Verbesserte Caking-Eigenschaften von Pulvern aus färbenden Lebensmitteln

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1 Verbesserte Caking-Eigenschaften von Pulvern aus färbenden Lebensmitteln Annja Zillekens, Fabian Zanders, Marcus Volkert GNT Europa GmbH, Aachen Konsumenten bewerten färbende Lebensmittel als die natürlichste Art, Lebensmitteln und Getränken strahlende Farben zu verleihen. Färbende Lebensmittel sind Konzentrate, die aus Obst, Gemüse und anderen essbaren Pflanzen hergestellt werden. Sie werden in Form flüssiger Konzentrate angeboten und erfüllen so die Bedürfnisse vieler Hersteller und Produkte. Jedoch werden mehr und mehr färbende Lebensmittel in Pulverform nachgefragt. Hersteller sehen viele Gründe, färbende Lebensmittel in Pulverform einzusetzen allen voran die einfache Handhabung und gute Performance. Pulver werden bevorzugt, wenn keine durchgehende Kühlkette gewährleistet werden kann oder die Produktionslinien für Trockenzutaten ausgelegt sind. In vielen Fällen sind die funktionalen Anforderungen an Pulver aus färbenden Lebensmitteln in der Endanwendung die gleichen wie die bei ihren flüssigen Gegenstücken. Im Gegensatz zu flüssigen Konzentraten neigen Obst- und Gemüsepulver jedoch zu Caking, einem typischen Defekt, der ihre Anwendung limitiert. Die Herausforderung: Humidity Caking Caking ist ein Defekt von Lebensmittelpulvern, der typischerweise unter suboptimalen Lagerbedingungen auftritt, insbesondere unter hoher Luftfeuchtigkeit und hoher Temperatur. Färbende Frucht- und Gemüsepulver sind besonders anfällig für diesen Defekt, da sie von Natur aus eine hohe Konzentration niedermolekularer Zucker und organischer Säuren enthalten. Unter feuchten und warmen Lagerbedingungen neigen solche Pulver stärker zu physikalischen oder chemischen Veränderungen als künstliche oder selektiv extrahierte Farbstoffe. In der Lebensmittelindustrie ist Caking ein häufig auftretendes Problem, das sowohl zu Kosten auf Seiten des Zulieferers als auch des Produzenten führt. Darüber hinaus beeinflussen die Pulvereigenschaften, die zu Caking führen, auch andere Funktionalitäten, z.b. die Hitzestabilität oder die Hygroskopizität. Daher ist es von zentraler Bedeutung, die Performance von Pulvern aus färbenden Lebensmitteln unter harschen Bedingungen zu verbessern. Technischer Hintergrund Wie Caking entsteht Fließfähigkeit von pulverförmigen Zutaten und ein homogener Farbeindruck in trockenen Endapplikationen sind wichtige Produktanforderungen. Sobald Pulverpartikel aneinander kleben und Caking beginnt, sind diese Funktionen nicht mehr gegeben. Caking von amorphen Fruchtoder Gemüsepulvern entsteht aufgrund interpartikulärer Kräfte, die sich unter Feuchteaufnahme, Hitzeeinfluss oder statischem Druck ausbilden. Caking wird beeinflusst durch Materialzusammensetzung sowie Partikelform und -größe. Trotz des Zusammenspiels vieler Mechanismen, ist Humidity caking der bedeutendste bei amorphen Frucht- und Gemüsepulvern. AFT QUARTERLY 2/2018 Seite 1 von 5

