Geschäumtes, elastisches, protei n-basiertes Produkt, Verfahren zur Foamed, elastic, protein-based product, method for
Herstellung solcher Produkte, insbesondere von pflanzenprotein- und pflanzenfaser-basierten extrudierten Fleischanalogen, Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens sowie Verwendung des Produktes zur Herstellung von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen Manufacture of such products, in particular extruded meat analogues based on plant proteins and plant fibres, apparatus for carrying out such a method and use of the product for the manufacture of meat analogues based on plant proteins
Beschreibung Gattung Description Genus
Die Erfindung betrifft ein geschäumtes, elastisches, protein-basiertes Produkt. The invention relates to a foamed, elastic, protein-based product.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Produktes, mit definiert eingestelltem Porenöffnungsgrad. Furthermore, the invention relates to a method for producing such a product with a defined degree of pore opening.
Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention.
Schließlich betrifft die Erfindung eine Verwendung des erfindungsgemäßen Produktes als Hauptkomponente zum Herstellen von Pflanzenprotein basierten Fleischanalogen.
Stand der Technik Finally, the invention relates to the use of the product according to the invention as the main component for producing meat analogs based on plant proteins. State of the art
Viskose Massen können in Extrudern aufgeschäumt werden, in dem unter Atmosphärenoder Überdruck Gas zudosiert, gemischt/dispergiert und/oder unter Überdruck teilweise bis vollständig gelöst, nachfolgend durch Druckentspannung wieder freigesetzt wird und in der viskosen Masse schaumbildend teilweise bis vollständig eingebunden bleibt /1 ,2/. Viscous masses can be foamed in extruders, in which gas is metered in under atmospheric or excess pressure, mixed/dispersed and/or partially or completely dissolved under excess pressure, is then released again by pressure relief and remains partially or completely incorporated in the viscous mass to form a foam /1,2 /.
Eine weitere bekannte Möglichkeit bietet der Zusatz von Schäumungsmitteln, welche in Folge chemischer/physikochemischer und/oder thermischer Reaktion ein Gas bilden, welches ebenso unterstützt durch Misch-/Dispergiervorgänge in die viskose Masse schaumbildend teilweise bis vollständig eingebunden wird. Entsprechende viskose Massen können synthetischer und/oder biologischer Natur sein bzw. auch aus Mischungen solcher bestehen und Basis oder Komponente von Produkten der Lebensmittel-, Kosmetik-, Pharma-, Baustoff-, oder Kunststoffindustrie sein. In Extrudern werden derartig geschäumte viskose Massen von den Extruderschnecken gefördert und durch eine Extruderdüse gepresst. Dabei erfolgt infolge Verengung des Strömungsquerschnittes beim Übergang von Extrudergehäuse zur Extruderdüse ein statischer Druckaufbau, welcher in der Düse bei mehr oder weniger konstant gehaltenen Düsenquerschnitt über die dort herrschenden Strömungsschubspannungen infolge Wandreibung und innerer Fluidreibung wieder bis auf Atmosphärendruck am Extruderdüsenaustritt abgebaut wird. Der Druckaufbau in der Düseneinlaufzone (vor Eintritt in die Düse) komprimiert das in den Schaumblasen eingeschlossene Gas und verkleinert damit die Schaumblasen, der Druckabbau in der Extruderdüse bis auf Austritts-Atmosphärendruck lässt das Gas in den Schaumblasen wieder expandieren und vergrößert damit die Schaumblasen. Größere
Gasblasen lassen sich in der Düsenströmung gegenüber kleineren Gasblasen bei kleineren Strömungsspannungen deformieren und sofern eine kritische Spannung überschritten wird aufbrechen und somit in kleinere Blasen umwandeln. Another known possibility is the addition of foaming agents, which form a gas as a result of a chemical/physicochemical and/or thermal reaction, which is also partly or completely incorporated into the viscous mass with the aid of mixing/dispersing processes to form a foam. Corresponding viscous masses can be of a synthetic and/or biological nature or also consist of mixtures of such and can be the basis or component of products in the food, cosmetics, pharmaceuticals, building materials or plastics industries. In extruders, viscous masses foamed in this way are conveyed by the extruder screws and pressed through an extruder die. As a result of the narrowing of the flow cross-section at the transition from the extruder housing to the extruder nozzle, a static pressure build-up takes place, which in the nozzle is reduced again to atmospheric pressure at the extruder nozzle outlet with the nozzle cross-section being kept more or less constant via the flow shear stresses prevailing there due to wall friction and internal fluid friction. The pressure build-up in the die inlet zone (before entry into the die) compresses the gas trapped in the foam bubbles and thus reduces the size of the foam bubbles, the pressure reduction in the extruder die down to the outlet atmospheric pressure allows the gas in the foam bubbles to expand again and thus enlarges the foam bubbles. bigger Gas bubbles can be deformed in the nozzle flow compared to smaller gas bubbles at lower flow stresses and, if a critical stress is exceeded, they can be broken up and thus converted into smaller bubbles.
In aller Regel ist angestrebt, dass aus der Extruderdüse ein definiert geformter Materialstrang austritt, da mittels der Extruderdüse auch typischerweise die Produktformgebung erfolgt. Häufig ist die Maßhaltigkeit solcher Produkte auch ein wichtiges Qualitätsmaß. Dies wird unter anderem dadurch erreicht, dass eine gleichmäßige laminare Strömung in der Düse realisiert wird, welche einer ebenen Schichtenströmung entspricht. Wird ein geschäumtes Fluidsystem in einer solchen Düsenströmung bewegt, herrscht infolge des typischen parabolischen Strömungsprofils verstärkte Scherung des Fluidsystems an der Düsenwand, wohingegen in der Düsenkanalmitte keinerlei Scherung auftritt. Eine Quervermischung des derartig strömenden Fluidsystems erfolgt nicht (parallele Schichtenströmung), sofern der Düsenkanal keine Strömungshindernisse aufweist. Die maximale in der wandberührenden Fluidschicht vorliegende Wandschergeschwindigkeit (= Geschwindigkeit des betrachteten wandnahen Fluidfilms an seiner der Düsenkanalmitte zugewandten Seite dividiert durch die Fluidfilmdicke) bewirkt in aller Regel die Ausbildung einer wandnahen Grenzschicht. Sofern das Fluidsystem disperse Komponenten beinhaltet, werden diese infolge der in der betrachteten wandnahem Fluidschicht wirksamen Wandschergeschwindigkeit in Rotation versetzt und erfahren durch diese eine dynamische Auftriebskraft (Liftforce), welche eine von der Wand weg in Düsenkanalmitte weisende Separation der dispersen Komponenten bewirkt. Dies gilt grundsätzlich für Feststoffpartikeln /3/ aber auch Gasblasen /4/ und führt zu einer Verarmung der wandnahen Fluidschicht an ebensolchen dispersen Komponenten.
Bei der Extrusion von Fleischanalogen auf Pflanzenproteinbasis wird bevorzugt der Prozess des „High Moisture Extrusion Cooking (HMEC)" eingesetzt. Dieser steht für eine unter hoher Temperatur (bis ca. 170°C) und hohen statischen Drücken (bis ca. 100 bar) erfolgende Extrusion unter Produkt-Wassergehalten von bis ca. 70 Gew.%. In einer unter diesen Konditionen erzeugten wässrigen Protein-Schmelze erfolgt Proteindenaturierung in Form sich bildender Proteinfibrillen, welche in der Extruderdüsen-Einlaufströmung in Folge dort wirksamer Dehnströmungsanteile in Strömungsrichtung orientiert und durch nachfolgende Abkühlung (auf ca. 60°C) in einer langen (> ca. 1 m) Extruder-Kühldüse in diesem orientierten Strukturzustand verfestigt werden. Das abgekühlte Produkt tritt bei typischerweise laminarer Düsenströmung als glatter Strang aus der Extruderdüse. Die orientierten Proteinfibrillen verleihen dem Produkt eine fleischartig faserige Textur /5/. In Folge der langsamen Abkühlung des Produktes in der Extruderdüse wird eine schlagartige Wasserdampfentspannung unterdrückt und die Strukturbildung somit nicht gestört. As a rule, the aim is for a material strand with a defined shape to emerge from the extruder nozzle, since the product is also typically shaped by means of the extruder nozzle. The dimensional accuracy of such products is often also an important quality measure. This is achieved, among other things, by realizing a uniform laminar flow in the nozzle, which corresponds to a planar layered flow. If a foamed fluid system is moved in such a nozzle flow, there is increased shearing of the fluid system at the nozzle wall due to the typical parabolic flow profile, whereas no shearing occurs in the middle of the nozzle channel. Cross-mixing of the fluid system flowing in this way does not occur (parallel layered flow) provided the nozzle channel does not have any flow obstacles. The maximum wall shear rate present in the fluid layer in contact with the wall (= speed of the fluid film close to the wall under consideration on its side facing the center of the nozzle channel divided by the fluid film thickness) usually causes the formation of a boundary layer close to the wall. If the fluid system contains disperse components, these are set in rotation as a result of the wall shear rate effective in the fluid layer close to the wall under consideration and experience a dynamic buoyancy force (lift force), which causes the disperse components to separate away from the wall in the center of the nozzle channel. This applies in principle to solid particles /3/ but also to gas bubbles /4/ and leads to a depletion of the fluid layer close to the wall of such disperse components. When extruding meat analogues based on plant proteins, the "High Moisture Extrusion Cooking (HMEC)" process is preferably used. This means high temperature (up to approx. 170°C) and high static pressure (up to approx. 100 bar). Extrusion under product water contents of up to about 70% by weight In an aqueous protein melt produced under these conditions, protein denaturation takes place in the form of protein fibrils that form, which are oriented in the direction of flow in the extruder nozzle inlet flow as a result of stretching flow components that are effective there and as a result of subsequent cooling (to approx. 60°C) in a long (> approx. 1 m) extruder cooling nozzle in this oriented structural state. The cooled product emerges from the extruder nozzle as a smooth strand with typically laminar nozzle flow. The oriented protein fibrils give the product a meaty fibrous texture /5/ As a result of the slow cooling of the product in d The extruder nozzle suppresses a sudden release of water vapor and thus does not disturb the formation of the structure.
Der Stand der Technik hinsichtlich HMEC Extrusionsverfahren zur Herstellung von pflan- zenprotein-basierten Fleischanalogen wird beispielsweise in den Patentschriften US6,635,301 B1 , WO2016/150834 A1 , EP1182937 A4, W02009075135,The prior art with regard to HMEC extrusion processes for the production of plant protein-based meat analogues is described, for example, in patent specifications US6,635,301 B1, WO2016/150834 A1, EP1182937 A4, WO2009075135,
US20050003071 AI , WO2016150834 A1 und US 10,716,319 B2 umfassend beschrieben. US 10,716,319 B2 (Method of making a structured protein composition) wird in technologischer Hinsicht als nächstliegende Beschreibung (closest state of the art) zur in dieser Patentapplikation beschriebenen, erfindungsgemäßen Technologie betrachtet:
(Übersetzte Zusammenfassung aus US 10,716,319 B2): „Die im Extruder erhaltene faserige Zusammensetzung verlässt den Extruder bei einer Temperatur der Zusammensetzung, die höher als die anwendbare Siedetemperatur von Wasser ist (z. B. 100 °C bei atmosphärischem Druck oder niedriger, falls eine Vakuumöffnung verwendet wird). Es wird angenommen, dass dies zu einer Expansion und einem anschließenden Zusammenfallen des texturierten Produkts führt. Es wird ferner angenommen, dass die Expan- sions-/Kollabierungsbehandlung die Faserorientierung stört und somit zur Bildung einer zufälligeren Orientierung der gebildeten Fasern führt. Daneben wird angenommen, dass es zur Bildung von Lufteinschlüssen (auf Mikro- und Makroskala) im texturierten Produkt kommt. Zur Feinabstimmung des Mundgefühls (Biss), der Zartheit und der Saftigkeit kann nach dem Texturierungsprozess das extrudierte Produkt in einer wässrigen Flüssigkeit bei erhöhten Temperaturen, das heißt zwischen 40 und 150°C, bis zu einem endgültigen Feuchtigkeitsgehalt von 50 bis 95% hydratisiert werden. Schneidetests werden am häufigsten verwendet, um die Zartheit der Extrudate zu messen, beispielsweise mittels Warner Bratzler-Scherblatt / / oder Kramer-Scherzelle / /. Das Produkt der Erfindung hat eine heterogene Struktur und ein relativ großes freies Volumen. Dies trägt zu seiner relativ hohen Wasseraufnahmefähigkeit bei. Dies ist von Vorteil, da die Absorption wässriger Flüssigkeiten das Hinzufügen gewünschter Geschmackskomponenten erleichtert und es ermöglicht, das Produkt hinsichtlich Saftigkeit und Biss zu variieren. Eine Infusion in das erfindungsgemäße Extrudat erfolgt in das durch Extrusion erhaltenen feuchte Produkt. Abweichend vom Hintergrund der Technik erfordert das Extrudat der vorliegenden Erfindung kein Trocknen und Rehydratisieren. Es bleibt im Wesentlichen feucht und wird dann durch Infusion weiter mit Wasser oder einer anderen wässrigen Zusammensetzung gefüllt. Das Extrudat hat vorzugsweise einen Wassergehalt von 55 Gew.-% bis 70 Gew.-%.
Die strukturierte pflanzliche Proteinzusammensetzung, die aus der Infusion mit einer wässrigen Flüssigkeit resultiert, weist vorzugsweise einen Wassergehalt von 70 Gew.-% bis 90 Gew.-% auf. Überraschenderweise kann die oben erwähnte Infusion durch eine wässrige Flüssigkeit verbessert werden (das heißt schneller ablaufen und/oder den Einbau von mehr Wasser ermöglichen), wenn das Extrudat zuerst eingefroren (und dann vor der Infusion aufgetaut) wurde. Vorzugsweise liegt die Gefriertemperatur unter -5°C und -15°C." US20050003071 A1, WO2016150834 A1 and US 10,716,319 B2 are comprehensively described. US 10,716,319 B2 (Method of making a structured protein composition) is considered from a technological point of view as the closest description (closest state of the art) to the technology according to the invention described in this patent application: (Translated abstract from US 10,716,319 B2): “The fibrous composition obtained in the extruder leaves the extruder at a temperature of the composition that is higher than the applicable boiling point of water (e.g. 100 °C at atmospheric pressure or lower if one vacuum port is used). It is believed that this leads to expansion and subsequent collapse of the textured product. It is further believed that the expansion/collapse treatment disturbs the fiber orientation and thus leads to the creation of a more random orientation of the formed fibers. In addition, it is assumed that air pockets (on a micro and macro scale) are formed in the textured product. To fine-tune mouthfeel (bite), tenderness and juiciness, after the texturing process, the extruded product can be hydrated in an aqueous liquid at elevated temperatures, i.e. between 40 and 150°C, to a final moisture content of 50 to 95%. Cut tests are most commonly used to measure extrudate tenderness, such as a Warner Bratzler shear blade // or a Kramer shear cell //. The product of the invention has a heterogeneous structure and a relatively large free volume. This contributes to its relatively high water absorption capacity. This is beneficial because the absorption of aqueous liquids makes it easier to add desired flavor components and allows the product to be varied in terms of juiciness and bite. The extrudate according to the invention is infused into the moist product obtained by extrusion. In contrast to the background art, the extrudate of the present invention does not require drying and rehydration. It remains substantially moist and is then further filled with water or other aqueous composition by infusion. The extrudate preferably has a water content of from 55% to 70% by weight. The structured vegetable protein composition resulting from infusion with an aqueous liquid preferably has a water content of from 70% to 90% by weight. Surprisingly, the above-mentioned infusion can be enhanced (ie drain more quickly and/or allow more water to be incorporated) by an aqueous liquid if the extrudate has been frozen first (and then thawed prior to infusion). Preferably the freezing temperature is below -5°C and -15°C."
Die Mikroschäumung hochviskoser und viskoelastischer, teigartiger, Protein- und Nicht- protein-basierter Massen mittels Extrusionsverfahren wird in WO 2017/081271 A1 beschrieben. The microfoaming of highly viscous and viscoelastic, dough-like, protein and non-protein-based masses by means of extrusion processes is described in WO 2017/081271 A1.
Der Stand des Wissens zu Lebensmittel-Schaumsystemen wird beispielsweise in Peter J. Hailing & Pieter Walstra (1981 ) Protein-stabilized foams and emulsions, C R C Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 15:2, 155203, DQI:10.1080 /1040839810952 7315 und in Ashley J. Wilson (1989) Foams: Physics, Chemistry and Structure; Springer- Verlag London, ISBN 978-1-4471-3809-9 beschrieben. The state of knowledge on food foam systems is, for example, in Peter J. Hailing & Pieter Walstra (1981) Protein-stabilized foams and emulsions, C R C Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 15:2, 155203, DQI:10.1080 /1040839810952 7315 and in Ashley J Wilson (1989) Foams: Physics, Chemistry and Structure; Springer Verlag London, ISBN 978-1-4471-3809-9.
