EP3641560A1 - Verfahren zum einfrieren und verfahren sowie vorrichtung zum trocknen von lebensmitteln, insbesondere von obst und gemüse - Google Patents

Verfahren zum einfrieren und verfahren sowie vorrichtung zum trocknen von lebensmitteln, insbesondere von obst und gemüse

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Publication number
EP3641560A1
EP3641560A1 EP18732290.4A EP18732290A EP3641560A1 EP 3641560 A1 EP3641560 A1 EP 3641560A1 EP 18732290 A EP18732290 A EP 18732290A EP 3641560 A1 EP3641560 A1 EP 3641560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
food
drying
negative pressure
freezing
vegetables
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP18732290.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robin Ostermeier
Vanessa Voelkel
Stefan Toepfl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Elea Service GmbH
Original Assignee
Elea Vertriebs Und Vermarktungsgesellschaft Mbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Elea Vertriebs Und Vermarktungsgesellschaft Mbh filed Critical Elea Vertriebs Und Vermarktungsgesellschaft Mbh
Publication of EP3641560A1 publication Critical patent/EP3641560A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVING, e.g. BY CANNING, MEAT, FISH, EGGS, FRUIT, VEGETABLES, EDIBLE SEEDS; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES; THE PRESERVED, RIPENED, OR CANNED PRODUCTS
    • A23B7/00—Preservation or chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/015—Preserving by irradiation or electric treatment without heating effect
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVING, e.g. BY CANNING, MEAT, FISH, EGGS, FRUIT, VEGETABLES, EDIBLE SEEDS; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES; THE PRESERVED, RIPENED, OR CANNED PRODUCTS
    • A23B7/00—Preservation or chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/02—Dehydrating; Subsequent reconstitution
    • A23B7/024—Freeze-drying, i.e. cryodessication or lyophilisation
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23B—PRESERVING, e.g. BY CANNING, MEAT, FISH, EGGS, FRUIT, VEGETABLES, EDIBLE SEEDS; CHEMICAL RIPENING OF FRUIT OR VEGETABLES; THE PRESERVED, RIPENED, OR CANNED PRODUCTS
    • A23B7/00—Preservation or chemical ripening of fruit or vegetables
    • A23B7/04—Freezing; Subsequent thawing; Cooling
    • A23B7/0408—Freezing; Subsequent thawing; Cooling the material being transported through or in the apparatus with or without shaping, e.g. in the form of powder, granules or flakes

Definitions

  • the present invention relates to a method for freezing foods, in particular fruits and vegetables.
  • the present invention further relates to a process for drying foods, in particular fruits and vegetables, wherein the food is subjected to a negative pressure and the food is deprived of water during the negative pressure.
  • the present invention further relates to a device for drying food, in particular fruit and vegetables, comprising a vacuum chamber, a vacuum pump for generating a negative pressure in the vacuum chamber, and a condenser, which is connected via a closable valve with the vacuum chamber.
  • the preservation of food for example by freezing or drying is known. Drying, ie dehydration, is one of the most important preservation processes in the food industry. Various processes are used for the drying, whereby conventional drying processes with a phase transition of the water with supply of thermal energy are widespread. However, these drying processes are very cost, energy and time consuming. In addition, the thermal load and the duration of the drying can have negative effects on the product quality and, for example, lead to loss of nutrients and flavorings or an undesirable discoloration of the food.
  • the drying of fruits for example cereals takes place by means of freeze-drying.
  • freeze-drying or lyophilization the drying takes place while bypassing the liquid state of matter.
  • the drying is based on the physical process of sublimation, in which ice crystals are transferred directly without intermediate occurrence of a liquid phase in the gaseous state.
  • the water-containing food to be dried is first frozen.
  • the food is deprived of water by sublimation in the frozen state by applying a vacuum and applying thermal energy to the product under reduced pressure, which initiates the sublimation process.
  • freeze-drying is particularly time-consuming and cost-intensive, so it is desirable to improve this process both in terms of freezing of the food and in terms of dehydration under reduced pressure.
  • the present invention solves this problem by the above-mentioned method for freezing of food and by the aforementioned method for drying food in that the food is conditioned by applying an electric field.
  • the above-mentioned device for drying food solves this problem in that it comprises at least one capacitor for generating an electric field.
  • the freezing of foods, especially fruits and vegetables can be accelerated by the fact that the food is conditioned by applying an electric field.
  • the applied electric field can in particular be a non-thermally acting electric field in which the upper energy limit is dimensioned such that substantially no heating of the food takes place in the sense of an ohmic heating.
  • the conditioning of the food by applying an electric field not only leads to a faster and thus energy-saving freezing of the food, but surprisingly also promotes the withdrawal of water from the food under reduced pressure.
  • the inventive method promotes the preservation of the original product quality and leads to a significant improvement in structural integrity by less shrinkage and less change in the bulk density of the products. In particular, it reduces shrinkage and results in better preservation of the color and texture of the food.
  • the invention can be further improved by means of the following developments, which are advantageous in each case and can be combined with one another as desired, and advantageous embodiments. It has been shown that food can be dried in a particularly gentle and resource-saving manner by freezing the food before applying the negative pressure.
  • the food can be cooled in one embodiment to below -18 ° C, which can be done in a simple manner in commercial freezers and a sufficiently low temperature, which allows a subsequent dehydration under vacuum, ie at reduced pressure.
  • negative pressure and vacuum are used synonymously and are to be understood as meaning that the pressure is below a pressure of 1 bar, preferably below 0.1 bar.
  • gentle preservation means that the foodstuff is preserved while substantially retaining essential product properties such as color, taste, odor and / or structure.
  • the conditioning of the food according to the invention by applying an electric field has an advantageous effect on the drying of the food, especially when the water is removed from it by sublimation. In this way, so when drying as a freeze-drying, the food is very gently preserved. Vacuum drying or microwave vacuum drying is also possible.
  • the foodstuffs are frozen.
  • the conditioning of the food by applying an electric field may be performed prior to the freezing step.
  • the device according to the invention may comprise, for example, at least two electrodes which are connected to a pulse generator.
  • the electric field, in particular the electrical pulses can be generated both by direct contact of the capacitor or its electrodes with the food, as well as via conductive fluids, wherein the treated to leaking food is wholly or partly inserted into the conductive fluids.
  • different electrode shapes can be used, for example plate, ring, grid hollow or flow electrodes.
  • a pulse generator a high voltage pulse generator can be used, which generates electric fields in the form of short pulses in the micro-to millisecond range of a high voltage in the kilovolt range.
  • the food can be conditioned with at least 2 electrical pulses, preferably 10 to 200 and more preferably 30 to 50 electrical pulses.
  • an energy input of at least 0.15 kJ / kg can be made in the food.
  • An energy input of this magnitude is sufficient to condition the food advantageously for a faster freezing or a more gentle and faster dehydration.
  • the energy input can be adapted to the food to be treated. For example, energy inputs from 0.15 to 0.5 kJ / kg are sufficient for freezing or drying bananas. For the freezing or drying of harder foods, for example carrots, a higher energy input of more than 0.5 kJ / kg, in particular more than 1 kJ / kg, for example 1 to 5 kJ / kg, may be advantageous.
  • the method according to the invention for freezing or drying food may further comprise a step of pre-dehydrating the food before the step of freezing or before or during dehydration under reduced pressure. It has surprisingly been found that conditioning the food by applying an electric field results in liquid exiting the cells and accumulating on the surface of the food. This liberated liquid can be pre-dehydrated, for example by blowing off, centrifuging, predrying or absorbing, for example by means of absorbing substances.
  • the pre-dewatering step can be accelerated and made more effective, for example, by first partially dehydrating the food, for example by pressing it, and then releasing it Liquid is removed.
  • the pre-dewatering step reduces the time required for the subsequent freezing of the food or drying during the vacuum.
  • the food can first be conditioned by means of an electric field, then it is pre-dewatered, for example by means of a mechanical partial drainage with subsequent removal of the released liquid, for example by blowing off, centrifuging, pre-drying, absorbing, then exposed the food to a vacuum and withdrawn during the negative pressure, the residual water, for example in the context of a freeze-drying.
  • the device according to the invention can, for example, have a pre-drainage device for removing liquids emerging from the food.
  • the predewater may comprise a device for removing released liquids, for example a blowing device, a centrifuge, a dryer, a suction device and / or a liquid-absorbing substance.
  • the pre-dewater may further comprise a mechanical dehydrator which acts mechanically on the food and releases cell liquid from the food.
