Ultraschall bei der Honig-Verarbeitung

Honig erfreut sich als Lebensmittel und Medizin großer Beliebtheit. Die Ultraschallverarbeitung ist ein wirksames Mittel zur Zerstörung unerwünschter Bestandteile wie Kristalle und mikrobielle Zellen im Honig. Als nicht-thermische Verarbeitungstechnologie verhindert die Ultraschallentkristallisierung von Honig einen unerwünschten Anstieg der HFM und sorgt für einen besseren Erhalt von Diastase, Aroma und Geschmack.

Vorteile der Ultraschall-Honigentkristallisierung

Die Ultraschall-Dekristallisation ist eine effiziente Alternative zu den herkömmlichen Erhitzungsmethoden für die Honig-Dekristallisation. Die Ultraschall-Honigentkristallisierung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der herkömmlichen Erhitzungsmethode, was die Ultraschall-Honigverarbeitung zur überlegenen Behandlung für die Honigverflüssigung, -entkristallisierung und -stabilisierung macht:

  • Erhaltung des Nährwerts von Honig: Bei herkömmlichen Erhitzungsmethoden wird der Honig hohen Temperaturen ausgesetzt, was seinen Nährwert beeinträchtigen kann. Die Ultraschall-Entkristallisierung arbeitet mit niedrigeren Temperaturen, wodurch das Risiko eines hitzebedingten Nährstoffverlusts minimiert wird und die natürlichen Enzyme, Vitamine und Antioxidantien des Honigs erhalten bleiben.
  • Schnelleres und effizienteres Verfahren: Die Ultraschallentkristallisierung kann die für die Entkristallisierung von Honig erforderliche Zeit im Vergleich zu herkömmlichen Erhitzungsmethoden erheblich verkürzen. Durch die Anwendung von Ultraschallwellen entstehen Kavitationsblasen im Honig, die eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung des gesamten Volumens bewirken. Dies führt zu einer schnelleren und effizienteren Dekristallisation.
  • Gleichmäßiges Auflösen und Entkristallisieren: Die herkömmliche Erhitzung von Honig führt zu einer ungleichmäßigen Behandlung, da die Honigmasse in Fässern oder Trommeln erhitzt wird. Dies führt dazu, dass der Honig teilweise überhitzt wird, während andere Teile des Honigs in der Trommel kaum eine ausreichende Temperaturerhöhung erreichen, um die Zuckerkristalle aufzulösen und die Mikroben zu inaktivieren. Die Ultraschall-Honigverarbeitung erfolgt im Durchlaufverfahren, so dass die gesamte Honigmasse gleichmäßig dem Ultraschall ausgesetzt ist. Dies führt zu einer gut kontrollierten Verflüssigung, Dekristallisierung und Stabilisierungsbehandlung durch Beschallung.
  • Verbesserte Qualität und besserer Geschmack: Hitze kann den Geschmack, die Farbe und das Aroma des Honigs verändern. Die Ultraschall-Entkristallisierung trägt mit ihrer sanften Erhitzung dazu bei, die ursprünglichen sensorischen Eigenschaften des Honigs zu erhalten. Es minimiert das Risiko von Überhitzung, Karamellisierung oder Geschmacksverschlechterung, was zu einem qualitativ hochwertigeren Endprodukt führt.
  • Geringeres Risiko der HMF-Bildung: Hydroxymethylfurfural (HMF) ist eine Verbindung, die sich im Honig bildet, wenn er hohen Temperaturen ausgesetzt wird. Ein zu hoher HMF-Gehalt weist auf eine schlechte Honigqualität hin. Die Ultraschall-Dekristallisation bei niedrigeren Temperaturen verringert das Risiko der HMF-Bildung und gewährleistet, dass der Honig seine natürliche Zusammensetzung und hohe Qualität behält.
  • Energieeffizienz: Herkömmliche Erhitzungsmethoden erfordern einen erheblichen Energieverbrauch, um die Temperatur des Honigs auf das gewünschte Niveau anzuheben. Die Ultraschallentkristallisierung hingegen kann das gleiche Ergebnis mit einem geringeren Energieaufwand erzielen, da sie in der Lage ist, den Honig lokal und effizient zu erhitzen.
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    Die Ultraschall-Entkristallisierung bietet mehrere Vorteile und kann an alle Honigsorten und Produktionsgrößen angepasst werden. Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbar und können auf Faktoren wie Honigviskosität, Kristallgröße und Qualitätsstandards abgestimmt werden. Dadurch bieten Hielscher-Ultraschallgeräte hohe Effektivität und einfache, sichere Bedienung.

