Hielscher – Ultraschall-Technologie

Ultraschallhomogenisierung von Flüssigei

  • Flüssige Eiprodukte (Vollei, Eiweiß, Eigelb) müssen pasteurisiert werden, um die Lebensmittelsicherheit zu gewährleisten.
  • Ultraschall-Homogenisatoren liefern intensive Kavitation und hohe Scherkräfte, um Mikroben abzutöten.
  • Besonders in Kombination mit erhöhten Temperaturen (∼50°C) und Druck (Mano-Thermosonisation) liefert der Leistungsultraschall hervorragende Pasteurisationsergebnisse.
  • Ultraschall-Lebensmittelverarbeitungssysteme werden häufig eingesetzt, um Homogenisierungs-, Pasteurisierungs- und Sterilisierungsanwendungen zu erfüllen.

Ultraschall-Pasteurisierung

Flüssiges Vollei, Eiweiß, Eigelb und andere Mischeierprodukte werden pasteurisiert, um sicherzustellen, dass sich keine Bakterien/Pathogene im Produkt befinden. Die mikrobielle Inaktivierung durch Pasteurisierung ist ein sehr wichtiger Prozessschritt zur Vermeidung von Verderb und lebensmittelbedingten Krankheiten. Die konventionelle Pasteurisierung wird durch eine Wärmebehandlung des flüssigen Eiprodukts erreicht. Eine solche Wärmebehandlung wirkt sich jedoch auf Proteine, Texturen und Eifunktionalitäten aus.
Die Ultraschall-Pasteurisierung ist eine sehr effektive und effiziente Alternative zur Pasteurisierung.
Flüssige Eiprodukte können effizient durch Mano-Thermosonisation (MTS) pasteurisiert werden, wobei die Ultraschall-Pasteurisierung mit einer Wärmebehandlung (ca. 50°C) und einem erhöhten Druck (ca. 1 barg) kombiniert wird. Unter diesen synergetischen Verarbeitungsbedingungen kann eine zuverlässige Bakterienreduktion von 5log erreicht werden. Die Manothermosondierung verbessert die Abtötungsrate von Mikroben signifikant: Erstens wird die Empfindlichkeit der meisten Mikroorganismen gegenüber der Ultraschallbehandlung durch Temperaturen über 50°C deutlich erhöht. Zweitens steigt die Intensität und Zerstörungskraft der Ultraschallkavitation unter erhöhtem Druck.
Die synergetischen Effekte, die bei der manothermosonischen Pasteurisierung kombiniert werden, übertreffen die herkömmliche Wärmepasteurisierung von Eiern, indem sie zu einem flüssigen Eiprodukt von verbesserter Qualität führen. Flüssigei, das durch Mano-Thermosongierung pasteurisiert wurde, weist eine geringere Denaturierung der Proteine, einen geringeren Geschmacksverlust, eine verbesserte Homogenität und eine deutlich höhere Energieeffizienz auf.
Die Ultraschall-Durchflusszellen von Hielscher sorgen dafür, dass das flüssige Eiprodukt direkt durch die hochintensive Kavitation Zone, um eine gleichmäßige und vollständige Pasteurisierung des flüssigen Eiprodukts zu gewährleisten.

Leistungsultraschall (7x UIP1000hdT) für die Lebensmittelverarbeitung wie Homogenisierung, Pasteurisierung und Extraktion. (Zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschallsystem zur Pasteurisierung

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Ultraschall-Emulgierung

Eiweiß besteht zu ca. 90% aus Wasser, Eigelb enthält zu ca. 25% Fett. Wasser und Öl/Fett sind nicht mischbar, was bedeutet, dass sich die Phasen eher trennen. Um ein homogenes, stabiles flüssiges Volleiprodukt zu erhalten, ist eine ausgeklügelte Emulgiermethode erforderlich, um eine Phasentrennung zu verhindern.
Die Ultraschallkavitation und -scherung liefert die erforderliche Energie, um das flüssige Eiprodukt gleichmäßig zu homogenisieren. Eine starke Ultraschallbehandlung verhindert die Phasentrennung, indem sie die Fettkügelchen aufbricht und Wasser und Fett gleichmäßig verteilt, um eine stabile Emulsion zu erhalten.
Die Ultraschall-Kavitationsbehandlung ist eine überlegene Technik zur Herstellung von Emulsionen in Nanogröße, um mechanische Stabilität zu erreichen!

