Ohmsches Erhitzen mit Ultraschall für die Lebensmittelverarbeitung

Die Nachfrage nach schonenden, aber dennoch effektiven Verarbeitungstechnologien im Lebensmittelsektor hat zugenommen, da ein Gleichgewicht zwischen mikrobieller Sicherheit und dem Erhalt der ernährungsphysiologischen und sensorischen Qualitäten gefunden werden muss. Herkömmliche thermische Behandlungen beruhen häufig auf einer Wärmeübertragung von der Oberfläche zum Kern, die langsam ist und zu Ungleichmäßigkeiten führen kann. Die ohmsche Erwärmung, die auf der Umwandlung von elektrischer Energie in Wärme direkt in der Lebensmittelmatrix basiert, löst diese Herausforderung, indem sie eine schnelle und volumetrische Erwärmung ermöglicht. In Verbindung mit Ultraschall wird der Prozess weiter verbessert: Die Ultraschallkavitation fördert den Zellaufschluss, die Homogenisierung und den Massentransfer und überwindet so Leitfähigkeitsschwankungen, die andernfalls lokalisierte Wärmekanäle erzeugen können.

Ohmsches Erhitzen mit Ultraschall – Mild, aber Sehr Effizient

Die ohmsche Wärmegewinnung mit Ultraschall kombiniert eine gleichmäßige volumetrische Erwärmung mit mechanischer Homogenisierung durch Ultraschall, um eine effiziente Lebensmittelverarbeitung unter vergleichsweise schonenden Bedingungen zu erreichen. Im Gegensatz zur konventionellen ohmschen Erwärmung, bei der es zu lokalen Wärmekanälen und thermischem Abbau (d. h. Überhitzung) kommen kann, fördert die Zugabe von Ultraschall Kavitation und Mikroströmungen, die die Leitfähigkeit homogenisieren und die Wärme gleichmäßiger verteilen. Diese Synergie ermöglicht eine schnelle Extraktion bei geringerer effektiver Wärmebelastung, wodurch wärmeempfindliche Verbindungen geschont und der Gesamtenergiebedarf gesenkt wird. Infolgedessen erweist sich die ohmsche Erwärmung mit Ultraschall als mildes, aber leistungsfähiges Verfahren zur Herstellung hochwertiger Lebensmittelprodukte.

Ohmsches Erhitzen mit Ultraschall – Viele Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung

Die ohmsche Erwärmung mit Ultraschall wurde in einem breiten Spektrum von Lebensmittelverarbeitungsanwendungen untersucht. Bei der Pasteurisierung und Sterilisierung sorgt die Technik für eine schnelle und gleichmäßige Inaktivierung von Mikroorganismen, während Vitamine, Geschmacksstoffe und Textureigenschaften erhalten bleiben. Bei Stabilisierungsprozessen, wie z. B. der Inaktivierung von Enzymen oder der Dekontamination von Saatgut, ermöglicht sie eine präzise Steuerung der Behandlungsintensität. Die Methode ist besonders vielversprechend für die Extraktion – aus ätherischen Ölen, Pflanzenproteinen oder bioaktiven Verbindungen – wo die durch Ultraschall induzierte Kavitation die Freisetzung beschleunigt und die ohmsche Erwärmung eine effiziente Lösungsmittelpenetration erleichtert. Auch bei der Verarbeitung von flüssigen und halbfesten Lebensmitteln, einschließlich Milchprodukten, Fruchtfleisch, Säften und Emulsionen, bei denen eine gleichmäßige Erwärmung und Durchmischung von entscheidender Bedeutung sind, wurde das Verfahren eingesetzt.

 
Zu den wichtigsten Anwendungen der ohmschen Ultraschallerwärmung in der Lebensmittelindustrie gehören:

1. Pasteurisierung und Sterilisierung: schnelle, gleichmäßige Inaktivierung von Mikroorganismen unter Beibehaltung der sensorischen und ernährungsphysiologischen Qualität.
2. Extraktion von bioaktiven Substanzen und ätherischen Ölen: Ultraschall-induzierte Kavitation in Kombination mit ohmscher Elektroporation beschleunigt die Freisetzung von Phytochemikalien, Proteinen und Lipiden.
3. Blanchieren von Früchten und Gemüse: wirksame Inaktivierung von Enzymen bei minimalem Verlust von Farbe, Geschmack oder Vitaminen.
4. Dehydrations- und Verdunstungsvorgänge: beschleunigter Feuchtigkeitsentzug und Energieeinsparungen bei Trocknungs- oder Konzentrationsschritten.
5. Unterstützung der Fermentierung: Die kontrollierte Erwärmung und der verbesserte Stoffaustausch können die mikrobielle Leistung und den Ertrag verbessern.
6. Allgemeines Erhitzen von flüssigen und halbfesten Lebensmitteln: homogene Temperaturverteilung in Molkereiprodukten, Säften, Pürees und Emulsionen, Vermeidung von Hot Spots.

