Der Ernährungstrend hin zu gesünderen Snacks ist ungebremst. Snacks aus gefriergetrockneten Früchten erfüllen die Erwartungen der Verbraucher an moderne, hochwertige Lebensmittel. Allerdings erfordert die Gefriertrocknung ganzer Früchte lange Trocknungszeiten und verschlechtert erheblich die sensorische Qualität, was für Verbraucher unattraktiv ist. Eine Alternative zur Herstellung von knusprigen Fruchtsnacks ist der Weg über Trockenobstschaum.

Um dies zu untersuchen, wurden Früchte zu Fruchtpulpe verarbeitet und anschließend in Fruchtschaum umgewandelt. Der Prozess nutzt die funktionellen Eigenschaften von Hydrokolloid-(Protein-Polysaccharid-)Mischungen, um einen stabilen Schaum zu erzeugen, der den anschließenden Trocknungsprozess erleichtert. So konnte ein Snackprodukt in verschiedenen Formen und mit einer hochporösen Struktur aus Himbeerfrüchten gewonnen werden, das somit eine neue und intensivere sensorische Wahrnehmung vermittelt. Schäumen und anschließendes Trocknen zu kombinieren ist eine einfache Methode, um knusprige Fruchtsnacks zu erhalten, die den Geschmack und das Aroma im Mund verstärken. Außerdem führt die Schaumstruktur zu einer schnelleren Trocknung durch die größere Oberfläche und die dünnen Lamellen der Blasen. Die Abfuhr von Wasserdampf wird erleichtert und somit der Wärme- und Stofftransfer gefördert. Darüber hinaus können Mikrowellen die Einschränkungen der Wärmeübertragung bei der konvektiven oder konduktiven Erwärmung überwinden, wenn dies unter sauerstofffreien Bedingungen und niedrigen Temperaturen geschieht, was den Trocknungsprozess beschleunigt.

Charakterisierung von Obstschäumen

Schaum lässt sich als eine Dispersion von Gasblasen in einer Flüssigkeit, die zwei Phasen enthält, beschreiben. Eine kontinuierliche flüssige Phase umgibt eine dispergierte Phase von Luftblasen. Tatsächlich wird Schaum durch diverse Blasen gebildet, die von einem Flüssigkeitsfilm umgeben sind. Entscheidend ist es, die richtige Schaumbildung und -stabilisierung vor, während und nach dem Trocknungsprozess zu gewährleisten. Das Schäumen mittels einer Rotor-Stator-Einheit, mit oder ohne Einbeziehung einer bestimmten Menge an Luft oder Gas, ist ein konventioneller und weit verbreiteter Grundprozess in der Lebensmittelindustrie.

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Abb. 1 A) Himbeerschaumherstellung, B) Himbeerschaumtrocknung, C) Qualitätsbewertung von getrocknetem Himbeerschaum, modifiziert nach [12]

Durch den Einsatz von so genannten Schaumbildnern und Stabilisatoren in der kontinuierlichen Phase können Blasen gebildet und stabilisiert werden. Daher kommt der verwendeten Formulierung eine entscheidende Bedeutung für die charakteristische Struktur des Schaums zu. In Lebensmittelsystemen spielen Proteine und Polysaccharide eine techno-funktionelle Rolle. Beide sind oberflächenaktive Stoffe, die die Grenzflächenspannung durch Bildung einer viskoelastischen Adsorptionsschicht senken, was für die gewünschte Stabilität sorgt [1, 2]. Proteine, wie z.B. Milchproteine oder Eialbumin, werden in der Lebensmittelindustrie häufig verwendet. Im Rahmen dieser Forschungsarbeit wurden Kartoffelprotein (engl. potato protein, PP) als Schaumbildner und Maltodextrin (MD, DE 6) sowie Zitruspektin (P) als Schaumstabilisatoren verwendet.

Gefrorene Himbeeren wurden in einer Passiermühle zu Püree verarbeitet. Die experimentelle Methode zur Herstellung von Himbeerschaum ist in Abbildung 1 schematisch dargestellt. Die Schäume wurden hinsichtlich Schaumfähigkeit (Schäumbarkeit) in Bezug zum Luftspeichervermögen [3] sowie Schaumstabilität (die Fähigkeit von Schaum, Luft für einen bestimmten Zeitraum zu halten) charakterisiert. Weitere wichtige Parameter sind die Blasengröße und die Größenverteilung der Blasen bezogen auf ihre Geometrie [4]. Da die Schaumstabilität ein wichtiges Kriterium bei der Schaumtrocknung ist, wurden die Formulierungen entsprechend den Ergebnissen von Dachmann et al., 2018 [5] und Ozcelik et al., 2019a [6] ausgewählt. Die Schäume wurden dem Trocknungsprozess ausgesetzt (Abb. 1B).

