Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Sprühtrocknung von Emulsionen: Untersuchungen zum Öltropfenaufbruch während der Druckzerstäubung

Milchproteinbasierte Emulsionen sind Grundlage einer Vielzahl pulverförmiger Lebensmittel, wie Kaffeeweißer, Säuglingsnahrung, Automatenpulver für Kaffeegetränke oder Instant-Cremepulver. Zentrale Schritte ihrer Herstellung sind das Emulgieren und Homogenisieren der Fett-/Ölkomponente(n), das Eindampfen, die Zerstäubung und die Trocknung. Die gewünschte produktspezifische Öltropfengrößenverteilung (ÖTGV) wird i.d.R. im Emulgierschritt eingestellt und muss in den nachfolgenden Prozessschritten erhalten bleiben, um die gewünschte Endproduktcharakteristik zu garantieren. Die ÖTGV beeinflusst die Eigenschaften des Feeds (Viskosität), des Pulvers (Lagerstabilität) und des rekonstituierten Verbraucherprodukts (Homogenität, Mundgefühl, Farbe, Cremigkeit) und nicht zuletzt die Haltbarkeit der Produkte. Das Zusammenwirken zwischen der Produktformulierung (Fettgehalt, Emulgatoren) und den Prozessbedingungen (Zerstäubung) mit ihren Auswirkungen auf die ÖTGV ist bislang nur unzureichend bekannt. Ziel des Vorhabens ist es, der Milchindustrie Erkenntnisse an die Hand zu geben, die es ihr ermöglicht, durch Anpassung der Emulgatorkombination und der Parameter beim Zerstäuben Produkte mit gewünschten Eigenschaften gezielter herstellen zu können und v.a. längere Haltbarkeiten zu erzielen.

Im Jahr 2015 erwirtschaftete die Milchindustrie in Deutschland mit 148 Unternehmen und ca. 35.000 Beschäftigten einen Umsatz von ca. 23 Mrd. €. Die Besetzung von Marktnischen sowie eine Reduktion der Kosten durch Rezeptur- und Prozessoptimierung sind insbesondere für KMU essentiell. Exportprodukte ermöglichen eine Erweiterung ihrer Märkte; hier spielt eine lange Haltbarkeit der Pulver eine entscheidende Rolle.

Ergebniszusammenfassung:

Zusammenfassend wurde festgestellt, dass die Öltropfengrößenverteilung (ÖTGV) durch eine gezielte Wahl von Prozessparameter und Emulgatorkombination innerhalb der Zerstäubung, Trocknung und Lagerung erhalten und kontrolliert werden kann. Bei der Zerstäubung kann eine starke Zerkleinerung der Öltropfen mittels Druckdüsen in Abhängigkeit von dem Zerstäubungsdruck erzielt werden. Die Auswirkung des Druckes auf die ÖTGV ist viel stärker ausgeprägt als auf die Sprühtropfengrößenverteilung. Das Ausmaß dieser Zerkleinerung konnte in Abhängigkeit der Emulsionsformulierung (Viskosität, AnfangsÖTGV, Proteingehalt und zugesetztem Emulgatoren) quantifiziert werden. Das Potential zur Energieeinsparung durch Verzicht auf eine Vorhomogenisierung bei aktiver Nutzung der Zerkleinerung während der Zerstäubung wurde aufgezeigt. Die industrielle Umsetzung muss in kommenden Forschungsprojekten überprüft werden. Nach der Zerstäubung und während der Trocknung kommt es zu einer Vergrößerung der Öltropfen bei höherem Dispersphasenanteil, was mit einer Koaleszenz der Öltropfen erklärt werden kann. Diese Koaleszenz korreliert mit der Neigung des Pulvers zur Klumpenbildung und mit dem Anteil an freiem Fett in Pulver. Die Ergebnisse machen deutlich, dass für eine gezielte Einstellung der ÖTGV im Pulver sowohl der Zerstäubungsschritt als auch der Trocknungsschritt angepasst werden müssen.

Durch Zugabe eines niedermolekularen Emulgators mit hoher Grenzflächenaktivität und schnellen Grenzflächenstabilisierungsmechanismen kann die Öltropfengröße innerhalb der Zerstäubung, Trocknung und Lagerung sowie der freie Fettgehalt im milchproteinstabilisierten Pulver maßgeblich reduziert werden. Von den untersuchten Emulgatoren (Lecithin, Citrem, und Mono- und Diglyceride) ist die Zugabe vom grenzflächenaktiven Lecithin zu empfehlen. Wenn größere Öltropfen gewünscht werden, kann dies entweder durch eine rein proteinstabilisierte Emulsion oder durch Änderung der Prozessparameter erreicht werden.