Entmischungs- und Konsistenz-Optimierung HPMC stabilisierter veganer Sahne durch Hochdruckhomogenisierung im PSI-20

Physikalische Eugenschaften mit Hydroxypropylmethylcellulose (HMPC) als Verdickungsmittel

  • Abb. 1: Schematischer Aufbau mit Strömungslinien der Y-Interaktionskammer des PSI-Hochdruckhomogenisators (blau = niedrige Geschwindigkeit, rot = hohe Geschwindigkeit). © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbHAbb. 1: Schematischer Aufbau mit Strömungslinien der Y-Interaktionskammer des PSI-Hochdruckhomogenisators (blau = niedrige Geschwindigkeit, rot = hohe Geschwindigkeit). © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH
  • Abb. 1: Schematischer Aufbau mit Strömungslinien der Y-Interaktionskammer des PSI-Hochdruckhomogenisators (blau = niedrige Geschwindigkeit, rot = hohe Geschwindigkeit). © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH
  • Abb. 2: Schematisches Messprinzip des Dispersion Analyser Lumisizer (...) (Legende siehe Textende)
  • Abb. 3: Schematisches Messprinzip des Dispersion Analyser Lumisizer, welcher die STEP-Technology verwendet. (...)  (Legende siehe Textende)
  • Abb. 4: Transmissionsprofil des Premix (Rohemulsion) im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (...)  (Legende siehe Textende)
  • Abb. 5: Transmissionsprofil der Probe 1 x 1.200 bar im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (RZB = 2.300, 55 min, 25 °C, 870 nm). Oben ist die Küvette nach der Messung als visueller Vergleich zu sehen.© Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH
  • Abb. 6: Transmissionsprofil der Probe 3 x 500 bar im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (2.300 RZB, 55 min, 25 °C, 870 nm). Oben: Bild der Probe in der Küvette nach der Messung.© Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH
  • Abb. 7: Position der Phasengrenze am Ende der Messung im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (...)  (Legende siehe Textende)
  • Abb. 8: In der Kitchen Aid aufgeschlagene vegane Sahne.  (...) (Legende siehe Textende)
  • Abb. 9: Prof. Dr. Dietmar Lerche, LUM

In diesem Beitrag kommt Hydroxypropylmethylcellulose (HMPC) als Verdickungsmittel in veganer Sahne zum Einsatz. Die Emulsion wurde mit dem PSI-20 Hochdruckhomogenisator bezüglich des Entmischungsverhaltens und der Konsistenz optimiert, um mehrere Qualitätskriterien erfüllen zu können. Dazu zählten die nötige Steifheit nach dem Aufschlagen, die physikalische Stabilität während der Lagerung und die Ähnlichkeit zur handelsüblichen Kuhmilchsahne, die im Kühlschrank flüssig ist.

Durch verschiedene Einstellungen des Drucks und einer unterschiedlicher Anzahl von Durchläufen mit derselben Probe konnte die gewünschte Produktfunktionalität erzielt werden. Der vergleichbar niedrige Prozessdruck beeinflusste das Entmischungsverhalten der flüssigen Emulsion positiv, wohingegen hohe Prozessdrücke zu mehr Steifheit der aufgeschlagenen veganen Sahne führten.

Einleitung
Als pflanzliche Alternative zur handelsüblichen Kuhmilchsahne wird zunehmend vegane Sahne von Konsumenten nachgefragt. Die Herstellung erfolgt aus unterschiedlichen Rohmaterialien und der Einfluss der einzelnen Komponenten ist sehr komplex. Die Zutaten bestehen zumeist aus Wasser, eine Getreide-, Nusssorte oder Soja, Fett auf pflanzlicher Basis und Emulgatoren, Stabilisatoren, Antioxidations- und Verdickungsmitteln [1]. Als Verdickungsmittel kommt häufig die aus Cellulose gewonnene Hydroxypropylmethylcellulose (HPMC, E464) zum Einsatz [2]. Es gibt unterschiedliche Polymerisations- und Substitutionsgrade, wodurch die Eigenschaften stark variieren [3]. Der Hersteller Shin-Etsu, in Deutschland durch die Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH vertreten, verkauft es unter dem Markennamen Metolose [4]. Auf dem Markt gibt es weitere Anbieter [2].

In diesem Beitrag wird der Einfluss der Verarbeitung durch den Hochdruckhomogenisator PSI-20 (Particle Solutions Innovations BV, Niederlande, Vertrieb in Deutschland, Österreich und Frankreich: LUM GmbH) von veganer Sahne ohne Veränderung der vorgegebenen Rezeptur beschrieben. Wichtigstes Kriterium war die Konsistenz im gekühlten Zustand und die Steifheit nach dem Aufschlagen der Emulsion. Weiterhin wurde die physikalische Separation der mit unterschiedlichem Druck homogenisierten Proben mit dem Dispersion Analyser Lumisizer (LUM GmbH, Deutschland) basierend auf der STEP-Technology als Kontrollparameter analysiert.

