5 3 Kompaktierung qualitativ KK KK KK KK GK KK nicht Bemerkung Pulver Pulver Pulver Pulver Pulver vollst ndig getrocknet V34_55 2 7 204 V32_55_ 3 2 V19_ 60 4 2 O0d 90 3 d 50 3 V7_60_ A m d 10 3 V10_60_3 3 v18 60_2 5 0
225. stets eine gro e Hilfe Mein Dank gilt ebenfalls allen Mitarbeitern beider genannten Lehrst hle die mich seit meiner T tigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin stets unterst tzt haben Prof Dr Ing Leiner f r die Zeit die er der Diskussion meiner Doktorarbeit gewidmet hat Herzlichen Dank auch an Herrn Czwiklinski f r seine technische Unterst tzung am Anfang dieses Projektes Ebenso danke ich Dr Kareth und Dr Alina Hanu f r ihre praktischen Ratschl ge Ich danke Frau Beitz f r die Hilfe und Unterst tzung bei der Literaturbeschaffung und Frau G lzenleuchter f r die Unterst tzung bei Zeichnungen und Anfertigung vieler Poster Mein Dank gilt ebenfalls Herrn Gramann Herrn Lahn und dem gesamten Team der Werkstatt f r Verfahrenstechnischen Anlagenbau f r die vielen und schnellen L sungen beim Umbau meiner Versuchsanlage Meinen zahlreichen Studenten und studentischen Hilfskr ften danke ich f r ihren Aufwand und ihre Beitr ge Frau Bielmeier m chte ich ganz herzlich f r ihre unerm dliche Unterst tzung bei der Korrektur dieser Arbeit danken Meinen Kollegen Mitarbeitern Darja Meterc Steffanie Lang Dr Ing Stefan Pollak Danjel Borosa Charles Rizk und Christoph Taetz danke ich f r ihre Hilfsbereitschaft und die gute Arbeitsatmosph re Ebenso m chte ich mich bei allen nicht namentlich erw hnten Mitarbeitern beider Lehrst hle f r ihre Unterst tzung bedanken Vor allen danke ich dem lieben Gott meinen Eltern Beto und L
226. suchung und Forschung A 188 3 212 220 Xu HG et al 2010 Effect of pressure in the Maillard reaktion between Ribose and Cysteine in supercritical carbon dioxide Czech Journal of Food Science 28 3 192 201 184 Quellenverzeichnis Xu HG et al 2009 Impact of high temperature on the Maillard reaction between Ribose and Cysteine in supercritical carbon dioxide Food Science and Biotechnology 18 1 66 72 Yamaguchi N Koyama Y Fujimaki M 1981 Fractionation and antioxidative activity of browning reaction products between deuterium xylose and glycine Progress in Food and Nutrition Science 5 1 6 429 439 YARA 2010 YARA Industrial GmbH Bad H nningen URL http www yara de Stand 18 07 2010 Zimontkowski S 2006 Spr htrocknung von Proteinen Untersuchungen der Einflussgr6Ben auf die Partikelmorphologie und Verbesserung der Dispergier barkeit mittels Partikeldesign Bonn Univ Diss Online Ressource Z llner J 2010 Projektarbeit Untersuchung des Einflusses verdichteter Gase auf die Maillard Reaktion Ruhr Universitat Bochum Mit gekennzeichnete Arbeiten wurden im Rahmen dieser Dissertation von der Verfasserin betreut 9 Anhang 9 1 Tabellen Tab 9 1 nachgewiesene Zucker und Aminos uren in Malz W rze und Bier Wittmann 1986 Malz gt ee gt Anschlagw rze gt Jungbier gt Bier aus Lagertank Kochen Maisc
227. sungen mit 70 65 60 55 und 50 Gew TS wurden per W gung vorbereitet und F rderversuche durchgef hrt Die urspr ngliche Malzextraktl sung 75 Gew TS konnte nicht gepumpt werden L sungen mit 70 Gew TS konnten nur mit Schwierigkeiten gef rdert werden Bei der maximalen Leistung der Pumpe wurde ein Massenstrom von weniger als 1 kg h gef rdert Eine Zerstaubung der 70 igen L sung in feine Partikel war bei maximaler Zerst ubungsluftmenge nicht m glich F r die Versuche wurde daher eine maximale Konzentration an Trockenmasse von Ergebnisse und Diskussion 101 65 Gew festgelegt Die Leistung der Pumpe wurde je nach Umgebungs temperatur und Verd nnungsstufe der L sung kalibriert Die Abb 9 1 im Anhang zeigt die Menge an gef rderter Malzextraktl sung bei 60 Gew TS in Abh ngigkeit von der Einstellung der Pumpe bei 18 C und 26 C Als Zweites wurde die notwendige Menge an Zerst ubungsluft bestimmt Es ist grunds tzlich m glich die erzeugte Partikelgr e durch die Menge an Zerst ubungs luft einzustellen Bei Verwendung einer gr eren Menge an Luft sind die erzeugten Tropfen feiner und die Trocknung verl uft schneller Die Viskosit t der L sung spielt ebenfalls eine wichtige Rolle bei der Bildung der Tropfen Die Abb 6 18 zeigt den gebildeten Spr hkegel bei der Verwendung verschiedener Mengen an Zerst ubungs luft und unterschiedlicher Konzentration an Trockensubstanz der L sung Gew bei e
228. t werden sind Restwassergehalt Partikelgr enverteilung Partikelmorphologie Sch tt und R tteldichte Flie f higkeit Kompaktierungsverhalten Hygroskopizit t Stickstoffgehalt antioxidative Kapazit t Zuckerspektrum und Br unungsgrad Farbe Dabei liegt ein Schwerpunkt darin herauszufinden wie diese Produkt eigenschaften gezielt durch Variation der Verfahrensparameter gesteuert werden k nnen und ob es damit gelingt bestimmte Produkteigenschaften und Br unungs grade zu erhalten die f r den Markt bzw f r die Konsumenten geeignet und erw nscht sind Malzextrakt in Pulverform wird blicherweise durch Spr htrocknung hergestellt Er ist dann sehr hygroskopisch und nicht stabil Bei falschen Lagerungsbedingungen geht er in einen gummiartigen Zustand ber Dabei verklumpt er und verliert seine Stabilit t Dieses Ph nomen tritt im Bereich der sogenannten Glas bergangs temperatur auf Die Hygroskopizit t und Instabilit t sind charakteristisch f r Produkte die Zucker im amorphen Zustand enthalten Diese beiden Eigenschaften k nnen mittels der beiden Spr hprozesse nicht ver ndert werden Um die Problematik der beschr nkten Haltbarkeit die bei falschen Lagerbedingungen und Temperaturen auftritt zu l sen werden in der vorliegenden Arbeit die geeigneten Lager bedingungen und Temperaturen f r die pulverisierten Malzextraktpulver bestimmt Die vorliegende Arbeit befasst sich zun chst mit den theoretischen Grundlagen be
