Technische Universität BerlinFakultät III

Institut für Lebensmitteltechnologie und Lebensmittelchemie

Fachgebiet LebensmittelrheologieLeiter: Prof. Dr.-Ing. B. Senge

Königin-Luise-Str. 22 Sekr. KL-H1D-14195 BerlinTel. +49 (30) 31471819Tel. +49 (30) 31471821 (Sekretariat)Fax. +49 (30) 31471822FoodRheology@LB.TU-Berlin.DEwww.tu-berlin.de/~foodrheology

Institut für LebensmitteltechnologieFachgebiet Lebensmittelrheologie

Campus des Institutes für Lebensmitteltechnologie/ Lebensmittelchemie in Berlin-Dahlem

Detmoldt 2006

Institut für LebensmitteltechnologieFachgebiet Lebensmittelrheologie

Detmoldt 2006

1. Einleitung

2. Teigstruktur und Teigentwicklung

3. Rheologisches Verhalten von Weizenteigen

4. Verarbeitungsverhalten von Weizenteigen

5. Veränderungen der Teigphysik im Linienbetrieb

6. Optimierung der Linientechnologie/Maschinentechnik

7. Zusammenfassung

Rheologische Untersuchungen des Rheologische Untersuchungen des Verarbeitungsverhaltens von Weizenteigen Verarbeitungsverhaltens von Weizenteigen

Institut für LebensmitteltechnologieFachgebiet Lebensmittelrheologie

Detmoldt 2006

Rheologische Untersuchungen/Messanstellungen werden zur Bestimmung von Materialeigenschaften sowie zur Prozesssimulation in der Backwarentechnologie eingesetzt.

Die Verarbeitungsschritte eines Teiges sowie der Backprozess sind durch eine Kaskade von Belastungs- und Entlastungsphasen mit verschiedenen Zeitabläufen gekennzeichnet, welche sich mit den empirischen Methoden wie Farinograph, Mixograph, Extensograph oder Alveograph nicht simulieren lassen.

Von nicht geringerer Bedeutung für den Teigformlinienhersteller und -betreiber ist eine materialwissenschaftliche Kontrolle bei der Bearbeitung von Teigen zur Sicherung einer Eingangskontrolle bei schwankenden Verarbeitungseigenschaften.

Aus der Sicht des Herstellers der Linientechnik ist die Realisierung einer schonenden Teigbehandlung/Teigformung von großer Bedeutung, können so die Qualitätsansprüche an das Gebäck (Lift, arttypische Porenstruktur) im Vergleich zur Arbeit des Bäckers gesichert werden.

1. Einleitung

Die üblicherweise angewandten teigrheologischen Messmethoden erfassen die Teigveränderungen z. B. bei einer Linienpassage nicht.

Einflussgrößen auf die Verarbeitungseigenschaften sind:• Mischerarbeit• Dosiergenauigkeit• Standzeiten• Rückteigverhältnisse• ablaufende Redoxreaktionen

Betrachtet man zeitabhängig den Teig eines Mischers, kann bereits visuell auf Unterschiede der Teigkonsistenz und damit der Verarbeitungseigenschaften geschlossen werden.

In der Produktion versuchen die Bäcker, den Teig anlagenfähig zu machen. Die Linientechnik selbst bedient das Funktionsprinzip der Volumendosierung. Die Ausformung des Teiges wird möglich, in dem durch die mechanische Einwirkung einer Schergeschwindigkeit der Teig irreversibel plastisch verformt wird. Da Teig im Ruhezustand einviskoelastisches Materialverhalten zeigt, werden Restspannungen im Material angelegt.

Der Effekt des Teigformprozesses auf die Teigeigenschaften am Beispiel messtechnisch ermittelter Materialkennwerte wurde bisher mehr verbal beschrieben. Der negative Einfluss einer unsachgemäßen mechanischen Belastung auf die Teigstärke ist in der Literatur oft beschrieben worden.

Aussagen in der LiteraturDer elastische Anteil im viskoelastischen System Teig wird infolge der Bearbeitung durch die Linienelemente mehr und mehr abgebaut und in viskose Elemente umgewandelt.

Die damit verbundene Strukturschwächung und Dominanz der viskosen Eigenschaften sind jedoch für den Backprozess und die Qualität der Teigwaren nicht vorteilhaft, wenn ein von der „Stärke des Teiges“abhängiger kritischer Wert überschritten wird (Stückigkeit, Brüchigkeit, kein Gashaltevermögen fehlender Lift).

Belastungs- und Entlastungsschritte müssen abgestimmt aufeinander folgen.

