DE4226255A1 - Verfahren zur hydrostatischen Hochdruckbehandlung eines Stoffes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruckbehandlungsverfahren gemäß den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Es ist bekannt, Lebensmittel einer zeitlich begrenzten, in der Regel im Minutenbereich liegenden Hochdruckbehandlung auszusetzen um die im Lebensmittel befindlichen Keime zumindest weitgehend ab­ zutöten und somit eine längere Haltbarkeit des Lebensmittels zu erreichen. Neben dem beschriebenen Keimabtötungseffekt hat es sich beispielsweise bei der Hochdruckbehandlung von Fruchtsäften ge­ zeigt, daß die natürlichen Aromakomponenten im Gegensatz zu herkömmlichen thermischen Keimabtötungsverfahren (Pasteurisierung) nicht negativ beeinflußt werden. Zu diesem Stand der Technik wird auf die Arbeit von R. Hayashi, Application of High Pressure to Food Processing and Preservation, "Engineering and Food", herausgegeben von W.E.L. Spiess und H. Schubert, erschienen 1989 im Verlag Elsevier Appl. Sci., England, Seite 815 bis 826 verwiesen. Dort sind die in diesem Zusammenhang bekanntgewordenen Hintergründe und Effekte im einzelnen beschrieben.

Bei zahlreichen lebensmitteltechnischen Prozessen, wie beispielsweise im Verlauf der Eiscremherstellung (Reifen des Mixes) oder auch bei Behandlungsprozessen in anderen Bereichen, wie beispielsweise der Herstellung der Butter aus Rahm (physikalische Rahmreifung), bei denen es darum geht, ein in emulgiertem Zustand befindliches Fett­ gemisch in seiner Struktur zu ändern, insbesondere Kristallisations­ effekte in der inneren Phase hervorzurufen, erfolgt dies heutzutage in der Regel durch ausgewählte Temperatur- und Zeitprogramme der Behandlungen, indem die Emulsion nach definierter thermischer Vorgeschichte einer thermischen Behandlung (Kühlung/Erwärmung) unter atmosphärischem Druck unterzogen wird. Für die vorerwähnten Phasenumwandlungsprozesse, insbesondere bei emulgierten Speisefet­ ten wie beispielsweise in Milchprodukten, ist regelmäßig eine mehr­ stündige Kaltlagerung, beispielsweise von zwanzig Stunden bei 5°C erforderlich. Dabei ist die gewünschte Strukturumwandlung, insbe­ sondere der gewünschte Kristallisationseffekt, in starkem Maße von der Zusammensetzung der Fettphase abhängig. So ist beispielsweise für den Phasenübergang flüssig/fest der inneren Phase im emulgierten Zustand die Tropfengröße der inneren Phase von Bedeutung. Bei kleineren Tropfengrößen sind stärkere Kühlungsprozesse nötig als bei größeren Tropfen (Unterkühlungsphänomen). Zudem bedeuten lange Prozeßzeiten stets erhöhte Prozeßkosten. Erschwerend hinzu kommt die energetisch aufwendige Abkühlung. Alternative Behandlungsver­ fahren sind nicht bekannt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Problemstellung liegt darin, hier ein alternatives Behandlungsverfahren anzugeben, das die vorerwähn­ ten Nachteile vermeidet und mit dem eine gezielte Beeinflussung der Struktur bzw. des Aggregatzustandes der inneren Phase solcher emulgierter Fettgemische möglich ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem einleitend genannten Stand der Technik dadurch gelöst, daß die Emulsion, also das Fettgemisch in emulgiertem Zustand einer Hochdruckbehandlung zugeführt wird, um die Kristallgröße, Kristallform und/oder Kristallanordnung in­ nerhalb der inneren Phase gezielt zu beeinflussen.

Die Stabilität der Emulsion wird durch das Behandlungsverfahren nicht beeinflußt. Weiterhin hat sich gezeigt, daß diese Hochdruckbe­ handlung nicht nur eine erhebliche zeitliche Beschleunigung der Umwandlungsprozesse innerhalb der inneren Phase bewirkt, sondern daß diese Druckbehandlung bei Temperaturen erfolgen kann, unter denen bei atmosphärischem Druck auch langfristig keine annähernd vergleichbare Strukturveränderung eintritt. Dies hat insbesondere in der Massenproduktion, wie beispielsweise bei der Verarbeitung von Milchprodukten oder der Speiseeisherstellung den erheblichen Vor­ teil, daß die energieaufwendige Kühlung der gesamten Emulsion und die ggf. nachfolgende Wiedererwärmung völlig entfallen kann. Die Behandlungszeiten werden je nach Behandlungsdruck und -temperatur etwa im Minutenbereich liegen, wodurch die bisher üblichen langen Lagerungszeiten entfallen können. Es ist damit erstmals möglich, derartige Strukturumwandlungen in einen quasi kontinuierlichen Prozeß zu integrieren.

