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Die
Aufgabe dieser Erfindung ist ein Verfahren für die Anreicherung von β-Glucan in
Produkten, die aus geschältem
oder nacktem Hafer erhalten werden. Spezifischer ist die Aufgabe
der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Haferprodukts
mit einem angereicherten Gehalt an β-Glucan, wobei in dem Verfahren geschälter oder
nackter Hafer in mehreren Stufen einem Trockenmahlen bzw. -vermahlen
und einem Trockenfraktionieren ohne eine vorhergehende Entfernung
von Fett unterzogen wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist
ein Verfahren für
die Herstellung eines Lebensmittels, in welchem ein derartiges Produkt
als ein Bestandteil verwendet wird, wobei das Lebensmittel Getreide-,
Fleisch-, Süßwaren-,
Getränke-
oder Fertigmahlzeitprodukte sind.
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Wie
in zahlreichen tierischen und klinischen Studien gezeigt, verringert
die Aufnahme von löslichen Ballaststoffen,
wie etwa Hafer-β-Glucan,
eine Verringerung des gesamten Lipoprotein-Cholesterin-Gehalts und
des Gehalts an Lipoprotein-Cholesterin mit geringer Dichte im Blut,
was wiederum das Risiko der koronaren Herzerkrankung reduziert.
Der prinzipielle Mechanismus dieser Wirkung ist gemäß der derzeitigen
Sicht eine Reduktion der Rückabsorption
von Gallensäuren
im Dünndarm,
was in einer erhöhten
Exkretion davon in den Kot resultiert und entsprechend zu ihrer
erhöhten
Synthese aus Cholesterin. Gleichzeitig verzögern und schwächen die
Ballaststoffe ebenfalls die Absorption von Glukose im Dünndarm,
was zu einer verringerten Sekretion von Insulin führt. Als Konsequenz
wird die Synthese von Cholesterin, welche durch Insulin gefördert wird,
abgeschwächt.
Die genannte Verzögerung
der Absorption von Glukose ist ein Vorteil für Diabetespatienten oder für Personen
mit einer abgeschwächten
Glukosetoleranz. Dies eröffnet
ihnen die Möglichkeit,
die Erhöhung
von Glukose nach der Mahlzeit zu verringern und das Auftreten eines
späteren
hypoglykämischen
Zustands zu verhindern. Entsprechend ist die Kontrolle von Schwankungen
im Blutglukosespiegel ebenfalls ein Vorteil für die Leistung bei Sportlern
und bei lang dauernden Leibesübungen.
Es wurde gezeigt, dass die Abschwächung der Glukoseabsorption
durch die erhöhte
Viskosität
im Dünndarm
bewirkt wird. Es gibt ebenfalls indirekte aber nicht direkte Beweise
für die
Abhängigkeit
der Cholesterinreduktion von der Viskosität.
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Zusätzlich zu
diesen Effekten wurde gezeigt, dass ein löslicher Ballaststoffe verschiedene
andere, die Gesundheit fördernde
Wirkungen hat, wie etwa die Abschwächung verschiedener Störungen des
Darms, die Verringerung des Risikos von hormonvermittelten Krebsarten
und in der Zusammensetzung von Gewichtsreduktionsdiäten, insbesondere
bei der Verbesserung der Appetitkontrolle.
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Die
Verwendung von löslichen
Fasern von Getreide für
funktionelle Lebensmittel war bisher hauptsächlich auf Frühstücksgetreidekost
und bestimmte Backprodukte beschränkt. Für die Erreichung einer signifikanten
Reduktion von Cholesterin muss die tägliche Aufnahme von β-Glucan mindestens
3 g sein (Department of Health and Human Services, USA, Federal
Register 62, 3584-3601, 1997). Für
die Steuerung der Schwankungen der Glukose im Blut und von Insulin
ist die erforderliche Menge an β-Glucan
5 bis 6 g pro Mahlzeit (Tappy et al., Diabetes Care 19, 831-834,
1996). Zusätzlich
zu der Menge ist es wichtig, dass das β- Glucan ausreichend schnell löslich und
die Viskosität
wirkungsvoll erhöht.
Der Erhalt der täglichen
minimalen Tagesmenge von β-Glucan,
die für
die Reduktion von Cholesterin erforderlich ist, war unter Verwendung
von kommerziell erhältlichen
Inhaltsstoffen bisher möglich,
aber die Mengen an aufzunehmenden Haferprodukten war so hoch, dass
nur sehr wenige Personen überzeugt
werden konnten, derartigen Diäten
regelmäßig über einen langen
Zeitraum zu folgen. Das Ausbalancieren von Schwankungen der Blutglukose
und von Insulin durch Verwendung von β-Glucan ist nicht möglich ohne
eine bemerkenswerte Konzentrierung von dem in natürlichen Haferkörnern und
herkömmlichen
Haferprodukten vorhandenen Niveau an β-Glucan.
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Der
Gehalt an β-Glucan
in kommerziell kultiviertem Hafer ist gewöhnlich innerhalb der Grenzen
von 2,5 bis 4,5%, aber kann in Ausnahmeposten bis zu 5,5% des Trockengewichts
sein. Haferkleie, die durch traditionelle Mühl- und Siebtechniken hergestellt
wird, enthält β-Glucan gewöhnlich zu
5,5 bis 7%, aber kann ausnahmsweise bis zu 10% des Trockengewichts
enthalten. Es wird angenommen, dass das Erzielen höherer Anteile
durch Verwendung von Trockenvermahlungsverfahren durch die weiche
Struktur und den Fettgehalt der Haferkörner beschränkt ist. In wissenschaftlichen
Forschungsveröffentlichungen
gibt es Berichte von Proben, die unter Verwendung von Trockenfraktionierungsverfahren
zubereitet werden und β-Glucan Gehalte von
10,3 bis 12,8% haben (Shinnick et al., Journal of Nutrition 118,
144-151, 1988, Shinnick et al., Journal of Nutrition 120, 561-588,
1990, Wood et al., Cereal Chemistry 66, 97-103, 1989, Doehlert and
Moore, Cereal Chemistry 74, 403-406, 1997), aber die kommerzielle
Produktion derartiger Produkte war nicht erfolgreich.