Gefriertrocknung von Schaum per Mikrowellen

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Abb. 2 Gesamttrocknungsdauer für Himbeerschäume, die mit konventioneller und mit mikrowellenunterstützter Gefriertrocknung hergestellt wurden, als Funktion der Maltodextrinkonzentration bei verschiedenen Mikrowellenleistungen. Die Schaumproben enthielten 5 % (w/w) PP +2,5 % (w/w) P und unterschiedliche MD-Konzentrationen. Prozessbedingungen: maximale Lagerungstemperatur des Produktes von 30 °C und Kammerdruck von 0,1 mbar [6]

Die Hauptvorteile der Schaum-Matten-Trocknung sind – bei gleicher Trocknungstechnik – niedrigere Temperaturen und kürzere Trocknungszeiten, verglichen mit ungeschäumten Materialien [7]. Dies ist auf die größere innere Oberfläche und die dünnen Lamellen des Schaums zurückzuführen. Beides verringert die Widerstände gegen die Abführung von Wasserdampf während des gesamten Trocknungsprozesses [6]. Die Gefriertrocknung (engl. freeze drying, FD), auch als Lyophilisierung bekannt, gilt als der schonendste Trocknungsprozess. Er basiert auf der Sublimation in Abwesenheit von flüssigem Wasser bei niedriger Temperatur und sauerstofffreier Umgebung. FD ist eine häufig angewendete Referenzmethode in der Lebensmittelindustrie zur Herstellung von Produkten mit hohem Mehrwert, wie aromatischen Kräutern, verzehrfertigen Produkten (Obst, Gemüse, Fisch und Fleisch) und Kaffee [8]. Das Verfahren dauert jedoch lange und gilt als die teuerste Trocknungsmethode [9]. Aus diesem Grund gilt es den Trocknungsprozess zu beschleunigen, während die Bedingungen konstant bleiben müssen, wenn hochwertige hitzeempfindliche Produkte produziert werden sollen. Die mit der Erwärmung durch Mikrowellen (MW) gekoppelte FD wird als mikrowellenunterstützte Gefriertrocknung (engl. microwave-assisted freeze drying, MWFD) bezeichnet [10]. Mikrowellen ermöglichen eine selektive 3D- oder Volumenerhitzung des Materials, ohne dass gleichzeitig die Massen- und Wärmeübertragung behindert wird. Beim 3D-volumetrischen Erwärmungsprozess können die Mikrowellen direkt in das Produkt eindringen, was eine schnelle innere Erwärmung vor allem der enthaltenen Wassermoleküle bewirkt [11]. Als Referenz wurden die Proben per FD getrocknet (Christ Gamma 1-20, Osterode, Deutschland). Für die MWFD-Experimente wurde ein Mikrowellen-Gefriertrockner im Pilotmaßstab verwendet (Modell µVac0150fd, Püschner Microwaves, Schwanewede, Deutschland). Die Gesamttrocknungsdauer für den Schaum bei verschiedenen MD-Konzentrationen und Mikrowellenleistungen ist in Abbildung 2 dargestellt. Höhere MD-Konzentrationen führten zu einer schnelleren Trocknung, was auf die schnellere Diffusion der enthaltenen Feuchtigkeit durch die dünnen Lamellen der Luftblasen zurückzuführen ist.

Die für die MWFD erforderliche Trocknungsdauer betrug 3,5 bis 5 Minuten pro Gramm verdampftes Wasser, während die FD zwischen 8,8 und 15,8 Minuten pro Gramm benötigte. Die Gesamttrocknungsdauer ließ sich durch MWFD um fast zwei Drittel verkürzen. Bei doppelter Leistungsaufnahme konnte die Gesamttrocknungszeit um 30 bis 40 % reduziert werden. Es bestand eine positive Korrelation zwischen der Trocknungsdauer und der MD-Konzentration, also mit den Eigenschaften des frischen Schaums. Insgesamt verbesserte sich durch die Kopplung des MW-Verfahrens an den FD-Prozess wegen der kürzeren Trocknungszeit die Energieeffizienz [6].

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Abb. 3 Der Einfluss der Maltodextrin-Konzentration und der Mikrowellenleistung auf A) den Gehalt an Ascorbinsäure und B) den Gesamtgehalt an Anthocyanen. Die Schaumproben enthielten 5 % (w/w) PP +2,5 % (w/w) P und unterschiedliche MD-Konzentrationen [12].

