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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
Stärkesubstituenten,
insbesondere auf Basis von Mais, sowie den durch das Verfahren erhaltenen
Substituenten.
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Ein
in der Industrie weitläufig
verwendetes Produkt, wobei es sich um die Bereiche der Lebensmittel-,
Pharma- oder auch Kosmetikindustrie, der Papier-, Klebstoff- und
Bauindustrie handelt, ist die Stärke.
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Stärke wird
auf Grund ihrer Verdickungseigenschaften und anderer besonderer
Eigenschaften, welche die Weiterverarbeitung ermöglichen, verwendet. Mit der
Herstellung dieser Produkte beschäftigen sich besondere Industriezweige.
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Dennoch,
trotz deren häufigen
Verwendung auf zahlreichen Gebieten, erscheint die Herstellung von
Stärke
großer
Reinheit schwierig und erfordert komplexe Anlagen, die beträchtliche
Mengen von Nebenprodukten und Verarbeitungsabflüssen, wie die Verfahrensabwässer, erzeugen.
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Tatsächlich muss
zur Gewinnung von Stärke im
Allgemeinen die Folge der folgenden Schritte ausgeführt werden:
- – Einweichen
von Getreidekörnern
in Gegenwart einer sauren oder basischen Lösung,
- – Abtrennung
der Keime nach Durchlaufen einer groben Schrotmühle,
- – Feinschroten
im Feuchtverfahren zur Freisetzung der Stärke,
- – Abtrennung
von Kleie,
- – Abtrennung
von Proteinen,
- – Zentrifugation
zum Entzug des Hauptanteils an Wasser und
- – Trocknung
dieser Milch zur Gewinnung des Stärkepulvers.
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Die
gewonnene Stärke
weist eine Korngröße zwischen
15 und 25 μm
bei Stärkekörnern von
Mais auf. Sie wird als Hilfsstoff in verschiedenen Bereichen zur
Gewährleistung
der Verdickungs-, Gelierungs- und Bindungsfunktionen wässriger
Produkte sowie zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften bestimmter
Fertigfabrikate verwendet, wobei es sich um die Bereiche der Nahrungsmittel-
und Papierindustrie, der Herstellung von Klebstoffen oder Beschichtungen
in der Bauindustrie oder auch die Bereiche der Textil- und Pharmaindustrie
handelt.
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Überdies
sind die beim Mahlen der Samen der Getreidekörner, einschließlich des
Mais, entstehenden Produkte, die Mehle, bekannt. Mehle weisen eine
mittlere Korngröße zwischen
180 und 350 μm auf.
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Mehle
werden als Inhaltsstoffe bei der Herstellung von Nahrungsmittelprodukten
verwendet, sie werden jedoch gegenwärtig nicht in dem Maße als Zusatzstoffe
verwendet wie die Stärke,
denn sie verleihen den Medien, denen sie beigemischt werden, nicht
dieselben rheologischen Eigenschaften.
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Zusätzlich stellt
sich das Problem der Qualität
der Mehle, denn sie resultieren oft aus der Bearbeitungskette der
Samen von Getreidekörnern.
Nun erlauben diese Herstellungen im Wesentlichen aber Grieß von hohem
Mehrwert zu erhalten, dessen Gehalt an Keimen und somit an Fetten,
insbesondere was den Mais betrifft, gering ist. Der Grieß wird grob geschroten
und gemäß den verschiedenen
Korngrößen eingeordnet.
Der auf diese Weise in seinen unterschiedlichen Fraktionen erhaltene
Grieß ist
das Produkt von hohem Mehrwert. Im Gegensatz dazu geht das Mehl
aus verschiedenen Schrotvorgängen von
Samen und einem letzten Schroten des zerquetschten Bruchs hervor,
zu fein um für
Grieß gehalten
zu werden, und dieses Mehl ist dabei nur ein Nebenprodukt. In bestimmten
Vollkornmehlen sind geschrotene Schalen enthalten.
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Die
Gegenwart von Fetten führt
insbesondere zur Gewinnung von Mehlen eines allgemein relativ hohen
Fettgehalts, die zwar als Inhaltsstoffe bei Nahrungsmitteln vertrieben
werden können,
was diese jedoch zu einer Verwendung als Hilfsstoff im gleichen Maße wie Stärke ungeeignet
erscheinen lässt.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines mikronisierten
Mehls, welches eine Verwendung als Stärkesubstituent für vielfältige Anwendungen
erlaubt, welches die für
das Feuchtverfahren typische Erzeugung von Abwässern vermeidet und somit die
Notwendigkeit der Verarbeitung dieser Abwässer aufhebt, welches eine
hohe Dispersionsfähigkeit
in wässrigem
Milieu aufweist und welches den teuren Energieverbrauch begrenzt, der
insbesondere bei den Stufen der Dekantierung und Trocknung entsteht.