Hochdruckhomogenisierung mit dem PSI-20
Der Hochdruckhomogenisator PSI-20 gehört zu den Blendenhomogenisatoren und erzeugt Drücke bis zu 2.000 bar und Durchflussraten bis zu 20 l/h.

Die Interaktionskammer zeichnet sich durch eine feste Geometrie von in Diamant eingebetteten Mikrokanälen aus. Es gibt zwei unterschiedliche Geometrien. Die eine ist Y-förmig, wodurch besonders gut Emulsionen homogenisiert werden können. Die andere ist eine Z-Geometrie. Die Z-Interaktionskammern werden für die Desagglomeration, Partikelzerkleinerung und den Zellaufschluss eingesetzt. In der Y-Kammer kommt es durch die hohen Drücke zur Beschleunigung der Emulsion und somit auch zur Scherung der Tropfen. Durch Umlenk- und Aufprallzonen, Turbulenz und Kavitation werden die Tropfen zerkleinert (Abb. 1). In den Versuchen wurde eine Y-Kammer mit einem Spaltmaß der Mikrokanäle von 75 µm verwendet.

Ein Scale-up auf größere Ansatzvolumina bei gleichen Prozesseinstellungen kann komplikationslos durch Parallelisieren der Mikrokanäle durchgeführt werden. In der Interaktionskammer kommt es durch den hohen Energieeintrag zur Erwärmung der Emulsion. Mittels nachgeschaltetem effizienten Rohrbündelwärmetauscher wird die Probe durch ein Kühlaggregat definiert abkühlt.

Die Zusammensetzung der veganen Sahne in diesem Versuch bestand aus Wasser, pflanzlichem Fett, Zucker, Emulgatoren, Stabilisatoren und dem Verdickungsmittel HPMC. Die voremulgierte Rohemulsion, Premix genannt, wurde in den Vorlagebehälter des PSI-20 gefüllt. Eine an den Vorlagebehälter über das genormte Tri-Clamp System anschließbare Pumpe zur Befüllung erfolgte auf Grund des geringen Ansatzvolumens nicht genutzt. Weiterhin fand eine definierte Vortemperierung durch einen Wärmetauscher statt, welcher an den Vorlagebehälter angeschlossen wurde.
Es wurden drei Versuchsreihen durchgeführt:

  • Hochdruckhomogenisierung des Premix bei 500 bar (Probenname 1 x 500 bar).
  • Drei nacheinander folgende Zyklen im PSI-20 bei 500 bar (Probenname 3 x 500 bar).
  • Einmaliges Hochdruckhomogenisieren bei 1.200 bar (Probenname 1 x 1.200 bar).

Die eingestellten und im PSI-20 erreichten Drücke konnten per USB-Anschluss ausgelesen werden. Die Proben wurden wie folgt analysiert:
Entmischungsanalyse im Dispersion Analyser Lumisizer direkt nach der Hochdruckhomogenisierung,
Vergleichbarkeit bezüglich der Konsistenz der für einen Tag bei 4°C gekühlten Probe zur handelsüblichen Kuhmilchsahne,
Steifheit der aufgeschlagenen Probe.

Entmischungsverhalten der flüssigen veganen Sahne
Die beschleunigte Separationsverhaltens der Proben wurde mittels Lumisizer quantifiziert. Das Messprinzip beruht auf der STEP-Technology, welche die Tropfenbewegung auf Grund von Konzentrationsänderungen über orts- und zeitaufgelöste Transmissionsmessungen über die gesamte Probenlänge detektiert (Abb. 2 und Abb. 3) [5]. Bis zu zwölf unterschiedliche Proben können simultan analysiert werden. Die Separationsgeschwindigkeit kann bis zum 2.300-fachen beschleunigt werden.

Die Untersuchung der Proben erfolgte in Originalkonzentration. 0,4 ml jeder Probe wurden in Einwegrechteckküvetten aus Polycarbonat mit einer optischen Schichtdicke von 2 mm eingefüllt und über 55 min bei 25 °C bei erhöhter Gravitation (RZB = 2.300) gemessen.
Die Transmissionsprofile repräsentieren die örtlichen Konzentrationsverläufe der dispersen Phase (Emulsionströpfchen) in Abhängigkeit von der Zeit:

  • niedrige Transmission = hohe Konzentration
  • hohe Transmission = niedrige Konzentration.