Aber auch fundamentale Untersuchungen wie Kriech- , Relaxations- und Oszillationsversuche, werden durchgeführt um:

1. Zusammenhänge zwischen molekularer Struktur und stofflicher Zusammensetzung zu erfassen, sowie

2. die mechanischen Teig- und Gebäckeigenschaften quantitativ zu beschreiben,

3. die Änderungen der stofflichen Eigenschaften als Funktion der Prozesstechnologie ( Backprozess ) zu charakterisieren und zu modellieren

erfassen die realen Abläufe schon vom zeitlichen Aspekt her nicht.

2. Teigstruktur und Teigentwicklung

Die Wissenschaft befasst sich, seit BECCARI aus dem Teig Weizenkleber (Gluten) isolierte, mit der Problematik der Teigstrukturbildung und den daraus resultierenden Verarbeitungseigenschaften: Gluten mit Gliadin und Glutenin.

Die Glutenfunktionalität wird auch durch Wechselwirkung zwischenProteinen und anderen Komponenten des Weizens, wie z. B. Stärke und Glyco-Lipiden beeinflusst.

Weizenstärkekörner unterscheiden sich von Stärkekörnern anderer Getreidearten. Der Unterschied liegt in der besonderen Oberfläche der Weizenstärkekörner und deren Funktionalität.

Im Augenblick des Wasserkontaktes aus Mehlpartikeln bilden sich Proteinfäden heraus, welche sich im Wasser ausbreiten.

AMEND: In Mehlpartikeln liegt das Protein in Form eines Gerüstwerkes aus Proteinsträngen vor, in welchem die Stärkekörner eingebettet sind.

Beim Anteigen werden die Mehlpartikeln immer wieder auseinander-gepresst, gegeneinander bewegt und wieder zusammengepresst.

Die adhäsiven zellulären Klebernetzwerke haften dabei immer stärker zusammen und es entsteht schließlich ein den gesamten Teig durchziehendes Klebernetz, das „aggregierte Klebernetzwerk“.

Bedeutung der mechanischen Agitation (Knetertyp/Verweilzeit/Input mechanischer Energie) für das Materialverhalten des Teiges.

Der Kleber soll eine amorphe Struktur und nur zusammen mit den Lipiden eine orientierte Struktur aufweisen. Teig-Dispersion

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Teigentwicklung im Detail

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Bei jeder Teigformtechnik handelt es sich um ein komplex wirkendes Maschinensystem zur Volumendosierung mit jeweils spezifischer Wirkung der Einzelelemente, eingebunden zwischen Kneter und Ofen. Der Teig zeigt dabei ein viskoelastisches und kompressibles Verhalten.

Die bewirkte Scherung, Dehnung und der Energieeintrag, verursacht durch die jeweiligen Arbeitsorgane, sind dabei neben den initiierten chemischen Reaktionen und der Gärführung entscheidende Faktoren für die Einbringung von Restspannungen oder Verdichtungseffekte.

Ziel der vorgesehenen technologischen und materialwissenschaftlichen Untersuchungen war die Ermittlung und Bewertung des Einflusses der eingesetzten Maschinentechnik in Korrelation mit den Materialparametern des eingesetzten Teiges zur optimalen Technologiegestaltung im Teig-formprozess einer Verarbeitungslinie - Verarbeitungseigenschaften.

3. Rheologisches Verhalten von Weizenteigen

Die Teigrheologie ist abhängig von der Getreideart, Rezeptur, ablaufenden Redoxreaktionen und der Teigentwicklung. Sie liefert objektive Parameter am Beispiel der Kennwerte E-Modul, G-Modul, K-Modul, implementierte Spannungen, Maximalkraft und Verformungsarbeit durch Messung mit einer Prüfmaschine.

Mehr viskoelastische Teige stellen oxydierte Teige dar und basieren auf der dominanten Wirkung von S=S-Bindungen mit einer hohen Sensibilität gegenüber mechanischen Belastungen. Bei übermäßigem mechanischen Energieeintrag kann Depolymerisierung erfolgen.

Mehr „plastische“ Teige basieren auf der Dominanz von SH-Gruppen und den damit verbundenen Interaktionen über Wasserstoffbrückenbildungen mit einer erhöhten Variabilität der Deformation von WSB.

Austauschreaktionen als Folge ablaufender Redoxreaktionen der Strukturbildner im Teig werden wie folgt beschrieben:

Durch oxidative bzw. reduktive Behandlung treten bereits bei kleinsten Dosierungen von Oxidantien / Reduktionsmitteln Teigstabilitäten bzw. Teiginstabilitäten ein.

