Vorteile der Verarbeitung mit gepulsten elektrischen Feldern (PEF) in der Kartoffelindustrie

Wie funktioniert es?

Die PEF-Anwendung verursacht Elektroporation, oder wie wir es gerne nennen „Flucht“, Porenbildung in Zellmembranen mit geringem Energieeintrag und Wärmebelastung. Der Wirkungsmechanismus ist seit langem bekannt, hat aber erst im letzten Jahrzehnt eine breite Anwendung in der Gemüse verarbeitenden Industrie gefunden. Mit 200 Elea PEF-Systemen im Einsatz in der Lebensmittelindustrie Elea ist Marktführer in diesem Bereich. Dieser Artikel wird einen kurzen Einblick in die Geschichte der PEF-Nutzung geben, Prozess- und Produktvorteile für die Kartoffelindustrie und das Gerätedesign diskutieren und einen Ausblick auf kommende Anwendungsmöglichkeiten geben.

Die frühen Tage

Soweit uns bekannt ist, stammen die ersten Berichte über die Verwendung von PEF aus den 1960er Jahren. Forscher in Deutschland und der Ukraine haben Zellzerstörung und Verbesserung des Massentransports und der Trennungsprozesse nach Anwendung von gepulster Energie beobachtet. Erste Prototypentypen im industriellen Maßstab wurden in den 1980er Jahren für die Fischmehlverarbeitung errichtet, aber die Hochleistungsschalttechnologie wurde nicht weit genug entwickelt. Die Technologie machte einen Schritt zurück in die Wissenschaft. In den 1990er Jahren führten Universitäten wie die Ohio State University, die Washington State University und die Technische Universität Berlin öffentlich finanzierte Projekte zur Verwendung von PEF zur mikrobiellen Inaktivierung und Zerstörung von Pflanzenzellen durch. Um 1997 wurden erste Berichte über PEF-Auswirkungen auf Kartoffeln, Karotten oder Zuckerrüben veröffentlicht Angersbachet al or Rastogiet al. Ein Verlust des Turgordrucks und eine Gewebeerweichung wurden unter Verwendung einer Texturanalyse beobachtet.

Erste Anwendungen in der Kartoffelverarbeitung

1998 wurden Systeme im technischen Maßstab für kontinuierliche Tests in der Kartoffelstärkeindustrie entwickelt. Erste Aufbauten verwendeten die Schwerkraft als Transportmittel, aber sehr schnell wurde klar, dass ein erzwungener Produkttransport erforderlich ist, und es wurden Wasserrad- und Förderbandsysteme gebaut. Die Verwendung von horizontalen oder vertikalen Elektrodenverarbeitungsbändern hat eine hohe Prozessleistung, Zuverlässigkeit sowie Anwendbarkeit in der Lebensmittelindustrie gezeigt. 2006 wurde eine Anlage im industriellen Maßstab in der Pommes-Frites-Verarbeitung installiert. Seitdem werden bei schlüsselfertige, industrielle PEF-Systeme entwickelt DIL, Deutschland.

PEF-Produktvorteile für Pommes Frites

Da der Zellinnendruck (Turgor) verloren geht, werden Kartoffeln nach einer Elektroporationsbehandlung weicher. Ähnlich wie nach dem Vorwärmen verbessert die Strukturerweichung das Schneiden und führt zu weniger Ausfransen und Bruch. Im Vergleich zum Vorheizen hat die Verwendung von PEF eine Reihe von Produkt- und Prozessvorteilen und der Energie- und Wasserverbrauch wird um bis zu 90 % reduziert. Für die PEF-Anwendung wird ein Energieeintrag von 0.3 bis 1.5 kJ/kg Kartoffel aufgebracht, was einen Temperaturanstieg < 0.4 °C verursacht. Während der Saison Die Prozessintensität wird während der Saison angepasst, wobei sie bei frischen Knollen aus der Feldfrucht oder härteren Sorten am höchsten ist und gegen Ende der Saison abnimmt. Die durchschnittliche Produktlänge wird erhöht und der Stärkeverlust in die Verarbeitungswasserströme während des Schneidens und Blanchierens wird reduziert. Dies ermöglicht eine Ertragsverbesserung von bis zu 1.5 % für eine Pommes-Frites-Verarbeitungslinie. Weniger Gewebebruch reduziert auch die Ölaufnahme. Es werden bis zu 10 % Reduktion erreicht. Es ist keine Haltezeit erforderlich, da die Wirkung des elektrischen Felds sofort und volumetrisch ist, außerdem ist keine Einschalt- oder Abschaltzeit erforderlich. Heute ca. 140 Elea PEF-Systeme sind in der Pommes-Frites-Industrie mit Verarbeitungskapazitäten von 5 bis 75 t/h im Einsatz. Jüngste Projekte erhöhen die Behandlungskapazität auf bis zu 100 t/h in einzelnen Linien oder die Behandlung anderer Rohstoffe wie Süßkartoffeln oder Maniok.

