Ultraschall in der Nahrungsmittelindustrie

Die Anwendung von Leistungsultraschall wird für zahlreiche Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung genutzt, darunter Extraktion, Homogenisierung, Pasteurisierung und Fermentierung. Als nicht-thermische Behandlung verbessert die Ultraschallbehandlung die Prozesse der Lebensmittelherstellung durch höhere Erträge, bessere Qualität, verbesserte Nährstoff- und Geschmacksprofile sowie zeit- und kostensparende Verarbeitung.

Ultraschallanwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Leistungsultraschall hat ein breites Anwendungsspektrum in der Lebensmittelverarbeitung, darunter Extraktion, Mischen, Emulgieren, Pasteurisieren, Entgasen und Zartmachen von Fleisch. Neben diesen Hauptanwendungen wird Leistungsultraschall auch zur Verbesserung des Einfrierens, Auftauens und Trocknens von Lebensmitteln eingesetzt.
Die Hauptvorteile des hochintensiven Ultraschalls liegen in der Verbesserung verschiedener Lebensmittelverarbeitungsprozesse, wie z. B. der Verkürzung der Verarbeitungszeit, der Erhöhung der Ausbeute, der Verbesserung der Produktqualität und der Möglichkeit einer kosten- und zeitsparenden, wirtschaftlichen Verarbeitung.

Im folgenden Abschnitt finden Sie die wichtigsten Anwendungen von Hochintensitäts-Ultraschall in der Lebensmittelindustrie:

  • Extraktion: Mit Hilfe von Ultraschall lassen sich bioaktive Verbindungen wie Antioxidantien, Pigmente und ätherische Öle aus Pflanzenmaterialien extrahieren. Dieses Verfahren ist als sonikationsunterstützte Extraktion bekannt und kann zur Herstellung hochwertiger Extrakte in kürzerer Zeit und mit geringerem Lösungsmittelverbrauch als bei herkömmlichen Methoden eingesetzt werden.
  • Homogenisierung und Emulgierung: Die Ultraschallhomogenisierung kann zur Herstellung stabiler Emulsionen und Suspensionen verwendet werden, z. B. für Salatdressings, Mayonnaise, Cremes und Molkereiprodukte. Bei diesem Verfahren werden Hochfrequenz-Schallwellen eingesetzt, um die Fettkügelchen in der Flüssigkeit aufzuspalten, was zu einer glatten und gleichmäßigen Textur führt.
    Eine Schritt-für-Schritt-Anleitung und ein Video zum Emulgieren von Mayonnaise mit Ultraschall finden Sie hier!
  • Konservierung: Hochintensiver Ultraschall kann zur Inaktivierung von Mikroorganismen wie Bakterien und Hefen in Lebensmitteln eingesetzt werden. Das Verfahren, das als sonizitätsunterstützte Pasteurisierung bekannt ist, kann die Haltbarkeit von Lebensmitteln verlängern und das Risiko lebensmittelbedingter Krankheiten verringern. Als nicht-thermische Verarbeitungstechnik vermeidet die Beschallung den Einsatz sehr hoher Temperaturen und verhindert so den damit verbundenen Abbau hitzeempfindlicher Nährstoffe.

 

Sie wollen Ihre eigenen Gewürzextrakte oder Saucen herstellen? Ob für die Restaurantküche, den ambitionierten Sous-Chef oder für gewerbliche Hersteller, mit Hielscher Ultraschallgeräten können Sie in kurzer Zeit hochwertige Extrakte und Saucen herstellen. Stellen Sie Bio-Extrakte selbst her! Verzichten Sie auf Konservierungsstoffe! Verwenden Sie nur die von Ihnen ausgewählten Zutaten!

Chili-Pfeffer-Extraktion - Hielscher Ultraschallgerät UP200HT

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Ultraschall-Inline-Homogenisierer für die Pasteurisierung von Säften, Milchprodukten und Flüssigeiern

Ultraschallhomogenisatoren sind in der Lebensmittelverarbeitung weit verbreitet. Typische Anwendungen sind Extraktion, Mischen, Emulgieren und Reifung.