2P – CH2 – SH P – CH2 – S=S - CH2 – P + 2 H+

mit Oxidation und Reduktion

P1 – SH + P2 – S=S –P3 P1 – S=S – P3 + P2 – SH

Anhand dieser Reaktionen kann die Menge (Molmasse) und die Art der Verteilung der SH-Gruppe zu Teigen mit differenzierten Verhalten führen.

Werden etwa 10 % der in Frage kommenden funktionellen Gruppen verändert, liegt eine „neue“ Teigqualität vor.

(LÖSCHE 2002)

Rheologisches Modell für Weizenteig nach BLOKSMA und HLYNKA Reihenschaltung dominiert

Rheologisches Modell für Weizenteig nach SHUEY

Reihen- und Parallelschaltung von Maxwell- und Kelvin-Voigt-Modellen

Rheologisches Modell für Weizenteig nach MÜLLER und LERCHENTHAL

veränderter Ansatz der Beschreibung viskoelastischen Verhaltens mit St. Venant-Körper und SP-Elementen für Überarbeitung infolge Depolymerisation

Auslenkung als Ergebnis der mechanischen Belastung

Feder unverzögert, elastisches Verhalten

Reibklotz , plastisches Verhalten

Kelvin-Voigt Modell

Dämpfer

Ende der mechanischen Belastung

Feder

Reibklotz, und Dämpfer bleiben ausgelenkt Verformung

Zeitverzögerter Rückgang des Kelvin-Voigt Modells in Ausgangslage Restspannung

Belastungsmodell

Material:Teige aus laufenden Versuchsproduktionen oder direkt aus der Produktion.

Methoden: Die materialwissenschaftlichen Untersuchungen wurden mit einer Prüfmaschine der Fa. Zwick vom Typ BasicLine BDO-FBO.5TS durch-geführt.

Die Messungen untergliederten sich in Zugversuche bei Standardteig mit dem KiefferDough & Gluten Extensibility Rig und in Druckversuche bei „weichen“ bzw. überar-beiteten Teigen mittels eines Stempel.

Während der Messung wurden die physikalischen Größen Kraft, Weg, Eindringtiefe und Zeit gemessen und von der her-stellereigenen Software testXpert erfasst.

4. Verarbeitungsverhalten von Weizenteigen

Zugversuch für Teig mit Kieffer Dough & Gluten Extensibility Rig

Δs

ΔF

0 5 10 15 20 250

1

2

3

Weg in mm

Kraf

t in

NKraftmaximum

Weg in mm

Kra

ft in

N

E3

E1

s1 s2 s4s3I II III IV

Phase I Anlauf-/Startphase

Phase II Beginn einer elastischen Verformung/Oberflächenglättung

Phase III Prä-Kompressionsphase

Phase IV Bestimmung des Kompressionsmoduls

Weiterführende Auswertungen im Druckversuch

Prämisse

Aus verarbeitungstechnischer Sicht stellt der Teigformprozess in wesent-lichen Elementen ein sog. Kalandrieren dar. Ein kontinuierliches zusammenhängendes Teigband wird durch einen aus rotierenden Walzen gebildeten Spalt gepresst. Der Verarbeitungsvorgang muss aufgrund der Belastungs-Entlastungsrelationen der Teige mehrfach wiederholt werden.

Das Prozessziel ist die Herstellung eines Flachformgutes, aus dem später z. B. die Sheets ausgestochen und weiter geformt werden können.

Bei der Teigverarbeitung haben sich neben der konventionellen Walzen-bearbeitung modernere Formen der Verarbeitung wie SDS, Satellitenköpfe und moderne Querwalzmaschinensysteme etabliert.

Jeder einzelne Verarbeitungsschritt wird aus Sicht der Formgebung und der Materialbehandlung erfasst und bewertet.

Druck-, Druckgradienten- und Geschwindigkeitsverteilung im Walzenspalt

1. Jede Teigumformung stellt einen Fließvorgang dar. Vorhandene Festkörpereigenschaften müssen durch Zufuhr mechanischer Energie in „Fließeinheiten“ umgewandelt werden.

2. Nicht schonend arbeitende Teigverarbeitungssysteme betonen bei der Verarbeitung eine Beanspruchungskombination aus Scherung und Verdichtung in Form von Schlepp- und Druckströmung, z. B. im Walzenspalt.

3. Die Schleppströmung vor den Walzen zieht den Teig in den Walzenspalt ein, wobei ein Zerscheren bewirkt wird. Die Druck-strömung liegt unmittelbar bei Durchströmung der Walzen vor und bewirkt eine Teigverdichtung bzw. bei höheren Intensitäten eine Stückigkeit.