  • the mechanical Ambient camesserer may for example comprise a pressing device.
  • the method according to the invention for freezing or drying foodstuffs may further comprise, prior to the step of freezing or drying, conditioning the foodstuff by applying an electric field, which conditioning enables absorption of substances into the foodstuff, in particular the foodstuffs cells Substances influence and / or stabilize the cell structure. Not only the structure of the food influencing / stabilizing substances, but any kind of additives can be added to the food before freezing or drying in this way and introduced into the cell structure. Conceivable, for example, additives that are added to the food to achieve chemical, physical or physiological effects.
  • additives flavoring, coloring, odor, the use value and / or the nutritional value regulating, the utility value and / or the nutritional value stabilizing or an additive that ensures trouble-free processing of the food.
  • Additives which regulate or stabilize the use or nutritional value include in particular additives which promote the chemical and microbial shelf life of processed foods.
  • Additives which ensure trouble-free further processing of the food are, in particular, additives which maintain or improve the technological properties of the food, for example the improvement in baking ability, spreadability, free-flowability or machine suitability.
  • the removal of water can save time and resources by the fact that a negative pressure of at least 3 mbar, preferably a negative pressure of 0.5 to 2 mbar is applied.
  • dehydration can be carried out by sublimation at temperatures that are not too low on the one hand, thus eliminating unnecessary energy for overcooling the product, while at the same time being sufficiently low that the product can be reliably frozen and preserved.
  • the methods according to the invention for freezing and drying foods can be used in particular for fresh foods, such as fresh fruits and vegetables. Under a fresh food is to understand a substantially untreated food, as it can also buy at a weekly market or in the supermarket.
  • the temperature of the food is always below 40 ° C throughout the drying process.
  • the temperature of the food during the drying process to the step of withdrawing the water is always below 30 ° C, preferably below room temperature (about 20 ° C) and more preferably below 10 ° C or refrigerator temperature, which corresponds to about 7 ° C.
  • the temperature of the food during the entire drying process until dehydration is below or within the range of the temperature of the regular cold chain of the food. With dehydration, such as freeze-drying, the temperature may then rise.
  • the product should have the shelf temperature at the end of the drying; if it is above 30 ° C., for example, the product should also have this temperature at the end.
  • the food may be opened prior to conditioning.
  • a hollow food is to be understood as meaning a food which comprises an air-filled cavity, as is the case, for example, with many pods, peppers or hot peppers, to name but a few.
  • the process for drying food may include a post-drying step following the step of removing water during the vacuum.
  • the post-drying step is an option when seeking a preserved food with minimal residual moisture.
  • the post-drying can be carried out, for example, as desorption in order to remove absorptively bound water.
  • the post-drying may, for example, at very low pressures of less than 0.01, preferably less than 0.001 mbar.
  • auxiliaries for example desorbents can be used, as long as they are food-compatible and promote the post-drying process.
  • the conditioning of the products also allows the introduction of substances that influence the drying process or the product properties of the dried products.
  • the structure influencing substances such as calcium compounds to achieve a cure of the product structure, sugars for water binding and softening or other substances such as salts, thickeners or similar agents are advantageous here.
  • FIG. 1 illustrates an exemplary method of freezing food according to an example embodiment
  • FIG. 2 illustrates an exemplary method for drying food according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of a method for drying food according to a further exemplary embodiment
  • Fig. 4 shows an exemplary embodiment of a device according to the invention for
  • FIG. 5 shows a comparative illustration of an untreated (left) with a (right) pepper treated according to the invention after freeze-drying
  • Fig. 6 is a comparative representation of untreated (left) and treated according to the invention (right) carrot strips after freeze-drying;
  • FIG. 7 shows the illustration of a comparative cross-section of an untreated (top) and an inventively treated (below) carrot after freeze-drying
  • Fig. 8 is a comparative illustration of a frozen untreated (top) with an inventively frozen (below) carrot after freezing
  • Fig. 9 is a comparative illustration of a carrot slice which has been subjected to an electric field with an untreated carrot slice.
  • the method of freezing food involves a first step of conditioning the food by applying an electric field. It is then frozen in a second step. It has been shown that conditioning can be accelerated by applying an electric field, the freezing. For example, ice crystal formation occurs earlier in conditioned foods than in foods that have not been treated by an electric field. Also, the total freezing rate, ie the time required until the food has completely frozen through, is reduced when the method according to the invention is carried out.
  • the food can be treated by means of electrical pulses.
  • the food can be conditioned with at least 2 electrical pulses, preferably with 10 to 200 and particularly preferably with 30 to 50 electrical pulses.
  • an electric field of 0.5 to 2 kV / cm is applied, an energy input of at least 0.15 kJ / kg is achieved.
  • the inventively treated foods are especially fruits and vegetables, especially fresh fruits and vegetables as it is available at a weekly market or in the supermarket. If a hollow food, ie a food that comprises an air-filled cavity, such as paprika or hot peppers, is treated, the hollow food can be opened prior to conditioning in order to avoid a negative effect on the product properties. Air bubbles can cause flashovers when an electric field is applied.
  • the inventive method for drying food, especially fruit and vegetables comprises the step of conditioning the food by applying a electric field.
  • This step can essentially be carried out analogously to the application of an electric field, as described in connection with the method for freezing foods of the flow chart according to FIG. 1.
  • the food After the food has been conditioned by applying an electric field, the food is subjected to a vacuum. Subsequently, the food is dried, so it is withdrawn during the negative pressure water.
  • the drying can be done in particular by sublimation, a particularly gentle way of drying.
  • the applied negative pressure may preferably be less than 3 mbar, preferably less than 1 mbar.
  • the method according to the flow chart of FIG. 3 essentially corresponds to the method of the embodiment according to FIG. 2, but contains the additional step that the food is frozen before the application of the negative pressure.
  • the food can be cooled to below -18 ° C for freezing, which can be done easily in a commercial freezer.
  • the final drying step can be optimized and the residual moisture can be reduced to a minimum, so that the food is completely frozen before applying the negative pressure, that is, the water of the food is completely transferred not only externally, but also inside the food in the solid phase ,
  • the product properties of the fresh foodstuff can be retained particularly well in the foodstuff to be preserved in that the temperature of the food during the entire drying process is below 30 ° C, preferably below room temperature and more preferably below 10 ° C.
  • the cold chain of the food can not be interrupted when carrying out the methods according to the invention, which positively influences the product quality and promotes the preservation of the food.
  • FIG. 1 An exemplary apparatus for drying food according to the method of the invention is shown by way of example in FIG.
  • the device 1 shown in FIG. 2 for drying foodstuffs 2 shown by way of example as circles, comprises a vacuum chamber 3, a vacuum pump 4 for generating a food. terteils in the vacuum chamber 3, a condenser 5, which is connected via a closable valve 6 with the vacuum chamber 3.
  • the device 1 further comprises a capacitor for generating an electric field in a conditioning chamber 8.
  • the vacuum pump is connected to the vacuum chamber 3 via a suction line 9.
  • the closable valve 6 is arranged in a connecting line 10, which fluidly connects the condenser 5 to the vacuum chamber 3.
  • the capacitor 7 of the embodiment shown comprises electrodes 1 1, which are connected via power lines 12 to a voltage source 13.
  • the two electrodes 1 1 of the capacitor 7 are arranged on opposite sides and parallel to each other. In such an electrode arrangement, a homogeneous electric field can be generated.
  • other variants of the electrode arrangement are also conceivable, for example a coaxial or collinear arrangement.
  • a pulse generator 29 for example, a high voltage pulse generator such as a Marx generator can be used with the electrical impulses of a high voltage in the kilovolt range with a short duration in the micro to millisecond range can be generated.
  • the voltage source 13 is connected via a control line 14 to a central control unit 15, which controls the voltage source 13.
  • the device 1 comprises a transport device 16, which feeds the food 2 to the conditioning chamber 8 and removes the conditioned food 2 from the conditioning chamber 8 and delivers it to the vacuum chamber 3.
  • the transport device 16 is a conveyor belt 17, which is driven by a motor 18.
  • the transport device 16 continuously conveys the food 2 through the conditioning chamber 8 between the electrodes 11.
  • the food 2 is conditioned by applying an electric field.
  • the transport of the food 2 can not be carried out continuously or intermittently.
  • the motor 18 is connected via a motor control line 19 to the central control unit 15, so that the control unit 15 controls the transport speed of the transport device 16.
  • the conditioned food 2 is transferred into the vacuum chamber 3, which is indicated in Fig. 4 by an arrow.