     

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    Ultraschallreaktor für die Honigverarbeitung zur Verflüssigung und Entkristallisierung von hochwertigem Honig.

    Industrielles Ultraschallgerät für die Entkristallisierung und Stabilisierung von Honig in einer sehr gleichmäßigen Inline-Behandlung.

    Power-Ultraschall ist eine nicht-thermische Methode zur Auflösung von Zuckerkristallen in Honig, die eine milde Dekristallisation und Verflüssigung ohne Beeinträchtigung der Honigqualität ermöglicht.

    Mikroskopische Bilder von behandeltem Honig:
    (a) Kontrollprobe. Vor der Behandlung erscheint der Honig als Netz nadelförmiger Kristalle. Die dunklen Kreise sind Luftblasen. (b) Bei 40°C wärmebehandelte Proben nach 20 Minuten thermischer Behandlung; (c) Bei 40°C+ ultraschallbehandelte Proben nach 20 Minuten Behandlung.
    (Forschungspapier und Bild: ©Deora et al., 2013)

    Ultraschall bei der Honig-Verarbeitung

    Die Ultraschallbehandlung ist eine nichtthermische Technik zur Verflüssigung von Honig. Die Ultraschallwellen durchdringen den Honig und lösen die Kristalle auf.Die Ultraschallbehandlung ist eine nicht-thermische Verarbeitungsalternative für viele flüssige Lebensmittelprodukte. Die mechanische Kraft des Ultraschalls wird für eine sanfte, aber wirksame Inaktivierung von Mikroorganismen und eine Reduzierung der Partikelgröße genutzt. Wenn Honig einer Ultraschallbehandlung ausgesetzt wird, werden die meisten Hefezellen zerstört. Hefezellen, die die Beschallung überleben, verlieren im Allgemeinen ihre Fähigkeit zu wachsen. Dadurch wird die Fermentationsrate des Honigs erheblich reduziert.
    Durch die Ultraschallbehandlung wird der Honig verflüssigt, wobei vorhandene Kristalle entfernt und die weitere Kristallisierung des Honigs verhindert wird. In dieser Hinsicht ist sie mit der Erwärmung des Honigs vergleichbar. Die ultraschallgestützte Verflüssigung kann bei wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen von ca. 35°C arbeiten und die Verflüssigungszeit auf weniger als 30 Sekunden reduzieren. Kai (2000) untersuchte die Ultraschallverflüssigung von australischen Honigsorten (Brush box, Stringy bark, Yapunyah und Yellow box). Die Untersuchungen zeigten, dass die Beschallung mit einer Frequenz von 20 kHz die Kristalle im Honig vollständig verflüssigte. Die mit Ultraschall behandelten Proben blieben ca. 350 Tage lang im verflüssigten Zustand (+20 % im Vergleich zur Wärmebehandlung). Aufgrund der minimalen Wärmeeinwirkung führt die Ultraschallverflüssigung zu einer größeren Beibehaltung von Aroma und Geschmack. Die mit Ultraschall verflüssigten Proben zeigen nur einen sehr geringen HMF-Anstieg und eine geringe Abnahme der Diastase-Aktivität. Da weniger thermische Energie benötigt wird, hilft die Anwendung von Ultraschall im Vergleich zur herkömmlichen Erhitzung und Kühlung, Verarbeitungskosten zu sparen.