4. Bereits anhand dieser Untersuchung ist ableitbar, dass der Terminus „Elastizität“ und Erhöhung der Elastizität durch die Gärphase aus wissenschaftlicher Sicht nicht gerechtfertigt ist.

Der durch die Verarbeitungsschritte konfektionierte oder verdichtete Teig wird durch die notwendige Gare und der stattfindenden CO2-Entbindung „weicher“, d. h. er verliert an Elastizität in Richtung VISKOELASTIZÄT.

Damit stellt die Teigruhe mehr den Vorgang der Teigerweichung dar und sollte auch als solcher Prozess bezeichnet werden.

SDS

Prinzipschema der Teigformung / Teigverarbeitungslinie Pizza

Satko 1 QWW 1 Satko 2 QWW 2

Kako 1 Kako 2

50 mm50 mm 4,2 mm4,2 mm

AWGAWG 7,67,6 33 4,84,8 33 1,81,8 1,31,3BWGBWG 1,11,1 1,41,4 1,021,02 1,081,08 1,01,0 1,01,0

AWG = hAWG = h0 : h: h1 BWG = bBWG = b1 : b: b0 AWG ohne AWG ohne RelaxationseinflussRelaxationseinfluss

120.000 Stück pro Schicht und Linie

5. Veränderungen der Teigphysik im Linienbetrieb

Satko 1 QWW 1 Satko 2 QWW 2

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Stauchung in mm

Kraf

t in

N

Satko 1QWW 1Satko 2QWW 2KaKo 1KaKo 2Ausstecher

Ergebnisse der Druckversuche

05

101520253035404550556065707580859095

100

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90%Stauchung in %

Kraf

t in

N

Satko 1QWW 1Satko 2QWW 2KaKo 1KaKo 2Ausstecher

Ergebnisse der Druckversuche / stauchungsnormiert

Satko1Satko1 QWW 1QWW 1 SatkoSatko 22 QWW 2QWW 2 KakoKako 11 KakoKako 22 AussteAusste--chercher

Anstieg Anstieg in Nin N

19,719,7 25,425,4 44,944,9 49,849,8 63,463,4 66,866,8 90,790,7

E E in Pain Pa

597597 770770 13611361 15091509 19211921 20242024 27482748

Ergebnisse der linearen Regression

für Stauchungen 0 bis 40 % ( r² = 0,98)

Teigspannungen

SDSSDS

SatkoSatko 11

QWW 1QWW 1

SatkoSatko 22

QWW 2QWW 2

KakoKako 11

KakoKako 22 vBand

10 9

9 8

10 8

9,5 7

10 6

10 6

In Verarbeitungsrichtung zunehmende mechanische Druck- und Scherbeanspru-chung infolge Wirkung der Arbeitsorgane

Ø 10

0 5 10 15 200

20

40

60

80

100

Stauchung in mm

Kra

ft in

N

Satellitenkopf 1

0 2 4 6 8 10 12 140

20

40

60

80

100

Stauchung in mm

Kra

ft in

N

QWW 1

Probennahme:

Teigband jeweils Teigbandmitte und am äußeren Rand

0

10

20

30

40

50

60

SDSna

ch S

atko 1

vor Q

WW

1na

ch Q

WW

1na

ch S

atko 2

vor Q

WW

2na

ch Q

WW

2na

ch Zus

chnit

tna

ch K

aKo 1

nach

KaK

o 2vo

r Aus

stech

er

Teig

bahn

dick

e in

mm

Messung 1Messung 2Messung 3Messung 4

Abwalzen (Höhenänderung)

0

20

40

60

80

100

120

140

160

SDSna

ch S

atko 1

vor Q

WW

1na

ch Q

WW

1na

ch S

atko 2

vor Q

WW

2na

ch Q

WW

2na

ch Zus

chnit

tna

ch K

aKo 1

nach

KaK

o 2vo

r Aus

stech

erTe

igba

hnbr

eite

in c

mMessung 1Messung 2Messung 3Messung 4

Abwalzen (Breitenänderung)

-80%

-60%

-40%

-20%

0%

20%

40%

SDS

Satko 1

QWW

1

Satko 2

QWW

2

Zusch

nitt

KaKo 1

KaKo 2

vor A

usste

cher

Teig

bahn

dehn

ung

Dic

ke in

%

Messung 1Messung 2Messung 3Messung 4

Dehnungen (Höhenänderung)

