Fachbereich Agrarwissenschaften und Lebensmittelwissenschaften Studiengang Lebensmittel- und Bioprodukttechnologie Master-Thesis Einfluss von Hochspannungsimpulsen auf die Eigenschaften von Kartoffelstärke und -textur Vorgelegt von: Rudolf Führer Am: 30.11.2012 Referent: Herr Prof. Dr. Peter Meurer Korreferent: Herr Prof. Dr.-Ing Stefan Töpfl Institut: URN: Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. urn:nbn:de:gbv:519-thesis2012-0631-5
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Fachbereich Agrarwissenschaften und Lebensmittelwissenschaften Studiengang Lebensmittel- und Bioprodukttechnologie
Master-Thesis
Einfluss von Hochspannungsimpulsen auf die Eigenschaften von
Kartoffelstärke und -textur
Vorgelegt von: Rudolf Führer
Am: 30.11.2012
Referent: Herr Prof. Dr. Peter Meurer
Korreferent: Herr Prof. Dr.-Ing Stefan Töpfl
Institut:
URN:
Deutsches Institut für Lebensmitteltechnik e.V. urn:nbn:de:gbv:519-thesis2012-0631-5
Abstract
This master thesis describes the effect of pulsed electric fields on potato starch and tissue.
Pulsed electric fields induce an electropermeabilization of cell membrane. The effect of
electrochemical breakdown on cells isn’t fully understood. Therefore, the influence on
different foods isn’t clearly predictable. Many factors like electric field strength, specific
energy input, number of pulses, impulse length, frequency, conductivity and cell diameter
have an impact on the effectiveness of the treatment. For this reason potatoes were treated
with pulsed electric fields with specific energy inputs primarily up to 4 kJ/kg. Batch and
continuous systems are used and compared. Cell disintegration index, rigidity of potato tissue,
gelatinization properties and particle size distribution was analyzed.
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Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung ............................................................................................................................... 1 2. Stand von Wissenschaft und Technik .................................................................................... 2
3. Material und Methoden .......................................................................................................... 9 3.1 Hochspannungsimpulsanlage ........................................................................................... 9
In Tab. 5 sind die Ergebnisse der dynamischen Differenzkalometrie zu sehen. Die Start- und
Peaktemperaturen der beiden Kartoffelsorten bleiben auf gleichem Niveau. Die Behandlung
hat auf die Temperaturen keinen Einfluss. Die Enthalpie zeigt jedoch bei beiden
Kartoffelsorten mit steigendem Energieeintrag einen leichten Trend nach unten. So sinkt die
Enthalpie von unbehandelten Allure von 17,86 J/g auf 17,05 J/g bei einem Energieeintrag von
4 kJ/kg. Vergleichbar verhalten sich die Fontane. Die Enthalpie sinkt von 18,72 J/g auf
17,28 J/g, die Werte besitzen jedoch höhere Standardabweichungen als die Werte der Allure.
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Tab. 5: Verkleisterungsenthalpie und -temperaturen
Kartoffel-sorte
Energieeintrag [kJ/kg]
Starttemperatur[°C]
Peaktemperatur [°C]
Enthalpie [J/g]
Standard-abweichung
Allure
0 58,73 61,63 17,86 0,19
0,25 58,49 61,26 18,04 0,08
1 59,77 62,64 17,37 0,00
4 58,65 61,86 17,05 0,01
Fontane
0 58,62 61,13 18,72 0,44
0,25 59,65 62,14 17,33 0,21
1 58,74 61,35 17,84 0,05
4 59,21 61,92 17,28 0,23
Ein Vergleich der Schneidfestigkeit der Kartoffeln zwischen der Batchanlage und der
kontinuierlichen Anlage bei verschiedenen Energieeinträgen ist in Abb. 13 zu sehen.
