Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover

Baustein B: Kältetechnologie

Tiefgefrieren von Teig und Gebäck

Schematische Darstellung einer Tiekühlkostkette

Hersteller-Kühlhauskälter als -24°C

Transport(Isoliersystem)

Auslieferungslager (Depot)-23°C bis -20°C

Haushalt -18°C

Transport(Isoliersystem)

Zentralkühlhaus(Großhandelslager) -25°C bis -23°C

Transport(Isoliersystem)

Einzelhandel-18°C

Kunde

Schematische Herstellung vorgegart, gefrosteter Teiglinge

Brötchenteige herstellen

Gären

Schockfroster

Gefrieranlage -22°C

Transport

„Bake-off-station“ TK-Depot: -20°C

Direktverkauf und -verzehr

verpacken, PE-Beutel, Karton

verschiedene Arbeitsschritte

-35°C, -7°C, Kerntemperatur

+35°C, 72% rel. Feuchte

Backen im Laden mit Spezialöfen und integrierten PC-gesteuerten Programm

Backprogramm

Schematische Herstellung vorgegart, gefrosteter Teiglinge

ZUTATEN(Zusatzstoffe)

KNETPROZESSTeigtemperatur: 25-27° C

TEIGRUHE / STÜCKGARE30-35° C; 70 – 80% r. F.

TIEFKÜHLUNG (-30 bis –40° C)0,03 m/h; (ca. 30 – 40 min. ca. -7° C im Kern)

LAGERUNG (-18 bis –20° C)Tage, Wochen, Monate

AUFTAUEN15 min. bei RT

BACKENspezielles Backprogramm

verpacken

Unterschiedliche Kühlverfahren

• Konventionelle Kälte (Kältemaschine), (siehe oben und unten)– Schockgefrieren– Tiefkühllagerzellen– spezifische Anlagen – andere

• Cryogene Gase (siehe unten)– LCO2 (Liquid CO2)– LN2(Liquid Nitrogen) (z. T. fl. Luft)– anderes

• Adsorptionstechnologie– Verdampfung von Wasser im Vakuum durch Zeolithe (siehe un ten),– „Vakuum-Enthalpie-Kühlung“ (siehe unten) – anderes

Kältetechnik

1 mol H2OP = 1 bar

Verdampfungswärme

Schmelzwärme

Wärmezufuhr (J)

T100°C

0°C

200 800

Wassergehalt einiger wichtiger Lebensmittel (bezogen auf das Gesamtgewicht)

Produkt %H2O Produkt %H2O

Rindfleisch 73,0 Kopfsalat 94,5

Schweinefleisch 70,0 Tomaten 94,0

Fisch (fett) 65,0 Blumenkohl 92,0

Fisch (mager) 78,0 Erbsen 76,0

Milch 88,0 Kartoffeln 77,0

Hartkäse (Emmenthaler, 45 % Fett)

35,0 Erdbeeren 89,0

Weichkäse (Camembert, 45 % Fett)

52,00 Pfirsiche 88,0

Eiklar 87,0 Äpfel 86,0

Eigelbt 50,00 Kirschen 86,0

Nüsse 5,0 - 22,0

Temperaturen des Gefrierbeginns verschiedener Lebensmittel

Produkt Gefrierbeginn °C Produkt Gefrierbeginn °C

Fleisch -0,60 bis 1,2 Tomaten, Himbeeren -0,9

Fisch -0,60 bis 2,0 Blumenkohl -1,1

Milch -0,50 Zwiebeln, Erbsen, Erbeeren

-1,2

Eiklar -0,45 Pfirsiche -1,4

Eigelb -0,65 Äpfel, Birnen -2,0

Kopfsalat -0,40 Pflaumen -2,4

Kirschen -4,5

Nüsse -6,7

Ausbildung eines Kristallgefüges nach Tamman

Temperatur

N

V

N

V

ϑ1 ϑ2 ϑ3

N = KeimbildungsgeschwindigkeitV = Kristallwachstumsgeschwindigkeit

Temperaturverlauf beim Gefrieren

Temperaturverlauf bei unterschiedlichen Gefriergeschwindigkeiten (langsam, schnell, superschnell).A AnfangszustandS UnterkühlungB GefrierpunktD eutektischer Punkt.Im Temperaturintervall B-C kristallisiert der Hauptteil des Wassers im Lebensmittel