-5%

0%

5%

10%

15%

20%

25%

30%

35%

40%

45%

SDS

Satko 1

QWW

1

Satko 2

QWW

2

Zusch

nitt

KaKo 1

KaKo 2

vor A

usste

cher

Teig

bahn

dehn

unge

n B

reite

in %

Messung 1Messung 2Messung 3Messung 4

Dehnungen (Breitenänderung)

Station Breite in m

Teighöhe in m

Geschwindigkeit in m/min

Volumenstrom in m3/min

SDS 0,875 0,050 2,40 0,105 Satko1 0,935 0,021 5,74 0,113 QWW1 1,275 0,011 9,72 0,136 Satko2 1,305 0,010 9,30 0,121 QWW2 1,450 0,0055 10,45 0,083 Zuschnitt 1,360* 0,0055 10,45 -0,005 Kako1 1,335 0,0035 13,74 0,064 Kako2 1,345 0,0030 15,16 0,061 * (1,45-1,36) 0,0055 10,45

Kontinuitätsgleichung als Näherungsansatz, da sich stetig verändernde Inkompressibilität vorliegt.

Netzwerkausrichtung durch Bearbeitungseinfluss

0 20 40 600,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Weg in mm

Kra

ft in

N

L1

0 20 40 600,0

0,5

1,0

1,5

2,0

Weg in mm

Kra

ft in

N

L1

Messung 1 Messung 2

längs

quer

Teigbahn

Bedeutung des Wassergehaltes in TeigenDer Wassergehalt in Teigen bestimmt neben anderen Faktoren wesentlich das Verarbeitungsverhalten.

Beispiel Laugenbrezeln

Bei einer Teigproduktion von 1 t/h ändern sich durch eine Wasserdifferenz von 50 kg/h die Materialeigenschaften des Teiges von gut zu schlecht verarbeitungsfähig.

negative Beeinflussungder Verarbeitungseigenschaften

Teigverfestigung

Stillstände umlaufender Rückteig

Mehlzugabe als Antihaftmittel

6. Optimierung der Linientechnologie/Maschinentechnik

Wasserbindung im Teig

Die Wasserbindung ist ein qualitätsbestimmender Faktor der Mehleund erfolgt mit dem Mischen des Teiges aus seinen Bestandteilen.

Quellung der Inhaltsstoffe, teils aufgrund der Oberflächensorp-tion der Stärkekörner

als Tröpfchen sowie in grösseren Flächen ge-bunden/immobilisiert

Die Hälfte des Wassers wird von der Stärke immobilisiert,der Rest je zur Hälfte von Kleberproteinen und Pentosanen.

Arten der Wasserbindung

Messaufbau Wassergehaltsbestimmung / Methodentest

Betrachtungsgeometrie: 0°Detektionsfläche: 700mm²Abmessungen: Ø 235mm; Höhe 490mmMasse: 17kg

Messparameter:

Messbereich: 960 nm – 1690 nm Datenabstand: 2 nmAkkumulation: 15Integrationszeit: 18 msGesamtmesszeit: 3 sEinzelmessungen je Gesamtmesszeit: 10(Einzelmesszeit= Integrationszeit*Akkumulation)Automatische Referenzierung: 10 min-Abstand

modulare BlockbauweiseKeine bewegliche MechanikHohe StandzeitenErschütterungsfreiHohe Auflösung, kurze Messzeit

UntersuchungsergebnisseAnzahl der Messungen: 4385

Als Kalibriermodell diente ein stark vereinfachtes 3-Punkte-Modell.Die Kalibrierung wurde auf einen Wert von 65 % per Interceptkorrekturangepasst.

Die Messungen wurden nach folgenden Gesichtspunkten ausgewertet:1. Die spektralen Zusammenhänge allgemein 2. Messwertschwankungen über den gesamten Messzeitraum3. Markierung von „Problemfällen“ (Rückteigzufuhr,

Bandstillstand, Schichtwechsel)4. Reproduzierbarkeit am Beispiel des Spektralbandes un4. Reproduzierbarkeit am Beispiel des Spektralbandes und d

der 1. Ableitung gegebender 1. Ableitung gegeben

Ermittelte Spektren im Technologieablauf und berechnete Messwerte

Statistische Verteilung der Messdaten

Zusammenfassende Darstellung

Die Trennung dieser Bereiche ist vom spektrometrischen Gesichtspunkt her eindeutig und damit für die Nutzung zur Steuerung bzw. Warnung einsetzbar.Ein weiteres Kriterium ist der Schichtrhythmus.

Schichtvergleich

Die beiden Schichten sind getrennt aufgeführt, so dass typische Differenzen zwischen ihnen existieren müssen. Deutlich fallen hier die Bereiche Rückteig und Leerband heraus.

