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Haltbarmachung von Lebensmitteln Von Eis zu Dampf: Neutronen geben Einblick in Gefriertrocknungsprozess

Redakteur: MA Alexander Stark

Die Gefriertrocknung verhilft uns zu schmackhaften Trockenfrüchten im Müsli, zu haltbaren Joghurtkulturen und vielen weiteren wichtigen Produkten. Mit Neutronenstrahlen der Forschungs-Neutronenquelle Heinz Maier-Leibnitz (FRM II) konnte ein Wissenschaftsteam nun erstmals zeigen, wie die Trocknung im Detail abläuft.

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Gefriertrocknung von Maltodextrinpartikeln (dunkel blau = Zuckermatrix; türkis = Eis): Die radiale Trocknungsfront in den Partikeln verläuft von außen nach innen, die planare von unten nach oben.
Gefriertrocknung von Maltodextrinpartikeln (dunkel blau = Zuckermatrix; türkis = Eis): Die radiale Trocknungsfront in den Partikeln verläuft von außen nach innen, die planare von unten nach oben.
(Bild: W. Schürmann / TUM)

München – Wer kennt es nicht: Die Zeit am Morgen ist knapp, am Frühstückstisch muss es schnell gehen. Das Früchtemüsli wird in die Schale gekippt, ein paar Löffel Joghurt dazu, fertig. So manch einer ist hier vielleicht schon einmal ins Grübeln gekommen, weshalb genau die Himbeeren so frisch und lecker aussehen.

Die Technik, die das möglich macht, ist die Gefriertrocknung. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Technischen Universität München (TUM) und der Otto von Guericke Universität Magdeburg haben dieses Verfahren nun mithilfe von Neutronen genauer unter die Lupe genommen. Erstmalig gelang es ihnen so, den direkten Übergang von Eis zu Dampf bei der Gefriertrocknung von Partikeln experimentell zu beobachten.

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Warum sehen Himbeeren im Müsli so frisch und lecker aus?

Die Gefriertrocknung ist ein Verfahren, das vor allem in der Pharmazie und Lebensmittelbranche zum Einsatz kommt. Dabei werden wasserhaltige Objekte eingefroren und in einer Vakuumkammer platziert. Bei Unterdruck wird dann Wärme zugeführt, woraufhin das gefrorene Wasser sublimiert, also direkt von seinem festen in den gasförmigen Zustand übergeht. Zurück bleibt die entwässerte, unveränderte Struktur des Materials.

Aus diesem Grund sehen gefriergetrocknete Himbeeren aus wie frisch vom Strauch. Doch es kommt nicht nur auf die Optik an: Nahrungsmittel behalten ihren Geschmack und Medikamente werden haltbar gemacht, ohne ihre Wirksamkeit zu verlieren.

Erstautor Sebastian Gruber und Prof. Dr. Petra Foerst bei der Auswertung der Daten zur Untersuchung der Gefriertrocknung.
Erstautor Sebastian Gruber und Prof. Dr. Petra Foerst bei der Auswertung der Daten zur Untersuchung der Gefriertrocknung.
(Bild: Dr. Michael Schulz / TUM)

In der Literatur existieren theoretische Modelle über den Gefriertrocknungsprozess. Sebastian Gruber, Erstautor der Studie und Doktorand der Lebensmitteltechnologie an der TUM erklärt, dass bisher aber noch nie jemand experimentell überprüft hat, nach welchem Muster das Eis in Partikeln tatsächlich sublimiert. Genau dieser Sublimationsfront, also dem Bereich, in dem das Eis verdampft, gilt daher das Interesse der Forschenden.

Neutronen machen Eis sichtbar

Die Neutronen-Radiographie-Anlage Antares an der Garchinger Forschungs-Neutronenquelle bietet die idealen Voraussetzungen für das Experiment. Denn Neutronen machen Wasser sehr gut sichtbar. Antares eignet sich den Forschern zufolge außerdem besonders gut, Proben bei niedrigem Druck und tiefen Temperaturen, zu untersuchen.

Mit der Neutronenradio- und -tomographie und den daraus entstandenen 2D- und 3D-Bildern zeigen die Wissenschaftler, dass das Eis in den Partikeln ihrer Zuckerprobe sowohl radial sublimiert, als auch planar vom Boden in Richtung Schüttungsmitte.

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Ergebnisse helfen Zeit und Kosten zu sparen

Ziel der Wissenschaftler ist, die Forschung beim Gefriertrocknungsverfahren weiter voranzutreiben, um in Zukunft bessere Prozessbedingungen zu schaffen. Denn sind Partikelgröße, Druck oder Temperatur beim Sublimationsprozess nicht optimal aufeinander abgestimmt, kann es laut Gruber zu einem strukturellem Kollaps und damit zu Qualitäts- oder Wirkstoffverlust kommen.

Aktuell wirkt die Industrie diesen unerwünschten Phänomenen mit langsameren Trocknungsprozessen entgegen. Das nun experimentell bestätigte Verhalten der Sublimationsfront könnte daher dazu beitragen, diesen Zeitaufwand zu minimieren und damit Energie und Kosten sparen.

Originalpublikation: Estimation of the local sublimation front velocities from neutron radiography and tomography of particulate matter; S. Gruber, N. Vorhauer, M. Schulz, M. Hilmer, J. Peters, E. Tsotsas, P. Foerst; Chemical Engineering Science, 211, 16. Januar 2020, 115268

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