Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Rheokneten – Entwicklung einer Analysemethode für die kombinierte Erfassung von Mehl- und Teigverarbeitungseigenschaften

Die große Varietät von Weizensorten, das Prozessdesign des Mahlverfahrens sowie klimatische und örtliche Bedingungen führen zu stetig schwankenden Mehleigenschaften. Aufgrund dieser kontinuierlich wechselnden Eigenschaften ist sowohl eine permanente Mehlcharakterisierung als auch eine Analyse der Verarbeitungseigenschaften der resultierenden Teige erforderlich. Hierfür wird derzeit in der Praxis eine Vielzahl deskriptiver Methoden eingesetzt.

Ziel des Vorhabens ist es, ein In-Situ-Analyseverfahren zu entwickeln, um bereits während der Weizenteigherstellung die Mehl- und Verarbeitungseigenschaften in einem Schritt zu erfassen, ohne dabei auf verschiedene Analysegeräte zurückgreifen zu müssen. Das Vorhaben basiert auf der Hypothese, dass Teigstrukturen durch Imitation des Knetprozesses in einem Rheometer in Abhängigkeit differenter Belastungsarten (alternierende Sinus/Sprungfunktionen) ausgebildet werden können. Dies würde die gleichzeitige Erfassung von mehl- und teigcharakterisierenden Kennzahlen für die Qualitätsbewertung ermöglichen. Mit der zu entwickelnden Methodik sollen das Kneten, die Gärphase sowie der thermisch induzierte Phasenübergang während des Backens unter praxisnahen Prozessbedingungen imitiert werden, um darüber hinaus belastungsabhängige Struktur/Funktionsbeziehungen während der Weizenteigbereitung aufklären zu können.

Das angestrebte In-Situ-Analyseverfahren mittels eines Rotationsrheometers könnte zu einer deutlichen Reduktion der Analysekosten beitragen (Einsparung von Zeit, Material und Personal), von der insbesondere KMU profitieren würden. Die Ergebnisse kämen einer Vielzahl von mittelständischen Mühlen- und Backbetrieben zu Gute.

Ergebniszusammenfassung:

Das entwickelte Scherknetverfahren im Rheometer konnte weizenteigähnliche Strukturen und Probenmatrizen herstellen. Die Implementierung von Multiwave Frequenz-Sweep-Messungen ermöglichte eine unterbrechungsfreie rheologische Beurteilung des erzeugten Probenmaterials während dem Scherknetprozess. Bei der Teigherstellung im Rheometer erfolgten nach dem Knetschritt eine rheologische Charakterisierung der Proben mittels Frequenz-Sweep und Kriech-Erholungsversuchen. Die Frequenz-Sweep-Versuche wurden zu einem Teil in einem Multiwave Modus durchgeführt. Mittels einer bildverarbeitungsbasierten Mikrostrukturanalyse konnte zusätzlich eine Bewertung der Netzwerkentwicklung vorgenommen werden. Diese bildgebende Analyse konnte durch eine Kopplung von Rheometer und Laser-Scanning-Mikroskop inline und ohne Probentransport durchgeführt werden. Für das Rheoknetverfahren kam eine Auslenkung der oberen Rheometergeometrie von 90° in positiver und um 45° in negativer Richtung zum Einsatz. Diese Versuche wurden mit einem Relaxationsschritt, ohne Deformation der Probe zwischen den Belastungsschritten, durchgeführt. Sowohl das Relaxationsmodul als auch die Schubspannungsverläufe in den Relaxationsschritten konnten zur Beurteilung der Netzwerkentwicklung herangezogen werden. Abschließend wurde mit den entwickelten Analysen der funktionelle Einfluss der Mehlalterung untersucht. Zusätzlich wurden verschiedene Belastungsarten im Rheometer hinsichtlich ihrer Eignung zu Evaluierung des Strain-Hardening Verhaltens der Weizenmehlteige untersucht. In einer Vergleichsmethodik zur Bestimmung des Strain-Hardening Verhaltens konnten die Mehle nach ihrem Proteingehalt und der zu erwartenden Netzwerkausbildung klassifiziert werden. Durch eine Anpassung der scherrheologischen Methodik konnten diese Ergebnisse auf das Rheometer übertragen werden. Weiter zeigte die erfolgreiche Korrelation zu realen Backversuchen, dass auch ein Scaledown von Gare+Backen auf den Maßstab der Rheometergeometrie möglich ist.