    Die Auflösung und Inaktivierung von Mikroorganismen mit Ultraschall wird zur Verbesserung der Honigqualität eingesetzt. Hochintensiver Ultraschall verhindert die Kristallisation, hilft bei der Umkehrung bereits gebildeter Kristalle (Dekristallisation) und bei der Inaktivierung unerwünschter Mikroben.

    Industrie-Ultraschallgerät UIP6000hdT für die Verflüssigung und mikrobielle Stabilisierung von Honig.

    Die Untersuchungen von Kai (2000) haben auch gezeigt, dass verschiedene Honigsorten unterschiedliche Intensitäten und Zeiten der Beschallung erfordern. Aus diesem Grund empfehlen wir die Durchführung von Versuchen mit einer Beschallungsanlage in Tischgröße. Vorversuche sollten im Chargenbetrieb durchgeführt werden, während für weitere Verarbeitungsversuche eine Durchflusszelle zur Druckumwälzung oder Inline-Versuche erforderlich sind.

    Was die Forschung über die Ultraschall-Honigentkristallisation sagt

    Honig ist eine übersättigte Glukoselösung und neigt dazu, bei Raumtemperatur spontan in Form von Glukosemonohydrat zu kristallisieren. Eine Wärmebehandlung wird traditionell eingesetzt, um D-Glukosemonohydrat-Kristalle im Honig aufzulösen und die Kristallisation zu verzögern. Diese Methode wirkt sich jedoch negativ auf den feinen Geschmack des Honigs aus. Viele Forscher haben über die vorteilhafte Anwendung von Hochleistungsultraschall in Honig berichtet. Es hat sich gezeigt, dass die Anwendung von Ultraschall vorhandene Kristalle beseitigt und den Kristallisationsprozess verzögert, was zu einer kosteneffizienten Technologie führt. Die Analyse des Kristallisationsprozesses deutet darauf hin, dass beschallte Honigproben länger in flüssigem Zustand bleiben als wärmebehandelter Honig. Außerdem wurden keine signifikanten Auswirkungen auf die Qualitätsparameter des Honigs, wie Feuchtigkeitsgehalt, elektrische Leitfähigkeit oder pH-Wert, festgestellt. Studien haben gezeigt, dass die Ultraschallbehandlung (z. B. mit einer 24-kHz-Ultraschallsonde des Modells UP400St bei der Chargenbehandlung) im Allgemeinen zu einer schnelleren Auflösung der Kristalle führt als die Wärmebehandlung.
    (vgl. Deora et al., 2013)
    Basmacı (2010) verglich Ultraschall und hochhydrostatischen Druck als Behandlungsoptionen für die Verflüssigung von Honig. Während sich die Behandlung mit hoch-hydrostatischem Druck als zu teuer und ineffektiv erwies, lieferte Ultraschall sehr gute Ergebnisse. Daher wurde die Beschallung als Alternative zur herkömmlichen thermischen Verarbeitung von Honig empfohlen.
    Önur et al. (2018) kamen beim Vergleich der konventionellen Wärmebehandlung bei 50 °C, der Ultraschallverflüssigung und der Druckbehandlung zu demselben Ergebnis.
    Sidor et al. (2021) verglichen die Ultraschallverflüssigung mit der Mikrowellenerhitzung, um Zuckerkristalle in Kalk-, Akazien- und Mehrblütenhonig aufzulösen. Ein wesentlicher Nachteil der Mikrowellenerwärmung waren die deutlich erhöhten HMF-Werte, Veränderungen der enzymatischen Aktivität und große Diastasezahlverluste. Im Gegensatz dazu führte die Ultraschallverflüssigung nur zu geringfügigen Veränderungen der Honigeigenschaften, so dass das Forschungsteam eindeutig die Honigverarbeitung mit Ultraschall empfiehlt, um den Kristallisationsprozess zu verzögern.
    die Verflüssigungszeit von festem Honig zu beschleunigen, ohne seine Qualität zu beeinträchtigen.