Quelle: Heiss, B., Eichner, K.: Haltbarmachen von Lebensmitteln, Springer (Berlin, 1984)

0 0,5 1,0 1,5 2,0

Zeit (h)

+30

+15

+0

-15

-30

Tem

pera

tur

(°C

)

A

D

S C

B

S

Kerntemperaturverlauf während des Tiefgefrierens und Auftauens

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

00:00 00:30 01:00 01:30 02:00 02:30 03:00 03:30 04:00 04:30

Zeit [h:min.]

Ke

rnte

mp

era

tur

[°C

]

grüner Teigling

vorgegarter Teigling (3/4Gare)

grüner Teigling

vorgegarter Teigling (3/4 Gare)

Auftauen bei Raumtemperatur

Abb.: Kerntemperaturverlauf während des Tiefgefrierens (links) und Auftauens (rechts) bei grünen und vorgegarten Teiglingen (65 g) (Lagerzeit: keine).

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

00:00 00:15 00:30 00:45 01:00 01:15 01:30

Zeit [h:min]

Ker

nte

mp

erat

ur

[°C

]

grüne Teiglinge

vorgegarte Teiglinge(3/4 Gare)

grüne Teiglinge

vorgegarte Teiglinge (3/4 Gare)

Raumtemperatur: -40° C

To Refrigerate (+4 until +8°C)

Slow down the development of micro organisms bio-chemical degradation reactions

What happens in a non-packaged product

Food

Heat

Ambient air

Moisture

Food

Heat

Water/brine

MoistureSolutes

Air cooling Hydro cooling

Quelle: Fikin, 2003

Gefrierenschnelles Gefrieren

kleine Eiskristalle

langsames Gefrieren

große Eiskristalle Zerstörung der Zellwand

To freeze (-18 to -40 °C)

- Decrease the temperature below -18 C in a few minutes, the quickest possible.

- Stop food degradation reactions

- Prevent the development of micro organisms

- Long time of conservation

Auftauen

Zellwand intakt

Zellwand ist desintegriert

Quelle: Fikin, 2003

high solute concentration (low aw)

membrane shrinkage and

damage

intracellular ice (?)

Cell damage during freezing

Originalzelle

Zelle

Zellmembrane

Eiskristall

Wasserflux

Nach der Eiskristallbildung

Nach der intrazellulären Kristallbildung

Nach der intrazellulären Kristallbildung & Osmose

(Zythorryse)

Gefrieren von komplexen Systemen (Lebensmittel)

Lebensmittel sind einphasige (Wasser etc.), zweiphasige (fest, flüssig) oder mehrphasige Systeme (fest, flüssig, gasförmig):

Konduktiver Wärmetransport überwiegt bei ein- oder zweiphasigen Systemen, konvektiver z. B. bei gasdurchsetzten Systemen; beschleunigter Wärmetransport beim Auftauen poröser Körper durch Wärmerohreffekt

Wärmetransport in porösen und nicht-porösen Lebensmitteln

+30 °C

0°C

-30 °C

Tem

pera

tur

Zeit

Einfluss von Porosität auf den Wärmetransport beim Kühlen, Gefrieren und Tiefgefrieren von verschiedenen Lebensmitteln (schematisch)

Nicht gasdurchsetztes Produkt (zweiphasiges System) (Fleisch, Früchte, Teigwaren)

Gasdurchsetztes Produkt (dreiphasiges System, poröse Körper) (gegorener Teigling, Backwaren)

Kerntemperaturverlauf von grünen (nicht-porösen) und vorgegarten (porösen) TK-Teiglingen

-20

0

20

40

60

80

100

120

01 01 01 01 01 01 01

Zeit [min.]

