KIN - SYMPOSIUM : MIKROWELLENTECHNOLOGIE. Projektbericht. For better food

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1 KIN - SYMPOSIUM : MIKROWELLENTECHNOLOGIE Projektbericht

2 KIN PROJEKTE COOK & CHILL PHASE 1: Verfahrensprüfung- und - entwicklung von Cooked & Chilled Food PHASE 2: Mikrowellentechnologie zur Herstellung von gekühlten Fertiggerichten Projektförderung: Die Projekte wurden bzw. werden gefördert mit Mitteln der WTSH Agentur Schleswig- Holstein, Kiel, aus dem EFRE Programm (Europäischer Fonds für regionale Entwicklung) und aus Eigenmitteln des KIN- Lebensmittelinstituts, Neumünster

3 Projektziele Projektstufe 2 Produktsicherheit und Qualität Prozesssteuerung Prozessautomatisierung Nachhaltigkeit Ermittlung und Vergleich Betriebskosten

4 Rückschau PHASE I und Motivation zur Projektfortsetzung Technologie Herstellung von Chilled Ready Meals Relevante Mikroorganismen Pasteurisationsprozess Ergebnisse aus Projektphase I

5 Kriterien zur Herstellung von gekühlt haltbaren Fertiggerichten*: Produkt Design Anwendung des Hürdenkonzepts zur Erreichung der angestrebten Haltbarkeit Thermische Behandlung zur Erreichung der angestrebten Inaktivierung von Mikroorganismen Kühlung zur Vermeidung von mikrobiellem Wachstum Verpackung zur Verlängerung der Haltbarkeit unter Verpackung von Vakuum/Schutzgasatmosphäre (MAP) *Auszug Vortrag Gail Betts, Campden BRI, auf der Anuga Food TEC 2012

6 Relevante Mikroorganismen* Toxinbildner Salmonella E. coli O157 Campylobacter jejuni Staphylococcus aureus Clostridium botulinum Listeria monocytogenes Bacillus cereus Verderbniserreger Salmonella Pseudomonaden Enterobacteriaceae Brochothrix thermosphacta Milchsäurebakterien Hefen Schimmel *Auszug Vortrag Gail Betts, Campden BRI, auf der Anuga Food TEC 2012

7 Pasteurisationprozess für gekühlt haltbare Fertiggerichte (Chilled Ready Meals)* Für unter Schutzgas (MAP) oder Vakuum verpackte (VP), gekühlt haltbare Lebensmittel mit einer verlängerten Haltbarkeit (>10 Tage): Erhitzung auf 90 o C für 10 Minuten (oder Äquivalent) Zielvorgabe: die Reduktion von C. botulinum um 6 logarithmische Zyklen (ACMSF, 1992) PU (PE) 10 min Leitkeim C. botulinum psychrotroph (nicht-proteoloytisch), Typ B,E,F Referenztemperatur: 90 C z-wert: <90 C= 7; >90 C= 10 Startpunkt Berechnung: 80 C *Auszug Vortrag Gail Betts, Campden BRI, auf der Anuga Food TEC 2012

8 Versuchsdurchführung: Methodenvergleich Erhitzen in der Mikrowelle ** Auszug Vortrag Dr. Bernhard Roth, KIN, auf der Anuga Food TEC 2012

9 Versuchsdurchführung: Vergleich Methoden und Produkte Erhitzungszeit bis zu einer PU (PE) von 10 Min (äquiv. 90/10): Sauerbraten mit Knödel: Kochen im Autoklav 55 Minuten Sauerbraten mit Knödel : Kombidämpfer 50 Minuten Sauerbraten mit Knödel : Mikrowelle (440 W) 10 Minuten Ergebnis: Die Erhitzung mit Mikrowelle bis zum Erreichen eines Pasteurisationswertes von 10 Minuten oder einem Äquivalent von 90/10 ist ca. 5 mal schneller als die Kochung im Autoklaven (Berieselung) und Kombidämpfer (feuchte Hitze). Auszug Vortrag Dr. Bernhard Roth, KIN, auf der Anuga Food TEC 2012

