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Rheologische Untersuchung von Lebensmitteln

Viele der Textureigenschaften, die wir beim Verzehr von Lebensmitteln wahrnehmen, hängen mit der Rheologie zusammen - die  Cremigkeit, Wässrigkeit, Glätte, Sprödigkeit, Weichheit und Festigkeit von Lebensmitteln resultieren oft aus ihren rheologischen Eigenschaften und ihrem rheologischen Verhalten. Die Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften von Lebensmitteln ist von zunehmender Bedeutung für die Beurteilung der Qualität von Rohstoffen, die Vorhersage des Materialverhaltens während der Verarbeitung sowie für die Erfüllung der Anforderungen an Lagerung und Stabilität.

Rheologisches Verhalten von Lebensmitteln

Strukturstärke/Dispersionsverhalten

Die Kenntnis der Strukturstärke von Lebensmitteln ist beispielsweise für die Vorhersage des Entmischungsverhaltens und der Sedimentationsneigung wichtig. Lebensmittelgarnierungen wie Salatdressings und Essig enthalten oft dispergierte Kräuter und Gemüseteile. Bei guter Dispergierung bleibt diese Lebensmittelmischung stabil, ohne dass der Verbraucher den Behälter schütteln muss, um die Partikel gleichmäßig darin zu verteilen. Eine stabile Lebensmittelgarnierung sorgt für das gewünschte Geschmacksprofil und Aussehen. Die Struktureigenschaften geben einem Lebensmittel auch die vom Verbraucher geforderten sensorischen Eigenschaften, wie z. B. ein Geschmacksprofil, die Konsistenz eines Getränks, die Cremigkeit eines Speiseeises, die Klebrigkeit einer Süßware oder das Mundgefühl beim Schlucken von Lebensmitteln. Um einen Einblick in all diese Eigenschaften zu erhalten, können Lebensmittel mithilfe der Rheologie getestet und analysiert werden.

Fließverhalten

Die Kenntnis des Fließverhaltens ist unerlässlich, um die Verarbeitbarkeit und das Abfüllverhalten von Lebensmitteln vorherzusagen. Das Fließverhalten spielt auch eine wichtige Rolle bei der Vorhersage, wie sich die Lebensmittelstruktur beim Kauen und Schlucken verändern wird. Das Fließverhalten kann auch durch Temperaturänderungen beeinflusst werden, von der Kühl- oder Lagerungstemperatur bis zur erhöhten Temperatur im Mund.

Untersuchung von Lebensmitteln mittels rheologischer Tests

Rheologische Tests sind bei folgenden Prozessen nützlich:

  • Untersuchung der Fließ- und Struktureigenschaften von Rohstoffen, die in der Lebensmittelproduktion verwendet werden
  • Verbesserung der Textur, des Geschmacks und des Mundgefühls von Lebensmitteln
  • Vorhersage der Materialeigenschaften während der Verarbeitung
  • Messung der Produktqualität (Qualitätskontrolle von Lebensmitteln)

Schokolade

Schokolade muss bestimmte rheologische Eigenschaften aufweisen, um den Bedürfnissen der Produzenten und Verbraucher gerecht zu werden. Während die Rohstoffe bei der Produktion problemlos fließen sollen, sollte das Endprodukt erst im Mund und nicht schon bei Raumtemperatur schmelzen. Darüber hinaus ist die Art und Weise, wie Schokolade auf Zunge und Gaumen gleitet, von großer Bedeutung für das Mundgefühl und den Geschmack.

Rheologische Untersuchungen an Schokolade

Zwei wichtige rheologische Eigenschaften erwärmter, flüssiger Schokolade sind ihre Viskosität und ihre FließgrenzeViskosität ist das Maß für den Fließwiderstand der Schokolade. Dies ist zu berücksichtigen, wenn die flüssige Schokolade in eine Form gegossen wird (für Riegel, Figuren usw.). Die Fließgrenze ist die Schubspannung, die aufgebracht werden muss, um das Fließen einzuleiten. Das ist beim Gießen und Dekorieren relevant, beeinflusst aber auch, wie die Schokolade im Mund und in den Händen schmilzt. Beide Werte sind temperaturabhängig.

Schokolade sollte zwischen 29 °C und 33 °C auf der Zunge schmelzen, ansonsten kann sie wachsartig schmecken oder zu weich sein.

Rheologische Messungen können zur Qualitätskontrolle von Schokoladenschmelzen eingesetzt werden. Eine perfekte Lösung dafür ist die Fließkurve bei 40 °C. Das Fließverhalten der Schokolade wird durch ihre verschiedenen Inhaltsstoffe beeinflusst. Durch die Überprüfung von Parametern wie Fließgrenze und Viskosität kann eine gleichbleibende Qualität gewährleistet werden.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Kaffeeweißer

Kaffeeweißer ist ein viel verwendeter Ersatz für Milch, da er nicht gekühlt werden muss, sehr lange haltbar und leicht zu transportieren ist. Der Kaffeeweißer muss jedoch als homogenes und fließfähiges Pulver hergestellt werden, damit diese guten Eigenschaften gewährleistet sind. Solche Qualitäten lassen sich nicht einfach durch eine visuelle Beurteilung des Kaffeeweißers messen, aber sie können mithilfe der Pulverrheologie gemessen werden.

