Ausgangssituation/Problemstellung

Die steigende Nachfrage nach Nahrungsproteinen infolge der wachsenden Weltbevölkerung und ver-änderter Ernährungsgewohnheiten erfordert neue lebensmitteltechnologische Konzepte für eine De-ckung des nationalen und internationalen Bedarfs. Hierfür stellt der Einsatz pflanzlicher Proteine aus ökologischer und ernährungsphysiologischer Sicht eine sinnvolle Alternative zu tierischem Protein dar. Die Herstellung von Texturaten auf Basis einheimi-scher Hülsenfrüchte kann einen Beitrag zur Erhö-hung des Anteils an pflanzlichem Protein in der Ernährung leisten und stellt eine ökonomisch und ökologisch angemessene Alternative zu sojabasier-ten Produkten dar.
Zur Erzeugung pflanzlicher Fleischanaloge bietet besonders die High-Moisture-Extrusion erhebliches Potential, das jedoch bisher aufgrund der Sensibili-tät des Prozesses gegenüber veränderlichen Roh-stoffqualitäten und Prozessparametern nicht voll ausgeschöpft werden kann. Die Mechanismen der Prozess-Produkt-Wechselwirkungen sind weitge-hend unbekannt, für eine gezielte Gestaltung und reproduzierbare Produktion fleischanaloger Produk-te fehlen Kenntnisse zu den relevanten Wechsel-wirkungen.
Ziel des Forschungsvorhabens war die Untersu-chung der Korrelationen zwischen Rohstoffeigen-schaften, Prozessführung und Struktur der Textura-te. Ein besonderer Fokus lag dabei auf der Belas-tungshistorie im Schneckenbereich des Extruders und dem Strömungsverhalten in der Kühldüse, da hier die Verfestigung und Strukturbildung des Tex-turates erfolgt. Das Projekt stützte sich zur Unter-suchung dieser Vorgänge auf experimentelle Untersuchungen, eine inverse Modellierung und nu-merische Simulation. Fragestellungen zum Strö-mungsprofil, der Rheologie der extrudierten Masse und zur Strukturbildung standen im Vordergrund.

Forschungsergebnis:

Zur Aufklärung der Texturierungsmechanismen bei der Nassextrusion wurden die Rohstoffe, die für die Nassextrusion verwendet wurden, physiko-chemisch charakterisiert. Neben der Rohstoffcha-rakterisierung wurden auch die rheologischen Da-ten der Rohstoffe unter extrusionsähnlichen Bedin-gungen bei unterschiedlichen thermomechanischen Beanspruchungen bestimmt. Aufgrund ihrer unter-schiedlichen Zusammensetzungen weisen die je-weiligen Rohstoffe unterschiedliche rheologische Eigenschaften auf.
Zur Aufklärung von Produkt-Prozess-Struktur-Funktionalität-Wechselwirkungen während der Nassextrusion wurde der Einfluss der extruderspe-zifischen Stellgrößen auf die daraus resultierenden Prozessparameter sowie auf die protein-chemische Zusammensetzung bestimmt. Obwohl Unterschiede in den Stellgrößen zu unterschiedlichen Prozesspa-rametern führten, konnten keine proteinchemischen Veränderungen der Protein-Protein-Wechselwirkungen aufgezeigt werden. Auch an unterschiedlichen Stellen in der Kühldüse konnten keine messbaren proteinchemischen Veränderun-gen aufgezeigt werden. Die Charakterisierung der proteinchemischen Veränderungen unter definierter thermomechanischer Beanspruchung zeigte, dass erst ab Temperaturen > 140 °C eine Änderung in den Protein-Protein-Wechselwirkungen auftrat. Diese Änderungen weisen auf eine Molekularge-wichtsreduktion infolge von Degradationsreaktionen hin. Die texturanalytische Untersuchung von Pro-ben, die an unterschiedlichen Stellen aus der Kühl-düse entnommen wurden, zeigte nur sehr geringe Änderungen in der Festigkeit. Die durch Anfärben der Proteinmatrix kurz vor Kühldüseneintritt sichtbar gemachten Strömungsprofile zeigten hingegen keine Profiländerungen entlang der Düse.
Auch wurde der Einfluss der Kühldüsenkonfigurati-on auf die Systemparameter im Extrusionsprozess sowie auf die Systemparameter im Kühlprozess untersucht. Die Ergebnisse zeigten: kleine Quer-schnitte, insbesondere die Höhe der Kühldüse, erhöhten den Materialdruck und die Materialtempe-ratur vor der Kühldüse sowie die Fließgeschwindig-keiten in der Kühldüse; entsprechend stiegen die REYNOLDS-Zahlen. Entlang des sich ausbildenden Strömungsprofils werden Schichtenstrukturen, die sensorisch an Faserstrukturen erinnern, ausgebil-det. Mit zunehmender REYNOLDS-Zahl nimmt die Ausprägung der Strömungsprofile zu, ausgeprägte Strömungsprofile unterstützen die Ausbildung sol-cher Strukturen in Fließrichtung. In Texturmessun-gen konnte eine Beziehung zwischen der REY-NOLDS-Zahl und einem Kräfteverhältnis sowie dem Elastizitätsmodul als Strukturierungsindex aufge-zeigt werden.
In der numerischen Simulation wurde der Einfluss verschiedener Prozessparameter auf verschiedene Rohstoffe durch strömungsmechanische Simulatio-nen erfasst und analysiert. Obwohl das Texturat als einphasig betrachtet wurde, konnte ein Parameter (Variationskoeffizient (CV)) gefunden werden, der als Maß für die Texturierung verwendet werden kann. Dieser, in guter Übereinstimmung mit expe-rimentellen Messungen (Schnittversuche, Zugver-suche), ermöglicht es, neben Experimenten auch die Simulation zur Bewertung der Güte der Textu-rierung zu verwenden. Durch die mittels Druck- und Temperaturverläufen validierten Simulationen ste-hen lokale Informationen zu Scherraten, Viskositä-ten und Geschwindigkeitsverteilungen der Analyse und weiteren Optimierung zur Verfügung.
Anhand Ähnlichkeitstheorie und Dimensionsanalyse (BUCKINGHAM‘sches Π-Theorem) konnten dimen-sionslose Kennzahlen für den Texturierungsprozess ermittelt werden. Anhand zweier dimensionsloser Kenngrößen (REYNOLDS-Zahl und GRAETZ-Zahl) konnte ein Scale-Up zwischen drei Extrudern unter-schiedlicher Größenordnung erzielt und ein Leitfa-den für KMU entwickelt werden.