Einsatz der NIR-Messtechnik als neuartiges Messverfahren zur Kontrolle der Teigproduktion in bezug auf den Feuchtegehalt

Messergebnisse lassen einen ersten Schluss bezüglich Streuung, statistische Verteilungen der Messgröße Feuchte sowie der Detektion von Störungen im Prozess zu. Sie sollten mit chemischen Vergleichsanalysenwerte unterlegten Kalibrierung validiert werden.

Gleichzeitig könnten neben dem Parameter Feuchte auch Untersuchungen zur Bestimmung weiterer produktbestimmender Parameter wie Protein oder Klebereigenschaften ermittelt werden.

Möglichkeit der direkten Einbindung in die Prozessleitwartensteuerung so, dass das Messsystem Spektrometer zu einem integrierten Messsensor der Produktionslinie Pizzateig wird.

Auswertung und Interpretation

Methodenentwicklung Schwingungstechnikverarbeitung

Durch den Einsatz von Schwingungstechnik zur Teigbearbeitung kann die mechanische Verdichtung des Teigbandes auf ein technologischunumgehbares Minimum bei der Bearbeitung reduziert werden. Damit liegt die Möglichkeit einer schonenden, effizienten Originalstrukturen erhaltenden Bearbeitung vor, die von anderen Teigformsystemen (wahrscheinlich) nicht erbracht werden kann.

Aus diesem Grunde erfolgten erste wissenschaftlich begleitende Untersuchungen zur Modalität der Schwingungsbearbeitung an bestehenden Anlagen im Ist-Zustand.

Die in einer Patentschrift gefundenen hohen Frequenzen von 400 … 4000 Hz (da Amplitude als Energieinput eigentlich wesentlicher) erscheinen zunächst unsinnig und werden in den eigenen Untersuchungen nicht nachgewiesen.

Schwingungsraster Versuch CC (vor UQWW 2 am 14.7.2004, ca. 10-11 Uhr)

1 2 3 4 5 6 7 8 910 11 12 13 14 15 16 17

13 cm

20 cm

30 cm

50 cm

70 cm

0

2

4

6

8

10

12

14

Am

plitu

de in

mm

Messstelle über Bandbreite

Abstand von Walze

0 200 400 600 800 1000 12000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Dehnung der Probe in %

Zugk

raft

in N

0 200 400 600 800 1000 12000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Dehnung der Probe in %

Zugk

raft

in N

Satko 2 : 1 QWW 6 : 5

< 1200

l

l

Versuch 5

0 200 400 600 800 1000 1200

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

Dehnung der Probe in %

Zugk

raft

in N

0 200 400 600 800 1000

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

Dehnung der Probe in %

Zugk

raft

in N

Satko normal 2 : 1Versuch 6

QWW 1 : 1

Ergebnisse der materialwissenschaftlichen Untersuchungen:

Durch den Satko wird ein Verhältnis Längsspannung zu Querspannung im Teigband von ca. 2:1 angelegt.

Durch die Wirkung des UQWW findet eine gleichmäßige Anlage der Proteinmatrix im Teig statt, d. h. seine betont einachsigen Relaxationseigenschaften in Bandlaufrichtung werden reduziert und die Netzwerkausbildung vergleichmässigt.

Am Beispiel des untersuchten Teiges kann exemplarisch der enorme Vorteil der eingesetzten Querwalztechnik bezüglich des moderaten Umbaus der durch den Satko angelegten Proteinetzwerkstruktur im Teigband nachgewiesen werden.

Die über Untersuchungen mittels Materialprüfmaschine mit Druck-stempelmethode und der Kieffer Extensibility Rig ermittelten Materialkennwerte am Beispiel der Maximalkraft Fmax, des E-Moduls und der implementierten Arbeit belegen generell die spezifische strukturverändernde Wirkung der einzelnen Bearbeitungsschritte.

Unterschiede der Belastungsverteilung längs- und quer zur Teigbandrichtung wurden gefunden. Durch den ersten Bearbeitungs-schritt erfährt das Klebernetzwerk eine Ausrichtung. Der neuralgische Punkt der Teigformung ist damit die Querdehnung.

Eine Optimierung der Maschinenparameter der Teigformlinie konntedurch Kenntnisse des materialwissenschaftlichen Verhaltens der Teige erfolgen, z. B. NIR-Einsatz zur Liniensteuerung.