  • the conditioned food 2 is subjected to a vacuum and then, preferably by sublimation, deprived of water, the food is thus freeze-dried.
  • the food to be dried is first frozen. The water passes from the liquid to the solid state and is then transferred from the solid state directly into the gaseous state, it is sublimed.
  • the vacuum chamber therefore comprises a cooling device 20, which lowers the temperature in the vacuum chamber, preferably to at least -18 ° C.
  • the cooling device 20 is also connected in the embodiment shown via a cooling control line 21 to the central control unit 15 and is controlled by the latter.
  • both the freezing and the exposure of the negative pressure in the negative pressure chamber 3 take place.
  • a cooling device 20 and a separate vacuum chamber 3 may be provided to quickly freeze the food to the desired temperature.
  • the vacuum chamber 3 is provided with a cooling device 20, which keeps the temperature in the vacuum chamber at a desired for sublimation low temperature, and in addition a further cooling chamber in which the conditioned food 2 are frozen quickly and energy efficient can, immediately before it is transferred to the vacuum chamber 3.
  • the vacuum chamber further has a treatment surface 22 on which the food 2 is placed in the vacuum chamber 3.
  • the treatment surface 22 is thermally coupled to a sublimation device 23, for example a sublimation heat exchanger 24, which supplies the food 2 with the thermal energy required for sublimation.
  • the sublimation device 23 can also be connected to and controlled by the central control unit 15 via a sublimation control line 25.
  • the condenser 5 is an apparatus in which the gaseous sublimated water, which has been removed from the food 2, is converted to the liquid state of matter.
  • the condenser 5 may contain one or more cooling coils 26, which are filled with silicone oil, for example, and cool the water gas removed from the food 2.
  • the remaining elements of the cooling circuit 27 of the condenser 5 are shown schematically as a block in FIG. 4. provides.
  • the condenser 5 is also connected via a condenser control line 28 to the central control unit 15.
  • the condenser 5 and the conditioning chamber 8 measuring devices such as thermometers and / or pressure gauges may be provided which the currently prevailing conditions in the corresponding Detect chamber and output to the control unit 15, which evaluates these measurements and controls the conditions in the chambers accordingly.
  • the device according to the invention shown by way of example in FIG. 4 may comprise further components not shown in FIG. 4.
  • the device may further include a pre-dehydrator interposed, for example, between the conditioning chamber and the vacuum chamber.
  • the predewater the food leaving the conditioning chamber may be partially dewatered so that leaking cell liquid is removed before the food enters the vacuum chamber. This reduces the effective amount of fluid to be removed and speeds up the overall drying process.
  • Experiment 1 Influence of conditioning by applying an electric field on the product quality Z quality of fruits and vegetables during the freezing process.
  • the fruits and vegetables came from a local supermarket. This was freed of coarse dirt and thus prepared for further processing. Products that are hollow from the inside (such as peppers) were halved before PEF treatment, so that the air pockets did not cause rollovers.
  • Banana 0.175 kJ / kg, 1.07 kV / cm; Pepper: 1, 0 kJ / kg, 1, 07 kV / cm; Carrot: 1 kJ / kg, 1, 07 kV / cm; Kiwi: 0.5 kJ / kg, 1.07 kV / cm; Strawberry: 0.5 kJ / kg, 0.25 kV / cm.
  • both the treated and the untreated fruits and vegetables were cut into small pieces and placed on trays in single layers. These trays were then frozen in freezer (min -18 ° C) for several hours (until days) with the product.
  • FIG. 9 the conditioning of foods by the application of an electric field can release cell liquid on the surface of the food.
  • an untreated carrot slice is shown, on whose surface no liquid can be seen (left).
  • the right carrot slice of Fig. 9 was conditioned by applying an electric field.
  • the PEF treatment caused cell fluid to leak and attach to the Surface accumulates. This also explains why freezing on the carrots forms a complete layer of ice on the surface.
  • Experiment 2 Influence of the conditioning of foods by applying an electric field on the product properties Z-quality during a drying process, here a freeze-drying process.
  • the fruits and vegetables came from a local supermarket. This was freed of coarse dirt and thus prepared for further processing. Products that are hollow from the inside (such as peppers) were halved before PEF treatment, so that the air pockets did not cause rollovers.
  • both the treated and the untreated fruits and vegetables were cut into small pieces and placed on trays in single layers. These trays have now been Frozen with the product in freezer (at least -18 ° C) for several hours (up to days). Crucial for the further process was that the samples were frozen through.
  • the freeze-dried PEF-treated sample was significantly faster dry than the untreated control material. At the same time (15 h), it was still frozen or moist in the middle. Also visually, the two samples differed significantly from each other.
  • the sample treated with PEF remained dimensionally stable over the entire course of drying and resembled the undried crude product, while the untreated sample shrank and collapsed during drying (see FIG. 5).
  • the freeze-drying time of paprika could be reduced by 10 hours compared to the untreated reference material by the method according to the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse und ein Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, wobei das Lebensmittel einem Unterdruck ausgesetzt und dem Lebensmittel während des Unterdrucks Wasser entzogen wird. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Trocknung von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, umfassend eine Unterdruckkammer, eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Unterdruckkammer, und einen Verflüssiger, der über ein verschließbares Ventil mit der Unterdruckkammer verbunden ist. Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einfrieren bzw. Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse bereit, welche Produkteigenschaften der Lebensmittel, wie Farbe, Geschmack und Struktur, soweit wie möglich beibehält und die gleichzeitig möglichst zeit-, energie- und kostenschonend ist, indem das Lebensmittel bei den Verfahren durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird und die Vorrichtung wenigstens einen Kondensator zur Erzeugung eines elektrischen Feldes umfasst.

Description

Verfahren zum Einfrieren und Verfahren sowie Vorrichtung zum Trocknen von
Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, wobei das Lebensmittel einem Unterdruck ausgesetzt und dem Lebensmittel während des Unterdrucks Wasser entzogen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Trocknung von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, umfassend eine Unterdruckkammer, eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Unterdruckkammer, und einen Verflüssiger, der über ein verschließbares Ventil mit der Unterdruckkammer verbunden ist.
Die Haltbarmachung von Lebensmitteln, beispielsweise durch Einfrieren oder durch Trocknen ist bekannt. Die Trocknung, also der Wasserentzug ist einer der wichtigsten Konservierungsprozesse in der Lebensmittelindustrie. Für die Trocknung werden verschiedene Verfahren eingesetzt, wobei konventionelle Trocknungsprozesse mit einem Phasenübergang des Wassers unter Zufuhr thermischer Energie weit verbreitet sind. Diese Trocknungsprozesse sind allerdings sehr kosten-, energie- und zeitintensiv. Zudem kann die thermische Belastung und die Dauer der Trocknung negative Auswirkungen auf die Produktqualität haben und beispielsweise zu Verlusten von Nähr- und Aromastoffen oder einer unerwünschten Verfärbung der Lebensmittel führen.
Die Lebensmittelindustrie ist daher an einer möglichst schonenden Trocknung interessiert.
So findet die Trocknung von Früchten für zum Beispiel Müslis mittels Gefriertrocknung statt. Bei der Gefriertrocknung oder Lyophilisation, erfolgt die Trocknung unter Umgehung des flüssigen Aggregatzustandes. Die Trocknung beruht auf dem physikalischen Prozess der Sublimation, bei welchem Eiskristalle ohne zwischenzeitliches Auftreten einer flüssigen Phase direkt in den gasförmigen Zustand überführt werden.
Dazu wird das zu trocknende, Wasser enthaltende Lebensmittel zunächst eingefroren. Dem Lebensmittel wird im gefrorenen Zustand Wasser durch Sublimation entzogen, indem ein Vakuum angelegt und dem Produkt unter Unterdruck Wärmeenergie zugeführt wird, was den Subli- mationsprozess in Gang setzt. Allerdings ist die Gefriertrocknung besonders zeit- und kostenintensiv, so dass es erwünscht ist, diesen Prozess sowohl hinsichtlich des Einfrierens der Lebensmittel als auch hinsichtlich des Wasserentzugs unter Unterdruck zu verbessern.
Angesichts der oben genannten Probleme ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einfrieren bzw. Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse bereitzustellen, welche Produkteigenschaften der Lebensmittel, wie Farbe, Geschmack und Struktur, soweit wie möglich beibehält und die gleichzeitig möglichst zeit-, energie- und kostenschonend ist.
Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch das eingangs genannte Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln und durch das eingangs genannte Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln dadurch, dass das Lebensmittel durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird.