Ke

rnte

mp

era

tur

[°C

]

vorgegarter Teigling (3/4 Gare)

grüner Teigling

Abb.: Kerntemperaturverlauf von grünen und vorgegarten TK-Teiglingen (65g Weizenteig) während des Abbackens (ohne Auftauen) Backtemperatur (konst.) = 200°C, (AEROMAT, Fa. MIWE).TK-Lagerung bei –18°C und 48h

Arten des Wärmetransportes

• konduktiv (Wärmeleitung)

• konvektiv (Wärmeströmung)

• Wärmestrahlung (IR:0,8 …. 15 µm) (strahlende Körper sind u. a. Werkstoffe aber auch Wasser oder CO2)

• Wärmeübergang bei Ändern des Aggregatzustandes z. B. Verdampfen, Kondensieren (Verdampfungsenthalpie, Kondensationsenthalpie)

Wärmeleitzahlen (Lambdazahl) verschiedener Materialien

Material (Stoff) Wärmeleitzahl kcal/h m k

Luft 0,021

Kohlendioxid (CO2) 0,011

Wasser 0,50

Eis 1,90

Mehl 0,048

Teig 0,51

Brot 0,18

Abb.: Wärmerohr-Prinzip (schematisch, vereinfacht)Schematische Darstellung des Wärmetransportes an einer gefrorenen Teigpore: Wärme heizt zunächst eine Fläche einer gefrorenen Pore auf (Wärmeleitung durch Matrix). Die Wärme wird u. a. konvektiv an die gegenüberliegende (noch gefrorene) Fläche der Pore abgekühlt. Es findet Kondensation statt (Tröpfchen-Kondensation, Taupunkt-Überschreitung). Die freiwerdende Konduktionswärme wird u. a. durch das Kapillar- oder Porensystem im Teig transportiert (kovektiv, konduktiv) und unterstützt u. a. die Hauptwärmequelle . Es resultiert ein synergistisch sich steigernder Wärme- und Stofftransport, der vor allem und z. B. bei porösen Körpern zu stark beschleunigten Auftauraten führt.

Wärmerohr-Prinzip (schematisch, vereinfacht)

Physikalische Eigenschaften von Wasser und Eis

Temperatur (°C) Dichte (g/cm3)Wärmeleitfähigkei

t (W/m °C)Spez- Wärme

(kJ/kg °C)

Wasser 0 0,9998 0,5435 4,218

Eis 0 0,9168 2,2150 2,050

Eis - 20 0,9481 2,3880 2,050

Gefrieren komplexer Systeme (Lebensmittel)

Lebensmittel sind hormonell / enzymaktive Systeme (z. B. Früchte) • Primärwandstabilisierung:

Aktivierung der fruchteigenen Peroxidase

• Mittellamellenstabilisierung durch fruchteigenen oder mikrobieller Pektinesterasen (z.B. vor oder nach dem Gefrieren)

• Retardierung / Stopp des endogenen Metabolismus direkt nach der Ernte (vor dem Gefrieren)

• anderes

Ethylen Synthese

Amino Vinyl Glycin oder Silberionen

hemmen die ACC-Synthase

z. B. Expression der Gene zur Reifung bei der Tomate oder Wurzelhaarbildung in Arabidopsis

Begrenzendes Element ist die ACC-Synthase, deren Transkription wird durch Auxin stimuliertBeispiel: Fruchtboden der Erdbeere

Diese Enzyme zeigen Aktivitätszunahme bei Reifungsbeginn

ACC-Synthase

(ACC)

ACC-Oxidase

Methionin

S-Adenosylmethionin

1-Aminocyclopropan-1-carboxylsäure

Ethylen (C2H4)

Rezeptor

(nach Grierson and Covey 1988)

Festigkeit von gefrorenen verarbeiteten Sauerkirschen (Extrusionstest)

(Wochen)(°C)(ppm)

KühllagerungVorerhitzungCalcium

Kra

ft F

ma

x (N

)

Quelle: K. Lösche (Hrsg.): Enzyme in der Lebensmitteltechnologie, Behr`s Verlag, Hamburg, 2003

24

ICE / Wassereis

• Forms when exactly 4 H-bonds are formed between water molecules

– 2.78 A vs. 2.85 A in liquid– To get this order a lot of energy

needs to be adsorbed by the environment

• The strong H-bonding in ice forms an orderly hexagonal crystal lattice

– 6 H2O molecules

• Has 4X more thermal conductivity than water at same temperature

25

PROPERTIES OF ICE (1/2)

