TP 2 (DFG): Fettreduktion durch Doppelemulsionen

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Sebastian Fleischer
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1 Idee Doppelemulsion: Ersetze Fett durch Wasser bei gleicher Textur TP 2 (DFG): Fettreduktion durch Doppelemulsionen Anna Schuch, Frederik Wolf, Karsten Köhler und Heike P. Schuchmann Reduktion des Fettgehalts durch innere Wassertropfen ; normale normale Emulsion Doppelemulsion Leitfragen: Wie kann die innere Emulsion möglichst ohne zulassungsbeschränkte Emulgatoren stabilisiert werden? Wie kann die Mikrostruktur von W/O/W-Doppelemulsionen eingestellt werden? Wie beeinflusst diese Mikrostruktur die Produkteigenschaften? KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Großforschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Einordnung ins Gesamtcluster Ansatz zur Entwicklung fettreduzierter Lebensmittel Wie werden konsumentenrelevante Produkteigenschaften (Cremigkeit, Mundgefühl, Sättigung, ) gesteuert? Agenda Teil I: Herstellung und Stabilisierung der inneren inneren W/O-Emulsion ohne zulassungsbeschränkte Emulgatoren Struktur Chemie TP : Uni Hohenheim h TP 3: DFA Garching TP 2: KIT Karlsruhe TP 4: Uni Tübingen TP 8: Uni Erlangen-Nürnberg TP 6: TU München TP 7: DIFE Nuthetal Sensorik: TP 9: HS Hamburg Teil II: Herstellung von W/O/W-Doppelemulsionen Fettreduktion ohne Verlust konsumentenrelevanter Eigenschaften möglich??? DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

2 Idee: Stabilisierung der Wassertropfen durch Gelierung Vergleich Bubble Tea Technische Umsetzung Herstellung gelstabilisierter Emulsionen Pflanzenöl (8 C) demineralisiertes Wasser + Pektin/Ca Kaltes Öl ( C) Gelierung der Wassertropfen Herbstreith & Fox Vorteile: Keine typischen Emulgatoren Irreversible Instabilitätsmechanismen werden verhindert (Koaleszenz, Ostwald-Reifung) Bei sehr kleinen Tropfen/Partikelgrößen kann Konsument Gelpartikel l nicht von Wassertropfen unterscheiden [Richy CC BY-SA 3.] DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: V PI d D <55 C in 4 ms Stabilisierung durch schnelles Abkühlen der Emulsion nach der Tropfenzerkleinerung Gelierung der Tropfen DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Prinzipiell ist eine Stabilisierung der Emulsion durch alleinige Gelierung möglich Durch Prozesssteuerung kann Tropfengröße beeinflusst werden me Q 3 [% %] Verteilu ungssum Rohemulsion durch Pektin stabilisierte Feinemulsion,, Durchmesser [µm] rteilungssu umme Q 3 fische Ver volum menspezif Voremulsion Re,5 = 2 laminar Bl ( p =, MPa) Re,5 = 3 Transition Bl ( p = 4 MPa) Re,5 = 42 Transition Bl ( p = 4,5 MPa),, Durchmesser [µm] Kissling, Schütz, Piesche WCCE8, Montreal DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

3 ] Im Vergleich zu PGPR-stabilisierten Emulsionen. Hohe Dispersphasenanteile schwierig: Stabilisierungsproblem erfordert Prozessanpassung teilungssum mme Q 3 ifische Vert lumenspezi vol ,, Tropfengröße x [µm] durch Gelierung stabilisiert, Herstellung im Hochdruckhomogenisator mit Emulgator PGPR stabilisiert, Herstellung mit Rotor-Stator- Maschine lungssum mme Q 3 [ volu umetrisch he Vertei Dispersphasenanteil: il 3 % % transitionelle Strömung,, Durchmesser [µm] DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: PGPR muss mit Salz kombiniert werden. Minimale Menge darf nicht unterschritten werden. 3 % Dispersphasenanteil: Herstellung: Kolloidmühle min -,,5 mm radialer Spalt Bis 6 % Wasser mit geringen Konzentrationen an PGPR verkapselbar Processnet Jahrestagung, Aachen Frederik Wolf Multiple Emulsionen in Lebensmittelqualität Processnet Jahrestagung, Aachen Frederik Wolf Multiple Emulsionen in Lebensmittelqualität

4 Agenda Teil I: Herstellung und Stabilisierung der inneren W/O-Emulsion ohne zulassungsbeschränkte Emulgatoren Gelierung ermöglicht Reduktion des Einsatzes an PGPR; Herstellverfahren muss angepasst werden Teil II: Herstellung von W/O/W-Doppelemulsionen Fettreduktion ohne Verlust konsumentenrelevanter Eigenschaften möglich??? DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Mikrostruktureinstellung der inneren Emulsion (Größe der inneren Wassertropfen) über Prozessparameter bei Herstellung ilungssum mme Q 3 [ volumen nspezifisc che Verte ,, Tropfengröße x [µm] Kolloidmühle, Variation der Drehzahl Emulgator: PGPR DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Tropfenaufbruch von Doppelemulsionen Einfluss nicht-newtonscher Fließeigenschaften? In Doppelemulsionen bestehen die Tropfen bereits aus einer Emulsion Abhängig vom Dispersphasenanteil verändertes rheologisches Verhalten skosität [P Pa*s] Vi Dispersphasenanteil / [Pa] eichermodul G' Spe, = 5 % =6%,, Frequenz [s - ] DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:, / [Pa] rlustmodul G'' Ve Die erreichten Öltropfengrößen hängen direkt von der Viskosität der inneren Emulsion ab - ein Elastizitätseinfluss ist nicht beobachtbar 3 [µm] ian x 5, Med Drehzahl in Kolloidmühle: ,,2,3,4,5,6,7,8 Viskosität der dispersen Phase [Pas] DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

