Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1509
Main Title: Dispergieren von Lipiden in Lebensmittelmatrizes durch Kaltextrusion
Translated Title: Dispersing of Lipids in Food Matrices by Cold Extrusion
Author(s): Walther, Göran
Advisor(s): Meuser, Friedrich
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das Ziel der Arbeit bestand darin, die wissenschaftlichen Grundlagen für das Verständnis des Dispergierens von in Emulsionen mikropartikulierter Lipide in Lebensmittelmatrizes zu schaffen. Die Aufgabenstellung ergab sich aus einem neuen Verfahren zur Mikroverkapselung, dessen Verfahrensablauf in drei Prozessstufen untergliedert ist. Diese bestehen im Emulgieren eines zu verkapselnden Lipids, dem Dispergieren der Emulsion in einer Le-bensmittelmatrix, die als Hüllmaterial für das mikropartikulierte Lipid und zur Aufnahme des Wasseranteils der Emulsion in die fluide, kontinuierliche Phase der Matrix dient, und der Trocknung der Dispersion zur Stabilisierung des in der Matrix als Mikrotropfen vorliegenden Lipids. Der Verfahrensablauf sieht die Anwendung eines gleichlaufenden Doppelschneckenextruders vor, mit dem die gebildete Emulsion im Hüllmaterial, der Lebensmittelmatrix, dispergiert wird. Dabei müssen kaltformbare und direkt schneidbare, teigartige Matrizes ent-stehen, um diese in Pellets schneiden und anschließend zu Öl-Mikrokapseln trocknen zu können. Zur Bearbeitung der Aufgabenstellung wurde die Arbeit auf die Untersuchung der physikalischen Stabilität der zu verkapselnden Öltropfen ausgerichtet. Dazu musste der Einfluss der Prozessparameter und der Matrixzusammensetzung auf die Mikroverkapselungseffektivität (ME) und die Ausbildung der inneren Struktur der pelletierten, ölhaltigen Extrudate untersucht werden. Als Modellsubstanz wurde Sonnenblumenöl eingesetzt. Es gelang mit Na-Caseinat als Emulgator konzentrierte Feinemulsionen mit mittleren Tropfendurchmessern von 0,5 µm bei einer Breite der Tropfengrößenverteilung von bis zu 0,8 µm herzustellen. Dieses Ergebnis wurde bereits bei 400 bar HDH-Druck nach 2 HDH-Durchläufen erreicht. Da beim Dispergieren ein Phasenübergang von der O/W-Emulsion in die fluide kontinuierliche Phase der Matrix eintritt, wurde untersucht, wie sich filmbildende Matrixbestandteile auf den Übergang des Wassers in die fluide kontinuierliche Phase der Matrix bei Erhalt der Öltropfen in der Emulsion auswirken. Als Filmbildner wurden Weizenquellstärke, Vitalgluten und Na-Caseinat eingesetzt. Es konnte gezeigt werden, dass die Erhöhung des Anteils der filmbildenden Substanzen von 30 auf 70 %, bezogen auf die Matrix, eine Erhöhung der ME zur Folge hatte. Unter den Filmbildnern erwies sich Na-Caseinat als am geeignetsten. Mit Na-Caseinat war es möglich, diskrete, formstabile Pellets in einer Größe < 1.000 µm herzustellen. Dabei zeigte sich, dass die ME als Maß für die Öltropfenstabilität vom Druck beim Extrudieren und vom Na-Caseinatanteil in der Matrix abhängt. ME-Werte > 95 % stellten sich bei 30 bar Extrusionsdruck ab einem Caseinatanteil von 60 % und bei 15 bar Extrusionsdruck bereits ab einem Caseinatanteil von 30 % ein. Damit war der Nachweis erbracht, dass es verfahrenstechnisch möglich ist, eine mit Na-Caseinat stabilisierte Emulsion bei Erhalt der Kapselstruktur der Öltropfen in eine Lebensmittelmatrix, die aus film- und strukturbildenden Bestandteilen besteht, durch Kaltextrusion einzuschließen. Die morphologische Struktur der Öltropfen veränderte sich weder beim Extrudieren noch beim anschließenden Trocknen der granulierten Extrudate im Luftstrom, so dass eine Mikrokapsel entstand, in der die Öltropfen sowohl im Mikro- als auch teilweise im Nanometerbereich vorlagen.
The aim of the work was to create the scientific basis for understanding how lipids which have been microparticulated in emulsions disperse in food matrices. The subject arose owing to a new three-stage microencapsulation process. The process stages are the emulsification of the lipid to be encapsulated, dispersal of the emulsion in a food matrix, which acts as the encapsulation material for the microparticulated lipid and absorbs the water in the emulsion in its fluid, continuous phase, and drying the dispersion to stabilize the lipid which is present in the matrix in the form of microdroplets. A co-rotating twin-screw extruder is used to disperse the emulsion in the encapsulation material (i.e. the food matrix). The matrices obtained must be dough-like as well as capable of being moulded when cold and readily cut into pellets which can then be dried to obtain oil microcapsules. The work focused on investigating the physical stability of the oil droplets which were to be encapsulated. To this end, the influence of the process parameters and the composition of the matrix on the effectiveness of the microencapsulation process had to be investigated as did the formation of the inner structure of the extrudate pellets containing the oil. Sun-flower oil was used as a model substance. Using sodium caseinate as an emulsifying agent, it was possible to produce concentrated fine emulsions containing droplets with a mean diameter of 0.5 µm and a breadth of the droplet size distribution of up to 0.8 µm. This was achieved after the emulsion had been homogenized twice in a high-pressure homogenizer at a pressure as low as 400 bar. As a phase transfer occurs from the oil/water emulsion to the fluid continuous phase of the matrix during dispersal, it was investigated how the film-forming components of the matrix affect the transfer of the water into the fluid, continuous phase of the matrix while the oil droplets are retained in the emulsion. Cold-swelling wheat starch, vital gluten and sodium caseinate were used as film-forming substances. It was demonstrated that the microencapsulation process became more effective when the proportion of film-forming substances in the matrix was increased from 30% to 70%. Sodium caseinate was shown to be the most effective of the film-forming substances. It was possible to produce discrete form-stable pellets less than 1,000 µm in size when sodium caseinate was used. It was shown that the effectiveness of the microencapsulation process as a measure of the stability of the oil droplets depends on the extrusion pressure and on the proportion of sodium caseinate in the matrix. Values greater than 95% for the effectiveness of the microencapsulation process were obtained for caseinate contents of 60 % or higher at an extrusion pressure of 30 bar and for caseinate contents as low as 30% at an extrusion pressure of 15 bar. It was therefore demonstrated that it is technically possible to enclose an emulsion stabilized with sodium caseinate in a food matrix comprising film- and structure-forming components by means of cold extrusion, while maintaining the capsule structure of the oil droplets. The morphological structure of the oil droplets did not change during extrusion or during the subsequent drying of the granulated extrudates in an air stream so that microcapsules were obtained in which the oil droplets were present both in the micrometer and nanometer range.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-14686
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1806
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1509
Exam Date: 11-Oct-2005
Issue Date: 9-Jan-2007
Date Available: 9-Jan-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Emulgieren
Extrusion
Functional Food
Lipide
Mikroverkapselung
Emulsifying
Extrusion
Functional Food
Lipids
Microencapsulation
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