Universität für Bodenkultur Wien Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie Food Structure Design und Haltbarmachung mittels neuer Technologiekonzepte 4. Innovationentagung – 23.4.2015 – LMTZ Wieselburg Henry Jäger BOKU – Institut für Lebensmitteltechnologie Rohstoff - Lebensmittel - Verarbeitung Struktur Qualität Haltbarkeit Gesundheit Prozessierung 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 2 Vom Rohstoff zum Endprodukt Abbau Strukturaufbau Abbau Restrukturierung Verarbeitung Veränderung der Nährstoffzusammensetzung und –verfügbarkeit Zeitliche und räumliche Distanz Produktion/Konsumation Haltbarmachung 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 3 Konsumentenorientierung 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 4 Lebensmittel für DEN Konsumenten Entwicklungsstand eines Landes Lebensmittel-Fokus Hoch (Industrieländer) Personalisierte Ernährung + Gesundheit + Gourmet Qualität Mittel Ernährung + Convenience Niedrig (Entwicklungsländer) Ernährung + Leistbarkeit + Zugänglichkeit according to Windhab 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 5 Personalisierte Ernährung Individueller Leistungs- und Gesundheitsstatus Bedarf an Makro- und Mikronährstoffen Auswahl der passenden Rohstoffe / Zutaten 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 6 Neue Rohstoffe Prozesskonzepte für alternative Rohmaterialien Algen Leguminosen Pseudogetreide Insekten Vielversprechende ernährungsphysiologische Eigenschaften (Fett- oder Eiweißgehalt/-profil, glutenfrei) Effiziente Anzucht 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 7 Neue Rohstoffe Fractionation / Isolation of promising fractions Nutritional characterisation Structural / Functional properties Allergenic potential Thermal processing Modification by processing Functionalized fractions as food ingredient 23/04/2015 Non-thermal processing Innovative products BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 8 Neue Rohstoffe Trockene Aufarbeitung Analogie: Getreidetechnologie vs. Nasse Aufarbeitung Analogie: Extraktion Zerkleinerung durch Vermahlen Zerkleinerung durch Vermahlen Extraktion mit einem Lösungsmittel Trennung durch Sieben/Luftstrom Trennung durch Zentrifugation Aufreinigung durch Membranverfahren Prozesskombinationen 23/04/2015 Lösemittelentfernung durch Verdampfung BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 9 Neue Rohstoffe angereicherte / pure Fraktionen Thermische Prozessierung Nicht-thermische Prozessierung Erhitzen Backen Extrusion … Hochdruck Hochspannungsimpulse Plasma … Prozessziele: 23/04/2015 - Inaktivierung von Mikroorganismen, Enzymen, Allergenen - Verbesserung funktioneller Eigenschaften - Aufbau bzw. Modifizierung von Strukturen - Verbesserung der Verdaulichkeit -… BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 10 Prozessziele und -ergebnisse Ziele Lebensmittelsicherheit Haltbarmachung Ernährungsphysiologische Aufwertung Modifizierung von Struktur/Geschmack Gewinnung von Inhaltsstoffen Technologie Thermisch Mechanisch Biotechnologisch Chemisch Ergebnis Umgewandeltes Rohmaterial Verbrauch von Energie und Zeit Reststoffe 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 11 Prozess-Struktur-Eigenschafts-Beziehung 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 12 Limitierungen thermischer Prozesse Prozesseinfluss T Umweltauswirkungen Produktqualität Nährwert Prozessintensität (T, t) Ungenutzte Prozessintensität t Zusatzziele des Einsatzes neuer Technologien – Haltbarmachung plus: - Verbesserte Verteilung des Wirkprinzips Reduzierung der Temperaturbelastung Qualitätserhalt /-verbesserung Generierung von Strukturen und Eigenschaften Reduzierung Energieverbrauch und Anfall von Nebenprodukten/Reststoffen 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 13 Herausforderungen für neue Technologien - Inhomogene Prozessintensitäten (p, T, E – Verteilung) - Verfügbarkeit, Haltbarkeit und Zuverlässigkeit der Anlagentechnik - Anlagendesign (Behandlungszellen, CCP) - Matrixeffekte (aw, Leitfähigkeit) - Verfügbarkeit von Indikatoren (Sensitivität) - Verfügbarkeit von Kinetiken (Mikroorganismen, Allergene, Toxine, Nährstoffe, Lagerstabilität) - Mechanismenaufklärung (Enzyme, Sporen, Prionen, Allergene, Viren) - Rechtliche Aspekte (Novel Food) 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 14 Neue Technologien – Ohmsches Erhitzen Volumetrische Erhitzung mit elektrischem Strom • • • Erhitzung des Lebensmittels mittels Stromfluss durch das Lebensmittel und Energiedissipation aufgrund seines elektr. Widerstandes Schnelle Erhitzung im Sekundenbereich gleichmäßig im gesamten Produkt Produktvariablen: Salz- und Wassergehalt (elektr. Leitfähigkeit) Ohmsches Erhitzen Quelle: DIL e.V. 