Rheologische Untersuchungen an Kaffeeweißer

Die Fließfähigkeit des Pulvers hat einen großen Einfluss auf die Verarbeitung und das Verpacken sowie auf die Langzeitstabilität des Pulvers. Daher ist die Beurteilung des Pulverfließverhaltens entscheidend für eine effiziente Produktion und Qualitätskontrolle. Quantitative Informationen über die Faktoren, die für das Fließen des Pulvers maßgeblich sind, können durch die Pulverrheologie gewonnen werden. Wie stark die Partikel zusammenkleben, wird beispielsweise durch die Kohäsionsstärke bestimmt. Ein High-End-Rheometer mit Pulvermesszelle kann zuverlässige Messungen der Kohäsionsstärke liefern, die anschließend als direktes Maß für die Qualitätskontrolle dienen können.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, mit dem Pulverrheologiemöglich ist.

Obstkonfitüre/Marmelade

Um ein gutes Pump- und Abfüllverhalten von Obstkonfitüre oder Marmelade zu erreichen, ist es wichtig, dass eine niedrige Viskosität bei hohen Scherraten vorliegt. Wenn die Viskosität der Konfitüre andererseits zu niedrig ist, läuft sie vom Brot herunter. Die Struktur des süßen Aufstrichs beeinflusst auch seinen fruchtig-süßen Geschmack, wenn er auf der Zunge verläuft. Der wichtigste Faktor für die Viskosität von Fruchtkonfitüren ist die Art und Menge des zugesetzten Bindemittels (z.B. Pektin). 

Rheologische Untersuchungen an Obstkonfitüre

Problem bei der Messung der Viskosität von Obstkonfitüre ist, dass sie viele große Obstpartikel enthält. Ihre Entfernung wäre zeitaufwendig und würde die Ergebnisse bei der Bestimmung des Fließverhaltens verfälschen. In solchen Fällen wird ein Rotationsrheometer mit einem Kugelmesssystem benötigt. Da die Kugel nur bei der ersten Umdrehung auf frisches, ungeschertes Material trifft, muss die gesamte Messung während einer einzigen Umdrehung des Messsystems durchgeführt werden. Dazu ist ein Rheometer erforderlich, das in der Lage ist, die Drehzahl für jeden einzelnen Messpunkt sehr schnell zu regeln.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, das mit einem Kugelmesssystemausgestattet ist.

Ketchup

Ketchup ist im Wesentlichen eine Kombination aus Tomaten, Gewürzen und einem Bindemittel. Die Verbraucher erwarten von ihrem Ketchup nicht nur einen bestimmten Geschmack, sondern auch ein bestimmtes Fließverhalten. Während des Herstellungsprozesses ist es wichtig, dass das Ketchup leicht angemischt und in Flaschen abgefüllt werden kann. Auf der anderen Seite wollen die Verbraucher Ketchup, das leicht aus der Flasche fließt und dann auf den heißen Pommes frites bleibt, ohne hinunterzufließen.

Rheologische Untersuchungen an Ketchup

Der Hauptfaktor, der für das Fließen von Ketchup aus der Flasche verantwortlich ist, wenn diese zusammengedrückt wird, ist die Fließgrenze. Es wird davon ausgegangen, dass sich Ketchup in einem festen Zustand befindet, bis seine Fließgrenze erreicht ist; bei einer Belastung über diesem Punkt beginnt es zu fließen. Ist die Belastung nicht mehr vorhanden, kehrt das Ketchup zu seinem früheren Zustand zurück.

Um das Fließ- und Verlaufverhalten nach dem Ausfließen zu simulieren, wird ein Stufentest durchgeführt, der aus drei Messabschnitten besteht. Der erste Abschnitt beschreibt das Verhalten der Probe im Ruhezustand. Der zweite Abschnitt (Ausfließen) zeigt den Strukturabbau an und der dritte Abschnitt den Strukturwiederaufbau. Bei Verwendung von Oszillationstests sind die Einstellungen im ersten und dritten Abschnitt eine konstante Kreisfrequenz und ein konstanter Deformationswert innerhalb des linear-viskoelastischen Bereichs. Der zweite Abschnitt wird durch Rotation bei konstanter Scherrate durchgeführt, die den Scherprozess simuliert, wenn das Probenmaterial aus der Flasche fließt oder in diese eingefüllt wird.

Für diesen Test ist ein Rheometer erforderlich, das mit einem Peltier-Temperiersystem ausgestattet ist.

Milchpulver

Milchpulver wird gewöhnlich als Grundnahrungsmittel verwendet, wenn Frischmilch nicht verfügbar ist, um eine gleichbleibende und zuverlässige Qualität der Endprodukte zu gewährleisten. Jedoch kann die Qualität je nach Rohprodukt (Frischmilch) und Herstellungsprozess stark variieren. Auf dem Weg zu einem homogenen Pulver muss die Milch eine Reihe von Verarbeitungsschritten durchlaufen, bei denen sich unterschiedliche technologische Herausforderungen ergeben. Der letzte Schritt ist das Austragen des Pulvers aus dem Sprühtrocknungsturm. Dieser Schritt verursacht oft Probleme, da Milchpulver im Allgemeinen ziemlich kohäsiv ist, und, was noch wichtiger ist, die Wände des Trichters zu erhöhter Reibung beitragen können, was zu einem unterbrochenen Volumenstrom führt.

Rheologische Untersuchung an Milchpulver

Eine Möglichkeit, das Fließverhalten zu überwachen, besteht darin, ein Rheometer mit einer Pulverzelle zur Messung der Wandreibung zu verwenden. Durch Wandreibungsmessungen kann der Wandreibungswinkel berechnet werden, der angibt, ob ein Pulver homogen aus einem Trichter ausgetragen werden kann. Ein niedrigerer Wandreibungswinkel deutet darauf hin, dass ein Pulver weniger an den Wänden haftet und leichter ausgetragen wird.

Für diesen Test wird ein Rheometer benötigt, mit dem Pulverrheologiemöglich ist.