Als Dienstleistung für die Lebensmittelindustrie werden am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Abteilung Verfahrenstechnik, die Eigenschaftsprofile von Proteinisolaten charakterisiert. Bei der Bestimmung der RRSB-Verteilung sprühgetrockneter Proteinisolate kommt das Partikelmeßsystem Mastersizer S zum Einsatz.
Dr.- Ing. Klaus Müller und Dipl.- Ing. Axel Borcherding
Die chemische und chemisch-physikalische Charakterisierung von Food-Ingredients wie pflanzlichen Proteinisolaten und Ballaststoffen dient sowohl den Herstellern als auch den Anwendern zur Qualitätssicherung und zur Gewährleistung funktioneller Produkteigenschaften innerhalb geforderter Standards. Darüber hinaus kann eine erweiterte Charakterisierung von Food-Ingredients unter physikalischen Aspekten einen entscheidenden Beitrag in der Produktentwicklung leisten. Beispielsweise haben die Korngrößenverteilung, Molekulargewichtsverteilung, Oberflächenladung, Löslichkeit und Benetzbarkeit sowie das Dispergierverhalten große Bedeutung bei der Herstellung von Lebensmitteln.
Die Ermittlung von Eigenschaftsprofilen von Proteinisolaten bildet am Fraunhofer-Institut für Verfahrenstechnik und Verpackung, Abteilung Verfahrenstechnik (Fh-IVV) einen Schwerpunkt im Bereich der Dienstleistungen für die Industrie.
Verhalten von Proteinisolaten in wäßrigen Systemen
Zentrale Bedeutung kommt dem Verhalten von Proteinisolaten in wäßrigen Systemen zu, da in der Lebensmittelindustrie viele Produkte auf der Basis von überwiegend wasserhaltigen Rezepturen hergestellt werden. Die Eigenschaften der verfügbaren Proteinisolatqualitäten sind bezüglich der Löslichkeit, Wasserbinde- und Ölbindekapazität, Emulgiereigenschaften, Benetzbarkeit, Dispergierbarkeit sowie Viskositätsausbildung und Gelbildung sehr unterschiedlich ausgeprägt. Die Proteinisolate sind damit – entsprechend ihrem Eigenschaftsprofil – in einem weiten Anwendungsfeld einsetzbar. Ein aktuelles Beispiel für die Entwicklung und Charakterisierung von Proteinisolaten mit besonderen Benetzungs- und Dispergiereigenschaften leitet sich aus der Notwendigkeit ab, daß sprühgetrocknete Proteinisolate in wäßrige Systeme wie Dispersionen, Emulsionen oder Slurries rasch und mit möglichst geringer Staubbelastung eingearbeitet werden müssen. Im Rahmen dieser Entwicklungsarbeiten setzt das Fh-IVV das Partikelgrößemeßgerät Mastersizer S zur Bestimmung der RRSB-Verteilung sprühgetrockneter Proteinisolate ein. Durch Verwendung einer verlängerten optischen Bank können Partikelgrößen zwischen 5 und 3000 µm reproduzierbar bestimmt werden. Die Ergebnisse sind Grundlage für die Beurteilung der Dispergiereigenschaften der Proteinisolate. Konventionelle Proteinisolate werden sprühgetrocknet und weisen nach der Trocknung Partikeldurchmesser von einigen wenigen Mikrometern bis im Mittel etwa 20 µm auf. Die Produkte zeigen zwar eine gute Löslichkeit, doch ist die Dispergierbarkeit aufgrund des hohen Feinkornanteiles im allgemeinen eingeschränkt. Durch Agglomeration im Fließbett können bei geeigneter Wahl der Trocknungsbedingungen Agglomerate mit mittleren Partikeldurchmessern von mehr als 100 µm erzeugt werden (Abb. 1).
Durch die Agglomeration wurde der mittlere Partikeldurchmesser, d50, etwa um den Faktor 5 angehoben. Das Benetzungsverhalten der Proteinisolate konnte dadurch deutlich beeinflußt werden. Bei allen Verfahren zur Bestimmung der Benetzbarkeit wird die Zeit, die zur Durchfeuchtung einer definierten Schüttung erforderlich ist, gemessen. Da das durchfeuchtete Proteinpulver eine deutlich dunklere Farbe besitzt als das trockene, läßt sich diese Zeit ausreichend genau und reproduzierbar bestimmen. Beim Lösungsvorgang eines Haufwerks von dispersen Feststoffen laufen nacheinander die folgenden vier Teilvorgänge ab:
• Eindringen von Flüssigkeit in das Porensystem aufgrund von Kapillarkräften (Benetzbarkeit),
• Absinken der Partikel oder von Teilbereichen des Haufwerks in die Flüssigkeit (Sinkverhalten),
• Dispergieren des Pulvers in der Flüssigkeit, d.h. Desagglomeration in Einzelteilchen (Dispergierbarkeit),
• Auflösen der löslichen Partikel in der Flüssigkeit (Löslichkeit).
Als Maß für den Fortschritt der Agglomeration eignet sich der statistisch gemittelte Partikeldurchmesser, der aus der RRSB-Verteilung bei einem Rückstand von 36,8 % ermittelt wird. Die zunehmende Agglomeration zeigt, als Funktion der Benetzungszeit dargestellt, den Einfluß der Agglomeration auf das Benetzungsverhalten von Proteinpulver (Abb. 2). Benetzungszeiten, die bei sprühgetrockneten Produkten mehrere Minuten betragen, können durch gezielte Agglomeration in den Bereich von wenigen Sekunden reduziert werden. Bei Vorgabe einer bestimmten maximalen Benetzungszeit kann die dafür erforderliche Agglomeration anhand der Partikelgrößenverteilung mit Hilfe des Meßsystems Mastersizer S ermittelt werden.
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