  • Entgasung: Durch die Einwirkung von Ultraschall auf eine Flüssigkeit werden die in der Flüssigkeit eingeschlossenen Gasblasen aufgewirbelt. Infolgedessen nähern sich diese Luft- und Gasblasen einander an und verschmelzen miteinander. Das bedeutet, dass sie zu einer größeren Blasengröße anwachsen, die es ihnen ermöglicht, an die Spitze der Flüssigkeit zu schwimmen und leicht entfernt zu werden.
  • Lösen: Aufgrund seiner hervorragenden Misch- und Vermengungsfähigkeiten ist Ultraschall sehr effektiv bei der Herstellung hochgesättigter und sogar übersättigter Lösungen. Dies wird bei Kristallisationsprozessen und bei der Herstellung von Solen genutzt.
  • Gärung: Da die Ultraschallwellen die Zellwände der Mikroorganismen durchdringen und aufbrechen, werden sie anfälliger für den Gärungsprozess. Gleichzeitig beschleunigt der Ultraschall den Transport von Nährstoffen und Sauerstoff zu den Mikroorganismen, wodurch deren Stoffwechselaktivität gesteigert wird. Insgesamt wird durch die Ultraschallbehandlung die Fermentationsrate erhöht, die Fermentationszeit verkürzt und die Ausbeute des gewünschten Endprodukts verbessert. Diese Technologie ist besonders nützlich für die Herstellung von Lebensmitteln und Getränken, wie Milchprodukte, Joghurt, Bier, Kombucha und Wein.
  • Verringerung der Viskosität vor der Sprühtrocknung: Ultraschall-Scherkräfte können die Viskosität in scherverdünnenden und thixotropen Schlämmen erheblich verringern. Durch die Anwendung der Ultraschall-Scherverdünnung vor dem Sprühen und Sprühtrocknen kann der Durchsatz durch die Sprüheinrichtung erheblich gesteigert werden. Sprühtrocknungstürme sind oft der Flaschenhals in der Produktionslinie. Mit Ultraschall kann die Kapazität der vorhandenen Sprühtrockner erhöht werden.

 

Hielscher Ultraschall-Homogenisatoren können flüssige Eiprodukte (Vollei, Eiweiß, Eigelb) homogenisieren und pasteurisieren, um Lebensmittelsicherheit und mechanische Stabilität zu gewährleisten. Hielscher-Ultraschall-Homogenisatoren erzeugen intensive Kavitation und hohe Scherkräfte, um Mikroben abzutöten. Die Ultraschallpasteurisierung ist eine sehr effektive und effiziente Alternative zur Pasteurisierung bei niedrigen Temperaturen. Mit Ultraschall pasteurisiertes Flüssigei weist eine geringere Proteindenaturierung, geringere Geschmacksverluste, eine verbesserte Homogenität und eine deutlich höhere Energieeffizienz auf.

Homogenisierung und Pasteurisierung von Flüssigeiern durch Leistungsultraschall mit dem Ultrasonicator UP400ST

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Ultraschall-Batch-Reaktor für die industrielle Lebensmittelverarbeitung wie Homogenisierung, Extraktion oder Pasteurisierung.

Der geschlossene Batch-Reaktor aus Edelstahl ist mit dem Ultraschallgerät UIP2000hdT (2kW, 20kHz) ausgestattet.