Mit dem erfindungsgemäßen Druckbehandlungsverfahren können die Umwandlungsprozesse wesentlich genauer gesteuert werden als bei den bisher bekannten thermischen Behandlungsverfahren, insbesonde­ re ist der bisher wesentliche Einfluß der Tropfengröße bei diesem Behandlungsverfahren nicht so entscheidend, was den Verfahrens­ prozeß vereinfacht.

Mit dem erfindungsgemäßen Behandlungsverfahren ist es insbesonde­ re möglich, eine Kristallisation der inneren Phase bei Fettgemischen mit vergleichsweise niedrigem Schmelzpunkt zu realisieren, die unter atmosphärischem Druck wegen des dann schon erreichten Schmelz­ punktes der äußeren wäßrigen Phase nicht möglich wäre. Unter dem hohen Behandlungsdruck kann auch hier die Kristallisation der inne­ ren Phase induziert werden und das dafür gewählte Temperaturniveau sogar unter die normale, bei atmosphärischem Druck vorliegende Phasenübergangstemperatur der äußeren Phase abgesenkt werden, da die Erstarrungstemperatur der äußeren Phase bei den hier angewende­ ten hohen Drücken weiter absinkt, bei Wasser beispielsweise auf bis zu -20°C bei 300 MPa.

Ein positiver Nebeneffekt der Hochdruckbehandlung ist die an sich bekannte mikrobiologische und enzymatische Veränderung ohne thermische Behandlung. Diese druckinduzierte Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen ist insbesondere im Lebensmittel­ bereich von großem Vorteil.

Zwar kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine vielseitige Beeinflussung der inneren Phase erfolgen, besonders vorteilhaft erfolgt jedoch damit die Erhöhung des Festfettanteils des Fettgemi­ sches. Durch die Hochdruckbehandlung wird die Kristallisation der inneren Phase induziert, wodurch bestimmte Fette des Fettgemisches erstarren.

Eine Temperaturabsenkung, d. h. eine thermische Unterstützung, kann, muß aber nicht erfolgen. Wie schon erwähnt, ist es energetisch besonders günstig, wenn die Hochdruckbehandlung ohne zusätzliche thermische Behandlung erfolgt. In der Praxis ist daher häufig eine Hochdruckbehandlung bei einer Temperatur von Vorteil, die oberhalb der Kristallisationstemperatur des Fettgemisches der inneren Phase liegt.

Unter Fettgemisch im Sinne der Erfindung sind natürliche Fette, chemisch, physikalisch oder anderweitig modifizierte natürliche Fette sowie chemisch reine (synthetische) Fette und Mischungen der vor­ erwähnten Fette zu verstehen. Jedenfalls besteht ein Fettgemisch stets aus mehreren Fetten (Mono-, Di- und Triglyzeriden) unterschiedli­ cher Molekularstruktur, deren Schmelz- und Erstarrungseigenschaften sich zusätzlich durch ihre teilweise Löslichkeit ineinander beeinflus­ sen.

Die bei der Hochdruckbehandlung einzustellenden Druck-, Zeit- und Temperaturparameter können nahezu unbegrenzt und fließend variiert werden und sind in starkem Maße abhängig von den Ausgangsstoffen und dem gewünschten Behandlungsergebnis. Es ist jedoch absehbar, daß eine signifikante Strukturänderung innerhalb der inneren Phase bei Drücken oberhalb von 5 MPa einsetzen wird, wobei bevorzugt Drücke größer als 100 MPa eingesetzt werden, um das Verfahren zu beschleunigen und wirtschaftlich sinnvoll zu gestalten. Die Behand­ lungsdauer wird sich dabei in Bereichen zwischen 10 Sekunden und 60 Minuten bewegen. Die Behandlungstemperatur ist stark stoffab­ hängig, wird sich jedoch im allgemeinen zwischen 0°C und 30°C bewegen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei in den Figuren schematisch das Behandlungs­ ergebnis dargestellt ist. Die Figuren geben die charakteristischen Merkmale von transmissionselektronenmikroskopisch nach Präparation von Milchfettemulsionen mit Hilfe der Gefrierbruchtechnik gewonne­ nen Aufnahmen wieder, und zwar Fig. 1 ohne die erfindungsgemäße Behandlung und Fig. 2 nach der erfindungsgemäßen Behandlung, jeweils in Schnittdarstellung. Kopien der elektronenmikroskopischen Aufnahmen sind den Anmeldungsunterlagen als Fig. 1a und 2a beigefügt, der Vergrößerungsfaktor dieser Aufnahmen beträgt etwa 46 000.