• Crystallization– Crystal growth occurs at freezing point– Rate of crystal growth decreases with decreasing temperature– Solutes slow ice crystal growth

• Nucleation - affects ice crystal size.– Slow freezing results in few nucleation sites and large, coarse

crystals– Fast freezing results in many nucleation sites and small, fine

crystals– Heterogeneous nucleation

• usually caused by a foreign particle, such as salt, protein, fat, etc.– Homogeneous nucleation

• very rare, mainly occurs in pure systems

26

• SUPERCOOLING– Water can be cooled to temperatures below its freezing point without crystallization– When an ice crystal is added to supercooled water, temperature increases and ice formation occurs

PROPERTIES OF ICE (2/2)

• Extensively H-bonded• H-bond formation dependent on T

– With increasing T get more mobility and increased fluidity

27

T (ºC) Density (kg/m3) Viscosity (m2/s)

0 999.9 1.7895

5 1000.0 1.535

25 997.1 0.884

100 958.4 0.294

LIQUID WATER

28

Boiling point• Vapor pressure is equal to

atmospheric pressure • Strongly influenced by water -

solute interaction– Solutes decrease vapor pressure

and thus increase boiling point• Sucrose +0.52ºC/mol• NaCl +1.04ºC/mol

ATMOSPHERIC PRESSURE

VAPOR PRESSURE

EFFECT OF SOLUTES ON WATER (1/2)

29

Freezing point lowering • Freezing point can get

extensive depression via solutes

• Alter ability of water to form crystals due to H-bond disruption

• Sucrose -1.86ºC/mol• NaCl -3.72ºC/mol

– Eutectic pt - temp. • Where “all” water is frozen -

usually around -50ºC

– In most cases small amounts of water remains unfrozen (-20ºC)

• These small patches of water can promote chemical reactions and damage

EFFECT OF SOLUTES ON WATER (2/2)

Gefrieren von komplexen Systemen (Lebensmittel)

Gefrierpunktsenkung beeinflusst Gefrierrate, die Qualität der Lebensmittel und mehr…

Kleine Moleküle wie Salz und Zucker senken primär den Gefrierpunkt

Einsatz von „Anti-Freeze“-Proteinen führt zur Gefrierpunkts-Hysterese und zur Minimierung der Eiskristallbildung

Freezing Point Depression

State Diagram-Sucrose

Wasser geht nicht nur mit elektronegativen funktionellen Gruppen sondern auch mit gelösten Ionen eine elektrostatische Wechselwirkung ein

Q1 Q2

ε.r2

Q1, Q2 = elektrische Ladungen

ε = dielektrische Konstantr2 = ihrer Abstand

F =------------

Vermehrungsbereiche der Bakterien

80°C

70°C

60°C

50°C

40°C

30°C

20°C

10°C

0°C

-10°C

-20°C

Zu

wa

chs

the

rmo

ph

iler

Ba

kte

rien

sehr schnelles Bakterienwachstum

kritischer Temperaturbereich

Lagertemperatur der Kühlkost-Fertiggerichte

Lagertemperatur der Tiefgefrierkost-Fertiggerichte

Zuw

ach

s m

eso

phile

rB

akte

rien

Begre

nzt

er

Zuw

ach

s psy

chro

phile

r B

akte

rien

-18°C

15°C

+2°C

45°C

Während des Abkühlens von Backwaren wird ein mikrobiologisch-hygienisch kritischer Temperaturbereich durchschritten

Abb.: Gefahrenzone: Abkühlen von Brot und kritischer Temperatur-Bereich (schematisch)

Kerntemperatur

Zeit1h 2h 3h 4h 5h

100°C

90 °C

80°C

70°C

60°C

50°C

40°C

30°C

20°C

10°C

Gefahrenbereich: Wachstums-

Temperatur-Zone für

Mikroorgansimen !

