Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschall bei der Honig-Verarbeitung

Honig erfreut sich großer Beliebtheit als Nahrungsmittel und in der Medizin. Das Behandeln von Honig mit Ultraschall ist eine effektive Methode, um unerwünschte Bestandteile im Honig, wie Kristalle und Hefezellen, zu zerstören. Als eine nichtthermische Prozesstechnologie erreicht Ultraschall einen niedrigeren HMF (Hydroxymethylfurfural)-Anstieg und eine bessere Retention der Diastase, des Aromas und des Geschmacks.

Hintergrundinformationen

Honig ist ein hochviskoses Produkt mit charakteristischem Geschmack, Aroma, Farbe und Textur.

Honig besteht aus Glukose, Fruktose, Wasser, Maltose, Trisacchariden und anderen Karbohydraten, Saccharosen, Mineralien, Proteinen, Vitaminen und Enzymen, Hefen und anderen temperaturbeständigen Mikroorganismen und kleinen Mengen organischer Säuren (siehe auch Diagramm rechts). Der hohe Grad an Tetracyclinen, phenolischen Bestandteilen und Wasserstoffperoxid in Honig verleiht ihm seine antimikrobiellen Eigenschaften.

Die Enzyme

Honig enthält stärkeverdauende Enzyme. Enzyme sind temperaturempfindlich und dienen als ein Indikator für die Honigqualität und für den Grad der thermischen Behandlung. Die meisten Enzyme enthalten Invertase (α-Glucosidase), Diastase (α-Amylase) und Glukoseoxidase. Sie zählen zu den wichtigen Enzymen, denen auch hinsichtlich einer ausgewogenen Ernährung große Bedeutung beigemessen wird. Das Enzym Diastase hydrolysiert Karbohydrate für eine einfache Verdauung. Die Invertase hydrolysiert Saccharose und Maltose zu Glukose und Fruktose. Glukoseoxidase katalysiert Glukose zu Gluconsäure und Wasserstoffperoxid. Honig enthält außerdem Katalase und saure Phosphatase. Die Enzymaktivität wird gewöhnlich an der Diastaseaktivität gemessen und wird in der Diastasenummer (DN) zum Ausdruck gebracht. Honigstandards setzen mindestens eine DN von 8 für behandelten Honig an.

Hefe und die Mikroorganismen

Extrahierter Honig enthält unerwünschte Stoffe, so z.B. Hefe (normalerweise osmophil, zuckertolerant) und andere temperaturresistente Mikroorganismen. Sie sind für das Verderben von Honig während der Lagerung verantwortlich. Ein hoher Hefegehalt führt zu einer schnellen Fermentation des Honigs. Die Fermentationsrate von Honig wird zudem durch den Wassergehalt beeinflusst. Ein Flüssigkeitsanteil von 17% hat sich als sichere Ebene für eine verlangsamte Hefeaktivität gezeigt. Andererseits steigt die Wahrscheinlichkeit der Kristallisation mit der Abnahme des Wassergehaltes. Für Hefe gilt ein Anteil von 500cfu/ml und weniger als eine für den Handel akzeptable Qualität.

Kristallisierung/Granulation

Honig kristallisiert auf natürliche Weise, sobald er eine übersättigte Zuckerlösung ist. Dies ist der Fall, wenn der Zuckergehalt von über 70% in Relation zu einem Wasseranteil von ungefähr 18% steht. Die Glukose fällt spontan aus dem übersättigten Stadium; durch den Wasserverlust entsteht ein beständigeres gesättigtes Stadium von Glukosemonohydrat. Dadurch kommt es zur Formation von zwei Phasen – einer flüssigen Phase oben und einer festeren kristallinen Phase unten. Die Kristalle bilden ein Gitter, das die anderen Honigbestandteile in der Suspension unbeweglich macht und der Honig somit in einen halbfesten Zustand (National Honey Board, 2007) versetzt wird. Die Kristallisierung oder Granulation ist unerwünscht und stellt ein ernsthaftes Problem beim Behandeln und bei der Vermarktung von Honig dar. Auch vermindert die Kristallisation die Fließfähigkeit des noch unbehandelten Honigs aus den Lagerbehältern.