Die eingangs genannte Vorrichtung zur Trocknung von Lebensmitteln löst diese Aufgabe dadurch, dass sie wenigstens einen Kondensator zur Erzeugung eines elektrischen Feldes um- fasst.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass das Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse sich dadurch beschleunigen lässt, dass das Lebensmittel durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird. Das angelegte elektrische Feld kann insbesondere ein nicht-thermisch wirkendes elektrisches Feld sein, bei dem die Energieobergrenze so bemessen ist, dass im Wesentlichen keine Erwärmung der Lebensmittel im Sinne einer ohmschen Erhitzung stattfindet. Zudem führt die Konditionierung des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes nicht nur zu einem schnelleren und somit energiesparenderem Einfrieren des Lebensmittels, sondern begünstigt überraschenderweise auch den Entzug von Wasser aus dem Lebensmittel unter Unterdruck. Zudem fördert das erfindungsgemäße Verfahren den Erhalt der ursprünglichen Produktqualität und führt zu einer erheblichen Verbesserung eines Strukturerhalts durch geringeres Schrumpfen und geringerer Veränderung der Schüttdichte der Produkte. Es reduziert insbesondere eine Schrumpfung und führt zu einer besseren Konservierung der Farbe und Struktur des Lebensmittels.
Die Erfindung kann mit den folgenden, jeweils für sich vorteilhaften und beliebig miteinander kombinierbaren Weiterentwicklungen und vorteilhaften Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Es hat sich gezeigt, dass Lebensmittel besonders schonend und ressourcensparend getrocknet werden können, indem das Lebensmittel vor Anlegen des Unterdrucks eingefroren wird. Das Lebensmittel kann in einer Ausführungsform auf unter -18 °C abgekühlt werden, was auf einfache Weise in handelsüblichen Tiefkühlschränken erfolgen kann und eine ausreichend niedrige Temperatur ist, die einen anschließenden Wasserentzug unter Vakuum, also bei Unterdruck ermöglicht.
Im Sinne der vorliegenden Anmeldung werden die Begriffe Unterdruck und Vakuum synonym verwendet und sind dahingehend zu verstehen, dass der Druck unter einem Druck von 1 bar, vorzugsweise unter 0,1 bar liegt. Unter einer schonenden Konservierung ist zu verstehen, dass das Lebensmittel haltbar gemacht wird, wobei wesentliche Produkteigenschaften, beispielsweise Farbe, Geschmack, Geruch und/oder Struktur im Wesentlichen erhalten bleiben.
Es hat sich herausgestellt, dass Lebensmitteln besonders gut Wasser entzogen werden kann, wenn, gemäß einer weiteren Ausführungsform, das Lebensmittel vor Anlegen des Unterdrucks durchgefroren wird. Unter durchgefroren im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zu verstehen, dass sämtliches bei Temperaturen unter 0 °C gefrierbares Wasser im Lebensmittel in den festen Zustand überführt wird. Gebundenes Wasser oder spezielle Elektrolyte, die nur bei sehr niedrigen Temperaturen von zum Beispiel unter -20 °C überhaupt frieren, können allerdings einen„unfrierbaren", noch flüssigen Restanteil im durchgefrorenen Lebensmittel ausbilden.
Die erfindungsgemäße Konditionierung des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes wirkt sich insbesondere dann vorteilhaft auf das Trocknen der Lebensmittel aus, wenn diesen das Wasser durch Sublimation entzogen wird. Auf diese Weise, also bei einem Trocknen als Gefriertrocknen, werden die Lebensmittel sehr schonend konserviert. Eine Vakuumtrocknung oder Mikrowellen-Vakuumtrocknung ist ebenfalls möglich.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trocknen von Lebensmitteln werden die Lebensmittel eingefroren. Gemäß einer Ausführungsform kann das Konditionieren des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes dabei vor dem Schritt des Einfrierens durchgeführt werden.
Besonders effektiv kann das Lebensmittel mittels elektrischer Pulse konditioniert werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann hierzu beispielsweise wenigstens zwei Elektroden umfassen, die mit einem Impulsgenerator verbunden sind. Das elektrische Feld, insbesondere die elektrischen Pulse können sowohl durch Direktkontakt des Kondensators bzw. dessen Elektroden mit dem Lebensmittel, als auch über leitende Fluide erzeugt werden, wobei das zu behan- delnde Lebensmittel ganz oder teilweise in die leitenden Fluide eingelegt wird. Dabei können verschiedene Elektrodenformen zur Anwendung kommen, beispielsweise Platten-, Ring-, Gitter- Hohl- oder Durchflusselektroden. Als Impulsgenerator kann ein Hochspannungsimpulsgenerator eingesetzt werden, der elektrische Felder in Form von kurzen Pulsen im Mikro- bis Millisekundenbereich einer hohen Spannung im Kilovoltbereich erzeugt. Derartige Hochspannungsimpulse bewirken beim Lebensmittel eine Elektroporation, was insbesondere eine Permeabilisierung der Zellmembran auf einfache und nicht-thermische Art und Weise zur Folge hat. Im Sinne einer Zeit- und Energieoptimierung kann das Lebensmittel mit wenigstens 2 elektrischen Pulsen, vorzugsweise 10 bis 200 und besonders bevorzugt mit 30 bis 50 elektrischen Pulsen konditioniert werden.
Beim Konditionieren des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes kann ein Energieeintrag von wenigstens 0,15 kJ/kg in das Lebensmittel erfolgen. Ein Energieeintrag in dieser Größenordnung ist ausreichend, um das Lebensmittel auf vorteilhafte Weise für ein schnelleres Einfrieren bzw. einen schonenderen und schnelleren Wasserentzug zu konditionieren. Um den Energieeintrag zu optimieren kann der Energieeintrag an das zu behandelnde Lebensmittel angepasst werden. Für das Einfrieren bzw. Trocknen von Bananen reichen beispielsweise schon Energieeinträge von 0,15 bis 0,5 kJ/kg aus. Für das Einfrieren bzw. das Trocknen von härteren Lebensmittel, beispielsweise Karotten kann einer höherer Energieeintrag von mehr als 0,5 kJ/kg, insbesondere über 1 kJ/kg, beispielsweise 1 bis 5 kJ/kg vorteilhaft sein.