7. Zusammenfassung

Für die Finanzierung und Unterstützung der Forschung danken wir

FRITSCH GmbHBahnhofstraße 27-31 D-97348 Markt Einersheim

Freiberger Lebensmittel GmbH & Co. Produktions- und Vertriebs KGZerpenschleuser Ring 1D-13439 Berlin

Für die Unterstützung der Forschung danken wir

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

F

Parameter Wert Vorkraft 0,02 N Prüfgeschwindigkeit 100 mm/min Obere Kraftgrenze 90 bzw. 100 N Prüffläche 33 cm2 Maximalspannung 27 000 Pa Druckversuch schematisch

Vorgänge bei der Kleberbildung1. Beim Anteigen verkleben zunächst die Proteine der Teilchen und

bilden im Verlauf der mechanischen Beanspruchung ein zusammenhängendes dreidimensionales Netzwerk.

2. Während der Knetung werden die Proteinstränge gedehnt und zu Filmen auseinander gezogen. Dabei entstehen – beginnend an den Vernetzungspunkten der einzelnen Proteinstränge –übereinanderliegende Schichten bzw. Membranen.

3. Es wird angenommen, dass beim Kneten die Disulfid-sowie nichtkovalente Bindungen aufgrund der starken Dehnung teilweise gelöst und in der Teigruhe wieder neu formiert werden. Disulfid- und Ionenbindung dominieren die Bindungsstruktur. Wasserstoffbrückenbilden die intermolekularen Bindungen zwischen den Proteinsträngen. Starker Kleber hat einen hohen Anteil an Disulfidbindungen

4. Glykolipide und Lipoproteinen kommen aufgrund ihrer Emulgatorwirkung eine wichtige Rolle zu, da sie über ihre polaren Gruppen an Gliadin und über ihre apolaren an Glutenin binden.

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Stärkekörner werden in ein Gerüst von Klebersträngen eingeschlossen.

Je länger man einen Teig bearbeitet, desto dichter werden die Stränge.

Strangausrichtung → Stärkekörner werden mechanisch verpackt.

Lösliche Komponenten füllen den leeren Raum zwischen Strängen und Stärkekörnern aus.

Rolle der Stärke: Die funktionellen Eigenschaften beruhen im wesentlichen auf komplexen Wechselbeziehungen zwischen den einzelnen Stärkekonstituenten und dem Wasser.

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

NIR-Messverfahren

mittelnah900 … 2400 nm

zerstörungsfreie UntersuchungFeuchtegehaltProteinstruktur relevante Inhaltsstoffe

Spektralanalytik in der Prozesskontrolle

fern

NIR-Spektrometerbaugruppe

modulare Blockbauweisekeine bewegliche Mechanik erschütterungsempfindlichhohe elektronische Standzeitextrem kurze Messzeiten

Methode und erste Ergebnisse der Schwingungsmessungen

Die Schwingungsverarbeitung von bestimmten Teigen zur Quer- und Längsformung erscheint ein innovatives Gebiet der Weiterentwicklung und Verbesserung der Teigqualität im Bereich des Bäckereimaschinenbaus.

Erste Untersuchungen an laufenden Anlagen der Fa. Fritsch GmbH ergaben eine hohe Effizienz der Teigformung und gleichzeitig dazu eine schonende Behandlung der Teigmatrix.

Für bestimmte Teigarten kann eine gewünschte optimale Schaumstruktur hergestellt werden, die z. B. an das Vorhandensein einer gleichmäßig angelegten Proteinmatrix im Teigband gebunden ist.

Die Möglichkeit der Anwendung dieser Verarbeitungstechnik ist bekannt. (Japan)

Unbekannt waren aber der Effekt der auf das Teigband einwirkenden mechanischen Inputs in Form von einwirkender Frequenz, Amplitude und daraus resultierender Verformungsenergie sowie die im Ereignisfeld „Tischbandgeometrie“ dynamisch ansteigenden und sinkenden Teigbelastungen.

Bewertung der Schwingungsmessungen 26.05.04/28.05.2004

Von der Geometrie des Exzenters her liegt eine mögliche Amplitude von 15 mm vor. Diese Amplitude wird auf dem unbelegten Band nicht wieder gefunden.Ursache dafür ist, dass das Band lediglich über die höchsten Amplituden des UQWW geführt wird und die Quertäler nicht direkt wirksam werden.

Der Energieeintrag ist im Vergleich zum teigbeladenen Band geringer, da der Kraftschluss über den Teig als Transmissionsriemen der Energie fehlt. Dadurch sind diese Untersuchungen nicht auf das „teigbeladene Band“ ohneEinschränkungen zu übertragen. Den entscheidenden Beitrag zur Teigbearbeitung liefert die Amplitude, da durch diese die notwendige Verformungseergie auf den Teig übertragen wird. Sinkt die Amplitude durch verringerte Frequenzvorgabe unter einen kritischen Werte, wird keine kontinuierliche harmonische Schwingung mehr festgestellt.

