Lebensmitteltechnik im Wandel

Dr.-Ing. Volker Heinz Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. 49610 Quakenbrück

Lebensmittelindustrie • Begrenzte Haltbarkeit der Rohstoffe • Aufwendige Verarbeitungsprozesse • Hohe Produktionsmengen • Weitgehende rechtliche Regulierung • Hohe Anforderungen an Verpackung • Hochkompetitives Marktumfeld

UMSATZENTWICKLUNG

Quelle: Bundesvereinigung der Deutschen Lebensmittelindustrie e.V.

Umsatzanteile der Teilbranchen

Quelle: Bundesvereinigung der Deutschen Lebensmittelindustrie e.V.

Teilbranchen

Ort der Lebensmittelproduktion

VERARBEITUNGSPROZESS

UNTERNEHMEN

ZIELE

Vernetzung

STAAT

ffe to hs Ro

Le

fe of st st Re

be ns be di ng Be un la ge st n un g

UMWELT RESSOURCEN

INDUSTRIEPOLITIK VERBRAUCHERSCHUTZ UMWELTSCHUTZ

VERBRAUCHER

Waren Bedürfnisse

WIRTSCHAFT

UMWELT RESSOURCEN

STAAT

INDUSTRIEPOLITIK VERBRAUCHERSCHUTZ UMWELTSCHUTZ

VERBRAUCHER

Dynamik

Ort der Lebensmittelproduktion

VERARBEITUNGSPROZESS

ZULIEFERER

VERFAHRENSTECHNIK

WETTBEWERB EXPORT

STANDORT

POLITIK

RECHT

VERARBEITUNGSPROZESS

STANDARDS HANDEL

ÖFFENTLICHKEIT

QUALITÄTSSICHERUNG

SEKUNDÄRMARKT

UMWELTSCHUTZ

DIREKTVERTR. ÖFFENTL. WAHRN.

Verarbeitungstechnik

Därme / Hüllen / Verpack.

Starterk. / Gewürze / Rauch

Beispiel: Fleischwarenindustrie

Beispiel: Fleischwarenindustrie ZULIEFERER

STANDORT

VERFAHRENSTECHNIK

WETTBEWERB EXPORT

POLITIK

RECHT

ÖFFENTLICHKEIT

QUALITÄTSSICHERUNG

STANDARDS HANDEL

SEKUNDÄRMARKT UMWELTSCHUTZ DIREKTVERTR. ÖFFENTL. WAHRN.

Beispiel Fleischwarenindustrie

13.01.2005

Effizientes Problemmanagement....

Systemorientierter Problemlösungsansatz Erfahrungsbasierte Identifizierung von Schlüsselelementen im System Lebensmittel / Prozess

Anwendung von Modellierungen auf Schlüsselelemente im Lebensmittel / Prozess

Wiss. Etablierung quant. Beziehungen zwischen Eigenschaften der Elemente und Qualitätsattributen (relevant, quantifizierbar, reproduzierbar)

Organisation verfügbarer Zusammenhänge

Modellierungen Datenbanken

Entwicklung und Integration von (on-line) Sensoren für Systemelemente (evt. für Qualitätsattribute) Adaptiert von: Marcus Karel (1999) The History and Future of Food Engineering

Systemorientierter Ansatz Identifizierung von Schlüsselelementen

Quantifizierung relevanter Zusammenhänge Modellierungen Datenbanken

Anwendung auf Schlüsselelem. Sensoren

Adaptiert von: Marcus Karel (1999) The History and Future of Food Engineering

Food Structure Scales

Knowledge Cube

Mechanisms of Action

Processing Innovations Structure Formation

Separation

Beverage

• Encapsulation

• Centrifugal forces • Membranes

Meat

• P-T-pH Effects • Drying • Transglutaminase • Automation • Extruder • Robotics

• Mixing Convenience • Extruder

Conversion

Stabilization

• Heat • Enzymes • High Pressure • Supercritical fluids • PEF • Nitrite • CO • Shock Waves

• Fermentation • MAP • High Pressure • pH / aW • Heat / Freeze • High Pressure • MAP

• Moisture barrier

Cereals

• Extruder • Coatings

• Starch gelatinitation

• Baking • Drying • Vakuum drying

Chocolate

• Milling • Ultrasound

• Polymorphism γ⇒β

• Shear stress • Magnetic fields

Dairy

• High Pressure

• Membrane technology

• Enzymatic lactose • PEF (raw milk conversion cheese)

STRUKTURIEREND

Z.B.: Emulsionstechnik Identifizierung von Schlüsselelementen

• • • •

Rheologische Eigenschafen, Textur Zerkleinerungsgrad Diffusionskoeffizienten einzelner Komponenten Grenzflächenenergie

Quantifizierung relevanter Zusammenhänge

• Physikalische Eigenschaften als Funktion von T, p, pH… • Sensorische Bewertung bei Variation der physikalischen Eigenschaften

Modellierungen Datenbanken Anwendung auf Schlüsselelem.