229. tarken nderung der Farbwerte werden die experimentellen Ergebnisse und Berechnungen in zwei Diagrammen dargestellt Abb 6 58 stellt die Ergebnisse der Versuchsreihen Il und Ill EBC bis zu 7 und die Abb 6 59 diejenigen der Versuchsreihen bis IV EBC bis zu 29 dar Zus tzlich ist mit den im Abschnitt 6 2 1 bestimmten Reaktionsgeschwindigkeitskoeffizienten kl f r jede Versuchsreihe je eine quivalente Verweilzeit ermittelt worden in welcher die entsprechenden 142 Ergebnisse und Diskussion Farbveranderungen erreicht wurden Tab 6 17 Die aquivalenten Verweilzeiten betrugen 6 s 14 4 s und 42s Hierbei handelt es sich um die Zeiten die bei einer traditionellen thermischen Behandlung also ohne Hochdruckgas und statischen Mischer gem Abschnitt 4 6 1 unter Atmosph rendruck zu einer quivalenten Br unung f hren w rden H fi i i fi bh i d d 1 Farbver nderung EBC 120 125 130 135 140 145 150 155 160 Vorexpansionstemperatur C Reihe l pv 100 bar SGM 12 1OME_ 10mm Reihe Il pv 100 bar SGM 12 0 ME_ 10mm Reihe Ill pv 100 bar SGM 15 1OME_ 10mm quiv VWZ 6 s Reihe ers aquiv VWZ 14 4 s Reihen II und III Abb 6 58 Farbver nderung in Abh ngigkeit der PGSS Spr hparameter Versuchsreihen II Ergebnisse und Diskussion 143 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 Farbveranderung EBC O N A 0 OW 120 oP 125 130 135 140
230. teilung span der Spr htrocknungsversuche A 14 Anhang V70 V67 V66 V64 V61 VGU V59 V58 V57 V56 V55 V54 V52 V51 V50 V48 V47 V46 V45 V41 V38 V32 V31 v30 V29 V28 V27 V26 V25 V24 V23 V21 V20 V16 V15 V14 V13 Vi v9 V8 V5 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 span d40 3 dgo3 dso 3 E Abb 9 4 Span der PGSS getrockneten Malzextraktpulver Anhang A 15 V70 E 734 mL 0 07 v66 Zz z d D I Ve kr 241 V61 Es 391 veo zZ D vs 597 v58 EE 900 V57 zz nn 761 see 848 v55 E HIT V54 mS 969 v53 F aS 761 674 V51 E T 737 vs 53 675 v49 EH DIE ve 417 V47 p v46 F20 454 v45 ES T D I 656 V43 SSSI 075 ae 694 2d 50 3 v39 60 zz B I m d 10 3 v38 E TS DS DA v32 E S 746 703 780 V44 G V 4 1 _ T V3 1 C5 V30 E 589 v23 E 648 v28 ET 810 V27 87 421 V26 Se 699 V25 E S 586 V24 ZZ 639 V23 631 V214 eS 616 V20 eC 554 vies E 46e OO D I vis Er 427 vw ESS 619 VI Ete 367 v2 Et S Vi Eat 429 vo EZ 693 VE am E 416 vs nn 313 736 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Durchmesser um Abb 9 5 Partikelgr enverteilung der PGSS getrockneten Malzextraktpulver A 16 Anhang V58 V57 V56 V55 V54 V53 V52 V51 V50 V48 V47 V46 V42 V41 V38 V32 V31 V30 V29 V28 V27 V26 V25 V24 V23 V22 V2
231. telt Als Variable wurden die Vorexpansionstemperatur 125 137 149 C und die spezifische Gasmenge 12 17 24 angegeben Als Antwortvariable ist der Restfeuchtegehalt in Gew gegeben Die Abb 6 57 stellt die nach dem Modell erhaltenen 140 Ergebnisse und Diskussion Restfeuchtegehalte in Abhangigkeit von der Vorexpansionstemperatur und spezifischen Gasmenge bei einem konstanten Vorexpansionsdruck von 100 bar und Verwendung von 10 ME 10mm dar R 0 9 Die erhaltenen experimentellen Nachexpansionstemperaturen liegen zwischen 85 und 60 C Restfeuchte Gew 125 130 135 140 445 150 12 Vorexpansionstemperatur C Abb 6 57 Optimierte responce surface bei einem Vorexpansionsdruck von 100 bar V14 V15 V20 V21 V24 V35 V38 V42 V62 Anhand des Diagramms und der Gl 14 ist es m glich den Restfeuchtegehalt des Pulvers im Bezug auf die Vorexpansionstemperatur und die spezifische Gasmenge bei 100 bar abzusch tzen Restfeuchte Gew 11 48 0 0389 SGM 0 008 5 0 0097 SGM GI 14 0 002 SGM 5 0 00032 8 Ergebnisse und Diskussion 141 6 4 10 Steuerung des Braunungsgrades Der Einfluss jedes einzelnen betrachteten Versuchsparameters auf die Braunung wurde im vorherigen Abschnitt beschrieben Die wichtigsten Parameter die den Braunungsgrad bestimmen sind Vorexpansionstemperatur spezifische Gasmenge Anzahl der Mischelemente Verweilzeit und Vorexpansions
232. temperatur sowie gleiche Anzahl an Mischelementen Sie unterscheiden sich jedoch deutlich in den Vorexpansionsdrucken Der Einfluss des Druckes auf die Partikelgr e ist in Abb 6 46 zu erkennen Es ist festzustellen dass mit steigendem Spr hdruck bei vergleichbarer Vorexpansionstemperatur und vergleichbarer spezifischer Gasmenge kleinere Partikel entstehen und die Partikel gr enverteilung enger wird 130 Ergebnisse und Diskussion 100 90 F PGSS V43_pv 80 bar o PGSS V45_pv 105 bar 4PGSS V16_pv 130 bar 4PGSS V22_pv 170 bar 1000 10000 Verteilungssumme Q CH CH 250 200 150 d5o 3 Um 100 60 80 100 120 140 160 180 Py bar Abb 6 46 Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf die Partikelgr enverteilung oben und die Medianwerte unten Der Einfluss des Druckes auf den Restfeuchtegehalt ist in der Abb 6 47 dargestellt Im Abschnitt 6 1 1 wurde festgestellt dass mit steigendem Druck die L slichkeit des Wassers im CO steigt und damit die Extraktion des Wassers aus dem Malzextrakt beg nstigt wird Es ist zu vermuten dass eine Erh hung des Vorexpansionsdruckes zu einem niedrigeren Restwassergehalt des Pulvers f hren sollte Dieser Effekt l sst sich allerdings in Abb 6 47 nicht eindeutig erkennen Abh ngig von den Vorexpansionsbedingungen stellt sich eine Nachexpansionstemperatur ein welche den Restfeuchtegehalt des Pulvers beeinflusst Demzufolge beg nstigt eine Erh hung des Dru
