Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Wissenschaft und Forschung: Ausgabe 05/2013, 07.05.2013

Forschung am Laboratorium für Lebensmittelverfahrenstechnik (LMVT)

Konsumenten wünschen sich gesunde, lang haltbare Lebensmittel. Bei der Herstellung soll die Lebensmittelindustrie zudem auf Konservierungsmittel und Zusatzstoffe verzichten. Diesem Wunsch Rechnung zu tragen, ist eine Herausforderung für die Wissenschaft. Das Laboratorium für Lebensmittelverfahrens­technik (LMVT) an der ETH Zürich stellt sich dieser Herausforderung mit Erfolg.

Prof. Dr.-Ing. Erich J. Windhab
ETH-Zürich, Leiter des Instituts für Lebensmittelwissenschaft, Ernährung und Gesundheit


Das Labor für Lebensmittelverfahrenstechnik an der ETH Zürich widmet sich der Forschung, bei der mindestens zwei gekoppelte Prozesse involviert und an eine oder mehrere Zieleigenschaften adressiert sind. Das übergeordnete Forschungsziel ist es, aus der Verbindung der Wissensbereiche Food Process Engineering und Biomaterialwissenschaften die Wechselbeziehungen zwischen Prozess-, Struktur- und Produkteigenschaften zu quantifizieren, um daraus neuartige Prozesse und Lebensmittelprodukte abzuleiten. Dabei stellen sogenannte Prozess-Struktur-Funktionen (PSF) quantitative Zusammenhänge zwischen Prozessauslegungs-/Betriebsparametern und erzeugten Strukturen her. Entsprechend beschreiben Struktur-Eigenschafts-Funktionen (SPF) den Einfluss der Produktstruktur auf resultierende Qualitäts- oder Applikationseigenschaften entsprechender Lebensmittelsysteme. In der Zusammenschau dieser Zusammenhänge wurde am LMVT-Laboratorium das sogenannte S-PRO2-Schema entwickelt (Abb. 1a). Bei der Analyse komplexer Problemstellungen im Bereich der Lebensmitteltechnik, jedoch nicht auf diesen beschränkt, bietet das S-PRO2-Schema Richtlinien für eine systematische Problemanalyse unter Berücksichtigung charakteristischer Längen- und Zeitskalen für Prozess und Produkt. Eine differenzierte Multiskalenanalyse einzelner Prozessschritte bei der Lebensmittelherstellung eröffnet den verbesserten Zugang zu komplexen Problemlösungen (Abb. 1b). Diese Form der Analyse lässt sich auf alle Prozesse entlang der Wertschöpfungskette von der Rohstofferzeugung bis hin zur metabolischen Umsetzung anwenden.
Forschungs-Schwerpunktthemen. LMVT-Schwerpunktthemen sind solche, welche das gesamte S-PRO2-Schema für eine Prozesskaskade, das heisst mindestens zwei gekoppelte Prozesse (beziehungsweise Unit Operations), betreffen und eine oder mehrere Zieleigenschaften adressieren, welche von übergeordnetem wissenschaftlichem und gesellschaftlichem Interesse sind. Zwei der LMVT-Schwerpunktthemen werden nachfolgend beispielhaft genannt und kurz beschrieben:
Energieeffiziente Kristallisationsprozesse für mehrphasige Lebensmittelsysteme mit verbesserten Fliesseigenschaften und gesundheitlichem Zusatznutzen. Der hierarchischen Strukturgrössenskalen-Differenzierung des erweiterten S-PRO2-Schemas folgend, werden hier energieoptimierte, prozesstechnische Einflussnahmemöglichkeiten auf die Bildung bevorzugter kristalliner Strukturen von der molekularen über die mesoskopische bis zur makroskopischen Längenskala adressiert, mit dem Ziel, neuartige beziehungsweise verbesserte Produktei-genschaften abzuleiten.