Sensoren

• Spezielle mathematische Ansätze (Fuzzy, Fraktalanalyse)

• Niedrig-Fett Margarinen • Entwicklung von Emulgatorsystemen • Verwendung von Komponenten mit kontrollierter Inhaltsstofffreisetzung • Analyse verschiedener Messgrößen (VIS, IR, NMR, ESM, US...) • Integrierte Strukturmodellierung Adaptiert von: Marcus Karel (1999) The History and Future of Food Engineering

Anwendungen hoher Drücke

Pressure-Time-Domain 1400 1200

Pressure [MPa]

1000 HPST

800 600

Shock wave

Industrial HPP

400 200 0 1,00E-07

Ultrasound

1,00E-05

Gun

1,00E-03 1,00E-01 Time [s]

1,00E+01

1,00E+03

Stosswellen Application of 50 – 100 g explosives (Hydrodyne®)

Long. 1997, Solomon 2002

http://www.las.ele.cst.nihonu.ac.jp/History/kidn.html

http://www.mwstone.com/howthe.htm

Anwendungen von Stosswellen

Wess

35

Anwendungen von Stosswellen Gesteinssprengen Discharge

Electrodes

Water Bassing

Shockwave

Impact Material

Löffler, 2007

36

Anwendungen von Stosswellen • TenderClassTM-System [Hydrodyne Inc., University of Wisconsin] Claus

Claus

37

Anwendungen von Stosswellen Fleischreifung

CONTROL: Magnification 7100X. Early deboned Holstein beef before TCS processing. Intact myofibrils.

Hydrodyne Processed: Magnification 19500X. Early deboned Holstein beef after TCS processing.

Claus et al. 2002

Anwendungen von Stosswellen Fleischreifung

Moeller et al. 1999

Extrusionstechnik Wasser/Dampf Etherm

Materialaufgabe

Heizmantel

Düse

Einzug Einzug

Druckaufbauzone

Kompressionszone

Produktaufnahme -- Produktaufnahme Produktförderung -- Produktf örderung (Mischen) -- (Mischen)

Kompression -- Produktf Produktförderung Kompression örderung Eintrag von von mechanischer mechanischer -- Eintrag und thermischer thermischer Energie Energie und

Einzugszone

Motor/Getriebe Extruderschnecke

Druckaufbau Druckaufbau -- Verdichtung Verdichtung des des Materials Materials -- Druckaufbau Druckaufbau D Düse üse

-- Zur Zurückhalten ückhalten des des freien freien Massenflusses Massenflusses Formgebung -- Formgebung -- Texturgebung Texturgebung

Extrusionstechnik Kochextrusion ⇒ Expansion

Rezepturcharakteristik Rezepturcharakteristik Hohe ärkegehalte HoheSt Stärkegehalte (50 -70%) (50-70%) Niedrige NiedrigeWassergehalte Wassergehalte (15 -30%) (15-30%)

Prozesscharakteristik Prozesscharakteristik Hohe HoheTemperaturen Temperaturen Hohe ücke HoheDr Drücke Schneidvorrichtung Düse

Wasser/Dampf Heizmantel

Druckaufbauzone

Etherm

Kompressions- Einzugszone zone

Materialaufgabe

Motor/Getriebe

Extrusionstechnik High Moisture Extrusion ⇒ Faserige Texturierung Rezepturcharakteristik Rezepturcharakteristik Hohe HoheProteingehalte Proteingehalte (mind. (mind.50% 50%in inTS) TS) Hohe HoheWassergehalte Wassergehalte (50 -70%) (50-70%)

Prozesscharakteristik Prozesscharakteristik Hohe HoheTemperaturen Temperaturen Kurze KurzeVerweilzeiten Verweilzeiten KKühldüse ühldüse Etherm Kühldüse

Heizmantel Druckaufbauzone

Etherm

Wasser/Dampf Materialaufgabe

Kompressions- Einzugszone zone

Motor/Getriebe

Extrusionstechnik High Moisture Extrusion Etherm

Heizmantel

Wasser/Dampf Etherm

Kühldüse

Materialaufgabe

Motor/Getriebe

Verarbeitung Kühlung T ≈ 0 °C

Verarbeitung T ≈ 130 °C

Verarbeitung T ≈ 170 °C

Ausgangsmaterial

Reduzierung der Temperatur Etherm, Emech

Geringe Reduzierung der Temperatur Etherm, Emech

Erhitzung zur Bildung einer Proteinschmelze Etherm, Emech

Mischen von Feststoffmischung und Wasser Emech

Extrusionstechnik

Flachdüse

Runddüse

Kühldüse mit variabler Spaltweite (max. Höhe 25 mm, Länge 1100 mm (2 Zonen, 1. Zone L1 = 310 mm))