    Der Ultrasonicator UIP2000hdT ist ein mobiler Überkopfhomogenisator für zahlreiche flüssige und fest-flüssige Anwendungen.

    Überkopf-Ultraschallgerät UIP2000hdT mit Kaskatrode auf einem fahrbaren Gestell zur Honigverflüssigung und Zuckerlösung im Batch- und Inlinebetrieb.

    Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Entkristallisierung und Stabilisierung von Honig

    Hochleistungs-Ultraschallsonde für industrielle Anwendungen: Die Hielscher Cascatrode™️Hielscher Ultrasonics fertigt und liefert Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Verarbeitung von flüssigen Lebensmitteln wie Honigverflüssigung, Kristallreduktion (Zuckerauflösung, Dekristallisation) und mikrobielle Stabilisierung. Speziell entwickelte Ultraschallgeräte für die Honigbehandlung ermöglichen eine gleichmäßige und zuverlässige Verarbeitung. Dies gewährleistet die Produktion von hochwertigem Honig bei gleichbleibender Qualität. Für die Behandlung von Honig bietet Hielscher Ultrasonics spezielle Sonotroden (Ultraschallsonden) an, die für die sehr gleichmäßige Behandlung von viskosen Flüssigkeiten wie Honig ideal sind.

    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.

    Warum Hielscher-Ultraschall für die Honigverarbeitung?

    • hoher Wirkungsgrad
    • Modernste Technik
    • Zuverlässigkeit & Robustheit
    • Batch & Inline
    • für jedes Volumen – von kleinen Chargen bis zum großen Durchsatz pro Stunde
    • wissenschaftlich bewiesen
    • intelligente Software
    • einfaches, lineares Scale-up
    • intelligente Funktionen (z.B. Datenprotokollierung)
    • CIP (Clean-in-Place)

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

    Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
    10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
    0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
    10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
    15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
    n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
    n.a. größere Cluster aus UIP16000

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    Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

    Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



    Literatur / Literaturhinweise

    Wissenswertes

    Hintergrund der Honigverarbeitung

    Honig ist ein hochviskoses Produkt mit charakteristischem Geschmack und Aroma, Farbe und Textur.
    Honig besteht aus Glukose, Fruktose, Wasser, Maltose, Triacchariden und anderen Kohlenhydraten, Saccharose, Mineralien, Proteinen, Vitaminen und Enzymen, Hefe und anderen hitzebeständigen Mikroorganismen sowie geringen Mengen an organischen Säuren (siehe Tabelle unten). Der hohe Gehalt an Tetracyclinen, Phenolverbindungen und Wasserstoffperoxid im Honig verleiht ihm antimikrobielle Eigenschaften.

    Nährwertprofil und Zuckerzusammensetzung von Honig (©www.honey.com)

     

    Honig Enzyme

    Honig enthält stärkeverdauende Enzyme. Die Enzyme sind hitzeempfindlich und dienen daher als Indikator für die Honigqualität und den Grad der thermischen Verarbeitung. Zu den wichtigsten Enzymen gehören Invertase (α-Glucosidase), Diastase (α-Amylase) und Glucoseoxidase. Dies sind ernährungsphysiologisch wichtige Enzyme. Diastase hydrolysiert Kohlenhydrate für eine leichte Verdaulichkeit. Invertase hydrolysiert Saccharose und Maltose zu Glucose und Fructose. Glucoseoxidase katalysiert Glucose zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid. Honig enthält auch Katalase und saure Phosphatase. Die Enzymaktivität wird im Allgemeinen als Diastaseaktivität gemessen und in einer Diastasezahl (DN) ausgedrückt. Die Honignormen schreiben für verarbeiteten Honig eine Diastasezahl von mindestens 8 vor.