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In
den meisten der Forschungsveröffentlichungen über die
Trockenvermahlungskonzentrierung erfolgte das Vermahlen in einem
Stadium, wonach das gemahlene Produkt durch Siebungen oder Windsichtungen (air
classifications) fraktioniert wurde. Folglich wurde in der Veröffentlichung
von Wood et al. ein einstufiges Zapfenmahlen verwendet, gefolgt
durch Windsichten mit einer Kapazität von 105 kg/h. Sie erhielten
ein Konzentrat, das 12,8% β-Glucan
mit einer Ausbeute von 34% enthielt, aber berichteten eine teilweise
Blockierung der Ausrüstung
nach Bearbeitung eines Postens von 468 kg. Im Vergleich mit dem
Ausgangsmaterial wurde eine 2,29-fache Konzentration von β-Glucan erzielt.
Doehlert und Moore verwendeten eine Walzenmühle im Labormaßstab und
erhielten nach 2 Siebschritten ein Konzentrat, das 11% β-Glucan enthält, mit
einer Ausbeute von 22,3%. Durch Verwendung von Vermahlen vom Pralltyp
erhielten sie bei einer Ausbeute von 27,4% ein Konzentrat mit einem β-Glucangehalt
von 8,85%.
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Trockenvermahlen
in ein oder zwei Stufen wurde durch Myllymäki et al. (
US Patent Nr. 5,312,636 ) als der erste
Schritt in ihrem Verfahren für
die Lösungsmittelfeuchtvermahlungs-Fraktionierung
verwendet. Der β-Glucangehalt,
der nach der Trockenfraktionierungsstufe erhalten wurde, war 11
bis 12%. Vorwerk (Getreide, Mehl und Brot 1990, 265-267) berichtete
von einer Konzentrierung unter Verwendung von drei nachfolgenden Walzenvermahlungs-
und Siebungsvorgängen.
Die Studie erfolgte offenbar im Pilotmaßstab und keine Details wurden
offenbart. Ein Konzentrat, das 23% des Gesamtballaststoffes, entsprechend
zu 11,5% β-Glucan,
enthält,
wurde mit einer Ausbeute von 15% erhalten.
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Eine
höhere
Konzentrierung an β-Glucan
ist nach Entfernung von Fett mit einem organischen Lösungsmittel
möglich
(Wood et al., Cereal Chemistry 66, 97-103, 1989, Knuckles et al., Cereal
Chemistry 69, 198-202, 1992, and Wu and Stringfellow, Cereal Chemistry
72, 132-134, 1995), gefolgt durch Trockenvermahlungs- und Fraktionierungsarbeitsschritten,
oder durch Feuchtvermahlen in einem organischen Lösungsmittel (Myllymäki et al.,
United States Patent No. 5,312,636, Wood et al., Cereal Chemistry
66, 97-103, 1989, Collins et al., United States Patent No. 5,169,660,
Mälkki
and Myllymäki,
United States Patent No. 5,846,590), oder durch Nassvermahlen in
kaltem Wasser (Lehtomäki
et al., United States Patent No. 5,106,640). Das
US Patent Nr. 5,183,667 wurde für ein Haferfaserkonzentrat
erteilt, das 15 bis 40% β-Glucan
enthält.
Für das
Produktionsverfahren wurde Nassvermahlen in kaltem Wasser, welches
Ethanol enthalten kann, angegeben.
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Für die Isolierung
von gereinigtem β-Glucan
wurde eine alkalische Extraktion gefolgt durch verschiedene Reinigungsstufen
und schließlich
Ausfällung
von β-Glucan
durch Ethanol oder Ammoniumsulfat verwendet (Hohner and Hyldon,
United States Patent No. 4,028,468, Wood et al., Cereal Chemistry
55,1038-1049, 1978, Myllymäki
et al., United States Patent No. 5,312,636, Collins et al., United
States Patent No. 5,169,660, Bhatty, Journal of Cereal Science 22,
165-170, 1995). Die im technischen oder Pilotmaßstab erzielte Reinheit war
60 bis 80%.
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Ein
Nachteil der Verfahren unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln
ist die Erhöhung
der Verarbeitungskosten, welche die wirtschaftliche Verwendung dieser
Faserkonzentrate in Lebensmittelprodukten beschränkt. Ebenfalls bringt die Verwendung
von Kaltwasser-Nassvermahlen
beträchtliche
Kosten für
das Trocknen der Produkte mit sich, und bei bisher durchgeführten tierischen
und klinischen Studien war der das Cholesterin reduzierende Effekt
des erhaltenen Produkts schwächer
als bei Produkten, die durch Trockenvermahlungsverfahren hergestellt
wurden (Mälkki
et al., Cereal Chemistry 69, 647-653, 1992, Uusitupa et al., Journal
of the American College of Nutrition 11, 651-659, 1992, Törrönen et al.,
European Journal of Clinical Nutrition 46, 621-627, 1992). In den
verschiedenen Studien wurde gefunden, dass bei der Isolation von β-Glucan sein
Molekülgewicht
und seine Viskosität
reduziert werden (Wood et al., Cereal Chemistry 66, 97-103, 1989),
was zu einem vollständigen
Verlust des Cholesterin reduzierenden Effekts führen kann (Beer et al., European
Journal of Clinical Nutrition 49, 517-522, 1995). Gesundheitsansprüche verbunden
mit β-Glucan
sind in den Vereinigten Staaten nur hinsichtlich der Reduktion von
Cholesterin und der Verringerung des Risikos der koronaren Herzerkrankung
erlaubt, und nur bei Verwendung von Vollkornhaferprodukten oder
Haferkleie, welche unter Verwendung von Trockenvermahlungs- und
Auftrennungstechniken hergestellt wurden.
