In der vorliegenden Arbeit wurde am Deutschen Institut für Lebensmitteltechnik e.V. der Einfluss des nichtthermischen Verfahrens der Hochspannungsimpulsbehandlung auf die Eigenschaften von Kartoffelstärke und –textur untersucht. Verschiedene Kartoffelsorten wurden mit Hochspannungsimpulsen behandelt. Hierfür wurde eine el-crack® 8 kW-Batchanlage sowie eine kontinuierliche 30 kW Anlage genutzt. Bei der kW-Batchanlage wurde mit sehr geringen Energieeinträgen von 0,25 - 4 kJ/kg gearbeitet. In der kontinuierlichen Anlage wurde bis zu 40 kJ/kg Energie eingetragen. Das Hauptaugenmerk lag allerdings ebenfalls bei 0,25 - 4 kJ/kg. Die Effektivität der Behandlung beider Anlagen wurde verglichen, indem die Festigkeit und der Permeabilisierungsgrad des Kartoffelgewebes analysiert wurden. Außerdem wurden noch die Verkleisterungseigenschaften und Partikelgrößenverteilung der Stärke untersucht.
Es wurden Vorversuche in der Batchanlage mit verschiedenen Kartoffelsorten (Gunda, Linda, Bintje, Challenger, Innovator) durchgeführt. In einer Behandlungszelle mit 4,68 l Volumen wurden die Kartoffeln in Wasser bei einer elektrischen Feldstärke von 746 V/cm mit Energieeinträgen von 0,25; 0,5; 075; 1 und 2 kJ/kg behandelt. Dabei stellte sich heraus, dass die Festigkeit bereits bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg auf das Minimum gesunken war. Die Kartoffelsorte Linda wies mit ca. 46 % die größte Verringerung der Festigkeit auf.
Durch die entstandenen Poren wurde der Turgor verringert. Zellflüssigkeit trat aus und diese verringerte als Gleitfilm beim Schneiden die benötigte Schneidkraft. Beim Schneiden von unbehandelten Kartoffeln führte außerdem eine erhöhte Anzahl an Rissbildungen des Gewebes zu einem erhöhten Widerstand beim Schneiden. Der Zelldesintegrationsindex stieg mit steigendem Energieeintrag. Die Kartoffelsorte Challenger wies bei einem Energieeintrag von 2 kJ/kg den höchsten Zelldesintegrationsindex von ca. 0,62 auf. Mikroskopische Bilder der Zellwand zeigten, dass diese durch einen Energieeintrag von 2 kJ/kg verändert wurde und zu der Verringerung der Festigkeit der Zellen beitrug. Weiterhin zeigten REM-Aufnahmen, dass durch einen Energieeintrag von 2 kJ/kg Stärkekörner nicht beschädigt oder verformt wurden.
In den Hauptversuchen wurden die Industriekartoffelsorten Allure und Fontane in der Batch- sowie in der kontinuierlichen Anlage behandelt. Die Energieeinträge bei der Batchanlage wurden auf 0,25; 1 und 4 kJ/kg und die elektrische Feldstärke auf 1 kV/cm geändert. In der kontinuierlichen Anlage wurden die Kartoffeln zusätzlich mit Energieeinträgen von 20 und
30 40 kJ/kg behandelt. Um diese hohen Energieeinträge zu erreichen wurde die Feldstärke auf 2,2 kV/cm erhöht. Bei beiden Anlagen war eine maximale Verringerung der Festigkeit bereits bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg ersichtlich. Der Zelldesintegrationsindex der Fontane erreichte in der Batchanlage bei 1 kJ/kg das Maximum bei gewählten Einstellungen, während die Allure bereits bei einem Energieeintrag von 0,25 kJ/kg das Maximum erreicht hatte. Die Analyse der Partikelgrößenverteilungen zeigte auf, dass eine Hochspannungs-impulsbehandlung bei diesen Energieeinträgen keinen Einfluss auf die Partikelgröße hatte.
Die Verkleisterungsenthalpie wies jedoch bei zunehmender Behandlungsintensität einen leichten Trend nach unten auf. Bei dem Vergleich beider Anlagen zeigte sich, dass die kontinuierliche Anlage die Festigkeit ebenfalls bei 0,25 kJ/kg auf das Minimum sinken ließ.
Der Zelldesintegrationsindex bewegte sich aber erst bei einem 10fach höheren Energieeintrag gegenüber der Batchanlage auf ähnlichem Niveau. Durch die Elektrodenanordnung war das elektrische Feld inhomogener wodurch eine schlechtere Permeabilisierung erfolgte.
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Abbildungsverzeichnis
Abb. 1: Die Struktur des Stärkekorns in unterschiedlichen Vergrößerungen (Tegge, 2004) .... 4
Abb. 2: Elektroporation von Zellmembranen bei verschiedenen Feldstärken. E: Elektrische Feldstärke; Ec: kritische elektrische Feldstärke (Raso & Heinz, 2006) ... 6
Abb. 3: Typische Impulsformen (Raso & Heinz, 2006) ... 8
Abb. 4: Diskontinuierliche 8 kW-Anlage und 4,68 l Behandlungszelle ... 10
Abb. 5: Bandgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Frequenz ... 12
Abb. 6: Maximale Schneidkraft in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei verschiedenen Kartoffelsorten der Vorversuche ... 18
Abb. 7: Zelldesintegrationsindex in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei verschiedenen Kartoffelsorten der Vorversuche ... 19
Abb. 8: Mikroskopische Aufnahmen von unbehandeltem (l.) und behandeltem (r.) Kartoffelgewebe ... 20
Abb. 9: REM Aufnahmen von unbehandelter Kartoffelstärke ... 21
Abb. 10: REM Aufnahmen von Kartoffelstärke bei einem Energieeintrag von 2kJ/kg ... 21
Abb. 11: Maximale Schneidkraft in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei den Kartoffelsorten Fontane und Allure ... 22
Abb. 12: Zelldesintegrationsindex in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei den Kartoffelsorten Fontane und Allure ... 23
Abb. 13: Vergleich der maximalen Schneidkraft in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei der Batchanlage und der kontinuierlichen Anlage an der Kartoffelsorte Fontane ... 25
Abb. 14: Vergleich der Zelldesintegrationsindizes in Abhängigkeit vom spez. Energieeintrag bei der Batchanlage und der kontinuierlichen Anlage an den Kartoffelsorte Fontane ... 26
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Tabellenverzeichnis
Tab. 1: Einstellungen Drehschalter „Anzahl der Pulse“ ... 10
Tab. 2: Einstellungen Drehschalter „Frequenz“ ... 11
Tab. 3: Eingestellte Parameter der 30 kW-Anlage ... 13
Tab. 4: Partikelgrößenverteilungen ... 24
Tab. 5: Verkleisterungsenthalpie und -temperaturen ... 25