FORSCHUNGSBERICHT AGRARTECHNIK des Fachausschusses Forschung und Lehre der Max-Eyth-Gesellschaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG)

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1 FORSCHUNGSBERICHT AGRARTECHNIK de Fachauchue Forchung und Lehre der Max-Eyth-Geellchaft Agrartechnik im VDI (VDI-MEG) 531 Carreño-Olejua, René Entwicklung eine Verfahren zum Schneiden und Schälen von Obt mit Hochdruckwaertrahlen Diertation Kael 214

2 Univerität Kael Fachgebiet Agrartechnik Prof. Dr.c.agr. Oliver Henel Entwicklung eine Verfahren zum Schneiden und Schälen von Obt mit Hochdruckwaertrahlen Diertation zur Erlangung de akademichen Grade eine Doktor der Agrarwienchaften (Dr.agr.) im Fachbereich Ökologiche Agrarwienchaften der Univerität Kael vorgelegt von Dipl.-Ing. René Carreño-Olejua M.Sc. au Bucaramanga - Kolumbien Witzenhauen, September 213

3 Die vorliegende Arbeit wurde am vom Fachbereich für Ökologiche Agrarwienchaften, Fachgebiet Agrartechnik der Univerität Kael al Diertation zur Erlangung de Grade eine Doktor der Agrarwienchaften angenommen. Datum der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Haupberichter: Mitberichter: Mündliche Prüfung: Prof. Dr.c.agr. Oliver Henel Prof. Dr.-Ing. Werner Hofacker Prof. Dr.c.agr. Oliver Henel Prof. Dr.-Ing. Werner Hofacker Copyright 213 Im Selbtverlag René Carreño Bezugquellen: HTWG Kontanz Studiengang Verfahrentechnik Brauneggertraße Kontanz Univerität Kael Fachgebiet Agrartechnik Nordbahnhoftraße 1a Witzenhauen Univeridad Pontificia Bolivariana - Bucaramanga Facultad de Ingeniería Mecánica Km7 vía a Piedecuenta Bucaramanga - Kolumbien Alle Rechte, auch die der Überetzung und de Nachdruck, owie jede Art photomechanicher Wiedergabe, auch auzugweie, bleiben vorbehalten. All right reerved, including the right of reproduction of thi book or portion thereof in any form whatoever. III

4 Vorwort Die vorliegende Arbeit enttand während meiner Tätigkeit al wienchaftlicher Mitarbeiter der Fakultät Machinenbau an der Hochchule Kontanz im Rahmen eine durch da BMELV (Bundeminiterium für Ernährung, Landwirtchaft und Verbraucherchutz) finanzierten Projekte. Die Arbeit bechäftigt ich mit dem Einatz der Hochdruckwaertrahltechnik und der Mechatronik im Bereich der Agrarwienchaften und liefert al Ergebni ein innovative Verfahren zum Schälen von Agrarprodukten und zur Vorbereitung von Lebenmitteln. Während meiner Tätigkeit al wienchaftlicher Mitarbeiter dieer Fakultät konnte ich bei der Ertellung meiner Arbeit auf tiefgreifende Grundlagen und umfangreiche Reourcen zurückgreifen. Mein beonderer Dank gilt den Herren Prof. Dr. c. agr. Oliver Henel, Prof. Dr.-Ing. Werner Hofacker und Herrn Dr.-Ing. Albert Eper für die Anregung und die wienchaftliche Betreuung der Arbeit owie Herrn Prof. Dr.-Ing. Peter Meißner für die Durchicht der Arbeit. Dem Deutchen Akademichen Autauchdient (DAAD) und der Päptlichen Bolivariana Univerität Kolumbien (UPB) danke ich ganz herzlich für die finanzielle Untertützung. Frau Hannelore Baumeiter, Eva María David, beonder Anna María Nuñez Vega, Jennifer Thieme und Sandra Schröpfer danke ich ganz herzlich für die Hilfe bei der Überarbeitung meiner Vorlage in korrekte Schriftdeutch. Meinen Kollegen und Freunden de Bereiche Verfahren und Umwelttechnik, beonder Herrn Frank Vepermann, danke ich darüber hinau für die tatkräftige und moraliche Untertützung und die zahlreichen wertvollen und intereanten Dikuionen, die maßgeblich zum Gelingen dieer Arbeit beigetragen haben. An dieer Stelle möchte ich natürlich auch Frau Karina Hanner und Frau Simona Wezelovzky für die Hilfe und Aitenz bei den Tetdurchführungen danken. Danken möchte ich auch meinem Sohn Simon Alejandro und deen Vertändni für meine Abweenheit während der erten drei Lebenjahre. IV

5 Dedicado a: mi hijo Simon Alejandro mi Padre Santo y Alicia mi Hermano a Gabriela, Catalina y German Eduardo V

6 Inhaltverzeichni Formelzeichen XIII 1 Einleitung und Problemtellung 1 2 Literaturübericht und Stand der Technik Klaiche Methoden zum Schneiden und Schälen von Agrarprodukten Alternative Schneidetechnologien Unteruchungen von Produktqualität und deren Abhängigkeit vom Schneideproze Waertrahlchneiden in der Lebenmitteltechnik Technologiche Grundlagen Stand der Technik de Waertrahlchneiden Schneidetechnologie Hochdruckwaertrahlchneiden Phyikaliche Grundlagen der Waertrahltechnik Parameter, die da Strahlchneiden beeinfluen Verfahren zur Konturerkennung Bewertung der Schnittqualität anhand der Rauigkeit Bewertung der Farbe Aufgabentellung 39 5 Veruchaufbau und -methodik Bechreibung der Anlage Komponenten de Hochdruckwaertrahlytem Ölhydrauliche Sytem Hochdruckwaer-Sytem Mechanicher Aufbau Robotergeteuerter Schnitt Halterung zur Aufnahme der Früchte Controller (DNC - CNC) Sytemintegration Meytem zur Oberflächenrauheitbetimmung Veruchdurchführung Veruche zur Betimmung der Anlagenkennlinie Schneide- und Schälveruche Veruche zum Vergleich de Waertrahlchneiden mit klaichen Schneideverfahren Veruchmethodik Veruche zur Betimmung der Betriebgrenzen der Anlage VI

7 Inhaltverzeichni Veruche mit reduzierten Rauheitmeungen Veruche im reduzierten Arbeitbereich der Anlage Veruche zur Unteruchung de Schälprozee Veruchergebnie Ermittlung der Prozeparameter Druck de Waertrahl Volumentrom Leitungaufnahme Ergebnie der Schnittveruche Betimmung der Betriebgrenzen de Sytem Schnittveruche im geamten Arbeitbereich der Anlage Schnittveruche im Bereich der Grenzkurve de Arbeitbereiche Ergebnie der Schälveruche Parameter de Schälverfahren Ergebnie de Schälverfahren Vergleich unterchiedlicher Schnittverfahren Rauheit Farbe Trocknung Fazit Zuammenfaung und Aublick 81 A Unteruchungen zur Betimmung der Schnittleitung de Sytem unter Berückichtigung der Oberflächenrauheit de gechnittenen Produkt 85 B Unteruchungen im Übergangbereich zur Betimmung optimaler Schnittparameter mittel Oberflächenrauheit 112 Literaturverzeichni 128 VII