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Ein
Verfahren zur Anreicherung von β-Glucan
in Gerste wird in Handreck et al., Getreide Mehl und Brot 51, 158.161,
1997, beschrieben. Die Verfahrensschritte beziehen sich auf die
Lokalisierung von β-Glucan
in den Gerstenkörnern,
welche unterschiedlich zu der von Hafer ist.
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Erfindungsgemäß wurde
nun überraschend
beobachtet, dass Hafer-β-Glucan
unter Verwendung von Trockenvermahlungs- und Trennungsverfahren
und ohne vorhergehende Fettentfernung, ebenfalls in einem industriellen
Maßstab
zu höheren
Konzentrationen konzentriert werden kann als die 10%, die im industriellen Maßstab unter
Verwendung traditioneller Verfahren erhalten werden. Die Erfindung
wird im Wesentlichen im kennzeichnenden Absatz des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
schließt
ein selektives Vermahlen ein, welches in zwei Hauptstufen erfolgt.
In der ersten Hauptstufe sind die Mahlbedingungen mit dem Zweck
ausgewählt,
soweit wie möglich
die Integrität
der äußeren Schichten
der geschälten
Körner
zu erhalten, wodurch das Endosperm, welches einen hohen Stärkegehalt
hat, als ein feines Pulver abgetrennt wird. Die grobe Fraktion,
die aus dieser Hauptstufe erhalten wird, ist ein Vorkonzentrat,
welches von der zweiten Hauptstufe durch Verwendung von wirkungsvolleren
Aufprall-, Scher- oder Walzenarbeitsgängen weiterbehandelt wird.
Dies ermöglicht
es, den Hauptteil der Stärke
der Subaleuronschicht von den Zellwandbestandteilen abzutrennen.
Die Abtrennung bzw. Auftrennung der groben und feinen Fraktionen
kann entweder durch Sieben, einschließlich luftgespülte Siebe,
durch Windsichten, oder durch diese Arbeitsschritte nacheinander
bewirkt werden. Diese Stufen des Verfahrens sind teilweise mit den
Vermahlungsstufen, teilweise mit den Auftrennungsstufen verbunden.
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In
der beigefügten
Zeichnung, auf welche im Folgenden Bezug genommen wird, wird das
Verfahren zur Herstellung eines Haferprodukts gemäß der Erfindung
als ein Arbeitsablaufdiagramm dargestellt. Zusätzlich zu den wesentlichen
Schritten der Erfindung enthält
es ebenfalls einige Arbeitsschritte für die Anwendung der Erfindung,
welche optional sind. Die Figur soll nicht als die Erfindung als
solche begrenzend verstanden werden.
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Das
in dem Verfahren verwendete Rohmaterial (I) ist entweder geschälter oder
nackter Hafer. Dies bedeutet, dass Unreinheiten, Samen anderer Pflanzen
oder unterentwickelte und kleine Körner durch Sortierungsarbeitsschritte
entfernt werden, wonach die Körner
geschält
werden, wenn nicht nackter Hafer verwendet wird. Das geschälte Rohmaterial
für das
Verfahren kann entweder wärmebehandelt
oder nicht wärmebehandelt
sein. Es wird keine Entfernung von Fett aus dem Hafermaterial durchgeführt. Vor
der ersten Hauptvermahlungsstufe können die Körner durch Entfernen der oberflächlichen
Schichten durch Perlieren (pearling) behandelt werden (II), um den
Anteil der unlöslichen
Faser und/oder färbenden
Substanzen zu verringern. Der zu entfernende Anteil kann 10-20%
sein, und wird dann durch Sieben (III) abgetrennt.
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Vor
den Hauptvermahlungsstufen ist es vorteilhaft, die Struktur der
geschälten
Körner
durch Pressen oder sanfte Scheuerbehandlungen (IV) zu öffnen, wobei
dies durchgeführt
wird unter Verwendung von glatten oder leicht gewellten Walzen mit
gar nicht oder nur leicht differierenden Geschwindigkeiten. Die
Ausrüstung, die
Zufuhrrate, der Abstand zwischen den Walzen und die Betriebsgeschwindigkeiten
können
in einer derartigen Weise ausgewählt
zu werden, dass die Erwärmung
der Körner
in dieser Stufe minimal bleibt. Das erhaltene Produkt wird zum Sieben
geführt
(V), wobei z.B. Sieben mit Öffnungen
von 500 μm
verwendet werden. Die abgetrennte feine Fraktion besteht hauptsächlich aus
dem Endosperm, beträgt
5-20% der zugeführten Menge
und ihr Gehalt an β-Glucan
ist für
gewöhnlich
innerhalb der Grenzen von 0,7-1,2%. Diese Stufe kann z.B. in Fällen übersprungen
werden, wenn weichkernige Hafer behandelt werden.
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Die
grobe, flockige Fraktion oder alternativ nicht komprimierte, geschälte Körner werden
nun zu der ersten Hauptvermahlungsstufe (VI) geführt. Dies kann mit gewellten
Walzen durchgeführt
werden, die mit einer höheren
zerkleinernden Wirkung als die vorhergehende Behandlung betrieben
werden, mit Prallvorrichtungen oder durch Kombination von Prall-
und Scherwirkungen. Zum Beispiel kann die Kombination durch Verursachen
eines Aufprallens der zu behandelnden Teilchen gegen eine Oberfläche mit
einem scherenden Profil verursacht werden, wie etwa ein Netz oder
Collar Screen mit scharfkantigen Öffnungen oder eine Oberfläche mit einem
scharfkantigen Profil. Welche dieser Alternativen auch immer verwendet
wird, die Vermahlungsbedingungen müssen in einer Weise gewählt werden,
um das Erwärmen
des zu behandelnden Materials und die mechanische Beschädigung der
Stärkekörnchen zu
minimieren. Während
des Vermahlens wird ein trockener Luftstrom über oder durch das aus den
Körnern
stammende Material geführt,
um den beim Mahlen verdampften Wasserdampf zu entfernen.
