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Viskositätsmessung Temperaturabhängige Viskosität zur Qualitätskontrolle

Autor / Redakteur: Ingo Reese* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Bestimmung des Fließverhaltens von Soßen und Mayonnaisen, das Messen der Verdickung beim Aufkochen von Suppen und das Simulieren der Extraktion von Cerealien und Snacks sind nur einige typische Anwendungen einer temperaturabhängigen Viskositätsmessung. Gerade für eine verbesserte Qualitätskontrolle kann diese Methode in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden.

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Abb. 1 Die Viskosität der Mayonnaise bestimmt ihr Fließverhalten.
Abb. 1 Die Viskosität der Mayonnaise bestimmt ihr Fließverhalten.
( Archiv: Vogel Business Media )

Wer möchte schon eine Cremesuppe essen, die nach dem Kochen dünn wie Wasser oder dick wie Pudding ist? Entscheidend für ein solches Verhalten sind die Verkleisterungseigenschaften der im Nahrungsmittel enthaltenen Stärke. Bei einer Temperaturerhöhung in wässriger Suspension quellen und brechen die Stärkekörner auf, und eine Verkleisterung tritt ein. Weiteres Kochen zerstört die Strukturen teilweise, sodass die Viskosität sinkt. Beim Abkühlen festigt sich die Suspension wieder, eine Endviskosität wird erreicht.

So vielfältig heutzutage Lebensmittel aus dem Convenience-Bereich sind, so verschieden sind die eingesetzten Rohstoffe. Natürliche Stärke hat je nach Pflanzenart stark unterschiedliche Eigenschaften. Oft werden auch modifizierte Stärken oder andere Verdickungsmittel (Hydrokolloide) mit speziellen Verkleisterungseigenschaften eingesetzt. Neben dieser Kontrolle kann auch mithilfe temperaturabhängiger Viskositätsmessungen der Produktionsprozess simuliert werden. Typische Beispiele sind die Extrusion zu Cerealien, Tierfutter und Snacks oder Herstellungsschritte von Joghurt.

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Eine schnelle und einfache Bestimmung der Viskositätseigenschaften der Rohstoffe aber auch der Fertigprodukte ist für eine effiziente Qualitäts- und Prozesskontrolle wünschenswert.

Viskosität – das Messprinzip

Für Viskositätsmessungen im Bereich der Qualitätskontrolle sowie der Forschung und Entwicklung hat sich seit mehreren Jahren der Rapid Visco Analyser (RVA) bewährt (s. Abb. 2). Die Messungen werden vom Gerät mit individuellen Temperatur- und Scherprofilen vollautomatisch gemessen. In einem kleinen dünnwandigen Aluminiumbehälter werden für einen Standardversuch zwei bis drei Gramm Substanz mit 25 Milliliter Wasser zu einer Suspension verrührt. Ein spezieller Flügelrotor rührt und homogenisiert die Probe. Über die Stromaufnahme des Motors, der mit einer definierten Umdrehungszahl rotiert, wird die Viskosität bestimmt. Durch das integrierte, computergesteuerte Heiz- und Kühlsystem sind Messungen mit genau reproduzierbaren Temperaturprofilen möglich. Eine Heiz- bzw. Kühlrate von bis zu 15 °C/min. erlaubt die schnelle Messung kompletter Verkleisterungskurven in dreizehn Minuten.

Stärkehaltige Produkte

Je nach Pflanzenart zeigen natürliche Stärken unterschiedliche Verkleisterungs- und Viskositätseigenschaften (s. Abb. 3). Auch die jahresbedingten Wachstumsbedingungen und die Sortenwahl der Pflanzen, aus denen die Stärke gewonnen wird, können zu verschiedenen Verkleisterungstemperaturen, Hitze- und Scherstabilitäten sowie Gelfestigkeiten führen.

Noch größere Unterschiede findet man beim Einsatz modifizierter Stärken, wie oxidierte, säurebehandelte oder Hydroxypropyl-Stärken. Anwender berichten von unterschiedlichen Qualitäten der Rohstoffe, die zu Änderungen des Herstellungsprozesses führen. Ein einfaches Beispiel dafür ist der Einsatz einer Stärke mit niedrigerer Verkleisterungstemperatur. Diese erfordert im Prozess ebenfalls niedrigere Temperaturen, sodass Energie und Kosten eingespart werden können.

Hydrokolloide

Bei den vorliegenden Messungen wurden eingehende Untersuchungen von Carrageenen, Guar- und Johannesbrotkernmehlen, Xanthanen und Pektinen gemacht. Dabei wird die Viskosität während der Abkühlung von 80 °C auf 25 °C gemessen. Einen sprunghaften Anstieg der Viskosität zeigen Carrageene, insbesondere das Kappa-Carrageen bei etwa 35 °C. Die anderen Hydrokolloide haben einen gleichmäßigeren bis fast linearen Anstieg, alle mit jeweils einer eigenen typischen Charakteristik. Das RVA ermöglicht durch die standardisierte einfache Handhabung eine routinemäßige Kontrolle und einen effizienten Einsatz der Hydrokolloide.

Proteinreiche Lebensmittel

Magermilchpulver, Molkepulver, Kondensmilch, Eiweiß, Gluten, Gelatine und Käse – die Liste der möglichen Anwendungen ist lang und vielfältig. Proteinreiche Rohstoffe werden zumeist erhitzt, um diese mikrobakteriell zu stabilisieren oder die Protein-Funktionalität zu verändern. Von der Höhe und Dauer der Erhitzung hängen bei der weiteren Verarbeitung Eigenschaften wie die Viskosität ab (s. Abb. 4). Man spricht hier oft von der Verdickungsrate, also die Steigung der Viskosität pro Zeiteinheit. Eine routinemäßige Kontrolle z.B. von Magermilchpulver ist notwendig, da es keine eindeutige Korrelation zwischen der „Vor-Erhitzung“ und der Verdickungsrate gibt. Die Eigenschaften werden durch saisonale Einflüsse der Inhaltsstoffe der Milch (variabler Harn-stoff-, Mineralstoff- und Laktosegehalt) und durch Lagerung verändert. Neben der Qualitätskontrolle kann das RVA auch zur Prozesssimulation eingesetzt werden. Beispiele dafür sind Joghurt (Sterilisation und Konditionierung des Proteins) oder Schmelz- und Frischkäse (Pasteurisierung, Formulierung).

Fazit

Durch die Messung der Viskosität mit Temperaturprofilen oder unterschiedlicher Scherung können wichtige Parameter der Rohstoffqualitäten bestimmt, Voraussagen zum Verhalten im Prozess gemacht und fertige Produkte kontrolliert werden. Durch die Möglichkeit beim RVA mit voreingestellten Messprofilen zu arbeiten, werden Anwendereinflüsse minimiert, sodass sich das Gerät gut zur routinemäßigen Qualitätskontrolle eignet. Hersteller von Lebensmitteln sind in der Lage, Rohstoffqualitäten zu unterscheiden und rechtzeitig Probleme in der Weiterverarbeitung zu erkennen, um Ausschussware zu vermeiden. Auch in der Forschung und Entwicklung gibt es vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Bei der Verwendung von Lebensmittelzusätzen können gezielt gewünschte Eigenschaften eines Produktes erreicht werden.

*Dr. I. Reese, Perten Instruments GmbH, 21079 Hamburg

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