8 Abbildungverzeichni 2.1 Überblick der Schneidetechnologienutzung in verchiedenen wirtchaftlichen Bereichen Abraivdik und Bürtentreifen zum Schälen von Kürbien Verteilung der Phenolkomponenten und oxydierenden Enzyme (Polyphenoloxidae und Peroxidae) in einer typichen Pflanzenzelle Raterelektronenmikrokopiche Aufnahmen von gechnittenen Kartoffeln Raterelektronenmikrokopiche Aufnahme von waertrahlgechnittenen Karotten Unterchiedliche Arbeitweien de Hochdruckwaertrahlen Anwendung der Waertrahltechnik mit ihrer typichen hydraulichen Leitung Phaendiagramm de Waer Kompreibilitätfaktor de Waer bei 22 C Freitrahlchema Schneideparameter für da Hochdruckwaertrahlen Erzeugung der Konturpunkte einer Frucht mittel der zweiten partiellen Ableitung einer Pixelmatrix RGB-Raum mit entprechenden Zugehörigkeitfunktionen und Winkel- Übergangwerten Punktevektor einer Fruchtkontur im Bezug zur Pixelmatrix de Kamerakoordinatenytem Kenngrößen an Schnittflächen von abraiv waertrahlgechnittenen Werktücken Charakteritiche Rauheitkurve einer Oberfläche nach DIN [1998] zur Ermittlung der Rautiefe (Rz) CIE-Lab-Farbraum Schema de Prinzip einer Anlage zum Hochdruckwaertrahlchneiden Drucküberetzer einer Kolbenhochdruckpumpe Saphirdüen HDWS-Prüftand zum Fruchtchälen und -chneiden Koordinatenyteme von Kamera und Roboter Kommunikationchema de automatiierten Waertrahlchneideytem Digitale Streifenprojektion mit Mikropiegelprojektoren (Meprinzip) Schema der Erzeugung der Roboterbahnkurve zum Schälen Durchführung der Veruche für Apfelcheiben Schema der Vorgehenweie zur Unteruchung der Oberflächenrauheit Schema der Vorgehenweie zur Unteruchung eine Schälprozee VIII

9 Abbildungverzeichni 6.1 Beipiel eine Druckignale bei einer Sytemkonfiguration von φ D =8μm al Düendurchmeer und f = 23Hz al Frequenz am Antriebmotor Waerverbrauch ohne und mit Betrachtung der Kompreibilität de Waer Waervolumenverbrauch der geamten Anlage, auf Atmophärendruck bezogen Leitung de Elektromotor-Antrieb v. Druck der geamten Anlage Druck de Sytem al Funktion der Frequenz Waertrahlchnitt eine Apfel mit Waertrahleintellungen im Übergangbereich Überganglinie in der Iobarenkarte zur Untercheidung von optimalen und nicht optimalen Schnittparametern Einflu der Vorchubgechwindigkeit auf die Oberflächenrauheit. Muterabbildung der im Anhang A dargetellten Ergebnie Einflu der Vorchubgechwindigkeit und de Druck auf die Oberflächenrauheit, Düendurchmeer von 13μm und ein Druck von 9 und 14bar Oberflächenrauheit al Funktion de Drucke für einen Düendurchmeer von 8μm und 1μm und einer Vorchubgechwindigkeit von v =26 mm Einflu de Strahlabtand auf die Oberflächenrauheit Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm; p = (8, 9, 1, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm; p = (67, 8, 9, 15, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm Ablenkung de Waertrahl Schälchnitt einer Melone mit einem 13μm Durchmeer-Waertrahl Analye der Oberflächenrauheit von mit drei unterchiedlichen Werkzeugen gechnittenen Apfelcheiben CIE-Lab-Farbanalye der drei in Abbildung 6.16 dargetellten Schnittverfahren Farbveränderung durch Trocknung von Apfelcheiben Hydrauliche Leitung de Waertrahl A.1 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 8bar A.2 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 1bar A.3 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 1bar A.4 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 16bar A.5 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 24bar... 9 A.6 Schnittergebnie mit φ D =8μm und p = 26bar A.7 Schnittergebnie mit φ D =8μm und v =2 mm im geamten Druckbereich 92 A.8 Schnittergebnie mit φ D = 1μm und p = 9bar A.9 Schnittergebnie mit φ D = 1μm und p = 11bar A.1 Schnittergebnie mit φ D = 1μm und p = 14bar A.11 Schnittergebnie mit φ D = 1μm und p = bar A.12 Schnittergebnie mit φ D = 1μm und v =2 mm im geamten Druckbereich 97 A.13 Schnittergebnie mit φ D = 13μm und p = 9bar A.14 Schnittergebnie mit φ D = 13μm und p = 11bar A.15 Schnittergebnie mit φ D = 13μm und p = 14bar... 1 A.16 Schnittergebnie mit φ D = 13μm und p = bar IX

10 Abbildungverzeichni A.17 Schnittergebnie mit φ D = 13μm und v =2 mm im geamten Druckbereich 12 A.18 Schnittergebnie mit φ D = 15μm und p = 9bar A.19 Schnittergebnie mit φ D = 15μm und p = 11bar A.2 Schnittergebnie mit φ D = 15μm und p = 14bar A.21 Schnittergebnie mit φ D = 15μm und p = bar A.22 Schnittergebnie mit φ D = 15μm und v =2 mm im geamten Druckbereich 17 A.23 Schnittergebnie mit φ D = 18μm und p = 13bar A.24 Schnittergebnie mit φ D = 18μm und p = 17bar A.25 Schnittergebnie mit φ D = 18μm und p = bar A.26 Schnittergebnie mit φ D = 18μm und v =2 mm im geamten Druckbereich 111 B.1 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm, p = 8bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.2 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm, p = 9bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.3 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm, p = 1bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.4 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm, p = 13bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.5 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D =8μm; p = (8, 9, 1, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm B.6 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm, p = 67bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.7 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm, p = 8, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.8 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm, p = 9bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.9 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm, p = 15bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.1 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm, p = 13bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.11 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 1μm; p = (67, 8, 9, 15, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm B.12 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm, p = 6bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.13 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm, p = 75bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.14 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm, p = 85bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.15 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm, p = 15bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.16 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm, p = 13bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.17 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 13μm; p = (6, 75, 85, 15, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm B.18 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm, p = 6bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm X

11 Abbildungverzeichni B.19 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm, p = 75bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.2 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm, p = 8bar, D =(1 15)mm, v = ( ) mm B.21 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm, p = 15bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.22 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm, p = 13bar, D = (1 15)mm, v = ( ) mm B.23 Ergebnie für eine Sytemkonfiguration: φ D = 15μm; p = (6, 75, 8, 15, 13)bar; D = (1 15)mm; v = ( ) mm XI

12 Tabellenverzeichni 2.1 Einatz de Waertrahlchneiden in der Lebenmitteltechnik und den Agrarwienchaften. Zuammenfaung Hauptgruppen de Fertigungverfahren Unterteilung der Hauptgruppe 3 Trennen de Fertigungverfahren Klaifizierung der Strahlen nach Anwendung und Zweck Einatz von Strahlen innerhalb der Hauptgruppen der Norm DIN [3a] Longitudwerte de Waertrahl Schneideparameter eine Hochdruckwaertrahlverfahren Schnittqualitätwerte Linienrauheitparameter Techniche Daten de Hochdruckwaertrahlytem (Pumpe, ölhydraulicher Antrieb und Schneidkopf) Konfigurationparameter zur Unteruchung de Arbeitbereich Unteruchungblockbildung zur Betimmung der Leitungfähigkeit unter Beachtung der Oberflächenrauheit Parametermatrix für die Unteruchung der Oberflächenrauheit Parametermatrix für die Unteruchung der Schnitttiefe Lage der Betriebgrenze der Anlage p = f(φ D ) Generelle Auwirkung der Schneideparameter auf die Variablen der Oberfläche Parametermatrix für die Unteruchung der Oberflächenrauheit in heraugefundenen Parametern Ergebnie zur Unteruchung der Schnitttiefe (H [mm]) einer mit einem 1μm, 13μm und 15μm Durchmeer-Waertrahl gechnittenen Melone (Schnittverlauf Fruchtfleich Schale). H k geometrich au der Fruchtform berechnete Größe, iehe Abbildung A.1 Zuordnung der Bilder zu den Prozeparametern XII