233. ten und es bildet sich ein brauner Niederschlag Derartige Braunf rbungen und die Freisetzung von charakteristischen Geschmacks und Geruchsstoffen treten im Alltag beim Braten von Fleisch Backen von Brot R sten von Kaffee Brauen von Bier bei der Herstellung von Trockenmilch oder Kartoffelpulver usw auf Unter anderem ist die Maillard Reaktion hier daf r verantwortlich In einigen F llen wie bei der R stung von Kaffee entsteht der Geschmack durch eine Mischung aus Maillard und Karamellisierungsreaktionen Allerdings findet die Karamellisierung siehe Abschnitt 2 2 2 bei Temperaturen ber 110 C statt w hrend die Maillard Reaktion schon bei Zimmertemperatur l uft Diehl 2000 Baltes 2007 Die Maillard Reaktion bezeichnet eine Vielzahl von verschiedenartigen Reaktionen die ein au erordentlich komplexes Gemisch von Verbindungen liefern Es entstehen verschiedene Substanzen in sehr unterschiedlichen Mengen Einige Substanzen treten in gro er Menge bis zu 30 auf w hrend die Konzentration anderer Substanzen im ppb Bereich bzw darunter liegen Ledl 1990 Reaktionsablauf Aufgrund der Komplexit t und der Vielzahl an Reaktionen ist es nicht m glich ein vollst ndiges Reaktionsschema darzustellen Aus diesem Grund werden im Folgenden die Reaktionsabl ufe der Maillard Reaktion in vereinfachter Form beschrieben Die Maillard Reaktion besteht aus zwei Phasen In der ersten Phase entstehen aus den Kohlenhydraten au erordentlich
234. tigten Ringen wie z B Furanen siehe Abschnitt 2 2 2 Die konjugierten Doppelbindungen und die Produkte der Kondensation von unges ttigten Ringen absorbieren Licht und weisen Farbe auf Fennema 1993 Durch diese Verbindungen entsteht die Farbver nderung und ein leichtes Aroma Diese gebildeten Produkte entstehen auch w hrend der Maillard Ergebnisse und Diskussion 87 Reaktion Auf dieser Beobachtung basiert die zweite Hypothese Die Erh hung der L slichkeit von Kohlendioxid mit der Temperatur in Zuckerl sungen ist auf die Affinit t von Kohlendioxid zu Produkten der Br unungsreaktionen s Abschnitt 2 2 zur ckzuf hren Diese Produkte reagieren in einer reversiblen Form mit dem Kohlendioxid das nach der Entspannung wieder freigesetzt wird Um diese Hypothese zu best tigen wurde der Einfluss der Ruhezeit Wartezeit f r das Einstellen des Gleichgewichtes beider Systeme Glucose Wasser und Malzextrakt bei 120 C und 200 bar im Bezug auf die Einl sung des Kohlendioxids analysiert Abb 6 8 Die Ruhezeit lag zwischen 1 und 24 Stunden Druck bar 300 vn ih 2h 4h 24h e Malzextrakt 80 C v DO a Malzextrakt 120 C 200 aes ur S a Malzextrakt 120 C_t Glukose H20 80 C 150 2h 24h Glukose H20 120 C o H20 80 C Pham 2007 o H20 75 C Gillespie 1982 100 D H20 121 C Gillespie 1982 50 CO Massenanteil Gew Abb 6 8 Zusammensetzungen der Gasphase der Systeme Malzextrakt CO2 un
235. tikelgr enverteilung oben die Medianwerte Mitte und die Partikelmorphologie unten Ergebnisse und Diskussion 129 6 4 4 Vorexpansionsdruck Eine weitere Einflussgr e auf die Ergebnisse der PGSS Trocknungsversuche ist der Vorexpansionsdruck pv Dieser Druck wurde unmittelbar vor der D se gemessen und wird ma geblich durch die Wahl des D sendurchmessers beeinflusst Er resultiert aus dem Druck und Zusammenwirken der gew hlten Kohlendioxid und Malzextraktmassenstr me und der Vorexpansionstemperatur Der Vorexpansionsdruck beeinflusst alle Pulvereigenschaften Er besitzt einen direkten und starken Einfluss auf die Sch ttdichte Bei h herem Vorexpansionsdruck ist die Porosit t der Partikel gr er als bei niedrigeren Dr cken und die Sch ttdichte des Malzextraktpulvers sinkt In der Abb 6 45 ist die Sch ttdichte aller Versuche ber dem Vorexpansionsdruck aufgetragen Darin ist erkennbar dass die Sch tt dichte tendenziell mit h herem Spr hdruck sinkt 300 250 200 LF e E Ze re S o K ke Zo 5 100 5 Ke 50 0 70 90 110 130 150 170 190 Vorexpansionsdruck bar Abb 6 45 Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf die Sch ttdichte Um den Einfluss des Vorexpansionsdruckes auf die anderen Partikeleigenschaften zu veranschaulichen werden zwei Versuchsreihen V16 V22 und V43 V45 verglichen Die vergleichbaren Versuche von jeder Gruppe haben hnliche SGM nahezu gleiche Vorexpansions
236. timmung der Produkte der Maillard Reaktion verwendet Die fl chtigen Substanzen die sich w hrend der Maillard Reaktion bilden k nnen mittels einer gekoppelten Headspace Festphasenmikroextraktion Gaschromato graphie Massen Spektrometrie HS SPME GC MS Methode identifiziert und quantifiziert werden 2 2 2 Karamellisierung Die direkte Erhitzung von Kohlenhydraten insbesondere Mono und Disacchariden f hrt zu einem Komplex aus Reaktionen der als Karamellisierung bezeichnet wird Oft wird die Karamellisierung als Oxidation und Pyrolyse von Zucker bezeichnet die zur Entstehung einer Vielzahl von Verbindungen f hren Fennema 1993 Nach Belitz 2008 versteht man unter Karamellisierung die Entwicklung eines charakteristischen Aromas Karamellgeruch geschmack beim Erhitzen von Zuckern oberhalb ihres Schmelzpunktes Dieser Prozess wird durch die Bildung honiggelber sp ter dunkelbrauner Substanzen begleitet Die Karamellisierung erfolgt bei h heren Temperaturen gt 120 C als die Maillard Reaktion Kroh 1994 Dieser Prozess beginnt mit dem Schmelzen von Zucker z B Saccharose und f hrt bis zum Sieden des Zuckers Schaumbildung Dabei wird Saccharose in Glucose und Fructose gespaltet Anschlie end finden Kondensationsschritte statt bei denen die Einzelzucker Wasser verlieren und miteinander reagieren z B Difructose anhydride Danach findet eine Isomerisierung von Aldosen zu Ketosen statt gefolgt von Dehydratisierungssch