Abb. 13: Vergleich der maximalen Schneidkraft in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag
bei der Batchanlage und der kontinuierlichen Anlage an der Kartoffelsorte Fontane
Da der zeitliche Abstand zwischen den beiden Versuchsreihen vier Wochen beträgt, ist die
Festigkeit der unbehandelten Fontane bereits etwas gesunken. Dies ist wiederum durch die
Lagerung und den dadurch aufgetretenen Wasserverlust und die Atmungsprozesse zu
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,25 1 4 20 40
Max
imal
e K
raft
in N
Spez. Energieeintrag in kJ/kg
Batchanlage
kont. Anlage
26
erklären. Nach der Behandlung bewegen sich die Schneidfestigkeiten allerdings durchweg auf
gleichem Niveau. Die Impulsform bzw. Homogenität des elektr. Feldes hat auf die
Erweichung der Textur keinen oder nur einen geringen Effekt. Auch ein erhöhter
Energieeintrag von 20 bzw. 40 kJ/kg und damit einhergehend eine Erhöhung der elektr.
Feldstärke von 1 kV/cm auf 2,2 kV/cm führt zu keiner weiteren Erweichung der Textur.
Abb. 14 zeigt vergleichend die Zelldesintegrationsindizes der Batchanlage und der
kontinuierlichen Anlage. Bei einer Behandlung mit Batchanlage weisen die Kartoffeln bei
einem Energieeintrag von 1 kJ/kg bereits eine maximale Zelldesintegration von 0,4 auf.
Abb. 14: Vergleich der Zelldesintegrationsindizes in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag
bei der Batchanlage und der kontinuierlichen Anlage an den Kartoffelsorte Fontane
Bei höherem Energieeintrag steigt die Zelldesintegration nicht weiter an. Anders verhalten
sich die Kartoffeln bei der kontinuierlichen Anlage. Hier beginnt eine Zelldesintegration erst
bei einem Energieeintrag von 4 kJ/kg und ist mit 0,04 sehr gering ausgeprägt. Bei 20 kJ/kg
und einer Erhöhung der Feldstärke von 1 kV/cm auf 2,2 kV/cm weisen die Kartoffeln eine
maximale Zelldesintegration von 0,44 auf. Auch hier steigt der Zelldesintegrationsindex bei
höherem Energieeintrag nicht weiter. Die Batchanlage weist durch ein homogeneres elektr.
Feld eine bessere Energieeffizienz als die kontinuierliche Anlage auf. Die Elektroden der
Batchzelle besitzen durch ihre Bauweise große Elektrodenflächen. Die Elektrodenfläche
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0 0,25 1 4 20 40
Zel
ldes
inte
gara
tion
sin
dex
Zp
Energieeintrag in kJ/kg
Batchanlage
kont. Anlage
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entspricht dabei dem Flächeninhalt der inneren Behandlungszelle. Dadurch entsteht ein
homogenes Feld. Die kontinuierliche Anlage weist durch eine andere Elektrodengeometrie ein
inhomogeneres Feld auf. Deshalb erreicht die Batchanlage bei einem Energieeintrag von
4 kJ/kg eine 10fach höhere Zelldesintegration als die kontinuierliche Anlage. Eine starke
Erhöhung der Feldstärke führt bei höheren Energieeinträgen zu einem vergleichbaren
Ergebnis.
5. Schlussfolgerungen und Ausblick
Der Einsatz von Hochspannungsimpulsen zur Verringerung der Festigkeit kann in der
kartoffelverarbeitenden Industrie zu Kosteneinsparungen führen. Bereits geringe
Energieeinträge von 0,25 kJ/kg führen zu signifikanten Erweichungen. Die benötigte
maximale Schneidenergie sinkt um bis zu 40 %. So könnte bei der Kartoffelstärkegewinnung
die Leistung der Sägeblattreiben bei der Zerkleinerung der Kartoffeln verringert werden.
Außerdem profitieren die Zähne der Sägeblattreiben von geringerer Abnutzung.
Nach Raso & Heinz (2006) liegt der Energieeintrag, der bei der
Hochspannungsimpulsbehandlung benötigt wird um die Diffusionsvorgänge zu verbessern
und eine Zelldesintegration hervorzurufen, bei wenigen kJ/kg. Um vergleichbare Ergebnisse
mit mechanischen, enzymatischen und thermischen Vorbehandlungen zu erhalten, werden bis
zu 300 kJ/kg benötigt. Bei der Desintegration von Zellen bei der Saftherstellung werden
beispielsweise 10 kJ/kg Energie eingebracht. Das entspricht ca. 3 kWh/t. Bei einem Preis von
0,1 €/kWh und einem Aufschlag von 10 % ergibt das Energiekosten von ca. 0,33 €/t. Die
Nutzung von Maszerationsenzymen ist dagegen deutlich teurer und erfordert Kosten in Höhe
von ca. 7,5 €/t.