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Bei
dem Sieben oder Klassieren (VII), das diesem Vermahlen folgt, wird
eine feine Fraktion abgetrennt, die gewöhnlich einen β-Glucan-Gehalt
im Bereich von 0,7-3,1%, bevorzugt unterhalb 1,5% des Trockenmaterials
hat. Wenn ein Siebarbeitsschritt ausgewählt wird, können die Sieböffnungen
von 100-330 μm,
bevorzugt von 180-230 μm
sein. Bei einer Verarbeitung durch Windsichten, kann der Schwellenwert
(cut-off) in einer Weise eingestellt werden, dass in der feinen
Fraktion mehr als 75% des Teilchenvolumens aus Teilchen kleiner
als 200 μm
im Durchmesser besteht. Die Ausbeute für die feine Fraktion hängt von
der Disintegrationswirksamkeit des vorhergehenden Vermahlens ab.
Die erhaltene grobe Fraktion kann einmal oder mehrmals durch ein ähnliches
Vermahlen und Sieben oder Windsichten wiederbehandelt werden, wenn
weniger als 50% der Zufuhr in die feine Fraktion abgetrennt wird.
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Die
grobe Fraktion aus der ersten Hauptvermahlungsstufe enthält noch
Stärke,
von der ein großer
Teil in der Subaleuronschicht ist. Eine Voraussetzung für die weitere
Konzentration der löslichen
Ballaststoffe ist, den Hauptteil dieser Stärke abzutrennen, was nur möglich durch
Behandlungen ist, die weiterhin die Teilchengröße reduzieren. Es ist vorteilhaft,
diese Behandlung bei einem geringeren Feuchtigkeitsgehalt als die
vorhergehende Hauptstufe durchzuführen, um das Zellwandmaterial
brüchiger
zu bekommen, was sowohl das Vermahlen fördert als auch die Abtrennung
der Stärke
verbessert. Dies ist gewöhnlich
ohne einen getrennten Trocknungsarbeitsgang möglich, selbst wenn das erste
Vermahlen, das Sieben, das Windsichten und die Materialtransportstufen
unter Verwendung von großen
Luftmengen erfolgen, was ein Trocknen des Getreidematerials verursacht.
In anderen Fällen
ist es vorteilhaft ein dazwischen geschaltetes Trocknen (VIII) durchzuführen. Der
Feuchtigkeitsgehalt des zu vermahlenen Materials ist nach diesen
Stufen vorteilhaft unterhalb 11%, bevorzugt von 8-10%.
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In
der folgenden zweiten Hauptvermahlungsstufe (IX) wird das Material
durch Verwendung wirkungsvollerer Aufprall- oder Walzen-Arbeitsgänge als
in der ersten Hauptvermahlungsstufe disintegriert bzw. zerkleinert.
Die erwähnte
wirkungsvollere Einwirkung wird durch Mühlen vom Aufpralltyp durch
Erhöhung
der tangentialen Rotorgeschwindigkeit, durch Änderung des Abstands zwischen
dem Rotor und der Umfangoberfläche, durch Änderung
der Zufuhrrate und/oder der Größe der Austrittsöffnungen
erzielt: Bei Walzenarbeitsgängen kann
dies durch Verwendung von Walzen mit tieferen Furchen bzw. Riffeln
und/oder einem höheren
Unterschied in der Geschwindigkeit der Walzen erzielt werden. In
beiden dieser Arten von Arbeitsgängen
verbessert die Entfernung der Feinanteile vor der nächsten Vermahlungsstufe
die Wirkung des Aufprallens, da das weiche Material in den Feinstoffen
die Aufprallkraft abdämpfen
kann. Es muss bemerkt werden, dass die Wirkungen der erwähnten Faktoren
unabhängig
sein kann. Folglich kann die Einstellung der Zufuhrrate entweder
die disintegrierende Wirkung erhöhen
oder verringern in Abhängigkeit
von ihrem Verhältnis
zu der Größe der Austrittsöffnungen.
Die zerkleinerte Mischung wird nun zu Siebung-, Luftstromsiebung
oder Windsichtungsarbeitsvorgängen
(X) für
die Entfernung der feinen Stärkefraktion
aus dem Zellwandmaterial geführt.
Wenn Sieben verwendet wird, können
Sieböffnungen
von 90 bis 250 μm,
bevorzugt 100 bis 180 μm,
verwendet werden. Wenn Windsichtung (air classification) verwendet
wird, kann der cut-off auf eine Weise eingestellt werden, um eine feine
Fraktion mit mehr als 75% des Gesamtvolumens bestehend aus Teilchen
mit einem Durchmesser weniger als 125 μm zu erhalten. Aufgrund der
wirkungsvollen Disintegration wird ebenfalls ein Teil des Zellwandmaterials
in kleine Teilchen zerbrochen und endet in der feinen Fraktion.
Aus diesem Grund ist der β-Glucangehalt der
feinen Fraktion der zweiten Stufe gewöhnlich auf 4-8% erhöht, aber
kann in außergewöhnlichen Chargen
bis zu 11% sein. Derartige Chargen können jedoch reklassiert werden,
um die Gesamtausbeute des Ballaststoffkonzentrats und von β-Glucan zu
verbessern.
