Charakterisierung von Teigen in 4D am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS

Zeitaufgelöste Strukturanalyse mit einem transportablen Computertomographie-System

  • Abb. 1: Die CT portable 160.90 wurde am Fraunhofer EZRT entwickelt. Aufgrund der einzigartigen Kombination von geringem Gewicht und einer Energie von bis zu 90 keV eignet sich diese Anlage sehr gut für Lebensmittelanalysen. 						© Fraunhofer IISAbb. 1: Die CT portable 160.90 wurde am Fraunhofer EZRT entwickelt. Aufgrund der einzigartigen Kombination von geringem Gewicht und einer Energie von bis zu 90 keV eignet sich diese Anlage sehr gut für Lebensmittelanalysen. © Fraunhofer IIS
  • Abb. 1: Die CT portable 160.90 wurde am Fraunhofer EZRT entwickelt. Aufgrund der einzigartigen Kombination von geringem Gewicht und einer Energie von bis zu 90 keV eignet sich diese Anlage sehr gut für Lebensmittelanalysen. 						© Fraunhofer IIS
  • Abb. 2: Schematische Darstellung der in-situ CT-Anlage mit integrierter Probenkammer über die sich Gar- und Backphase gezielt steuern lassen. © Fraunhofer IIS
  • Abb. 3: Entwicklung eines Weizenteiges während der Gare (0–18min) und des Backen (23–42 min). Aus Übersichtsgründen wurde das Teigvolumen zugeschnitten und in 2D dargestellt.  © Fraunhofer IIS
  • Dr. Stefan Gerth, Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS
Für die Entwicklung und Qualitätsanalyse von Backerzeugnissen ist die Struktur und Dynamik des Teiges ein wichtiger Faktor. Fraunhofer EZRT hat ein schnelles transport­ables Computertomographie-System entwickelt. Dieses erlaubt die zerstörungsfreie, dreidimensionale Erfassung von Backwaren und Teigen im Minutentakt für eine 4D Charakterisierung. Ein integrierter Ofen ermöglicht eine unterbrechungsfreie Beobachtung vom Beginn der Gare bis zur fertigen Backware. Dadurch werden strukturelle Veränderungen innerhalb des Teiges zeitaufgelöst erfasst ohne die Teigentwicklung zu beeinflussen.

Backwaren spielen eine wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie. Die Einarbeitung von Luft verändert die physikalischen und sensorischen Eigenschaften und ist ein wesentlicher Faktor in der Produktentwicklung. Um die gewünschte Funktionalität und Eigenschaft einer Backware zu erreichen, benötigt der Teig eine bestimmte Porenstruktur und Gashaltefähigkeit.

Motivation 

Die Empfindlichkeit von Teigen gegen mechanische Einflüsse erschwert deren Analyse, so dass es momentan an verlässlichen zerstörungsfreien Methoden zur Charakterisierung mangelt. Außerdem fehlt es an Möglichkeiten, die Veränderungen im Teig während der Gare und des Backens zu untersuchen, ohne dabei den Prozess zu unterbrechen. Eine quantitative Methode, welche die Teigstruktur über den gesamten Herstellungsprozess in-situ charakterisiert, wäre nicht nur im Bereich der Qualitätssicherung von großem Vorteil. Es ließe sich damit der Zusammenhang zwischen Struktur und Verhalten genauer untersuchen und Beziehungen zwischen Herstellungsbedingungen und Endprodukt entwickeln. Dieser Ansatz, also eine zerstörungsfreie Untersuchung in 3D mit einer zusätzlichen vierten Dimension der Zeit, wird 4D Charakterisierung genannt. Dies ermöglicht eine bessere Reproduzierbarkeit und eine Vorhersage von Eigenschaften sowie die Entwicklung qualitativ hochwertigerer Produkte.

CT als Charakterisierungsmethode

Für die Strukturanalyse ist die hochauflösende Computertomographie (CT) eine vielversprechende Methode. Die CT hat in den letzten Jahren als nicht-invasives 3D Prüfverfahren in der Industrie zunehmend an Bedeutung gewonnen und wird bereits mit großem Erfolg z. B.

in der Medizin und der Materialforschung eingesetzt. Nun erfreut sich diese Technik auch im Lebensmittelsektor immer größerer Beliebtheit als nützliche Methode bei der Untersuchung der Mikrostruktur von Lebensmitteln.

2D versus 3D

Die bestehenden optischen Untersuchungsmethoden sind meist invasiv oder benötigen eine Probenpräparation. Das Ergebnis sind in der Regel zweidimensionale Bilder. Diese geben jedoch nur eine scheinbare Größe und Form der Porenstruktur wieder und enthalten damit keine zuverlässigen Informationen über die Zusammenhänge zwischen ihnen. Es ist methodisch schwierig, eine Größenverteilung auf Basis eines 2D-Bildes zu erstellen oder gar die Destabilisierung eines Produktes über längere Zeit zu beobachten.