Die Eigenschaften des Schaums dienen neben der Beschleunigung des Trocknungsprozesses auch noch einem anderen Zweck, nämlich der Erzeugung eines Aromaschubes beim Genuss des Produktes. Auf der anderen Seite können während des Schäumens mit Luft oder später bei der Lagerung oxidative Schäden auftreten, wenn die große innere Oberfläche des Schaums nicht vor Oxidation geschützt ist. Wir haben daher die Faktoren ermittelt, die den Abbau empfindlicher Substanzen bewirken könnten. Die Retention von Ascorbinsäure (engl. ascorbic acid, AA) und Anthocyanen (engl. anthocyanins, ACY) ist in Abbildung 3 als Funktion der MD-Konzentration und der spezifischen Mikrowellenleistung dargestellt. Beide Trocknungsmethoden führten zu einer Retention von 66 % bis 81 % bei AA und von 53 % bis 84 % bei den gesamten ACY.

Die hohe Retention der empfindlichen Substanzen wurde durch die sauerstofffreien Bedingungen und die niedrigen Temperaturen beim FD-Prozess, der im Hochvakuum und mit hohen Trocknungsraten ablief, erreicht. Die höheren Trocknungsraten, die bei höheren MD-Konzentrationen erzielt wurden, führten zu höheren Ascorbinsäure- und Anthocyan-Retentionen [12]. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das MWFD-Verfahren seine populäre Alternative – die FD-Methode – bezüglich der Energieeffizienz übertrifft und dabei Produkte gleichwertiger Qualität erzeugt.

Die Lagerstabilität von getrocknetem Himbeerschaum

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Abb. 4 A) Wasseraktivität, B) Retention von Ascorbinsäure, C) Retention von Anthocyanen und D) Gesamtfarbdifferenz der getrockneten Schaumproben nach MWFD und FD am Ende der 12-wöchigen Lagerungsdauer. Die Proben wurden vakuumverpackt bei 37 °C gelagert [13].

Die Haltbarkeit eines Lebensmittels ist ein wichtiges Merkmal nicht nur für den Verbraucher, sondern auch für den Hersteller. Ein stabiles Lebensmittel ist ein Produkt, das aus gesundheitlicher und organoleptischer Sicht eine akzeptable Qualität beibehält. Daher gibt es drei Hauptfaktoren, die die Lagerfähigkeit des Produkts beeinflussen können: Formulierung, Verarbeitung und Lagerbedingungen. Diese Studie sollte das Lagerungsverhalten von Himbeerfrüchten in verschiedenen Strukturformen untersuchen, nämlich als geschäumtes und ungeschäumtes Püree, mit Kartoffelprotein und Hydrokolloiden. Der Einfluss der Hydrokolloide, der Porenstruktur und der Mikrowellenenergie auf die Stabilität des Trockenfruchtschaums sollte mit der Stabilität konventionell gefriergetrockneter Produkte über eine 12-wöchige Lagerzeit bei 37 °C verglichen werden. Dazu wurden die getrockneten Proben vakuumverpackt. Die pflanzlichen Bioaktivstoffe, nämlich ACY und AA, sowie die Farbe wurden während der Lagerungszeit untersucht. Die Wassersorption und die Glasübergangstemperatur wurden ebenfalls gemessen [13].

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Struktur der Fruchtzubereitung ein kritischer Parameter ist und eine wichtige Rolle bei der Erhaltung der Qualität spielt. Himbeerpüree ohne Hydrokolloide blieb während der Lagerung nicht stabil, da die kritische Glasübergangstemperatur (Tg) negative Veränderungen bei AA und ACY auslöst und somit die Farbe der Proben negativ beeinflusst. Abbildung 4 zeigt die Wasseraktivität, die AA- und  ACY-Retention und die Farbveränderungen der FD- und MWFD-Proben, wie sie am Ende einer 12-wöchigen Lagerung bei 37 °C ermittelt wurden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Zugabe von Hydrokolloiden das bei hoher Temperatur gelagerte Himbeerpüree stabilisiert hat. Die Schaumstruktur sorgte für eine bessere Lagerstabilität im Bereich der getesteten Parameterwerte. Obwohl eine offenporige Struktur im Allgemeinen zu schnellerem Abbau führt, half die Matrixzusammensetzung hier, die schädlichen Reaktionen zu verhindern und die Lagerstabilität zu verbessern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass mit MWFD Fruchtprodukte hergestellt werden können, die eine vergleichbare oder sogar etwas bessere Lagerstabilität aufweisen, als die mit der FD-Technik erzeugten [13].