Es hat sich gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn ein elektrisches Feld von 0,5 kV/cm bis 2 kV/cm angelegt wird. Derartige Feldstärken lassen sich mit handelsüblichen industriellen Kondensatoren erzielen und vermeiden, dass unerwünschte thermische Effekte auftreten, die zu nicht erwünschten Produktänderungen führen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einfrieren bzw. zum Trocknen von Lebensmitteln kann ferner einen Schritt des Vorentwässerns des Lebensmittels, vor dem Schritt des Gefrierens bzw. vor oder während des Wasserentzugs bei Unterdruck aufweisen. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass eine Konditionierung des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes dazu führt, dass Flüssigkeit aus den Zellen austritt und sich an der Oberfläche des Lebensmittels ansammelt. Diese freigesetzte Flüssigkeit kann vorentwässert werden, beispielsweise durch Abblasen, Zentrifugieren, Vortrocknen oder Aufsaugen, beispielsweise mittels absorbierender Substanzen. Der Vorentwässerungsschritt kann beispielsweise dadurch beschleunigt und effektiver gestaltet werden, dass das Lebensmittel zunächst mechanisch teilentwässert wird, beispielsweise indem es gepresst wird, und anschließend die freigesetzte Flüssigkeit entfernt wird. Durch den Schritt des Vorentwässerns reduziert sich die erforderliche Zeit für das anschließende Einfrieren des Lebensmittels bzw. des Trocknens während des Unterdrucks. In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Trocknen von Lebensmitteln kann das Lebensmittel zunächst mittels eines elektrischen Feldes konditioniert werden, anschließend wird es vorentwässert, beispielsweise mittels einer mechanischen Teilentwässerung mit anschließendem Entfernen der freigesetzten Flüssigkeit, beispielsweise durch Abblasen, Zentrifugieren, Vortrocknen, Aufsaugen, dann wird das Lebensmittel einem Unterdruck ausgesetzt und während des Unterdrucks das Restwasser entzogen, beispielsweise im Rahmen einer Gefriertrocknung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann beispielsweise einen Vorentwässerer zur Entfernung von aus dem Lebensmittel austretenden Flüssigkeiten aufweisen. Der Vorentwässerer kann eine Vorrichtung zum Entfernen freigesetzter Flüssigkeiten umfassen, beispielsweise eine Blasvorrichtung, eine Zentrifuge, einen Trockner, eine Saugvorrichtung und/oder eine flüssigkeitsabsorbierende Substanz. Der Vorentwässerer kann ferner einen mechanischen Entwässerer aufweisen, welcher mechanisch auf das Lebensmittel einwirkt und Zellflüssigkeit aus dem Lebensmittel freisetzt. Der mechanische Teilentwässerer kann beispielsweise eine Pressvorrichtung umfassen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Einfrieren bzw. zum Trocknen von Lebensmitteln kann ferner vor den Schritt des Gefrierens bzw. des Trocknens eine Konditionierung des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes enthalten, welche Konditionierung eine Aufnahme von Substanzen in das Lebensmittel, insbesondere die Lebensmittelzellen, ermöglicht, welche Substanzen die Zellstruktur beeinflussen und/oder stabilisieren. Nicht nur die Struktur des Lebensmittels beeinflussende/stabilisierende Substanzen, sondern jegliche Art von Zusatzstoffen kann auf diese Weise dem Lebensmittel vor dem Gefrieren bzw. Trocknen zugefügt und in die Zellstruktur eingebracht werden. Denkbar sind beispielsweise Zusatzstoffe, die dem Lebensmittel zur Erzielung chemischer, physikalischer oder auch physiologischer Effekte zugemischt werden. Beispielsweise können derartige Zusatzstoffe geschmacksgebend, farbgebend, geruchsgebend, den Gebrauchswert und/oder den Nährwert regulierend, den Gebrauchswert und/oder den Nährwert stabilisierend oder ein Zusatzstoff sein, der eine störungsfreie Weiterverarbeitung des Lebensmittels sicherstellt. Zu Zusatzstoffen, welche den Gebrauchs- bzw. Nährwert regulieren bzw. stabilisieren, zählen insbesondere Zusatzstoffe, welche die chemische und mikrobielle Haltbarkeit verarbeitender Lebensmittel fördern. Zusatzstoffe, welche die störungsfreie Weiterverarbeitung des Nahrungsmittels sicherstellen, sind insbesondere Zusatzstoffe, die technologische Eigenschaften des Nahrungsmittels erhalten bzw. verbessern, beispielsweise die Verbesserung der Backfähigkeit, der Streichfähigkeit, der Rieselfähigkeit oder die Maschinentauglichkeit. Der Wasserentzug kann zeit- und ressourcenschonend dadurch erfolgen, dass ein Unterdruck von wenigstens 3 mbar, vorzugsweise ein Unterdruck von 0,5 bis 2 mbar angelegt wird. Unter einem Unterdruck von wenigstens 3 mbar sind Drücke von 3 oder weniger mbar zu verstehen. In diesem Druckfenster kann der Wasserentzug durch Sublimation bei Temperaturen durchgeführt werden, die einerseits nicht zu niedrig sind, und auf diese Weise unnötige Energie für Unterkühlen des Produktes ausschließen, gleichzeitig aber ausreichend niedrig sind, dass das Produkt zuverlässig gefroren und konserviert werden kann.
Die erfindungsgemäßen Verfahren zum Einfrieren und Trocknen von Lebensmitteln können insbesondere bei frischen Lebensmitteln, wie frischem Obst und Gemüse zur Anwendung kommen. Unter einem frischen Lebensmittel ist dabei ein im Wesentlichen unbehandeltes Lebensmittel zu verstehen, wie man es auch auf einem Wochenmarkt oder im Supermarkt kaufen kann.
Gemäß einer Ausführungsform liegt die Temperatur des Lebensmittels während des gesamten Trocknungsverfahrens stets unter 40 °C. Bevorzugt liegt die Temperatur des Lebensmittels während des Trocknungsverfahrens bis zum Schritt des Entziehens des Wassers stets unter 30° C, vorzugsweise unter Raumtemperatur (etwa 20 °C) und besonders bevorzugt unter 10 °C bzw. Kühlschranktemperatur, was in etwa 7 °C entspricht. In einer Ausführungsform liegt die Temperatur des Lebensmittels während des gesamten Trocknungsverfahrens bis zum Wasserentzug unter bzw. im Bereich der Temperatur der regulären Kühlkette des Lebensmittels. Bei Wasserentzug, beispielsweise Gefriertrocknen, kann die Temperatur dann ansteigen. Bei einem Gefriertrockner mit beheizbaren Stellflächen soll das Produkt zum Ende der Trocknung die Stellflächentemperatur aufweisen, liegt diese beispielsweise bei über 30 °C so sollte auch das Produkt am Ende diese Temperatur aufweisen.
Bei der Behandlung von hohlen Lebensmitteln kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform das Lebensmittel vor dem Konditionieren geöffnet werden. Unter einem hohlen Lebensmittel ist ein Lebensmittel zu verstehen, das einen mit Luft gefüllten Hohlraum umfasst, wie es beispielsweise bei vielen Schotenfrüchten, Paprika oder Peperoni, um einige zu nennen, der Fall ist.
Schließlich kann, gemäß einer weiteren Ausführungsform, das Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln einen Nachtrocknungsschritt aufweisen, der auf den Schritt des Entziehens von Wasser während des Unterdrucks folgt. Der Nachtrocknungsschritt ist eine Option, wenn man ein konserviertes Lebensmittel mit minimaler Restfeuchte anstrebt. Die Nachtrocknung kann beispielsweise als Desorption durchgeführt werden, um absorptiv gebundenes Wasser zu entfernen. Die Nachtrocknung kann beispielsweise bei sehr geringen Drücken von weniger als 0,01 , vorzugsweise von weniger als 0,001 mbar erfolgen. Dabei können Hilfsstoffe, beispielsweise Desorptionsmittel eingesetzt werden, solange diese lebensmittelverträglich und dem Nachtrocknungsprozess förderlich sind.
Die Konditionierung der Produkte erlaubt zudem ein Einbringen von Substanzen, die den Trocknungsvorgang oder die Produkteigenschaften der getrockneten Produkte beeinflussen. Insbesondere sind hier die Struktur beeinflussende Substanzen wie Calciumverbindungen zur Erzielung einer Härtung der Produktstruktur, Zuckern zur Wasserbindung und Weichmachung oder anderer Stoffe wie Salze, Dickungsmittel oder ähnliche Agenzien vorteilhaft.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand vorteilhafter Ausgestaltungen mit Bezug auf die Zeichnungen und nachfolgenden Versuchsbeispiele beispielhaft näher erläutert. Die dabei dargestellten vorteilhaften Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind jeweils voneinander unabhängig und können beliebig miteinander kombiniert werden, je nachdem, wie es im Anwendungsfall notwendig ist.
Es zeigen:
Fig. 1 ein beispielhaftes Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 2 ein beispielhaftes Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln gemäß einer beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 3 eine beispielhafte Ausführungsform eines Verfahrens zum Trocknen von Lebensmitteln gemäß einer weiteren beispielhaften Ausführungsform;
Fig. 4 eine beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum
Trocknen von Lebensmitteln;
Fig. 5 eine vergleichende Darstellung einer unbehandelten (links) mit einer erfindungsgemäß behandelten (rechts) Paprika nach einer Gefriertrocknung;
Fig. 6 eine vergleichende Darstellung von unbehandelten (links) und erfindungsgemäß behandelten (rechts) Karottenstreifen nach der Gefriertrocknung;
Fig. 7 die Darstellung eines vergleichenden Querschnittes einer unbehandelten (oben) und einer erfindungsgemäß behandelten (unten) Karotte nach der Gefriertrocknung; und Fig. 8 eine vergleichende Darstellung einer tiefgekühlten unbehandelten (oben) mit einer erfindungsgemäß eingefrorenen (unten) Karotte nach dem Einfrieren; und
Fig. 9 eine vergleichende Darstellung einer Karottenscheibe, die einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde, mit einer unbehandelten Karottenscheibe.
Nachfolgend wird ein beispielhaftes Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Fließdiagramm der Fig. 1 vorgestellt.
Das Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse umfasst einen ersten Schritt, in dem das Lebensmittel durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird. Anschließend wird es in einem zweiten Schritt eingefroren. Es hat sich gezeigt, dass durch Konditionieren mittels Anlegen eines elektrischen Feldes die Einfrierung beschleunigt werden kann. So setzt die Eiskristallbildung bei konditionierten Lebensmitteln früher ein als bei Lebensmitteln, die nicht mittels eines elektrischen Feldes behandelt wurden. Auch die Einfriergeschwindigkeit insgesamt, also die Zeitdauer, die erforderlich ist, bis das Lebensmittel vollständig durchgefroren ist, reduziert sich bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Zum Konditionieren kann das Lebensmittel mittels elektrischer Pulse behandelt werden. Dabei kann das Lebensmittel mit wenigstens 2 elektrischen Pulsen, vorzugsweise mit 10 bis 200 und besonders bevorzugt mit 30 bis 50 elektrischen Pulsen konditioniert werden. Bei Anlegen eines elektrischen Feldes von 0,5 bis 2 kV/cm erreicht man einen Energieeintrag von wenigstens 0,15 kJ/kg.