Temperatur Zonen

Kochpunkt 100 °C

Pasteurisation 72 °C

Wachstumsgrenze 65 °CPathogener Keim

0 °C

10 °C

Körpertemperatur 36,5 °C

Kühlung

Tiefgefrieren

Unkritische Zone

Gefahren-Zone:

mikrobiologisch-hygienisch

kritische Zone

Unkritische Zone

Bake-Off-Technologien

Par-baked Frozen

Par-baked Unfrozen

Fully-baked Frozen

Unfermented Frozen

Prefermented Frozen

Standard Process - Reference

PBF

PBUF

FBF

UFD

PFF

SP-R

Berechnete aw-Werte gefrorener Lebensmittel

Temperatur (°C) aw- Wert

- 5 0,953

- 10 0,907

- 15 0,864

- 20 0,820

- 30 0,735

- 40 0,650

Veränderung beim Gefrieren von Teig

Physikalische Veränderungen• Verformungen und mech. Beschädigungen der kolloidalen Matrix durch Eiskristallwachstum (primär bei zu

langsamen Gefrieren)• Osmotischer Wasserentzug aus den Zellen und Zellverformung durch Aufkonzentrieren der Restlösung

in den Zellzwischenräumen (primär bei zu langsamen Gefrieren)• Massenverlust und Oberflächentrocknung bei unverpackten Produkten• Volumenzunahme• aw-Wert Senkung• Gaswechsel (Luft wird durch CO2 verdrängt) bei vorgegarten Teiglingen (Kleberschädigung: ggf. gröbere

Poren aber primär stark geschädigtes Gashaltevermögen im Teig mit der Folge von starken Volumeneinbußen bei Gebäck)

• Extrem erhöhte CO2-Löslichkeit im Teig (Wasser) und partielle Kohlensäuren-Bildung• Gas-Diffusion von kleineren zu größeren Gasporen (hohe Diffusiität von CO2) vor allem beim

Auftauprozess (ggf. gröbere Porung).Chemische Veränderungen

• Aufkonzentrieren von Salzen, Säuren, Zucker, Enzymen etc. und –bei knapp unter dem Gefrierpunkt – dadurch Beschleunigung von chemischen Reaktionen, insbesondere Proteindenaturierung (Kleberschädigung)

• CO2 + H2O H2CO3: geringe pH-Absenkung bei vorgegarten Teiglingen, erhöhte Löslichkeit des Klebers bzw. seine Schädigung durch CO2

Mikrobiologische Veränderungen• Stopp des Mirkoorganismus – Wachstums (aw-Wert)• Zellschädigung bei langsamer Gefriergeschwindigkeit. Die Absterberate ist besonders groß, wenn in der

Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°c gehalten wird.

• So lange noch genügend flüssige Substanz vorhanden ist, können sich auf dem gefrorenen Lebensmittel kryogene Mikroorganismen vermehren. Bakterien stellen ihr Wachstum bei etwa -7°C, die anspruchslosen Hefen und Schimmelpilze bei spätestens -12 bis -15°C ein.

• Beim Gefrieren geht auch die Keimzahl mehr oder weniger stark zurück. Diese Absterbequote ist besonders groß, wenn

die Produkte in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C bis -5°C gehalten werden, je langsamer also

gefroren wird.• Teig ist andererseits ein sehr gute Schutzkolloid (je fetthaltiger umso besser), sodass bei schneller

Gefriergeschwindigkeit keine Backhefe Schädigung eintritt (also keine beeinträchtige CO2-Bildung durch Hefe nach dem Auftauen eines Teiges).

Mikrobiologische Veränderung

• Stopp des Mikroorganismus-Wachstums (aw-Wert)

• Zellschädigung bei langsamer Gefriergeschwindigkeit. Die Absterberate ist besonders groß, wenn in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°C gehalten wird.

• So lange noch genügend flüssige Substanz vorhanden ist, können sich auf dem gefroren Lebensmittel kryogene Mikroorganismen vermehren. Bakterien stellen ihr Wachstum bei etwa -7°C, die anspruchslosen Hefen und Schimmelpilze bei spätestens -12°C bis -15°C ein.

• Beim Gefrieren geht auch die Keimzahl mehr oder weniger stark zurück. Diese Absterbequote ist besonderes groß, wenn die Produkte in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°C gehalten werden, je langsamer also gefroren wird.