Zerstörungsfreie Prüfung

Die CT-Technologie hingegen ist eine zerstörungsfreie, dreidimensionale Abbildungstechnik, die sich auch für anspruchsvolle Lebensmittel, wie gärende Teige sehr gut eignet. Diese können aufgrund ihrer weichen oder luftigen Struktur nur schwer in ihrem natürlichen Zustand, d. h. ohne invasive Probenpräparation, betrachtet werden.
Durch die Eigenschaft der Röntgenstrahlung Materialien zu durchdringen, ist es außerdem möglich, Probengefäße oder gar einen Ofen zu durchleuchten und den Teig im Inneren zu messen. So war es bspw. möglich, einen Ofen in die CT zu integrieren und damit die Mikrostruktur der Teige während der Gare und des Backen zu untersuchen, ohne die Prozesse unterbrechen zu müssen (s. Abb. 1).

Merkmale der CT

Aufgrund voranschreitender Entwicklungen im Feld der CT lässt sich inzwischen problemlos eine Ortsauflösung im Bereich von wenigen Mikrometern erzielen. Die präzise Rekonstruktion ermöglicht die geometrische Vermessung der komplexen inneren Struktur, so dass sich Porenvolumen, Porenform, Durchmesser und Lamellendicken poröser Objekte analysieren lassen. Das Fraunhofer EZRT hat ein transportables CT-System (CTportable 160.90) entwickelt, welches die speziellen Anforderungen von veränderlichen Proben an Bildqualität und Messzeit erfüllt und die Analyse dynamischer Vorgänge mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu einer Minute ermöglicht.

Anwendungsmöglichkeiten

Das System fand bereits Anwendung bei der Analyse von Milchschäumen, Extrudaten, Schokoriegeln, Brotteigen und vielem mehr. Mittels einer angepassten Bildauswertung können die Struktureigenschaften für jede Pore in der Probe quantitativ beschrieben werden. Damit lassen sich z. B. die Auswirkungen von verschiedenen Einflussfaktoren auf die Probenstruktur beschreiben und ihr Verhalten kann über die Zeit in 4D analysiert werden. 
Im Rahmen des AiF-Projekts 18905 N “Optimierung der Teigstrukturstabilität glutenfreier Backwaren mittels gezielter Hydratisierung von Rohstoffen“ wurde für die Untersuchung von Teigen ein spezieller Ofen entwickelt. Dieser ermöglicht das Backen der Teige während einer CT-Messung und sorgt für optimale Gärbedingungen. Die Probenkammer befindet sich direkt im CT-System, damit die Aufnahme der Teigentwicklung erfolgen kann ohne den Gar- und Backprozess zu beeinflussen oder zu unterbrechen. Mit dieser Methode wird die Entwicklung der Poren im Teig über die Zeit verfolgt und analysiert (s. Abb. 2). 
Im Fokus steht hierbei der Einfluss der Hydratisierung auf die Größe, Verteilung und das Verhalten (z. B. Disproportionierung und Koaleszenz) der Poren im Teig, welche im hohen Maße die spätere Textur der Endprodukte beeinflussen. Die Gashaltefähigkeit der Teige wird mittels CT über den gesamten Herstellungsprozess in-situ charakterisiert, um die Auswirkungen des Hydratisierungsgrades während der Prozessschritte zu quantifizieren. Da die Poren im Teig einen wesentlichen Einfluss auf die Sensorik und Stabilität des Endproduktes haben, lässt sich damit die Brotherstellung optimieren bis hin zur  Entwicklung neuer Produkte, wie bspw. glutenfreier Backwaren für Allergiker (s. Abb. 3).

Transportables CT-System 

Die CTportable 160.90 wurde für die hochauflösende Untersuchung kleiner Objekte aus Kunststoff, Leichtmetall und anderen schwach absorbierenden Materialien am Fraunhofer EZRT entwickelt. Aufgrund der einzigartigen Kombination von geringem Gewicht und einer Energie von bis zu 90 keV eignet sich diese Anlage sehr gut für Lebensmittelanalysen. 
Neben der damit erreichbaren hohen Auflösung zeichnet sich das Konzept des Systems vor allem durch den wesentlichen Faktor der Mobilität aus. Mit Maßen von 770 mm x 375 mm x 550 mm (L x B x H) ist der Platzbedarf minimal. Darüber hinaus gewährleistet das moderate Gewicht von ca. 160 kg eine gute Mobilität und einen unkomplizierten Transport. Mit der CTportable 160.90 ist es möglich, je nach Auflösung, Objekte mit einer Höhe von bis zu 65 mm komplett zu untersuchen. 
Bei größeren Proben bis 150 mm Höhe kann schrittweise vorgegangen werden. Der Auflösungsbereich liegt hier zwischen 2–40 µm. Die Messzeit kann bis auf 30 s reduziert werden. Zum Betrieb der CTportable 160.90 bedarf es nur einer Stromversorgung sowie einer USB- und Netzwerk-Verbindung mit einem Steuercomputer. Dieser übernimmt die Anlagensteuerung, Rekonstruktion des Volumens und die Bildverarbeitung der aufgenommenen Projektionen.

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