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Proteinschäume in der Lebensmittelproduktion

Projekt

Ernährung und Verbraucherschutz

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Ernährung und Verbraucherschutz


Förderkennzeichen: DFG/AiF-Cluster 5
Laufzeit: 01.01.2011 - 31.12.2014
Fördersumme: 2.592.300 Euro
Forschungszweck: Angewandte Forschung

In der Produktion von Lebensmitteln kommen zahlreiche stoffliche Systeme vor, bei welchen ein Gas in dispergierter Form vorliegt. Vielfach ist ein Gaseinschluss auch explizit erwünscht. Mit ihm lassen sich nämlich die Eigenschaften z.B. so beeinflussen, dass das Produkt eine geringere Dichte annimmt, einen angenehmen sensorischen Eindruck bewirkt oder einen verbesserten ernährungsphysiologischen Nutzen hat. Diese Eigenschaften assoziieren die Verbraucher mit dem Attribut 'leicht'; entsprechende Produkte besitzen eine hohe Kundenakzeptanz. Gasdispersionen in Lebensmitteln sind zuweilen auch prozesstechnisch von großem Vorteil, so z.B. durch Reduzierung von fluidmechanischen Widerständen oder durch Verstärkung der mikro-biologischen Aktivität in Fermentern. Im Gegensatz hierzu gehen von Gasdispersionen aber auch Gefahren für die Lebensmittelproduktion aus. So entsteht häufig unerwünscht Schaum, der seinerseits zu einer wesentlichen Verringerung von konvektiven sowie diffusiven Effekten und somit zu unerwünschten, starken Prozessinhomogenitäten führen kann. Für die Beurteilung einer positiven oder negativen Wirkung auf ein Produkt und einen Prozess ist es entscheidend, dass sich Schäume inhärent instabil verhalten. Hieraus resultiert unmittelbar die Frage nach den stofflichen und prozesstechnischen Randbedingungen sowie nach dem Existenzbereich eines Schaums. Dieser Aspekt ist nicht nur von wissenschaftlicher Bedeutung, sondern es ist auch von erheblichem praktischen Interesse, die Stabilität von Schäumen vorauszusagen und gezielt zu beeinflussen. Von einigen Schäumen wird ein stabiles Verhalten für einige Minuten erwartet (z.B. Schlagsahne), von anderen Schäumen (z.B. Ready-to-eat-Desserts) für mehrere Wochen oder Monate. Arbeiten zur physiko-chemischen Entstehung, Stabilisierung und Destabilisierung von Schäumen bei der Lebensmittelproduktion finden auf internationaler Ebene in großem Umfang statt, in Deutschland finden sich bislang nur wenige Aktivitäten in diesem Bereich. Ziel des Clusters ist es deshalb, in enger interdisziplinärer Zusammenarbeit von zehn Arbeitsgruppen die physiko-chemischen Grundlagen zu schaffen und Simulationswerkzeuge zu entwickeln, die für ein neuartiges Design von Produkten und Prozessen mit Milchproteinschäumen genutzt werden können. Im Einzelnen stehende folgende Teilziele im Vordergrund: • Verbesserung des Verständnisses der materialdynamischen Vorgänge inkl. Grenzflächendynamik und des Verhaltens einzelner Schaumlamellen gut charakterisierten Proteinschaums. • Umfassende makroskopische Charakterisierung des Verhaltens strukturell unter-chiedlicher Proteinkomponenten an den Schaumblasengrenzflächen bei Variation von Stoff-, Produkt- und Prozessparametern. • Erarbeitung von Modellen auf den mesoskaligen Ebenen vom Protein zur Schaumlamelle, von der Lamelle zur Blase und von der Blase zum Modellprodukt und Prozess. • Bereitstellung von Werkzeugen zur Simulation der spatiotemporalen Verteilung von Masse, Impuls und Energie in Schäumen während charakteristischer Prozessierungsschritte auf Verfahren. • Beschreibung der Ansammlung von Aromastoffen in den Schaumblasen und deren Freisetzung beim Schaumzerfall. • Konzeption und Umsetzung von Methoden der Modell- und Datenreduktion zur Erleichterung und Beschleunigung des Transfers von Forschungsergebnissen. • Realisierung einer Anwenderplattform für alle Arbeitsgruppen des Clusters. Die Forschungsergebnisse sind für zahlreiche Sparten der Lebensmittelindustrie, insbesondere für die Milch- und die Süßwarenindustrie, von Interesse. Der aus rund 100 Unternehmen bestehende deutsche Milchverarbeitungssektor beschäftigt ca. 36.000 Mitarbeiter. Mit 18,9 Mrd. € in 2009 erzielte er knapp 14 % des Gesamtumsatzes der deutschen Lebensmittelindustrie. Die sogenannte Weiße Linie (Joghurt, Desserts, Quark etc.) ist mit 5,7 Mrd. € der umsatzstärkste Bereich. Das darunter angesiedelte Sortiment geschäumter Produkte ist durch wachstumsstarke Marken und eine hohe Anzahl von Produktneuerscheinungen gekennzeichnet. Insbesondere auf Genuss ausgerichtete Premiumprodukte werden vom Verbraucher gut angenommen. Da geschäumte Produkte hinsichtlich der Genussparameter Cremigkeit und Leichtigkeit hoch bewertet werden, ist mit einem steigenden Anteil solcher Systeme auch im 'Low fat'-Bereich zu rechnen. In Deutschland wurden im Jahr 2009 etwa 3,6 Mio. Tonnen Süßwaren im Wert von 12,1 Mrd. € produziert, davon wurden Waren im Wert von ca. 5,5 Mrd. € exportiert (200 Betriebe mit insgesamt ca. 52.000 Beschäftigen). Die Süßwarenbranche ist von vielen kleinen und mittleren Betrieben geprägt. Eine bedeutende Rolle spielen hierbei sowohl mengen- als auch wertmäßig die Produktion von Speiseeis (372.234 t), gefüllten Schokoladenerzeugnissen (294.000 t), Pralinen (134.362 t) und Zuckerwaren (509.956 t). In diesen Kategorien finden sich zahlreiche schaumbasierte Produkte, wie Marshmallows, Schaumwaffeln, Schaumküsse, mit Mousse gefüllte Pralinen etc. Von den Ergebnissen des Clusters werden die Hersteller geschäumter Produkte und ihre Zulieferer (z.B. Hersteller von technofunktionellen Proteinprodukten und Zusatzstoffen) profitieren. Des Weiteren sind die Ergebnisse auch für den Wirtschaftszweig Maschinenbau (Anlagenbau, Membranhersteller) von Interesse. Als weitere, wichtige Spin-Offs für KMU ist der Bereich der Prozessbeobachtung und -führung anzusehen. So etablieren sich gegenwärtig im Markt neuartige Entwicklungen auf dem Gebiet der Qualitätssicherung schaumartiger Lebensmittel, welche letztendlich in modernen Diagnosesystemen etwa für das Grenzflächenspannungsverhalten oder die Rheologie resultieren.

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