Die Herstellung offenporiger Schäume ist aus der Kunststoff-/Schaumstoffindustrie bekannt (N. Mills (2007); Polymer Foams Handbook; Hardcover ISBN: 9780750680 691 ;The production of open-pore foams is known from the plastics/foams industry (N. Mills (2007); Polymer Foams Handbook; Hardcover ISBN: 9780750680 691;
Imprint: Butterworth-Heinemann).
Herkömmliche Extrusionsverfahren, insbesondere Kochextrusionsverfahren im Bereich von Lebensmittel, Baustoff und Tierfutteranwendungen realisieren eine nur in weiten Grenzen und nicht reproduzierbare Porenbildung durch schlagartige Verdampfung von Wasser/Lösungsmittel am Extruderdüsenaustritt. Dabei erfährt das Produkt (Extrudat) die Ausbildung einer schaumartigen Struktur, welche durch die schlagartige Verdampfung des Wassers infolge des Druckabfalls realisiert wird. Imprint: Butterworth-Heinemann). Conventional extrusion processes, in particular cooking-extrusion processes in the field of food, building materials and animal feed applications, produce pores that are only reproducible within wide limits and are not reproducible due to the sudden evaporation of water/solvent at the extruder nozzle outlet. The product (extrudate) experiences the formation of a foam-like structure, which is realized by the sudden evaporation of the water as a result of the pressure drop.
Bei neueren Extrusions-ZKochextrusionsverfahren kann ein aufgeschäumtes Produkt auch mittels Gaszudosierung und Gasdispergierung bzw. Gaslösung und Renukleirung von Gasblasen zu einem in der Schaumstruktur besser kontrollierten Produkt führen. Allerdings sind solche Produkte typischerweise geschlossenporig und bilden bei der Durchströmung durch die Extruderdüse infolge der wandnahen maximalen Scherung eine weitgehend Schaumblasen-ZPoren freie Hautschicht aus. In more recent extrusion/cooking extrusion processes, a foamed product can also lead to a product with a better controlled foam structure by means of gas metering and gas dispersion or gas dissolution and renucleation of gas bubbles. However, such products typically have closed pores and, as they flow through the extruder die, form a skin layer largely free of foam bubbles and pores as a result of the maximum shear near the wall.
Für die Anwendungsfälle der Schaumextrusion ist es zur Einstellung der Produkteigenschaften essentiell die Schaumporenstruktur dahin gehend zu kontrollieren, dass das Verhältnis von geschlossenen und offenen Poren eingestellt werden kann. For foam extrusion applications, it is essential to control the foam pore structure in order to adjust the product properties in such a way that the ratio of closed and open pores can be adjusted.
Offene Poren ermöglichen die in bestimmten Anwendungsfällen, z.B. bei Instantprodukten eine gewünschte schnelle Aufnahme von Flüssigkeit durch Kapillarkräfte, geschlossene Poren sind wünschenswert bei Einstellung von möglichst niedriger Produktdichte, Erhalt eines schaumigen/cremigen Mundgefühls (Lebensmittel) oder Reduktion der Aufnahmegeschwindigkeit von Fluid (Schaumblasen als Stofftransportbarrieren).
Für eine bestimmte Palette an Produkten aus verschiedenen Anwendungsbereichen ist die Einstellbarkeit des Verhältnisses von geschlossenen zu offenen Poren wesentlich für die Ausprägung bestimmter Qualitätsmerkmale. Typische Beispiele dafür sind Fischfutterpellets welche in ihrer Sinkgeschwindigkeit bzw. in ihrem Schwimmverhalten auf bestimmte Fischspezies, welche typischerweise ihre Futteraufnahme vom Grund des Gewässers (aus der Schwebe in bestimmter Gewässertiefe oder schwimmend von der Oberfläche) aufnehmen. Open pores enable the rapid absorption of liquid by capillary forces in certain applications, e.g. in instant products, closed pores are desirable when setting the lowest possible product density, obtaining a foamy/creamy mouthfeel (food) or reducing the absorption rate of fluid (foam bubbles as mass transport barriers). ). For a certain range of products from different areas of application, the adjustability of the ratio of closed to open pores is essential for the development of certain quality features. Typical examples of this are fish feed pellets which, in terms of their rate of sinking or their swimming behavior, point to certain species of fish, which typically take up their feed from the bottom of the water body (from floating at a certain water depth or swimming from the surface).
Keine industriell relevante Lösung liegt bislang vor für Lebensmittelprodukte mit hohem Gehalt an gebundenen Wasser, wie beispielsweise pflanzenproteinbasierte Fleischanaloge, die bis zu > 60% an intermolekularer Wasserbildung aufweisen, um solche einerseits durch definiert einstellbare (i) Mikroschaumbildung und (ii) Verhältnis offener zu geschlossenen Schaumporen in ihrer Konsistenz und damit textursensorisch zu optimieren und andererseits ein einstellbares zusätzliches, insbesondere produktionsrelevant schnelles (Sekundenbereich) Fluidaufnahmevermögen zu realisieren, um z.B. Saftigkeit und bestimmte Weiterbehandlungseigenschaften in z.B. Bratprozessen/Grillprozessen sowie Geschmack-ZAroma und nutritive Funktionalitäten zu optimieren. So far, there is no industrially relevant solution for food products with a high content of bound water, such as plant protein-based meat analogues, which have up to > 60% intermolecular water formation, in order to close such on the one hand through defined adjustable (i) microfoam formation and (ii) ratio more open To optimize the consistency of the foam pores and thus to optimize the sensory texture and, on the other hand, to realize an adjustable, additional, particularly production-relevant, rapid (second range) fluid absorption capacity in order to optimize e.g. juiciness and certain further processing properties in e.g.
Aus der KR 1020200140499 A es bekannt, eine Schaumstruktur zu erzeugen, wobei zufällig Gaseinschlüsse erzeugt werden. Es wird auch vorgeschlagen mittel empirischer Rezepturänderungen eine Veränderung der Gaseinschluss-Schichten und deren Form zu beeinflussen, was aber wiederum nicht gezielt möglich ist. Am Extruderdüsenaustritt entsteht eine stochastische porösen Struktur, welche verfahrenstechnisch kaum beeinflusst werden kann, da es sich um eine unkontrollierte rapide Expansion handelt. Sofern
langkettige elastische Glutenmoleküle vorliegen, wird einer solchen Dampfexpansion verstärkt entgegengewirkt und damit ein weniger expandiertes Produkt erhalten. Diese verfahrenstechnisch nicht kontrollierte Herstellung von porösen Extrudatprodukten wird auf glutenhaltige Fleischanaloge übertragen. It is known from KR 1020200140499 A to produce a foam structure, with random gas inclusions being produced. It is also proposed to influence a change in the gas inclusion layers and their shape by means of empirical formulation changes, which, however, is again not possible in a targeted manner. A stochastic porous structure is created at the extruder nozzle outlet, which can hardly be influenced in terms of process technology, since it is an uncontrolled rapid expansion. Provided long-chain elastic gluten molecules are present, such steam expansion is counteracted to a greater extent and a less expanded product is thus obtained. This technically uncontrolled production of porous extrudate products is transferred to meat analogues containing gluten.
Aus 2020/0060310 A1 ist es vorbekannt, eine poröse Struktur durch „puffing“ zu erzeugen. Hierunter wird eine schlagartige Expansion verstanden, welche nicht hinreichend kontrollierbar ist hinsichtlich der resultierenden Porosität und erst recht nicht hinsichtlich einem definierten Porenöffnungsgrad. It is previously known from 2020/0060310 A1 to produce a porous structure by “puffing”. This is understood to mean a sudden expansion which cannot be adequately controlled with regard to the resulting porosity and certainly not with regard to a defined degree of pore opening.
Aufgaben tasks
Der Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zugrunde, ein geschäumtes Produkt, mit hohem gebundenen Wasseranteil, im Falle extrudierter Fleischanalogie basierend auf einer konzentrierten Pflanzenproteinschmelze mit > 30 Gew.% Pflanzenproteinanteil und > 5 Gew. % Pflanzenfaseranteil sowie einem Gasvolumenanteil im Endprodukt von > 10 Vol.% zu schaffen, wobei das Gasvolumen in Form von Poren/Blasen vorliegt, welche zu einem einstellbaren Anteil als zur Produktoberfläche hin offene Poren vorliegen sollen, um z.B. eine beschleunigte weitere Flüssigkeitsaufnahme, mit in dieser Flüssigkeit beinhalteten sensorisch und/oder nutritiv relevanten Komponenten in das Produkt zu gewährleisten. The invention is initially based on the object of producing a foamed product with a high bound water content, in the case of extruded meat analogy based on a concentrated vegetable protein melt with > 30% by weight vegetable protein content and > 5% by weight vegetable fiber content and a gas volume content in the end product of > 10 vol. % to create, whereby the gas volume is in the form of pores/bubbles, which should be present in an adjustable proportion as pores open to the product surface, e.g. in order to accelerate further liquid absorption, with sensory and/or nutritionally relevant components contained in this liquid in the to ensure product.
Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich derartige Produkte herstellen lassen.
Außerdem liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende, das Verfahren ermöglichende Vorrichtung bereitzustellen. Furthermore, the invention is based on the object of providing a method with which such products can be produced. In addition, the invention is based on the object of providing a corresponding device that enables the method.
Schließlich besteht die Aufgabe ein derartiges Produkt, beispielsweise zum Herstellen von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen/Fleischalternativen, zu verwenden. Finally, there is the object of using such a product, for example for the production of plant protein-based meat analogs/meat alternatives.
Lösung der Aufgabe betreffend ein Produkt Solution of the task concerning a product
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. This problem is solved by the features of patent claim 1.
Einige Vorteile Some advantages
Die erfindungsgemäßen neuen, geschäumten Produkte lassen über die Einstellung des Schaumporenöffnungsgrades eine gekoppelte Einstellung bestimmter sensorischer und nutritiver Attribute als „intrinsische" Eigenschaften dieser Produkte zu, welche für herkömmliche Produkte dieser Kategorie bislang nicht oder in geringem Umfang nur durch Zusatzprodukte (Saucen, Toppings etc.) erzielt werden konnten. Im Falle geschäumter, pflanzenproteinbasierter Fleischanaloge werden somit die für den Konsumenten maßgeblichen (a) sensorischen Qualitätsattribute: Zartheit, Saftigkeit, Knusprigkeit, Fleisch- geschmack/Aroma, (b) nutritiven Funktionalitäten (z.B. durch Einbringung von bioverfügbarem Eisen sowie B-Vitaminen) sowie (c) Convenience Eigenschaften durch Ermöglichung bzw. Verbesserung der Koch-, Brat- und Grillfähigkeit, in abstimmbar einzustellender Weise verfügbar gemacht.
Die Schaumstrukturbildung in einem hochviskosen bis halbfesten Produkt lässt dessen mechanisches Verhalten maßgeblich in Richtung eines leichter deformierba- ren/weicheren Materials beeinflussen. Bei solchen Produkten im Lebensmittelbereich wie sie beispielsweise extrudierte, geschäumte pflanzenproteinbasierte Fleischanaloge darstellen, würde man eine weniger kompakte, harte bzw. „zartere" Konsistenz durch Aufschäumen konstatieren. Sofern es sich um (A) ein geschlossenporiges Schaumsystem handelt, trägt die Kompressibilität des in den Poren eingeschlossenen Gases zum Deformationsverhalten des Schaumproduktes bei. Die elastische Rückdeformation wird bei Wegnahme einer deformierenden Kraft durch die Rückexpansion des in den Poren eingeschlossenen Gases unterstützt, bei hohem Gasvolumenanteil auch dominiert. Bei (B) offenporigen Schäumen kann das in den Poren befindliche Gas bei Deformation der Schaummatrix, abhängig von der Porengröße mehr oder weniger schnell entweichen. Damit dominiert das Deformationsverhalten des die Schaumlamellen bildenden Matrixmaterials das makroskopische Deformationsverhalten des Schaumproduktes. The new, foamed products according to the invention allow, via the setting of the foam pore opening degree, a coupled setting of certain sensory and nutritional attributes as "intrinsic" properties of these products, which have not been possible for conventional products of this category or only to a small extent through additional products (sauces, toppings, etc.). ) could be achieved. In the case of foamed, plant-based protein-based meat analogs, the (a) sensory quality attributes that are relevant for the consumer: tenderness, juiciness, crispiness, meat taste/aroma, (b) nutritional functionalities (e.g. through the introduction of bioavailable iron and B -Vitamins) and (c) convenience properties by enabling or improving the ability to cook, roast and grill, made available in a way that can be adjusted. The formation of a foam structure in a highly viscous to semi-solid product significantly influences its mechanical behavior in the direction of a more easily deformable/softer material. With such products in the food sector, such as extruded, foamed plant protein-based meat analogs, one would state a less compact, hard or "tender" consistency through foaming. If it is (A) a closed-cell foam system, the compressibility of the The gas trapped in the pores contributes to the deformation behavior of the foam product. The elastic recovery is supported by the re-expansion of the gas trapped in the pores when a deforming force is removed, and also dominates with a high proportion of gas volume. In the case of (B) open-pored foams, the gas in the pores can of the foam matrix, escape more or less quickly, depending on the pore size.
Bei geschäumten Lebensmitteln, welche einer maßgeblichen Deformationen durch Beißen und Kauen beim Verzehr derselben unterzogen werden, verstärkt eine geschlossene Schaumporenstruktur (A) die sensorischen Textureindrücke (i) Zartheit (tenderness) aber auch (ii) Gummiartigkeit (gumminess) im Falle fester Strukturen der die Gasblasen umgebenden Schaumlamellen sowie (iii) Kremigkeit (creaminess) im Falle fluider Schaumlamellen Eigenschaften.
Offenporöse, schwammartige Schaumstrukturen (B) lassen die sensorischen Texturattribute (iv) Knusprigkeit (crunchyness) aber auch (v) Sprödigkeit (brittleness) bei festen Schaumlamelleneigenschaften in den Vordergrund treten. Der Fall fluider Schaumlamelleneigenschaften ist bei offenporigen Produktsystemen irrelevant, da ein Zerfließen des Matrixmaterials zu einem Schaum mit geschlossenen Poren führt. In the case of foamed foods, which undergo significant deformation by biting and chewing when consumed, a closed foam pore structure (A) enhances the sensory texture impressions of (i) tenderness but also (ii) gumminess in the case of solid structures of the Foam lamellae surrounding gas bubbles and (iii) creaminess (creaminess) in the case of fluid foam lamellae properties. Open-pored, spongy foam structures (B) allow the sensory textural attributes (iv) crunchyness but also (v) brittleness to come to the fore with firm foam lamellar properties. The case of fluid foam lamellar properties is irrelevant for open-pored product systems, since deliquescence of the matrix material leads to a foam with closed pores.
Bei definiert geschäumten Matrices von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen, welche eine feste Struktur der die Gasblasen umgebenden Schaumlamellen aufweisen, adressieren die Konsumentenwünsche/Konsumentenvorstellungen als sensorische Texturattribute insbesondere Fasrigkeit (fibrousness) verbunden mit Zartheit (tenderness) sowie als weitere wichtige Attribute Saftigkeit (juiciness) und Knackigkeit/Biss/Knusprigkeit (crunchiness), oft auch im Kontext zu bestimmten Zubereitungsverfahren (z.B. Kochen, Braten, Grillen). In the case of defined foamed matrices of plant protein-based meat analogues, which have a fixed structure of the foam lamellae surrounding the gas bubbles, the consumer wishes/consumer ideas address in particular fibrousness as sensory texture attributes combined with tenderness and as other important attributes juiciness and Crispness/bite/crispness (crunchiness), often in the context of certain preparation methods (e.g. boiling, roasting, grilling).
Im Falle solcher geschäumten Fleischanalog-Produkte mit zumindest teilweise offenen Poren lassen sich deren sensorische, nutritive und die Zubereitungs-Convenience betreffenden Eigenschaften maßgeblich dadurch erweitern, dass die Poren des geschäumten Basisproduktes mit funktionellen oderfunktionalisierten Fluiden teilweise oder vollständig gefüllt werden, wobei solche Fluide nach Porenbefüllung auch verfestigen können. Mittels derartiger "Fluidfüllungen" der offenporigen Fleischanalogen lassen sich bestimmte Geschmack und Aroma bezogene sensorische und/oder auch nutritive Produkteigenschaf-
ten sowie gegebenenfalls die Produktstabilität über konservierende Komponenten optimieren. In the case of such foamed meat analog products with at least partially open pores, their sensory, nutritional and preparation convenience properties can be significantly expanded in that the pores of the foamed base product are partially or completely filled with functional or functionalized fluids, such fluids after pore filling can also solidify. By means of such "fluid fillings" of the open-pored meat analogues, specific taste and aroma-related sensory and/or nutritional product properties can be ten and, if necessary, optimize the product stability with preserving components.