    Hefe und Mikroorganismen im Honig

    Geschleuderter Honig enthält unerwünschte Stoffe wie Hefe (im Allgemeinen osmophil, zuckertolerant) und andere hitzebeständige Mikroorganismen. Sie sind für den Verderb des Honigs während der Lagerung verantwortlich. Eine hohe Hefezahl führt zu einer schnellen Gärung des Honigs. Die Geschwindigkeit der Gärung von Honig hängt auch mit dem Wasser-/Feuchtigkeitsgehalt zusammen. Ein Feuchtigkeitsgehalt von 17 % gilt als sicheres Niveau, um die Hefeaktivität zu hemmen. Andererseits steigt die Wahrscheinlichkeit der Kristallisation mit abnehmendem Feuchtigkeitsgehalt. Eine Hefezahl von 500 cfu/ml oder weniger wird als kommerziell akzeptabel angesehen.

    Kristallisation / Granulation in Honig

    Honig kristallisiert auf natürliche Weise, da er eine übersättigte Zuckerlösung ist, mit einem Zuckergehalt von mehr als 70 % im Verhältnis zu einem Wassergehalt von etwa 18 %. Die Glukose fällt spontan aus dem übersättigten Zustand aus, indem sie Wasser verliert und in einen stabileren gesättigten Zustand von Glukosemonohydrat übergeht. Dies führt zur Bildung von zwei Phasen – eine flüssige Phase oben und eine festere, kristalline Form unten. Die Kristalle bilden ein Gitter, das die anderen Bestandteile des Honigs in der Schwebe hält und so einen halbfesten Zustand schafft (National Honey Board, 2007). Die Kristallisierung oder Granulierung ist unerwünscht, da sie ein ernsthaftes Problem bei der Verarbeitung und Vermarktung des Honigs darstellt. Außerdem wird durch die Kristallisierung der Ausfluss von unverarbeitetem Honig aus den Lagerbehältern eingeschränkt.
     

    Wärmebehandlung bei der Honigverarbeitung

    Nach dem Schleudern und Filtern wird der Honig einer Wärmebehandlung unterzogen, um den Feuchtigkeitsgehalt zu verringern und Hefen abzutöten. Die Erhitzung trägt dazu bei, die Kristalle im Honig zu verflüssigen. Obwohl die Wärmebehandlung den Feuchtigkeitsgehalt wirksam reduzieren, die Kristallisation verringern und verzögern und die Hefezellen vollständig zerstören kann, führt sie auch zu einer Verschlechterung des Produkts. Durch die Erhitzung erhöht sich der Gehalt an Hydroxymethylfurfural (HMF) erheblich. Der gesetzlich zulässige Höchstgehalt an HMF beträgt 40 mg/kg. Darüber hinaus verringert die Erhitzung die Aktivität von Enzymen (z.B. Diastase) und beeinträchtigt die sensorischen Eigenschaften und die Frische des Honigs. Auch die natürliche Farbe des Honigs wird durch die Wärmebehandlung dunkler (Bräunung). Insbesondere das Erhitzen auf über 90°C führt zu einer Karamellisierung des Zuckers. Aufgrund der ungleichmäßigen Temperaturübertragung und -einwirkung werden bei der Wärmebehandlung hitzeresistente Mikroorganismen nur unzureichend abgetötet.
    Aufgrund der Grenzen der Wärmebehandlung konzentrieren sich die Forschungsanstrengungen auf nichtthermische Alternativen wie Mikrowellenstrahlung, Infraroterwärmung, Ultrafiltration und Ultraschallbehandlung. Die Ultraschallbehandlung bietet als nichtthermische Behandlung große Vorteile im Vergleich zu alternativen Honigverarbeitungsverfahren.


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    Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.


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