• Teig ist andererseits ein sehr gutes Schutzkolloid (je fetthaltiger umso besser), sodass bei schneller Gefriergeschwindigkeit keine Backhefe-Schädigung eintritt (also keine beeinträchtige CO2-Bildung durch Hefe nach dem Auftauen eines Teiges).

CO2-Transportweg bei einer Hefeteig-Gärung

Abb.: CO2-Transportweg bei einer Hefeteig-Gärung (schematisch): Transport durch Zellmembran (wahrscheinlich enzymatisch und Diffusion)

Gasblase (Pore)

Klebermembran

DiffusionPco2 ist treibende Kraft

Pco2 im Gleichgewicht (Diffusion)

Transport durch Zellmembran, wahrscheinlich Carbonsäureanhydrase

CO2

Hefe-Zelle

Teig

Biologische Eigenschaften von Schutzgasen

Eigenschaften N2 CO2 O2

Verhalten gegenüber Lebensmittelinhaltsstoffen (Vitaminen, Farbstoffen, Aromastoffen, Fetten)

völlig inert inert (evtl. säuerlicher Geschmack wg. chemischer Eigenschaften), vereinzelt Verfärbungen

stark oxidierend

Mikroorganismen-wachstum

Hemmung von Aerobiern, keine Hemmung von Anaerobiern

Hemmung von Aerobiern und Anaerobiern, bakteriostatisch und fungistatisch bei ausreichender Feuchtigkeit

Förderung von Aerobiern

Chemische Eigenschaften von Schutzgasen

Eigenschaften

N2 CO2 O2

chemisch völlig inert im Lebensmittelbereich

reagiert mit Wasser: CO2+H2OH2CO3, geringe pH- Absenkung des Lebensmittels möglich

Oxidations- Reaktionen gefördert, v. a. bei Anwesenheit von Metallionen, Licht, höherer Temperatur

Physikalische Eigenschaften von Schutzgasen

Eigenschaften N2 CO2 O2

Physikalisch

Dichte (kg/m3) bei 15 °C, 1.013 mbar

1,170 1,849 1,337

Löslichkeit in Wasser(g/m3H2O) bei 15 °C,1.013 mbar

21,0 1960,0 48,2

Permeation

bei 23 °C, 75% r. F.für HDPE 50 250 80

für PVDC 0,04 <2,3 <0,4

)bar*d*m

mm*cm(2

3

Löslichkeit von verschiedenen Gasen in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur p= Normaldruck (1013 bar)

Temperatur in ° C

Gas 0 5 10 15 20 25 30

in g CO2 / l Wasser

CO2 3,420 2,780 2,320 2,040 1,760 1,450 1,127

Luft 0,028 0,025 0,022 0,020 0,018 0,016 0,015

O2 0,0473 0,0415 0,0368 0,0330 0,030 0,0275 0,0255

N2 0,0225 0,020 0,0181 0,0165 0,0152 0,0141 0,0133

Unterschiedliche Gaszusammensetzung von TK-Teiglingen

ungegart

vorgegart

Luft

überwiegend

CO2

ca. 80 % N2

20 % O2

Teigpore

Teigpore

Gaspore bei Gefrierlagerung intakt.

Gaspore bei Gefrierlagerung desintegriert.

Lösen von CO2-Gaskernen beim Kühlen, Gefrieren und Auftauen vorgegarter Teiglinge

CO2+H2O→H2CO3

CO2

CO2

Frosten

Lösen

Auftauen, Erwärmen

Vorgegorener Teig bei Raumtemperatur enthält CO2

Hohe Wasserlöslichkeit von CO2: Kohlendioxid löst sich im Teig, pH- Wert- Senkung: Kleber- Desintegration 1% H2CO3 entsteht

Unterschreitung des isoelektr. Punktes von Kleber

Gaspore verschwindet hohe Diffusivitätvon gelöstem CO2 etc.

Rückbildung von CO2 Gas,Bildung gröberer Poren

Teigpore

Diffusion von Gaskernen in Teigen

Diffusion

Feine Porung:

Der Gasdruck ist ausgehend von kleinen Poren größer, daher ist die Konzentration von Gas in deren Umgebung höher.

