Mai 05, 2021

Der Vorteil der Gefriertrocknung gegenüber anderen Verfahren

Letzte Woche haben wir angekündigt, dass wir uns in diesem Artikel mit dem Prozess der Gefriertrocknung befassen, einem innovativen Dehydrierungsprozess, der sich von anderen Trocknungsprozessen unterscheidet, weil er das Aussehen und die Textur der behandelten Produkte nicht verändert und die in Lebensmitteln enthaltenen Nährstoffe erhalten bleiben.

Das Verfahren wird auch Lyophilisation oder Sublimationstrocknung genannt und bezeichnet die schonende Trocknung von Produkten durch den Entzug von Wasser. Der Prozess wird in verschiedenen Industrien eingesetzt und dient in der Lebensmittelindustrie vor allem der Konservierung von verderblichen Lebensmitteln wie Obst und Gemüse. Im Folgenden möchten wir ihnen das Verfahren Schritt für Schritt ganz genau vorstellen:

Einfrieren


Das zu behandelnde Produkt wird in einer Gefriertruhe, einem gekühlten Bad oder in einem Gefriertrockner eingefroren. Obst und Gemüse werden diesbezüglich als Individually Quick Frozen- Products, kurz IQF- Produkte bezeichnet, zu denen auch Fisch und Meeresfrüchte zählen. Diese Produkte werden direkt in die Schalen eines Gefriertrockners gegeben, wohingegen Fertiggerichte vorher in spezielle Kunststoffschalen gefüllt werden. Das Produkt wird auf seinen Tripelpunkt runtergekühlt. Der Tripelpunkt ist die niedrigste Temperatur eines Produkts, bei der Wasserdampf, flüssiges Wasser und Eis gleichzeitig vorkommen können. Bei Lebensmitteln liegen die Gefriertemperaturen oft zwischen -40°C und -80°C.

Im Allgemeinen werden Produkte im Gefriertrockner langsam eingefroren, um große Eiskristalle zu erzeugen, die später schneller verdampfen. Bei Lebensmitteln oder anderen biologischen Materialien können zu große Eiskristalle allerdings die Zellwände durchbrechen, wodurch die Textur zerstört wird und Nährstoffe verloren gehen. Um die Bildung großer Eiskristalle zu vermeiden, werden Lebensmittel also nicht langsam, sondern schnell eingefroren.

Dieser erste Schritt der Gefriertrocknung ist die wichtigste Phase, da sie im hohen Maße die Produktstabilität und - qualität beeinflusst.

Sublimation (Primärtrocknung)

Die Produkte werden unter Atmosphärendruck eingefroren. Sobald sie gefroren sind, wird der Druck gesenkt, bis ein Vakuum entsteht. Dabei ist wichtig, dass das Produkt vor der Erzeugung des Vakuums vollständig gefroren ist, da es sich sonst ausdehnen kann. An diesem Punkt wird Wärme zugeführt, damit das Eis sublimiert, d. h. es wird in Dampf umgewandelt und so den Lebensmitteln entzogen.

Die Sublimation bezeichnet den Übergang von festen Stoffen in einen gasförmigen Zustand, ohne dass sie sich dazwischen verflüssigen. Sie wird durch das Vakuum beschleunigt. Außerdem wird der Prozess durch die vorherige Abkühlung unter den Tripelpunkt begünstigt, die dafür sorgt, dass das Eis sublimiert und nicht schmilzt. Die zugeführte Wärme wird niedrig gehalten, damit das Aussehen und die Textur nicht verändert werden. Die kritische Temperatur, die nicht überschritten werden darf, ist je nach Produkt unterschiedlich und hängt unter anderem von dem Druck an der Eisoberfläche ab sowie der Übertragungsrate der Wärme in das Produkt. Wegen der niedrigen Temperaturen kann die Sublimation allerdings mehrere Tage lang dauern, weshalb viel Energie benötigt wird. Zu den hohen Energiekosten kommen noch die Geräte, die erheblich teurer sind als die Ausrüstung, die bei anderen Verfahren verwendet wird. Die Gefriertrocknung eignet sich also besonders für Produkte, die durch den Prozess optimiert werden können oder hitzeempfindlich sind. Dazu gehören Obst und Gemüse, denn das Verfahren verlängert ihre Haltbarkeit und dank der kontinuierlich niedrigen Temperaturen bleiben die wertvollen Vitamine erhalten. Das ist ein klarer Vorteil der Gefriertrocknung gegenüber anderen Trocknungsprozessen, die dem Obst und Gemüse das Wasser durch hohe Temperaturen entziehen.