Braten Sie den perfekten Chip mit PEF

Rohstoffqualität und optimierte Verarbeitung sind wichtige Treiber für hochwertige Kartoffel- und Gemüsechips. Schnittqualität und Konsistenz sind Schlüsselfaktoren in dieser Branche, da alle nachfolgenden Verarbeitungsschritte und die Produktqualität davon abhängen. PEF reduziert den Bruch und die Anzahl von Fein- und Bruchpartikeln beim Schneiden von Kartoffeln und anderem Gemüse. Eine glatte Schnittfläche verringert den Stärkeverlust und das Ausmaß an freier Stärke auf der Produktoberfläche. Dies ist vorteilhaft für die Produktausbeute und -textur sowie zur Verringerung der Produktklebrigkeit und Doppelbildung. Das Halten der Stärke in den Scheiben trägt zu einer verbesserten Textur und Knusprigkeit bei. Bei reduziertem Stärkeverlust und verbessertem Schnitt lassen sich bis zu 2 % Ertragssteigerung erzielen. Aufgrund der schnelleren Wasserabgabe kann die Frittiertemperatur und/oder -zeit verringert werden. Bei kontinuierlichen Frittierlinien ist – abhängig vom Linienaufbau – eine Frittierzeitverkürzung von bis zu 10 % möglich, was in Kombination mit einer reduzierten Frittierendtemperatur zu einer geringeren Wärmebelastung und einer erhöhten Produktqualität führt. Beim Batch-Frittieren kann aufgrund der erleichterten Feuchtigkeitsentfernung eine Kapazitätssteigerung von bis zu 15 % erreicht werden. Die meisten Produktionslinien für Kartoffelchips beinhalten keinen Blanchierungsschritt, aber wo PEF angewendet wird, kann es helfen, unerwünschte Auswirkungen des Blanchierens auf die Produkttextur rückgängig zu machen. Eine geringere Beschädigung der Scheibenoberfläche führt zu einer geringeren Ölaufnahme, ungefähr 10 % für typische Produkte und Frittierbedingungen. Für Rohstoffe wie Karotten, Pastinaken, Süßkartoffeln oder Maniok werden ähnliche Vorteile beobachtet. PEF verbessert das Schneiden des Produkts und ermöglicht eine schnellere Entfernung von Wasser und eine geringere Ölaufnahme. Eine Verringerung der Frittierzeit und -temperatur ermöglicht eine hellere Produktfarbe und ein natürlicheres Erscheinungsbild des Produkts. Derzeit ca. 40 Elea PEF-Systeme sind in der Snackindustrie im Einsatz und reichen von 1 bis 12 t/h Behandlungskapazität für einzelne Linien oder bis zu 28 t/h, wenn mehrere Schneide- und Bratlinien kombiniert werden. Siehe unten eine PEF-Benutzerempfehlung. https://www.linkedin.com/embeds/publishingEmbed.html?articleId=9036411920855038759

 Anlagendesign und Linienintegration

Kontinuierliche Systeme werden für die Kartoffelverarbeitung im industriellen Maßstab verwendet. Sie bestehen aus einem Pulsmodulator zur Energieversorgung und einem Behandlungsbereich. Die Systemleistung und das mechanische Design hängen von den Anforderungen an die Verarbeitungskapazität ab. Die elektrische Feldstärke (~1 kV/cm) und der spezifische Energieeintrag (0.3 bis 1.5 kJ/kg) sind wichtige Prozess- und Designparameter. Der maximale Querschnitt wird durch die erforderliche Feldstärke definiert. Spezifischer Energieeintrag und Durchsatz bestimmen die mittlere Nennleistung. Um einen reibungslosen Produkttransport zu ermöglichen, sollte der Querschnitt der Behandlungskammer breit und frei von Hindernissen sein, seine Abmessungen bestimmen die Spitzenleistung des Systems. Stromimpulsgeneratoren basieren entweder auf Impulstransformator- oder Marx-Generatordesign. Auf Impulstransformatoren basierende Systeme ermöglichen einen geringeren Platzbedarf, aber Spitzenströme sind auf 1 oder 2 kA begrenzt. Aufgrund ihrer höheren Spitzenströme von bis zu 10 kA ermöglichen Marx-Generatoren breitere Behandlungskanäle und werden für Systeme mit höherem Durchsatz bevorzugt. Für feste Produkte wie Wurzeln oder Knollen haben sich Bandsysteme bei konstanter Behandlungsintensität bei unterschiedlichem Durchsatz oder Produktgröße als beste Leistung und Zuverlässigkeit erwiesen. Wasser wird zur Energieübertragung verwendet, um die Behandlungseffizienz zu kontrollieren und den Wasserbedarf zu reduzieren. Die Prozesswasserqualität wird kontinuierlich überwacht und verwaltet. Je nach Behandlungskapazität und Nennleistung des Generators können sowohl horizontale als auch vertikale Elektrodenkonfigurationen verwendet werden. Während PEF durch An- oder Abschälen funktioniert, werden die meisten Systeme nach dem Schälen installiert, wo das anschließende Wasserstrahlschneiden oder -schneiden von einer verbesserten Konsistenz und einer längeren Messerhaltbarkeit profitiert. Bei größeren Installationen sind Impulsgenerator und Behandlungseinheit getrennt, um einen geringen Platzbedarf innerhalb der eigentlichen Verarbeitungslinie zu gewährleisten. Um der Nachfrage im Snacksektor gerecht zu werden, hat Elea eine spezielle, kompakte All-in-One-Einheit mit einer Behandlungskapazität von bis zu 9 t/h entwickelt. Dies ermöglicht eine einfache Implementierung in bestehende Produktionslinien.