2 Abb. 1: Schematischer Zusammenhang zwischen Tg und sticky point bei färbenden Lebensmittelpulvern als Funktion von Temperatur und Wassergehalt. Frei fließendes Pulver (1), Hitze induziertes Caking (2), Caking in warmer Umgebung mit hoher Luftfeuchte (3), Caking durch direkte Wasseraufnahme bei konstanter Temperatur (4) Unter erhöhter Luftfeuchte und/oder Temperatur sinkt die Viskosität amorpher Pulver und die molekulare Mobilität steigt. Dieser Effekt führt zur Bildung interpartikulärer Flüssigkeitsbrücken, und letztlich zur Klebrigkeit des Pulvers. Klebrigkeit entsteht im gummiartigen bzw. zähflüssigen Zustand eines amorphen Pulvers bei einer Temperatur, konstant oberhalb der Glasübergangstemperatur T g. Die T g beschreibt den Temperaturbereich, in dem ein amorphes Pulver von einem festen Glaszustand in einen weniger viskosen gummiartig-plastischen Zustand übergeht. Sie ist eine Materialkonstante, die wesentlich von plastifizierenden Substanzen, allen voran Wasser, beeinflusst wird (Abb.1). Zur Wasseraufnahme kommt es bei hoher relativer Luftfeuchte, hoher Hygroskopizität des Materials oder direktem Kontakt, z.b. durch Kondensation. Wird der kritische Feuchtegehalt des amorphen Pulvers überschritten, sinkt die T g unter die Umgebungstemperatur und Caking tritt auf. Die Konzeptionierung genau dieser kausalen Zusammenhänge ermöglicht es, Frucht- und Gemüsepulver mit erhöhter T g und verminderter Tendenz zu Caking zu entwickeln. Dynamisch Mechanische Thermische Analyse hohe Ergebnisqualität Häufig wird die T g mittels dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC, engl. Differential Scanning Calorimetry) gemessen. Diese detektiert kalorische Veränderungen in Form eines Sprunges in der Basislinie der spezifischen Wärmekapazität in Abhängigkeit von der Temperatur. Jedoch sind solche Änderungen oft minimal und daher schwer zu interpretieren, insbesondere bei Substanzen mit hohem Molekulargewicht wie Stärken und Maltodextrinen (typische Trägermaterialien bei Sprühtrocknungen). Deren T g wird durch einen weiten Temperaturbereich beschrieben, nicht durch einen spezifischen Wert. Mittels der DSC können für einzelne Be- AFT QUARTERLY 2/2018 Seite 2 von 5

3 standteile von komplex zusammengesetzten Pulvern individuelle Werte der T g gemessen werden. In solchen Fällen ist die Dynamisch Mechanische Thermische Analyse (DMTA) eine vorteilhafte Alternative, die präzisere und leicht zu interpretierende Ergebnisse liefert. Im Gegensatz zur DSC-Analyse werden nicht kalorische, sondern mechanische Änderungen aufgenommen, welche durch Änderungen des Verlustmoduls G sichtbar werden. In der DMTA kann die T g als Mittelpunkt des Glasübergangsbereiches beschrieben werden und wird als Maximum von G definiert. Bei der Unterscheidung verschiedener EXBERRY - Pulver, liefert die DMTA eine höhere Auflösung und Reproduzierbarkeit als die DSC. Form und Funktion EXBERRY bietet optimierte Pulver zur Gewährleistung einer hohen Performance und geringer Tendenz zu Humidity Caking (erhöhte T g), auch unter extremen Bedingungen, wie erhöhter Luftfeuchte und Temperatur (Fig. 2). Harsh conditions Mild conditions #A #B #C #D #E #F Degree of optimization Abb. 2: EXBERRY -Pulver-Prototypen, die unter harschen (35 C, 40 % RH) und milden Bedingungen (unten, 25 C, 35 % RH) gelagert wurden, von links nach rechts: zunehmender Optimierungsgrad Zentral für eine erfolgreiche Produktentwicklung sind Zugang, technisches Verständnis und Kontrolle über die gesamte Supply Chain. Durch Zugang, Verständnis und Kontrolle jedes Schrittes Auswahl des Saatgutes, Anbaubedingungen, Erntezeitpunkt, Verarbeitung, Produktion und Anwendung kann eine Produktverbesserung zu vermindertem Caking erreicht werden. Nur unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren kann die Form des Pulvers so gestaltet werden, dass eine optimale Funktion gewährleistet ist. Abbildung 2 zeigt den Effekt einer solchen schrittweisen Verbesserung. Prototyp #F behält seine Funktion, die Fließfähigkeit, unter milden wie harschen Bedingungen, wohingegen Prototyp #A (nicht optimiert) auch bei geringer relativer Luftfeuchte und Temperatur zu Caking neigt. EXBERRY Färbende Lebensmittel bieten maßgeschneiderte Lösungen für verschiedenste Applikationen, Lagerbedingungen und Herstellungsprozesse. Abbildung 3 zeigt das mechanische Verhalten eines Standardpulvers im Vergleich zu einem Prototyp, optimiert hin zu einem verbesserten Caking-Verhalten unter feuchten und warmen Bedingungen. Die DMTA-Analyse zeigt eine deutlich höhere T g des optimierten Pulvers (rote Kurve), verglichen mit dem nicht optimierten Standardpulver (schwarze Kurve) AFT QUARTERLY 2/2018 Seite 3 von 5