Die Befüllung offener Poren kann beispielsweise durch Kapillarkräfte erfolgen, welche bei abgestimmten Benetzungseigenschaften der Füllfluidphase in Folge der Ausbildung eines kapillaren Unterdruckes das Fluid einsaugen lassen. Da sich derartige Kapillarkräfte umgekehrt proportional zum Porendurchmesser verhalten, sind kleine Porendurchmesser im Bereich < ca. 500 Mikrometer zu bevorzugen. The filling of open pores can take place, for example, by capillary forces which, given coordinated wetting properties of the filling fluid phase, allow the fluid to be sucked in as a result of the formation of a capillary negative pressure. Since such capillary forces are inversely proportional to the pore diameter, small pore diameters in the range <approx. 500 micrometers are preferable.
Der Erfindungsgegenstand legt eine wie vorab beschriebene HMEC Technologie zur bevorzugten Herstellung von pflanzenprotein-basierten Fleischanalogen zugrunde, wobei diese Technologie maßgeblich ergänzt wird durch Kombination mit einem Mikro-Schäu- mungsprozess, welcher im Extruder erfolgt und in vergleichbarer Weise, bezogen auf die Herstellung geschäumter Backwaren in 121 beschrieben wurde. Dabei wird eine definiert dosierte Gasmenge (z.B. N2, CO2) in der wässrigen Proteinschmelze im Extruder unter dem dort eingestellten hohen Druck zunächst gelöst und anschließend unter Druckabsenkung in der Extruderkühldüse wieder entspannt. Dabei werden am Anfang der Extruderdüse Gasblasen nukleiert und im weiteren Verlauf der Düsenströmung unter fortschreitender Druckentspannung vergrößert und somit eine Schaumstruktur gebildet.
Im Weiteren wird in der Beschreibung des vorliegenden Erfindungsgegenstandes von dieser Aufschäumtechnologie und deren Übertragbarkeit auf die Herstellung von somit geschäumten Fleischanalogen, hergestellt mittels HMEC Technologie, ausgegangen. Der produktbezogene Fokus des nachfolgend beschriebenen Erfindungsgegenstandes liegt auf den pflanzenprotein-basierten (geschäumten) Fleischanalogen, welche durch Einsteilbarkeit des Verhältnisses von geschlossenen zu zur Produktoberfläche hin offenen Poren/Porenkanälen innovative Einstellmöglichkeiten sensorischer und nutritiver Produktcharakteristika von maßgeblicher Konsumentenrelevanz verfügbar machen. The subject of the invention is based on a HMEC technology as described above for the preferred production of plant protein-based meat analogues, with this technology being significantly supplemented by a combination with a micro-foaming process, which takes place in the extruder and in a comparable manner, based on the production of foamed baked goods was described in 121. A defined amount of gas (e.g. N2, CO2) is first dissolved in the aqueous protein melt in the extruder under the high pressure set there and then released again by reducing the pressure in the extruder cooling nozzle. Gas bubbles are nucleated at the beginning of the extruder nozzle and enlarged as the nozzle flow progresses with progressive pressure release, thus forming a foam structure. Furthermore, the description of the present subject matter of the invention is based on this foaming technology and its transferability to the production of meat analogues foamed in this way, produced using HMEC technology. The product-related focus of the subject matter of the invention described below is on the plant protein-based (foamed) meat analogues, which make available innovative adjustment options for sensory and nutritional product characteristics of significant consumer relevance through the adjustability of the ratio of closed to the product surface open pores/pore channels.
Die bei der Herstellung von Fleischanalogen beginnende wandnahe Abkühlung des Produktstromes aus dem HMEC Extruder am Eintritt in die Extruderdüse lässt unter dem dort noch herrschenden hohen Druck und der in Düsenwandnähe bereits merklich abgesenkten Temperatur (von typischerweise ca. 140-160°C auf ca. 90°C) in Folge der bei tieferer Temperatur verbesserten Gaslöslichkeit weniger Schaumblasen in Düsenwandnähe entstehen. The cooling of the product flow from the HMEC extruder close to the wall at the entrance to the extruder nozzle, which begins during the production of meat analogues, allows under the still prevailing high pressure and the already noticeably reduced temperature near the nozzle wall (from typically approx. 140-160°C to approx. 90 °C) as a result of the improved gas solubility at lower temperatures, fewer foam bubbles form near the nozzle wall.
Die (i) hohe Scherung der abkühlenden, geschäumten Proteinschmelze in Düsenwandnähe unterstützt zusätzlich zum benannten Effekt der (ii) verbesserten Gaslöslichkeit eine (iii) Gasblasenverarmung durch Strömungseffekte (dyn. Auftriebskräfte) in der Düsenwandzone. Die damit an Gasblasen teilweise bis gänzlich verarmte "Hautschicht" des extrudierten geschäumten Fleischanalog-Stranges schirmt innere Schaumporen von der Umgebung ab. Da in Folge der typischerweise langsamen Produktabkühlung in bei der
Fleischanalog-HMEC Extrusion verwendeten langen gekühlten Extruderdüsen am Düsenaustritt keine signifikante Restdruckentspannung mehr erfolgt, bleibt eine wie beschrieben gebildete Produkthautschicht geschlossen erhalten. Für die mikro-geschäum- ten Produkte bedeutet dies das Vorliegen eines geschlossenen Schaumporensystems. The (i) high shear of the cooling, foamed protein melt in the vicinity of the nozzle wall supports, in addition to the named effect of (ii) improved gas solubility, a (iii) reduction in gas bubbles due to flow effects (dynamic buoyancy forces) in the nozzle wall zone. The "skin layer" of the extruded, foamed meat-analog strand, which is partially or completely depleted of gas bubbles, shields inner foam pores from the environment. As a result of the typically slow product cooling in the Fleischanalog-HMEC Extrusion used long cooled extruder nozzles no more significant residual pressure relaxation occurs at the nozzle outlet, a product skin layer formed as described remains closed. For the micro-foamed products this means the presence of a closed foam pore system.
Für eine Mehrzahl von Anwendungen bzw. Produktendformaten ist es vorteilhaft, offene schwammartige Porensysteme zu erzeugen, welche in der Lage sind Flüßigkeiten durch nach außen geöffnete Poren in die poröse (schwammartige) Produktmatrix aufzunehmen. In solcher Form aufgenommene Fluide können mit der Matrixstruktur wechselwirken, Fluidcharakter beibehalten oder auch verfestigen bzw. teilverfestigen unter einzustellenden Rahmenbedingungen (z.B. Temperatur). Beispielsweise könnten für mit derartiger offenporiger Porosität ausgestattete Lebensmittelsysteme Flüßigkeiten aufnehmen, welche dem entsprechendem Lebensmittel Saftigkeit verleihen. Für Baustoffe entsprechender Porenstruktur könnten geeignete Fluidsysteme zur Imprägnierung verbesserte Beständigkeit gegen Schimmel-/Pilzbefall oder Schadinsekten bewirken. Für Anwendungen bei der Wundheilung kann entsprechend offenporig porös strukturiertes Abdeckmaterial mit Fluiden zur Desinfektion oder die Wundheilung fördernden Fluidkomponenten getränkt sein. For a number of applications or final product formats, it is advantageous to create open, spongy pore systems which are able to absorb liquids through outwardly open pores in the porous (spongy) product matrix. Fluids absorbed in such a form can interact with the matrix structure, retain fluid character or solidify or partially solidify under the framework conditions to be set (e.g. temperature). For example, food systems equipped with such open-pored porosity could absorb liquids that impart juiciness to the food in question. For building materials with a corresponding pore structure, suitable fluid systems for impregnation could result in improved resistance to mould/fungus infestation or harmful insects. For applications in wound healing, covering material with a correspondingly open-pored, porous structure can be impregnated with fluids for disinfection or fluid components that promote wound healing.
Vor diesem Hintergrund besteht anwendungsspezifisch großes Interesse in Extrusionsverfahren geschäumte Produktsysteme hinsichtlich ihrer Porenstruktur gezielt einzustellen.
Demgemäß adressiert der erfindungsgemässe Gegenstand eine Technologie zur Einstellung des Verhältnisses von geschlossenen Poren/Blasen zu offenen zur Produktoberfläche hin geöffneten Poren/Porenkanälen. Mechanistisch kann dies grundsätzlich auch durch die Verbindung ursprünglich geschlossener Schaumblasen/Poren realisiert werden, sofern diese in definierter Weise zur Koaleszenz bzw. Ausbildung von Verbindungskanälen zwischen denselben sowie an die Produktoberfläche, ohne maßgeblichen Verlust an Gesamtgasvolumenfraktion und Feinporigkeit, gebracht werden können. Against this background, there is great interest in adjusting the pore structure of foamed product systems in an application-specific manner in extrusion processes. Accordingly, the subject of the invention addresses a technology for adjusting the ratio of closed pores/bubbles to open pores/pore channels that are open towards the product surface. In principle, this can also be achieved mechanically by connecting originally closed foam bubbles/pores, provided that these can be brought to coalescence or the formation of connecting channels between them and to the product surface in a defined manner, without significant loss of the total gas volume fraction and fine pores.
Erfindungsgemäß wird die Einstellung des Porenvolumenverhältnisses E = EOP/S (SOP = Porosität der offenen Poren; s = Gesamtporosität) einstellbar mittels verschiedener spezifischer Maßnahmen in deren einzelner oder gekoppelter Anwendung erreicht. Diese erfindungsgemäßen Porenöffnungs-Technologien POTi sind Tabelle 1 zu entnehmen und werden nachfolgend detailliert beschrieben.
According to the invention, the pore volume ratio E=EOP/S (SOP=porosity of the open pores; s=total porosity) is adjustable by means of various specific measures in their individual or coupled application. These pore opening technologies POTi according to the invention can be found in Table 1 and are described in detail below.
POT-1 : POT-1 :
Eine erfindungsgemäße in der Spaltweite verstellbare Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) wird kurz vor Ende oder am Ende einer gegebenenfalls verkürzten Extruderschlitzdüse angeordnet und auf eine Position verengt, welche den statischen Druck vor Eintritt in den verengten Schlitzspalt auf einen Wert ca. 1 .5-2 bar des nach Austritt aus dem Schlitzspalt herrschenden statischen Druckes, welcher typischerweise Atmosphärendruck ist, einstellen lässt. Der Extrudatstrang wird bei diesem erfindungsgemäßen Vorgehen nicht
direkt am Düsenaustritt abgeschnitten, sondern erst ab einer Länge von 5-10 cm. Damit beträgt die kürzere Längendistanz zwischen der Extrusionsstrangmitte und dessen Oberfläche gegenüber der extrudierten Produktstranglänge bis zu Strangschneidervorrichtung ca. 1/2 - 1/6. Dies bewirkt erfindungsgemäß eine bevorzugte Gas-Druckentspannung in der Produktquerschnittsrichtung und somit zur Produktoberfläche hin. Dies ist begründet auf Grund des in dieser Richtung realisierten deutlich größeren Druckgradienten im Vergleich zu dem in der Strang-Längenrichtung herrschenden Druckgradienten. Die Ausprägung der in der Druckentspannungsrichtung gebildeten Porenkanäle und deren Aufbruch nach Außen zur Extrusionsstrangoberfläche hin wird durch die rheologischen Eigenschaften des extrudierten Produktes zum Zeitpunkt des Austritts aus der Extruderdüse maßgeblich mitbestimmt. Niedrigere Viskosität (bzw. Elastizität) erlaubt eine stärker ausgeprägte Materialdeformation unter Wirkung des Entspannungsdruckgradienten und einhergehend eine verstärkt ausgeprägte Porenkanalbildung. A slit-nozzle aperture (VSDA) according to the invention, which can be adjusted in the gap width, is arranged just before the end or at the end of an optionally shortened extruder slit nozzle and narrowed to a position which reduces the static pressure before entry into the narrowed slit gap to a value of approx. 1.5 -2 bar of the static pressure prevailing after exiting the slit gap, which is typically atmospheric pressure, can be adjusted. With this procedure according to the invention, the strand of extrudate is not Cut off directly at the nozzle exit, but only from a length of 5-10 cm. The shorter length distance between the middle of the extrusion strand and its surface compared to the length of the extruded product strand up to the strand cutting device is approx. 1/2 - 1/6. According to the invention, this brings about a preferred gas pressure relaxation in the product cross-sectional direction and thus towards the product surface. This is due to the significantly greater pressure gradient realized in this direction compared to the pressure gradient prevailing in the strand length direction. The characteristics of the pore channels formed in the direction of pressure release and their opening outwards towards the surface of the extruded strand is decisively determined by the rheological properties of the extruded product at the time it emerges from the extruder die. Lower viscosity (or elasticity) allows more pronounced material deformation under the effect of the relaxation pressure gradient and, as a result, more pronounced pore channel formation.
Die erfindungsgemäße Ausführung der Geometrie der verstellbaren Schlitzdüsenvorrichtung (VSDA) ermöglicht eine unterschiedliche geometrische Formgebung des Strömungsquerschnittsverlaufes in Strömungsrichtung. Die Verengung ist erfindungsgemäß vorzugsweise abrupt (ca. 90°) ausgeführt, womit die Ausbildung einer Sekundärströmung des Extrusionsstrangfluids in der Zone der Wiederaufweitung des Strömungskanalquerschnittes forciert wird. In dieser Nachlauf-Sekundärströmungszone erfolgt eine deutliche Absenkung des statischen Druckes und andererseits die Erzeugung einer walzenartigen Sekundärströmung, welche eine Durchmischung des Strangfluids quer zu dessen Strömungsrichtung in Höhenrichtung des Schlitzdüsenkanals bewirkt. Die "von Innen nach Außen Kehrung" des Extrusionsstrangmaterials hängt von der Intensität der Sekun-
därströmung und deren Rotationsfrequenz ab. Da sich das Strangmaterial kurz vor dem Düsenaustritt oder auch direkt an diesem befindet, besteht keine erneute Möglichkeit der Ausbildung einer geschlossenen Hautschicht auf dem Produktstrang, welche zum erneuten Porenverschluss führte. Somit erfolgt die Bildung von bleibenden zur Extrusionsstrangoberfläche hin offenen Poren/Porenkanälen. The embodiment of the geometry of the adjustable slot nozzle device (VSDA) according to the invention enables a different geometric shaping of the course of the flow cross section in the direction of flow. According to the invention, the constriction is preferably abrupt (approx. 90°), which forces the formation of a secondary flow of the extrusion strand fluid in the zone of the widening again of the flow channel cross section. In this follow-on secondary flow zone, the static pressure is significantly lowered and, on the other hand, a roller-like secondary flow is generated, which causes the strand fluid to be mixed transversely to its direction of flow in the vertical direction of the slot nozzle channel. The "inside-out turn" of the extrusion strand material depends on the intensity of the secondary därstrom and their rotation frequency. Since the strand material is located just before the nozzle exit or directly at it, there is no possibility of a renewed formation of a closed skin layer on the product strand, which would lead to renewed pore closure. This results in the formation of pores/pore channels that remain open towards the surface of the extrusion strand.
Die erfindungsgemäßen Produkte, hergestellt durch das erfindungsgemäße Verfahren unter Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung machen neuartige, in ihrer Schaumstruktur definiert eingestellte Extrusionsprodukte verfügbar. Diese bilden eine praxisrelevante Basis für neuartige Produktentwicklungen: The products according to the invention, produced by the method according to the invention using the device according to the invention, make available novel extrusion products with a defined foam structure. These form a practical basis for new product developments:
(a) mit eingestelltem Volumenverhältnis von offenen und geschlossenen Poren (Poren- Öffnungsgrad POG), (a) with adjusted volume ratio of open and closed pores (pore opening degree POG),
(b) ohne Haut-/Randschichtbildung beim Durchströmen der Extruderdüse (b) without skin/surface layer formation when flowing through the extruder die
(c) mit einstellbaren Textureigenschaften (Zartheit, Knusprigkeit, Saftigkeit) (c) with adjustable texture properties (tenderness, crispiness, juiciness)
(d) mit erweiterten Möglichkeiten der Geschmacks-/Aroma-/Wirkstoff-Optimierung durch in die offenen Poren aufgenommene Fluidsysteme, welche entsprechende Geschmacks-, Aroma- oder Wirkstoffkomponenten beinhalten, die den Extrusionsprozess nicht durchlaufen, deren Funktionalitätsverminderung damit vermeiden lassen und deren Freisetzung bei Anwendung (Verzehr und Verdauung bei Lebensmitteln, Einnahme von pharmazeutischen Produkten) über die offenen Porenkanäle) beschleunigen. (d) with extended possibilities of taste/aroma/active ingredient optimization through fluid systems incorporated into the open pores, which contain corresponding taste, aroma or active ingredient components that do not go through the extrusion process, thus avoiding their reduction in functionality and their release Accelerate application (consumption and digestion of food, intake of pharmaceutical products) via the open pore channels).