Extrusionstechnik

Fleisch

quer zur Faser

längs zur Faser

Sojaproteinisolat extrudiert

Ausgangsmaterial Ausgangsmaterial Sojaproteinisolat Sojaproteinisolat

Sojaproteinisolat gekocht

Extrusionstechnik Ausgangsmaterial Ausgangsmaterial Sojaproteinisolat Sojaproteinisolat Fleisch

Sojaproteinisolat extrudiert

quer zur Faser

Ergebnisse: Rasterelektronenmikroskopie

Hydrostatischer Hochdruck

microbes starch tissue lipids proteins

Inactivation

Swelling

Disintegration

Transition

Unfolding

Industrial HPP machines in the world (number of equipment)

112 99 83

Oceania Asia Europa America Total

68

65

53 41 31

23 22

19

3

3

1

2

1

8

9 6

3 2

2

3

2

06

05

l ta To 7 0

20

20

02

04

1

4

20

1

03

20

00

99

98

97

96

95

94

93

92

90

91

19

19

19

19

19

19

19

19

01

20

20

1 1

6

20

3

7 1

2

1

19

1

1

2

1

4

19

1

1

1

1

9

9

10

20

1

5

3

2

7

8

7

7

12

10

Industrial HPP machines versus food industries (% total number of machines)

Vegetable products 33%

9

112 HPP machines

9

60 companies

9

Production in 2006

Meat products 28%

: > 120 000 tons

Seafood and fish 15% Juices and beverages 17%

Others products 7%

Color changes of meat during HPP

Pressure-temperature diagram ∆E color change of chicken, turkey and pork meat after 1 min treatment time.

Color changes of meat during HPP

pT diagram for 5 log inactivation of Y. enterocolitica, Campylobacter spp and Avian Influenca Virus in pork and poultry meat.

Reference SEM Chicken

400 MPa / 15° C / 1 min

300 MPa / 15° C / 1 min

500 MPa / 15° C / 1 min

Prozesse unter Beteiligung Enzymatischer Katalyse starch native E+S

ES

inactivation

E+P

Activity under pressure pT dependence of the corrected conversion rate constant kconv of glucoamylase (A.niger).

pT isokinetic diagram for 95% inactivation amylases and cellulases ACES buffer after 30 minutes exposure time.

starch native E+S

ES

inactivation

E+P

starch swelling Loss in birefrigence

Buckow et al., 2007

mechanisms

Saccharification of native maize starch by glucoamylase in different p/T domains starch native E+S

ES

E+P

inactivation

d [Glucose ] = k conv ⋅ [E1 + E 2] ⋅ [S ] dt d [E1 + E 2] = −k1inact ⋅ [E1] − k 2inact ⋅ [E 2] dt d [S ] −1.65 = 1 − (k gel ⋅ [S ] ) dt

Liberated glucose from maize starch by glucoamylase versus temperature and pressure after 30 minutes. Isolines denote the percentage relative to the maximum release observed at 270 MPa and 80°C.

Anwendungen elektrischer Felder Zur Beeinflussung der Lebensmittelstruktur

Pulsed Electric Fields and Membrane Permeabilization Biological cells suspended in electrically conductive aqueous medium

Quickly changing electrical field

Pulsed Electric Fields and Membrane Permeabilization CIRCUIT

C

Ri

Re

m

R m

Ra

Rm →∞ ε = 2.3 C = 1 µF/cm²

PEF enhanced drying of Meat PEF treatment (1 – 5 kV/cm)

Brine Injection (10 %) 10 % of brine, saturated

Hand salting (5 %) 5 % of salt on surface

Drying at 8 °C, 95 % rel. humidity

PEF – enhanced drying of meat

Schnellere und gleichmäßigere Abtrocknung

Steigerung der Wirtschaftlichkeit durch Reduktion des Herstellungsaufwands

Anwendungen elektrischer Felder Zur Haltbarmachung

Application of Pulsed Electric Fields – Gentle Juice Preservation Inactivation of different microorganisms 0

lg (N/N0)[-]

0

0

0

-1

-1

-1

-1

-2

-2

-2

-2

-3

-3

-3

-3

-4

-4

-4

-4

-5

-5

-5

-5

-6

-6

-6

-6

-7

E. coli 0

40

-7 80

120

L. innocua 0

40

80

-7 120

S. cerevisae 0

40

80

-7 120

35°C 45°C 55°C

B. megaterium 0

40

80

120

-1

Specific Energy [kJ kg ]