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Zu
diesem Zweck ist, gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens,
welches die Herstellung eines Stärkesubstituenten
erlaubt, die Durchführung
der Folge der folgenden Schritte erforderlich:
- – Vorbereiten
eines Getreidemehls mit Korngrößen im Bereich
von 180 bis 350 μm
im Trockenverfahren,
- – Verringern
der mittleren Korngröße dieses Mehls,
um es auf mittlere Werte im Bereich von 16 bis 130 μm zu mikronisieren,
wobei die Beschädigung
der Stärkeketten
begrenzt wird, und
- – Sortieren
der verschiedenen Fraktionen.
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Die
erhaltene Korngröße liegt
zwischen 0,1 μm
und 430 μm
mit einem Mittelwert von 80 μm,
und vorzugsweise ist die erhaltene Korngröße, eingeteilt in drei Fraktionen,
die folgende:
- – Mittelwert, der auf 16 μm zentriert
ist, wobei 80% im Bereich von 2 bis 23 μm liegen,
- – Mittelwert,
der auf 80 μm
zentriert ist, wobei 80% im Bereich von 24 bis 200 μm liegen,
- – Mittelwert,
der auf 130 μm
zentriert ist, wobei 80% im Bereich von 10 bis 250 μm liegen.
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Die
Verringerung der Korngrößen erfolgt
vorzugsweise mittels einer Prallmühle oder eines Stachelwalzenbrechers.
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Das
mikronisierte Mehl stammt aus Samen, wobei die Keime der Getreidekörner ausgeschlossen werden.
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Es
können
auch mikronisierte Fasern hinzugefügt werden, die aus Kornschalen
stammen.
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Ein
weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist der erhaltene
Stärkesubstituent,
der integrate Stärkeketten
aufweist und einen geringen Anteil beschädigter Stärke besitzt, wobei der Rest
Proteine sind.
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Die
vorliegende Erfindung wird im folgenden gemäß einer besonderen, nicht einschränkenden Ausführungsform
im Detail beschrieben, wobei die besonderen Fähigkeiten des erfindungsgemäßen mikronisierten
Mehls durch vergleichende Untersuchungsergebnisse hervorgehoben
werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
beruht auf der Herstellung des mikronisierten Mehls auf Basis von
Getreidesamen, und zur Vereinfachung der Beschreibung wird hier
die naturgemäße Anwendung bei
Mais, genetisch verändert
oder nicht, gewählt.
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In
einem ersten Schritt werden die verschiedenen Ausgangsmaterialien
erhalten und in einem zweiten Schritt wird das gewünschte Ergebnis
erzielt, nämlich
das mikronisierte Mehl gemäß der Lehre
der vorliegenden Anmeldung.
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Beispielhaft
werden die verschiedenen Ausgangsmaterialien dadurch erhalten, dass
Maiskörner einem
Befeuchtungsprozess unterzogen werden, und die befeuchteten Körner durch
eine Brechvorrichtung geführt
werden, die jedes Korn aufbricht, um den Erhalt von gebrochenen
Samen unterschiedlicher Korngröße, die
Entfernung der Keime und die Abtrennung der faserigen Schalen zu
ermöglichen.
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Der
Durchgang durch eine Trennvorrichtung, als Plansichter bekannt,
erlaubt die Trennung von Keimen, Schalen und die Gewährleistung
einer ersten Sortierung in mehrere Fraktionen.
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Die
verschiedenen Bruchfraktionen werden nochmals geschroten, um die
nach Verlassen des Plansichters erhaltenen Korngrößen zu verringern, wobei
die Fraktionen nach Bedarf umgruppiert werden, um schlussendlich
ein Mehl zu erhalten, welches im wesentlichen frei von Keimen und
Fasern ist.
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Das
Mehl ist somit kein Abfallprodukt sondern ein Feinschrot von Samen
mit einer Korngröße von 200 μm.
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Die
vorliegende Erfindung hat die Mikronisierung dieses Mehls zum Gegenstand,
um eine Korngröße in der
Größenordnung
von 20 bis 130 μm
mit einem Mittelwert bei 80 μm
zu erzielen.
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Die
Fraktionen werden im Anschluss durch Einordnung, vorzugsweise nach
ihrer Dichte, getrennt. Die erhaltenen Fraktionen stehen auch in
einem Verhältnis
zur Korngröße, was
beispielsweise zu folgender Verteilung führt:
- – fein bis
16 μm, 7
bis 24%,
- – mittel
bis 70 μm,
50 bis 65% und
- – grob
bis 130 μm,
8 bis 33%.