(e) mit erweiterten Möglichkeiten zur „Instant-Produkt" Herstellung, welche eine beschleunigte Benetzung und Dispergierung in Flüßigkeiten zulassen
Weitere erfinderische Ausgestaltungen (e) with expanded possibilities for "instant product" production, which allow accelerated wetting and dispersion in liquids More inventive designs
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 10 beschrieben. Further inventive developments are described in claims 2 to 10.
In den Ansprüchen 2 bis 5 wird die wichtige Rolle des Proteinanteils und der eingestellten denaturierten, gegebenenfalls anisotrop ausgebildeten Proteinstruktur hervorgehoben, da die bevorzugt in Betracht gezogenen Fleischanalog-Produkte den denaturierten, fibrillären Proteinstrukturen ihre fleischähnlichen Textureigenschaften maßgeblich verdanken. Claims 2 to 5 emphasize the important role of the protein content and the set denatured, possibly anisotropically formed protein structure, since the meat analog products that are preferably considered owe their meat-like texture properties to the denatured, fibrillar protein structures.
Hierzu beschreibt Anspruch 2 ein Produkt, bei welchem der Proteinanteil 10 - 95 Gew.% in seiner Trockensubstanz beträgt, während Anspruch 3 ein Produkt beschreibt, bei welchem der Proteinanteil von 0 - 100 Gew.% aus pflanzlichem Protein besteht. . Claim 2 describes a product in which the protein content is 10-95% by weight in its dry substance, while claim 3 describes a product in which the protein content is 0-100% by weight of vegetable protein. .
Das Produkt in Anspruch 4 ist dadurch gekennzeichnet, dass das Protein im Produkt in teilweise bis vollständig denaturierter Form vorliegt und eine fibrilläre Struktur aufweist, während das Produkt gemäß Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet ist, dass die denaturierte Form eine orientierte fibrilläre Struktur aufweist. The product in claim 4 is characterized in that the protein in the product is in partially to fully denatured form and has a fibrillar structure, while the product according to claim 5 is characterized in that the denatured form has an oriented fibrillar structure.
In den Ansprüchen 6 bis 8 finden Ingredienzien und deren Quantitäten Berücksichtigung, welche für die Einstellung der sensorischen und nutritiven entsprechender veganer Fleischanaloge von besonderer Bedeutung sind.
Hierzu beinhaltet das Produkt nach Anspruch 6 einen Pflanzenfaseranteil von 0.5 - 20Claims 6 to 8 take into account ingredients and their quantities which are of particular importance for the setting of the sensory and nutritional corresponding vegan meat analogues. For this purpose, the product according to claim 6 contains a plant fiber content of 0.5 - 20
Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz. % by weight, based on the dry substance.
In Anspruch 7 ist ein Produkt beschrieben, bei welchem das Produkt einen Anteil an Fetten oder Ölen von 0.1 - 15 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, beinhaltet, während das Produkt in Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet ist, dass es einen Anteil an würzenden und/oder färbenden und/oder den nutritiven Wert zusätzlich zum Pflanzenfaseranteil verstärkenden Komponenten von 0.1 - 5 Gew.%, bezogen auf die Trockensubstanz, beinhaltet. In claim 7 a product is described in which the product contains a proportion of fats or oils of 0.1 - 15% by weight, based on the dry substance, while the product in claim 8 is characterized in that it contains a proportion of flavoring and /or coloring and/or components that increase the nutritional value in addition to the plant fiber content of 0.1 - 5% by weight, based on the dry substance.
Die Ansprüche 9 und 10 adressieren eine überraschenderweise gefundene Besonderheit der erfindungsgemäßen geschäumten Produkte mit offenem Porenanteil, welche deren Volumen, Form, Struktur und Textur bezogene Rekonstituierbarbeit nach nahezu vollständiger Trocknung darstellt. Der Einfluss des Porenöffnungsgrades ist sowohl bei der Trocknung als auch bei der Rekonstitution für die Beschleunigung des Wassertransportes aus dem feuchten Produkt bzw. in das trockene Produkt von maßgeblichem Einfluss. Claims 9 and 10 address a surprisingly found special feature of the foamed products according to the invention with an open pore fraction, which represents their volume, shape, structure and texture-related reconstituting work after almost complete drying. The influence of the degree of pore opening has a decisive influence on the acceleration of water transport from the moist product and into the dry product both during drying and during reconstitution.
Hierzu schlägt Anspruch 9 ein Produkt vor, das sich nach Trocknung auf Restwassergehalte von < 5 Gew.% und verderbfreier mehrmonatiger feuchtekontrollierter Lagerung unter Raumtemperaturbedingungen, bei in Kontaktbringung mit Wasser oder einem wasserhaltigen Fluidsystem unter Wiedereinstellung seines ursprünglichen Volumens und seiner Textur, ohne Trockensubstanzverlust, rekonstituiert.
Anspruch 10 beschreibt hierzu ein Produkt, das sich nach Trocknung auf Restwassergehalte von < 5 Gew.% und verderbfreier mehrmonatiger feuchtekontrollierter Lagerung unter Raumtemperaturbedingungen, bei in Kontaktbringung mit Wasser oder einem wasserhaltigen Fluidsystem unter Wiedereinstellung seines ursprünglichen Volumens und seiner Textur, rekonstituiert. For this purpose, claim 9 proposes a product which, after drying to a residual water content of <5% by weight and spoilage-free, moisture-controlled storage for several months under room temperature conditions, when brought into contact with water or a water-containing fluid system, is restored to its original volume and texture, without loss of dry substance . Claim 10 describes a product which, after drying to a residual water content of <5% by weight and spoilage-free, moisture-controlled storage for several months under room temperature conditions, is reconstituted when it comes into contact with water or a water-containing fluid system, restoring its original volume and texture.
Lösung der Aufgabe betreffend das Verfahren Solution of the task concerning the procedure
Diese Aufgabe wird durch Anspruch 11 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das Verfahren die Öffnung von im geschäumten Produkt eingeschlossenen Gasporen oder Gasblasen zur Produktoberfläche hin in einstellbarer Weise realisiert, wobei ein Extrusionsverfahren vom Typ „Hochfeuchtes Extrusionskochen" (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC) mit Gaseintrag, temporärer Gaslösung und kontrollierter Gasblasennukleierung sowie Schaumbildung zugrunde gelegt ist und zur Porenöffnung fünf Verfahrensvarianten: (a) Öffnung durch rapiden Umgebungsdruckabfall (Flash-Opening, FOP), (b) Öffnung durch Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (Cut-Opening, COP), (c) Öffnung durch multiple Nadelpenetration (Penetration-Opening, POP), (d) Öffnung durch forcierte Sekundär-Mischströmung (Mix-Opening, MOP) und (e) Öffnung durch Gefrierstrukturierung (Freeze-Opening, FOP) einzeln oder in Kopplung angewendet werden, wodurch die Öffnung von im geschäumten Produkt eingeschlossenen Gasporen oderThis object is achieved by claim 11, which is characterized in that the method realizes the opening of gas pores or gas bubbles enclosed in the foamed product towards the product surface in an adjustable manner, with an extrusion method of the "High Moisture Extrusion Cooking" type (High Moisture Extrusion Cooking, HMEC ) with gas entry, temporary gas solution and controlled gas bubble nucleation as well as foam formation and five process variants for pore opening: (a) opening by rapid ambient pressure drop (flash opening, FOP), (b) opening by dividing or peeling the product (cut opening). , COP), (c) opening by multiple needle penetration (penetration-opening, POP), (d) opening by forced secondary mixed flow (mix-opening, MOP), and (e) opening by freeze-patterning (freeze-opening, FOP) individually or be applied in coupling, whereby the opening of gas pores trapped in the foamed product or
Gasblasen zur Produktoberfläche hin in einstellbarer Weise realisiert wird.
Einige Vorteile Gas bubbles towards the product surface is realized in an adjustable manner. Some advantages
Das erfindungsgemäße Verfahren und seine Ausgestaltungen lassen sich mit dem HM EC-Extrusionsprozess direkt koppeln und die zur Strukturierung der Proteinmatrix einzustellenden Extrusionsparameter zur Porenöffnung direkt übertragen. So kann für den Mechanismus der (a) Porenöffnung durch rapiden Umgebungsdruckabfall (Flash-Opening, FOP) der im Extruder aufgebaute statische Druck bis zum Düsenende so weit aufrechterhalten werden, dass eine hinreichend rapide und effiziente Restdruckentspannung zur Porenöffnung realisiert werden kann. Bei den Mechanismen (b) Porenöffnung durch Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (CUT-Opening, COP) und (c) Porenöffnung durch multiple Nadelpenetration (Penetration-Opening, POP) wird die Bewegung bzw. kinetische Energie des Extrudatstranges am Düsenende zum Schneiden/Schälen oder zur Nadelpenetration genutzt. Zur Aktivierung des (d) Porenöffnungsmechanismus durch forcierte Sekundär-Mischströmung (Mix-Opening, MOP) wird ein Teil der kinetischen Strömungsenergie des Extrudatstranges zur Erzeugung einer walzenförmigen, für viskoelastische Massen zusätzlich periodisch oszillierenden Sekundärströmung genutzt, welche quer zur Strömung in Höhenrichtung der Extruder-Schlitzdüse eine Durchmischung bewirkt, die einhergehend geschlossene Schaumporen längt, zur Strangoberfläche hin bewegt und die Oberflächenstruktur derart, in der Intensität einstellbar „aufreißt", dass ein somit ebenfalls einstellbarer Teil der entsprechend behandelten Poren zur Produktoberfläche hin geöffnet wird. Die Einstellbarkeit des Grades der Porenöffnung basiert dabei auf der Einstellbarkeit der Intensität der Misch-Sekundärströmung, welche wiederum über die Einstellung einer lokalen Schlitzdüsen-Höhenreduktion und die Transportgeschwindigkeit des Extrudatstranges in weiten Grenzen einstellbar ist. Der Mechanismus
(e) zur Porenöffnung durch Gefrierstrukturierung wird erfindungsgemäß auf Schaumstrukturen angewendet, um bei bevorzugt langsamer Gefriergeschwindigkeit vor allem große Eiskristalle zur Penetration von Materialzwischenwänden zwischen geschlossenen Poren zu penetrieren und diese damit in offene Poren umzuwandeln. Bei den präferiert betrachteten pflanzenproteinbasierten Fleischanalogen trägt der hohe Wassergehalt derselben (bis 60 Gew.%) zur Unterstützung der Eiskristallbildung bei. The method according to the invention and its configurations can be coupled directly to the HM EC extrusion process and the extrusion parameters to be set for structuring the protein matrix for the pore opening can be directly transferred. Thus, for the mechanism of (a) pore opening by rapid ambient pressure drop (flash opening, FOP), the static pressure built up in the extruder can be maintained up to the end of the die to such an extent that a sufficiently rapid and efficient residual pressure relaxation can be realized at the pore opening. With the mechanisms (b) pore opening by dividing or peeling the product (CUT-Opening, COP) and (c) pore opening by multiple needle penetration (Penetration-Opening, POP), the movement or kinetic energy of the extrudate strand at the end of the die is used for cutting/ peeling or used for needle penetration. To activate the (d) pore-opening mechanism through forced secondary mixed flow (mix-opening, MOP), part of the kinetic flow energy of the extrudate strand is used to generate a cylindrical secondary flow that also periodically oscillates for viscoelastic masses, which is transverse to the flow in the vertical direction of the extruder Slot nozzle causes a thorough mixing, which elongates closed foam pores, moves them towards the surface of the strand and "tears open" the surface structure in such a way that the intensity can be adjusted, so that a part of the correspondingly treated pores, which can also be adjusted, is opened towards the product surface. The adjustability of the degree of pore opening is based on the adjustability of the intensity of the mixed secondary flow, which in turn can be adjusted within wide limits by adjusting a local slot nozzle height reduction and the transport speed of the extrudate strand (e) for pore opening by freeze structuring is used according to the invention on foam structures in order to penetrate primarily large ice crystals for penetrating material partitions between closed pores at a preferably slow freezing rate and thus convert them into open pores. The high water content (up to 60% by weight) of the plant protein-based meat analogues considered as preferred helps to support the formation of ice crystals.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen More inventive designs
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 12 bis 25 beschrieben. Further inventive developments are described in claims 12 to 25.
Gemäß den Ansprüchen 12 bis 21 werden die Porenöffnungsverfahren mittels der Mechanismen (a) - (e) in ihrer verfahrenstechnischen Umsetzung detailliert, (a) mobilisiert Druckkräfte zum nach außen zur Produktoberfläche hin gerichteten Aufbruch von Porenbegrenzungen. (b) nutzt gezielte Schnittführungen zur Freilegung der Porenöffnungen, (c) schafft durch Nadelpenetration Verbindungskanäle zwischen den geschlossenen Produktporen und nach außen zur Produktoberfläche, (d) bezieht sich auf die Erzeugung von Sekundärströmungen in der Extruderkühldüse, um in der laminaren Schlitzdüsenströmung erzeugte weitgehend geschlossene Produkt-Hautschichten durch Quervermischung in der Höhenkoordinatenrichtung des Düsenkanals aufzubrechen und zusätzliche oberflächliche Querkanäle/Querrinnen zu schaffen. Für die proteinreichen fleischanalogen Produktsysteme, welche vorrangig adressiert werden, lässt sich eine zusätzliche strömungsdynamische Besonderheit von viskoelastischen Fluidsystemen erfindungsgemäß vorteilhaft nutzen. Der sogenannte elastische Turbulenzeffekt (z.T. in der die Kunst-
Stoffverarbeitung betreffenden Literatur auch als „Schmelzebruch-Phänomen" benannt) entsteht in Folge der elastischen Deformationsenergie-Speicherung in der konvergierenden Einlaufströmung einer erfindungsgemäß ausgeführten und im Düsenkanal definiert angeordneten, hinsichtlich Schlitzkanalverengung verstellbaren Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) - Vorrichtung. In der divergierenden Auslaufströmung nach der Verengung entspannen sich die vorab gespeicherten elastischen Zugspannungen teilweise wieder durch elastische Rückdeformation des viskoelastischen Fluids (z.B. einer Proteinschmelze entsprechend bei HMEC extrudierten Fleischanalogen). Kleine Strömungsasy- metrien bzw. die stochastische Varianz der elastischen Deformation bewirken die Ausbildung einer periodisch, sinusförmig oszillierenden walzenartigen Strömungsstörung. Wie sich überraschenderweise auf Basis rheologischer Labormessungen für eine Vielzahl an Polymerschmelzen zeigte, entwickelt sich das vorab beschriebene Sekundärströmungsphänomen bei einem Verhältnis der Ersten Normalspannungsdifferenz Ni zur Schubspannung T ab einem Wert von NV T > 1 .5 - 2 und wird in einem Bereich Ni/ T = 4- 5 besonders wirksam, um den beschriebenen erfindungsgemäßen Effekt der sinusförmig Oszillierenden Sekundär-Misch-Strömung (OSMS) im Nachlauf einer lokalen Schlitzdü- sen-Spaltverengung zur Quervermischung in der Extruderdüse für die Porenöffnung zur Produktoberfläche hin, zielführend zu nutzen. Die OSMS kann somit im Bereich 2 < TW / NI < 5 in ihrer erfindungsgemäß verfahrensrelevanten Intensität eingestellt werden, TW und Ni sowohl in rheometrischen Labormessungen mittels Kegel-Platte Scherspalt als auch in hochdruckkapillarrheometrischen Messungen messbar. Letztere werden erfindungsgemäß auch direkt auf in-line Messungen in der Extruderschlitzdüse übertragen. Dies erfolgt erfindungsgemäß mittels statischen Druckprofil-Messungen im Düsenkanal
vor und nach der lokalen Schlitzdüsen-Höhenreduktion oder auch alternativ in der Extruder-seitigen Düseneintrittszone. Erfindungsgemäß vereinfacht wird die Intensität der OSMS über die Amplitude der statischen Druckschwankung im Schlitzdüsenkanal vor oder nach der lokalen Schlitzdüsen-Höhenreduktion, gemessen. Die Einstellung einer maximalen elastisch-turbulenten OSMS über eine erfindungsgemäße, verstellbare Apertur zur lokalen Schlitzdüsen-Höhenreduktion wird gegebenenfalls dadurch begrenzt, dass ein zu stark fragmentierter Produktstrang am Düsenaustritt vermieden werden soll. Dies wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße, verstellbare Schlitz-Düsen- Apertur (VSDA) Vorrichtung typischerweise in den ersten zwei Längendritteln der Extruderkühldüse in diese eingebaut wird. Damit wird der elastisch-turbulent durchmischte Produktstrang in der nach der Apertur sich wiedereinstellenden laminaren Schichtenströmung teilweise wieder definiert vergleichmäßigt und Rissbildungen in der Struktur soweit erwünscht wieder graduell ausgeheilt. Um die erneute Ausbildung einer Hautschicht des Produktstranges mit einhergehendem Porenverschluss zur Produktoberfläche hin zu vermeiden, werden erfindungsgemäß der über die VSDA wie beschrieben einstellbare Grad der OSMS und die Länge der Extruderdüse im Apertur-Nachlauf abgestimmt, bzw. materialsystemspezifisch kalibriert. According to claims 12 to 21, the pore-opening processes are detailed in their technical implementation by means of mechanisms (a)-(e), (a) mobilizes compressive forces to break open pore boundaries outwards towards the product surface. (b) uses targeted incisions to expose the pore openings, (c) creates connecting channels between the closed product pores and outwards to the product surface through needle penetration, (d) refers to the generation of secondary flows in the extruder cooling nozzle in order to create largely closed flows in the laminar slot nozzle flow Breaking up product skin layers by cross-mixing in the height coordinate direction of the nozzle channel and creating additional superficial transverse channels/channels. For the protein-rich, meat-analogous product systems, which are primarily addressed, an additional flow-dynamic feature of viscoelastic fluid systems can be advantageously used according to the invention. The so-called elastic turbulence effect (partly in which the artificial Material processing related literature also referred to as "melt fracture phenomenon") arises as a result of the elastic deformation energy storage in the converging inlet flow of a slot nozzle aperture (VSDA) designed according to the invention and arranged in a defined manner in the nozzle channel and adjustable with regard to slot channel constriction. In the diverging Outflow flow after the constriction, the previously stored elastic tensile stresses partially relax again through elastic reverse deformation of the viscoelastic fluid (e.g. a protein melt corresponding to meat analogs extruded in HMEC). As surprisingly shown on the basis of rheological laboratory measurements for a large number of polymer melts, the above-described secondary flow ph phenomena with a ratio of the first normal stress difference Ni to the shear stress T from a value of NV T > 1.5 - 2 and becomes particularly effective in a range Ni/ T = 4-5 in order to achieve the described inventive effect of the sinusoidally oscillating secondary mixing flow (OSMS) in the after-run of a local slot die narrowing for cross-mixing in the extruder die for the pore opening towards the product surface, to be used purposefully. The OSMS can thus be set in the range 2<TW/NI<5 in its process-relevant intensity according to the invention, TW and Ni can be measured both in rheometric laboratory measurements using a cone-plate shear gap and in high-pressure capillary rheometric measurements. According to the invention, the latter are also transferred directly to in-line measurements in the extruder slot die. According to the invention, this is done by means of static pressure profile measurements in the nozzle channel before and after the local slot die height reduction or alternatively in the extruder-side die entry zone. According to the invention, the intensity of the OSMS is measured via the amplitude of the static pressure fluctuation in the slot nozzle channel before or after the local slot nozzle height reduction. The setting of a maximum elastic-turbulent OSMS via an adjustable aperture according to the invention for local slot nozzle height reduction is possibly limited by the fact that an excessively fragmented product strand at the nozzle outlet is to be avoided. This is achieved in that the variable slot die aperture (VSDA) device according to the invention is installed in the extruder cooling die, typically in the first two thirds of its length. In this way, the elastically-turbulently mixed product strand is partially evened out again in a defined manner in the laminar layer flow that is restored after the aperture and crack formations in the structure are gradually healed again, if desired. In order to avoid the renewed formation of a skin layer of the product strand with associated pore closure towards the product surface, the degree of OSMS adjustable via the VSDA as described and the length of the extruder nozzle in the aperture wake are matched according to the invention or calibrated specifically for the material system.