Schlussbemerkungen

Die mikrowellenunterstützte Gefrierschaumtrocknung von hitzeempfindlichen Früchten ist der gängigen Alternative der Gefriertrocknung in Bezug auf den Energieverbrauch überlegen und liefert dabei ein qualitativ gleichwertiges Produkt. Diese Studie ist die erste, die über die mikrowellenunterstützte Gefrierschaumtrocknung von Obstpulpe unter Verwendung von Kartoffelprotein berichtet, ein Verfahren, das die Anforderungen an innovative Produkte auf effiziente Weise erfüllen kann. Unsere Ergebnisse dienen als Grundlage für die weitere Nutzung von Mikrowellen zur Trocknung von Fruchtpulpen und werden für die Forschung auf diesem Gebiet und für die Lebensmittelindustrie von erheblichem Nutzen sein.

Danksagung

Dieses Projekt (AiF 19015 N) der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) des Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI) wurde von der AiF (Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen „Otto von Guericke“ e.V.) im Rahmen des Programms zur Förderung der IGF des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi) auf der Grundlage eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.

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Kategorie: Lebensmittelprozesstechnik | Gefriertrocknung

Literatur:
[1] Rodríguez Patino, J.M., Carrera Sánchez, C., Rodríguez Niño, M.R. (2008) Implications of interfacial characteristics of food foaming agents in foam formulations, Adv Colloid Interface Sci 140, 95–113, DOI: 10.1016/j.cis.2007.12.007
[2] Wilde, P., Mackie, A., Husband, F., Gunning, P., Morris, V. (2004) Proteins and emulsifiers at liquid interfaces. Adv Colloid Interface Sci 108-109, 63–71, DOI: 10.1016/j.cis.2003.10.011
[3] Kreuß, M., Krause, I., Kulozik, U. (2009) Influence of glycosylation on foaming properties of bovine caseinomacropeptide, Int. Dairy J. 19 (12), 715–720, DOI: 10.1016/j.idairyj.2009.06.012
[4] Bals, A., Kulozik, U. (2003) Effect of pre-heating on the foaming properties of whey protein isolate using a membrane foaming apparatus, Int. Dairy J. 13, 903–908, DOI: 10.1016/S0958-6946(03)00111-0
[5] Dachmann, E., Hengst, C., Ozcelik, M., Kulozik, U., Dombrowski, J. (2018) Impact of Hydrocolloids and Homogenization Treatment on the Foaming Properties of Raspberry Fruit Puree, Food Bioproc Tech 111, 570, DOI: 10.1007/s11947-018-2179-1
[6] Ozcelik, M., Ambros, S., Heigl, A., Dachmann, E., Kulozik, U. (2019a) Impact of hydrocolloid addition and microwave processing condition on drying behavior of foamed raspberry puree, J. Food Eng. 240, 83–98, DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2018.07.001
[7] Ratti, C., Kudra, T. (2006) Drying of Foamed Biological Materials: Opportunities and Challenges, Dry. Technol. 24, 1101–1108, DOI: 10.1080/07373930600778213
[8] Marin, M. (2003) Freeze Drying | Structural and Flavor (Flavour) Changes, in: Encyclopedia of Food Sciences and Nutrition, Elsevier, pp. 2701–2705
[9] Ratti, C. (2001) Hot air and freeze-drying of high-value foods: A review, J. Food Eng. 49, 311–319, DOI: 10.1016/S0260-8774(00)00228-4
[10] Fan, K., Zhang, M., Mujumdar, A.S. (2019) Recent developments in high efficient freeze-drying of fruits and vegetables assisted by microwave: A review, Critical Reviews in Food Science and Nutrition 59, 1357–1366, DOI: 10.1080/10408398.2017.1420624
[11] Ozcelik, M., Püschner, P.-A., 2017. 16 - Microwave plant requirements and process control for advanced applications, in: Regier, M., Knoerzer, K., Schubert, H. (Eds.), The Microwave Processing of Foods (Second Edition): Woodhead Publishing Series in Food Science, Technology and Nutrition, Second Edition, Woodhead Publishing, pp. 350–380, DOI: 10.1016/B978-0-08-100528-6.00016-4
[12] Ozcelik, M., Heigl, A., Kulozik, U., Ambros, S. (2019b) Effect of hydrocolloid addition and microwave-assisted freeze drying on the characteristics of foamed raspberry puree, Innov Food Sci Emerg Technol 56, 102183, DOI: 10.1016/j.ifset.2019.102183
[13] Ozcelik, M., Ambros, S., Freitas Morais, S.I., Kulozik, U. (2020) Storage stability of dried raspberry foam as a snack product: Effect of foam structure and microwave-assisted freeze drying on the stability of plant bioactives and ascorbic acid. J. Food Eng. 270, DOI: 10.1016/j.jfoodeng.2019.109779