Die Frequenz der Schwingung wird drehzahlabhängig auf das Tischband übertragen und liegt fast überall vor. Interferenzen möglich in Mitte und Bandrand.

Spektrale Zusammenhänge

Spektrale Zusammenhänge (erste Ableitung)

GRAVELAND untersuchte die Vorgänge in Gluteninfrakionen bei der Teigbildung. Er findet, dass die Gluteninteilchen mit den Stärkekörnern Cluster (traubenförmige Strukturen) bilden.

Während des Knetens wird die ursprüngliche Struktur beschädigt, die festen Stärke-Protein-Cluster fallen auseinander, und die Proteinteilchen werden dissoziiert.

Dabei strecken sich die Gluteninmolekülketten, und die Glutenine bilden mit den Gliadinen ein geschlossenes Proteinnetz im Teig.

Bei mechanischer Überarbeitung werden die Gluteninmoleküle in kleinere Bruchstücke gespalten (Depolymerisation), so dass die Teigfestigkeit abnimmt.

Die Teigruhe ermöglicht über die Ausbildung von Disulfidbrücken eine Repolymerisation.

Durch diese Teigentwicklungsprozesse entwickelt sich eine quartäre Glutenstruktur. Die beiden Proteinfraktionen (Gliadin und Glutenin) sind durch kovalente Bindungen, Wasserstoffbrückenbindung wie auch durch ionogene und hydrophobe Wechselwirkungen fest miteinander verbunden.

Seit Jahren wird angenommen, dass die Teigentwicklung durch die Disulfid-Bindungen am meisten beeinflusst wird.

Schon in den vierziger Jahren hat SULLIVAN das erste Mal berichtet, dass die Thiol-Gruppen und Disulfid-Bindungen für die Teigentwicklung verantwortlich sind.

Später formulierten FRATER et al. die Hypothese, dass die Teigeigenschaften vom Verhältnis der Thiol-Gruppen und Disulfid-Bindungen zueinander abhängen.

Neue Erkenntnisse schreiben dem Tyrosin eine große Rolle zu, welches regelmäßig in den Gluteninen vorkommt. TILLYET et al. bewiesen, dass die Entwicklung der Tyrosin-Bindungen sowohl während der Knetung, als auch während des Backprozesses wichtig sind.

Getreidetechnologie im Überblick Getreidetechnologie im Überblick

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Klebereigenschaften

Weizen-Gluten ist nicht nur aus den beiden Bausteinen Gliadin und Glutenin aufgebaut, sondern besitzt einen heterogenen Kleberaufbau.

AMEND: Gluten enthält wahrscheinlich mehr als 100 Polypeptide, die mindestens 5 Hauptgruppen angehören, die innerhalb des Klebers als sog. "Subunits" vorliegen, die z. T. schon im Endosperm vorgebildet sein können.

1. HMW-Glutenin-Untereinheiten (Subunits) ca. 105 g/mol

2. LMW-Glutenin-Subunits; 4 …. 104 g/mol

3. γ-Gliadine

4. α/β-Gliadine

5. ω-Gliadine

Die Hauptgruppen (3 - 4) werden als "high-S-prolamins" ;

Hauptgruppe 5 wird als "low-S-prolamins" bezeichnet.

Quelle: Getreidetechnologie-Hohenheim

Molekulare Wirkungsweise: Der Zusammenhalt zwischen den 5 Hauptgruppen des Glutens erfolgt durch S-S-Gruppen, die zu SH-Gruppen reduziert werden, so dass die Quervernetzung aufgehoben wird.

Die entstehenden SH-Gruppen müssen sofort alkylieren (z. B. methylieren), da sonst infolge Dehydrierung (Oxidation) die S-S-Bindungen wieder geknüpft werden, wodurch der Zusammenhalt der Hauptgruppen wieder hergestellt wäre.

Die nach außen gerichteten SH-Gruppen fungieren mit SH-Gruppen anderer Subeinheiten durch Bildung von S-S-Brückenbindungen quasi als 'Abstandhalter'.

In und an dieses Netzwerk assoziieren LMW-Glutenin-Subeinheiten sowie die Gliadin-Subeinheiten über hydrophobe und Ionen-Ionen-Wechselwirkungen sowie über Wasserstoff-Brückenbindungen.

Interaktionen