Die Ansprüche 22 und 23 nehmen Bezug auf die Möglichkeit, die Produkte nach erfolgter Porenöffnung gemäß einem oder einer Kombination der Verfahren (a)-(e) zu trocknen, um damit eine verlängerte Haltbarkeit bei Umgebungstemperatur-Lagerung zu erzielen. Die Porenöffnung wirkt sich auf den Wassertransport beim Trocknen als auch bei der Rekonstitution erfindungsgemäß vorteilhaft beschleunigend aus.
Gemäß den Patentansprüchen 24 und 25 werden die Rahmenbedingungen für die Genauigkeit der Einstellung des Porenöffnungsgrades und des zugrunde gelegten Gesamt- Gasporenvolumens im Produkt, welches eine offene Verbindung zur Produktoberfläche aufweisen bzw. erhalten soll, festgelegt. Die sich daraus ergebende Bandbreite von (i) minimal 10 Vol. % Gesamtgasanteil (in Porenform) zu davon 5% geöffnet, bis (ii) maximal 80 Vol.% Gesamtgasanteil (in Porenform) zu davon 90% geöffnet ist z.B. für geschäumte Fleischanaloge relevant, um im Fall (i) z.B. eine leichte Durchdringung mit intensiv würzenden Substanzen in Fluidform zu erreichen, und im Fall (ii) z.B. 72% des Produktvolumens mit einer Konsistenz/Textur gebenden gegebenenfalls im Nachgang zur Porenbefüllung erstarrenden Fluidphase homogen zu durchdringen. Im letzteren Fall resultierte in der Anwendung auf Fleischanaloge eine gerüstgebende Proteinstruktur mit z.B. veganer Pasteten/Wurstbrät-Füllung. Im Bereich zwischen (i) und (ii) lassen sich "marmorierte" Produktstrukturen mit angepasster Fett-/Gel-Einlage realisieren, um typische Fleisch/Fett/Bindegewebe/Gel-Strukturen und verbundene sensorisch bevorzugte Textureigenschaften weitergehend einstellen. Claims 22 and 23 refer to the possibility of drying the products after the pore opening has taken place according to one or a combination of methods (a)-(e) in order thereby to achieve an extended shelf life at ambient temperature storage. According to the invention, the opening of the pores advantageously accelerates the transport of water during drying and also during reconstitution. According to patent claims 24 and 25, the basic conditions for the accuracy of setting the degree of pore opening and the underlying total gas pore volume in the product, which should have or should have an open connection to the product surface, are specified. The resulting bandwidth from (i) a minimum of 10% by volume total gas content (in pore form) with 5% open to (ii) a maximum of 80% by volume total gas content (in pore form) with 90% open is relevant for foamed meat analogues, for example in case (i), for example, to achieve easy penetration with intensively flavoring substances in fluid form, and in case (ii), for example, to homogeneously penetrate 72% of the product volume with a fluid phase that gives consistency/texture and that may solidify after pore filling. In the latter case, application to meat analogues resulted in a scaffolding protein structure with, for example, a vegan pie/sausage filling. In the area between (i) and (ii), "marbled" product structures with an adapted fat/gel insert can be realized in order to further adjust typical meat/fat/connective tissue/gel structures and associated sensory preferred texture properties.
Gemäß Anspruch 25 wird der gaserfüllte Volumenanteil auf 80 Vol.% begrenzt, da sich die erfindungsgemäßen auf eher feste Schaumprodukte bezogenen Porenöffnungsme- chanismen bei zu fragilen Schäumen nicht mehr hinreichend zerstörungsfrei für das Gesamtprodukt übertragen lassen.
Lösung der Aufgabe betreffend die Vorrichtung According to claim 25, the gas-filled volume fraction is limited to 80% by volume, since the pore opening mechanisms according to the invention, which are related to rather solid foam products, can no longer be transferred sufficiently non-destructively to the overall product if the foams are too fragile. Solution to the problem relating to the device
Diese Aufgabe wird durch Anspruch 26 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Extrusionsdüse eine Abschneidevorrichtung und ein abschnittsweise mittig teilperforiertes Förderband der Kühldüse eines HMEC-Aufschäumextruders nachgeschaltet sind sowie das Förderband mit dem aufliegenden, abgeschnittenen Teil des Produktes zwischen zwei Vakuumier-Halbschalen geführt ist, welche von oben und unten gegeneinander anpressend das Förderband nebst Produkt dichtend einschließen, und wobei diese Vakuumier-Halbschalen zur schlagartigen Aufbringung eines Teilvakuums auf das geschäumte extrudierte Produkt über eine mit einem Ventil zur schnellen Öffnung versehene Vakuumleitung mit einem Vakuumspeicherbehälter und dieser mit einer Vakuumpumpe verbunden sind. This object is achieved by claim 26, which is characterized in that the extrusion nozzle is followed by a cutting device and a conveyor belt that is partially perforated in the middle in sections of the cooling nozzle of an HMEC foaming extruder, and the conveyor belt with the cut-off part of the product lying on it is guided between two vacuum half-shells , which sealingly enclose the conveyor belt and product by pressing against each other from above and below, and these vacuum half-shells are connected to a vacuum storage container via a vacuum line provided with a valve for quick opening and this to a vacuum pump for the sudden application of a partial vacuum to the foamed extruded product are.
Die Porenöffnungsmechanismen nutzen mechanische, fluidmechanische oder thermodynamische Wirkprinzipe, um die Öffnung geschlossener Poren zur Produktoberfläche hin mittels einer: The pore opening mechanisms use mechanical, fluid mechanical or thermodynamic principles to open closed pores to the product surface by means of a:
(a) Vorrichtungsvariante zur Einstellung eines rapiden Umgebungsdruckabfalls (Flash- Opening, FOP), (a) device variant for setting a rapid drop in ambient pressure (flash opening, FOP),
(b) Vorrichtungsvariante zum Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (CUT-Opening, COP) im Austrittsbereich der Extruderkühldüse, (b) Device variant for cutting or peeling the product (CUT-Opening, COP) in the exit area of the extruder cooling nozzle,
(c) Vorrichtungsvariante zur multiplen Nadelpenetration (Penetration-Opening, POP) direkt nach Austritt des teilgekühlten Produktes aus der Extruder-Kühldüse
(d) Vorrichtungsvariante zur Erzeugung einer Sekundär-Mischströmung (Mix-Opening, MOP) in der Extruderkühldüse. (c) Device variant for multiple needle penetration (penetration opening, POP) directly after the partially cooled product exits the extruder cooling nozzle (d) Device variant for generating a secondary mixed flow (mix opening, MOP) in the extruder cooling nozzle.
(e) Vorrichtungsvariante zur Erzeugung großer Eiskristalle zur Schaumlamellen-Penet- ration mittels Gefrierstrukturierung (Freeze-Opening, FOP) in einer Nachbehandlung zur Quench-Kühlung nach Extruderkühldüsenaustritt, welche in einzelner oder gekoppelter Anwendung zu nutzen sind. (e) Device variant for generating large ice crystals for foam lamella penetration by means of freeze structuring (freeze opening, FOP) in a post-treatment for quench cooling after extruder cooling nozzle exit, which can be used in individual or coupled applications.
Kernelement der Vorrichtungen zur Aktivierung der Porenöffnungsmechanismen gemäß (a) und (d) ist eine Verstellbare Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA). Deren freie Querschnittsfläche für den Durchtritt des Extrudates entspricht im zu 100% geöffnetem Zustand exakt den Massen des freien Extruder-Schlitzdüsen Querschnitts. Für den Fall eines flachen, rechtwinkligen Extruderdüsen-Schlitzkanals sind in die obere und untere den Durchströmungsschlitz der Aperturvorrichtung begrenzenden Wand über die gesamte Schlitzbreite, rechtwinklig zur Strömungsrichtung jeweils ein angeschnittener drehbar gleitgelagerter Metallzylinder (2) in das Apertur-Gehäuse (1 ) dichtend eingelassen. Die Anschnittflächen dieser Zylinder sind bei vollständiger Aperturöffnung bündig mit der Strömungskanalwand (3). Von außerhalb des Apertur-Gehäuses (1 ) sind die Metallzylinder (2) von Hand oder mittels zweier Stellmotoren gesteuert bzw. geregelt verdrehbar einzustellen, so dass eine einseitige oder zur Düsenlängsachse symmetrische Verengung der Apertur erfolgt, welche bei einem Verdrehwinkel von 90° dem maximalen Verschlussgrad des Schlitzkanalquerschnitttes entspricht (weitere Details, siehe Beschreibung der Figuren, Figur 1 ).
Eine Aktivierung des Porenöffnungsmechanismus d) zur Erzeugung einer Sekundär- Mischströmung (Mix-Opening, MOP) in der Extruderkühldüse, kann alleine mittels der VDSA Vorrichtung erfolgen. Diese wird im Falle (d) in einer Position zwischen 10-95% der Düsenlänge gemessen vom Düsenaustrittsende in die Düse integriert. Dies gewährleistet im Falle einer stark desintegrierten Extrudatstruktur, dass diese auf der verbleibenden Düsenstrecke nach Aperturpassage wieder zu einem Teil reintegriert und damit ein Zerfallen des Extrudatstranges am Düsenaustritt vermieden wird. The core element of the devices for activating the pore opening mechanisms according to (a) and (d) is a variable slot nozzle aperture (VSDA). Their free cross-sectional area for the passage of the extrudate corresponds exactly to the dimensions of the free cross-section of the extruder slot nozzle when it is 100% open. In the case of a flat, right-angled extruder nozzle slot channel, a cut, rotatably slide-mounted metal cylinder (2) is embedded in the aperture housing (1) in a sealing manner in the upper and lower walls delimiting the flow slot of the aperture device over the entire slot width, perpendicular to the direction of flow. When the aperture is fully open, the gate surfaces of these cylinders are flush with the flow channel wall (3). From outside the aperture housing (1), the metal cylinders (2) can be rotated manually or by means of two servomotors in a controlled or regulated manner so that the aperture narrows on one side or is symmetrical to the longitudinal axis of the nozzle, which at a twist angle of 90° corresponds to the maximum The degree of closure of the slit channel cross section corresponds to (further details, see description of the figures, FIG. 1). Activation of the pore-opening mechanism d) to generate a secondary mixed flow (mix-opening, MOP) in the extruder cooling nozzle can take place solely by means of the VDSA device. In case (d), this is integrated into the nozzle at a position between 10-95% of the nozzle length measured from the nozzle exit end. In the case of a severely disintegrated extrudate structure, this ensures that this reintegrates to a part on the remaining stretch of the die after the passage through the aperture, thus preventing the extrudate strand from disintegrating at the die outlet.
Zur Inanspruchnahme des Porenöffnungsmechanismus (a) in Folge schlagartiger Restdruckentspannung wird die VDSA Vorrichtung in einer Position zwischen 0-10% der Düsenlänge gemessen vom Düsenaustrittsende in die Düse integriert. Damit ist gewährleistet, dass erst kurz vor dem Düsenaustritt bzw. direkt am Düsenaustritt die schlagartige Entspannung des statischen Restdruckes und somit Porenöffnung zur Extrudatoberflä- che hin erfolgt. To utilize the pore opening mechanism (a) as a result of sudden residual pressure release, the VDSA device is integrated into the nozzle in a position between 0-10% of the nozzle length measured from the nozzle outlet end. This ensures that the abrupt relaxation of the static residual pressure and thus the opening of the pores towards the extrudate surface only takes place shortly before the nozzle exit or directly at the nozzle exit.
Für den Fall einer zusätzlichen schlagartigen Beaufschlagung des Extrudates mit partiellem Vakuum zur Porenöffnung werden abgeschnittene Extrudatteile in einer separaten quasikontinuierlich arbeitenden Vakumiervorrichtung direkt nach dem Düsenaustritt nachbehandelt. Diese Zusatz-Behandlungsvariante wird bevorzugt bei weicheren Extru- daten vorgenommen, welche im Falle von proteinbasierten Fleischanalogen eine höhere Düsenaustrittstemperatur bzw. einen höheren Wassergehalt besitzen.
Bei Anwendung der Porenöffnungsvariante (c) zur multiplen Nadelpenetration (Penetra- tion-Opening, POP) direkt nach Austritt des teilgekühlten Produktes aus der Extruder- Kühldüse sind in der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung am Extrudedüsenaustritt zwei gegenläufig rotierende Hohlnadel- oder Widerhaken Filznadel-Walzen derart angebracht, dass die von beiden Seiten in das Extrudat eindringenden Nadeln ineinandergreifen und die Rotation der Nadelwalzen bevorzugt ohne Hilfsantrieb, alleine durch den Vorschub des Extrudates durch den Spalt zwischen den beiden Nadelwalzen erfolgt (weitere Details siehe Beschreibung der Figuren, Figur 5). If the extrudate is additionally suddenly subjected to a partial vacuum to open the pores, cut off extrudate parts are post-treated in a separate, quasi-continuously operating vacuum device directly after the nozzle outlet. This additional treatment variant is preferably used for softer extrudates which, in the case of protein-based meat analogs, have a higher die outlet temperature or a higher water content. When using the pore opening variant (c) for multiple needle penetration (Penetration-Opening, POP) directly after the exit of the partially cooled product from the extruder cooling nozzle, in the preferred embodiment of the device according to the invention at the extruder nozzle outlet there are two counter-rotating hollow needle or barb felt needle rollers attached in such a way that the needles penetrating the extrudate from both sides mesh and the rotation of the needle rollers preferably takes place without an auxiliary drive, solely by the feed of the extrudate through the gap between the two needle rollers (for further details see description of the figures, Figure 5).