Die erfindungsgemäß behandelten Lebensmittel sind insbesondere Obst und Gemüse, speziell frisches Obst und Gemüse wie es auf einem Wochenmarkt oder im Supermarkt erhältlich ist. Sofern ein hohles Lebensmittel, also ein Lebensmittel, das einen mit Luft gefüllten Hohlraum umfasst, beispielsweise Paprika oder Peperoni, behandelt wird, kann das hohle Lebensmittel vor dem Konditionieren geöffnet werden, um eine negative Beeinträchtigung der Produkteigenschaften zu vermeiden. Durch Lufteinschlüsse können Überschläge bei Anlegen eines elektrischen Feldes auftreten.
Ein beispielhaftes erfindungsgemäßes Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf das Fließschema in Fig. 2 vorgestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln, insbesondere von Obst und Gemüse, umfasst den Schritt des Konditionierens des Lebensmittels durch Anlegen eines elektrischen Feldes. Dieser Schritt kann im Wesentlichen analog zum Anlegen eines elektrischen Feldes, wie es im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln des Fließschemas gemäß Fig. 1 beschrieben wurde, durchgeführt werden.
Nachdem das Lebensmittel durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wurde, wird das Lebensmittel einem Unterdruck ausgesetzt. Anschließend wird das Lebensmittel getrocknet, es wird ihm also während des Unterdrucks Wasser entzogen.
Die Trocknung kann insbesondere durch Sublimation erfolgen, einer besonders schonenden Art der Trocknung. Der angelegte Unterdruck kann vorzugsweise weniger als 3 mbar, vorzugsweise weniger als 1 mbar betragen.
Nachfolgend wird ein beispielhaftes Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf das Fließschema der Fig. 3 vorgestellt.
Das Verfahren gemäß Fließschema aus Fig. 3 entspricht im Wesentlichen dem Verfahren der Ausführungsform gemäß Fig. 2, enthält allerdings den zusätzlichen Schritt, dass das Lebensmittel vor Anlegen des Unterdrucks eingefroren wird. Beispielsweise kann das Lebensmittel auf unter -18 °C zum Einfrieren abgekühlt werden, was auf einfache Weise in einem handelsüblichen Tiefkühlschrank erfolgen kann. Der abschließende Trocknungsschritt kann dadurch optimiert und die Restfeuchte auf ein Mindestmaß reduziert werden, dass das Lebensmittel vor Anlegen des Unterdrucks vollständig durchgefroren ist, das heißt, dass das Wasser des Lebensmittels nicht nur äußerlich, sondern auch im Inneren des Lebensmittels komplett in die Festphase überführt wird.
Die Produkteigenschaften des frischen Lebensmittels können besonders gut dadurch im zu konservierenden Lebensmittel beibehalten werden, dass die Temperatur des Lebensmittels während des gesamten Trocknungsverfahrens unter 30 °C, vorzugsweise unter Raumtemperatur und besonders bevorzugt unter 10 °C liegt. In einer Ausführungsform kann die Kühlkette des Lebensmittels bei Durchführen der erfindungsgemäßen Verfahren nicht unterbrochen werden, was die Produktqualität positiv beeinflusst und die Haltbarmachung der Lebensmittel fördert.
Eine beispielhafte Vorrichtung zur Trocknung von Lebensmitteln gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ist beispielhaft in Fig. 4 gezeigt.
Die in Fig. 2 gezeigte Vorrichtung 1 zur Trocknung von Lebensmitteln 2, beispielhaft als Kreise dargestellt, umfasst eine Unterdruckkammer 3, eine Vakuumpumpe 4 zur Erzeugung eines Un- terdrucks in der Unterdruckkammer 3, einen Verflüssiger 5, der über ein verschließbares Ventil 6 mit der Unterdruckkammer 3 verbunden ist. Die Vorrichtung 1 umfasst ferner einen Kondensator zur Erzeugung eines elektrischen Feldes in einer Konditionierungskammer 8. Die Vakuumpumpe ist über eine Saugleitung 9 mit der Unterdruckkammer 3 verbunden. Das verschließbare Ventil 6 ist in einer Verbindungsleitung 10, die den Verflüssiger 5 mit der Unterdruckkammer 3 fluidisch verbindet, angeordnet.
Der Kondensator 7 der gezeigten Ausführungsform umfasst Elektroden 1 1 , die über Energieleitungen 12 mit einer Spannungsquelle 13 verbunden sind. In der gezeigten Ausführungsform sind die beiden Elektroden 1 1 des Kondensators 7 an sich gegenüberliegenden Seiten und parallel zueinander angeordnet. Bei einer derartigen Elektrodenanordnung kann ein homogenes elektrisches Feld erzeugt werden. Es sind allerdings auch andere Varianten der Elektrodenanordnung denkbar, beispielsweise eine koaxiale oder kollineare Anordnung.
Als Spannungsquelle 13 kann ein Impulsgenerator 29, beispielsweise ein Hochspannungsimpulsgenerator wie ein Marx-Generator eingesetzt werden, mit dem elektrische Impulse einer hohen Spannung im Kilovoltbereich mit einer kurzen Dauer im Mikro- bis Millisekundenbereich generiert werden können.
Die Spannungsquelle 13 ist über eine Steuerleitung 14 mit einer zentralen Steuereinheit 15 verbunden, welche die Spannungsquelle 13 steuert. In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 1 eine Transportvorrichtung 16, welche das Lebensmittel 2 der Konditionierungskammer 8 zuführt und das konditionierte Lebensmittel 2 aus der Konditionierungskammer 8 abtransportiert und zur Unterdruckkammer 3 fördert.
In der gezeigten Ausführungsform ist die Transportvorrichtung 16 ein Förderband 17, welches von einem Motor 18 angetrieben wird. Die Transportvorrichtung 16 fördert das Lebensmittel 2 kontinuierlich durch die Konditionierungskammer 8 zwischen den Elektroden 1 1 hindurch. Beim Transport des Lebensmittels 2 durch die Konditionierungskammer 8 wird das Lebensmittel 2 durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert. Selbstverständlich kann der Transport des Lebensmittels 2 auch nicht kontinuierlich bzw. intermittierend durchgeführt werden.
Der Motor 18 ist über eine Motorsteuerleitung 19 mit der zentralen Steuereinheit 15 verbunden, so dass die Steuereinheit 15 die Transportgeschwindigkeit der Transportvorrichtung 16 steuert.
Das konditionierte Lebensmittel 2 wird in die Unterdruckkammer 3 überführt, was in Fig. 4 durch einen Pfeil angedeutet ist. In der Unterdruckkammer 3 wird das konditionierte Lebensmittel 2 einem Unterdruck ausgesetzt und ihm anschließend, vorzugsweise durch Sublimation, Wasser entzogen, das Lebensmittel wird also gefriergetrocknet. Bei der Gefriertrocknung wird das zu trocknende Lebensmittel zunächst gefroren. Das Wasser geht vom flüssigen in den festen Zustand über und wird anschließend vom festen Zustand direkt in den gasförmigen Zustand überführt, es wird sublimiert.
In der gezeigten Ausführungsform umfasst die Unterdruckkammer daher eine Kühlvorrichtung 20, welche die Temperatur in der Unterdruckkammer absenkt, vorzugsweise auf mindestens -18 °C. Die Kühlvorrichtung 20 ist in der gezeigten Ausführungsform über eine Kühlsteuerleitung 21 ebenfalls mit der zentralen Steuereinheit 15 verbunden und wird von dieser gesteuert.