13 Formelzeichen Zeichen Einheit Größe A 1 ; A 2 mm 2 Querchnittfläche Eingang bzw. Augang der Düe B W mm Breite de Werktück D mm Strahlabtand G w [1] Grauwert eine Pixel H a GP a Härte der abraiven Partikel H b μm Schnittbreite H g GP a Härtegrad de Werktück H mm Schnitttiefe H Sk mm Kalkulierte Schnitttiefe eine Schältück H W mm Höhe de Werktück L m charakteritiche Länge de Gegentande L W mm Länge de Werktück M mm Mebereich zur Betimmung von u und α P m W Elektriche Antriebleitung P hyd W Hydrauliche Leitung Q l min Volumentrom Ra μm Arithmeticher Mittelrauwert R q μm Quadraticher Mittelrauwert R R μm Retflächenrauheit XIII

14 Formelzeichen Zeichen Einheit Größe R S μm Schnittflächenrauheit R y μm Maximale Höhe R z μm Rautiefe S mm Werktückdicke S a μm Oberflächenrauwert S n [1] Anzahl der Schnitte (Schälproze) b G,h G mm Gratbreite, Grathöhe b o mm Breite der trahlbeeinfluten Zone d a μm Durchmeer der abraiven Partikel d f mm Fokuierdurchmeer e mm Dicke der Schale f n Hz Nominalfrequenz am Antriebmotor h R mm Retflächenhöhe h RS [1] Retflächenanteil h S mm Glattchnitt h SS [1] Glattchnittanteil l f mm Fokuierlänge ṁ a ṁ w kg kg Maentrom de Abraivtoff Waerdurchflu n [1] Schnittnummer n 1 min Nominalwinkelgechwindigkeit n w [1] Anzahl der Schnitte (Werktück) XIV

15 Formelzeichen Zeichen Einheit Größe p bar Waerdruck p k Punktvektor (x k,y k ) eine Pixel im Kamerakoordinatenytem p r Punktvektor (x r,y r,z r ) eine Pixel im Roboterkoordinatenytem r E mm Kantenradiu (Strahleintritteite) u rad Rechtwinkligkeit- und Neigungtoleranz v v mm m Vorchubgechwindigkeit Waertrahlgechwindigkeit α rad Flankenwinkel α w grad Waertrahlimpaktwinkel β B rad Winkel zwichen RGB-Vektorbetrag und B-Ache β n rad Kalkulierte Winkel zum Schältück κ k [1] Schnürungfaktor φ D μm Düendurchmeer ρ KG m 3 Charakteritiche Dichte de Fluide φ f mm Durchmeer einer Frucht (in der Mitte gemeen) ξ RG rad Winkel zwichen RGB-Vektorbetrag und RG-Ebene μ N m 2 Dynamiche Vikoität λ und μ Lamé-Vikoität-Kontanten ζ mm Schnittkorrekturfaktor XV

16 Formelzeichen Abkürzungen CCD Charge-coupled Device CIE Commiion internationale de l éclairage International Commiion on Illumitation CIE-L.a.b. CIE-L.a.b.-Farbmodell nach DIN 6174 DMDTM Digital Micro Mirror Device FAO Food and Agriculture Organization of the United State FDA Food and Drug Adminitration FEA Finite Elemente Analye HDWZ Hochdruckwaerzylinder KP1 bzw. KP2 Kolbenpumpe 1 u. 2 tehen hier für den entprechenden Drucküberetzer MAP Modified Atmophere Packaging PV Pneumatiche Ventil RGB Rot, Grün und Blau Anteile eine Farbbilde RMS Root Mean Square SK Schneidekopf SPS Speicherprogrammierbare Steuerung USDA United State Departament of Agriculture WHO Word Health Organization XVI

17 1 Einleitung und Problemtellung Agrarprodukte können nur elten direkt, ohne weitere Verarbeitung, genutzt werden. In der Regel müen ie nach der Ernte oder vor dem Verbrauch mechanich verarbeitet werden durch Schneiden, Schälen, Mahlen oder ähnliche Verfahren. Die mechaniche Verarbeitung dient auch der Vorbereitung anderer Prozechritte, wie der Konervierung. Obt und Gemüe fällt aional an und bildet da volle Aroma nur au, wenn e reif geerntet wird. Im reifen Zutand it jedoch die Waeraktivität ehr hoch (a w 1) und die Textur weniger tabil, wa die Haltbarkeit tark einchränkt und den Tranport erchwert. Der Vorgang der Konervierung durch Trocknung wird erheblich erleichtert, wenn da Produkt zuvor in eine möglicht gleichmäßige optimale Form gebracht wird. Mit dem Schneiden werden Fruchtteile oder -partikel hergetellt, deren Form und Größe den Trocknungproze untertützen. Beipiele für Schneidewerkzeuge im Bereich der Lebenmittelverarbeitung ind Salatchneidemachinen und Hobelmeer zur Hertellung von Scheiben oder Stiften verchiedener Produkte (z.b. Pomme Frite). Sie haben im Laufe ihrer Entwicklung alleamt eine hohe Schneideeffizienz erreicht. Einige Früchte können nur nach Entfernen der Schale weiterverarbeitet werden. Da Schälen erfolgt durch mechaniche Entfernen der außenliegenden Fruchtteile im freien Schnitt, beipielweie in einer Schältrommel, oder mit definiertem Schnitt, der in der Regel von Hand augeführt wird. Beide Verfahren bergen erhebliche Nachteile: In keinem der Verfahren wird die tatächliche Anatomie de Produkte berückichtigt, daher ind die Materialverlute erheblich. Da Schneiden von Hand mit tändig wiederverwendeten Klingen it mit großen Nachteilen im Bereich der Hygiene verbunden. Für die Qualitätund Hygieneicherung it da Verarbeitungverfahren jedoch eine weentliche Einflugröße und betimmt die Güte von Agrarprodukten. Ein Großteil der Qualitätverlute it eine direkte Folge der inadäquaten Bearbeitung [Arpaia u. a., 4]. Die Arbeitumgebung beeinflut die mikrobiologiche Qualität de Prozee entcheidend [McGlynn u. a., 3, Merle, 1993]. Diee Probleme ind bei Früchten und Produkten tropichen Urprung noch größer, da dort da Arbeitumfeld, inbeondere in Bezug auf Hygiene, chlechter it. Zur Abhilfe dieer Probleme it daher ein Schneideverfahren zu entwickeln, welche die Anatomie der Produkte berückichtigt, und die hygienichen Nachteile handgeführter Schnitte mit Klingen vermeidet. Eine weitere Forderung an da Verfahren it, da e möglicht hoch automatiierbar it, oda Eingriffe in den Proze durch Bedienperonal minimiert und betenfall vermieden werden können. Au dieen Bedingungen ind folgende Forderungen an ein neue Schneide- und Schälverfahren abzuleiten: Die Anatomie der Produkte mu aufgenommen werden und in einer für die Steuerung de Schnitte geeigneten Weie aufbereitet werden. Weiterhin mu der Schnitt automatiiert erfolgen, um Eingriffe in den Proze zu vermeiden. Und letztlich it ein Schneideverfahren einzuetzen, bei welchem keine kontinuierlich benutzte Klinge zum Einatz kommt, damit die enttehenden Schnittflächen nicht kontaminiert werden können. 1