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Für eine angemessene
Sortierungsvorrichtung wird auf Zentrifugationsmittel zurückgegriffen, insbesondere
pneumatische im Unterdruck, wie jenes, das in der Patentanmeldung
EP 418 801 beschrieben wird.
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Zur
Mikronisierung wird geeigneterweise eine Vorrichtung verwendet,
welche eine Beschädigung
der Stärke
vermeidet, wie hernach beschrieben, wobei eine geeignete Vorrichtung
eine feine Prallmühle
ist. Eine solche Mühle
umfasst Hilfsmittel zum Schleudern der Mehlkörner gegen eine Wand bei vorgegebener
Geschwindigkeit, Winkel und Oberflächenbeschaffenheit der Wand.
Diese Parameter hängen
vom Modell der Mühle
und somit von den Vorgaben des Konstrukteurs ab, wobei der Fachmann
in der Lage ist, solche Mühlen
einzurichten.
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Es
kann auch auf einen Stachelwalzenbrecher zurückgegriffen werden, der es
ebenso erlaubt, ein solches Ergebnis zu erzielen, wenn auch die
vorstehende Mühle
in der bevorzugten Ausführungsform Verwendung
findet.
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Die
verschiedenen Fraktionen werden erneut in fein, mittel und grob
eingeordnet, um entweder eine direkte Verwendung unter Beschränkung auf eine
gewählte
Fraktion oder die Herstellung dosierter Zusammenstellungen zum Erhalt
einer Zusammensetzung, deren Korngrößenverteilung auf die Verwendung
abgestimmt ist, zu erlauben.
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Es
kann überraschenderweise
festgestellt werden, dass die Eigenschaften dieses Mehls in beachtlicher
Weise mit denen nativer Stärke,
die daraus im Feuchtverfahren gewonnen werden kann, übereinstimmen,
wenn die Stärke
bei einer Vielzahl bekannter Anwendungen durch dieses Mehl ersetzt wird.
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Es
ist somit möglich,
die native Stärke
durch das mikronisierte Mehl zu ersetzen, ohne dass dadurch die
Anwendungen gestört
werden.
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Die
Analyse des mikronisierten Mehls zeigt, dass es integrate Stärkeketten
aufweist, was bedeutet, dass die Ketten die Gesamtheit der erforderlichen Gruppen
von "Glukose" umfassen, ohne dass
bestimmte unter diesen durch die Wirkungen der mechanischen Einflüsse abgetrennt
würden.
Die Anwesenheit von integrater Stärke erlaubt wenigstens zum Teil
die Möglichkeiten
der Ersatzverwendung des mikronisierten Mehls für und an Stelle der Stärke zu erklären.
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In
der Tat weist das erhaltene mikronisierte Mehl Verdickungs-, Gelierungs-
und Bindeeigenschaften auf und erlaubt eine Verbesserung der Oberflächeneigenschaften
von Fertigfabrikaten.
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Das
mikronisierte Mehl kann auch einen variablen Anteil an beschädigter Stärke umfassen,
womit dessen Wasserrückhaltevermögen variiert
werden kann. Das Verhältnis
beider Stärketypen
zueinander bestimmt die Eigenschaften des mikronisierten Mehls.
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Das
Mehl enthält
auch Proteine, die nicht aus dem Medium abgetrennt wurden. In der
Tat ist es überhaupt
nicht die Absicht der Erfindung die Proteine abzutrennen, um mehr
oder weniger mit Proteinen angereicherte Mehle herzustellen.
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Es
konnte auch festgestellt werden, dass das mikronisierte Mehl für bestimmte
Anwendungen einen Zusatz von Fasern erhalten kann.
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Zu
diesem Zweck ist eine Co-Mikronisierung eines Anteils an Fasern
mit den Samen vorzusehen, jedoch ist vorzugsweise die Mikronisierung
der von den Schalen stammenden Fasern in einem Nebenschritt der
Samenschrotung vorgesehen.
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Allerdings
können,
selbst wenn die verwendeten Vorrichtungen dieselben sind, wie die,
die für Samen
eingesetzt werden, die Verfahrensschritte unterschiedlich sein und
ebenso die Auswahl der Fraktionen. De facto wird die Mikronisierung
vorzugsweise unabhängig
von der Verarbeitung des mikronisierten Mehls durchgeführt.
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Die
Fasern werden ebenso in verschiedenen Fraktionen mikronisiert und
können
auf diese Weise in vorgegebenen Mengen und gemäß der gewünschten Korngrößenverteilung
mit dem mikronisierten Mehl gemischt werden.
