Weiterentwicklung der PEF-Technologie für die Kartoffelchips-Industrie

Fortschritte bei der Pulse Electric Field (PEF)-Technologie in der Lebensmittelverarbeitung bedeuten sowohl Kosteneinsparungen als auch zunehmende Nachhaltigkeitsmaßnahmen in den Brat- und Chips-Sektoren.

PEF wurde erstmals in den 1950er Jahren von deutschen Ingenieuren entdeckt. Erst in den 1990er Jahren wurden in Europa erstmals Anwendungen in der Zellpermeabilität und Lebensmittelverarbeitung entwickelt. Die PEF-Technologie setzt pflanzliche Zellwände kurzen, Mikrosekunden langen Stromstößen aus, wenn sie durch ein Wasserbad geleitet werden. Das elektrische Impulsfeld erzeugt eine Durchlässigkeit und Gewebeerweichung der Zellwand, was zu einem Austreten von Zellsaft und einem Verlust an reduzierenden Zuckern und Aminosäuren im Verlauf des Prozesses führt.

Mit der Weiterentwicklung der PEF-Technologie in den 1990er Jahren kam der erste industrielle Einsatz durch Pommes-Frites-Hersteller in Europa. Im ersten Jahrzehnt des 21. Jahrhunderts wurde die Technologie von multinationalen Unternehmen weltweit übernommen, und heute gilt die PEF-Technologie als Industriestandard in der Pommes-Frites-Produktion auf der ganzen Welt.

Die Einführung dieser neuen Technologie durch Pommes-Frites-Hersteller in den letzten zehn Jahren hat zu bemerkenswerten Fortschritten bei nachhaltigen Maßnahmen in Bezug auf weniger Wasser, Energie und Frittieröl geführt, was zu zusätzlichen Kosteneinsparungen führt. Um Idahos Präsenz in der kartoffelverarbeitenden Industrie zu verbessern, hat das Handelsministerium von Idaho eine Idaho Globale unternehmerische Mission (IGEM) Zuschuss in Höhe von 291,770 USD an die Boise State University (BSU) in Partnerschaft mit Food Physics mit Sitz in Boise am 23. Februar 2021, um Food Physics bei der Einführung der PEF-Technologie in der Kartoffelchip- und Snackindustrie zu unterstützen.

IGEM-Stipendien dienen als Brücke für Universitätsforscher zur Zusammenarbeit mit Unternehmen des Privatsektors in Idaho und durch diese Partnerschaften verbessern, pflegen und möglicherweise neue wirtschaftliche Möglichkeiten im Staat schaffen. Der Zuschuss wurde für die Erforschung und Weiterentwicklung der PEF-Technologie zur Reduzierung von Zuckern und Aminosäuren in Kartoffeln vergeben, was letztendlich zu einer potenziellen Reduzierung von Acrylamid bei der Herstellung von Kartoffelchips führt.           

McDougal, ein BSU-Professor und Vorsitzender der Abteilung für Chemie und Biochemie, sagte, die geförderte Forschung werde sich auf die Herstellung von Kartoffelchips konzentrieren, aber auch andere Wurzelgemüse umfassen. „Wir werden in der Lage sein, einen Ph.D. Wissenschaftler, der in der Lage sein wird, zwischen Lebensmittelphysik und Boise State zu arbeiten“, sagte er. „Es (die Position) wird eine wichtige Verbindung sein, um die wissenschaftliche Kluft zwischen der Privatwirtschaft und dem akademischen Umfeld zu überbrücken.“ McDougal sagte, dass das Stipendium auch Beschäftigungsmöglichkeiten für Studenten bietet und sie auf eine zukünftige Beschäftigung vorbereitet.

„Die Studenten, die an solchen Projekten arbeiten, sind Forschungen, die einen direkten relevanten Wert für die Industrie haben, so dass sie Fähigkeiten und Ausbildungen erwerben, die direkt im industriellen Umfeld anwendbar sind“, sagte er.