Thermische Behandlung

Nach der Extraktion und der Filtration wird der Honig einer thermischen Behandlung unterzogen, um den Wassergehalt zu verringern und die Hefe zu zerstören. Das Erhitzen unterstützt das Verflüssigen der Kristalle im Honig. Obwohl die Behandlung mit Temperatur die Reduktion des Flüssigkeitsanteils effektiv verringern kann, die Kristallisation verringert und verzögert und die Hefezellen komplett zerstört, zieht sie dennoch eine Verminderung der Produktqualität nach sich. Das Erhitzen erhöht den Anteil an Hydroxymethylfurfural (HMF) beachtlich. Der vorgeschriebene und erlaubte Anteil von HMF liegt bei maximal 40mg/kg. Des Weiteren verringert das Erhitzen die Enzymaktivität (z. B. Diastase), wirkt sich auf die sensorische Qualität aus und mindert die Frische des Honigs.

Das thermische Behandeln von Honig verursacht zudem eine Verdunkelung der natürlichen Honigfarbe (Bräunen). Besonders beim Erhitzen über 90°C tritt eine Karamellisierung des Zuckers auf. Die Hitzebehandlung erreicht nicht die Zerstörug hitzeresistenter Mikroorganismen.

Aufgrund dieser Einschränkungen bei der Hitzebehandlung fokussiert die Forschung vermehrt nichtthermische Alternativen, wie die Beschallung mit Mikrowellen, Infraroterwärmung, Ultrafiltration und das Beschallen mit Ultraschall.

Beschallung von Honig

Ultraschall ist eine nichtthermische Behandlungsalternative für viele flüssige Lebensmittelprodukte. Die mechanische Leistung von Ultraschall wird aufgrund seiner schonenden und dennoch effektiven Wirkungsweise zur mikrobiellen Inaktivierung und zur Partikelgrößenreduktion eingesetzt. Bei der Beschallung von Honig mit Ultraschall werden die meisten Hefezellen zerstört. Die Hefezellen, die eine Beschallung überleben, verlieren jedoch ihre Wachstumsfähigkeit. Dadurch wird die Rate der Honigfermentation bedeutend reduziert.

Ultraschall beseitigt auch schon vorhandene Kristalle und unterbindet eine weitere Kristallisation im Honig. Aus diesem Blickwinkel ist das Beschallen mit dem Erhitzen vergleichbar. Die ultraschallunterstützte Verflüssigung kann bei wesentlich niedrigeren Prozesstemperaturen von ungefähr 35°C erfolgen und kann die Verflüssigungsdauer auf weniger als 30 Sekunden verringern. Kai (2000) untersuchte das Verflüssigen von australischen Honigsorten (Brush box, Stringy bark, Yapunyah und Yellow box). Diese Untersuchungen zeigten, dass durch das Beschallen bei einer Frequenz von 20kHz die Kristalle im Honig vollständig verflüssigt werden. Bei mit Ultraschall behandelten Proben konnte sich der verflüssigte Zustand ungefähr 350 Tage (+20% mehr im Vergleich mit der thermischen Behandlung) erhalten. Da der Honig bei Beschallung nur minimaler Erwärmung ausgesetzt wird, wird mit Ultraschall eine bessere Retention von Aroma und Geschmack erreicht. Beschallte Proben zeigen nur einen geringen HMF-Anstieg und einen geringen Anstieg der Diastaseaktivität. Da weniger thermische Energie benötigt wird, hilft die Ultraschallanwendung im Vergleich zum konventionellen Erhitzen und Kühlen, Energiekosten zu sparen.

Die Untersuchungen von Kai legen zudem dar, dass Honig verschiedener Sorten unterschiedlicher Beschallungsintensitäten und Beschallungsdauer bedarf. Aus diesem Grund empfehlen wir Testversuche, für welche ein Ultraschallsystem im Technikumsmaßstab zweckmäßig ist. Anfängliche Testdurchläufe sollten im Batchverfahren geprüft werden, während weiterführende Prozessdurchläufe eine Durchflusszelle erfordern, mit der Rezirkulationen und Inline-Verfahren unter Druck durchgeführt werden können.

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Literatur

Subramanian, R., Umesh Hebbar, H., Rastogi, N.K. (2007): Processing of Honey: A Review, in: International Journal of Food Properties, 10: 127-143, 2007.

Kai, S. (2000): Untersuchung Ultraschall Verflüssigung des australischen Honeys, die University of Queensland (Australien), Department of Chemical Engineering.

Nationaler Honig Board (2007): Fact Sheets, CO, USA