10 Projektziele Projektstufe 2 Produktsicherheit und Qualität Messtechnik, Temperaturmessung bei Mikrowellenanwendung Berechnung Letalitätsrate Kennzahlen thermischer Prozesse, C- Wert, C g - Wert Sensorik Validierung durch Challenge Tests Prozesssteuerung: Regelkreis I Bestimmung der Keimzahlen Temperaturmessung: Initial, im Prozess, Post- Prozess Gewichtskontrollen: Eingang, Ausgang, Gewichtsverlust Berechnung Letalitätsrate Kühlphase: Kühldauer, Temperaturen

11 Projektziele Projektstufe 2 Prozessautomatisierung: Regelkreis II Messung Produkt- Endtemperatur per Infrarot Steuerung über Regelkreis und Datenverarbeitung Nachhaltigkeit Treibhausgas- Effekt Erstellung Ökobilanz Einflussfaktoren Ermittlung und Vergleich Betriebskosten Betriebskosten Herstellung mit Autoklaven Betriebskosten Herstellung mit Mikrowelle

12 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle Leitungswasser FISO-Kabel, 8 Min MW- Tunnel, Temp (C) CH 2 unten PU(90) CH 2 unten PU(90) CH oben Enter Time (min) heating zone CH 5 oben PU(90) (min)

13 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle destilliertes Wasser FISO-Kabel, 8 Min MW-Tunnel, Temp (C) Enter heating zone Time (min) CH 2 unten CH 5 oben PU(90) CH 2 unten PU(90) CH 5 oben Exit heating zone PU(90) (min)

14 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle Wassertest mit 4 Logger in einer Schale, 8 Min MW- Tunnel, Temp (C) PU(90) (min) 50 Logger 1 Logger 402 Logger 30 3 Logger 4 20 Enter heating zone Exit heating 10 zone PU(90) Log1 0 re. oben PU(90) Log 2 li. oben Time (min) PU(90) Log 3 mi. unten

15 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle Wassertest mit 4 Schalen hintereinander, je 1 Logger pro Schale, 8 Min MWT, Temp (C) PU(90) Log1 Schale 3 PU(90) Log 2 Schale 4 PU(90) Log 3 Schale 1 PU(90) Log 4 Schale Enter heating zone Time (min) Logger 1 Schale 3 Logger 2 Schale 4 Logger 3 Schale 1 Logger 4 Schale 2 60 PU(90) (min)

16 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle Mittelwert Mettbällchen Mittelwert Soße Enter heating zone Exit heating zone Enter cooling zone PU(90) Mettbällchen PU(90) Soße Mettbällchen mit Logger, 9,5 Min MW- Tunnel, , Mittelwerte (n=14) Temp (C) PU(90) (min) Time (min) 0

17 Versuchsdurchführung Messung Mikrowelle Temp (C) 50 Logger 1 Mettbällchen Logger 2 Kartoffel Enter heating zone Exit heating zone PU(90) Log1 Mettbällchen PU(90) Log 2 Kartoffel Vergleich Kartoffel und Mettbällchen mit Logger, 9,5 Min MW-Tunnel, (n=4) PU(90) (min) Time (min)

18 Log Anzahl Mikroorganismen Thermische Behandlung: D- Wert Die notwendige Zeit in Minuten (bei konstanter Temperatur), um die Anzahl der Population eines bestimmten Organismus um 1 logarithmischen Zyklus oder 90 % zu reduzieren.* =dezimale Reduktionszeit D Wert = 10 min Zeit (min) * aus: Haltbarmachen von Lebensmitteln, Heiss, Eichner, Springer Verlag

19 Log D-Wert Thermische Behandlung: z- Wert Der z- Wert ist die Erhöhung oder Erniedrigung der Temperatur, um eine Änderung der dezimalen Reduktionszeit um den Faktor 10 zu bewirken. Die Angabe erfolgt i.d.r. in Grad Celsius.* z- Wert= 10 C Temperatur ( C) * aus: Haltbarmachen von Lebensmitteln, Heiss, Eichner, Springer Verlag