Inactivation of E. coli, L.innocua, S. cerevisae and B. megaterium in ringer solution with an electrical conductivity of 1.25 mS cm-1 after PEF treatment with graphite anode and a field strength of 16 kV cm-1

Application of Pulsed Electric Fields – Gentle Juice Preservation Main Processing Parameters – 3. Treatment temperature

Inactivation of E. coli in apple juice, E= 36 kV cm-1

Application of Pulsed Electric Fields – Gentle Juice Preservation 0

Energetic Optimization

1

3

35°C 4 5 6

Synergetic effects of mild heat and PEF

7 8 0

thermal pasteurisation

Thermal Pasteurization: Approx. 20 kJ/kg when heat recovery is applied (95 %)

2

-lg (N/No) [-]

Reduction of electrical energy consumption

20

45°C 50°C 55°C 40

60

80

100

specific energy input [kJ/kg] Inactivation of E. coli in apple juice, E= 36 kV cm-1

Application of Pulsed Electric Fields – Gentle Juice Preservation Temperature-Time-Profile 100 HTST Treatment

Temperature [°C]

80 PEF-Treatment

60 40

Preheating

Cooling

analog to F-value t

Cook - value = ∫ 10

20

T − Tref z

dt

0

0

0

20

40 Time [s]

60

80

Temperature-Time-Profile of a suggested fruit juice preservation 55 °C, 40 kJ/kg

C-value HTST = 6·10-2 C-value PEF = 6·10-3

quant.Zusammenh. Critical Field Strength [kV/cm]

100

L. m onocytogenes Y . enterocolitica L. brevis B . subtilis L. plantarum S . senftenberg E . coli S . cerevisiae

Hochspannungsimpulse Modellierung

E

10

D A B

1

C

1.0

10.0

Schlüsselelement

Characteristic Cell Dimension [µm]

Anwendung

Sensoren

Estimation of total treatment costs – Preservation by PEF Nr. Cost

Unit

PEF

1 2 3 3.1 4 5 5 6 7 8 9 10

production per a investment residual value replacement value expenditure depreciation range interest depreciation interest maintenance fixed costs p.a. variable costs p.a.

t EUR EUR EUR EUR years % EUR/a EUR/a EUR/a EUR/a EUR/a

18.750 500.000 600.000 600.000 7 7 85.714 42.000 20.000 147.714 24.750

11

Total costs. p.a.

EUR/a

172.464

12 13

Variable costs p.t Total costs p.t

EUR/t EUR/t

1,32 9,19

14

Total costs p. kg

EUR/kg 0,009

Production scale 10 t/h, 18750 t/a Treatment parameters 40 kV/cm, 50 kJ/kg Equipment parameters Treatment chamber Chamber volume Residence time Repetition Load voltage Average power

DN 20 0,006 l 0.021 s >1 kHz 80 kV 150 kW

Investment ca.

500 k€

Premium or heat sensitive products

Cost and Efficiency Analysis operation costs

specific energy input [kJ/kg]

ohmic

thermal effects

10 Eur/t

100

estimated total costs

MEF

10

1 Eur/t s tr

ba ct er ia

pla n es s

t

ye as ts

sl u dg e

meat investment costs

1

field strength [kV/cm]

Preservation

Zellaufschlusss Cell disintegration Zellaufschlusss

0

2

4

6

8 10 12 14 16 18 20

Production scale (t/h)

me at

1 0,1

m i cr oa lg ae

Invesment (kEuro)

100 Eur/t

1000

1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0

10

Estimated costs of investment for PEF application as cell disintegration and preservation technique in fruit juice production dependent on production capacity.

Overview of required processing intensity for PEF application to induce stress reactions, disintegration of plant or animal cells and microbial inactivation in comparison to a MEF treatment or ohmic heating. Exceeding an energy input of 250 kJ/kg predominantly thermal effects occur.

maximum temperature (°C)

Comparison of different preservation techniques 140 Thermal

120 100 Thermal

Ohmic

80 60

HHP

PEF

40 Pasteurization Sterilization

20 1

10

Irradiation

100

estimated total costs (EURO/t)

1000

Zusammenfassung Produkteigenschaften sind über TECHNISCHE OPERATIONEN und INHALTSSTOFFZUSAMMENSETZUNG steuerbar im PROZESS werden beide Komponenten vereinigt PROZESSE müssen den ERFORDERNISSEN gemäß entwickelt werden

Recent Trends in Food related HP research in Europe and latest advances in industrial equipment

Zusammenfassung Innovation in der Lebensmittelindustrie durch: •

Lokalisieren von Effizienzdefiziten

•

Analyse und Synthese von Lebensmittel und Prozess als systemorientierter Ansatz

•

Schnelle Problemlösungen durch enge Verzahnung von grundlagen- und anwendungsorientierter Forschung