237. tionen von 3 bis 5Vol in der Atemluft f hrt es zu Kopfschmerzen Atemst rungen und Unwohlsein Bei 8 bis 10 Vol k nnen Kr mpfe Ohnmacht Atemstillstand und Tod nach einem Aufenthalt von 30 bis 60 min eintreten Die sch dliche physiologische Wirkung derartiger Kohlendioxid Konzentrationen entsteht nicht allein durch Sauerstoffmangel sondern durch die direkte Wirkung des Kohlendioxids Aus diesem Grund ist f r CO ein Arbeitsplatzgrenzwert AGW bzw eine maximal zulassige Arbeitsplatzkonzentration MAK Wert von 0 5 Vol fest gelegt Linde 2005 Zur Pulverisierung und gleichzeitigen Trocknung von Malzextrakt wird in dieser Arbeit Kohlendioxid mit einer Reinheit von 99 95 YARA 2010 als Hilfsmedium eingesetzt Eingesetzte Substanzen 31 3 2 2 Thermodynamische Daten Kohlendioxid kann in Abhangigkeit von Druck und Temperatur in verschiedenen Aggregatzustanden gasf rmig fl ssig fest vorliegen In Abb 3 3 ist ein p v T Diagramm eines Reinstoffes dargestellt Dort sind verschiedene Zustands nderungen als Linien eingetragen z B die isobare Verdampfung einer Fl ssigkeit mit der Phasenumwandlung von Fl ssigkeit zu Gas durch das Nassdampfgebiet von Punkt D nach Punkt E Auch ohne Durchlaufen des Zweiphasengebietes ist es m glich vom fl ssigen in den gasf rmigen Zustand zu gelangen Dazu m ssen Druck und Temperatur auf Werte oberhalb des kritischen Punktes eingestellt werden Punkt L fl ssig gt Punkt M g
238. trachteten Druck und Temperaturbedingungen keine vollst ndige Mischbarkeit so kommt es zur Entmischung das hei t die Mischung zerf llt in zwei oder sogar drei Phasen unterschiedlicher Zusammensetzung z B eine gasf rmige und eine fl ssige Phase Die Sichtzelle ist mit Anschl ssen und Ventilen ausgestattet um durch Hochdruck rohrleitungen Gase und Fl ssigkeiten zugeben oder ablassen zu k nnen Eine Bohrung an der Oberseite erlaubt das Einschrauben eines Magnetr hrers zum Durchmischen der Substanzen im Innenraum Die Zelle besitzt ein Innenvolumen von 60 cm Die Temperatur in der Zelle kann mit Hilfe von elektrischen Heizst ben und einem Thermoelement NiCr Ni geregelt werden Zwei Saphirglasplatten 40 mm St rke erm glichen die Beobachtung des Zelleninhaltes und damit die Phasengleichgewichtsuntersuchung Die Abb 4 1 zeigt den Aufbau der Versuchs anordnung R hrer Entspannungsventil Berst scheibe Druck anzeiger Heizpatrone Temperaturregler Abb 4 1 Schematische Darstellung der verwendeten HD Sichtzellenanordnung Das experimentelle Vorgehen bei der Phasengleichgewichtsuntersuchung ist in der Abb 4 2 zusammengefasst Nach Zugabe der Malzextraktprobe 30 ml in die Zelle wird diese verschlossen Kohlendioxid wird aus einer Druckgasflasche fl ssig entnommen in einem Warmetbertrager unterk hlt und sein Druck von einer pressluftbetriebenen Pumpe erh ht Mit Hilfe eines Handventils kann das Kohlen
239. traktl sungen wurde durch Zugabe von deionisiertem Wasser eingestellt danach refraktometrisch berpr ft und anschlie end wurde wie im Abschnitt 4 2 1 beschrieben die Viskosit t gemessen Die Abb 6 9 zeigt die Viskosit tskurven des Malzextraktes bei unterschiedlichen Temperaturen Es ist zu sehen dass mit steigender Temperatur und zunehmender Scherrate die Viskosit t des Malzextraktes abnimmt Je h her die Temperatur ist desto geringer ist die Anziehungskraft zwischen den einzelnen Molek len und desto h her ist die Beweglichkeit der Molek le Dadurch verringert sich die Viskosit t 10 0 Bee Kee WrrreeerrrreeeeeEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEE a z e 20 C E 23 C SS e 30 C N Q e 40 C n MAA S LLLTILITTTT I o 50 C a 60 C o 80 C 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Schergeschwindigkeit 1 s Abb 6 9 Viskositatskurven des Malzextraktes bei 20 23 30 40 50 60 und 80 C Die Form der Viskositatskurve zeigt dass der Malzextrakt schwach strukturviskos ist Die Viskosit t nimmt geringf gig ab wenn die Scherrate erh ht wird Technisch gesehen bedeutet dies dass die verarbeitete Substanz auf eine Druck oder Ergebnisse und Diskussion 89 Schubspannungssteigerung mit einer berproportionalen Erh hung der Flie geschwindigkeit reagiert Schramm 2002 Bei 20 C und niedriger Scherrate 15 s weist der Malzextrakt eine sehr hohe Viskosit t das etwa 8000 fache von Wasser bei 20 C auf Bei steigen
240. trugen ca 150 180 C bzw 60 C Restfeuchte Gew 6 5 6 0 5 9 5 0 4 5 4 0 3 9 3 0 9 11 13 15 17 19 21 SGM V 5 V12 pv 100 bar Tv 132 C 0 ME_ 10mm V36 V51 pv 100 bar Tv 130 C 14 ME_ 6mm V47 V48 pv 100 bar Tv 132 C 10 ME_ 10mm Abb 6 42 Einfluss der SGM auf den Restfeuchtegehalt Farbveranderung EBC 3 0 2 5 2 0 15 1 0 3 S 0 5 5 0 0 9 11 143 145 17 49 SGM V5 V12 pv 100 bar Tv 132 C 0 ME_ 10mm V36 V51 pv 100 bar Tv 130 C 14ME_ 6mm V47 V48 pv 100 bar Tv 132 C 10 ME_ 10mm Abb 6 43 Einfluss der SGM auf die Braunung Die Partikelgr enverteilung wird au erdem durch die SGM beeinflusst Bei h herer SGM werden die gebildeten Tropfen nach der Entspannung kleiner und demzufolge die trockenen Malzextraktpartikel auch Die Partikelmorphologie andert sich ebenfalls 128 Ergebnisse und Diskussion mit der spezifischen Gasmenge Bei hoher SGM entstehen bevorzugt por se Partikel Abb 6 44 und folglich ist die Sch ttdichte geringer 100 90 RS So Vo D op Sod ei E SC S 70 Es Za E 60 d See 2 50 L Ba Ka Sr D PS 40 GE 30 See a PGSS V47_SGM 11 5 PGSS V12_SGM 15 gt 20 o PGSS V48_SGM 19 10 o PGSS V5_SGM 21 0 0 1 10 100 1000 10000 Partikelgr e um 200 150 KH 5 100 e ei 5 Ki 50 e 9 11 13 15 17 19 21 23 SGM kg kg V5_SGM 21 V12_SGM 15 Abb 6 44 Einfluss der spezifischen Gasmenge auf die Par