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Der
Gehalt an β-Glucan
in der schließlich
erhaltenen groben Fraktion war 12 bis 19% des Trockenmaterials,
wenn derzeit erhältliche
Haferkultursorten verwendet werden. Im Fall, dass ein erwünschter
Gehalt an β-Glucan
nicht erzielt wird, kann die grobe Fraktion wieder vermahlen und
wieder klassiert werden. Auf der Grundlage der erhaltenen Konzentrationswirkung
kann berechnet werden, dass wenn neue Kultursorten oder verbesserte
Kultivierungspraktiken, die einen höheren Anfangsgehalt an β-Glucan ergeben,
erhältlich
sind, Konzentrate unter Verwendung diesen Verfahrens hergestellt
werden können,
die bis zu 25% β-Glucan
enthalten.
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Im
Fall, dass das Rohmaterial nicht vor den Vermahlungen und Klassierungen
wärmebehandelt
wurde, muss das die löslichen
Ballaststoffe enthaltende Konzentrat wärmestabilisiert werden (XI),
um Enzyme zu inaktivieren, die die Lagerstabilität verringern. Dies kann zum
Beispiel durch Wirbelschicht- bzw. Fließbetterwärmen oder durch Kochextrusion
erfolgen. Die Vorteile der letzteren Behandlungsart sind die Möglichkeit,
höhere
Temperaturen unter Druck zu verwenden, und konsequenterweise eine
schnellere und wirkungsvollere Inaktivierung, und die damit verbundene
mechanische Behandlung, welche die Löslichkeit des β-Glucans
steigert, wenn die Parameter in geeigneter Weise ausgewählt werden.
Die beeinflussenden Parameter sind Temperatur, Druck, Feuchtigkeitsgehalt,
Verweildauer und die mechanische Behandlung. Ein Mindesterfordernis dieser
kombinierten Wirkung ist eine vollständige Inaktivierung des Enzyms
Tyrosinase. Eine maximale Behandlung ist eine Kombination, welche
zu einer leichten Abschwächung
der Viskositätseigenschaften
führt.
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Die
Wärmebehandlung
kann ebenfalls mit der Zubereitung eines Verbraucherprodukts verbunden werden,
zum Beispiel durch Zumischen anderer Bestandteile zu dem Konzentrat,
das die löslichen
Fasern enthält,
und Extrudieren dieser Mischung, um zum Beispiel Frühstücksgetreideprodukte
oder Zwischenprodukte für
verschiedenen Zwecke zu erhalten.
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Für das Erreichen
der Ziele dieses Verfahrens ist es wichtig, dass die äußeren Schichten
des Korns, wo in den meisten Haferkultursorten der Hauptteil an β-Glucan lokalisiert
ist, in den Vorbehandlungen und in der ersten Hauptvermahlungsstufe
in ihrer zellulären
Struktur intakt verbleiben. Wie es vom Weizenvermahlen bekannt ist,
können
Körner
auf einen geeigneten Feuchtigkeitsgehalt vor der ersten Hauptvermahlungsstufe durch
Verwendung als solcher bekannter Verfahren vorkonditioniert werden.
In der vorher erwähnten
Studie von Doehlert und Moore führt
eine kurze Verarbeitungsdauer, zum Beispiel 20 Minuten, des Vorkonditionierens bei
Raumtemperatur zu einer optimalen Auftrennung der Haferkleie. Der
optimale Feuchtigkeitsgehalt, der durch diese Autoren gefunden wurde,
war 12%. Jedoch ist der wesentliche Faktor der Feuchtigkeitsgehalt
der äußeren Schichten
des Korns. Bei einer Vorkonditionierung wird der Wassergehalt unmittelbar
ungleichmäßig zwischen
den äußeren Schichten
und dem Endosperm verteilt.
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Bei
den Vermahlungs-, Siebungs- und Windsichtungsstufen treten Probleme
leicht durch das Verklumpen und Festsetzen von Material an den Wänden der
Ausrüstung,
den Sieben und den Rohren auf. Bei Walzenmühlen verursacht dies oftmals
das Füllen
der Vertiefungen der Walzen, bei Mühlen vom Aufpralltyp das Festsetzen
des Materials in den Zapfen, auf der Peripherie und an dem Auslass
der Mühlkammer,
und in den Leitungen an den Krümmungen
der Leitung oder ihren Oberflächen.
Beim Sieben verursache sie oftmals die Bildung von kugelförmigen Agglomeraten,
welche nicht durch das Sieb durchtreten und folglich in die grobe Fraktion
gelangen, obwohl sie im Wesentlichen aus feinem Material bestehen.
Außerdem
tritt ein Verstopfen der Siebe, sowohl an der oberen als auch der
unteren Oberfläche
auf. Bei der Windsichtung verursacht dies eine Blockade der Auslasskanäle und eine
Akkumulation von feinem Material an horizontalen Oberflächen an Stellen,
wo die örtliche
Luftgeschwindigkeit relativ niedriger ist, und wenn diese Akkumulationen
in der Größe wachsen,
lösen sich
diese und gelangen in die grobe Fraktion, verdünnen sie und machen sie heterogen.
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Die
wichtigsten Einflussfaktoren für
das Verstopfen und die Anhaftung, zusätzlich zu den Konstruktionsdetails
der Ausrüstung,
wurden die Feuchtigkeit der Luft, die gesamte und Oberflächenfeuchtigkeit
des Getreidematerials und das Ausmaß der Beschädigung und Gelatinisierung
der Stärketeilchen
gefunden. Bei mechanischen Behandlungen, wie etwa Vermahlen, verursacht
die erzeugte Wärme örtliche
Temperaturerhöhungen
in dem Material, die zu Verdampfen von Wasser führen, welches später kondensiert.