  • Einfrieren: Ultraschallgefrieren kann eingesetzt werden, um die Bildung von Eiskristallen in Lebensmitteln während des Gefrierprozesses zu verringern. Bei diesem Verfahren werden die Lebensmittel während des Einfrierens hochfrequenten Schallwellen ausgesetzt. Die Ultraschallwellen erzeugen Vibrationen, die die Bildung großer Eiskristalle verhindern, was zu einem Produkt mit glatterer Textur und besserer Qualität führt.
  • Auftauen: Das Auftauen mit Ultraschall kann die Auftauzeit von gefrorenen Lebensmitteln verkürzen. Bei diesem Verfahren wird das gefrorene Produkt Ultraschallwellen ausgesetzt, die Wärme erzeugen und den Auftauprozess beschleunigen. Da Ultraschall eine sehr gleichmäßige Energieverteilung begünstigt, kann das Auftauen mit Ultraschall besonders für Produkte nützlich sein, die sich nur schwer gleichmäßig auftauen lassen, wie Fleisch, Meeresfrüchte, Obst und Gemüse.
    Beim Gefrieren, Auftauen und Trocknen bewirkt der Leistungsultraschall eine deutliche Verbesserung der Stoff- und Energietransferprozesse, was diese Prozesse beschleunigt und wirtschaftlicher macht.
  • Aufspüren von Flaschenlecks: Ultraschall ist ein sehr effizientes Mittel, um undichte Stellen und Risse in Flaschen und Dosen von kohlensäurehaltigen Getränken wie Limonade, Bier, Sekt usw. zu erkennen. Ultraschall wird auch bei der Entgasung von kohlensäurehaltigen Getränken, z. B. Bier, vor der Abfüllung eingesetzt, ein Prozess, der als Entfobbing bekannt ist.
  • Pökeln / Beizen: Das Pökeln ist ein gängiges Verfahren bei der Konservierung und Herstellung von Lebensmitteln, insbesondere von Fleisch, Fisch, Käse und Gemüse. Die Ultraschallbehandlung verkürzt die Pökelzeit und ermöglicht die Verwendung geringerer Mengen an Natriumchlorid im Vergleich zu traditionell gepökelten Lebensmitteln und Pickles.
  • Hydratation/Rehydratation: Leistungsstarker Ultraschall ist eine einfache, aber sehr wirksame Methode zur Hydratisierung oder Rehydratisierung von Lebensmitteln wie getrockneten Hülsenfrüchten (z. B. Bohnen, Kichererbsen) oder getrockneten Pilzen. Da Ultraschall die Zellporen in Lebensmitteln öffnet, kann Wasser schnell eindringen. Dies führt zu einer beschleunigten Quellung der Hülsenfrüchte und in der Folge zu einer kürzeren Kochzeit.
  • Entkristallisierung von Honig: Als nicht-thermische Behandlung wird Ultraschall wirksam eingesetzt, um die Bildung großer Zuckerkristalle im Honig zu verhindern. Außerdem können bereits gebildete große Kristalle im Honig durch die Ultraschallbehandlung dekristallisiert werden. Sonden-Ultraschallgeräte lösen die Zuckerkristalle hochwirksam auf, so dass ein gleichmäßig glatter Honig entsteht. Darüber hinaus verbessert der Ultraschall die mikrobiologische Qualität des Honigs, da unerwünschte Mikroben durch die Wirkung des Ultraschall-Zellaufschlusses inaktiviert werden.
  • Braten: Das Frittieren mit Ultraschall kann verwendet werden, um die Ölabsorption in frittierten Lebensmitteln zu verringern. Bei diesem Verfahren wird das Fleisch oder Gemüse in heißes Öl getaucht und gleichzeitig mit hochfrequenten Schallwellen beschallt. Die Ultraschallwellen erzeugen kleine Bläschen auf der Oberfläche des Lebensmittels, die die Kontaktfläche zwischen dem Gemüse/Fleisch und dem Öl verkleinern, was zu einer geringeren Ölaufnahme und einem gesünderen Endprodukt führt. Das Frittieren mit Ultraschall ermöglicht das Garen von Lebensmitteln bei niedrigeren Temperaturen, wodurch ein besseres Geschmacksprofil entsteht und die Nährstoffe erhalten bleiben.
    Erfahren Sie, wie das ultraschallunterstützte Frittieren zu gesünderen, schmackhafteren und knusprigeren Pommes frites und Kartoffelchips führt!
Die Entgasung und Entschäumung von Flüssigkeiten ist eine interessante Anwendung von Ultraschallgeräten. In diesem Fall entfernt der Ultraschall das gelöste CO2 aus dem Bier. Mit Hielscher-Ultraschallgeräten können Sie Flüssigkeiten in Bechergläsern, Tanks oder Inline (Durchflusszellenreaktoren) entgasen oder entschäumen.

Schnelles Entschäumen mit Ultraschall

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Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Lebensmittelverarbeitung