Bei der beispielhaften Vorrichtung 1 , die in Fig. 4 gezeigt ist, findet sowohl das Einfrieren als auch das Aussetzen des Unterdrucks in der Unterdruckkammer 3 statt. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Kühlvorrichtung 20 und eine separate Unterdruckkammer 3 vorzusehen. Beispielsweise könnte die Kühlvorrichtung 20 am Ende der Transportvorrichtung 16, also dort, wo die Übergabe von Transportvorrichtung 16 in die Unterdruckkammer 3 erfolgt, vorgesehen sein, um das Lebensmittel schnell auf die erwünschte Temperatur einzufrieren. Denkbar sind auch Ausgestaltungen, bei denen die Unterdruckkammer 3 mit einer Kühlvorrichtung 20 versehen ist, welche die Temperatur in der Unterdruckkammer auf eine für die Sublimation erwünschten niedrigen Temperatur hält, und zusätzlich eine weitere Kühlkammer, in welcher das konditionierte Lebensmittel 2 schnell und energieeffizient eingefroren werden kann, unmittelbar bevor es in die Unterdruckkammer 3 überführt wird.
Um die Sublimation in der Unterdruckkammer 3 in Gang zu setzen, weist die Unterdruckkammer ferner eine Behandlungsfläche 22 auf, auf welcher das Lebensmittel 2 in der Unterdruckkammer 3 platziert wird. Die Behandlungsfläche 22 ist thermisch mit einer Sublimierungsvorrich- tung 23 gekoppelt, beispielsweise einem Sublimationswärmetauscher 24, welcher dem Lebensmittel 2 die für die Sublimation erforderliche thermische Energie zuführt. Die Sublimie- rungsvorrichtung 23 kann über eine Sublimationssteuerleitung 25 ebenfalls mit der zentralen Steuereinheit 15 verbunden und von dieser gesteuert werden.
Der Verflüssiger 5 ist ein Apparat, in welchem das gasförmige sublimierte Wasser, welches dem Lebensmittel 2 entzogen wurde, in den flüssigen Aggregatzustand überführt wird. Dazu kann der Verflüssiger 5 eine oder mehrere Kühlschlangen 26 enthalten, die beispielsweise mit Sili- konöl gefüllt sind, und das dem Lebensmittel 2 entzogene Wassergas abkühlen. Die übrigen Elemente des Kühlkreislaufs 27 des Verflüssigers 5 sind schematisch als Block in Fig. 4 darge- stellt. Der Verflüssiger 5 ist über eine Verflüssigersteuerleitung 28 ebenfalls mit der zentralen Steuereinheit 15 verbunden.
Auch wenn es in Fig. 4 nicht explizit gezeigt ist, können selbstverständlich in jeder der Kammern, also der Unterdruckkammer 3, dem Verflüssiger 5 und der Konditionierungskammer 8 Messvorrichtungen, beispielsweise Thermometer und/oder Manometer vorgesehen sein, welche die aktuell herrschenden Bedingungen in der entsprechenden Kammer erfassen und an die Steuereinheit 15 ausgeben, welche diese Messwerte auswertet und die Bedingungen in den Kammern entsprechend steuert.
Die beispielhaft in Fig. 4 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung kann weitere, in Fig. 4 nicht dargestellte Komponenten umfassen. So kann die Vorrichtung beispielsweise ferner einen Vor- entwässerer umfassen, der beispielsweise zwischen die Konditionierungskammer und die Unterdruckkammer zwischengeschaltet ist. In dem Vorentwässerer kann das aus der Konditionierungskammer austretende Lebensmittel so teilentwässert werden, dass austretende Zellflüssigkeit entfernt wird, bevor das Lebensmittel in die Unterdruckkammer gelangt. Dadurch wird die effektiv zu entfernende Flüssigkeitsmenge reduziert und der Trocknungsprozess insgesamt beschleunigt.
Nachfolgend werden anhand einiger konkreter Versuchsergebnisse beispielhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.
Versuch 1 : Einfluss einer Konditionierung durch Anwenden eines elektrischen Feldes auf die ProdukteigenschaftenZ-qualität von Obst und Gemüse während des Gefrierprozesses.
Es wurde der Effekt von PEF (gepulsten elektrischen Feldern) auf die ProdukteigenschaftenZ- qualität beim Gefrieren untersucht. Ziel war es zu klären, ob das mit PEF behandelte Produkt beim Gefrieren bessere Produkteigenschaften/qualität aufweist, als das unbehandelte Produkt. getestete PEF settings: E=1.07 kV/cm
W= >0,15 kJ/kg (abhängig vom Produkt)
Pulsdauer: 5-50 [ sec
Frequenz: 2 Hz
Untersucht: es wurden verschiedenes Obst und Gemüse-Sorten einer PEF-Behandlung unterzogen und anschließend im Froster bei min. -18 °C eingefroren. Diese behandelten Proben wurden während des Gefrierprozesses mit dem unbehandelten Produkt verglichen. Untersucht wurden Bananen, Karotten, Paprika, Kiwi und Erdbeeren.
Prozessablauf
Das Obst und Gemüse stammte aus einem lokalen Supermarkt. Dieses wurde von groben Verschmutzungen befreit und somit für die weitere Verarbeitung vorbereitet. Produkte, die von innen hohl sind (z.B. Paprika), wurden vor der PEF-Behandlung halbiert, so dass es durch die Lufteinschlüsse nicht zu Überschlägen kam.
100 g der Produkte, die mit PEF behandelt werden sollten, wurden in die Behandlungskammer gelegt. Diese war mit 5 I Leitungswasser (22 °C) gefüllt war. Produkte, die aufgrund Ihrer Struktur schwammen, wurden mit einem Deckel unter Wasser gedrückt. Je nach Produkt wurden das Obst und Gemüse mit unterschiedlich starken Energieeinträgen behandelt. Das unbehandelte Produkt, wurde ebenfalls einmal in ein Wasserbad getaucht, um diesen Einfluss auszuschließen. Banane: 0,175 kJ/kg, 1 ,07 kV/cm; Paprika: 1 ,0 kJ/kg, 1 ,07 kV/cm; Karotte: 1 kJ/kg, 1 ,07 kV/cm; Kiwi: 0,5 kJ/kg, 1 ,07 kV/cm; Erdbeere: 0,5 kJ/kg, 0,25 kV/cm.
Anschließend wurde, sowohl das behandelte, als auch das unbehandelte Obst und Gemüse in kleine Stücke geschnitten und einlagig auf Tabletts gelegt. Diese Tabletts wurden nun, zusammen mit dem Produkt, im Freezer (min. -18 °C) für mehrere Stunden (bis Tagen) eingefroren.
Ergebnisse
Während des Gefrierprozesses konnte festgestellt werden, dass die Proben, welche mit PEF behandelt wurden, früher und flächendeckend Eiskristalle auf der Oberfläche bildeten, als solche, welche keiner PEF Behandlung unterzogen wurden.
Wie in Fig. 8 zu erkennen ist, hat sich beim Einfrieren der erfindungsgemäß behandelten Karotten ein Wasserfilm auf der Oberfläche gebildet, der eine nahezu komplette Eisschicht ausbildet. Bei den unbehandelten, nicht erfindungsgemäßen Proben, die keinem elektrischen Feld ausgesetzt wurden, sind dagegen lediglich einzelne Eiskristalle an der Oberfläche erkennbar.
Wie in Fig. 9 zu erkennen ist, kann die Konditionierung von Lebensmitteln durch Anlegen eines elektrischen Feldes Zellflüssigkeit an der Oberfläche des Lebensmittels freisetzen. In Fig. 9 ist eine unbehandelte Karottenscheibe gezeigt, an deren Oberfläche keine Flüssigkeit zu erkennen ist (links). Die rechte Karottenscheibe der Fig. 9 wurde durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert. Die PEF-Behandlung führte dazu, dass Zellflüssigkeit austritt und sich an der Oberfläche ansammelt. Dies erklärt auch, wieso sich beim Einfrieren auf den Karotten eine komplette Eisschicht an Oberfläche ausbildet.
Versuch 2: Einfluss der Konditionierung von Lebensmitteln durch Anlegen eines elektrischen Feldes auf die ProdukteigenschaftenZ-qualität während eines Trocknungsprozesses, hier eines Gefriertrocknungsprozesses.
Es wurde der Effekt von PEF auf die Produkteigenschaften/-qualität beim Gefriertrocknungs- prozess untersucht. Ziel war es zu klären, ob das mit PEF behandelte Produkt nach der Gefriertrocknung bessere Produkteigenschaften/qualität aufweist, als das unbehandelte Produkt. getestete PEF settings: E=1.07 kV/cm
W= >0,15 kJ/kg (abhängig vom Produkt)
Pulsdauer: 5-50 [ sec
Frequenz: 2 Hz
Untersucht: es wurden verschiedenes Obst und Gemüse-Sorten einer PEF-Behandlung unterzogen und nach der Gefriertrocknung mit dem unbehandelten Produkt verglichen. Untersucht wurden Bananen, Paprika und Karotten.