4 2x10 6 2x10 6 A original powder optimized powder B Loss Modulus G'' [Pa] 1x10 6 8x10 5 4x10 5 Tg [ C] Temperature [ C] 80 #A #B #C #D #E #F Trials Abb. 3: EXBERRY -Pulver im DMTA-Plot: Maximales Verlustmodul G von zwei verschiedenen Pulvern definiert die Tg (A). Verbesserung der Tg über verschiedene Pulverprototypen (B) Abbildung 3B visualisiert den Prozesserfolg (Anstieg der T g) über einzelne Optimierungsschritte der Pulver aus Abbildung 2. Es wird sichtbar, dass die Pulver mit der geringeren Tendenz zu Humidity Caking (Pulver #E und #F) eine hohe T g aufweisen. Als Pionier im Markt der färbenden Lebensmittel, steht EXBERRY für agrarwissenschaftliche Kompetenz und Rohwarenexpertise. Ein optimales Portfolio aus Frucht- und Gemüsekonzentratpulvern bietet maßgeschneiderte Lösungen für Pulver-verarbeitende Lebensmittelhersteller weltweit. EXBERRY Färbende Lebensmittel bieten das gesamte Spektrum brillanter Farben für eine Vielfalt von Anwendungen. Ob Getränke, Süßwaren oder Milchprodukte, um nur ein paar zu nennen: die Möglichkeiten sind unbegrenzt. Über EXBERRY EXBERRY ist der weltweite Marktführer für Färbende Lebensmittel. Die Marke steht für leistungsstarke Farblösungen, die dem gänzlich natürlichen Prinzip folgen, Lebensmittel mit Lebensmitteln zu färben. EXBERRY Konzentrate werden aus Obst, Gemüse und anderen essbaren Pflanzen gewonnen und ausschließlich mit Hilfe sanfter physikalischer Verfahren wie Zerkleinern, Kochen und Filtrieren hergestellt. Mit mehr als 400 Farbtönen bietet die Marke das größte Portfolio auf dem Markt. Es kann in nahezu allen Speisen und Getränken angewaendet werden unter anderem in Süß- und Backwaren, Molkereiprodukten, Soft Drinks und alkoholischen Getränken sowie würzigen Lebensmitteln. Die Konzentrate werden weltweit für ihre einfache Anwendung, Farbbrillanz und Leistungsfähigkeit geschätzt. Die vollständige vertikale Integration des Produktionsprozesses sichert eine lückenlose Rückverfolgbarkeit, Preisstabilität und verlässliche Lagerbestände. Bei der Anwendung von EXBERRY erhalten Hersteller umfassende Unterstützung, von der strategischen Produktentwicklung, über die Implementierung in den Produktionsprozess bis hin zur regulatorischen Beratung. EXBERRY ist die bevorzugte Farblösung von mehr als Lebensmittel- und Getränkeherstellern, darunter die weltweit führenden Produzenten. AFT QUARTERLY 2/2018 Seite 4 von 5

5 Über GNT Die niederländische GNT Gruppe mit Sitz in Mierlo ist ein familiengeführtes Unternehmen und Pionier bei der Herstellung spezialisierter, zukunftssicherer Produkte aus rein natürlichen Inhaltsstoffen. Im Jahr 1978 gegründet, verfügt das Unternehmen über eine einzigartige landwirtschaftliche Kompetenz und verfahrenstechnische Expertise bei der Entwicklung von Produktlösungen aus Obst, Gemüse und anderen essbaren Pflanzen. GNT beliefert Kunden in 75 Ländern und betreut diese mit einem dichten Netz von Niederlassungen in Nord- und Südamerika, Asien, Europa und dem Nahen Osten. Weitere Informationen und Kontakt GNT Group: AFT QUARTERLY 2/2018 Seite 5 von 5