Die Partikelgröße und Verkleisterungseigenschaften der Stärke ändern sich bei den gewählten
Einstellungen kaum bzw. in einem sehr geringen Maß. Die Kartoffelstärke kann weiterhin mit
gleichen bzw. ähnlichen Eigenschaften vermarktet werden. Es besteht die Möglichkeit die
Hochspannungsanlagen in den bereits vorhandenen Prozess der Kartoffelstärkegewinnung zu
implementieren. Da die Kartoffeln vor der Verarbeitung gewaschen werden müssen, eignen
sich hierfür Anlagen mit anliegendem Kartoffelband. Beim Waschvorgang lösen sich die
Salze aus der Erde im Wasser und da die Wirksamkeit der Behandlung auch von der
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Leitfähigkeit des Mediums abhängig ist, sollte darauf geachtet werden, dass diese relativ
gleich bleibt.
Laut Winter (2011) kann ein erhöhter Zellsaftaustritt zu einem erhöhtem Austritt von
reduzierendem Zucker führen, wodurch die Braunfärbung durch die Maillardreaktion beim
Frittieren verringert werden kann. Die mögliche Verringerung der reduzierenden Zucker nach
der Hochspannungsimpulsbehandlung kann mit einem Polarimeter oder mit der Bestimmung
nach Luff-Shoorl ermittelt werden. Laut Lindgren (2006) verringert sich hierbei nicht nur der
Abrieb, die benötigte Schneidenergie und die reduzierenden Zucker sondern auch der Austritt
von Stärke und Enzyme, die eine enzymatische Braunfärbung hervorrufen. Nach Janositz
(2011) wird durch die Peremeabilisierung der Zellen die Diffusion verbessert, was zu einem
besseren Trocknungsverlauf beim Trocknen von Kartoffelscheiben führt. Dadurch kann die
Trocknungstemperatur gesenkt werden und weiter Kosten eingespart werden. Auch die
Fettaufnahme von Pommes frites beim Frittieren kann durch eine Vorbehandlung mit
Hochspannungsimpulsen verringert werden. Trocknungsversuche von unbehandelten und
behandelten Kartoffelscheiben in einem Umlufttrockenschrank könnten durchgeführt werden
um die verbesserten Diffusionsvorgänge zu ermitteln.
Weiterhin sollte in anschließenden Arbeiten untersucht werden, welchen Einfluss höhere
Energieeinträge auf die Verkleisterungseigenschaften haben. Außerdem könnte noch ein
Vergleich mit einer Hochspannungsimpulsanlage im großindustriellen Maßstab, wie sie z.B.
am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e.V. gebaut wird, durchgeführt werden. Die
Elektrodenanordnung in kontinuierlichen Anlagen unterscheidet sich von den Batchanlagen,
wodurch das elektrische Feld inhomogener würde und dadurch höhere Energieeinträge
benötigt werden müssten.
Eine Untersuchung auf erhöhte Freisetzung von Stärke durch entstandene Poren in der
Zellmembran ist nicht sinnvoll, da die Stärkekörner deutlich größer sind als die Poren und in
der Industrie bereits eine Stärkeausbeute von ca. 98 % besteht. Durch eine vollständige
Zelldesintegration und dadurch vergrößerte Poren wäre ein erhöhter Stärkeaustritt eventuell
realisierbar. Jedoch müssten dabei deutlich höhere Feldstärken und Energieeinträge gewählt
werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit durch erhöhte Energiekosten in Frage gestellt werden
muss.
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6. Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurde am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e.V. der
Einfluss des nichtthermischen Verfahrens der Hochspannungsimpulsbehandlung auf die
Eigenschaften von Kartoffelstärke und –textur untersucht. Verschiedene Kartoffelsorten
wurden mit Hochspannungsimpulsen behandelt. Hierfür wurde eine el-crack® 8 kW-
Batchanlage sowie eine kontinuierliche 30 kW Anlage genutzt. Bei der Batchanlage wurde
mit sehr geringen Energieeinträgen von 0,25 - 4 kJ/kg gearbeitet. In der kontinuierlichen
Anlage wurde bis zu 40 kJ/kg Energie eingetragen. Das Hauptaugenmerk lag allerdings
ebenfalls bei 0,25 - 4 kJ/kg. Die Effektivität der Behandlung beider Anlagen wurde
verglichen, indem die Festigkeit und der Permeabilisierungsgrad des Kartoffelgewebes
analysiert wurden. Außerdem wurden noch die Verkleisterungseigenschaften und
Partikelgrößenverteilung der Stärke untersucht.