Bei Anwendung der Porenöffnungsvariante (c) mittels Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (CUT-Opening, COP) im Austrittsbereich der Extruderkühldüse, wird eine Schneide-ZSchälmesser Anordnung kurz vor Austritt oder direkt am Austritt des Extrudat- stranges aus der Extruderdüse angeordnet. Damit wird der Extrudatstrangvorschub genutzt, um die Schneidekräfte zu realisieren. Innenliegende Schaumporen werden damit zur neu geschaffenen Produktoberfläche hin geöffnet. Dies ist insbesondere dann angezeigt, wenn sich in der Düsenströmung eine an Schaumporen verarmte "Hautschicht" gebildet hat. When using the pore opening variant (c) by means of cutting or peeling the product (CUT-Opening, COP) in the exit area of the extruder cooling nozzle, a cutting/paring knife arrangement is arranged shortly before the exit or directly at the exit of the extrudate strand from the extruder nozzle. The extrudate strand feed is thus used to implement the cutting forces. Internal foam pores are thus opened towards the newly created product surface. This is indicated in particular when a "skin layer" with fewer foam pores has formed in the nozzle flow.
Einige Vorteile Some advantages
Mit Ausnahme der zusätzlichen Vakuumbeaufschlagung zur Aktivierung des Porenöff- nungsmechanismus (a) zur Einstellung eines rapiden Umgebungsdruckabfalis (Flash- Opening, FOP), sowie der Gefrierstrukturierung zur Aktivierung des Porenöffnungsme- chanismus (e) zur Porenwandpenetration mittels Eiskristalle (Freeze-Opening FOP) sind
alle weiteren Vorrichtungen einfach aufgebaut und direkt in bzw. mit der Extruderdüse gekoppelt angeordnet. Damit resultiert der besondere Vorteil der direkten Koppelbarkeit dieser Mechanismen und der zugehörigen Vorrichtungsvarianten. Alle diese Vorrichtungen sind verschmutzungsunempfindlich, mechanisch robust und einfach voreinstellbar, so dass es keiner weiteren Manipulationen während des Produktionsablaufes bedarf. With the exception of the additional vacuum application to activate the pore opening mechanism (a) to set a rapid drop in ambient pressure (flash opening, FOP) and freeze structuring to activate the pore opening mechanism (e) to penetrate the pore wall using ice crystals (freeze opening FOP). all other devices have a simple structure and are arranged directly in or coupled to the extruder nozzle. This results in the particular advantage of the direct linkability of these mechanisms and the associated device variants. All of these devices are insensitive to contamination, mechanically robust and easy to preset, so that no further manipulations are required during the production process.
Die Porenöffnung ist mitels der erfindungsgemäß konfigurierten Vorrichtungen effektiv und reproduzierbar vorzunehmen, wobei die Güte und der Grad der Porenöffnung noch durch das Materialverhalten des Extrudates bestimmt wird. Dieses muss eine Grundfestigkeit bzw. Fließgrenze aufweisen, welche gewährleistet, dass die erzeugten offenen Poren nicht durch ein Zusammenfließen der Matrixmasse wiederverschlossen werden. Durch die erfindungsgemäße vorteilhaft einfache Überlagerbarkeit der Porenöffnungs- mechanismen (a)-(e) und der dafür vorgesehenen erfindungsgemäßen Vorrichtungen kann auch für kritische, weiche Extrudate eine hinreichende Porenöffnungseffizienz gewährleistet werden. The opening of the pores can be carried out effectively and reproducibly by means of the devices configured according to the invention, the quality and degree of the opening of the pores still being determined by the material behavior of the extrudate. This must have a basic strength or yield point which ensures that the open pores produced are not closed again by the matrix mass flowing together. Due to the fact that the pore opening mechanisms (a)-(e) can be superimposed, which is advantageous in accordance with the invention, and the devices according to the invention provided for this purpose, a sufficient pore opening efficiency can also be ensured for critical, soft extrudates.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen More inventive designs
Weitere erfinderische Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 27 bis 34 beschrieben.
Lösung der Aufgabe betreffend die Verwendung Further inventive developments are described in claims 27 to 34. Solution of the task regarding the use
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruch 35 gelöst, der dadurch gekennzeichnet ist, dass das resultierende geschäumte Produkt mit eingestelltem Porenöff- nungsgrad als strukturiertes Basiselement für Fleischanaloge verwendet wird, wobei die eingesetzten Proteine lediglich pflanzlichen Ursprunges sind und solche Fleischanaloge- Basiselemente in Menüs verwendet werden, welche durch komplementierte, fluide Saucen- oder Saft- oder Dressing- oder Marinaden- oder Topping-Komponenten eine graduelle bis vollständige Füllung der offenen Poren der strukturierten Basiselementes bewirken. This object is achieved by the features of claim 35, which is characterized in that the resulting foamed product with a set pore opening degree is used as a structured base element for meat analogs, the proteins used being only of vegetable origin and such meat analog base elements used in menus which bring about a gradual to complete filling of the open pores of the structured base element with complemented, fluid sauce or juice or dressing or marinade or topping components.
Weitere erfinderische Ausgestaltungen More inventive designs
Eine weitere vorteilhafte Verwendung bzw. Ausgestaltung wird durch die Merkmale des Anspruchs 36 beschrieben. A further advantageous use or embodiment is described by the features of claim 36.
Einige Vorteile Some advantages
Bisher mittels High Moisture Extrusion Cooking (HMEC) Technologie auf Pflanzenproteinbasis herstellbare, fibrillär strukturierte Fleischanaloge weisen eine kompakte Struktur auf, welche den umfassenden sensorischen Anforderungen der Konsumenten an wirklich vergleichbare Textur-, Geschmacks- und einigen nutritiven Eigenschaften von Fleisch nicht hinreichend nahekommen, um als wirkliche Alternative akzeptiert zu werden. Die
erfindungsgemäß erzielbaren Produktstrukturen mit einstellbarem Verhältnis von geschlossenen und offenen Poren, lassen die für Fleischanaloge geforderten Attribute erfüllen, indem sie sich einerseits direkt positiv texturgebend (Zartheit, Knusprigkeit) und über die einfache Aufnahmefähigkeit von Fluidsystemen geschmacksgebend (Saftigkeit) zielführend nutzen lassen. Die grundsätzliche Nichtbeschränktheit des erfindungsgemäßen Technologiepaketes auf Fleischanaloge schafft darüber hinaus einen breiten Umsetzungshorizont für weitere geschäumte Lebensmittelsysteme. Umsetzungen auf pharmazeutische und kosmetische Produkte sowie auf Bau/Konstruktionsmaterialien sind ebenfalls avisierbare Anwendungshorizonte. Fibril-structured meat analogs that can be produced using high moisture extrusion cooking (HMEC) technology based on plant proteins have a compact structure that does not come close enough to the comprehensive sensory requirements of consumers for really comparable texture, taste and some nutritional properties of meat to be considered as real alternative to be accepted. the The product structures that can be achieved according to the invention with an adjustable ratio of closed and open pores allow the attributes required for meat analogues to be met in that they can be used purposefully on the one hand to give a positive texture (tenderness, crispiness) and on the other hand to give taste (juiciness) via the simple absorption capacity of fluid systems. The fundamental non-restriction of the technology package according to the invention to meat analogues also creates a broad implementation horizon for other foamed food systems. Implementations on pharmaceutical and cosmetic products as well as on construction/construction materials are also application horizons that can be notified.
In der Zeichnung ist die Erfindung - teils schematisch - beispielsweise veranschaulicht. Es zeigen: In the drawing, the invention is illustrated, for example, partly schematically. Show it:
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße Verstellbare Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) für eine flache Schlitzdüse. In Figur 1 gelten folgende Bezeichnungen: 1 = Apertur-Gehäuse, 2 = angeschnittener drehbar gleitgelagerter Metallzylinder - 2a in O-Stellung mit freiem Strö- mungsquerschnit, 1 b in Uhrzeigerrichtung gedreht, 2c in Gegenuhrzeigerrichtung gedreht, 3 = Schlitzdüsenwand, 4a - 4c = Apertur-Einlaufströmung für die verschieden gedrehten Metallzylindereinstellungen gemäß 2a-2c, 5a - 5c = Apertur-Auslaufströmung für die verschieden gedrehten Metallzylindereinstellungen gemäß 2a-2c, 6 = Geometrische Bezeichnungen zur Positionierung der Metallzylinder, a = Drehwinkel der Metallzylinder, ß = Winkel zwischen Metallzylindermittelpunkt und Kanten der Anschnittfläche des Metallzylinders.
Die Berechnungsgrundlagen zur definierten Höhenreduktion des Extruderdüsen-Flach- schlitzkanals als Funktion des Drehwinkels 5 der drehbar zu verstellenden Metallzylinder und als Funktion des Metallzylinderradius R1 sowie der Platzierung der Anschnittfläche (Winkel ß) und der damit festgelegten Mittelpunktskoordinate R1 der Metallzylinder, sind in Figur 8 ausgeführt. FIG. 1 shows the variable slot nozzle aperture (VSDA) according to the invention for a flat slot nozzle. The following designations apply in Figure 1: 1 = aperture housing, 2 = truncated rotatable, slide-mounted metal cylinder - 2a in O-position with free flow cross-section, 1 b turned clockwise, 2c turned counter-clockwise, 3 = slot nozzle wall, 4a - 4c = Aperture inlet flow for the differently rotated metal cylinder settings according to 2a-2c, 5a - 5c = aperture outlet flow for the differently rotated metal cylinder settings according to 2a-2c, 6 = geometric designations for positioning the metal cylinders, a = angle of rotation of the metal cylinders, ß = angle between metal cylinder center and edges of the gate surface of the metal cylinder. The basis of calculation for the defined reduction in height of the extruder nozzle flat slit channel as a function of the rotation angle 5 of the metal cylinder to be rotated and as a function of the metal cylinder radius R1 as well as the placement of the gate surface (angle ß) and the center coordinate R1 of the metal cylinder thus determined are shown in Figure 8 .
Für den Fall eines flachen, rechtwinkligen Extruderdüsen-Schlitzkanals sind in die obere und untere den Durchströmungsschlitz der Aperturvorrichtung begrenzenden Wand über die gesamte Schlitzbreite, rechtwinklig zur Strömungsrichtung jeweils ein angeschnittener drehbar gleitgelagerter Metallzylinder (2) in das Apertur-Gehäuse (1 ) dichtend jedoch drehbar eingelassen. Die Anschnittflächen dieser Zylinder sind bei vollständiger Aperturöffnung bündig mit der Strömungskanalwand (3). Von außerhalb des Apertur-Gehäuses (1 ) sind die Metallzylinder (2) von Hand oder mittels zweier Stellmotoren verdrehbar einzustellen, so dass eine einseitige oder zur Düsenlängsachse symmetrische Verengung der Apertur erfolgt, welche bei einem Verdrehwinkel von 90° dem maximalen Verschlussgrad des Schlitzkanalquerschnitttes entspricht. In the case of a flat, right-angled extruder nozzle slot channel, in the upper and lower walls delimiting the through-flow slot of the aperture device, over the entire slot width, at right angles to the direction of flow, a cut, rotatably slide-mounted metal cylinder (2) seals into the aperture housing (1), but is rotatable admitted. When the aperture is fully open, the gate surfaces of these cylinders are flush with the flow channel wall (3). From outside the aperture housing (1), the metal cylinders (2) can be rotated by hand or by means of two servomotors, so that the aperture narrows on one side or symmetrically to the longitudinal axis of the nozzle, which corresponds to the maximum degree of closure of the slot channel cross-section at a twist angle of 90° .
Für den Fall einer Ring-Schlitzdüse, welche für erhöhte Extrudatmassenströme Einsatz findet, wird der Mechanismus der Schlitzspalt-Höhenverstellung über eine konzentrische konische Ausführung von Düsengehäuse-Innenwand und einem axial verschiebbaren Stempel mit konischer Spitze, wie in Figur 2 dargestellt, realisiert.
Für Figur 2 gelten die folgenden Bezeichnungen: 7 = konisches Düsengehäuse, 8 = axialer Spalt-Einstellstempel mit konischer Spitze, 9 = Einsteistempel-Führungsrohr, 10 = Temperierfluideintritt in Einstellstempel-Führungsrohr, 11 = Temperierfluidaustritt aus Einstellstempel-Führungsrohr, 12 = Temperierfluid Kanäle in inneren (12a) und äußeren (12b) Düsengehäusewänden sowie im Einstellstempel (12c), 13 = Führungen für axiales Einstellstempel-Führungsrohr, 14 = Düsenspalt in Ausgangsstellung (14a) und bei verengter Spalteinstellung (14b), 15 = Ringschlitzdüsen Innengehäuse Wandteil, 16 = Flansch zur Verbindung von Ringdüsenteilen bzw. mit Extrudergehäuse In the case of a ring slot die, which is used for increased extrudate mass flows, the mechanism for adjusting the height of the slot gap is implemented via a concentric, conical design of the inner wall of the die housing and an axially displaceable stamp with a conical tip, as shown in FIG. The following designations apply to Figure 2: 7 = conical nozzle housing, 8 = axial gap setting stamp with conical tip, 9 = insertion stamp guide tube, 10 = tempering fluid inlet into setting stamp guide tube, 11 = tempering fluid outlet from setting stamp guide tube, 12 = tempering fluid channels in inner (12a) and outer (12b) nozzle housing walls as well as in the setting stamp (12c), 13 = guides for axial setting stamp guide tube, 14 = nozzle gap in initial position (14a) and with narrowed gap setting (14b), 15 = annular slot nozzles inner housing wall part, 16 = Flange for connecting annular die parts or with extruder housing
Für die zusätzliche Nachbehandlung gemäß Anwendung des Porenöffnungsmechanis- mus (a) zur Porenöffnung durch rapiden Umgebungsdruckabfall (Flash-Opening, FOP) mittels partieller Vakuumbeaufschlagung wird die erfindungsgemäße Vorrichtung wie in Figur 3 dargestellt, verwendet. The device according to the invention as shown in FIG. 3 is used for the additional post-treatment according to the application of the pore opening mechanism (a) for pore opening by means of a rapid drop in ambient pressure (flash opening, FOP) by means of partial vacuum application.
Für die Bezeichnungen in Figur 3 gelten: 17 = Schlitzdüsen-Strömungskanal, 21 = Extru- datstrang, 26 = teilperforiertes Förderband, 27a = obere Vakumier-Halbschale, 27b = untere Vakuumier-Halbschale, 28a = Anpressdruck-Pneumatik für obere Vakuumier-Halb- schale, 28b = Anpressdruck-Pneumatik für untere Vakuumier-Halbschale, 29 = abgeschnittenes Extrudatteil, 30 a,b = Rohrleitungen für Absaugung (Teilvakuum Übertragung), 31 = Teilvakuum Speicherbehälter, 32 = Vakuumpumpe, 33 = Strang-Abschneidevorrichtung
P0T2: Die erfindungsgemäß realisierte Vorrichtung zur Porenöffnung gemäß Mechanismus (c) mittels Zerteilen bzw. Schälen des Produktes (CUT-Opening, COP) appliziert im Austrittsbereich der Extruderkühldüse eine Schneide-ZSchälmesser (gegebenenfalls Wasserstrahl- oder Laser-Schneidevorrichtungen) - Anordnung wie schematisch in Figur 4 dargestellt. The following applies to the designations in FIG. 3: 17=slit nozzle flow channel, 21=extrudate strand, 26=partially perforated conveyor belt, 27a=upper vacuum half-shell, 27b=lower vacuum half-shell, 28a=contact pressure pneumatics for upper vacuum half-shell shell, 28b = contact pressure pneumatics for lower vacuum half-shell, 29 = cut off extrudate part, 30 a,b = pipelines for suction (partial vacuum transmission), 31 = partial vacuum storage container, 32 = vacuum pump, 33 = strand cutting device P0T2: The device implemented according to the invention for opening the pores according to mechanism (c) by means of cutting or peeling the product (CUT-Opening, COP) applies a cutting/paring knife (possibly water jet or laser cutting devices) in the exit area of the extruder cooling nozzle - arrangement as shown schematically in Figure 4 shown.
Als Bezeichnungen in Figur 4 gelten: 17 = Schlitzdüsen-Strömungskanal, 18 = Laminare Schlitzdüsenströmung, 19 = Schneidevorrichtung zur Positionierung über der Schlitzkanalhöhe H, Schneidevorrichtung zur Positionierung über der Schiitzkanalbreite \N. The designations in FIG. 4 are: 17=slot nozzle flow channel, 18=laminar slot nozzle flow, 19=cutting device for positioning above the slot channel height H, cutting device for positioning above the slot channel width \N.