5 Die Mikrostruktur einer Doppelemulsion: innere und äußere Tropfen Mögliche Strukturveränderungen während der Herstellung von Doppelemulsionen Q 3 Summ menver rteilung W/O W/O/W, Tropfengröße x [µm] Diffusion von Wasser (nach außen oder nach innen) Koaleszenz der W -Tropfen mit der W 2 -Phase können zum irreversiblen Verlust des inneren Wassers führen Funktionalitätsverlust Definition Erhaltungsgrad EE = Masse W (t = t ) g Masse W (t = ) Koaleszenz der W -Tropfen Koaleszenz der O-Tropfen Processnet Jahrestagung, Aachen Frederik Wolf [Frank 2] Multiple Emulsionen in Lebensmittelqualität DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Mithilfe von DSC-Messungen können Aussagen über Struktur und Erhaltungsgrad g der inneren Tropfen gemacht werden Heat Flow (W/g) 8 Beobachtung möglich von: Änderungen der Tropfengröße der W-Tropfen 6 Verlust der W -Phase in die W 2-Phase / Erhaltungsgrad Exo Up µm W 2 W Öl mit PGPR Temperature ( C) Universal V2.6D TA Instruments Je kleiner die erreichte Öltropfengröße, desto niedriger der Erhaltungsgrad g Stoffsystem: innerer Dispersphasenanteil: 3 % 3 % PGPR in Pflanzenöl äußerer Dispersphasenanteil: 5 % 3,5 % Eigelb als äußerer Emulgator terdurchme esser x,2 [µm m] Sau t 5 5 Drehzahl [rpm] sgrad Erhaltungs Emulgierverfahren: Kolloidmühle DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

6 Kolloidmühle führt bei gleicher Tropfengröße zu höchstem Erhaltungsgrad g 4 Emulgierverfahren im zweiten Emulgierschritt: Kolloidmühle Zahnkranzdispergier- 2 maschine Hochdruckhomogenisator (SEM) Median x 5,3 [µm] haltungsg grad EE [% %] Er 8 6 Agenda Teil I: Herstellung und Stabilisierung der inneren inneren W/O-Emulsion ohne zulassungsbeschränkte Emulgatoren Teil II: Herstellung von W/O/W-Doppelemulsionen mit Kolloidmühlen technisch möglich: kleine Öltropfen bedeuten Verluste an innerer Wasserphase Fettreduktion ohne Verlust konsumentenrelevanter Eigenschaften möglich??? DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: Ist eine Reduktion des Fettgehalts bei gleichbleibender Sensorik möglich? Untersuchte Emulsionen: Öl-in-Wasser Emulsion (O/W) 5 % DPA (vollfette Referenz) W /O/W 2 Emulsion (5:35:5) verdünnt auf 23 % Fett insgesamt W /O/W 2 Emulsion (25:25:5) verdünnt auf 7 % Fett insgesamt Konstante t Tropfengröße der Öltropfen Gesamtdispersphasenanteil der Emulsionen const. = 5 % Bestimmung der Viskositäten und sensorische Untersuchung Reduktion des Fettgehalts von 5 % auf 7 % möglich ohne erkennbare Änderungen der Textur Visk kosität [P Pa s],, E-3 O/W-Emulsion (Referenz) W /O/W 2 -Emulsion 35 % Öl W /O/W 2 -Emulsion 25 % Öl Verdünnung 2: mit W -Phase: 2 W /O/W 2 -Emulsion 23 % Öl W /O/W 2 -Emulsion 7 % Öl Verkostung durch ein Sensorikpanel: Es konnten keine 5 % 23 % 7 % Fett Unterschiede zwischen den 3 Emulsionen erkannt werden! Scherrate [s - ] Fettreduktion durch Doppelemulsionen gut möglich! DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

7 Zusammenfassung Verfahren zur Stabilisierung von W/O-Emulsionen durch alleinige Gelierung entwickelt. Benötigte Dispersphasenanteile noch nicht stabilisierbar. Verfahren ist in Kombination mit geringem Anteil an PGPR einsetzbar. Tropfenaufbruch von Doppelemulsionstropfen verläuft ähnlich wie bei einfachen Emulsionen. Füllung durch Wassertropfen erhöht Tropfenviskosität und erfordert daher einen höheren Energieeintrag. Verluste an innerer Wasserphase relativ hoch. Erhalt innerer Tropfen scheint an Öltropfengröße gekoppelt. Kolloidmühlen gut zur kont. Herstellung geeignet. Vielen Dank der DFG für die finanzielle Förderung des Projekts den Projektpartnern für die Zusammenarbeit insbesondere Maja Tomaschunas für die Durchführung der sensorischen Untersuchungen Ihnen, für Ihr Interesse und Ihre Aufmerksamkeit Deutliche Reduktion des Fettgehaltes (von 5 auf 7 %) ohne für den Konsumenten feststellbare Texturänderungen möglich DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2: DFG/AiF-Cluster Fettwahrnehmung Prof. H.P. Schuchmann TP 2:

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