Prominenteste Entwicklungsbeispiele aus diesem Themenbereich sind Vorkristallisations- und Kühl-/Gefrierprozesse für Schokolade/Confectionery, Brotaufstriche und Backfettsysteme sowie für Speiseeis und gefrorene Desserts. Zwischen 1992 und 2012 hat ETH-LMVT für in diesem Themenbereich entwickelte neuartige Produkte und Prozesse neun Patente eingereicht und erteilt bekommen. Auf dem Markt inzwischen angebotene, abgeleitete typische Maschinen, Apparate beziehungsweise Anlagen sind: Tieftemperaturextruder (zum Beispiel Gerstenberg-Schröder, Typen KBX 65 bis KBX 250), Hochscherkristallisatoren sowie Impf-Vorkristallisationsanlagen (zum Beispiel Bühler AG, Typ «Seedmaster-Compact oder -CrystMix»). Mittels dieser neuartigen Prozesse hergestellte Lebensmittelproduktsysteme sind beispielsweise slow-churned/conchierte Eiscreme und gefrorene Dessertprodukte sowie impfvorkristallisierte Schokoladen und Confectionery-Produkte. Der jährliche Umsatz für vorgenannte Vorrichtungen und mittels dieser produzierte neuartige Produkte wurde für 2012 auf zirka 480 Mio. CHF geschätzt.
Funktionalisierung disperser Lebensmittel-Multiphasensysteme zur Verbesserung sensorischer, nutritiver/gesundheitsrelevanter und Convenience-Eigenschaften. Die adressierte Funktionalisierung bezieht sich auf die dispersen Komponenten in Suspensionen, Emulsionen und Schäumen oder deren Mischungen und erfolgt bevorzugt über die An- (Grenzfläche) beziehungsweise Einbindung (Volumen) funktioneller molekularer Komponenten (MFCs). Die Ausbildung spezifischer meso-/makroskaliger Strukturen an Grenzflächen oder in kontinuierlichen Phasen spielt eine zusätzliche, massgebliche Rolle hinsichtlich Einstellung der MFC-Freisetzungseigenschaften unter bestimmten Randbedingungen, beispielsweise im menschlichen «Oro-Gastro-Intestinaltrakt». Zwei nachfolgend genannte, beispielhaft funktionalisierte Produktsysteme (A, B) unterstreichen die breite Palette der Möglichkeiten. Unter (C) wird eine zugeordnete flexible Prozesstechnologie beschrieben.
A. Multikapselstrukturen für massgeschneiderte Freisetzungssysteme von nutritiven/gesund-heitsrelevanten und qualitätsverbessernden funktionellen Komponenten in Lebensmitteln. Derartige Multikapselstrukturen basieren auf der Kombination
von: Auswahl, Synthese und Kopplung von selbstassemblierenden, lamellaren Strukturen ausbildenden Molekülformen (molekulare Skala), deren Strukturierung in Form von Vesikeln (Mesoskala), deren Einbindung in multiple Emulsionen (Makroskala), sowie Inkorporation in Lebensmitteln. Ein derart hierarchisch strukturiertes Multikapselsystem wurde beispielsweise für die Fortifizierung von Reis mit verschiedenen (zum Teil synergistisch interagierenden) Mikronährstoffen umgesetzt.
B. Magnetoresponsive Nanoscheiben-Dispersionen für Temperatursensoren/-indikatoren in intelligenten Lebensmittelverpackungen. Aus modifizierten Phospholipidmolekülen hergestellte nanodisperse Scheiben lassen sich in eine thermoreversible transparente Gelmatrix mit einstellbarer Gelpunkttemperatur, Tgel, einbinden, in Magnetfeldern optisch messbar orientieren und stabilisieren. Mittels auf diesem Bauprinzip beruhender Temperatur-Gelstreifen-Sensoren/Indikatoren soll detektiert werden, welche «Temperatur-Zeitgeschichte» ein Lebensmittel auf seinem Weg von der Herstellung über Transport und Kühlkette bis hin zum Verbraucher erlebt hat.
C. Energieeffiziente, schonende Dispergierverfahren für die multiskalige Strukturfunktionalisierung mittels dynamischer Porenextrusion. Die dynamische Porenextrusion durch Nano-Membranporen im Durchmesserbereich 100 bis 400 ηm erlaubt die Erzeugung von Vesikeln definierter Grösse, Grössenverteilung und Grenzflächenmorphologie (Abb. 2). Massgeschneiderte multiple Emulsionen lassen sich mit demselben Prinzip unter Einsatz von Mikroporenmembranen mit konventionell nicht erzielbar hoher Dispersphasenkonzentration und Energieeffizienz erzeugen. Für Multikapselsysteme sind die entsprechenden Prozessschritte für die relevanten Grössenbereiche einfach zu kombinieren.
Weitere Informationen: www.ifnh.ethz.ch