POT3: Die Vorrichtung zur Realisierung der Porenöffnung gemäß Mechanismus (c) zur multiplen Nadelpenetration (Penetration-Opening, POP) ist direkt nach dem Extruderdüsenaustritt angeordnet und kombiniert in der erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zwei gegenläufig rotierende Hohlnadel- oder Widerhaken Filznadel-Walzen, wobei die von beiden Seiten in das Extrudat penetrierenden Nadeln wie in Figur 5 dargestellt, ineinandergreifen. POT3: The device for realizing the pore opening according to mechanism (c) for multiple needle penetration (Penetration-Opening, POP) is arranged directly after the extruder nozzle exit and combines in the preferred embodiment of the device according to the invention two counter-rotating hollow needle or barb felt needle rollers, where the needles penetrating the extrudate from both sides intermesh as shown in FIG.
Als Bezeichnungen in Figur 5 gelten: 17 = Schlitzdüsen-Strömungskanai, 22a = obere Nadelwalze, 22b = untere Nadelwalze, 23 = Penetrationsnadel (Hohlnadel oder Widerhaken-Filznadel), 24 = Förderband Teilvorrichtung, 25 a, b = obere, untere Penetrationsnadelwalzen Anpress-Teilvorrichtung (pneumatisch/hydraulisch/mechanisch).
POT-4: Die Vorrichtung zur Realisierung der Porenöffnung gemäß Mechanismus d) zur Erzeugung einer Sekundär-Mischströmung (Mix-Opening, MOP) in der Extruderkühldüse, kann prinzipiell auf die Verstellbare Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) Vorrichtung beschränkt bleiben, zur in-line Kontrolle der Intensität der eingestellten Sekundär-Mischströmung ist jedoch die Kopplung mit einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Ermittlung des statischen Druckes vor und nach der VSDA Vorrichtung angezeigt. Diese Druckmessanordnung ist in Kombination mit der VDSA Vorrichtung in den Figuren 6 und 7 dargestellt. The designations in FIG. 5 are as follows: 17=slit nozzle flow channel, 22a=upper needle roller, 22b=lower needle roller, 23=penetration needle (hollow needle or barbed felting needle), 24=conveyor belt dividing device, 25a, b=upper, lower penetration needle rollers pressing Divider (pneumatic/hydraulic/mechanical). POT-4: The device for realizing the pore opening according to mechanism d) for generating a secondary mixed flow (Mix-Opening, MOP) in the extruder cooling nozzle can in principle be limited to the Adjustable Slot Nozzle Aperture (VSDA) device, for in -line control of the intensity of the set secondary mixed flow, however, the coupling with a measuring arrangement according to the invention for determining the static pressure before and after the VSDA device is indicated. This pressure measurement arrangement is shown in combination with the VDSA device in FIGS.
Figur 7 beinhaltet eine Erweiterung der Druckmessanordnung aus Figur 6 für den Fall viskoelastischer Fluide, wie sie im Falle von Proteinschmelzen für die Herstellung von Fleischanalogen vorliegen. FIG. 7 contains an expansion of the pressure measurement arrangement from FIG. 6 for the case of viscoelastic fluids, as are present in the case of protein melts for the production of meat analogues.
Als Bezeichnungen in den Figuren 6 und 7 gelten: 1 = Apertur-Gehäuse, 2 = angeschnittener drehbar gleitgelagerter Metallzylinder - 2b in Uhrzeigerrichtung gedreht, 3 = Schlitzdüsenwand, 4b = Apertur-Einlaufströmung für gedrehten Metallzylinder im Uhrzeigersinn (2b), 5b = Apertur-Auslaufströmung gedrehten Metallzylinder in Uhrzeigerrichtung (2b), 17 = Schlitzdüsen-Stromungskanal, 35 = Membran-Druckaufnehmer zur statischen Druckmessung P1 ; 36 = Membran-Druckaufnehmer zur statischen Druckmessung P2, 37 = Membran-Druckaufnehmer zur statischen Druckmessung P3, 38 = Membran-Druckaufnehmer zur statischen Druckmessung P4, 39 = Druckaufnehmermembranen, 40 = Verbindungsflansche, 41 = konische Düseneinlaufströmungs-Geometrie, 42 = Membran- Druckaufnehmer zur statischen Druckmessung P5, 43 = P5 - Druckmess-Kavität.
Für ausgeprägt viskoelastische Extrusionsfluide wie sie beispielsweise geschäumten Proteinschmelzen entsprechen wird die vorab bezeichnete VSDA erfindungsgemäß in weiterer Distanz zum Düsenaustritt in die Extruderdüse eingebaut als bei der Technologie POT-1. Bei viskoelastischen Produktfluidsystemen werden die vorgenannten Sekundärströmungen infolge einstellbarer Kanalquerschnitts-Verengung und -Wiederaufweitung maßgeblich forciert durch den Effekt der elastischen Turbulenz (Relaxation der elastischen Extranormalspannungen und resultierende Strang-Rückdeformation). Dieser Effekt kann bereits bei geringfügiger Schlitzdüsen-Querschnittsverengung ausgelöst sowie in seiner Ausprägung zur Erzeugung einer offenen Porenstruktur zielführend eingestellt und genutzt werden. The designations in FIGS. 6 and 7 are as follows: 1=aperture housing, 2=cut, rotatable, slide-mounted metal cylinder—2b rotated clockwise, 3=slit nozzle wall, 4b=aperture inlet flow for rotated metal cylinder clockwise (2b), 5b=aperture outlet flow rotated metal cylinder in clockwise direction (2b), 17 = slot nozzle flow channel, 35 = diaphragm pressure sensor for static pressure measurement P1; 36 = membrane pressure sensor for static pressure measurement P2, 37 = membrane pressure sensor for static pressure measurement P3, 38 = membrane pressure sensor for static pressure measurement P4, 39 = pressure sensor membranes, 40 = connecting flanges, 41 = conical nozzle inlet flow geometry, 42 = membrane pressure sensor for static pressure measurement P5, 43 = P5 - pressure measurement cavity. For pronounced viscoelastic extrusion fluids, such as those corresponding to foamed protein melts, for example, the aforementioned VSDA is installed according to the invention at a greater distance from the die outlet in the extruder die than in the POT-1 technology. In the case of viscoelastic product fluid systems, the aforementioned secondary flows as a result of adjustable channel cross-section narrowing and widening are significantly forced by the effect of elastic turbulence (relaxation of the elastic extra-normal stresses and the resulting reverse deformation of the strand). This effect can be triggered even with a slight narrowing of the slot nozzle cross-section and its expression can be set and used in a targeted manner to create an open pore structure.
Hierzu erfolgen erfindungsgemäß, wie in Figur 6 dargestellt, statische Druckmessungen an einer Position im Extrudergehäuse vor dem Düseneinlaufquerschnitt (P1 ) an zwei Längenpositionen in der Extruderschlitzdüse (P2, P3) nach der Düseneinlaufzone (nach konischer Verengung), nach der VSDA (P4), sowie (P5) im Schlitzdüsenkanal vor der VSDA, direkt gegenüber (Schlitzdüsenkanal-Unterseite) zur Druckmessposition P2. For this purpose, according to the invention, as shown in Figure 6, static pressure measurements are carried out at a position in the extruder housing in front of the nozzle inlet cross section (P1) at two longitudinal positions in the extruder slot nozzle (P2, P3) after the nozzle inlet zone (after the conical narrowing), after the VSDA (P4), and (P5) in the slot nozzle channel in front of the VSDA, directly opposite (slot nozzle channel underside) to the pressure measurement position P2.
Aus P2 und P3 lässt sich die lokale Schubspannung TW an der Schlitzdüsenkanalwand und in Kenntnis des am Düsenaustritt ermittelten Produktvolumenstromes dV/dt, die Produktscherviskosität q ermitteln. Unter Miteinbezug von P1 besteht die Möglichkeit einen Düseneintritts-Druckverlust APein zu ermitteln, welcher aus der Summe (i) eines viskosen Dehndruckverlustes APo.ein unter Wirkung der Dehnviskosität des extrudierten Fluids sowie (ii) einem elastischen Druckverlustanteil APE.ein in Folge elastischer Energiespeiche-
rung, resultiert. Mittels der zusätzlichen statischen Druckmessung P5 kann zwischen den Messstellen für P5 und P2 aus P5-P2 eine rein elastische Kenngröße Fluidantwort durch Rückdeformation in Folge elastischer Spannungsrelaxation ermittelt werden. P2-P5 ist proportional zur sogenannten Ersten Normalspannungsdifferenz N1 , welche in rheomet- rischen Labormessungen mittels Kegel-Platte Scherspaltgeometrie gemessen und mit den in-line ermittelten Werten verglichen bzw. eine Kalibration daraus abgeleitet werden kann. Aus P2-P5 lässt sich damit die elastische Komponente DPE.ein des Düseneintrittsdruckverlustes APein ermitteln, und somit wird auch der komplementäre viskose Dehnanteil APo.ein von APein erhalten. Damit liegen durch die erfindungsgemäße Anordnung der Druckmessstellen P1-P3 und P4 separate rheologische Kennwerte für (a) die Scherviskosität, (b) die Dehnviskosität und (c) die Elastizität der extrudierten Masse unter den gegebenen Extrusionsbedingungen vor. Bei der Druckmessung P5 ist hier speziell zu beachten, dass diese nicht wie alle anderen Druckmessungen (P1-P4) über eine wandbündige Membran des Druckaufnehmers im Schlitzdüsenkanal erfolgt, sondern am Ende einer mit dem Extrusionsfluid gefüllten Kavität, welche zur Messung der Ersten Normalspannungsdifferenz aus P2-P5 einen in Strömungsrichtung erstreckten (schmalen) Rechteckquerschnitt (z.B.: bei 60 mm Düsenkanalbreite: 10 x 50 mm) aufweist. Die Druckmessung P4 erfolgt an einer Position im Schlitzdüsenkanal unmittelbar nach der mittels VSDA Vorrichtung erzeugten Verengung (Höhenreduktion des Schlitzdüsenkanals AH). Damit werden insbesondere durch eine forcierte Sekundär-Mischströmung im VSDA Nachlauf erzeugte periodische, statische Druckschwankungen DP4 (t) erfasst. Diese sind erfindungsgemäß ein Maß für die Mischintensität und die damit einherge-
hende Schaumporen-Öffnungseffizienz gemäß dem vorab bezeichneten und beschriebenen Mechanismus (d). From P2 and P3, the local shear stress TW on the slot nozzle channel wall and, knowing the product volume flow dV/dt determined at the nozzle outlet, the product shear viscosity q can be determined. Including P1, it is possible to determine a nozzle inlet pressure loss APein, which is the sum of (i) a viscous extensional pressure loss APo.ein under the effect of the extensional viscosity of the extruded fluid and (ii) an elastic pressure loss component APE.ein as a result of elastic energy storage. tion, results. By means of the additional static pressure measurement P5, a purely elastic parameter fluid response can be determined between the measuring points for P5 and P2 from P5-P2 through reverse deformation as a result of elastic stress relaxation. P2-P5 is proportional to the so-called first normal stress difference N1, which is measured in rheometric laboratory measurements using cone-plate shear gap geometry and can be compared with the values determined in-line or a calibration can be derived from this. The elastic component DPE.ein of the nozzle inlet pressure loss APein can be determined from P2-P5, and thus the complementary viscous expansion component APo.ein of APein is also obtained. The arrangement according to the invention of the pressure measurement points P1-P3 and P4 means that there are separate rheological parameters for (a) the shear viscosity, (b) the elongational viscosity and (c) the elasticity of the extruded mass under the given extrusion conditions. In the case of the pressure measurement P5, it should be noted that this is not carried out like all other pressure measurements (P1-P4) via a membrane of the pressure sensor flush with the wall in the slot die channel, but at the end of a cavity filled with the extrusion fluid, which is used to measure the first normal stress difference from P2 -P5 has a (narrow) rectangular cross-section extending in the direction of flow (eg: with a nozzle channel width of 60 mm: 10 x 50 mm). The pressure measurement P4 takes place at a position in the slot nozzle channel immediately after the constriction created by means of the VSDA device (height reduction of the slot nozzle channel AH). In this way, periodic, static pressure fluctuations DP4(t) generated in particular by a forced secondary mixed flow in the VSDA wake are recorded. According to the invention, these are a measure of the mixing intensity and the associated resulting foam pore opening efficiency according to mechanism (d) identified and described above.
Wie in laborrheometrischen Messungen für eine Mehrzahl an polymeren Fluidsystemen überraschenderweise gefunden wurde, zeigt sich das "Elastische Turbulenzphänomen" (in der Kunststoffindustrie auch Schmelzebruch genannt) in einem bestimmten Bereich des Verhältnisses von Erster Normalspannungsdifferenz zur Schubspannung NI(YW)/T(YW) bei an der Schlitzdüsenkanalwand wirksamen Wandschergeschwindigkeit gw. Dieser Bereich liegt bei 2 < NI(YW)/T(YW) < 5. Die erfindungsgemäß genutzte Ausprägung des elastischen Turbulenzeffektes zur Nutzung des erfindungsgemäßen Mechanismus (d) der Schaumporenöffnung durch forcierte Sekundär-Mischströmung erfolgt bevorzugt im Bereich 2 < NI(Y )/T(YW) < 3.5-5. Bei Erhöhung dieses Verhältniswertes wird der Sekundär- Mischströmungseffekt graduell gesteigert. Abhängig von (i) der Rheologie des extrudierten Fluidsystems (hier bevorzugt Pflanzenprotein-basierte Schmelze zur Fleischanalog Herstellung) sowie der mittleren Strömungsgeschwindigkeit im Schlitzdüsenkanal wird die VSDA Vorrichtung hinsichtlich der Schlitzdüsen-Höhenreduktion so eingestellt, dass der beabsichtigte Grad an Sekundärmischströmung mit korreliertem Porenöffnungseffekt resultiert. Somit kann mittels stoffsystemspezifischer Kalibrierung ein quantitatives Kriterium für die Einstellung der VSDA-Schlitzöffnung zur Auslösung bzw. Einstellung einer graduellen Ausprägung des forcierten "elastisch-turbulenten Sekundärströmungs- Mischeffektes" bestimmt werden, welches zur erfindungsgemäßen Porenöffnung mittels der POT-4 Technologie und dem damit ausgelösten Mechanismus (d) in einstellbarer Weise befähigt.
Die Ausprägung des für POT-4 genutzten viskoelastischen Sekundärströmungseffektes kann zu einer nahezu vollständigen Desintegration des Extrudatstranges führen. In der Kunststofftechnik wird dieses unerwünschte elastische Phänomen auch als "Schmelzebruch" bezeichnet. Um dies zu vermeiden wird die VSDA Vorrichtung erfindungsgemäß > 0.2 LD (LD = Düsenlänge) vor dem Extruderdüsenende eingebaut. Dies hat zur Folge, dass der Extrudatstrang im Falle einer erfolgten Teildesintegration in der ungestörten Düsenströmung nach Durchtritt durch die VSDA wieder soweit "ausheilt", dass ein kompakt zusammenhängender geschäumter, teil-offenporiger Produktstrang resultiert, ohne durch eine wiederholte strömungsbedingte "Hautbildung" den durch die elastisch-turbulente Durchmischung erzielten Porenöffnungseffekt zunichte zu machen. As was surprisingly found in laboratory rheometric measurements for a large number of polymer fluid systems, the "elastic turbulence phenomenon" (also called melt fracture in the plastics industry) shows up in a certain range of the ratio of the first normal stress difference to the shear stress NI(YW)/T(YW). effective wall shear rate g w on the slot nozzle channel wall. This range is 2<NI(YW)/T(YW)<5. The expression of the elastic turbulence effect used according to the invention for using the mechanism (d) according to the invention of foam pore opening by forced secondary mixed flow preferably takes place in the range 2<NI(Y) /T(YW) < 3.5-5. As this ratio value increases, the secondary mixed flow effect is gradually increased. Depending on (i) the rheology of the extruded fluid system (here preferably vegetable protein-based melt for meat analog production) and the mean flow velocity in the slot nozzle channel, the VSDA device is adjusted with regard to the slot nozzle height reduction in such a way that the intended degree of secondary mixed flow with a correlated pore opening effect results. Thus, by means of material system-specific calibration, a quantitative criterion for setting the VSDA slot opening to trigger or set a gradual expression of the forced "elastic-turbulent secondary flow mixing effect" can be determined, which leads to the pore opening according to the invention using the POT-4 technology and the thus triggered Mechanism (d) enabled in an adjustable manner. The development of the viscoelastic secondary flow effect used for POT-4 can lead to an almost complete disintegration of the extrudate strand. In plastics technology, this undesirable elastic phenomenon is also referred to as "melt fracture". In order to avoid this, the VSDA device is installed according to the invention >0.2 LD (LD=nozzle length) in front of the end of the extruder nozzle. The consequence of this is that the extrudate strand, in the event of partial disintegration in the undisturbed nozzle flow, "heals" again after passing through the VSDA to such an extent that a compact, cohesive, foamed, partially open-pored product strand results without the through repeated flow-related "skin formation". destroying the pore opening effect achieved by elastic-turbulent mixing.