Wirtschaftliche Bedeutung:

Fleischanaloge Produkte stellen ein Marktsegment mit starkem Zuwachs dar (30 % p.a. bei vegetari-schen Teilfertigprodukten zwischen 2008 und 2012). Viele dieser Produkte werden auf Sojabasis in Extrusionsprozessen hergestellt, jedoch gewinnt Erbsenprotein als regionales Ausgangsmaterial an Bedeutung.
Die Entwicklung neuer Produkte erfordert bislang zeit- und kostenaufwändige Trial-and-Error-Verfahren, um die Eignung eines Rohstoffes bzw. die notwendigen Prozessparameter zu identifizie-ren; zudem ist die Qualität der Texturate sehr vari-abel.
Für die Einführung und reproduzierbare Produktion hochwertiger Produkte ist es daher gerade für klei-nere Unternehmen von Bedeutung, die Einfluss-größen auf den Herstellungsprozess und die Be-deutung der Rohstoffeigenschaften im Detail zu verstehen. Gleichzeitig eröffnet die Kenntnis geziel-ter Anforderungsprofile Herstellern von Rohstoffen (z. B. Proteinkonzentraten) die Option, maßgeschneiderte Materialien zu entwickeln, um einen entsprechend hochpreisigen Absatzmarkt zu bedie-nen. Die Kenntnis der Strömungs- und Verfesti-gungsvorgänge in der Kühldüse bietet darüber hin-aus Herstellern von Extrudern und Peripheriegerä-ten die Möglichkeit, die thermodynamisch bedingte Limitierung des Durchsatzes von 160 kg/h bei der High-Moisture-Extrusion konstruktiv zu überwinden.

Publikationen:

Pietsch, V.L., Schöffel, F., Rädle, M., Karbstein, H.P., Emin, M.A.. High moisture extrusion of wheat gluten: Modelling of the reaction behavior of wheat gluten in the screw section of the extrusion process, Journal of Food Engineering, August 2018.

Pietsch, V.L., Bühler, J., Karbstein, H.P., Emin, M.A.. High moisture extrusion of soy protein concentrate: Influence of thermomechanical treatment on protein-protein interactions and rheological properties, Journal of Food Engineering, August 2018.

Pietsch, V.L., Werner, R., Karbstein, H.P., Emin, M.A.. High moisture extrusion of wheat gluten: Relationship between process parameters, protein polymerization, and final product characteristics, Journal of Food Engineering, January 2018.

Pietsch, V.L., Karbstein, H.P., Emin, M.A. (2018). Kinetics of wheat gluten polymerization at extrusion-like conditions relevant for the production of meat analog products. Food Hydrocolloids, 85, pp. 102-109.

Pietsch, V.L., Emin, M.A., Schuchmann, H.P. (2017). Process conditions influencing wheat gluten polymerization during high moisture extrusion of meat analog products, Journal of Food Engineering, 198, pp. 28-35.

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