20 F p - Wert- Berechnung (PU, PE)* Die Berechnung des Wertes erfolgt mit der Formel F p = D x (log A log E) = 10 (PU, PE) Referenztemperatur: 90 C z-wert: <90 C = 7; >90 C = 10 Die Berechnung der Letalitätsrate ist wie folgt: L i = t x 10 (T- Tref C)/z Durch Summieren aller L i -Werte erhält man die Letalitätsrate. L i = L * aus: Seminarunterlagen Lebensmittelinstitut KIN, Neumünster

21 Kennzahlen thermische Prozesse* P- Wert, Fp- Wert (PU,PE) = Bezugsgröße für das Ausmaß Maß der thermischen Belastung durch den Pasteurisationsprozess C- Wert (cook value) = Kennzahl zur Charakterisierung der bei Sterilisations- und Kochprozessen auftretenden Hitzeschädigung des Füllgutes, sowie der Abbau wertbestimmender Inhaltsstoffe (Vitamine, Farbstoffe, Enzyme) sowie sensorischer Veränderungen E- Wert = Kennzahl zur ausreichenden Enzym- Inaktivierung bei der Sterilisation von Konserven aus: Reaktionskinetik in Lebensmitteln, Westphal, Buhr, Otto, Springer- Verlag

22 Bedeutung der Kennzahlen Mikroorganismen werden wegen ihrer relativ großen Temperaturempfindlichkeit (kleine z-werte) schon in kurzen Zeiten abgetötet (vegetative Formen ca. 5, Sporen 7 10) Die thermoresistenteren Vitamine, Pigmente und Enzyme (größere z-werte) werden dabei nur geringfügig geschädigt (ca : Vitamin B1, Peroxidase, chem. Reaktionen). Bei der Anwendung von HTST - Verfahren zur Haltbarmachung von Lebensmitteln kann die ausreichende Enzyminaktivierung ein wichtiges Qualitätskriterium sein (z.b. Pektinmethylesterase, Peroxidase) aus: Reaktionskinetik in Lebensmitteln, Westphal, Buhr, Otto, Springer- Verlag

23 Verwendete Symbole zur Charakterisierung thermischer Prozesse und deren Wirkung** Prozess Hauptwirkung Symbol Bezugstemperatur Bezeichnung [K] [ C] Sterilisation/ Kochprozess Mikroorganismenabtötung F 394,1 121,1 Sterilisierwert allgemeine Schädigung von Inhaltsstoffen: Vitamine Pigmente, Enzyme C (C 0 )* Kochschädigung, Kochminuten Garung (Sensorik) Cg* Garungswert Enzyminaktivierung E* Inaktivierungswert Pasteurisation Abtötung vegetativer Formen von Mikroorganismen P (PU) (Fp, PE) 364,1 344,1 91,1 71,1 Pasteurisiereinheit (Pasteurization Unit; P. effect) Lagerung chem. Reaktionen, sensorische Veränderungen M Lagerungswert * Berechnung analog Formel für Fp- Wert ** aus: Reaktionskinetik in Lebensmitteln, Westphal, Buhr, Otto, Springer- Verlag

24 Sensorik C 0 wird zur Charakterisierung der Kochschädigung (Vitamin- und Farbstoffabbau, Eiweißdenaturierung, Kochgeschmack oder - geruch) bei der angewandten Bezugstemperatur verwendet, ohne zugleich damit die Festlegung eines bestimmten z- Wertes zu verbinden*. C- Wert ist die Beurteilung von Garungsvorgängen in Lebensmitteln, die bei Sterilisationsprozessen eine qualitätsbestimmende Rolle spielen. Der C - Wert wird dann auch als Garungswert C g bezeichnet. Nur in Verbindung von Fp- Wert, C- Wert (Kochschädigung) und Cg- Wert kann die abschließende Bewertung des Produktes durch sensorische Prüfung erfolgen. * aus: Reaktionskinetik in Lebensmitteln, Westphal, Buhr, Otto, Springer- Verlag

