Die Qualität von Aromen, Gewürzextrakten sowie Farb- und Geschmacksstoffen kann durch Umwelteinflüsse beeinträchtigt werden. Einen wirkungsvollen Schutz gegen diese Stressfaktoren bildet eine Verkapselung der Produkte. In letzter Zeit wird hierfür zunehmend auch die Mikroverkapselung eingesetzt. Ziel ist dabei nicht nur der Schutz der Produkte. Vielmehr gelingt es, durch geeignete Wahl der Schmelztemperatur des Hüllmaterials eine temperaturgesteuerte Freisetzung zu erzielen.
Prof. Dr.-Ing. E. Weidner, G. Brandin, T. Wendt
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Im Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmabereich ist die Steuerung von Freisetzungseigenschaften im Bereich zwischen 10 und 100 °C von besonderem Interesse. Vor allem die Verwendung von Verkapselungsmaterialien mit niedrigem Schmelzpunkt (10 bis 40 °C) stellt eine besondere Herausforderung für die Verfahrenstechnik dar. Die Erstarrung von niedrigschmelzenden Kapselungsmaterialien erfordert eine sehr starke Unterkühlung. Hochdrucksprühverfahren mit CO2 stellen eine vergleichsweise einfache Alternative zur Herstellung mikronisierter Produkte bei tiefen Temperaturen dar. Durch schnelle und starke Abkühlung werden niedrigschmelzende Substanzen eingefroren, was durch klassische Verfahren, wie z. B. die Sprühtrocknung, nicht erreicht wird. Gleichzeitig hat komprimiertes Kohlendioxid eine stark keimabtötende Wirkung. Diese Hochdruckverfahren sind insofern besonders schonend, als sie bei niedrigen Temperaturen in sauerstofffreier Umgebung ablaufen. Industrielle Anwendung findet häufig das PGSS-Verfahren.
PGSS-Verfahren
Das PGSS-(Particles from Gas Saturated Solutions)-Verfahren ist ein Hochdruckmikronisierverfahren zur Herstellung von Pulvern aus Feststoffen. Dabei werden überkritische Fluide als Hilfsstoffe genutzt. Diese Hilfsstoffe werden dazu verwendet, niedrig- bis hochviskose Substanzen, wie z.B. Polymere, zu versprühen und zu erstarren. Beim PGSS-Verfahren werden die beiden Ausgangsstoffe (z. B. Schokolade und Kirschwasser) getrennt voneinander in beheizbaren Vorlagebehältern vorgelegt, temperiert und gegebenenfalls aufgeschmolzen. Mit Hilfe der Hochdruckpumpen (P1 und P2) werden die Substanzen verdichtet und mit einem zumeist überkritischen Gas vermischt. Dies kann z. B. in einem statischen Mischer (SM) erfolgen. Hierbei löst sich ein Teil des Gases in die beiden Stoffströme ein. Das Gemisch gelangt nach der Vermischung zu einer Verdüseeinrichtung, wo es auf Umgebungsdruck oder leichten Unterdruck in einen Sprühturm (SP) entspannt wird. Durch die starke Scherung in der Verdüseeinrichtung kommt es zur Tröpfchenbildung im Sprühturm. Diese Tröpfchen werden durch expandiertes und entlösendes Fluid schlagartig in noch feinere Tröpfchen zerrissen. Durch den bei der Entspannung des Gases auftretenden Joule-Thomson-Effekt werden die Tröpfchen sehr effektiv und schnell abgekühlt. Wird hierbei die Erstarrungstemperatur des Kapselungsmaterials unterschritten, kommt es zur Kompositbildung. Das entstandene Komposit wird im Sprühturm durch Schwerkrafteinflüsse abgeschieden.
Durch die Variation der Prozessparameter, wie z. B. Drücke, Temperaturen und Massenströme, können je nach Anwendungsfall die Komposite maßgeschneidert hergestellt werden. Neben den Prozessparametern haben auch die physikalischen Eigenschaften der Einsatzstoffe Auswirkung auf die Eigenschaften des Endproduktes. Das komplexe Zusammenspiel zwischen Prozessparametern und physikalischen Eigenschaften ist Grundlage für die derzeitige wissenschaftliche Betrachtung an der Ruhr-Universität Bochum und dem Fraunhofer-Institut Umsicht in Oberhausen.
Schokolade und Kirschwasser
Die Motivation zur Herstellung von Kompositen aus Schokolade und Kirschwasser bestand in der Neuartigkeit des Produktes. Zurzeit gibt es auf dem Markt kein Schokoladenpulver mit mikrogekapselter Flüssigkeit. Bei den bisher erhältlichen Pralinen (Makroverkapselung) ist die Schokolade vor dem Alkohol meist durch einen Zuckermantel geschützt. Bei direktem Kontakt zwischen Schokolade und Alkohol käme es bei konventionell hergestellten Pralinen zu einem Verfestigen der Schokolade. Dies würde zu einem schlechten Geschmack sowie zu einem sandigen Mundgefühl führen. Die Anwendungen für durch Schokolade eingekapselte Aromen sind jedoch vielfältig. Die in dem Projekt hergestellten feinen Schokoladenpulver könnten künftig z. B. den Geschmack von Cappuccino veredeln und um einige Aromen ergänzen.
Prozessparameter beeinflussen die Farbe
Bereits die reinen Schokoladenpulver lassen sich mittels der PGSS-Parameter in ihren Eigenschaften beeinflussen. Vorwiegend helle und feine Pulver werden bei niedrigen Temperaturen im Sprühturm sowie bei hohen Drücken erzeugt. Dunkle Produkte erhält man bei niedrigerem Druck und hohen Temperaturen im Sprühturm. Die unterschiedlichen optischen Eigenschaften können je nach Anwendungsfall frei vorgegeben und mittels des PGSS-Verfahrens realisiert werden.
Durch das rasche Schmelzen der kleinen Partikel im Mund können Geschmack und Aroma von Schokolade bzw. Schokolade und Kirschwasser direkt von den Geschmackspupillen aufgenommen werden. Bei direktem Verzehr des Pulvers fällt auf, dass nur sehr geringe Mengen nötig sind, um den vollen Geschmack zu erhalten. Im Gegensatz zu einem Stück normaler Tafelschokolade, schmilzt das Pulver direkt vollständig auf der Zunge. Dies liegt an der geringen Größe der Einzelpartikel von nur ca. 100 µm, vergleichbar mit der Dicke eines menschlichen Haars.
Halle 7, Stand 507
dei 428
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