241. tur des Kohlendioxids und demzufolge des Zyklons und des Sammelbeh lters mehr als Tg 20K betrug wurde das Ph nomen des augen blicklichen Zustandsumwandlung des Malzextraktes beobachtet Abb 6 82 Aus diesem Grund wurden h here Temperaturen im Bereich des Zyklons und des Sammelbeh lters vermieden Au erdem wurde das Pulver in Intervallen von 10 min dem Sammelbeh lter entnommen und gek hlt da sich andernfalls bei l ngerer Verweilzeit die Temperaturen im Beh lter erh ht und die Malzextraktpartikel agglomerierten Abb 6 82 Zustandsumwandlung im Sammelbeh lter bei den PGSS Trocknungsversuchen 7 Zusammenfassung Malzextrakt fur die industrielle und gewerbliche Verwendung in Backmischungen und fur die Getrankeherstellung insbesondere in der Bierbrauerei soll einfach zu handhaben zu dosieren und zu transportieren sein Daf r soll er in Pulverform vorliegen auch nach l ngerer Lagerung rieself hig und wenig hygroskopisch sein und eine hohe Sch ttdichte besitzen F r Backmischungen sollte das Pulver eine enge Partikelgr enverteilung mit einer bestimmten mittleren Partikelgr e die die Mischung erleichtert aufweisen Verklumpung Kompaktierung und Umwandlung in einen gummiartigen Zustand sollen vermieden werden Daf r muss das Pulver sehr trocken sein da bei geringen Wassergehalten die Glas bergangstemperaturen h her sind Bei der Glas bergans temperatur geht das Pulver in gummiartigen z hplastischen Zustand be
242. tzschichten von festen Oberfl chen schonend entfernt werden Vorteilhaft ist dabei die Verspr dung der abzutragenden Schichten aufgrund der niedrigen Temperatur des Trockeneises Gasf rmiges Kohlendioxid besitzt eine gute L slichkeit in Wasser Abb 3 5 Bei 20 C und Atmosph rendruck l st Wasser fast 90 des eigenen Volumens und erh lt dabei einen leicht s uerlichen Geschmack Es wird daher gerne zur Karbonisierung von Getr nken in der Lebensmittelindustrie beispielsweise bei der Herstellung von Mineralwasser und Bier eingesetzt Eine deutlich h here L slichkeit weisen basische L sungen auf Deshalb werden auch Aminl sungen zum Auswaschen von Kohlendioxid aus Gasgemischen Abgasen verwendet Gasf rmiges CO dient zum Abdecken und pneumatischen F rdern von explosions oder brandgef hrdeten Silosch ttg tern zur Wachstumsf rderung in Gew chs h usern als bakteriostatisches Mittel und Schutzgas bei der Verpackung von Lebensmitteln sowie zur Konservierung bei der Lagerung von Obst Gem se und Getreide Die Schutzwirkung durch Verdr ngen von Luftsauerstoff wird zur Inertisierung chemischer Reaktionen und als Schutzgas beim Schwei en genutzt CO wird wegen seiner sauerstoffverdr ngenden Eigenschaften z B in Handfeuerl schern und festinstallierten L schanlagen als L schmittel verwendet Zu beachten ist hierbei dass es beim Verspr hen von CO und der Bildung von Trockenschnee zu elektrostatischen Aufladungen kommen ka
243. u einer GC Trennung Probe l HHHH Abb 4 18 Schematischer Aufbau f r eine GC Trennung T Tr gergasversorgung I Injektor S Trenns ule O S ulenofen D Detektor Matissek 2006 Die Bestimmungen in Rahmen dieser Arbeit wurden von einem externen Labor durchgef hrt 4 3 6 Thiobarbitursaurezahl TBZ Die Thiobarbiturs urezahl TBZ ist eine Kennzahl f r eine Temperaturschadigung und zur berwachung der Maillard Reaktion Die Bestimmung wird nach der Methodenvorschrift laut MEBAK II 2 4 durchgef hrt Die Analysenvorschrift ist exakt einzuhalten Der Malzextrakt wird im Massen verh ltnis 1 4 mit destilliertem Wasser verd nnt so dass die Absorption bei 448 nm nach der Reaktion mit essigsaurer Thiobarbiturs ure im Bereich von 0 1 bis 0 5 liegt F r den Leerwert werden 10 ml der Untersuchungsl sung mit 5 ml einer 90 igen Essigs ure in einem Reagenzglas versetzt F r den Hauptwert werden 10 mi mit Untersuchungsmethoden 57 5 ml essigsaurer Thiobarbiturs ure 0 288 g 2 Thiobarbiturs ure in 100 ml 90 iger Essigs ure versetzt Die Reagenzglaser werden in Alufolie eingewickelt und kr ftig gesch ttelt Danach werden die Reagenzgl ser 70 Minuten im Wasserbad bei 70 C gebr tet Nach Ablauf der Reaktionszeit werden die Reagenzgl ser sofort im Eisbad auf 20 C abgek hlt Haupt und Leerwert werden unverz glich photometrisch bei 448 nm im Vergleich zu destilliertem Wasser gemessen Die
244. uchtegehalt ab Je feuchter ein Pulver ist desto niedriger ist die Glas bergangs temperatur Die geeigneten experimentell gefundenen Eintrittstemperaturen der Trocknungsluft f r die Trocknung des Malzextraktes liegen zwischen 110 und 140 C und die zugeh rige Austrittstemperaturen zwischen 70 und 90 C Da es sich um ein zuckerhaltiges Produkt handelt sind diese Temperaturen niedriger als die von der Literatur f r die Trocknung von Lebensmitteln vorgeschlagenen Spr htrocknungs temperaturen 150 bis 200 C Die thermische Beanspruchung ist bei diesem Trocknungsverfahren von der Verweilzeit des Pulvers unter Spruhturmbedingungen abh ngig Wird das Pulver schnell aus dem Spr hturm entnommen ist die thermische Beanspruchung des Pulvers bei Trocknungslufteintrittstemperaturen ber 160 C nicht gr er als 3 EBC Einheiten Eine Farbver nderung von 6 2 EBC Einheiten wurde bei dem Versuch V8 erreicht Dieser Versuch wurde bei einer Lufteintrittstemperatur von 120 C betrieben und dauerte 180 Minuten Die ARP Werte steigen mit erh hter thermischer Beanspruchung durch die Maillard Reaktion gebildeten Komponenten und deren Ergebnisse und Diskussion 117 antioxidativer Wirkung Eine Absenkung des Eiwei gehalts bei den stark thermisch behandelten Proben wurde nicht festgestellt da die Maillard Produkte stickstoffhaltig sind Eine nderung des pH Wertes wurde nicht beobachtet Die Partikelmorphologie der spr hgetrockneten Malzextraktpartike