18 1 Einleitung und Problemtellung Die biher eingeetzten Schneideverfahren können diee Forderungen nur teilweie mit erheblichen anderen Nachteilen erfüllen. So wurde da Schneiden mit Laertrahlen, welche au der Produktiontechnik im Machinenbau bekannt it, zum Schneiden von Obt eingeetzt. Wegen de an den Schnittflächen auftretenden Wärmeeintrag hat ich diee Verfahren jedoch nicht durchgeetzt. Da Schneiden mit durch Ultrachall beaufchlagten Klingen it inbeondere im Bereich tiefgefrorener Produkte verbreitet, jedoch kann der Schnitt bei dieen Sytemen nicht individuell getaltet werden. Die Schnittkontur entpricht bei dieen Verfahren immer der Form der Klinge. Weiterhin wird die Klinge kontinuierlich eingeetzt, oda die Kontamination der Schnittflächen wahrcheinlich it. Daher wird unterucht, ob die oben aufgetellten Forderungen mit einem digital geteuerten Schnitt mit einem Hochdruckwaertrahl erfüllt werden können. Der Waertrahl verhindert die Kontamination der Schnittfläche, die digitale Steuerung de Schnitte, entprechend der optich erfaten Anatomie der Produkte, ermöglicht die Minimierung der Schnittverlute beim Schälen. 2

19 2 Literaturübericht und Stand der Technik Diee Kapitel beinhaltet eine Einführung in die Schneidetechnologie in klaichen Nachernteprozeen und den Einflu de Schneideprozee auf die Produktqualität. Schneidetechnologie... Fertigungtechnik Medizintechnik Agrartechnik Lebenmitteltechnik Zerteilen (Scherchneiden, Meerchneiden, Beißchneiden,...) Abtragen (Thermiche-, Chemiche-, Elektrochemiche Abtragen) Spanen (Drehen, Bohren, Sägen, Reiben,.) Waertrahlen Abbildung 2.1: Überblick der Schneidetechnologienutzung in verchiedenen wirtchaftlichen Bereichen Typiche Anwendungbereiche der Schneidetechnologie ind beipielweie die Hertellung von Machinen und Werkzeugen für die Verbundwerktoff- und Eienindutrie, die Medizin im Bereich der Chirurgie und Zahnheilkunde, für Ernteverfahren in der Agrartechnik owie für die Lebenmittelindutrie und beonder die Nacherntetechnik. Die Abbildung 2.1 zeigt in allgemeiner Form den Einatz der Schneidetechnologie in verchiedenen Bereichen. Die Hochdruckwaertrahltechnik hat ich in den vergangenen Jahren in verchiedenen Bereichen der Indutrie fet etabliert. Waertrahlen wurde bereit früh im Bergbau zum Abbau von Bodenchätzen owie bei der Verarbeitung von Geteinen, Kunttoffen uw. eingeetzt. Die Nutzung der Waertrahltechnik it eit Anfang de 2. Jahrhundert bekannt [Loui, 1991]. Da Reinigen it vielleicht da ältete Einatzgebiet de Waertrahl. Da Erodieren mit Hilfe de Waertrahl wurde bei Erdbauarbeiten al Spülung verwendet. Ert mit dem Einatz von Pumpenantrieben wie Dampfmachinen, Verbrennungmotoren etc. und mit der Entwicklung von Waerpumpen bi zu bar in den dreißiger Jahren wurde da 3

20 2 Literaturübericht und Stand der Technik Reinigen, Löen und Entchichten mit Hilfe von Waertrahlen möglich. Nach der Entwicklung der nötigen Pumpentechnik wurde der Waertrahl mit Verwendung von höheren Drücken zum Trennen von weichen Materialien wie z.b. Papier, Windeln etc. al Schneideverfahren eingeetzt. Die Anwendung der Waertrahlchneidetechnik in der Fertigungtechnik nahm in den echziger Jahren durch die Entwicklung neuer Materialien zur Hertellung der Betandteile von Hochdruckanlagen, wie z.b. ölhydraulichen Pumpen al Druckerzeuger, Hochdruckrohrleitungen etc. tark zu. Seit den achtziger Jahren wird der Waertrahl außerdem al Partikelbechleuniger in der abraiven Waertrahlchneidetechnik eingeetzt [Shimizu, 1999]. Nach Klocke u. König [7] ind Vorteile der Hochdruckwaertrahlchneideverfahren im Vergleich zu klaichen Schneideverfahren unter anderen geringere mechaniche Belatung de Werktück, keine thermiche Beeinfluung der Randzone, keine oder geringere Bildung von Schneidtaub oder Gaen und chmale Schnittfugen etc. Natürlich hat da Verfahren auch einige Nachteile. Je nach Schneideparameter und hier inbeondere Quergechwindigkeit (Schnittgechwindigkeit) und dem Waerdruck, wird der Waertrahl in entprechenden Proportionen durch den Kontakt mit dem zu chneidenden Objekt abgelenkt. Dieer Effekt führt zur Abchrägung der Schnittkante und im unteren Bereich der Schnittkante zu einer Erhöhung de Rauheitwerte. Beide Fehler können vermieden werden, indem die Schnittparameter im Bezug auf die Materialeigenchaften optimiert werden und die 3D-Steuerungchnittyteme zum Einatz kommen. Biher hat bei der Nutzung der Waertrahltechnik im Bereich der Fertigungtechnik beonder der Einatz der abraiven Waertrahltechnik ehr tark zugenommen. Vor allem beim Trennen von höherfeten und prödharten Stoffen, owie bei Verbundwerktoffen, it diee Technik von Vorteil. Aber auch in anderen Forchungbereichen wird die Waertrahltechnik eingeetzt. Beipielweie nutzte Bingmann u. a. [] in der Neuropychologie Waertrahlen im Druckbereich von 4bar bi 6bar, um Scheiben au Gewebe zu chneiden und deren Verletzung mit anderen Schnittmethoden zu vergleichen. In der Lebenmitteltechnik arbeiteten Becker u. Gray [1992] bei der Hertellung von Kartoffelcheiben in der Evaluierung der Schnittmethode mit Waertrahl. Für die vorliegende Arbeit it vor allem die Nutzung der Waertrahltechnik in der Lebenmitteltechnik (iehe Abchnitt 2.4) und in der Landwirtchaft intereant. Ligocki [5] und Brüer [8] bearbeiteten in ihren Diertationen da Thema der Waertrahltechnik in der Landwirtchaft. Sie unteruchten die Schneideparameter beim Zuckerrübenchneiden, um die entprechenden Ergebnie im Bereich der Erntetechnik zur Nutzung der Waertrahltechnik in Landmachinen einzuetzen. Die Auwertungen von Ligocki verwendete Brüer, um die Waertrahlchneideparameter zu optimieren. Auf dem Effekt de Waertropfenimpakt baierend, entwickelte Brüer eine Einrichtung, um den Waertrahl zu manipulieren und da Phänomen in Form von Waermengenpaketen zu emulieren. 4