Prozesssteuerung und -optimierung

Mit steigendem PEF-Energieeintrag nimmt die Porengröße zu und neben Wasser werden auch Zucker oder Stärke freigesetzt. Je mehr desto besser ist hier nicht der richtige Ansatz, da dies zu unerwünschten Feststoffen und Ausbeuteverlusten führen kann. Zur Prozessüberwachung und -optimierung hat Elea zwei Tools entwickelt, PEF Control und Schnittkontrolle. Nach einem von Angersbach et al. vorgeschlagenen Konzept basiert PEF Control auf einer Impedanzmessung, um die Anzahl offener Zellen in einem Gewebe zu erkennen und eine Verbesserung des Stofftransports zB bei Extraktions-, Infusions- oder Trocknungsprozessen vorherzusagen. Cut Control misst die Press- und Schneidkraft für Knollen und ermöglicht so die Auswahl geeigneter Verarbeitungsparameter in Abhängigkeit von Rohstoffsorte, Saison und gewünschtem Schnitt. Gemeinsam mit unseren Kunden und Linienintegratoren haben wir persönlich oder remote unterstützte Installations- und Linienoptimierungsprojekte durchgeführt. Unter Verwendung unserer eigenen Video-Support-App wird der Prozess von ersten Versuchen im Pilotmaßstab über Proof-of-Principle-Tests vor Ort bis hin zu Systeminstallation, Inbetriebnahme und Inbetriebnahme abgewickelt. Ferndiagnose und -support sind sowohl für den Kundendienst als auch für die Produktentwicklung verfügbar. Bei der Integration eines PEF-Systems in schlüsselfertige Projekte oder zur Nachrüstung steht unser Expertenteam zur Verfügung, um die Gesamtlinienleistung durch Optimierung der Prozessausrüstung und -einstellungen auf allen Stufen der Produktionslinie zu maximieren.

Auswirkungen auf die Nachhaltigkeit

Bei einem Energiebedarf von ca. 1 kWh pro Tonne Produkt ist PEF die effizienteste Zellaufschlusstechnik. Der PEF-Wasserverbrauch liegt zwischen 30 und 50 l pro Tonne Produkt, abhängig vom zugeführten Wasser und der Produktleitfähigkeit. Um den Wasserverbrauch zu minimieren, sollten Schmutz oder freie Stärke vor Eintritt in das Behandlungsbad entfernt werden, nach der Behandlung kann das Prozesswasser in anderen Prozessstufen wiederverwendet werden. Eine Reihe von PEF-Anwendern hat nach der PEF-Implementierung Nachhaltigkeitsanalysen durchgeführt und veröffentlicht. Für eine typische 26-t/h-Leitung wurden Wassereinsparungen im Bereich von 24.000 m3 und Energieeinsparungen von 10 Millionen kWh pro Jahr gemeldet. Diese Einsparungen in Kombination mit einer Ertragssteigerung von ca. 950 t und eine um 368 t reduzierte Ölaufnahme pro Jahr helfen Geld, Ressourcen und Umwelt zu sparen.

Wie geht es weiter und wo kann ich testen?

Wir arbeiten eng mit unseren Kunden zusammen, um maßgeschneiderte Lösungen anzubieten, die ihren individuellen Anforderungen am besten entsprechen. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Prozessoptimierung und die Entwicklung neuer Produkte für neue Produktformen oder die Verwendung von bisher zu wenig genutzten Feldfrüchten. PEF-verbesserte Infusion und Aufnahme von Farbe, Aroma oder Wirkstoffen ermöglicht es, den Geschmack und das Aussehen des Produkts zu beeinflussen. PEF kann nicht nur zur Gewebeerweichung eingesetzt werden, sondern kann bei thermischer Behandlung auch zur Erhaltung der Gewebetextur durch gezielte Pektinmodifikation eingesetzt werden. Dadurch kann die Verschlechterung der Textur beim Kochen oder Konservieren von Kartoffeln und anderem Gemüse reduziert werden. Und schließlich ermöglichen Kombinationen aus PEF und Vakuumbraten oder Mikrowellen-Vakuumtrocknung die Schaffung neuartiger, schmackhafter und knuspriger Produkttexturen. Mit PEF Pilot haben wir das vielseitigste F&E-System entwickelt, das auf dem Markt erhältlich ist.

Kontaktieren Sie uns unter www.elea-technology.com, um die beste Lösung für Ihr Kartoffelprodukt zu entwickeln.

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