Dies verursacht eine Agglomeration von Teilchen und ihre Adsorption
und Festsetzung aneinander und auf die Oberflächen der Ausrüstung, speziell
wenn das Material Stärke
enthält,
welches aus den Körnchen
abgesondert oder gelatinisiert wird. Um dieses Phänomen zu
kontrollieren, muss die Erzeugung von Wärme oder die Übertragung
von Wärme
in das zu behandelnde Material durchweg in allen Vermahlungsstufen
und Klassierungsarbeitsschritten minimiert werden. Außerdem muss
die Entfernung von Wasserdampf mit der Hilfe eines ausreichenden Stroms
an trockener Luft erleichtert werden, das Kondensieren muss durch
Minimieren der örtlichen
Temperaturunterschiede minimiert werden, und die Anhaftung an Oberflächen durch
Vermeidung scharfer Krümmungen
im Luft- und Materialfluss. Die Beschädigung von Stärkekörnchen muss
durch Auswahl der Ausrüstung und
der Verarbeitungsbedingungen durch Bevorzugung von Aufprall-, Press-
und Scheuerarbeitsvorgängen mit
minimalen Scherwirkungen soweit wie möglich minimiert werden.
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Die
Ausführung
des Verfahrens und die Anwendungen des Produkts werden in den folgenden
Beispielen beschrieben. Zusätzlich
zu den beschriebenen Anwendungen sind davon abgeleitete Anwendungen
unter anderem Fertiggerichte, Trockenmischungen für das Backen
und Gebäck.
Für die
stromabwärts
Behandlung von extrudierten können
bekannte Verfahren wie etwa Walzenpressen, Öffnungen mit Figurenprofil
und Co-Extrusion verwendet werden.
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Beispiel 1
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Geschälte, größensortierte
Hafer von vier Kultursorten wurden auf 10% Feuchtigkeit vorkonditioniert und
unter Verwendung einer Schule Carborundum-Ausstattung perliert.
Die Menge der abgetrennten Oberflächenschicht variierte von 19
bis 21%. Die perlierten Körner
wurden in drei nachfolgenden Passagen mit einer Grabender Quadrumat
Walzenmühle
im Labormaßstab
zerkleinert und mit einem rotierendem Sieb mit Öffnungen von 500 μm gesiebt.
Die grobe Fraktion der letzten Passage war 28% der Zufuhr und ihr β-Glucangehalt war
8,4%. Proben der gleichen perlierten Chargen wurden ebenfalls unter
Verwendung einer Passage in der Walzenmühle gefolgt von zwei Passagen
in einer Prallmühle
zerkleinert. Das Sieben erfolgte unter Verwendung eines luftgespülten Siebes
mit Öffnungen
von 0,1 mm. Die Ausbeute der groben Konzentratfraktion variierte
von 24 bis 27% der Zufuhr. Die folgende Konzentration an β-Glucan wurde
erzielt:
| Kultursorte | β-Glucan (%)
in | β-Glucan (%)
in | Konzentrations |
| | den
perlierten | dem
Konzentrat | faktor |
| | Körnern | | |
| Nasta | 5,7 | 13,4 | 2,35 |
| Vouti | 4,4 | 11,6 | 2,64 |
| Tiitus | 4,2 | 13,3 | 3,17 |
| Stil | 5,6 | 12,3 | 2,20 |
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Beispiel 2
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Geschälter und
größensortierter
Hafer wurde ohne vorherige Erwärmung
zwischen zwei glatten Rollen auf eine Dicke von 0,7 mm komprimiert.
Das komprimierte Produkt wurde in einer Mühle vom Aufpralltyp bei einer
tangentialen Geschwindigkeit des Rotors von 71 m s–1 und
einem Collar Screen mit scharfkantigem Drahtnetz zerkleinert. Die
Zufuhrrate war 180 kg/h. Das vermahlene Produkt wurde unter Verwendung
eines zylindrischen vertikalen Siebs ausgestattet mit Schlagpaddeln
und mit Sieböffnungen
von 223 μm
gesiebt. Die grobe Fraktion wurde zweimal noch behandelt. Das grobe
Produkt vom letzten Sieben hatte einen β-Glucangehalt von 13,4% des
Trockenmaterials.
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Beispiel 3
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Geschälter Hafer
mit einem anfänglichen β-Glucangehalt
von 5,14% des Trockenmaterials und einer anfänglichen Feuchtigkeit von 12,4%
wurde durch eine Mühle
vom Pralltyp mit einer Tangentialgeschwindigkeit des Rotors von
120 m s–1 und Öffnungen
des Collar Screens von 3 mm zerkleinert. Die Zufuhrrate war 600-700
kg/h und der Luftstrom durch die Mühle 50 m3 h–1.
Das zerkleinerte Produkt wurde durch Verwendung einer Rotorgeschwindigkeit
von 680-700 U/min in dem Rücklaufflügelrad windgesichtet.
Die Ausbeute der groben Fraktion war 38% der Zufuhr, und ihr Gehalt
an β-Glucan
variierte von 10,5 bis 12,5% mit einem Durchschnitt von sieben experimentellen
Chargen von 11,4%. Der Gehalt an β-Glucan
in der feinen Fraktion schwankte von 1,5 bis 2,0% des Trockenmaterials,
mit einem Durchschnitt in drei Chargen von 1,6%. Die erhaltene grobe
Fraktion hatte einen Feuchtigkeitsgehalt von 10,5%. Sie wurde unter
Verwendung der gleichen Mühle,
Rotationsgeschwindigkeit und Luftstrom wieder zerkleinert, aber
mit einer Zufuhrrate von 330 bis 390 kg h–1 und
mit Collar Screen-Öffnungen
von 1 mm. Das gemahlene Produkt wurde unter Verwendung einer Rotorgeschwindigkeit
des Rücklaufflügelrades
von 660 U/min windgesichtet. Die grobe Fraktion war 56% der Zufuhr
in dieser Stufe, was 21,3% der ursprünglichen Zufuhr entspricht.