21 2 Literaturübericht und Stand der Technik 2.1 Klaiche Methoden zum Schneiden und Schälen von Agrarprodukten Die wirtchaftlichte Methode zum Schälen von chalenhaltigem Obt und Gemüe it da mechaniche Schälen in Schältrommeln, -walzen oder Meerchälmachinen, dem ein Wachgang nachgechaltet it, bei welchem die Schale volltändig abgetragen wird [Schuchmann u. Schuchmann, 5]. Diee Art de Schälen it bei unregelmäßiger Rohware wie z.b. bei Wurzel- und Knollengemüe oder Tomaten jedoch tark verlutbehaftet. Hier wird auf Dampf- oder Laugenchälen zurückgegriffen. Bei letzterer Methode wird die Ware in einem.5% bi 2% Natronlaugenbad bei 5 C bi 1 C für 2min bi 14min eingeweicht, die Schale trocken abgerieben und mit 2-prozentiger Zitronenäure neutraliiert. Oder man beaufchlagt die Rohware für 3 bi 9 Sekunden mit Dampf (4bar bi 15bar), wa eine Schädigung der äußeren Zellchichten bewirkt und dazu führt, da ich die Schale beim anchließenden Entpannen lockert und ich chließlich ablöt. In die gewünchte Form, wie z.b. Wellencheiben, Würfel, Stifte oder Streifen werden die Früchte mit kontinuierlichen Schneidemachinen mit tationären oder rotierenden Scheiben- oder Rundmeern gebracht. Bei allen vorgetellten Schälmethoden werden jedoch die Zellwände der Agrarprodukte zertört, wa zu einem erhöhten mikrobiellen Wachtum und enzymatichen Veränderungen führt [Wiley, 1994]. Ahvenainen u. a. [1998] geben al ideale Schälmethode da Schälen von Hand an, da diee ehr chonend it. Kartoffeln, die mit einer Schälmachine gechält wurden, müen mit einem Bräununginhibitor behandelt werden, wohingegen bei handgechälten Kartoffeln ein Abwachen mit Waer aureicht um die enzymatiche Bräunung zu verhindern [Schuchmann u. Schuchmann, 5]. Zitrufrüchte können bereit mit kommerziell erhältlichen Enzympräparaten gechält werden, die zuätzlich in der Lage ind, die weiße Innenhaut zu hydrolyieren. Suutarinen u. a. [3] unteruchten daher da Potential de enzymatichen Schälen von Gemüe. Dazu wurde die Schale von Kartoffeln, Karotten, Steckrüben und Zwiebeln mittel Skalpell vorichtig entfernt, gefriergetrocknet und mit Enzymen behandelt. Sie tellten fet, da die eingeetzte Enzymmichung für Kartoffeln und Steckrüben nicht geeignet war, die enzymatiche Behandlung von Zwiebeln und Karotten jedoch zu einer Erleichterung de anchließenden Schälen von Hand führte. Toker u. Bayindirli [3] unteruchten die Möglichkeiten de enzymatichen Schälen für Aprikoen, Nektarinen und Pfirichen und etzten dafür vier verchiedene kommerziell erhältliche Enzymlöungen ein. Mit drei der vier eingeetzten Enzymlöungen konnten bei relativ hohen Temperaturen gute Schälergebnie erreicht werden, wobei e keine ignifikanten Unterchiede zwichen den unteruchten Fruchtarten gab. Die Autoren ehen die Hauptvorteile der von ihnen angewendeten Methode darin, da da Endprodukt qualitativ hochwertig it und durch da chonende Schälen die Struktur owie die Eigenchaften de Augangprodukt beibehält. Emadi u. a. [7] entwickelten eine neuartige Methode zum Abraivchälen von Kürbien. Hierzu chnitten ie au fetem Schaumtoff verchiedene Scheiben und beklebten diee mit Abraivpartikeln verchiedener Korngrößen (Siehe Abbildung 2.2 (link)). Die Abraivdik könnten für den indutriellen Einatz von großem Nutzen ein, da ie ich dem tark unförmigen Kürbi optimal anpaen, wodurch Verlute minimiert werden und Kürbie in kurzer Zeit gechält werden können. In einer weiteren Studie entwickelten und imulierten Emadi u. a. [8a,b] eine eben- 5

22 2 Literaturübericht und Stand der Technik fall neuartige Methode zum mechanichen Schälen von Kürbien, die ie Abraiv-Cutter Bürte (Siehe Abbildung 2.2 (recht)) nennen. Hauptzweck dieer Entwicklung it abermal, die geometrich unregelmäßigen Kürbie Abbildung 2.2: Abraivdik und Bürtentreifen zum Schälen von Kürbien [Emadi u. a., 8b, 7] auf mechanichem Wege möglicht verlutfrei zu chälen. Diee neue Methode it den biherigen Methoden, bezüglich Produktionrate und Schälen mit geringeren Verluten, noch überlegen. Auf die biherigen Entwicklungen der Waertrahlchneidetechnik im Bereich der Lebenmitteltechnik wird im Abchnitt 2.4 eingegangen. 2.2 Alternative Schneidetechnologien Neben den Fortchritten der Materialwienchaft ind neue Technologien im Bereich der Lebenmittelverarbeitung entwickelt worden. Zu dem Begriff neue Technologien zählen Waertrahl, Laer und Ultrachall, die zu neuartigen Schneideverfahren im genannten Bereich zählen, obwohl ie bereit au der Metallverarbeitung bekannt ind. Da Verfahren de Waertrahl wurde in den iebziger Jahren al kommerzielle Schneidemethode in der Metallverarbeitung entwickelt. Bi dahin waren Plama und Laer die führenden Schneideverfahren auf dem Markt. Der Einatz von Waertrahlen zeigte große Vorteile gegenüber den anderen Verfahren, da im Gegenatz zu dieen keine Verformung von Metallen veruracht wird und die gechnittenen Metalle keine Wärmebehandlung erfordern. Die weentlichen Vorteile de Waertrahlverfahren ind daher vor allem da Präziionchneiden, da zu einer Verringerung von Materialauchu führt, die Vermeidung von thermichen Verformungen, der mögliche Einatz in exploiongefährdeten Zonen, in denen Wärme nur bedingt eingeetzt werden kann und die Verwendbarkeit bei brennbaren Materialien, owie die Nutzbarkeit owohl bei dicken, al auch bei dünnen Materialien. Obwohl Laer und Plama mit entprechender Aurütung, wie z.b. Roboter-Armen o.ä., relativ gute und präzie Schnitte produzieren, untercheiden ie ich tark gegenüber der Waertrahltechnologie, da ich aufgrund der teigenden Temperatur auf der gechnittenen Oberfläche die Metalltruktur verändert. Im Bereich der Lebenmittel werden die genannten Schnitteffekte de Waertrahlen zum Vorteil. Da Lebenmittel organiche Materialien ind, würde die thermiche Erwärmung der Oberfläche Schäden verurachen. 6