Die Transmissionsprofile der Rohemulsion (die ersten sind rot, die letzten grün dargestellt) kennzeichneten eine Aufrahmung (siehe Abb. 4). Sie waren sehr flach, was auf eine starke Polydispersität (Tropfengrößenverteilung sehr breit) hinwies. Die unterschiedlich großen Tropfen besitzen nach Stokes  verschiedene Geschwindigkeiten, was die flachen Transmissionsprofile bedingte. Die breite Verteilung der Rohemulsion wird durch die Geschwindigkeitsverteilung belegt. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Rohemulsion nicht komplett aufklarte.
Nach der Hochdruckhomogenisierung veränderte sich der Verlauf der Transmissionsprofile. Die Kurven waren bei allen Proben wesentlich steiler. Am wenigsten Aufrahmung und demzufolge eine kleinere Klarphase am Boden zeigte die Probe aus der Versuchsreihe 1, in der nur ein einziges Mal im PSI-20 bei 500 bar homogenisiert wurde. In den Transmissionsprofilen ist keine Transmissionserhöhung am Küvettenboden zu sehen.
In der Versuchsreihe 2 (3 x 500 bar, Abb. 6) konnten eine Überhomogenisierung festgestellt werden. Dabei war durch die wiederholten Homogenisierungszyklen eine stärke Entmischung zu sehen als bei der 1 x 500 bar-Probe [6].

Der Verlauf der Transmissionsprofile der 1 x 1.200 bar-Probe in Abb. 5 kennzeichnet auch eine Aufrahmung. In der gleichen Zeit zeigte die Probe jedoch eine stärkere Entmischung. Die Klarphase erreichte einen Wert von 90 % Transmission, was eine vollständige Aufklarung bedeutete. Auch hier fand eine Überhomogenisierung statt [6].

Die zum Lumisizer dazugehörige Software Sepview bietet verschiedene Auswertemodule zur Quantifizierung des Entmischungsverhaltens. Mit dem Tool „Position der Phasengrenze“ kann die Grenze zwischen Rahm- und Klarschicht während der Messzeit beobachtet werden. In Abb. 7 sind die Endwerte dieser Position bei einem Schwellwert von 15 % Transmission zu sehen. Die unhomogenisierte Rohemulsion entmischte am meisten und auch am schnellsten. Die Phasengrenze wanderte vom Küvettenboden (130 mm) bis zu der Position 116 mm. Für 1 x 500 bar wurde in der festgelegten Zentrifugationszeit keine Entmischung detektiert. Über das Analysentool „Position der Phasengrenze“ konnte einfach ein Ranking erstellt werden: Premix (starke Entmischung) > 1 x 1.200 bar > 3  x 500 bar > 1 x 500 bar (geringe  Entmischung).

Konsistenz der flüssigen veganen Sahne
Im Anschluss an die Hochdruckhomogenisierung wurden alle Proben im Kühlschrank auf 4°C für einen Tag gekühlt. Die Rohemulsion veränderte ihre Konsistenz. Bei Raumtemperatur war sie flüssig, wohingegen sie beim Abkühlen auf 4°C fest wurde. Die hochdruckhomogenisierten Proben blieben auch beim Abkühlen flüssig und glichen der Konsistenz einer handelsüblichen Kuhmilchsahne.

Steifheit der aufgeschlagenen veganen Sahne
Die wichtige Gebrauchseigenschaft – die Steifheit – der unterschiedlich homogenisierten Proben  wurde ebenfalls analysiert. Dazu  wurden die Proben im Kitchen Aid (Whirlpool Corporation) für eine Minute bei mittlerer Geschwindigkeit und drei weiteren Minuten bei hoher Geschwindigkeit aufgeschlagen. Abb. 8 dokumentiert das Ergebnis für die aufgeschlagene Sahne. Die Rohemulsion hatte eine sehr weiche Textur. Im Gegensatz dazu bewirkte die Hochdruckhomogenisierung des PSI-20, dass eine bessere Steifheit erreicht wurde. Am festesten war die Probe 1 x 1.200 bar.