Vorteile der Ultraschall-Pasteurisierung

  • milde Prozessbedingungen
  • Abtragung von Krankheitserregern
  • verlängerte Haltbarkeit
  • gleichmäßige Textur
  • bessere ernährungsphysiologische und sensorische Eigenschaften
  • keine Denaturierung
  • keine Koagulation

Mischen mittels Ultraschall

Bei der Ultraschall-Homogenisierung und Pasteurisierung werden Additive (z.B. Zucker, Salz, Xanthan Gum etc.) kann gleichmäßig in das flüssige Eiprodukt eingemischt werden.
Die Ultraschall-Homogenisierer von Hielscher werden auch zur Herstellung von Eierlikör (Milch+Eierlauge) eingesetzt, um die mechanische Stabilität und Haltbarkeit zu verbessern.

Ultraschallsprühtrocknung von Eipulvern

Flüssigei kann zu Eipulvern weiterverarbeitet werden, z.B. Volleipulver, Eiweißpulver, Dotterpulver. Die Ei-Flüssigkeit zeigt ein scherverdünnendes Verhalten. Um den Sprühdrallprozess zu optimieren, ist die Ultraschallviskositätsreduzierung eine hocheffiziente Technik zur Erhöhung der Prozesskapazität des Sprühtrockners.
Klicken Sie hier, um mehr über das ultraschallunterstützte Sprühtrocknungsverfahren zu erfahren!

Ultraschallgeräte für die Lebensmittelverarbeitung

Ultraschall-Lebensmittelverarbeitungssysteme sind bekannt und bewährt für ihre zuverlässigen Ergebnisse bei der Homogenisierung, Extraktion, Pasteurisierung und Sterilisation von Lebensmitteln. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher erzeugen sehr hohe Amplituden von bis zu 200µm, um die erforderliche Energie für Pasteurisierungs-, Sterilisierungs- und Emulgierungsprozesse zu liefern. Selbstverständlich sind unsere Ultraschall-Homogenisierer für den 24/7-Betrieb unter harten Einsatzbedingungen in der Industrie ausgelegt.
Neben ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit sind Ultraschallprozessoren nur sehr wartungsarm und sehr leicht zu reinigen. Alle Teile des Ultraschall-Homogenisierers, die mit dem Lebensmittel in Berührung kommen, bestehen aus Titan, Edelstahl oder Glas und sind autoklavierbar. Da jeder Ultraschallprozessor seinen Ultraschallreiniger im Einsatz hat, bietet er automatisch CIP (Cleaning in Place) und SIP (Sterilisation in Place) an.
Geringe Stellfläche und Vielseitigkeit ermöglichen eine problemlose Integration der Ultraschallgeräte von Hielscher in Produktionslinien. Die Nachrüstung in bestehende Anlagen ist problemlos möglich.
In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

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 UIP4000
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Literatur