25 Sensorische Prüfung

26 Validierung Voraussetzung für die sichere und qualitätsgerechte Produktion ist die Validierung der zur Herstellung von Lebensmitteln verwendeten Prozesse, Verfahren und Anlagen hinsichtlich ihrer Eignung. Durch die Validierung wird der dokumentierte Beweis erbracht, dass ein Prozess oder ein System die zuvor spezifizierten Anforderungen (Akzeptanzkriterien) reproduzierbar erfüllt.* Der Nachweis kann durch Challenge- Tests erbracht werden, die den Bedingungen in der Produktion entsprechend geplant und durchgeführt werden. *Wikipedia

27 Regelkreis I 1. Wareneingangskontrolle: Bestimmung der Ausgangskeimzahl Rohstoffe 2. In- prozess- Kontrolle Keimzahlbestimmung verpacktes Produkt 3. Gewichtskontrolle Eingang 4. Ermittlung der Prozesstemperaturen (temporär) Messung mit Glasfaserkabeln oder Loggern 5. Gewichtskontrolle Ausgang: Gewichtsverlust 6. Berechnung Letalitätsrate 7. In- Prozess Kontrolle Keimzahlbestimmung Endprodukt, Validierung

28 Position Gewicht EIN (g) Gewicht AUS (g) Verlust (g) Verlust (%) Energie (kwmin) Regelkreis I Mitte 458,5 424,6 33,9 7,4 3,06 Mitte 450,8 419,1 31,7 7,0 2,94 Mitte 450,5 420,2 30,3 6,7 2,89 Mitte 456,0 428,0 28,0 6,1 2,82 Mitte 454,2 425,6 28,6 6,3 2,84 Mitte 455,2 429,2 26,0 5,7 2,75 Mitte 458,0 427,5 30,5 6,7 2,93 Durchschnitt 454,7 424,9 31,0 6,82 2,93 Std.Abw. 3,2 3,9 2,5 0,5 0,10 Online- Temperaturmessung?

29 Regelkreis II Wert Temperaturmessung IR

30 Nachhaltigkeit: Treibhausgas- Effekt* Treibhausgase Wasserdampf, Kohlendioxid Methan Lachgas Ozon Folge der Emission Anstieg der atmosphärischen Konzentration an THG führt zur Erhöhung des Globalen Potentials und Erderwärmung *Wikipedia; Angaben Strombörsen in Watt pro m 2

31 Nachhaltigkeit Treibhausgase (GHG, THG) Erstellung Ökobilanz, Lifecycle Assessment (LCA) Methode Kritische Volumina, Sachbilanz (Anwendung) Bewertungsgrößen: Belastung der Luft und Wasser, Abfallmenge, Energieverbrauch 4 Kennzahlen: kritische Luftmenge, kritische Wassermenge Abfallmenge, Energieäquivalenzwert * aus Wikipedia

32 Nachhaltigkeit: Einflussfaktoren CO 2 - Ausstoß: Multiplikation Menge mit Treibhauspotential Berechnung Treibhausgasemissionen (CO 2 Äquivalente): CO 2 = Faktor 1 GWP; Methan = 25 GWP; Stickstoffoxid = 298 Rohstoffe Packmaterial (Gebinde, Verschlüsse, Etikett, Karton) Herstellung (Stromverbrauch) Transport (Lieferant, Handel, Verbraucher) Verbrauch (Verzehr) Abfall/Entsorgung Wasserverbrauch

33 Ermittlung und Vergleich Betriebskosten Identische Ausgangssituation gleiche Rohstoffbasis gleiche Rezepturen gleiche Verpackung thermische Behandlung mit gleichem Fp- Wert Vergleichende Herstellung Pasteurisation / Mikrowelle Ermittlung der jeweiligen Betriebsdaten Ermittlung der sonstigen Aufwände (Arbeitsvorbereitung, Arbeitsnachbereitung, Handhabung) Berechnung der CO 2 - Äquivalente pro Packung pro Verfahren Qualitativer und sensorischer Vergleich der Produkte

34 Vor Behandlung mit Mikrowelle nach Behandlung