Grobe Porung:

Kleine Gaskerne haben die Neigung, kleiner zu werden und große noch größer. Die Diffusion von CO2 ist sehr groß.

Veränderungen beim Gefrieren von Teig

Physikalisch

• Kristallbildung• Rekristallisation• Volumenanstieg• Druckanstieg im

Innern• aw-Wert-Senkung• Gaswechsel• Gasdiffusion• Gaslöslichkeit• etc.

Biochemisch/mikrobiologisch

• Enzymaktivität• Hefe-

Zellschädigung• etc.

Chemisch

• Konzentrations-verschiebungen

• pH-Wert-Senkung• Kleber-Membran-

Desintegration• etc.

Schematische Darstellung einer Zellschädigung

Abb.: Schematische Darstellung einer Zellschädigung durch Hefe-Plasmolyse in hypertonischer Umgebung:Deformation von Hefezellwand, Zellmembran verbunden mit Volumenkontraktion

5 μm

Hefe in isotonischer Lösung Plasmolyse in hypertonischer Lösung (in der Regel reversibel), insgesamt: Volumen-Kontraktion

Zytoplasma

Zellwand

Zellmembran

extrazelluläres Wasser

Plasmolyse (Zytorrhyse)

Zellwand (deformiert)

Zellmembran (deformiert)

Zytoplasma

CO2 + H2O HCO3- + H+

CO2 + OH- HCO3-

CO2 HCO3- CO2

wässrige Lösung Membran Zellinneres(Teig) (Hefezelle)

CO2-Transport durch biologische Membranen

Abb.: CO2-Transport durch biologische Membranen via Carbonsäureanhydrase (Schema)

Unterscheidungsmerkmale von Teiglingen und vorgebackener Ware in der Tiefkühlung (modifiziert)

Merkmal „grüner“ Teigling vollgariger Teigling vorgebackene Ware

Volumen kleineres Volumen 2-3 mal größer(nach TK leicht

geschrumpft)

3-5 mal größer (als grüne)

Wärmetransport rasch bei geringer Anfangstemperatur

Verzögerung bei höherer Anfangstemperatur

Kruste als Isolator

Oberfläche homogen (glatt als Folge der Dichte-Abnahme)

dünne empfindliche Teighaut mit etwas welliger Oberfläche

Kruste weitgehend gebildet

Hefe geringe Aktivität in aktivster Form keine Aktivität

Gefrierproblematik gering da keine Kleberschädigung,

partielle Hefeschädigung

durch Kälte

Hoch, da CO2 Kleber und ggf.

Hefe schädigt, partielle Hefeschädigung durch Kälte

„Druckausgleich“ vor d. Frieren verhindert

Abplatzen der Kruste

Auswirkung bei Austrocknung

gering hoch hoch

Empfindlichkeit bei mechanischer Beanspruchung

nicht so hoch hoch nicht so hoch

Kruste nein nein je nach Vorbackgrad ausgeprägt

Gasgehalt Luft CO2 Luft

Einflussgrößen auf die Gefrier-Tau-Resistenz von Hefen für TK-Teige, modifiziert

Biologische. Faktoren Hefefabrikation TK-Prozeß (Bäckerei)

Genetik / Physiologie - undefinierte

cryoprotek. Faktoren - etc. Hefetyp - Hybrid - osmotolerant - rekombinant- etc.

Zusammenfassung - Proteine / Enzyme - Trehalose-Akkumul. - Phospholipide - Glycerol - etc. Fermentation - Hitze-Schock, Kälteschock - Äthanol - aerob / anaerob - etc.