  • Lee, D.U.; Hein, V.; Knorr, D. (2003): Auswirkungen von Kombinationsbehandlungen von Nisin und hochintensivem Ultraschall mit hohem Druck auf die mikrobielle Inaktivierung im flüssigen Vollei. Innovative Lebensmittelwissenschaft & Aufstrebende Technologien 2003.
  • Nakamura, R.; Mizutani, R.; Yano, M.; Hayakawa, S. (1988): Verbesserung der emulgierenden Eigenschaften von Proteinen durch Sondierung mit Eigelb-Lecithin. Zeitschrift für Agrar- und Lebensmittelchemie 36, 1988. 729-732.
  • Raso, J.; Pagán, R.; Condón, S.; Sala, F.J. (1998): Einfluss von Temperatur und Druck auf die Lethalität des Ultraschalls. Angewandte und Umweltmikrobiologie, 64/2, 1998. 465–471.
  • Sargolzaei, J.; Mosavian, M.T.H.; Hassani, A. (2011): Modellierung und Simulation von Hochleistungs-Ultraschallprozessen zur Herstellung einer stabilen Öl-in-Wasser-Emulsion. Journal of Software Engineering and Applications 4, 2011. 259-267.
  • Sonne, Y.; Yang, H.; Zhong, X.; Wang, W. (2011): Ultraschallunterstützter enzymatischer Abbau von Cholesterin im Eigelb. Innovative Lebensmittelwissenschaft & Aufstrebende Technologien 12/4, 2011. 505-508.
  • Suslick, K.S.; Flannigan, D.J. (2008): In einer kollabierenden Blase: Sonolumineszenz und die Bedingungen während der Kavitation. Annu. Rev. Phys. Chemie. 59, 2008. 659–83.


Verwandte Forschungsergebnisse

Ultraschall-Emulgierung

Javad Sargolzaei et al. (2011) modifizierten die Anwendung von Hochleistungsultraschall zur Herstellung einer stabilen Öl-in-Wasser-Emulsion. Alle Emulasionsproben wurden mit einem Hielscher Ultraschallprozessor vorbereitet. UP200H. Untersucht wurden die Wirkung von pH-Wert, Ionenstärke, Pektin, Guarkernmehl, Lecithin, Eigelb und Xanthangummi sowie der Zeitpunkt der Sondierung, Temperatur und Viskosität der Öl-Wasser-Mischung auf die spezifische Oberfläche und Größe der Tröpfchen sowie der Cremewert der Emulsionsproben. Die experimentellen Daten wurden mit der Taguchi-Methode analysiert und optimale Bedingungen ermittelt. Darüber hinaus wurde ein adaptives Neuro-Fuzzy-Inferenzsystem (ANFIS) zur Modellierung und Kategorisierung der Eigenschaften der resultierenden Emulsion eingesetzt. Die Ergebnisse zeigten, dass eine zunehmende Ultraschallzeit den Bereich der Tropfengrößenverteilung verengt. Pektin und Xanthan erhöhten die Stabilität der Emulsion, obwohl sie unterschiedliche Auswirkungen auf die Stabilität der Emulsion hatten, wenn sie einzeln oder zusammen verwendet wurden. Guarkernmehl verbesserte die Viskosität der kontinuierlichen Phase. Emulsionen, die durch Eigelb stabilisiert wurden, erwiesen sich bei pH 3 und bei relativ niedrigen Salzkonzentrationen als stabil gegenüber Tropfenflockung.

Ultraschallabbau von Cholesterin im Eigelb

Sun et al. (2011) entwickelten einen ultraschallunterstützten enzymatischen Prozess des Cholesterinabbaus im natürlichen Eigelb. Sie zielen auf die katalytische Aktivität von Cholesterinoxidase gegen Eigelbcholesterin mit dem Ziel, ein cholesterinreduziertes Eigelb zu erhalten, ohne die Hauptnährstoffzusammensetzung von Eigelb zu beeinflussen. Cholesterinoxidase wurde verwendet, um den Abbau von Cholesterin im Eigelb zu katalysieren. Zuerst wurde eine 30g Portion des Eigelbes für 15min mit Ultraschall vorbehandelt. 200W und dann für 10 Stunden mit einer Cholesterinoxidasekonzentration von 0,6U/g Eigelb bei 37°C inkubiert. Schließlich wurde der Cholesterinspiegel im Eigelb auf 8,32% seiner ursprünglichen Konzentration gesenkt, ohne die Qualitätsmerkmale des Eigelbes zu beeinträchtigen.

Wissenswertes

Was ist Ultraschallkavitation?