245. ucy meinen Schwestern Lucy und Rochi und meinem Mann Miroslav die mir mit ihrer Liebe und Unterst tzung in allen Lebensbereichen erm glicht haben meine Doktorarbeit erfolgreich zu beenden Mache aus Deiner Arbeit ein Meisterwerk wie Gott es aus Dir gemacht hat ein einmaliges und wunderbares Wesen F r meine liebe Eltern Gilberto und Lucy Jeder hat seinen eigenen Arbeitsstil Erfolg und Gr e bestehen darin seine Ziele zu erreichen und sich mit der geleisteten Arbeit gl cklich zu f hlen Pulverisierung Trocknung und Br unung von Malzextrakt durch Spr hverfahren Inhalt Nomenklatur 1 2 Einleitung und Zielsetzung Theoretische Grundlagen 2 1 Trocknungsverfahren 2 1 1 Spr htrocknung 2 1 2 PGSS Trocknungsverfahren 2 2 Br unungsreaktionen 2 2 1 Maillard Reaktion 2 2 2 Karamellisierung Eingesetzte Substanzen 3 1 Malzextrakt 3 2 Kohlendioxid 3 3 Stickstoff 3 4 Wasser Untersuchungsmethoden 4 1 Eigenschaften des Systems Malzextrakt CO2 unter hohem Druck 4 1 1 Qualitatives Phasenverhalten 4 1 2 Quantitatives Phasenverhalten und Viskosit t 4 2 Physikalische Untersuchungen 4 2 1 Viskosit t 4 2 2 Wasserl slicher Feststoffanteil 4 2 3 Farbe 4 2 4 Sch tt und R tteldichte 4 2 5 Flie f higkeit 4 2 6 Kompaktierungsverhalten 4 2 7 Partikelgr enverteilung 4 2 8 Partikelmorphologie 4 3 Chemische Analysen 4 3 1 Wassergehalt 4 3 2 pH Wert 4 3 3 Stickstoffgehalt 4 3 4 Zuckerspektrum 4
246. ung der Eintrittstemperatur der Trocknungsluft in einem Bereich von 160 bis 80 C bei sonst gleichen Parametern durchgef hrt Die Versuchsparameter sowie die Pulvereigenschaften der Versuchsreihe sind in der Tab 6 10 zusammengestellt Die Abb 6 19 und Abb 6 20 zeigen den Eintritts und Austrittstemperaturverlauf sowie die erreichten Restfeuchtegehalte der Pulver Abb 6 19 zeigt dass eine Trocknung der Malzextrakttropfen unterhalb eines Restfeuchtegehaltes von 2 5 Gew aufwendiger wird da die Bindungsenthalpie bei diesem Restfeuchte gehalt sehr hoch ist s Abschnitt 6 5 104 Ergebnisse und Diskussion Tab 6 10 Spr htrocknungsversuche Variation der Eintrittstemperatur der Trocknungsluft Variabel Eintrittstemperatur der Trocknungsluft Versuch Nr 14 5 7 10 8 9 13 12 11 TS der L sung Gew 0 5 60 60 60 60 60 60 60 60 60 Spr hrate kg h 0 1 2 4 24 24 24 24 24 24 24 24 Zerst ubungsluft Nm h 0 25 8 8 8 8 8 8 8 8 8 Zerstaubungsluft Nm h kg L sung 3 3 33 33 33 33 33 33 33 3 3 Lufteintrittstemp C 2 160 150 140 130 120 110 100 90 80 Tr Luftmenge Nm h 0 5 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 86 3 Luftaustrittstemperatur C 1 98 93 89 83 75 70 62 59 51 Restfeuchtegehalt Gew 0 05 2 1 2 47 2 52 2 74 327 373 457 5 13 5 56 Farbe Pulver EBC 0 2 31 25 1 24 5 222 30 2 244 269 24 23 5 Farbe fl Malzextrakt EBC 0 2 294 244 241 213 241 213 246 236 23 5 Farbveranderung EBC 1 6
247. ung kann wiederum eine relative Feuchte zugeordnet werden Da die Wasseraufnahmekapazit t von CO2 begrenzt ist und von der Temperatur abh ngt liegt der m gliche Arbeitsbereich f r PGSS Versuche in denen trockenes Pulver hergestellt werden soll oberhalb der Taulinie Abb 2 3 In der Abb 6 54 sind alle PGSS Versuche eingetragen Die Versuche bei denen Pulver bzw leichte Agglo merate erhalten wurden sind mit der Beschriftung erfolgreiche Versuche gekennzeichnet und die Versuche bei denen sich Klumpen oder eine klebrige Masse gebildet haben sind mit erfolglose Versuche gekennzeichnet Fast alle erfolgreichen Versuche liegen oberhalb der Linie von 20 relativer Luftfeuchte Ergebnisse und Diskussion 137 GE lt 20 bei verschiedenen Temperaturen Bei den Versuchen in denen kein trockenes Pulver hergestellt wurde liegt die relative Luftfeuchte nahe oder unter der Linie von 20 r F lt 20 Diese Beobachtung deckt sich mit den Ergebnissen der Messung von Sorptions isothermen Da die Stabilit t des Pulvers von der relativen Luftfeuchte stark abh ngt sollte die Menge an CO w hrend des Versuches ausreichend sein um eine geringe relative Feuchte r F lt 20 im Spr hturm einzustellen Die eingestellten Bedingungen im Spr hturm h ngen von der spezifischen Gasmenge und den Vorexpansionsbedingungen ab Im n chsten Abschnitt wird der Arbeitsbereich der PGSS Versuche in Abh ngigkeit der SGM und der Vorexpansionsb
248. ungs verfahren Sie h ngt als Mischungstemperatur von der CO2 Temperatur und vom CO2 Massenstrom sowie von der Malzextrakt Temperatur und vom Malzextrakt Massenstrom ab Um den Einfluss der Vorexpansionstemperatur auf die Pulverisierung und Partikeleigenschaften zu analysieren wurde eine Versuchsreihe V18 V19 V20 V21 durchgefuhrt Bei diesen Versuchen wurde die Vorexpansions temperatur stufenweise erhoht wahrend der Vorexpansionsdruck und die SGM etwa konstant gehalten wurden Die Abb 6 49 und Abb 6 50 stellen die Farbver nderung und den Restfeuchtegehalt in Abhangigkeit von Vorexpansionstemperatur dar Es ist zu erkennen dass hohere Vorexpansionstemperaturen im statischen Mischer zur einer starkeren Braunung sowie zu einer effektiveren Trocknung f hren Eine Erh hung der Vorexpansions temperatur hat eine Erh hung der Spr hturmtemperatur zur Konsequenz was die Trocknung positiv beeinflusst Im folgenden Abschnitt werden die Einfl sse der Spr hparameter auf die Br unung ausf hrlich analysiert 7 0 65 3 g 60 55 S 2 S 5 0 X 4 5 4 0 120 125 130 135 140 145 150 Vorexpansionstemperatur C V18 V19 V20 V21 pv 100 bar SGM 15 10 ME_ 10mm Abb 6 49 Abhangigkeit des Restfeuchtegehaltes von der Vorexpansionstemperatur Ergebnisse und Diskussion 133 Farbveranderung EBC 120 125 130 135 140 145 150 Vorexpansionstemperatur C V18 V19 V20 V21 pv 100 bar SGM 15 10 ME_ 10m