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 15 Neue Technologien - PEF Zerstörung von Zellorganellen – Anwendung gepulster elektrischer Felder (PEF) • Applikation kurzer Pulse (µs) von hoher Spannung (kV) • Wirkung auf biologische Zellen: Elektroporation der Zellmembran vorher Zellaufschluss Gewebe-Erweichung Verbesserung von Stofftransportprozessen Haltbarmachung nachher Freisetzung des Zellinhalts 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 16 Neue Technologien - PEF Kombinationsprozess aus Zellaufschluss und Erhitzung Gleichmäßiges Garen in kurzer Zubereitungszeit Erhalt rohstofftypischer Geschmackseigenschaften 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 17 Prozesskontrolle Elektrische Feldstärke pH Temperatur 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 18 PEF und Trocknung Zell-Ebene Gewebe-Ebene Einfluss auf Trocknungsrate Verteilung gelöster Trockensubstanz 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 19 Experimentelles Vorgehen • • • • • PEF-Vorbehandlung Bestimmung des Zellaufschlussgrades Warmlufttrockung Messung von Feuchte- und Zuckergehalt und –verteilung Analyse der Verschiebung der Trocknungsfront mittels MRT Bestimmung des Zellaufschlussgrades mittels Impedanzanalyse 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 20 Zellaufschlussgrad Zellaufschlussgrad nach PEFBehandlung bei 3 kV/cm und versch. Werten des Gesamtenergieeintrages. • Korrelation zwischen Elektroporationsintensität und Zellaufschlussgrad • > 70 % Zellaufschluss nach Elektroporation bei 3 kV/cm und 11 kJ/kg 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 21 Trocknungsverlauf Einfluss einer PEF-Vorbehandlung auf den Trocknungsverlauf von Apfelwürfeln während der konvektiven Warmlufttrocknung bei 60 °C. • 21 % kürzere Trocknungszeit zur Erreichung eines typischen Endfeuchtegehaltes von 20 % (Naßgewicht) • Geringere Standardabweichung des Feuchtegehaltes Trocknungsprozess und Kompensation von Texturunterschieden 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger homogenerer 22 Zuckerverteilung Effekt einer PEF-Vorbehandlung auf die Fruktose-Verteilung in Apfelwürfeln (Mitte und Randschicht) während der Warmlufttrocknung. • Kontrollprobe: Erhöhung der Fruchtosekonzentration an der Oberfläche • PEF: Höherer Fruktosegehalt in der Mitte des Apfelwürfels 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 23 Lokalisierung der Trocknungsfront Wasserverteilung in der mittleren Schnittfläche des Apfelwürfels (links: Kontrolle, rechts: PEF) nach 2 h Trocknung (weiße Farbe indiziert hohen Wassergehalt). Wasserverteilung entlang der Mittellinie des Apfelwürfels bestimmt mittels Magnetresonanztomographie nach 2 h Trocknungszeit. 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 24 Beeinflussung der Sensorik Holm et al. (2009). Sweetness and texture perceptions in structured gelatin gels with embedded sugar rich domains. Food Hydrocolloids 23 (8). 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 25 PEF und Saftgewinnung 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 26 Zerkleinerung - Partikelgrößen 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 27 Zellaufschluss Apfel ~ 200 µm Zellgröße Karotte ~ 70 µm Mechanische Zerkleinerung Zellaufschluss UND Änderung der Partikelgröße PEF Zellaufschluss unabhängig von der Partikelgröße 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 28 Trennsysteme 23/04/2015 Bandpresse Packpresse Filterpresse Dekanter BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 29 Saftausbeuten 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 30 Isostatischer Hochdruck (Tonello Samson, C., 2012, Hiperbaric, Spain) 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 31 Isostatischer Hochdruck 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 32 Isostatischer Hochdruck nativ 600 MPa, 5 min, 40°C 0.1 MPa, 5 min, 70°C Gelatinization of corn (Buckow, 2006) starch 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 33 Ultra-Hochdruck-Homogenisierung Temperatur 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 34 Ultra-Hochdruck-Homogenisierung Emulsionen Oberflächen-Hydrophibizität von Molkenproteinen Partikel/ Mikroorganismen 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 35 Zusammenfassung Dupont (2011) Verzehrseigenschaften Verarbeitungseigenschaften 23/04/2015 BOKU Wien | Inst. für Lebensmitteltechnologie | Univ.-Prof. Dr.-Ing. Henry Jäger 36 Food Structure Design und Haltbarmachung mittels neuer Technologiekonzepte Danke für Ihre Aufmerksamkeit! 4. Innovationentagung – 23.4.2015 – LMTZ Wieselburg Henry Jäger BOKU – Institut für Lebensmitteltechnologie Universität für Bodenkultur Wien Department für Lebensmittelwissenschaften und -technologie
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