Ihr β-Glucangehalt
variierte von 16,6% bis 17,0% des Trockenmaterials, mit einem Mittelwert
in drei Proben von 16,9% des Trockenmaterials. Der berechnete Konzentrationsfakor
für β-Glucan war 3,29.
Der Gehalt von β-Glucan
in der feinen Fraktion aus der zweiten Klassierung war 7,2% als
ein Durchschnitt von vier Proben.
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Beispiel 4
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Eine
Hafercharge, die der in Beispiel 3 verwendeten entspricht, wurde
wie in Beispiel 2 beschrieben zerkleinert, und unter Verwendung
eines Vibrationssiebs mit Öffnungen
von 223 μm
gesiebt. Der Gehalt an β-Glucan
in der groben Fraktion war 8,8% des Trockenmaterials. Diese Fraktion
wurde nun zerkleinert und klassiert, wobei den Bedingungen der zweiten
Stufe des Beispiels 3 gefolgt wurde. Der Gehalt an β-Glucan in der
groben Fraktion war 14,8% des Trockenmaterials, in der feinen Fraktion
der zweiten Stufe war es 5,3% des Trockenmaterials.
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Beispiel 5
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Geschälter und
wärmebehandelter
Hafer von zwei Kultursorten wurden in aufeinanderfolgenden Schritten
in einer Mühle
vom Pralltyp ausgestattet mit einem Rotor vom Paddeltyp und einer
profilierten Peripherie der Mühlkammer
zerkleinert. Die Umgebungslufttemperatur war 16°C, die relative Luftfeuchtigkeit
65%. Nach Zerkleinern wurde das Produkt windgesichtet, der Klassierer
wurde in der ersten Passage eingestellt, um eine grobe Fraktion
mit weniger als 10 Gew.-% zu ergeben, die aus Teilchen kleiner als
125 μm besteht,
und in den zweiten und nachfolgenden Passagen von weniger als 5
Gew.-% an Teilchen, die kleiner als 125 μm sind. Andere Bedingungen und
Ergebnisse werden in der Tabelle 1 angegeben.
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Die
zerkleinernde Wirkung wurde durch Verringerung der Zufuhrrate und
Verringerung des Abstandes von Schritt 3 zu Schritt 4 der Vermahlungssequenz
der Sorte Yty und durch Erhöhung
der Rotortangentialgeschwindigkeit vom Schritt 1 zu Schritt 2 der
Sorte Roope erhöht.
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Die
Ergebnisse zeigen an, dass es möglich
ist, β-Glucan
in einem weiten Bereich von Verfahrensbedingungen zu konzentrieren,
aber die Ausbeute der groben Fraktion und die Ausbeute des β-Glucan in
dieser Fraktion hängen
von den ausgewählten
Bedingungen ab.
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Beispiel 6
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Das
Konzentrat gemäß Beispiel
2 wurde unter Verwendung eines Clextral BC-10 Zwillingsschneckenkochextruders
unter Verwendung einer Zufuhrrate von 120 g min–1 einer
Schraubengeschwindigkeit von 57 U/min unter Variierung der Zylindertemperatur
von 100 bis 120°C
und eines Feuchtigkeitsgehalts der Mischung von 10 bis 21% extrudiert.
Die Extrusion erfolgte sowohl unter Verwendung von Öffnungen
beim Entladen und ohne Öffnungen.
Die Bestimmung der Tyrosinase-Aktivität zeigte keine Restaktivität in bemerkenswertem
Umfang. Zur Bestimmung der Viskosität wurden 4,7 g der Produktproben
in 80 ml Phosphatpuffer mit pH 7,0 suspendiert und 8,5 mg Trypsin
wurde hinzugegeben. Die Mischung wurde in einem Schüttelwasserbad
bei 37°C bebrütet. Der
berechnete Gehalt an β-Glucan
der Mischung war 0,7%. Die Viskosität wurde unter Verwendung eines
Bohlin Visco 88-Viskometers gemessen. Nach Inkubation für eine Stunde
variierten die Viskositäten
der Suspensionen, wie durch Verwendung einer Scherrate von 23 s–1 gemessen,
von 210 bis 480 mPa s. Die Ergebnisse zeigen, dass β-Glucan in
diesen Proben Viskositätseigenschaften
hat, die mit nicht konzentrierten Haferproben vergleichbar sind,
welche wärmebehandelt
wurden. Die höchsten
Viskositäten
wurden in Proben beobachtet, wo der Feuchtigkeitsgehalt in der Extrusion
10% war, und die geringsten, wenn der Feuchtigkeitsgehalt 18-21%
waren. Die Variation der Trommeltemperatur innerhalb der erwähnten Grenzen
und die Verwendung von Öffnungen
hatten geringfügige
Wirkungen im Vergleich zum Wassergehalt.
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Beispiel 7
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Das
Konzentrat gemäß Beispiel
2 wurde in einem Clextral BC-72-Extruder mit einer Zufuhrrate von 250
kg h–1 unter
Verwendung einer Öffnung
und einem Schneider am Austritt, aber ansonsten unter Bedingungen
entsprechend zu denen in Beispiel 6 dargestellten, extrudiert. Das
erhaltene Produkt wurde mit einem warmen Luftstrom getrocknet. Bei
Messung der Viskositätseigenschaften
gemäß Beispiel
5, war die Viskosität
einer Suspension mit 0,7% β-Glucan
nach 15 Minuten 165 mPa s und nach 60 Minuten 444 m Pa s.