249. urdaten berein Ergebnisse und Diskussion 97 6 2 2 Einfluss verdichteter Gase auf die Maillard Reaktion In diesem Abschnitt wird der Einfluss des verdichteten Kohlendioxids auf die Maillard Reaktion untersucht Da die PGSS Spr hversuche bei h heren Dr cken mit der Verwendung von Kohlendioxid stattfinden muss man wissen inwiefern die Kinetik der Maillard Reaktion durch den Druck und das Kohlendioxid beeinflusst wird Die Parameter und Ergebnisse der durchgef hrten Versuchsreihe sind in der Tab 6 6 dargestellt Tab 6 6 Farbwerte EBC der Druck und Temperatur behandelten Malzextraktproben Temperatur C D 25 Bee as aa CO N et 339 E 50 69 3 arbver nderung EBC 04 371 340 331 354 i o f sa 10 7 44 Kodierung CO 50 co 200 NM 50 N _200 Der Ausgangsfarbwert von Malzextrakt betr gt 33 9 EBC Einheiten Nach der thermischen Behandlung bei 100 C und 60 Minuten ist der Farbwert auf 71 EBC gestiegen Nach den Temperatur und Druckbehandlungen sind die Farbanderungen um 4 4 bis 10 7 niedriger als die temperaturbehandelten Proben Referenz Je h her der Druck ist desto niedriger ist die Farbver nderung das hei t dass die Druckbehandlung mit Kohlendioxid und Stickstoff eine hemmende Wirkung auf die Maillard Reaktion hat Abb 6 15 25 Druck bar arbwert EBC 0 2 33 9 N 38 5 37 m H 36 D S 5 35 g 34 gt 2 33 D LL 32 31 Referenz CO2 50 CO2_ 2
250. uren erreicht haben wird der Eduktbeh lter EB mit 4 bis 6kg Malzextrakt gef llt geschlossen und mit Vordruck 2 bis 3bar CO beaufschlagt Anschlie end wird die ausgew hlte D se eingeschraubt der Spr h turm ST und der Produktbeh lter PB gasdicht eingebaut und das Gebl se f r die Absaugung des Sp hturms angeschaltet Die Kohlendioxidpumpe wird bet tigt und der Spr hturm mit vorgew rmtem Kohlendioxid gesp lt damit sich die D se und Spr hturm erw rmen Durch die Entspannung des Kohlendioxids stellt sich eine Temperatur im Spr hturm ein diese Spr hturm oder Nachexpansionstemperatur Tn h ngt von der Vorexpansionstemperatur und dem Vorexpansionsdruck ab Joule Thomson Effekt W hrend der Versuche wird in der Regel vor der Zudosierung des Malzextraktes der Spr hturm auf 15 bis 20 K ber der gew nschten Spr hturmtemperatur geheizt 78 Pulverisierungsanlagen Diese Temperaturdifferenz ist notwendig damit durch die Zudosierung der kalten Malzextraktl sung im Mischer die Vor und Nachexpansionstemperatur nicht unter die gew nschten Temperaturen absenken Sobald die Nachexpansionstemperatur erreicht ist wird die Eduktpumpe angeschaltet Das Ventil V zu dem statischen Mischer wird allerdings erst ge ffnet wenn der Druck in der Eduktleitung mindestens so hoch wie der Druck in der Kohlendioxidleitung ist Bei der Zudosierung von Malzextraktl sung je nach CO Malzextrakt Mischungsverh ltnis werden sich versc
251. us diesem Grund wurde das Pulver w hrend des Versuches alle 10 Minuten dem Sammelbeh lter entnommen und bei Raumtemperatur abgek hlt Wenn das Pulver im Sammel beh lter 30 Minuten lang bei Temperaturen um 60 C blieb sind Agglomerate entstanden Die Menge an Pulver die sich im Spr hturm befand war sehr gering im Vergleich zu dem Pulver welches sich im Produktbeh lter sammelte Aus diesem Grund wird das Pulver aus dem Spr hturm nicht als repr sentative Probe betrachtet 120 Ergebnisse und Diskussion 120 100 80 60 40 V66_Vorexpansionsdruck bar 80 70 60 50 40 30 20 V66_CO Massenstrom kg h V66_Malzextrakt NWA DN OO Laan on NO aononoaod oOo V66_Spr htemperatur C mit Vorheizen des Spr hturms OO OO OO JJ Ga GA E oO OO OO WO OO OCH V65_Spr htemperatur C ohne Vorheizen des Spr hturms 0 10 20 30 40 Zeit min gt gt ou LA oa CA CH Abb 6 33 Zeitlicher Verlauf einiger Parameter der PGSS Versuche V65 und V66 Ergebnisse und Diskussion 121 6 4 1 Anzahl der eingesetzten Mischelemente Zur Untersuchung des Einflusses der Anzahl der verwendeten Mischelemente ME auf die Partikeleigenschaften wurden drei Versuchsreihen V26 V27 V28 V45 V49 V59 V47 und V54 V57 mit ME von 10 mm Durchmesser verglichen Bei jeder Versuchsreihe wurden die anderen Versuchsparameter konstant gehalten Die zugeh rigen REM Bilder der ersten und dritten Versuchsreihe sind in de
252. usgef llt ist steigt beim Durchschreiten des Glasubergangs an Die Molek le sind im gummiartigen Zustand beweglicher und k nnen sich mit steigender Temperatur besser bewegen Dadurch wird der Raum zwischen den Ketten gr er Mit steigender Temperatur erreichen die Molek le schlie lich einen Punkt an dem sie sich frei bewegen k nnen Dies f hrt dazu dass der Stoff immer weicher wird bis er schlie lich in den fl ssigen Zustand bergeht Nelson 1992 Der Glas bergang ist normalerweise bei amorphen Stoffen zu beobachten Es wird vermutet dass pulverf rmiger Malzextrakt aus amorphen Stoffen besteht und infolgedessen einen Glas bergang aufweist Dieser Effekt ist nicht erw nscht Aus diesem Grund ist die Kenntnis der Glas bergangstemperatur eine wichtige Gr e f r die Festlegung der Lagerbedingungen bzw der Parameter f r die Weiter verarbeitung Die Bestimmungen der Glas bergangstemperatur werden in einem Differenz kalorimeter Differential Scanning Calorimeter DSC 131 Evo der Firma Setaram durchgef hrt Bei der DSC wird bei chemischen und physikalischen Stoff umwandlungen die dazu ben tigte W rmemenge bestimmt Die DSC besitzt zwei Messzellen die in Referenz sowie Probenzelle unterschieden werden Die Referenzzelle bleibt leer und in die Probenzelle k nnen sowohl fl ssige als auch feste Stoffe eingef gt werden Abb 4 26 Elektrische Heizung Referenztiegel Probentiegel Kontakten der Thermopaare Thermopaar O