Die Vorteile des Ultraschall-gestützen Ohmschen Erhitzens in der Lebensmittelindustrie

Für die Lebensmittelindustrie sind die Vorteile der ohmschen Erwärmung mit Ultraschall vielfältig. Die Technologie reduziert die Verarbeitungszeit und den Energieverbrauch, bietet eine sehr gleichmäßige Erwärmung selbst in heterogenen Matrices und minimiert den thermischen Abbau von hitzeempfindlichen Verbindungen. Da sowohl die Erhitzung als auch die Ultraschalleffekte im Lebensmittel selbst erzeugt werden, macht das Verfahren große externe Wärmetauscher überflüssig und senkt die Wartungskosten. Besonders wichtig ist jedoch, dass die synergistische Technologie des ultraschall-gestützen ohmschen Erhitzens dem Trend zu Clean-Label-Produkten und nachhaltiger Verarbeitung gerecht wird, da es Lebensmittel weder überbehandelt noch chemischen Zusätzen verwendet werden. Die ohmsche Erwärmung mit Ultraschall ist somit ideal, um die Anforderungen für eine sichere, nahrhafte und umweltfreundliche Lebensmittelproduktion zu erfüllen.
 

Die Vorteile

1. Gleichmäßiges Erhitzen: Ultraschall wirkt der Bildung von Wärmekanälen entgegen und sorgt für eine homogene Temperaturverteilung - auch in heterogenen Lebensmitteln.
2. Schnelle Verarbeitung: Die kombinierte Wirkung von ohmscher Heizung und Ultraschall verkürzt die Pasteurisierungs-, Sterilisierungs- und Extraktionszeiten.
3. Energieeffizienz: Geringerer Gesamtenergieverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen thermischen Behandlungen.
4. Konservierung von Nährstoffen und Aromen: Bei milderen thermischen Belastungen bleiben Vitamine, Antioxidantien und flüchtige Aromastoffe erhalten.
5. Intensivierte Extraktion: Elektroporation und Kavitation beschleunigen die Freisetzung von bioaktiven Substanzen, ätherischen Ölen und Proteinen.
6. Lebensmittelsicherheit: Effektive mikrobielle und enzymatische Inaktivierung mit minimalem Qualitätsverlust.
7. Skalierbarkeit und Flexibilität: Anwendbar für flüssige und halbfeste Lebensmittel.
8. Saubere Verarbeitung: Lösemittelfrei, chemiefrei und auf Nachhaltigkeit ausgerichtet - ideal für die „Clean Label“ Produktion.

Ultraschallelektroden für effizienteres Ohmsches Erhitzen in der Lebensmittelverarbeitung

Hielscher Ultraschall-Elektroden (Sono-Elektroden) bieten einen deutlichen Vorteil beim ohmschen Erhitzen, da sie zwei sich ergänzende Mechanismen in einem einzigen Aufbau vereinen: elektrische Stromzufuhr für die Ohmsche Heizung und Ultraschall für Kavitation und Vibration. Während die Elektrode den für die volumetrische Joule-Erwärmung erforderlichen Wechselstrom liefert, erzeugt ihre gleichzeitige Schwingung mit 20 kHz Kavitation, Mikroströmung und Scherkräfte, welche die Zellwände der Pflanzen aufbrechen und das Medium homogenisieren. Diese doppelte Wirkung minimiert die Bildung von Wärmekanälen, sorgt für eine gleichmäßigere elektrische Leitfähigkeit und damit für eine gleichmäßige Erwärmung der gesamten Probe. Gleichzeitig beschleunigt der Ultraschallextraktionseffekt den Stoffaustausch und fördert die Freisetzung intrazellulärer Verbindungen, was die Ausbeute und Qualität weiter erhöht. Für die kommerzielle Produktion bietet das Hielscher Elektrodensystem UIP2000hdT (2000 W pro Elektrode) die nötige Robustheit für die kontinuierliche industrielle Produktion, während kleinere Geräte wie das UP100H (100 W) und der VialTweeter als flexible Ultraschall-Elektroden für die Forschung im Labormaßstab und die Prozessoptimierung dienen.

In der nachstehenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Sonikatoren / Ultraschallelektroden für die ohmsche Erwärmung:

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 Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.