23 2 Literaturübericht und Stand der Technik Choi u. Li [6] berichten über die Interaktion von Laerchnitten bei Käe in der Produktion von dünnen Käecheiben mit komplexen Formen. Die Unteruchungen von Schnitttiefe und Einwirkungzeit wurden mit UV-Laer-Photoablation (Schneideverfahren unter niedriger Temperatur) mit der al optimal befundenen 266nm Wellenlänge bei Bohrund Schneideverfahren durchgeführt. Choi u. Li [6] unteruchten CAD-geteuerte Laerchnitte von dünnen Käechichten mit Wellenlängen von 355nm und 266nm. Sie fanden herau, da die Tiefe de Schnitte mit einer Wellenlänge von 355nm deutlich niedriger it al die mit einer Wellenlänge von 266nm. Bei gleicher Energie (25 J ) und Gechwindigkeit (, 1 mm ) wurde bei 35nm Wellenlänge eine Schnitttiefe von 2mm und für cm 2 266nm Wellenlänge eine Schnitttiefe von 4mm erreicht. E zeigt ich, da Schäden bei einer Wellenlänge von 355nm auftreten, dagegen wurde eine hohe Schnittqualität bei einer Wellenlänge von 266nm erreicht. Andere Anwendungmöglichkeiten der Laer-Ablation in der Nahrungmitteltechnologie wurden von Panchev u. a. [211] dargetellt. Panchev u. a. verwendeten CO 2 -Laer mit einer Wellenlänge von 1.6μm. Mithilfe von Fotografien wieen ie die Wirkung auf der Oberfläche verchiedener landwirtchaftlicher Produkte wie Zitronen, Orangen, rotem und grünem Chili owie roten Zwiebeln und Knoblauch nach. Die Aufnahmen zeigen, da die Laer-Schnitte in ehr dünnen Schichten tattfinden. Die Autoren chließen darau, da ein CO 2 -Laer al Werkzeug zur Oberflächenbehandlung (Schälen) von landwirtchaftlichen Produkten verwendet werden kann. Hierfür wäre die Entwicklung eine Handhabung-Sytem notwendig. Eine Unteruchung der genauen Schnitttiefe gibt e jedoch nicht. Bei der von Panchev u. a. durchgeführten Unteruchung von Gemüe und Obt konnte heraugefunden werden, da der Laer zum Schneiden und Ablöen verwendet werden kann. Diee Ergebnie ind beonder intereant, weil ie die organoleptichen Eigenchaften erhalten. Dewegen kann diee Technik in Zuammenhang mit der Extraktion von Aromen und Subtanzen für die chemiche Indutrie eingeetzt werden. Im Bereich de Ultrachallchneiden laen ich eine Reihe von Unteruchungen in Bezug auf die Temperatureffekte finden. Demnach wird Ultrachall ehr oft bei der Lebenmittelvorbereitung benutzt, um präzie und aubere Schnitte zu erzeugen. Thermiche Effekte an der Oberfläche, z.b. wenn hohe Temperaturen (55 C 6 C) über einen erheblichen Zeitraum gehalten werden, können zu Nekroen führen. Die Erwärmung beim Ultrachall- Verfahren entteht aufgrund von Gablaen, die ich au der Schnittoberflächenflüigkeit löen [Chandrapala u. a., 212]. Diee Phänomen it al Ultrachallkavitation bekannt. Luca u. a. [5] betont die Beziehung zwichen Ultrachallchneideparametern und der erzeugten Temperatur auf der gechnittenen Oberfläche. E ollten die optimalen Schnittparameter gefunden werden, damit Schäden auf der organichen Probe vermieden werden können. Cardoni u. a. [6] berichtet baierend auf den Ergebnien von Luca u. a., da die Temperatur al Effekt der aborbierten Schwingungen de Werkzeug in einem kontrollierten Bereich gehalten werden kann, wenn Schnittparameter wie Blechform, Schwingunggechwindigkeit, Kraft, eingetellte Frequenz und Kontakteigenchaften geregelt werden. In andere Richtungen forchen Zahn u. a. [6], um die Schnittleitung in Bezug auf die vertikale Schnittgechwindigkeit und die Schwingungmagnitude zu unteruchen. Zahn u. a. berichten über eine korrelierte Beziehung zwichen Gechwindigkeit und Schwingung, in der die Schnittleitung inkt. Die Temperatur wurde in dem Veruch nicht beachtet. Weitere Vorchläge zur Verwendung de Ultrachall ind bei Chemat u. a. [211] zufin- 7

24 2 Literaturübericht und Stand der Technik den. Beonder intereant it die poitive Nutzung de Ultrachallkavitationphänomen. Unter Ultrachallkavitationarten ind owohl traniente al auch tabile zu untercheiden. Die traniente Ultrachallkavitation kann zu enormen Schäden auf der Schnittoberfläche führen. Dagegen produziert die tabile Ultrachallkavitation poitive Effekte, da durch den Ultrachall ozillierende Gablaen Mikrotrom produzieren. Da direkte Ergebni diee Prozee it mikrobiologicher Stre, der wiederum die mikrobiologiche Aktivität deaktiviert. 2.3 Unteruchungen von Produktqualität und deren Abhängigkeit vom Schneideproze Die Qualität gechnittener Produkte hängt von einer Vielzahl von Kriterien ab. Im Folgenden wird eine Übericht über die wichtigten Qualitätkriterien gegeben. In dieer Arbeit werden davon nur die Kriterien der Oberflächenrauigkeit und der Farbe weiter unterucht. Die Qualität eine landwirtchaftlichen Produkt etzt ich generell au Wahrnehmungvariablen wie Aroma, Fruchtigkeit, Süßigkeitherbheit, Härte und enoriche Eigenchaften wie die Farbe zuammen. In dem Bereich gibt Mizrach [8] eine Übericht über die in den letzten zwei Jahrzehnten erfolgten Studien und Geräten zur Betimmung der Materialeigenchaften von frichem Obt und Gemüe. Cliff u. a. [21] haben z.b. die Qualität von Apfelcheiben analyiert, die in zwei kontrollierten Atmophären gelagert wurden. Cliff u. a. haben vier Qualitäteigenchaften für ihre Beobachtung benutzt: Farbe (CIE-L), Menge an gepretem Saft, auflöbarer Fetkörper-Inhalt (Engl. SSC: oluble olid content) und ph-wert. Auf gleiche Weie haben Saftner u. a. [7] die Qualität von in kontrollierten Atmophären gelagerten Melonen tudiert. Sie ermittelten den Qualitätwert der gechnittenen Melone anhand der Textur, Farbe, dem ph-wert der gechnittenen Oberfläche und dem auflöbaren Fetkörper-Inhalt (Engl. SSC: oluble olid content). Um die Qualität und die Haltbarkeit von frichen Früchten und Gemüe zu verbeern, it e wichtig, die Prozee, die zur Veränderung de Ercheinungbilde und der Textur de Produkte führen, zu vertehen. Zwar exitieren viele Unteruchungen über die biochemichen Eigenchaften und die Veränderung von Textur und Ercheinungbild der unbechädigten Agrarprodukte und deren Gewebeytemen, jedoch it über die Auwirkung de Schneideprozee auf da fertige Produkt biher eher wenig bekannt. Toivonen u. Brummell [8] geben daher einen Überblick über die biher gewonnenen Erkenntnie. Für die Veränderungen de Ercheinungbilde gibt e mehrere, nicht unbedingt miteinander in Korrelation tehende Faktoren, wie Wundeffekte, mikrobieller Befall oder ein Autrocknen, die jedoch da Ercheinungbild alle maßgeblich verchlechtern können. Ein vor allem für weißfleichige Früchte relevante Problem, welche aber auch in anderen frich gechnittenen Agrarprodukten vorkommt, it die enzymatiche Bräunung der Schnittfläche. Diee Bräunung entteht durch eine Interaktion von Polyphenoloxidae (PPO), Polyphenolen und Sauertoff; ihr Vorkommen innerhalb der Zelle it in Abbildung 2.3 dargetellt 8

