Funktionsgebende Inhaltsstoffe wie sie in der Lebensmittelindustrie verarbeitet werden, sind sensibel gegenüber Einflüssen von außen. Insbesondere Aromastoffe können erheblich an Qualität einbüßen. Durch Verkapselung mithilfe der Wirbelschichttechnologie lassen sich nicht nur die Wirkungseigenschaften der sensiblen Stoffe schützen, sondern auch Freisetzungseigenschaften gezielt beeinflussen, die Haltbarkeit verlängern oder unerwünschte Reaktionen vermeiden.
Aromen und Aromastoffe werden vielfach in Instantprodukten, Tabletten sowie Kaubonbons und Kaugummis eingesetzt. Um sie gegen Einflüsse von außen wie Sauerstoff (Oxidation), Licht oder Feuchtigkeit zu schützen, sind zusätzliche Aufbereitungsschritte erforderlich. Die Wirbelschichttechnologie eignet sich in besonderer Weise dazu, Aromen zu verarbeiten. Sie bietet sehr gute Bedingungen für einen intensiven Wärme- und Stoffaustausch, und das bei niedrigen, produktschonenden Temperaturen.
Wie funktioniert die Wirbelschicht?
Partikel, die im Ruhezustand als Feststoffschüttung vorliegen, werden von unten mit einem Gas (oftmals Luft) durchströmt. Dadurch werden sie intensiv durchmischt und ständig in Bewegung gehalten, was die sogenannte Wirbelschicht erzeugt. Dabei sind die Partikel praktisch mit der gesamten Oberfläche dem jeweiligen Medium ausgesetzt. Prozesse wie die Trocknung, aber auch Sprühgranulationen, Agglomerationen oder Coatings sind optimal realisierbar. Außerdem können während dieser Prozesse auch Mikroverkapselungen, d. h. die Einbettung sensibler Inhaltsstoffe in eine Matrixstruktur, vorgenommen werden. Das Ergebnis sind Pulver oder Granulate, die kompakt, staubfrei und nahezu rund sind. Beim Prozess der Sprühgranulation wird die Partikelstruktur durch das Überführen der flüssigen Phase in eine feste erzeugt. Durch die geeignete Prozessführung lassen sich darüber hinaus Agglomerate erzeugen. Allerdings sind diese Endprodukte weniger kompakt, sondern eher porös, da einzelne Partikel aneinander geklebt werden. Dies ist beispielsweise für Instanteigenschaften sehr wichtig.
Geringere Temperaturbelastung
Bei der Verarbeitung von Aromen in der Wirbelschicht gibt es gegenüber der Sprühtrocknung den Vorteil einer bis zu 20 °C geringeren Temperaturbelastung. Dies ist auf den sehr guten Wärme- und Stoffübergang zurückzuführen, was das effiziente und vor allem schonende Trocknen ermöglicht. Außerdem können durch ein geeignetes Partikelengineering mehrere Phasen, wie die Trocknung und das gleichzeitige Überführen in eine bestimmte Form bzw. eine gewisse Partikelgrößenverteilung, in einem einzigen Schritt erzielt werden. Die Partikel lassen sich somit unmittelbar in die zur Weiterverarbeitung gewünschte Struktur bringen. Außerdem wird während des Wirbelschichtprozesses Staub gebunden. Die Wirbelschichttechnologie kann im Batch oder kontinuierlich durchgeführt werden. Das kontinuierliche Verfahren wird oft für Mengenproduktionen ohne häufige Produktwechsel eingesetzt. Dem gegenüber erweist sich das batchweise Verfahren als sehr flexibel, da Produktwechsel sehr einfach und problemlos erfolgen können.
Mikroverkapselung
Bei der Mikroverkapselung von Zitrusaroma beispielsweise wird flüssiges Zitronenaromaöl mit Trägerstoffen wie Maltodextrin, Stärke und Gummiarabikum in Wasser dispergiert. Diese Sprühflüssigkeit (Trockenmasse etwa 40 %) wird dann in der Wirbelschicht zerstäubt. Die einzelnen Tropfen treffen auf Granulatkeime, wobei das Wasser verdunstet und der in der Sprühflüssigkeit enthaltene Feststoff sich um den Granulatkeim legt. Man spricht auch von einem Layering-Prozess. Während der Verkapselung wird das Aromaöl von den Trägerstoffen umhüllt. So ist es im sprühgranulierten Produkt fest eingebettet und gleichmäßig verteilt. Die Produkttemperatur liegt während des Prozesses bei 45 bis 55 °C. Je nach Anforderung kann die Partikelgröße zwischen 100 und 900 µm liegen, dabei sind enge Partikelgrößenverteilungen möglich.
Die Mikroverkapselung findet neben der Verwendung als Schutzhülle für sensible Inhaltsstoffe auch für verzögerte Freisetzungen vielfach Anwendung. So können Aromen, die in Form eines Agglomerats oder eines Sprühgranulats vorliegen, für Produkte wie Kaugummis oder Kaubonbons eingesetzt werden. Dadurch, dass die Substanzen verkapselt sind, schmeckt man sie erst nach und nach während des Konsums bzw. des Kauens. Der Verbraucher kann so über einen längeren Zeitraum beispielsweise Minzgeschmack in einem Kaugummi oder fruchtiges Aroma in einem Bonbon wahrnehmen und hat ein längeres Frischeempfinden.
Professionelle Produktentwicklung
Es gibt verschiedenste Rohstoffe, die als Trägermaterial zur Verkapselung von Aromen in der Wirbelschicht eingesetzt werden. Beliebt ist Maltodextrin, das gute Verkapselungseigenschaften aufweist. Nicht zuletzt handelt es sich dabei auch um einen preiswerten Rohstoff. Häufig werden aber auch spezielle Stärken verwendet, die beispielsweise filmbildende Eigenschaften oder eine besonders gute Resistenz gegenüber Oxidationen aufweisen. Beides ist für den Layering-Prozess notwendig. Auch Silicagel (Kieselsäure) lässt sich als Verkapselungsmaterial nutzen. Im Einzelfall sollte immer geprüft werden, mit welchem Trägerstoff sich die gewünschten Eigenschaften kostengünstig realisieren lassen.
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