Beispielhafte Darstellungen mit den erfindungsgemäßen Vorrichtungen unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erzielter erfindungsgemäßer pflanzenproteinbasierter Fleischanalog-Produktstrukturen und Porenöffnungsgrade werden in den Figuren 8-10 nachfolgend beschrieben. Exemplary representations of plant protein-based meat analog product structures and degrees of pore opening according to the invention achieved with the devices according to the invention using the method according to the invention are described below in FIGS. 8-10.
Rahmenbedingungen für die nachfolgend gegebenen Beispiele sind: The basic conditions for the examples given below are:
HMEC Extruder: Corotating Twin Screw BCTL Extruder der Bühler AG mit Schneckendurchmesser 42 mm und einem Extruderlängen zu Schneckendurchmesser Verhältnis von L/D = 28. HMEC extruder: Corotating twin screw BCTL extruder from Bühler AG with a screw diameter of 42 mm and an extruder length to screw diameter ratio of L/D = 28.
Extruder Kühldüse: L = 1.85m, W = 60 mm, H = 15 mm Extruder cooling nozzle: L = 1.85m, W = 60mm, H = 15mm
Material/Basis-Rezeptur: 52.5% Wasser, 0.5% Öl, 41 .2% Erbsenprotein-Isolat (PPI), Erbsenfaser 5.8%
Prozessbedingungen: Schneckendrehzahl: 230 rpm; Massenstrom 37.5 kg/h; Düseneintrittstemperatur der Schmelze: 150°C; Extruderaustrittsdruck: 18 - 20bar, Düsen Kühltemperatur: 60°C Material/basic recipe: 52.5% water, 0.5% oil, 41.2% pea protein isolate (PPI), pea fiber 5.8% Process conditions: screw speed: 230 rpm; mass flow 37.5 kg/h; Nozzle entry temperature of the melt: 150° C.; Extruder outlet pressure: 18 - 20bar, nozzle cooling temperature: 60°C
Beispiel 1 (s. Figur 9): Porenöffnungsmechanismus mittels (a) Schlagartiger Restdruckentspannung und (d) überlagerter forcierter Sekundärmischströmung. Example 1 (see FIG. 9): Pore opening mechanism by means of (a) sudden residual pressure relaxation and (d) superimposed forced secondary mixed flow.
Unterschiedliche Grade der Porenöffnung wurden eingestellt mittels den überlagerten Porenöffnungsmechanismen durch (a) Rapiden Druckabfall (statische Restdruckentspannung) und (d) forcierte Sekundär-Mischströmunq, erzeugt mittels am Düsenaustrittsende eingebauter Verstellbarer Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) bei unterschiedlichen Einstellungen der Schlitzkanal Höhenreduktion AH / %: Different degrees of pore opening were adjusted by means of the superimposed pore opening mechanisms by (a) rapid pressure drop (static residual pressure relaxation) and (d) forced secondary mixed flow, generated by means of the adjustable slot nozzle aperture (VSDA) installed at the nozzle outlet end with different settings of the slot channel height reduction AH / %:
• Abbildung A: AH = 5% / resultierender Porenöffnungsgrad POG « 3 - 5% • Figure A: AH = 5% / resulting degree of pore opening POG « 3 - 5%
• Abbildung B: AH « 10% / resultierender Porenöffnungsgrad POG = 10 -12% • Figure B: AH « 10% / resulting degree of pore opening POG = 10 -12%
• Abbildung C: AH « 50% / resultierender Porenöffnungsgrad POG « 25 -30% • Figure C: AH « 50% / resulting degree of pore opening POG « 25 -30%
Die Ermittlung des Porenöffnungsgrades (POG) erfolgte gemäß: The degree of pore opening (POG) was determined according to:
POG = VOP Volumen der offenen Poren/VGP Gesamtporenvolumen. VOP wurde ermittelt, indem eine extrudierte Probe für 5 s in Wasser bei Raumtemperatur (25°C) eingelegt und nach Entnahme der Strangoberfläche anhaftendes freies Wasser mittels Haushaltspapier in einem definierten schnellen Handhabungs-Procedere durch beidseitig einmaliges Auflegen auf eine Lage des Papiers für jeweils 1s, oberflächlich abgetrocknet. Aus der Differenzwägung vor und nach solcher Behandlung resultierte die in zur Produktober-
fläche hin offene Produktporen durch Kapillarkräfte eingesaugte Wassermasse. Die Bestimmung von VGP erfolgte durch Volumen und Masseermittlung des extrudierten Produktes, woraus im Vergleich zum nicht geschäumten Produkt der Gasvolumenanteil bzw. Overrun (= relative Volumenzunahme durch Aufschäumung) ermittelt wurde. POG = VOP open pore volume/VGP total pore volume. VOP was determined by placing an extruded sample in water at room temperature (25°C) for 5 s and, after removing the strand surface, free water adhering to it using household paper in a defined, quick handling procedure by placing it on both sides once on a layer of paper for 1 s each , superficially dried. The differential weighing before and after such treatment resulted in the product product pores open towards the surface mass of water sucked in by capillary forces. VGP was determined by determining the volume and mass of the extruded product, from which the proportion of gas volume or overrun (= relative increase in volume due to foaming) was determined in comparison to the non-foamed product.
Wie Figur 9 zu entnehmen ist zeigt die Extrudatoberfläche mit zunehmender VSDA Schlitzdüsenkanal-Höhenreduktion eine zunehmende "Zerklüftung", in Folge der aufgeprägten forcierten Sekundär-Mischströmung bei gleichzeitiger Restdruckentspannung. Dies ist ein typisches Bild des resultierenden Produktes beim Einbau der VSDA am Düsenende. As can be seen from FIG. 9, the surface of the extrudate shows increasing “fissures” as the height of the VSDA slot die channel increases, as a result of the imposed forced secondary mixed flow with simultaneous residual pressure relaxation. This is a typical image of the resulting product when installing the VSDA at the nozzle end.
Die in diesem Beispiel berücksichtigten hinsichtlich Porenöffnung unbehandelten Proben besassen einen Gasvolumenanteil nach Aufschäumung von ca. 25-35 Vol.% in > ca. 98 % geschlossenen inneren Schaumporen. The samples taken into account in this example, untreated with regard to pore opening, had a gas volume fraction after foaming of approx. 25-35% by volume in >approx. 98% closed inner foam pores.
Beispiel 2 (s. Figur 10): Porenöffnungsmechanismus mittels (d) forcierter Sekundär- Mischströmung, erzeugt mittels bei Düsenlänge 0.75 m vom Düsenaustritt eingebauter Verstellbarer Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) bei Einstellung der Schlitzkanal Höhenreduktion DH / % ~ 15%. Example 2 (see Figure 10): Pore opening mechanism by means of (d) forced secondary mixed flow, generated by means of an adjustable slot nozzle aperture (VSDA) installed with a nozzle length of 0.75 m from the nozzle outlet when the slot channel height reduction is set DH / % ~ 15%.
Figur 10 zeigt eine überwiegend glatte Extrudatoberfläche mit eindeutig sichtbaren Fließmustern, welche der forcierten Sekundär-Mischströmung entstammen. Diese "heilen" in Folge der nachfolgenden Düsenströmung (hier über weitere 0.75m der Düsenlänge weitergehend aus. Dies reduziert in geringem Umfang den für das Endprodukt er-
zielten Porenöffnungsgrad, lässt jedoch erfindungsgemäße in hohem Masse aus Konsumentensicht qualitätsrelevante Strukturmuster erzeugen, welche eine natürliche Verteilung von Strukturinhomogenitäten wie in Fleischprodukten wiederspiegelt (im gezeigten Beispiel: Lachs/Fisch bzw. marmorierte Wagyu-Beef Strukturen). Der erzielte Porenöffnungsgrad unter den in diesem Beispiel gewählten Randbedingungen beträgt 18-20%. FIG. 10 shows a predominantly smooth extrudate surface with clearly visible flow patterns originating from the forced secondary mixed flow. These "heal" as a result of the subsequent nozzle flow (here over a further 0.75m of the nozzle length. This reduces the required for the end product to a small extent. targeted degree of pore opening, but allows the production of quality-relevant structural patterns according to the invention to a large extent from the consumer's point of view, which reflects a natural distribution of structural inhomogeneities as in meat products (in the example shown: salmon/fish or marbled Wagyu beef structures). The degree of pore opening achieved under the boundary conditions selected in this example is 18-20%.
Die in diesem Beispiel berücksichtigten hinsichtlich Porenöffnung unbehandelten Proben besassen einen Gasvolumenanteil nach Aufschäumung von ca. 15 Vol.% in > ca. 98 % geschlossenen inneren Schaumporen. The samples taken into account in this example, untreated with regard to pore opening, had a gas volume fraction after foaming of approx. 15% by volume in >approx. 98% closed inner foam pores.
Beispiel 3 (s. Figur 11): Porenöffnungsmechanismus mittels (d) forcierter Sekundär- Mischströmunq. erzeugt mittels bei Düsenlänqe 0.3 m vom Düsenaustritt eingebauter Verstellbarer Schlitz-Düsen-Apertur (VSDA) bei Einstellung der Schlitzkanal Höhenreduktion DH / % ~ 15%. Example 3 (see FIG. 11): pore opening mechanism by means of (d) forced secondary mixing flows. generated by means of an adjustable slot nozzle aperture (VSDA) installed with a nozzle length of 0.3 m from the nozzle outlet when the slot channel is set to a height reduction DH / % ~ 15%.
Abbildung 11 zeigt eine vergrößerte Aufnahme der Produktoberfläche. Die wellenförmigen Streifenmuster-Strukturen sind gut erkennbar. Es wechseln (H) hellere (verstärkt ausgeschäumte) und (D) dunklere (reduziert aufgeschäumte) streifenförmig angeordnete Bereiche ab. Die H-Bereiche entstammen der inneren Strang-Schaumstruktur, welche durch die forcierte Sekundär-Mischströmung an die Produktoberfläche gefördert wird. Die D-Bereiche entstammen der ursprünglichen an Schaumporen verarmten "Oberflächen-Figure 11 shows an enlarged image of the product surface. The wavy stripe pattern structures are clearly visible. (H) lighter (more foamed) and (D) darker (less foamed) areas alternate in strips. The H areas originate from the inner strand foam structure, which is conveyed to the product surface by the forced secondary mixed flow. The D-areas originate from the original "surface-
Hautschicht".
Die in diesem Beispiel berücksichtigten hinsichtlich Porenöffnung unbehandelten Proben besassen einen Gasvolumenanteil nach Aufschäumung von ca. 30 Vol.% in > ca. 98 % geschlossenen inneren Schaumporen. Der erzielte Porenöffnungsgrad (POG) beträgt ca. 18-20%. skin layer". The samples taken into account in this example, untreated with regard to pore opening, had a gas volume fraction after foaming of approx. 30% by volume in >approx. 98% closed inner foam pores. The degree of pore opening (POG) achieved is approx. 18-20%.
Beispiel 4 (s. Figur 12): Porenöffnung mittels (b) Schneide-ZSchäl Mechanismus erzeugt mittels am Düsenaustrittsende eingebauter Verstellbarer Schneidevorrichtung. Example 4 (see FIG. 12): pore opening by means of (b) cutting/peeling mechanism produced by means of an adjustable cutting device installed at the nozzle outlet end.
Figur 12 zeigt einen geschäumten, kontinuierlich geschnittenen Extrudatstrang. Auf der Schnittfläche sind aufgeschnittene Porenstrukturen zu detektieren. Ein Porenöffnungsgrad von ca. 10-15% wurde im gezeigten Beispiel erzielt. Die diesem Beispiel zugrunde gelegten Extrudate besassen ca. 15-20% Gasvolumenanteil. Figure 12 shows a foamed, continuously cut strand of extrudate. Open pore structures can be detected on the cut surface. A pore opening degree of approx. 10-15% was achieved in the example shown. The extrudates on which this example is based had about 15-20% gas by volume.
Zur Anreicherung der beispielhaft beschriebenen pflanzenproteinbasierten Fleischanaloge mit sensorisch (Aroma, Geschmack) sowie nutritiv (B-Vitamine, Mineralien (Fe, Zn)) wird ein Gesamtvolumen an offenen Poren von 2-5% als hinreichend bewertet. Für die Erhöhung der Produktsaftigkeit sind > 10%, abhängig vom Wassergehalt der Produktmatrix relevant. A total volume of open pores of 2-5% is rated as sufficient for enriching the plant protein-based meat analogues described as an example with sensory (aroma, taste) and nutritional (B vitamins, minerals (Fe, Zn)). To increase product juiciness, > 10% is relevant, depending on the water content of the product matrix.
Die in den Patentansprüchen und in der Beschreibung beschriebenen sowie aus der Zeichnung ersichtlichen Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste The features described in the patent claims and in the description and evident from the drawing can be essential for the realization of the invention both individually and in any combination. Reference List
Apertur-Gehäuse aperture housing
Metallzylinder metal cylinder
Schlitzdüsenwand a Apertur-Einlaufströmung b »j ,j c a Apertur-Auslaufströmung c » »J c Slot nozzle wall a Aperture inlet flow b »j ,j c a Aperture outlet flow c » »J c
Bezeichnungen, geometrische zur Positionierung der MetallzylinderDesignations, geometric for the positioning of the metal cylinders
Düsengehäuse, konisches Nozzle housing, conical
Spalt-Einstellstempel, axialer Gap adjustment punch, axial
Einstelstempel-Führungsrohr 0 Temperierfluideintritt
Temperierfluidaustritt Temperierfluid-Kanäle a Temperierfluid-Kanäle, innere b Temperierfluid-Kanäle, äußere c Temperierfluid-Kanäle im Einstellstempel Führungen Düsenspalt a Düsenspalt in Ausgangsstellung b verengte Spalteinstellung durch Düsenspalt Ringschlitzdüsen Flansch Schlitzdüsen-Strömungskanal Laminare Schlitzdüsenströmung Schneidevorrichtung Extrudatstrang a Nadelwalze, obere b Nadelwalze, untere
Penetrationsnadel Förderband-Teilvorrichtung a Penetrationsnadelwalzen-Anpress-Teilvorrichtung, obereb Penetrationsnadelwalzen-Anpress-Teilvorrichtung, untere Förderband, teilperforiertes a Vakuumier-Halbschale, obere b Vakuumier-Halbschale, untere a Anpressdruck-Pneumatik, obere b Anpressdruck-Pneumatik, untere Extrudatteil, abgeschnittenes a Rohrleitungen für Absaugung b Rohrleitungen für Absaugung Teilvakuum-Speicherbehälter Vakuumpumpe Strang-Abschneidevorrichtung Membran-Druckaufnehmer
37 Membran-Druckaufnehmer Adjustment plunger guide tube 0 Tempering fluid inlet Tempering fluid outlet Tempering fluid channels a Tempering fluid ducts, inner b Tempering fluid ducts, outer c Tempering fluid ducts in the adjustment stamp Guides Nozzle gap a Nozzle gap in initial position b Narrowed gap setting through the nozzle gap Ring slot nozzles Flange Slot nozzle flow channel Laminar slot nozzle flow Cutting device Extrudate strand a Needle roller, upper b Needle roller, lower Penetration needle conveyor belt dividing device a penetration needle roller pressure dividing device, upperb penetration needle roller pressure dividing device, lower conveyor belt, partially perforated a vacuum half-shell, upper b vacuum half-shell, lower a contact pressure pneumatics, upper b contact pressure pneumatics, lower extrudate part, cut off a Piping for exhaust b Piping for exhaust Partial vacuum storage tank Vacuum pump String cutter Diaphragm pressure transducer 37 diaphragm pressure transducer
38 38
39 Druckaufnehmermembranen 39 pressure transducer membranes
40 Verbindungsflansche 40 connecting flanges
41 Düseneinlaufströmungs-Geometrie, konische 41 nozzle inlet flow geometry, conical
42 Membran-Druckaufnehmer a Drehwinkel des Metallzylinders 2 ß Winkel zwischen Metallzylindermittelpunkt und Kanten der Anschnittsfläche des42 Diaphragm pressure transducer a Angle of rotation of the metal cylinder 2 ß Angle between the center of the metal cylinder and the edges of the cut surface of the
Metallzylinders 2 ö Drehwinkel des Metallzylinders 2 metal cylinder 2 ö angle of rotation of metal cylinder 2
Ri Metallzylinderradius Ri metal cylinder radius
LD Düsenlänge
LD nozzle length
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