25 2 Literaturübericht und Stand der Technik Die Reife zum Zeitpunkt der Weiterverarbeitung hat einen großen Einflu auf die Abbildung 2.3: Verteilung der Phenolkomponenten und oxydierenden Enzyme (Polyphenoloxidae und Peroxidae) in einer typichen Pflanzenzelle. [Toivonen u. Brummell, 8] Haltbarkeit de gechnittenen Produkt [Lana u. a., 5]. Da gechnittene Agrarprodukte verwundete Oberflächen mit zertörten Zellen aufweien, verderben ie generell chneller al unbechädigte Agrarprodukte. Sowohl bei gechnittenen Früchten, al auch bei gechnittenem Gemüe, kommt e durch Verwundung und mechanicher Bechädigung zu einer erhöhten Atmung und Ethylenproduktion, die ich vor allem bei klimakterichen Früchten dadurch negativ auf die Haltbarkeit auwirken kann, da ie die Reifung und da Weichwerden fördert. Beipielweie bechleunigt eine Konzentration von 2 μl Ethylen da l Weichwerden von Bananen- und Kiwicheiben bei 2 C [Abe u. Watada, 1991]. Der Effekt wurde bereit nach einem Tag ichtbar, wa eine Kontrolle der Ethylenproduktion notwendig macht. Außerdem kann e zu einer Anreicherung de Gae in der Verpackung kommen. Die bei der Verarbeitung fricher Früchte enttehende Bechädigung tellt einen der größten Strefaktoren dar. Die biher angewandten Schneideprozee führen zu einem Aueinanderreißen de Zellgewebe, welche eine Vermichung von Enzymen und Subtraten zur Folge hat. Eine der häufigten Folgen der Bechädigung von Pflanzenzellgewebe it die Steigerung der Atmung und der Ethylenproduktion. Allong u. a. [1] fanden herau, da da Schneiden von Mango keinen mebaren Effekt auf deren Ethylenproduktion hatte. Bei unreif gechnittenen Mango war die Atmungrate direkt nach dem Schneiden tark erhöht, ank dann ab und lag chließlich während der geamten Lagerzeit über der Atmungrate der ganzen Früchte. Die beobachtete vertärkte Atmungrate unreifer Mango konnte jedoch bei halbreif oder reif gechnittenen Mango nicht fetgetellt werden. Zwar war die Atmungrate direkt nach dem Schneiden etwa erhöht, ie normaliierte ich jedoch chnell wieder auf den Wert der ganzen Früchte. Gil u. a. [6] bechäftigten ich mit den Qualitätveränderungen und der Nährtoffretention in frich gechnittenen und ganzen Früchten während der Lagerung. Unterucht 9

26 2 Literaturübericht und Stand der Technik wurden dazu Anana, Mango, Cantaloup-Melonen, Waermelonen, Erdbeeren und Kiwi, die für bi zu 9 Tage jeweil gechnitten und ganz bei 5 C aufbewahrt wurden. Gechnittene Kiwi zeigten eine ehr geringe Haltbarkeit von unter 6 Tagen, bei Anana, Cantaloup-Melonen und Erdbeeren betrug ie unter 9 Tage, wohingegen die gechnittene Waermelone owie die Mango auch nach 9 Tagen noch marktfähig waren. Sie tellten fet, da frich gechnittene Früchte im Allgemeinen ichtbare Anzeichen von Verderb aufweien, bevor ich ihr Nährtoffgehalt ignifikant verändert. Rivera-López u. a. [5] unteruchten den Einflu der Schneideform (Würfel oder Scheiben) und der Aufbewahrungtemperatur (5 C,1 C,2 C) auf die Qualität von frich gechnittener Papaya der Sorte Maradol. Hierzu wurden die CO 2 -Produktion, die Farbe, die Fetigkeit, der Zuckergehalt, der Gewichtverlut, der Vitamin C-Gehalt, der B-Carotingehalt owie die antioxidativen Eigenchaften während einer 18-tägigen Lagerdauer unterucht. Sie tellten fet, da die Form der gechnittenen Papaya kaum Auwirkungen auf die Haltbarkeit hatte, wobei die Scheiben mit einer maximal 2 Tagen längeren Haltbarkeit etwa beer abchnitten. Obwohl die Temperatur keinen Einflu auf die Farbveränderung hatte, wirkte ich eine niedrige Temperatur poitiv auf die Fetigkeit de Fruchtfleiche au. Die bete Aufbewahrungtemperatur betrug 5 C, bei 1 C betrug die Haltbarkeit nur 6 Tage. Temperaturen von über 1 C ind al nicht empfehlenwert einzutufen, da die Haltbarkeit dann weniger al 5 Tage betrug. Generell wurde die Haltbarkeit durch da äußere Ercheinungbild begrenzt, während der Vitamin C und der B-Carotingehalt owie die antioxidativen Eigenchaften bi zu dieem Zeitpunkt kaum abnahmen. Schon Bolin u. a. [1977] tellten fet, da da Schneiden mit einer charfen Klinge bezüglich der Qualität und Haltbarkeit von gechnittenem Salat owohl beer al da Hacken mit einer charfen Klinge, al auch da Schneiden oder Hacken mit einer tumpfen Klinge it. Barry-Ryan u. O Beirne [1998] unteruchten den Einflu der eingeetzten Schneidemethode auf die Qualität und die Haltbarkeit von frich gechnittenen Karottencheiben. E kamen makelloe Karotten mit einem Durchmeer von 3 4cm zum Einatz, die mit einer Raierklinge, owie einem charfen und einem tumpfen Machinenmeer in 6mm dicke Scheiben gechnitten und anchließend verpackt und bei 8 C aufbewahrt wurden. Sie tellten fet, da die Schneidemethode einen tarken Effekt auf die Qualität und die Haltbarkeit der Karottencheiben hat und kamen zu dem Schlu, da die Haltbarkeit durch die Anwendung einer möglicht charfen Klinge und der darau reultierenden geringeren Bechädigung de Pflanzengewebe verlängert werden kann. Die beten Ergebnie lieferte die Raierklinge, gefolgt vom charfen Machinenmeer. Die chonenderen Schneidemethoden verurachten weniger phyiologichen Stre und Bechädigung und zeigten einen geringeren mikrobiellen Befall auf, wa wiederum zu weniger tarker Geruchbildung führte. Außerdem war da allgemeine Ercheinungbild owie die Aromaretention beer. Auch Watada u. Qi [1999] tellten fet, da die weiße Verfärbung und die Dehydrierung von gechnittenen Karotten bei Einatz einer ehr charfen Klinge durch eine Reduktion der dabei bechädigten Zellen maßgeblich verringert werden konnte. Portela u. Cantwell [1] unteruchten den Einflu der Schärfe der eingeetzten Klinge und den Grad der Zertörung de Gewebe auf die Qualität von zylindrich gechnittenen Cantaloup-Melonen. Die Melonentücke wurden dafür am Tag de Schneiden, nach 6, 9 und 12 Tagen auf ubjektive (allgemeine optiche Qualität, Fäule, Tranluzenz, unangenehmer Geruch und Aroma) und objektive (Farbe, Fetigkeit, Fettoffgehalt, 1