Durch die Sublimation wird etwa 95% des Wassers des in dem Produkt enthaltenen Wassers entfernt.

Desorption (Sekundärtrocknung)

Nachdem das Eis sublimiert wurde, bleiben noch ionisch gebundene Wassermoleküle zurück, die an das Produkt gebunden und nicht gefroren sind. Da der Großteil der enthaltenen Flüssigkeit in den vorhergehenden Schritten gefroren und entfernt wurde, kann in der Sekundärtrocknung die Temperatur erhöht werden und sogar über 0°C liegen, ohne dass das Produkt beschädigt wird. Die Temperatur wird erhöht, um die Bindungen zwischen der Produktoberfläche und den Wassermolekülen zu lösen. Die Moleküle können dann desorbiert werden, d. h. sie werden in Gas umgewandelt und so entfernt. Auch diese Phase findet in der Regel unter einem Teilvakuum statt, es gibt aber Produkte, die sich bei höherem Druck besser verarbeiten lassen.

Nach Abschluss der Desorption ist der Gefriertrocknungsprozess beendet und das Vakuum wird gebrochen, zum Beispiel mit Stickstoff.

Das Endprodukt enthält nur noch eine extrem niedrige Restfeuchtigkeit von etwa 1 bis 4% und wird oft auch als Lyophilisat bezeichnet. Der Begriff bezieht sich auf Produkte, die vor der Anwendung in Wasser gelöst werden und meint oft pharmazeutische Produkte.

Im Allgemeinen haben gefriergetrocknete Früchte eine höhere Qualität als mit herkömmlichen Verfahren getrocknete Produkte. Sie kommen der ursprünglichen Form am nächsten, denn nahezu alle Nährstoffe und Vitamine sowie der Geschmack, die intensive Farbe und ihre charakteristische Textur bleiben erhalten.

Außerdem schrumpfen sie nicht in sich zusammen oder werden fester, wie man es von herkömmlichen Trockenfrüchten kennt. Darüber hinaus sind gefriergetrocknete Produkte porös, d. h. sie sind durchlässig und können vor dem Gebrauch rehydriert werden. Wird ihnen Wasser zugeführt, nehmen sie ihre ursprünglich Form und Aussehen an.

Richtig verpackt, versiegelt in Sauerstoff- und feuchtigkeitsundurchlässigen Verpackungen und bei idealen Lagerbedingungen hält sich gefriergetrocknetes Obst und Gemüse länger als 12 Monate. Das liegt daran, dass die strukturellen Veränderungen von Proteinen und die Bräunung durch den schnelle Übergang von Wasser durch die Sublimation minimiert wird.

Anwendungsvielfalt

Gefriergetrocknetes Obst und Gemüse kann ganz, geschnitten oder zu Pulver gemahlen verkauft werden und als Zutat für zum Beispiel Müslis, Smoothies und weitere Snacks dienen. Lebensmittelhersteller können so dem wachsenden Anspruch der Verbraucher nach echten und hochwertigen Nahrungsquellen sowie verständlichen Zutatenlisten ohne künstliche Zusatzmittel gerecht werden.

Vor allem können durch die Gefriertrocknung die wertvollen Inhaltsstoffe von Obst und Gemüse konserviert und zu einem späteren Zeitpunkt genutzt werden. So stehen die gesunden Rohstoffe das ganze Jahr über zur Verfügung und damit erzeugte Lebensmittel unterliegen keinen saisonalen Schwankungen.

Auch andere Lebensmittel, wie zum Beispiel Insekten, die sowohl ganz als auch als Bestandteil von Proteinriegeln inzwischen auch in Deutschland erhältlich sind, können gefriergetrocknet werden.

Wie eingangs erwähnt, wird die Gefriertrocknung in verschiedenen Industrien eingesetzt. So gibt es in der pharmazeutischen Industrie zahllose Bakterien, Seren, Antibiotika und Impfstoffe sowie Zellen und Gewebe, die durch den schonenden Entzug von Wasser dauerhaft aufbewahrt und vor Gebrauch mit Wasser rehydriert werden können.

Das innovative Verfahren ist zwar kostenintensiv, aber es gewährleistet eine hohe Produktqualität und übertrifft wegen dem schonenden Prozess viele alternative Verfahren.

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