Die Sondierung erzeugt Emulsionen durch hochleistungsfähige, ultraschallgetriebene Schwingungen, die akustische Störungen verursachen. Kavitation. Der Begriff Kavitation beschreibt die Bildung, das Wachstum und den implosiven Zusammenbruch von Hohlräumen (Vakuumblasen) in einer Flüssigkeit. Ultraschall / akustische Kavitation erzeugt lokale Bedingungen innerhalb der Blasen von ~5000 K, ~1000 atm, Aufheiz- und Abkühlraten, die 10 % überschreiten.10 K/s und Flüssigkeitsstrahlen mit bis zu 300m/s. (Suslick et al. 2008) Die intensiven Kräfte, die hohen Scherkräfte, die Strömung und die Turbulenzen, die sich aus der Blasenimplosion ergeben, liefern die Energie, um Partikel und Tropfen zu brechen. Dispersion & Emulsion Zerkleinerung, Lyse-Zellwände, initiieren chemische Reaktionen.

Mano-Thermo-Sonication

Wie unsere Ergebnisse zeigen, ist der statische Druck ein sehr effizientes Mittel zur Erhöhung der Letalität von Ultraschallwellen (UW) / Manosonierung (MS). Dieser Anstieg wird größer, wenn die Amplitude von UW größer ist. Zwischen 50 und 58°C kann die Wärmeabgabe durch die Kombination von Wärmebehandlungen mit UW unter Druck (MS) erhöht werden. Die Letalität dieser Behandlung (MTS) entspricht der additiven letalen Wirkung von Wärme und UW. MS- und MTS-Behandlungen könnten eine Alternative zur Inaktivierung von Y. enterocolitica und möglicherweise anderen Mikroorganismen in wärmeempfindlichen Medien (z.B. Flüssigei) werden. Es könnte auch in Lebensmitteln eingesetzt werden, in denen die hohe Intensität der erforderlichen Wärmebehandlungen (z.B. wasserarme Lebensmittel) die Lebensmittelqualität beeinträchtigen würde. (vgl. Raso et al. 1998)
Forscher haben gezeigt, dass nicht-thermische Technologien zur Konservierung von Lebensmitteln, wie z.B. die Ultraschallbehandlung, nicht so sehr beeinflussen wie thermische Prozesse, Ernährungs- und sensorische Eigenschaften von verarbeiteten Lebensmitteln.

Die Ultraschall- / akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die Kristallisations- und Fällungsprozesse fördern (Zum Vergrößern anklicken!).

Entstehung und Implosion von Ulötraschallkavitationsblasen

Eier: Zusammensetzung & Merkmale

Während Hühnereier das am häufigsten konsumierte Vogelei sind, werden auch andere Vogeleiarten, wie z.B. Strauß, Ente, Wachtel, Gänseeier usw., als Nahrungs- und Futtermittel verwendet.
Eier sind multifunktional und werden daher häufig als Zutat in vielfältigen Lebensmitteln verwendet.
Zu den funktionellen Eigenschaften von Eiern gehören die Eigenschaften der Koagulation und Bindung, Geschmack, Farbe, Schäumung, Emulgierung sowie gehemmtes Kristallwachstum in Süßwaren. Um diese Funktionalitäten der Eizelle aufrechtzuerhalten, ist eine milde Pasteurisierung erforderlich, um eine Denaturierung der Proteine zu vermeiden.
Flüssigeierprodukte reichen von flüssigem Vollei, Eiweiß und Eigelb bis hin zu Rührei-Mischungen und anderen spezialisierten Eiprodukten. Flüssige Eiprodukte sind als gebrauchsfertige Produkte oder in gefrorener Form erhältlich. Flüssigei kann zu Eipulvern weiterverarbeitet werden, z.B. Volleipulver, Eiweißpulver, Dotterpulver. Eipulver wird aus vollentwässerten Eiern hergestellt durch Sprühtrocknung die Eier in der gleichen Weise wie Milchpulver hergestellt wird. Zu den Vorteilen von pulverförmigen Eiern gegenüber frischen Eiern gehören ein niedriger Preis, ein geringeres Gewicht pro Volumen Volleiäquivalent, Haltbarkeit, weniger Lagerraum und die Unnötigkeit der Kühlung.