27 2 Literaturübericht und Stand der Technik Zuckergehalt owie fermentative flüchtige Betandteile) Qualitätmerkmale unterucht. Außerdem wurde die Atmung- und Ethylenproduktionrate betimmt. E wurden verchiedene Melonenorten jeweil mit einer charfen und einer tumpfen Edeltahlchneide gechnitten. Obwohl die optichen Eigenchaften aller Proben zu Beginn exzellent waren, hatten die mit charfer Klinge gechnittenen Melonentücke ihr äußere Ercheinungbild nach 6 Tagen praktich nicht verändert, während ich die mit tumpfer Klinge gechnittenen Proben erheblich verfärbt hatten und eine glaige Oberfläche aufwieen. Zwar hatte die Schärfe der Schneide keinen Einflu auf da Aroma, jedoch wieen die mit tumpfer Schneide gechnittenen Melonentücke einen unangenehmen Geruch auf. Die Fetigkeit und der Zuckergehalt wurden durch da Schneideverfahren nicht beeinflut, die mit tumpfer Schneide gechnittenen Stücke produzierten aber etwa mehr Ethylen. Ingeamt führte da Schneiden mit der charfen Schneide bei einer Lagerung von 5 C zu einer längeren Haltbarkeit gegenüber dem Schneiden mit tumpfer Schneide. Toivonen u. a. [6] unteruchten die Eignung von Süßkirchen für den Freh-cut Sektor. Hierzu entfernten ie die Kerne mit zwei verchiedenen Schneidrohren, einmal mit charfer gerader Schneidkante und einmal mit einer wellenförmigen Schneidkante, und unteruchten die Qualität der Süßkirchen nach 21 Tagen Lagerdauer. Sie tellten fet, da da wellenförmige Schneidrohr weniger mechaniche Belatung auf die Kirchen auübte, ie daher weniger bechädigte und die Qualität in Form einer beeren Fetigkeit und einem geringeren Waerverlut ignifikant beer war. Sie kamen zu dem Schlu, da die Art de Schneidewerkzeug einen großen Einflu auf die Qualität hat. In der vorliegenden Arbeit werden die Farbveränderungen nach dem Schnitt owie die Rauigkeit der Schnittfläche al Qualitätkriterien herangezogen, da diee Größen gute Qualitätindikatoren ind und zudem metechnich leicht erfabar ind. 2.4 Waertrahlchneiden in der Lebenmitteltechnik Schon eit langen it der Gebrauch de Waertrahlchneiden in der Lebenmittelverarbeitung bekannt. Valco u. a. [1979] unteruchten beipielweie den Nutzen eine mobilen Waertrahlchneideequipment zum Ernten von Zuckerrohr, kamen jedoch zu dem Schlu, da der Einatz nicht praktikabel it. Henning [1998] berichtet über den erfolgreichen Einatz de Waertrahlchneiden für eine Vielzahl von Lebenmitteln, wie z.b. Fleich, Pata, Backwaren, Süßwaren und Gemüe. Orr u. Spingler [1985] ließen eine Methode zum Schneiden von Obt und Gemüe patentieren, die ich die Waertrahlchneidetechnik zu Nutzen macht. Rudy u. Tomlin [1988] erannen eine Methode und Apparat zum automatichen Schneiden von Nahrungmitteln in ein fetgelegte Gewicht oder eine fetgelegte Form und Lobah u. a. [199] meldeten einen Apparat und Methode, die da Waertrahlchneiden nutzt, um gefrorene Fichblöcke in eine Vielzahl individueller Formen zu chneiden zum Patent an. In ihrer Patentchrift geben Orr u. Spingler an, da e ich bei Ihrer Erfindung zum Schneiden von Obt und Gemüe um eine Methode handelt, die einen Hochdruckflüigkeittrahl nutzt, um Obt und Gemüe zu chneiden, und dabei ein Quetchen owie die Bechädigung de Zellgewebe an der Schnittkante vermindert. Sie geben an, da die urprünglichen Eigenchaften de Produkt auch nach dem Schneiden erhalten bleiben und die Haltbarkeit gegenüber den bi dato angewandten Schneidemethoden ignifikant 11

28 2 Literaturübericht und Stand der Technik verbeert wird. Al Obt und Gemüe, da für da Waertrahlchneiden in Frage kommt, nennen ie Wurzelgemüe und Blattgemüe, Zitrufrüchte und Melonen, owie generell alle Obt- und Gemüeorten mit feter Textur. Die längere Haltbarkeit führen ie darauf zurück, da dem Gewebe bei korrekter Lagerung die Möglichkeit dazu gegeben wird, eine ehr dünne trockene Schicht zu bilden, die mikrobielle Wachtum und Enzymreaktionen verlangamt. Zur Evaluierung ihrer neuen Methode führten Orr u. Spingler Veruche mit Sellerie und Karotten durch. Sie chnitten da Gemüe dazu mit dem Waertrahl owie mit mehreren anderen konventionellen Methoden. Nach dem Schneiden behandelten ie alle Proben mit gechlortem Waer und bewahrten ie bei 1 bzw. 3 C auf. In beiden Veruchreihen ergaben ich deutliche Vorteile für die mit Waertrahl gechnittenen Proben. Rudy u. Tomlin chlagen zur Verwendung ihrer Methode und ihre Apparat zum Schneiden von Nahrungmitteln einen Laer- oder Hochdruckwaertrahl vor. Sie geben dabei dem Waertrahl den Vorzug, weil ie ihm eine hohe Schneidegenauigkeit zuprechen und er ihrer Meinung nach außerdem den Materialverlut beim Schneiden minimiert, owie den Verderb de Produkt verzögert, da die Methode auberer it al herkömmliche Schneidemethoden. Becker u. Gray [1992] etzten einen Waertrahl zum Schneiden von Kartoffeln in Scheiben und in die typiche Pomme Frite Form ein. Zum Einatz kam mit UV- Licht deinfizierte Leitungwaer, Düendurchmeer zwichen 76μm bi 584μm, ein Waerdruck von 69MPa bi 38MPa und abhängig vom Düendurchmeer ein Waerverbrauch zwichen.98 l l für die kleinte und 8.37 für die größte Düe. Zur min min Durchführung der Veruche verwendeten Becker u. Gray eine Waertrahlchneideanlage der Firma Flow Sytem International, Modell G-411a. Der Abtand der Düe zum zu chneidenden Produkt betrug bei fat allen Veruchen 3.5cm. Sie verwendeten keine pezielle Halterung für die Kartoffeln, ondern fixierten diee am Tich oder hielten ie während de Schneiden in der Hand. Um eine größtmögliche Vergleichbarkeit zu gewährleiten, wurden die Kartoffeln vor den Veruchen in 2x2 cm große Würfel gechnitten. Die Vergleichproben wurden mit einem neuen, charfen Edeltahlmeer gechnitten. Für die zweite Veruchreihe, den Kochtet, wurden jeweil von Hand und per Waertrahl Pomme gechnitten, die 1cm 2 breit waren und deren Länge je nach Kartoffel variierte. Diee Proben wurden mit Leitungwaer abgewachen, blanchiert und frittiert. Die Proben wurden ofort nach dem Frittieren owie nach Abkühlen auf Raumtemperatur unterucht. Für die waertrahlgechnittenen Proben wurden leichte Unregelmäßigkeiten der Farbe fetgetellt, ie unterchieden ich jedoch weder gechmacklich noch bezogen auf die Textur von den Vergleichproben. Becker u. Gray tellten fet, da der Waertrahl mit kleinerer Düe und geringerem Abtand zum zu chneidenden Objekt beer geformt war und nicht zur Tropfenbildung neigte. Sie chlagen vor, den Abtand zwichen Düe und Produkt zu verringern, um die Schnittbreite zu verkleinern und Spritzeffekte zu vermeiden. In Vorveruchen mit relativ dichten Materialen wie Holz und Platik hatten die Autoren eine Temperaturerhöhung fetgetellt, die für die Kartoffel ein bechleunigte Verderben bedeuten könnte. Daher platzierten ie ein Thermoelement o nah wie möglich an der Schnittkante auf der Oberfläche der zu chneidenden Probe. Sie konnten allerding keinen Temperaturantieg fettellen, wa ie auf den Waerkontakt und den damit verbundenen Abtrag von gechnittenem Zellmaterial zurückführten. Generell wieen die mit Waertrahl gechnittenen Proben Furchen auf, die am Eintritt de Strahl am kleinten 12