Mehlqualität Backmittel Teigherstellung und - Verarbeitung - Zusammensetzung - grün oder vorgegoren

gefrostet - etc. Art der Hefe

Gefrieren von Backwaren• Problem bekannt• Ursachen aufgeklärt• Technologie noch nicht entwickelt

Problem: Abplatzen der Kruste bei TK-Backwaren

KRUSTEN-PROBLEME BEI HALBGEBACKENEN BROT

HYPOTHESE ZUM ERKLÄREN DER KRUSTEN PROBLEME (Abplatzen …):

Interne Beschädigung

Oberfläche – Verlust der Kruste

Abplatzen der Kruste bei vorgebackenen u. gefrosteten Backwaren

a) Mechanische Probleme unter der Kruste hervorgerufen durch die Eiskonzentration (Problematik Wasserdampfdruck durch großes Delta T)

b) Thermomechanische Probleme hervorgerufen durch die differentiale Belastung

(Verformung durch Gaskontraktion in der Krume beim Kühlen u. Gefrieren)

c) Strukturelle Probleme (Kleber, Stärke / thermomechanische Interaktionen)

• UFF Ungegarter gefrorener TeigUnFermented Frozen dough

• PFF Vorgegarter gefrorener TeigPreFermented Frozen dough

• PBF Halbgebacken gefrorenes Brot/rollsParBaked Frozen bread/rolls

• FBF Fertiggebacken gefrostet (auftauen/servieren)Fully Baked Frozen (Thaw ‘n Serve)

4 Gefriertechnologien

mixdivide &make up

final proof bake serve

UFF ungegart gefroren

mischenteilen & auf-machen

PFF vorgegart gefroren

garen

PBF halbgebacken gefroren

backen

FBF fertiggebacken gefroren

servieren

Orientierung

1 2 3

Vermeidung der Krustenausbildung während

des ersten Backens:

• PBF Produkt = Fertiggebackene Produkte ohne Kruste

• Backen Sie bei der niedrigeren Temperatur (170-180°C/340-360°F) mit regelmäßigen Dampfeinspritzungen, um eine feuchte "Krusten" Schicht zu erhalten

• T(@ Kruste)~100°C/212°F wenn feuchtig, wenn % H2O > 0%.

• Beim ersten Backen die Krustenbildung vermeiden, so dass beim zweiten Backen das Abplatzen verringert wird.

PBF

mischen

servieren

teilen & auf-machen

Endgare

backen

backen

-FROZZZZZ

Die drei goldenen Regeln bei PBF

Reference Test

Test: ZU STARKES BACKMITTEL

Test: ZU STARKES MEHL

Reference Test

Reference Test

Test: erstes Backen zu kurz bei hoher Temperatur

Reference Test

Test: zu viel Dampf

Test: zu viel Dampf

Reference Test

Test: zu wenig Dampf

Reference Test

Test: LAGERUNG OHNE PLASTIK (1/2)

Reference Test

Test: LAGERUNG OHNE PLASTIK (2/2)

Reference Test

Reference Test

Test: erstes Backen zu lang (1/2)

Test: erstes Backen zu lang (2/2)

Reference Test

PBF

mischen

servieren

teilen & auf-machen

Endgare

bake

backen

-FROZZZZZ

mischenteilen &aufmachen

Endgare bake servierenbakebacken backen- FROZZZZZ

FROZZZZZ

Die drei goldenen Regeln bei PBF

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Schockgefrieren bei -35°C/-31°F bis ≤ -10°C/14°F im Kern• Mit RH ~ 90%• Richtig verpackt und versiegelt in Plastik • Lieferung zur Gefrierlagerung bei konstant

-18°C/0°F zur Verhinderung des Gefrierbrandes (= beflecken d. Krustenfarbe)

Reference Test

Test: zu langes Schockgefrieren

PBF

mischen

servieren

teilen & auf-machen

Endgare

backen

backen

-FROZZZZZ

Ziel des zweiten Backens = Krustenbildung

+ gibt Farbe & Aroma und “Erneuerung” der Krume.? Kaum oder kein Auftauen vor dem Backen Vorzugsweise 30 Min bei 90% RH;25°C/77°F

=> Abplatzen

° Alle Arten von Ofen° Dampf (5 sec)° T: ± 220°C/430°F & abbacken auf Lochblechen

runde untere Form

Die drei goldenen Regeln bei PBF

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ttz Bremerhaven Am Lunedeich 1227572 BremerhavenTel. : +49 471 97297-0 Fax.: +49 471 97297-22

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Bäckerei- und Getreidetechnologie