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Partikelgrößenbestimmung Kleine Teile, großer Geschmack: Partikelgrößenbestimmung bei Lebensmitteln

Autor / Redakteur: Sascha Hupach* / Dr. Ilka Ottleben

Schmeckt der Kaffee eher bitter oder sauer? Warum wird Milch homogenisiert? Die Größe der Partikel in den Lebensmitteln beeinflusst deren Geschmack, aber auch das Genussempfinden. Die statische Laserbeugung ist das populärste Messverfahren zur Partikelgrößenbestimmung

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1 Ein Beispiel unter vielen – je nachdem in welcher Form Kaffee zubereitet werden soll, ist der Mahlgrad beziehungsweise die Größe der Kaffeepartikel entscheidend für Geschmack und Bekömmlichkeit.
1 Ein Beispiel unter vielen – je nachdem in welcher Form Kaffee zubereitet werden soll, ist der Mahlgrad beziehungsweise die Größe der Kaffeepartikel entscheidend für Geschmack und Bekömmlichkeit.
(Bild: amenic181 - Fotolia)

Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung ist in vielen Industriezweigen von großer Bedeutung. Eine dieser Branchen ist die Lebensmittelindustrie. Zahlreiche Lebensmittel werden gemahlen und als „Pulver“ verwertet und weiterverarbeitet. Die Größe der enthaltenen Partikel ist oftmals entscheidend für den Geschmack oder das Empfinden beim Genuss der Lebensmittel. So kann der Mensch mit seiner Zunge Partikel ab einer Größe von etwa 20 µm und kleiner nicht mehr wahrnehmen. Kleinere Partikel erzeugen also ein cremiges und „feinschmelziges“, größere Partikel hingegen erzeugen ein „krümeliges“ Mundgefühl.

Zudem kann die Partikelgröße von Lebensmitteln oder deren Inhaltsstoffen ausschlaggebend für die Verarbeitung oder Zubereitung sein. Auch bestimmte Eigenschaften, wie die Streufähigkeit oder Mischbarkeit, werden entscheidend von der Partikelgröße beeinflusst.

Statische Laserbeugung als Messverfahren

Daher setzt die Lebensmittelbranche verschiedene Messtechniken ein, um die Partikelgrößenverteilung zu bestimmen. Das meist verwendete Messverfahren ist die statische Laserbeugung. Hierbei werden die Partikel in den Strahlengang eines Lasers eingebracht. Der Laserstrahl wird durch die enthaltenen Partikel gebeugt und gestreut. Es entstehen Beugungsmuster, deren Beugungswinkel von dem Durchmesser der enthaltenen Partikel abhängen. Kleine Partikel erzeugen große Beugungswinkel und große Partikel ergeben kleine Beugungswinkel.

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Der deutsche Physiker Gustav Mie hat hierzu die grundlegenden Berechnungen der Streuung von elektromagnetischen Wellen an einer Kugel vorgenommen. Aufgrund seiner mathematischen Lösung wird aus der Lichtverteilung eines Beugungsmusters eine Partikelgrößenverteilung berechnet.

Partikelmessung – flüssig oder trocken

Shimadzu bietet für solche Messungen die Geräte der SALD-Familie an. Das SALD-2300 beispielsweise hat einen großen Messbereich von 17 nm bis hin zu 2500 µm. Um diesen Messbereich erfassen zu können, verfügen die Systeme über einen Detektor mit 78 einzelnen Sensorelementen. Der Detektor, der alle 0,145 Sekunden ausgelesen wird, sowie der einfache optische Aufbau (1 Laser) des Systems ermöglichen sehr schnelle Messungen. Die kürzeste Messzeit beträgt 1 Sekunde. So lassen sich auch Veränderungen bzw. Stabilitäten der Partikelsuspensionen hervorragend abbilden. Ein spezieller Messmodus ermöglicht die automatische kontinuierliche Messung von bis zu 200 Partikelgrößenverteilungen in einem Intervall von 1 Sekunde bis 10 Minuten.

Die Partikel werden auf unterschiedliche Art und Weise in den Laserstrahl eingebracht: flüssig oder trocken.

Partikel können in einem flüssigen Medium dispergiert werden. Da viele Lebensmittel eine gute Wasserlöslichkeit besitzen, werden hier oftmals organische Lösemittel eingesetzt. So wird beispielsweise Isopropanol genutzt, um Zucker oder Schokoladenpartikel zu bestimmen. Hier werden Dispergierstationen verwendet, die die Suspension im Kreislauf durch eine Flussküvette pumpen. Bei Partikelgrößen im kleineren Bereich, wie etwa Schokolade (im Partikelgrößenbereich von <100 µm) können geringe Suspensionsmengen von etwa 10 ml in einer statischen Küvette mit Rührplatte gemessen werden. Das spart Lösemittel und deren Entsorgungskosten.

Manchmal ist es auch sinnvoll, die Partikel „trocken“ zu messen. Bei der Größenbestimmung von Mehlpartikeln etwa, wird ein System verwendet, das die Partikel als trockenes Pulver durch den Strahlengang führt. Das Mehl wird zunächst angesaugt, dann mit Druckluft in den Strahlengang gesprüht, dispergiert und anschließend aus dem Gerät gesaugt. So lassen sich die Partikel in ihrer ursprünglichen Verwendungsform messen. Bei der Vermahlung von Getreide entstehen verschiedene Mahlprodukte die entsprechend ihrer Korngröße klassifiziert werden. So hat Mehl meist Partikelgrößen von <150 µm; Dunst (bis 300 µm) und Gries (bis 1 mm) hingegen sind gröbere Mahlfraktionen.

Partikelgröße entscheidet über Geschmack des Kaffees

Ein weiteres Beispiel ist Kaffeepulver: Je nachdem in welcher Form der Kaffee zubereitet werden soll, ist der Mahlgrad bzw. die Größe der Kaffeepartikel entscheidend für den Geschmack und die Bekömmlichkeit. Kleine Partikel erzeugen eine große Oberfläche und können den Kaffee bitter schmecken lassen. Ist das Kaffeepulver zu grob gemahlen, kann der Kaffee saurer schmecken. Während die Partikelgrößen von Kaffeemehl für einen Filterkaffee bei etwa 400 bis 600 µm liegen, wird für einen Espresso ein feineres Mehl mit einer Partikelgröße von etwa 200 bis 250 µm genutzt. Auch hier kann das Pulver zur Messung trocken dispergiert werden.

Statische Laserbeugung auch für flüssige Partikel

Aber nicht nur für feste Stoffe sind Partikelgrößen eine wichtige Größe. Die statische Laserbeugung ermöglicht auch, flüssige Partikel (Tröpfchen) in Emulsionen zu messen. Beispiele dafür sind Milch oder Joghurt, deren kleine Fett-Tröpfchen gemessen werden, indem sie einfach in Wasser dispergiert werden.

Unbehandelte Milch neigt dazu „aufzurahmen“. Die Fett-Tröpfchen agglomerieren und schwimmen schließlich auf der Milchoberfläche. Um das Aufrahmen zu vermeiden, wird die Milch homogenisiert. Dabei werden die Fett-Tröpfchen derart zerkleinert, dass sie nicht mehr agglomerieren. Dies ist vor allem für die Weiterverarbeitung zu Käse oder Joghurt und deren Bekömmlichkeit von Bedeutung.

Alles in allem ist die statische Laserbeugung ein wertvolles Werkzeug für die Qualitätssicherung in der Lebensmittelindustrie.

* S. Hupach: Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

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