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Es
muss die großartige
Qualität
der erhaltenen Produkte festgestellt werden, nämlich natürlicher und ökologischer
Produkte, unabhängig
vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt, der hinsichtlich des Verfahrens
von Bedeutung ist.
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In
der Tat ist das Verfahren rein mechanischer Natur und erfordert
keinerlei Zugabe chemischer Produkte.
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Außerdem wird
das Produkt im Trockenverfahren hergestellt und erzeugt somit kein
Ablassen flüssiger
Verarbeitungsabfälle.
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Überdies
lässt sich
das Verfahren bei allen weiteren Getreidearten neben Mais, Weizen,
Reis, Gerste, Hafer, Hirse oder Dinkel durch Anpassung verschiedener
Parameter anwenden.
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Das
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltene mikronisierte Mehl bildet außer einem Stärkesubstituenten
die Grundlage für
zusätzliche Behandlungen
der Weiterverarbeitung, um Verarbeitungsprodukte wie modifizierte
Stärke,
Maltodextrin, Glukosesirup, Dextrose und Alkohol zu erhalten.
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Es
wurden Untersuchungen im Rahmen der Durchführbarkeit unternommen und im
Folgenden dargestellt:
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UNTERSUCHUNGEN
IM NAHRUNGSMITTELBEREICH
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- – Die
Herstellung von Löffelbiskuits
wurde so durchgeführt,
dass die Stärke
durch einen identischen Anteil, nämlich 4,5%, an nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltenem mikronisierten Mehl ersetzt wurde. Die Aufnahme dieser Bestandteile
ermöglicht
die Verbesserung der Bindungs- und Wasserrückhaltefähigkeiten in zeitlicher Hinsicht,
das heißt
des Aussehens und der Haltbarkeit des Biskuits.
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Der
mit dem vorliegenden mikroniserten Mehl erhaltene Biskuit weist
dieselbe Homogenität der
Textur und dieselbe Art von Zellen in Umfang und Verteilung auf.
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Die
Weichheit des Biskuits ist identisch und seine Haltbarkeit bleibt
unverändert.
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Hinsichtlich
des Geschmacks weist der Biskuit keine Besonderheiten auf.
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- – Zur
Herstellung pulvriger Lauch/Kartoffelsuppe wird die zu einem Gehalt
von 12% verwendete Stärke
durch eine identische Menge an mikronisiertem Mehl, hergestellt
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren,
ersetzt.
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Die
aus diesem Pulver erhaltene Suppe weist dieselbe Viskosität und Eindickung
auf.
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Es
wird keine Veränderung
des Geschmacks festgestellt.
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UNTERSUCHUNGEN
IN DER PAPIERHERSTELLUNG
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Drei
Arten von Ausgangsprodukten wurden angefertigt:
- – Kontrolle
mit auf 10% konzentrierter Stärke,
- – auf
10% konzentriertes, nach dem vorliegenden Verfahren mikronisiertes
Mehl und
- – auf
15% konzentriertes, nach dem vorliegenden Verfahren mikronisiertes
Mehl.
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Die
Konzentrationen werden im Refraktometer überprüft.
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Es
wurden weiterhin die folgenden Parameter bestimmt:
- – Brookfield
Viskosität
bestimmt bei 100 Upm bei t° von
70°C und
- – pH-Wert.
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Es
wurde nur eine geringere Viskosität des Mehls bei gleicher Konzentration
festgestellt, 40 bei Stärke
und 30 bei Mehl, jedoch ab einer Mehlkonzentration von 15% ist die
Viskosität
identisch.
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Ablagerungsstudien
wurden auf Blattträgern mit
einem Gewicht von 150 g/cm2, bei einer Temperatur
von 40°C
in einer Labor-Size Press durchgeführt, wobei gleiche Ablagerungen
bei denselben Konzentrationen erhalten wurden, nämlich 2,9 und 3,1 g/m2.
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Bei
erhöhter
Konzentration von mehr als 15% mikronisierten Mehls wird ein Wert
von 4,4 g/m2 erhalten.
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Bei
Untersuchungen zur mechanischen Widerstandsfähigkeit dieser Proben nach
Durchlaufen eines Trockenapparates unter normalisierten Bedingungen
lässt sich
mit mikronisiertem Mehl eine leicht geringere mechanische Reißfestigkeit
bei beschichtetem Papier feststellen, während die Widerstandskraft
gegenüber
Druck auf die Fläche
oder auf die Kanten mit derer des Kontrollpapiers in bemerkenswerter
Weise übereinstimmt.
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Diese
ersten Ergebnisse zeigen, dass sich beim Ersatz von Stärke durch
das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhaltene mikronisierte Mehl sehr zufriedenstellende Resultate erzielen
lassen.