Ausgangsprodukt war ein nicht homogenisierter pasteurisierter Rahm mit 35% (Gew.-%) Fettanteil bei 24°C. Die thermische Vorgeschich­ te des Rahms ergibt sich durch die Pasteurisierung bei 85°C und eine nachfolgende langsame Abkühlung auf 24°C.

Der so vorbehandelte Rahm ist dann einer Hochdruckbehandlung mit einem Druck von 200 MPa bei einer Temperatur von 24°C über eine Zeit von 15 Minuten ausgesetzt worden. Zum Vergleich ist eine Referenzprobe auf gleicher Temperatur, jedoch bei Atmosphärendruck gehalten worden.

Durch elektronenmikroskopische Kontrolle kurz vor und nach der Druckbehandlung konnte nachgewiesen werden, daß vor der Druckbe­ handlung die innere Phase der Emulsion in vollständig flüssigem Aggregatzustand vorlag und nach der Druckbehandlung ein partiell kristalliner Zustand deutlich erkennbar war. In Fig. 2 sind die Kristallstrukturen eines Fetttropfens (mit Bezugsziffer 2 gekennzeich­ net) dargestellt, wie sie sich unter dem Elektronenmikroskop nach der Druckbehandlung gezeigt haben. Es sind eindeutig die typischen monomolekularen Schichten 2 kristallinen Fettes erkennbar, während vor der Behandlung die Fettphase vollständig in flüssigem Aggregat­ zustand (mit Bezugsziffer 1 gekennzeichnet) vorlag, wie dies anhand von Fig. 1 dargestellt ist. In den Figuren ist mit 3 die Fettkugel­ membran gekennzeichnet.

Das gleiche Ergebnis wurde erreicht mit einem Rahm, dessen thermi­ sche Vorgeschichte durch eine 24stündige Kaltlagerung des pasteuri­ sierten Rahms bei 5°C, eine nachfolgende Erwärmung auf 50°C zum vollständigen Aufschmelzen des Fettgemisches der inneren Phase sowie eine sich daran anschließende langsame Abkühlung auf 24°C bei einer ein- bis zweistündigen Haltedauer gekennzeichnet war.

Ein quantitativer Nachweis des Kristallisationsvorgangs wurde mit Hilfe des gepulsten niedrigauflösenden NMR-Verfahrens (Nuclear Magnetic Resonance) festgestellt. Zwar ist dieses Verfahren prinzi­ piell dazu vorgesehen, den in fester Form vorliegenden Fettanteil eines nichtemulgierten Fettgemisches zu bestimmen, doch galt es hier lediglich eine Erhöhung des Festfettanteils nachzuweisen, wobei es unerheblich war, ob der Restanteil aus der äußeren wäßrigen Phase bestand. Während die Referenzprobe, in der das Fett ausschließlich in flüssigem Aggregatzustand vorlag, einen konstanten NMR-Wert von 2,64% (bei einer Kalibrierung des NMR-Geräts auf 100% reines Fett) aufwies, konnte nach der oben beschriebenen Hochdruck­ behandlung und anschließender zehnminütiger Lagerung bei 24°C und atmosphärischem Druck ein NMR-Wert von 6,11% sowie nach einer weiteren einstündigen Lagerung ein NMR-Wert von 6,74% er­ mittelt werden, der die Umwandlung von flüssigem Fett in kristalli­ siertes Fett eindeutig qualitativ belegt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Behandlung eines Stoffes, bei dem der Stoff für eine bestimmte Zeit einem hohen hydrostatischen Druck ausgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff ein Fettgemisch in emulgiertem Zustand ist und daß die Hochdruckbehandlung zur Be­ einflussung der Kristallgröße, Kristallform und/oder der Kristall­ anordnung innerhalb der inneren Phase der Emulsion vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckbehandlung zur Erhöhung des Festfettanteils des Fettgemi­ sches eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruckbehandlung bei einer Temperatur erfolgt, die innerhalb des Schmelz- bzw. Erstarrungsbereiches einzelner Kom­ ponenten des Fettgemisches liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fettgemisch aus natürlichen, modifizierten natürlichen und/oder synthetischen Fetten besteht.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsdruck mindestens 5 MPa, vor­ zugsweise mehr als 100 MPa beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsdauer zwischen 10 Sekunden und 60 Minuten, vorzugsweise im Bereich von etwa einer Minute liegt.