Prozessablauf
Das Obst und Gemüse stammte aus einem lokalen Supermarkt. Dieses wurde von groben Verschmutzungen befreit und somit für die weitere Verarbeitung vorbereitet. Produkte, die von innen hohl sind (z.B. Paprika), wurden vor der PEF-Behandlung halbiert, so dass es durch die Lufteinschlüsse nicht zu Überschlägen kam.
100 g der Bananen bzw. 500 g Paprika, die mit PEF behandelt werden sollten, wurden in die Behandlungskammer gelegt. Diese war mit 5 I Leitungswasser (22 °C) gefüllt war. Produkte, die aufgrund Ihrer Struktur schwammen, wurden mit einem Deckel unter Wasser gedrückt. Je nach Produkt wurden das Obst und Gemüse mit unterschiedlich starken Energieeinträgen behandelt (Banane brauchte weniger als 0,5 kJ/kg, während eine Karotte mehr als 1 kJ/kg benötigte). Das unbehandelte Produkt, wurde ebenfalls einmal in ein Wasserbad getaucht, um diesen Einfluss auszuschließen. Banane; 0,175 kJ/kg bei 1 ,07 kV/cm; Paprika: 1 kJ/kg, 1 ,07 kV/cm; Karotte: 1 kJ/kg bzw. 1 ,5 kJ/kg bei 1 ,07 kV/cm.
Anschließend wurde, sowohl das behandelte, als auch das unbehandelte Obst und Gemüse in kleine Stücke geschnitten und einlagig auf Tabletts gelegt. Diese Tabletts wurden nun, zusam- men mit dem Produkt, im Freezer (min. -18 °C) für mehrere Stunden (bis Tagen) eingefroren. Entscheidend für den weiteren Prozess war, dass die Proben durchgefroren waren.
Nach dem Durchfrieren, wurden die Proben auf das dafür vorgesehene Stativ gelegt und gefriergetrocknet. Es wurden zwei verschiedene Versuchsreihen der Gefriertrocknung durchgeführt. In der ersten Versuchsreihe wurden die Proben im Alpha 1-2 DL plus Gefriertrockner (Martin Christ) für 15 h bei einem Sollwert von 1 mbar getrocknet. Bei unvollständiger Trocknung nach dieser Zeit, wurde ein Nachtrocknungsprozess gestartet, der für weitere 5 h mit einem Sollwert von 0,0010 mbar lief. In der zweiten Versuchsreihe der Gefriertrocknung wurden die Proben in Alpha 1-3 LSD plus Gefriertrocknung (Martin Christ) mit 0,5 mbar auf beheizbaren Stellflächen einer Stellflächentemperatur von 30 °C getrocknet, bis die Produkttemperatur die Stellflächentemperatur erreicht.
Ergebnisse
Beim Vergleich der Proben, PEF behandelt und unbehandelt, konnten nach dem Gefriertrock- nungsprozess einige optische und strukturelle Unterschiede festgestellt werden. Bei den beiden Versuchsreihen zur Gefriertrocknung wurden dieselben Ergebnisse erzielt.
So war im Fall der Paprika die gefriergetrocknete, mit PEF behandelte Probe deutlich schneller trocken, als das unbehandelte Vergleichsmaterial. Dieses war nach derselben Zeit (15 h) mittig noch immer gefroren bzw. feucht. Auch optisch unterschieden sich die beiden Proben deutlich voneinander. Die mit PEF behandelte Probe blieb über den gesamten Trocknungsverlauf formstabil und ähnelte dem ungetrockneten Rohprodukt, während die unbehandelte Probe während der Trocknung schrumpfte und in sich zusammen fiel (siehe Fig. 5). Die Gefriertrocknungszeit von Paprika konnte mit dem erfindungsgemäßen Verfahren im Vergleich zum unbehandelten Vergleichsmaterial um 10 Stunden verkürzt werden.
Fig. 5 zeigt den Vergleich einer unbehandelten (links) und einer mit PEF-behandelten (rechts) Paprika nach der Gefriertrocknung (E=1.07 kV/cm, 1 kJ/kg).
Auch bei der Gefriertrocknung von Karotten konnten positive Effekte während der Trocknung erzielt werden. So wiesen die mit PEF behandelten Karotten eine deutlich intensivere orangene Farbe nach der Trocknung auf, als die unbehandelte Referenz (siehe Fig. 6).
Fig. 6 zeigt den Vergleich von unbehandelten (links) mit PEF behandelten (rechts), Karotten nach der Gefriertrocknung (E= 1 .07 kV/cm, 1 kJ/kg). Beim Betrachten der Schnittflächen des getrockneten Guts unter einem Mikroskop konnten die in Fig. 7 dargestellten Strukturen aufgezeichnet werden.
Fig. 7 zeigt den Querschnitt einer Karotte nach der Gefriertrocknung unbehandelt (oben) und mit PEF behandelt (E=1.07 kV/cm, 1 kJ/kg) (unten). Dabei ist deutlich zu erkennen, dass die mit PEF behandelte Probe eine deutlich offenporigere Struktur aufweist, als die unbehandelte Probe. Diese Beobachtung konnte bereits bei den Paprikaversuchen gemacht werden, auch hier wirkte das mit PEF behandelte Produkt schwammartiger.
Beim Verkosten der Proben konnte bei allen Produkten festgestellt werden, dass die mit PEF behandelten Proben knuspriger schmeckten, als das unbehandelte Vergleichsmaterial.
Bezugszeichen Vorrichtung
Lebensmittel
Unterdruckkammer
Vakuumpumpe
Verflüssiger
Ventil
Kondensator
Konditionierungskammer
Saugleitung
Verbindungsleitung
Elektroden
Energieleitungen
Spannungsquelle
Steuerleitung von 13
Steuereinheit
Transportvorrichtung
Förderband
Motor
Motorsteuerleitung
Kühlvorrichtung
Kühlsteuerleitung
Behandlungsfläche
Sublimierungsvorrichtung
Sublimationswärmetauscher
Sublimationssteuerleitung
Kühlschlange
Kühlkreislauf
Verflüssigersteuerleitung
Impulsgenerator

Claims

Ansprüche
1 . Verfahren zum Einfrieren von Lebensmitteln (2), insbesondere von Obst und Gemüse, wobei das Lebensmittel (2) vor oder während des Einfrierens durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird.
2. Verfahren zum Trocknen von Lebensmitteln (2), insbesondere von Obst und Gemüse, wobei das Lebensmittel (2) einem Unterdruck ausgesetzt und dem Lebensmittel (2) während des Unterdrucks Wasser entzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) vor dem Entziehen des Wassers durch Anlegen eines elektrischen Feldes konditioniert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) vor Anlegen des Unterdrucks eingefroren, vorzugsweise auf unter -18°C abgekühlt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) vor Anlegen des Unterdrucks vollständig durchgefroren wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) gemäß dem Verfahren nach Anspruch 1 eingefroren wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) mittels elektrischer Pulse konditioniert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lebensmittel (2) mit wenigstens 2 elektrischen Pulsen, vorzugsweise mit 10 bis 200 und besonders bevorzugt mit 30 bis 50 elektrischen Pulsen konditioniert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass beim Kon- ditionieren ein Energieeintrag von wenigstens 0,15 kJ/kg erfolgt und/oder ein elektrisches Feld von 0,5 bis 2 kV/cm angelegt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Le- bensmittel (2) nach dem Schritt des Konditionierens vorentwässert wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser durch Sublimation entzogen wird.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Unterdruck von wenigstens 3 mbar, vorzugsweise von wenigstens 1 mbar angelegt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Lebensmittels (2) während des gesamten Trocknungsverfahrens unter 30°C, vorzugsweise unter Raumtemperatur und besonders bevorzugt unter 10°C liegt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohles Lebensmittel (2) vor dem Konditionieren geöffnet wird.
14. Vorrichtung (1 ) zur Trocknung von Lebensmitteln (2) gemäß dem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 13, umfassend:
- eine Unterdruckkammer (3),
eine Vakuumpumpe (4) zur Erzeugung eines Unterdrucks in der Unterdruckkammer (3), und
einen Verflüssiger (5), der über ein verschließbares Ventil (6) mit der Unterdruckkammer (3) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1 ) ferner einen Kondensator (7) zur Erzeugung eines elektrischen Feldes umfasst.
15. Vorrichtung (1 ) gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (7) wenigstens zwei Elektroden (1 1 ) umfasst, die mit einem Impulsgenerator (29) verbunden sind.
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