Lebensmittelphysik ist exklusiver Lizenznehmer von PEF-Technologiesystemen für Nordamerika, Irland und Großbritannien und arbeitet mit DIL, einem in Deutschland ansässigen Unternehmen, und seinem Lebensmitteltechnologie-Partner Elea zusammen. Der Zuschuss bietet dem Unternehmen die Möglichkeit, eine Technologie für die Kartoffelchip- und Snackindustrie zu vermarkten, die bei Pommes-Frites-Herstellern zum Industriestandard geworden ist.

„Der Luxus, den uns dieser Zuschuss bietet, besteht darin, für ein Unternehmen, das ehrlich gesagt noch nicht über die finanzielle Schlagkraft verfügt, so tief zu gehen“, sagte Jim Gratzek, technischer Direktor bei Food Physics in Boise. „Große Unternehmen haben Leute, die das können, und ehrlich gesagt haben sie Labore, wir nicht.“ Kontinuierliche technologische Fortschritte in der Lebensmittelverarbeitung haben zu Fortschritten bei Nachhaltigkeitsmaßnahmen zusammen mit einer ergänzenden Reduzierung von Acrylamid geführt, einem Karzinogen, das sich in Lebensmitteln entwickelt, die bei hohen Temperaturen gekocht werden.

McDougal und seine BSU-Studenten und Mitarbeiter werden der Lebensmittelphysik spezifische Daten zu den Auswirkungen von PEF auf die Kartoffeln zur Verfügung stellen. „Wir führen die zuckerreduzierende Analyse mit einer Kombination aus Flüssigkeitschromatographie und Detektion geladener Aerosole durch“, sagte McDougal. „Wir führen die Analyse freier Aminosäuren durch Gaschromatographie und Massenspektrometrie durch und dann führen wir die Acrylamid-Analyse durch Flüssigkeitschromatographie und Dreifach- oder Vierfach-Massenspektrometrie durch.“

Gratzek ist vorsichtig, wenn es um die Auswirkungen von PEF auf die Reduzierung des Acrylamidgehalts in frittierten Lebensmitteln geht. Er präsentiert PEF als eine „Technik, wenn sie zusammen mit anderen Dingen angewendet wird“, die zu niedrigeren Acrylamidwerten führen kann. „Nicht, dass PEF Acrylamid absenkt, aber PEF-Änderungen sagen das Auswaschungsphänomen ins Wasser, was es tut, es ändert auch die Frittierraten, was es sicherlich tut, was beides zu niedrigeren Acrylamiden führt“, sagte er.

„Zucker, Temperatur, Zeit, Feuchtigkeitsgehalt – das sind alles Inputs dafür, wie viel Acrylamid Sie am Ende eines Frittierprozesses erhalten“, fügte er hinzu. Die Reduzierung von Feststoffen in Form von reduzierenden Zuckern und Aminosäuren ermöglicht es Kartoffelverarbeitern, das Blanchieren oder Vorwärmen mit heißem Wasser in der Pommes-Frites- und Chips-Produktion zu ersetzen oder zu reduzieren. „Wenn Blanchieren allein zum Erweichen verwendet wird, kann es (PEF) den Blanchierprozess eliminieren“, sagte Gratzek.

Ein weiterer kostensparender Vorteil ist die Reduzierung des Verschleißes der Schneidmesser, die bei der Frittier- und Chipsherstellung verwendet werden. Die PEF-Technologie erweicht die Zellwände und macht Kartoffeln leichter zu schneiden. „Der Schnitt ist viel glatter, sodass Sie viel weniger spezifische Oberfläche haben“, sagte Gratzek. „Das lässt sich also damit verbinden, dass das Wasser viel leichter und mit weniger Energie austritt, was zu einer geringeren Ölaufnahme in die Pommes Frites oder den Kartoffelchip führt.“ Gratzek fügte hinzu, dass dies zu diesem Zeitpunkt keine große Menge ist, 5-10%, aber er hofft, den Frittierprozess mit McDougal weiter untersuchen zu können.