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Beispiel 8
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Das
Konzentrat nach Beispiel 2 wurde in einem trockenen Zustand mit
1% Zimtpulver gemischt und die Mischung wurde unter den in Beispiel
7 beschriebenen Bedingungen extrudiert. Das erhaltene Produkt war als
solches als ein Frühstücksgetreideprodukt
mit Milch oder Joghurt verwendbar. In einem klinischen Experiment
mit Patienten mit Diabetes mellitus vom Typ II verminderte das Produkt
die post-prandiale Erhöhung
der Blutglukose und des Insulins verglichen mit einem Frühstücksgetreideprodukts,
das Weizenkleie enthält.
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Beispiel 9
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Das
Konzentrat gemäß Beispiel
2 wurde in einem trockenen Zustand mit 0,2% Acesulfam K nicht-kalorischem
Süßstoff (Sunett,
Hoechst), 0,8% Orangengranulat und 0,4% Honigpulver gemischt. Die
Mischung wurde unter den in Beispiel 7 angegebenen Bedingungen extrudiert,
das Produkt wurde luftgetrocknet und zerkleinert. Wenn ein Teil
davon mit 10 Teilen Fruchtsaft gemischt wurde, wurde in wenigen
Minuten ein Getränk vom
Nektartyp erhalten.
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Dieses
Getränk
war über
etwa 5 Minuten trinkbar, wonach es eine gelartige Konsistenz ausbildete. Eine
schnelle Erhöhung
der Viskosität
ist eine wünschenswerte
Eigenschaft, da sie die physiologischen Wirkungen bei der Anwendung
verstärkt,
welche viskositätsabhängig sind.
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Beispiel 10
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Siebenundsiebzig
Teile des Konzentrats nach Beispiel 2 wurden mit 20 Gewichtsteilen
Orangenkonzentrat und 3 Teilen Fruktose gemischt, und die Mischung
wurde unter den in Beispiel 7 angegebenen Bedingungen extrudiert.
Die erhaltenen weichen Körnchen
waren für
die Zubereitung von Süßwaren verwendbar, zum
Beispiel für
Snackprodukte. Der β-Glucangehalt
der Körnchen
war 10,7%.
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Beispiel 11
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Unter
Verwendung des extrudierten Konzentrats nach Beispiel 7 wurden Weizenbrötchen mit
dem folgenden Anteil an Inhaltsstoffen zubereitet:
| 500 | Teile
Wasser |
| 135 | Teile
extrudiertes Haferkleiekonzentrat mit einem |
| | β-Glucangehalt
von 13,0% des Frischgewichts |
| 260 | Teile
Weizenmehl |
| 50 | Teil
Magermilch |
| 16 | Teile
brauner Zucker |
| 50 | Teile
Rapsöl |
| 5 | Teile
Salz |
| 11 | Teile
Trockenhefe |
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Salz
und brauner Zucker wurden in Wasser bei 40°C gelöst. Das Haferkleiekonzentrat
wurde mit der Magermilch und der Trockenhefe vermischt, die Mischung
wurde in Wasser zugegeben und gemischt. Das Weizenmehl wurde in
den Teig gegeben, und schließlich
das Öl.
Der Teig wurde bei Raumtemperatur für 50 Minuten gehen gelassen.
Brötchen
mit 57 g wurden geformt und bei 225°C gebacken.
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Bei
der sensorischen Bewertung hatten die Brötchen ein gutes Volumen, die
Struktur war weich, der Geschmack war haferartig und wurde als gut
bewertet. Das durchschnittliche Gewicht nach dem Backen war 44 g
und der Gehalt an β-Glucan
war im Mittelwert jeweils 0,96 g. Die Viskosität wurde unter den Dünndarm simulierenden
Bedingungen gemessen und entsprach dem des extrudierten Inhaltstoffs
wie unter ähnlichen Bedingungen
gemessen. Die Viskosität
wurde, wie nach 60 min Lösungszeit
gemessen, nicht geändert,
wenn die Brötchen
in einem Kühlschrank
für 4 Tage
oder in einer Hausgefriervorrichtung für 10 Tage gelagert wurden.
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Beispiel 12
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Unter
Verwendung des gemäß Beispiel
2 zubereiteten Haferkleiekonzentrats mit 14% β-Glucan wurden Fleischbällchen unter
Verwendung der folgenden Inhaltsstoffe und Anteile zubereitet:
| 200 | Teile
zerkleinertes Schweine- und Rindfleisch |
| 180 | Teile
Wasser |
| 19,1 | Teile
Haferkleiekonzentrat |
| 15,3 | Teile
Kartoffelstärke |
| 12 | Teile
Brotkrümmel |
| 3,1 | Teile
Salz |
| 2,4 | Teile
Zwiebelpulver |
| 0,85 | Teile
roter Pfeffer |
| 0,42 | Teile
weißer
Pfeffer |
| 0,30 | Teile
schwarzer Pfeffer |
| 0,27 | Teile
Koriander |
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Das
Haferkleiekonzentrat, die Kartoffelstärke und die Brotkrümmel wurden
gemischt und in Wasser für 14
Minuten eingetaucht. Die Gewürze
und das zerkleinerte Fleisch wurden zugegeben. Die Fleischbällchen wurden
auf einer Steakingplatte gebildet. Die Bällchen wurden in einem Ofen
bei 225°C
für 18
Minuten gebacken.
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Bei
der sensorischen Bewertung nach dem Backen wurde gefunden, dass
die Fleischbällchen
dem Geschmack der industriell zubereiteten Fleischbällchen auf
dem finnischen Markt gleichen. Der Nachgeschmack war würzig und
stark. Die Konsistenz war weich. Das mittlere Gewicht nach dem Backen
war 16 g, der berechnete Gehalt an β-Glucan war 0,8%. Folglich sollten für die Aufnahme
einer Dosis von 0,75 g β-Glucan
96 g, entsprechend zu 6 Fleischbällen,
gegessen werden.