Schlussfolgerung und Ausblick
Mit dem Hochdruckhomogenisator PSI-20 konnte eine vegane Sahne mit guten Gebrauchseigenschaften (Steifheit) hergestellt werden. Durch verschiedene Einstellungen des PSI-20 unterschieden sich die Proben. Zur Quantifizierung des Homogenisierungseinflusses wurde die Phasenseparation (Aufrahmung) flüssigen veganen Sahne und die Steifheit der aufgeschlagenen Sahne analysiert. Mittels Lumisizer konnte über die Position der Phasengrenze leicht ein Ranking bezüglich der Entmischung erstellt werden. Dabei entmischten sich die Proben, die bei hohem Druck oder mehrmals hintereinander homogenisiert wurden, stärker. Dies kann auf eine Überhomogenisierung bzgl. des Separationsverhaltens interpretiert werden [6]. Weitere Stresstests könnten über Gefrier-Tau-Zyklen durchgeführt und die Entmischung mittels Lumisizer ausgewertet werden, da viele vegane Sahnen auch eingefroren gelagert werden können. Weiterhin blieb die vegane Sahne im gekühlten Zustand flüssig, unabhängig davon, bei welchem Druck und welcher Anzahl an Durchläufen homogenisiert wurde. Alle hochdruckhomogenisierten Proben wiesen nach dem Aufschlagen sehr gute Steifigkeiten auf.

 


Literatur
[1] Englert, Heike und Siebert, Sigrid, [Hrsg.]. Vegane Ernährung, 1. Auflage. Bern : Haupt, 2016. S. 249-250. ISBN 978-3-8252-4402-6.
[2] Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. https://www.se-pfmd.com/en/index.pmode. [Online] [Zitat vom: 04.05.2018 (14:15 Uhr).] http://www.metolose.jp/en/food/about.html.
[3] Wüstenberg, Tanja. Cellulose and Cellulose Derivatives in the Food Industry: Fundamentals and Applications. Weinheim : Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. S. 343-376. ISBN 9783527682966.
[4] Sarkar, Nitis. Structural interpretation of the interfacial properties of aqueous solutions of methylcellulose and hydroxypropyl methylcellulose. Polymer. 25, 1984, Bd. 4, S. 481-486.
[5] Lerche, Dietmar. Comprehensive Characterization of Nano- and Microparticles by In-Situ Visualization of Particle Movement Using Advanced Sedimentation Techniques. KONA Powder and Particle Journal. 2019, S. 4 ff., https://doi.org/10.14356/kona.2019012.
[6] S. Küchler, C. Schneider, D. Lerche, T. Sobisch. Process optimisation for making stable emulsions using accelerated dispersion analysis by multisample analytical centrifugation. LabPlus International. 2006, Bd. 20, 4, S. 14-17.


Ergänzung Bildlegenden:

Abb. 1: Schematischer Aufbau mit Strömungslinien der Y-Interaktionskammer des PSI-Hochdruckhomogenisators (blau = niedrige Geschwindigkeit, rot = hohe Geschwindigkeit). © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 2: Schematisches Messprinzip des Dispersion Analyser Lumisizer. Die Küvette mit einer homogenen Probe wird in die Multifotozentrifuge eingelegt. Unter Verwendung der STEP-Technology wird ein orts- und zeitabhängiges Transmissionsprofil aufgenommen. Zum Zeitpunkt t = 0 ist die Transmission entlang der Probe konstant. Es können bis zu 12 Proben simultan gemessen werden. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 3: Schematisches Messprinzip des Dispersion Analyser Lumisizer, welcher die STEP-Technology verwendet. Durch die erhöhte Gravitation wird das Separationsverhalten beschleunigt. Zum Zeitpunkt t > t0 hat sich das Transmissionsprofil aufgrund der Entmischung verändert. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 4: Transmissionsprofil des Premix (Rohemulsion) im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (2.300 RZB, 55 min, 25 °C, 870 nm). Die ersten 300 Profile sind im 1-Sekundenintervall und die restlichen im Zehnsekundenintervall gemessen worden. Oben befindet sich die Küvette als visueller Vergleich. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 5: Transmissionsprofil der Probe 1 x 1.200 bar im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (RZB = 2.300, 55 min, 25 °C, 870 nm). Oben ist die Küvette nach der Messung als visueller Vergleich zu sehen. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 6: Transmissionsprofil der Probe 3 x 500 bar im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (2.300 RZB, 55 min, 25 °C, 870 nm). Oben: Bild der Probe in der Küvette nach der Messung. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 7: Position der Phasengrenze am Ende der Messung im Lumisizer bei erhöhter Gravitation (2.300 RZB, 55 min, 25 °C, 870 nm). Je weiter die Phasengrenze vom Küvettenboden (130 mm) aus gewandert war, desto mehr Entmischung fand statt. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

Abb. 8: In der Kitchen Aid aufgeschlagene vegane Sahne. Gleiche Rezeptur, jedoch unterschiedliche Homogenisierung. Oben: Rohemulsion ohne Behandlung. Mitte: Ein Durchlauf im PSI-20 bei 500 bar. Unten: Ein Durchlauf im PSI-20 bei 1.200 bar. © Shin-Etsu Pharma & Food Materials Distribution GmbH

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