Die PEF-Technologie hat sich in den letzten 20 Jahren unter den Pommes-Frites-Herstellern zum Industriestandard entwickelt und wird nun schrittweise von einigen Chips- und Snack-Food-Herstellern übernommen. Laut Carl Krueger, Leiter der Ingenieurwissenschaften bei Food Physics in Boise, führt Europa den technologischen Wandel an, ähnlich wie in der Pommes-Frites-Industrie.

„In den letzten Jahren hat sich die Verwendung von PEF in Kartoffelchips in Europa ausgeweitet“, sagte Krueger. „Das war von Bedeutung. Ein bisschen wie wo wir in Pommes waren. Wir reiten ein bisschen hinter ihnen her, aber wir haben eine ganze Reihe von Kartoffelchips-Herstellern, mit denen wir sprechen und die ein sehr starkes Interesse an PEF zeigen.“

Krueger sagte, dass ein gemeinsames Anliegen von Lebensmittelherstellern, wenn es um neue Technologien geht, das ist, was in der Lebensmittelindustrie als „Mundgefühl“ bekannt ist, ein Begriff, der verwendet wird, um diese einzigartige Qualität einer bestimmten Marke zu beschreiben. Ob Geheimrezept oder Geheimsoße, Unternehmen schützen ihre Markenidentität extrem und bewahren die Kundenbindung. Kein Unternehmen möchte das Public-Relations-Fiasko wiederholen, mit dem Coca-Cola Mitte der 1980er Jahre mit der Einführung von „New Coke“ konfrontiert war.

„Wir haben das bei einem großen Foodservice-Kunden erlebt, der nicht wollte, dass sich sein Produkt ändert, weil wir die Technologie ändern“, sagte Krueger. Krueger sagte, dass sie auf nachhaltige Weise beweisen konnten, dass das PEF-Verfahren genau die Pommes Frites produzieren würde, die sie immer produziert hatten.

Gratzek glaubt, dass Fortschritte in der PEF-Technologie dazu beitragen werden, ihre Akzeptanz in der Chip- und Snackindustrie in Zukunft zu etablieren, aber er erkennt auch, dass die Lebensmittelindustrie Innovationen nicht immer schnell akzeptiert. „Die Einführung von Technologien in der Industrie, insbesondere in der Lebensmittelindustrie, ist in der Regel ziemlich langsam“, sagte er. „Es muss ein bedeutendes Problem lösen, einen signifikanten Wert in Bezug auf ein neues Produkt oder eine Innovation bringen oder viel Geld sparen.“    

Gratzek ist der Ansicht, dass ein Grund, warum die PEF-Technologie in Zukunft schneller eingeführt werden könnte, darin besteht, dass sie das Wissen und die Anwendungstechniken entwickelt haben, die normalerweise von den Chipherstellern intern gespeichert werden. „Ich denke, dass dieser Zuschuss für uns besonders hilfreich ist, da er es uns ermöglicht, die Forschung in Boise und Boise State so durchzuführen, dass wir die Probleme der Kunden mit großer Genauigkeit lösen können“, sagte Gratzek.

"Wenn sie weniger Öl wollen, helfen wir ihnen dabei, wenn sie das Öl behalten, aber niedrigere, bessere Frittierraten wollen, können wir ihnen dabei helfen“, fügte er hinzu. „Kurz gesagt, Chips sind komplizierter als Pommes Frites, ich denke, vielleicht sind die Probleme bei Chips etwas schwieriger zu lösen.“ Gratzek sagte, dass etwa 20 der PEF-Prozessoren aus mehreren Gründen in Europa verkauft wurden.

„Ich vermute, dass sie sie aus Acrylamidgründen, aus Gründen der Betriebseffizienz und aus Gründen der Produktqualität kaufen“, sagte er.

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