Ausgangssituation/Problemstellung

Die steigende Nachfrage nach Nahrungsproteinen infolge der wachsenden Weltbevölke-rung und veränderter Ernährungsgewohnheiten erfordert neue lebensmitteltechnologische Konzepte für eine Deckung 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 einheimischer Hülsenfrüchte kann einen Beitrag zur Erhöhung des Anteils an pflanzli-chem Protein in der Ernährung leisten und stellt eine ökonomisch und ökologisch ange-messene Alternative zu sojabasierten Produkten dar. Zur Erzeugung pflanzlicher Fleisch-analoge bietet besonders die High Moisture Extrusion erhebliches Potential, das jedoch bisher aufgrund der Sensibilität des Prozesses gegenüber veränderlichen Rohstoffqualitä-ten und Prozessparametern nicht voll ausgeschöpft werden kann. Die Mechanismen der Prozess-Produkt-Wechselwirkungen sind weitgehend unbekannt, so dass für die gezielte Gestaltung und reproduzierbare Produktion fleischanaloger Produkte zunächst detaillierte Kenntnisse zu den relevanten Wechselwirkungen erforderlich sind. 

Forschungsziel

Im Rahmen des Projektes erfolgt die Erarbeitung der Korrelationen zwischen Rohstoffei-genschaften, Prozessführung und Struktur der Texturate. Besondere Bedeutung besitzt dabei die Belastungshistorie im Schneckenbereich des Extruders und das Strömungsver-halten in der Kühldüse, da hier die Verfestigung und Strukturbildung des Texturates erfolgt. Das vorliegende Projekt stützt sich zur Untersuchung dieser Vorgänge auf experimentelle Untersuchungen, inverse Modellierung und numerische Simulation. Fragestellungen zum Strömungsprofil, der Rheologie der extrudierten Masse und zur Strukturbildung stehen im Vordergrund.Den Herstellern von Proteintexturaten soll somit ermöglicht werden, im Vorfeld der Produk-tion und in Abhängigkeit der eingesetzten Rohstoffe die erforderlichen Prozessparameter von Extruder und Kühldüse zu identifizieren, um Texturate mit gewünschter Struktur zu produzieren.

Lösungsweg

Das Vorhaben fokussiert sich stofflich auf Proteintexturate aus Erbsen- und Sojaprotein. Um die Trennung der Effekte einzelner Inhaltsstoffe zu gewährleisten, erfolgen die Versu-che in einem ersten Schritt mit definierten Mischungen von Proteinisolaten (Erbse, Soja), Stärke- und Ballaststofffaserfraktionen. Der Versuchsplan erweitert sich in einem zweiten Schritt auf Erbsen- und Sojamehl. Vor Beginn der Extrusionsversuche erfolgt für alle einge-setzten Rohstoffe eine detaillierte Charakterisierung.Darauf aufbauend entsteht ein Arbeitsplan zur Durchführung der Extrusionsversuche, der auf Methoden der statistischen Versuchsplanung beruht. Dieser ermöglicht die Beurteilung des Einflusses von Inhaltstoffen (Protein, Stärke, Ballaststoff), Prozessparametern (Schne-ckendrehzahl, Wassergehalt, Gehäusetemperatur, Gesamtmassenstrom) und Düsengeo-metrie auf die daraus resultierenden Systemparameter (spezifischer mechanischer Ener-gieeintrag (SME), thermischer Energieeintrag (PT)) und Textureigenschaften des Protein-texturats. So lassen sich erstmalig die Einflüsse von Rezeptur/Rohstoffschwankungen, Extrusionsprozess und Effekten in der Kühldüse auf die Textureigenschaften des Protein-texturats gezielt trennen. Die entstehenden Texturate werden eingehend bezüglich ihrer sensorischen Textureigenschaften sowie physiko-chemischer Parameter charakterisiert.Das vorliegende Vorhaben hinterfragt besonders die ablaufenden Mechanismen im Schneckenbereich und in der Kühldüse. Es wird angenommen, dass die thermomechani-sche Belastung der Proteine im Schneckenbereich und thermische Transportvorgänge in der Kühldüse zu mechanischen Belastungen (Scherung, Dehnung) der extrudierten Masse führen, die entscheidend die Faserausbildung beeinflussen. Da die Untersuchung des Strömungsprofils die experimentelle Messtechnik vor große Herausforderungen stellt, sol-len numerische Simulationen herangezogen werden. Die hierbei zur Abbildung rheologi-scher und thermophysikalischer Eigenschaften der Proteinmatrix benötigten Modelle müs-sen auf in-situ gewonnenen Daten beruhen, um Abhängigkeiten von Temperatur, Scherra-te und Produktzusammensetzung beschreiben zu können. Hierzu wird eine speziell adap-tierte Rheometerdüse genutzt, deren Einsetzbarkeit sich jedoch auf die Gewinnung von Daten der fließfähigen Proteinmatrix beschränkt. Um das rheologische Verhalten in den Verfestigungsbereichen zu bestimmen, behilft sich das Projekt mit dem Ansatz der Inversen Modellierung: Das rheologische Modell der fließfähigen Proteinmatrix geht direkt in die nu-merische Simulation ein. Ein weiteres Experiment bricht die Strömung in der Kühldüse oh-ne Änderung der Proteinmatrix zu definierten Zeitpunkten ab und visualisiert mithilfe von Färbeverfahren das Strömungsprofil. Durch Adaption der numerischen Simulation an das gemessene Strömungsprofil, lässt sich das rheologische Verhalten in den Verfestigungsbe-reichen reproduzieren. Hierbei liefert die Literatur das Grundgerüst der mathematischen Abbildung physiko-chemischer Effekte.Das Hauptergebnis des Projektes soll ein Leitfaden sein, der sowohl auf allen experimentel-len als auch numerischen Daten der drei Forschungsstellen basiert und mithilfe von pro-dukt- und prozesstechnologischen Kennzahlen produktspezifische Prozessfenster geeig-neter Parameterkombinationen (Extruderfahrweise und Kühldüsengeometrie) angibt, die zu einem reproduzierbaren, stabilen Prozess und hochqualitativen Produkten führen. Um ein Scale-up der erzielten Ergebnisse ableiten zu können, finden die Extrusionsversuche an einem Zweiwellen-Technikumsextruder (Coperion ZSK 43 Megavolume) sowie an zwei La-borextrudern (Werner und Pfleiderer-ZSK 25, Coperion ZSK 26 MC) statt.