253. ver Pulver Pulver Pulver Pulver Pulver fl ssig fl ssig Pulver fl ssig fl ssig A 6 Anhang Tab 9 11 Versuchsdaten der PGSS Trocknungsversuche Nr bar kg h kg h mm mm Gew C Gew EECHER nr ara o l mn fal I TIL 2 14 144 130 79 8 6 0 1 2 0 75 60 5 00 3 15 144 128 794 5 5 1 2 0 75 69 4 50 al m 12 14 Imoolmeln2 o rs es 5 21 133 104 119 9 5 6 12 0 0 26 8 24 1 2 8 1 75 6 18 144 139 68 3 4 1 1 0 0 7 20 150 149 70 8 3 7 12 0 0 8 23 157 150 68 8 3 1 1 0 0 52 7 24 1 28 7 2 21 9 24 149 1 0 0 42 8 10 19 145 1 0 0 11 24 148 1 0 0 32 9 1 397 12 15 131 103 79 9 5 6 1 0 0 75 65 6 00 26 1 24 1 2 0 13 24 151 150 80 0 3 4 1 0 0 75 75 4 90 48 7 24 1 24 7 14 23 128 147 5ME 8 35 7 15 26 152 146 5ME 8 47 1 16 15 134 130 12ME 8 64 35 7 17 14 125 96 1635 4 9 1 0 12ME 8 75 65 7 40 40 1 24 1 16 1 18 13 127 88 585 45 1 0 12ME 8 75 62 6 80 25 6 24 1 1 5 19 15 137 94 60 6 4 3 1 0 10ME 10 75 71 6 60 26 1 24 1 2 0 20 16 143 97 64 8 4 3 1 0 10ME 10 75 79 5 30 27 9 24 1 3 8 21 17 10ME 10 85 30 7 22 17 170 43 4 12ME 8 64 34 2 23 27 131 109 10ME 10 72 25 3 24 29 137 97 63 5 2 2 1 0 10ME 10 75 75 4 70 28 5 25 3 3 3 1
254. y dried and freeze dried carbohydrate based food model systems Journal of Food Science 69 7 322 331 Miller D 1998 Food Chemistry A laboratory manual Wiley New York u a Mori M 2003 Effects of pH on the formation of volatile products in non enzymatic browning of maltose Food Science and Technology Research 10 1 60 64 Nelson K Labuza T 1992 Relationship between water and lipid oxidation rates In Saint Angelo Allen J Ed Lipid Oxidation in Food ACS symposium series 500 ACS Washington DC 93 103 Okazaki T et al 2001 Effect of combination of heating and pressurization on browning reaction of Glucose Glycine solution and white sauce Food Science and Technology Research 7 4 285 289 Oschmann D 2010 Braulexicon de URL http www braulexikon de Stand 28 07 2010 Palzer S 2000 Anreichern und Benetzen von pulverf rmigen Lebensmitteln mit Fl ssigkeiten in diskontinuierlichen Mischaggregaten M nchen TU M nchen Univ Diss Pham M 2007 L sungsmittelabtrennung und Pulverisierung von Polymer l sungen mit dem PGSS Drying Verfahren Bochum Univ Diss Pollak S 2009 Herstellung pulverf rmiger Komposite aus Polybutylenterephthalat nach einem Hochdruckspr hverfahren Bochum Univ Diss Renner M Weidner E Brandin G 2009 High pressure carbon dioxide tanning Chemical Engineering Research and Design 87 7 987 996 Richter A 2008 Herstellun
255. ystems Italian Journal of Food Science 14 3 225 234 Sommer K 2000 40 Jahre Darstellung von Partikelgr enverteilungen und immer noch falsch Chemie Ingenieur Technik 72 8 809 812 Sovani S D Sojka P E Lefebvre A H 2001 Effervescent atomization Progress in Energy and Combustion Sciene 27 483 521 Span R 1993 Eine neue Fundamentalgleichung f r das fluide Zustandsgebiet von Kohlendioxid bei Temperaturen bis zu 1100 K und Dr cken bis zu 800 MPa Forschritt Berichte VDI Reihe 6 Energieerzeugung 285 VDI Verlag D sseldorf Zugl Bochum Univ Diss Stamag 2004 Backmittel f r Weizengeb ck Stamag Stadlauer Malzfabrik GmbH Patentnr DE202004004368U1 24 06 2004 sterreich Sudbrock F 2008 Studienarbeit Untersuchung des Einflusses der thermischen Behandlung auf die Farbe von Malzextrakt Ruhr Universit t Bochum zl Sugimura T 1985 Carcinogenity of mutagenic heterocyclic amines formed during the cooking process Mutation Research 150 33 41 Quellenverzeichnis 183 Takenouchi S Kennedy G 1964 The binary system H20 CO2 at high temperatures and pressures American Journal of Science 262 1055 1074 Tamaoka T 1991 High pressure effect on Maillard Reaction Agricultural and Biological Chemistry 55 8 2071 2074 Thermo Haake 2001 Thermo Haake Betriebsanleitung Software Rheo Win Pro Ude J Koch M 2002 Die Zelle Atlas der Ultrastruktur 3 Auflage
256. z in Tr pfchenform mit der hei en Luft im Kontakt und die Verdampfung findet an den Tr pfchenoberfl chen statt Die Temperatur der Tropfen deren Durchmesser im allgemein kleiner als 300 um sind liegt blicherweise zwischen 40 und 50 C wobei in der Lebensmitteltechnologie blichen Hei lufteintrittstemperaturen 150 bis 200 C betragen Kessler 1996 Die Temperatur auf der Oberfl che der Partikel n hert sich der K hlgrenztemperatur der Trocknungsluft an Im trockenen Zustand nehmen dann die Produktteilchen maximal die Temperatur der Abluft an Das Produkt wird innerhalb weniger Sekunden getrocknet Theoretische Grundlagen 7 Luft Pulver Abb 2 1 Schematische Darstellung eines Spr htrockners mit rotierender Scheibe als Zerst ubungseinheit links M glichkeiten der Str mung rechts Gleichstrom oben Gegenstrom unten Die Verdampfung geschieht in zwei Phasen W hrend der ersten Trocknungsphase findet die Verdampfung haupts chlich an der Oberfl che des Tropfens Partikels statt Dabei ist die Trocknungsgeschwindigkeit konstant solange an der Oberfl che des feuchten Partikels S ttigung herrscht Wenn der Feuchtegehalt an der Oberfl che sinkt und die ges ttigten Bedingungen nicht mehr beibehalten werden k nnen ist der sogenannte kritische Punkt erreicht Es bildet sich eine trockene u ere Schicht um die Partikel Jetzt h ngt die Verdampfungsrate vom Diffusionswiderstand des Wassers in der trockenen Schicht ab

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