Es wurden Vorversuche in der Batchanlage mit verschiedenen Kartoffelsorten (Gunda, Linda,
Bintje, Challenger, Innovator) durchgeführt. In einer Behandlungszelle mit 4,68 l Volumen
wurden die Kartoffeln in Wasser bei einer elektrischen Feldstärke von 746 V/cm mit
Energieeinträgen von 0,25; 0,5; 075; 1 und 2 kJ/kg behandelt. Dabei stellte sich heraus, dass
die Festigkeit bereits bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg auf das Minimum gesunken
war. Die Kartoffelsorte Linda wies mit ca. 46 % die größte Verringerung der Festigkeit auf.
Durch die entstandenen Poren wurde der Turgor verringert. Zellflüssigkeit trat aus und diese
verringerte als Gleitfilm beim Schneiden die benötigte Schneidkraft. Beim Schneiden von
unbehandelten Kartoffeln führte außerdem eine erhöhte Anzahl an Rissbildungen des
Gewebes zu einem erhöhten Widerstand beim Schneiden. Der Zelldesintegrationsindex stieg
mit steigendem Energieeintrag. Die Kartoffelsorte Challenger wies bei einem Energieeintrag
von 2 kJ/kg den höchsten Zelldesintegrationsindex von ca. 0,62 auf. Mikroskopische Bilder
der Zellwand zeigten, dass diese durch einen Energieeintrag von 2 kJ/kg verändert wurde und
zu der Verringerung der Festigkeit der Zellen beitrug. Weiterhin zeigten REM-Aufnahmen,
dass durch einen Energieeintrag von 2 kJ/kg Stärkekörner nicht beschädigt oder verformt
wurden.
In den Hauptversuchen wurden die Industriekartoffelsorten Allure und Fontane in der Batch-
sowie in der kontinuierlichen Anlage behandelt. Die Energieeinträge bei der Batchanlage
wurden auf 0,25; 1 und 4 kJ/kg und die elektrische Feldstärke auf 1 kV/cm geändert. In der
kontinuierlichen Anlage wurden die Kartoffeln zusätzlich mit Energieeinträgen von 20 und
30
40 kJ/kg behandelt. Um diese hohen Energieeinträge zu erreichen wurde die Feldstärke auf
2,2 kV/cm erhöht. Bei beiden Anlagen war eine maximale Verringerung der Festigkeit bereits
bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg ersichtlich. Der Zelldesintegrationsindex der Fontane
erreichte in der Batchanlage bei 1 kJ/kg das Maximum bei gewählten Einstellungen, während
die Allure bereits bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg das Maximum erreicht hatte. Die
Analyse der Partikelgrößenverteilungen zeigte auf, dass eine Hochspannungs-
impulsbehandlung bei diesen Energieeinträgen keinen Einfluss auf die Partikelgröße hatte.
Die Verkleisterungsenthalpie wies jedoch bei zunehmender Behandlungsintensität einen
leichten Trend nach unten auf. Bei dem Vergleich beider Anlagen zeigte sich, dass die
kontinuierliche Anlage die Festigkeit ebenfalls bei 0,25 kJ/kg auf das Minimum sinken ließ.
Der Zelldesintegrationsindex bewegte sich aber erst bei einem 10fach höheren Energieeintrag
gegenüber der Batchanlage auf ähnlichem Niveau. Durch die Elektrodenanordnung war das
elektrische Feld inhomogener wodurch eine schlechtere Permeabilisierung erfolgte.
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Quellenverzeichnis
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Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Die Struktur des Stärkekorns in unterschiedlichen Vergrößerungen (Tegge, 2004) .... 4
Abb. 2: Elektroporation von Zellmembranen bei verschiedenen Feldstärken. E: Elektrische