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDie industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics sind Hochleistungs-Ultraschallgeräte, die präzise steuerbar sind und damit reproduzierbare Ergebnisse und eine gleichbleibende Produktqualität ermöglichen. Da sie sehr hohe Amplituden liefern können, sind Hielscher-Ultraschallprozessoren auch für sehr anspruchsvolle Anwendungen geeignet.
Kunden sind von der herausragenden Robustheit und Zuverlässigkeit der Hielscher Ultrasonics-Systeme überzeugt. Hielscher-Ultraschallgeräte arbeiten zuverlässig im harten Einsatz, in anspruchsvollen Umgebungen und im 24/7-Betrieb und sorgen so für eine effiziente und wirtschaftliche Lebensmittelverarbeitung. Die Prozessintensivierung durch Ultraschall verkürzt die Bearbeitungszeit und erzielt bessere Ergebnisse, d.h. höhere Qualität, höhere Ausbeute, neuartige Produkte.
Durch den konsequenten Einsatz von Sonderwerkstoffen, wie z.B. Titan, Edelstahl, Keramik oder Glas in verschiedenen Qualitäten, ist die Kompatibilität der Technik mit dem Prozess gewährleistet.
Ultraschallprozessoren sind bedienerfreundliche und komfortable Maschinen mit geringem Wartungsaufwand und relativ niedrigen Kosten.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-VolumenDurchflussEmpfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 mln.a.VialTweeter
1 bis 500ml10 bis 200ml/minUP100H
10 bis 2000ml20 bis 400ml/minUP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l0,2 bis 4l/minUIP2000hdT
10 bis 100l2 bis 10l/minUIP4000hdT
15 bis 150 Liter3 bis 15 l/minUIP6000hdT
n.a.10 bis 100l/minUIP16000
n.a.größereCluster aus UIP16000

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Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Ultraschallgeräte CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.



Wissenswertes

Wie funktioniert Ultraschall in der Lebensmittelverarbeitung?

Die Ultraschall-Lebensmittelverarbeitung ist eine etablierte Technologie, die für verschiedene Anwendungen in der Lebensmittelherstellung wie Mischen und Homogenisieren, Emulgieren, Extrahieren, Lösen, Entgasen & Entlüftung, Fleischzartmachung, Kristallisierung sowie Funktionalisierung und Modifikation von Zwischen- und Endprodukten etc. eingesetzt wird. Hielscher Ultraschall-Lebensmittelprozessoren werden seit Jahrzehnten in der Lebensmittelproduktion eingesetzt und sind entwickelt, um den Anforderungen der Industrie gerecht zu werden. Ultraschallprozessoren wenden physikalische Kräfte an, welche durch Leistungsultraschallwellen erzeugt werden, was zur Erzeugung von Kavitation führt.

Was ist akustische Kavitation?

Akustische Kavitation, auch bekannt als Ultraschallkavitation, ist das Wachstum und die Implosion winziger Vakuumblasen in einem Ultraschallfeld, welches in Flüssigkeiten oder Slurries erzeugt wird. Die Kavitationsblasen wachsen während der wechselnden Hochdruck-/Niederdruckzyklen, den jeweiligen Kompressions- und Rarefaktionphasen, an. Nach dem Wachstum über mehrere Druckzyklen erreicht die Vakuumblase einen Punkt, an dem sie keine weitere Energie aufnehmen kann, so dass die Blase während eines Hochdruckzyklus heftig implodiert. Bei der Blasenimplosion treten lokal extreme Bedingungen auf, darunter extreme Temperaturen von bis zu 5.000K mit sehr hohen Heiz- und Abkühlraten, Drücke von bis zu 2000atm und entsprechende Druckdifferenzen sowie Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 280m/s Geschwindigkeit. In diesen Kavitations- „hot spots“entstehen lokal extreme physikalische Bedingungen, welche das Mischen, Extrahieren und den erhöhtem Stoffaustausch bewirken.

Akustische oder Ultraschall-Kavitation: Kavitationsblasenwachstum und Implosion

Die akustische Kavitation, die durch hochintensiven Niederfrequenz-Ultraschall erzeugt wird, führt zu starken Scherkräften und lokal auftretenden hohen Druck- und Temperaturunterschieden, die die notwendige Wirkung für eine intensive Durchmischung und einen intensiven Stoffaustausch haben. Diese Ultraschall-Scherkräfte werden erfolgreich bei der Lebensmittelverarbeitung eingesetzt.

Literatur

Der Ultraschall-Homogenisator UIP6000hdT ist ein industrietaugliches Gerät zum Mischen, Vermengen und Extrahieren von Lebensmitteln mit hohem Durchsatz.

Ultraschall-Homogenisator UIP6000hdT in einem lebensmittelverarbeitenden Betrieb installiert.

 
 

UP400St mit Rührwerk im 8L-Extraktionsbatch

Ultraschallextraktion von pflanzlichen Stoffen mit dem Ultrasonicator UP400St

Hielscher Ultrasonics unterstützt Sie von den ersten Tests bis zur Vermarktung Ihrer Anwendung.

Von der Machbarkeitsstudie über die Prozessoptimierung bis hin zur industriellen Installation. – Hielscher Ultrasonics ist Ihr Partner für erfolgreiche Ultraschallprozesse!

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