Wärmeempfindlichkeit von Ei-Proteinen

Eier enthalten mehrere hitzeempfindliche Proteine, die bei der Verarbeitung und Pasteurisierung von Flüssigeiern (auch Brechereier genannt) ein wichtiger Faktor sind. Besonders flüssige Eiweißprodukte sind empfindlich gegenüber Verarbeitungsbedingungen, insbesondere Hitze. Die Temperatur für die Denaturierung von Eiweißproteinen variiert zwischen 61°C (für Ovotransferrin) und 92,5°C (für G2 Globulin). Livetine, Lysozym,
Ovomakroglobulin und Ovoglobulin G3 sind die am wenigsten hitzestabilen Proteine, während Ovotransferrin, Ovoinhibitor und Ovoglobulin G2 als die hitzestabilsten Proteine im Ei erwiesen wurden. Die Wärmeempfindlichkeit von Proteinen kann durch den Zusatz von Salz und Zucker beeinflusst werden, was die Hitzestabilität von wärmeempfindlichen Proteinen erhöht.
Nicht nur Zucker und Salz, auch Kohlenhydrate wie Saccharose, Glucose, Fructose, Arabinose, Mannitol und Xylose schützen Proteine vor Denaturierung während der Wärmebehandlung (Pasteurisierung).
Koagulationstemperatur des Volleis: bei 73°C

Emulsionsstabilität

Um ein homogenes flüssiges Eiprodukt zu erhalten, muss das flüssige Ei mechanisch stabilisiert werden, um eine Trennung in zwei Phasen zu verhindern.
Eine Emulsion ist ein Gemisch aus zwei oder mehreren nicht mischbaren / nicht mischbaren Flüssigkeiten. Technisch gesehen sind Emulsionen eine Unterteilung von kolloidalen Systemen mit zwei oder mehr Phasen. In Emulsionen sind sowohl die dispergierte/interne als auch die kontinuierliche/externe Phase flüssig. In Emulsionen werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten gemischt, indem eine Flüssigkeit (die dispergierte Phase) in der anderen (die kontinuierliche Phase) dispergiert wird. Emulgatoren werden verwendet, um eine langfristige mechanische Stabilität des Systems zu erreichen.
Lecithin, das z.B. Bestandteil von Eigelb ist, ist ein häufig verwendeter Lebensmittelemulgator für Lebensmittel- und Industrieanwendungen. Neben Lecithin enthält Agg Dotter mehrere Aminosäuren, die auch als Emulgatoren dienen. Eigelb enthält ca. 5-8 g Lecithin, weshalb Eigelb ein wichtiger Bestandteil in vielen Lebensmitteln ist. Rezepte auf Emulsionsbasis wie Mayonnaise, Hollandaise, Dressings und Saucen.

Schaumfunktionalität

Eiweißproteine enthalten Aminosäuren. Wenn das Protein zusammengerollt wird, werden die hydrophoben Aminosäuren in der Mitte weg vom Wasser und die hydrophilen auf der Außenseite näher am Wasser verpackt.
Wenn ein Eiprotein gegen eine Luftblase kämpft, wird ein Teil dieses Proteins der Luft ausgesetzt und ein Teil befindet sich noch in Wasser. Das Protein entkräuselt sich, so dass seine wasserliebenden Teile in das Wasser eintauchen können und seine wasserführenden Teile in der Luft bleiben können. Sobald sich die Proteine gelöst haben, verbinden sie sich miteinander - genau wie beim Erwärmen - und schaffen ein Netzwerk, das die Luftblasen an ihrem Platz halten kann.

Eierlikör

Eierlikör ist ein Getränk auf Milchbasis, das aus Milch, Eiern, Zucker und Aromen und manchmal auch Alkohol besteht. Es ist ein süßes, reichhaltiges, cremiges Getränk auf Milchbasis, das traditionell aus Milch, Sahne, geschlagenem Eiweiß, Eigelb und Zucker hergestellt wird. Optional werden bei der Herstellung als Likör destillierte Spirituosen wie Brandy, Rum oder Bourbon eingebaut.