Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1710
Main Title: Ermittlung funktioneller und materialwissenschaftlicher Kennwerte von ausgewählten Honigsorten
Translated Title: Determination of functional and material scientific behavior of selected honey types
Author(s): Smanalieva, Jamila
Advisor(s): Senge, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Das uralte Naturprodukt - Honig - kann aus materialwissenschaftlicher Sicht als hochviskose übersättigte multi-komponente Saccharidlösung angesehen werden, wobei der Glucoseanteil im Honig das Kristallisationsverhalten wesentlich bestimmt. Daneben spielen aber auch andere Saccharide, der Wassergehalt, Pollen und Luftblasen als Kristallisationskeime eine Rolle. Aufgrund spezifischer Unterschiede im Saccharidspektrum besitzt jede Honigsorte ein charakteristisches Kristallisationsverhalten. Rheologische Untersuchungen in Verbindung mit der DSC-Analyse (Differential Scanning Calorimetry) eröffnen weitere analytische Einblicke in das Kristallisationsverhalten des Honigs im Bearbeitungsprozess und ermöglichen die Erfassung materialwissenschaftlicher Eigenschaften. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung, Temperatur, Zeit u. a. Parametern wurden die materialwissenschaftlichen Kennwerte von 6 Sortenhonigen (insgesamt 43 Proben), wie Robinien-, Linden-, Sonnenblumen-, Kornblumen-, Heide- und Rapshonig und 13 kommerziellen Honigen ermittelt. Für Honige wurde temperaturabhängig die Gültigkeit der rheologischen Zustandsgleichungen von HERSCHEL-BULKLEY, OSTWALD-De WAELE und NEWTON nachgewiesen. Die Viskositätsdaten als effektive und dynamische Viskosität bzw. als Konsistenzfaktor wurden bestimmt und liegen sortenabhängig als Richtwerte vor. Hochstrukturierte (kristalline) Honige besitzen alle rheologischen Anomalien (Strukturviskosität, Fließgrenze, rheodynamisches Verhalten) und können mittels effektiver Viskosität beschrieben werden. Die Temperaturabhängigkeit der Viskosität wurde im Temperaturbereich von 10 °C bis 50 °C für alle Honigsorten untersucht. Dabei stellt die Viskosität für Impuls-, Energie-, Stofftransportprozesse eine limitierende Größe dar. Die ingenieurtechnischen Stoffkennwerte wurden zusammengestellt. Moderne Oszillationsmessungen dienen der Ermittlung des nativen Strukturierungszustandes des Honigs. Genutzt werden die dynamischen Moduli: Speichermodul G', Verlustmodul G'' und der Verlustfaktor tan in den Versuchsanstellungen Temperatur- und Frequenz-Sweep. Am Beispiel von Temperatur-Sweepmessungen können generelle Gemeinsamkeiten und Unterschiede bezüglich der Mischphasenumwandlungsvorgänge zwischen den Sortenhonigen nachgewiesen werden. Generell gilt, dass im Temperaturbereich von 0 °C bis 75 °C der G'' als Indikator für das viskose Verhalten oberhalb des G' liegt und Honig ein dominant flüssiges System darstellt. Eine Ausnahme stellt der Heidehonig dar. Aufgrund des im Vergleich zu anderen Sortenhonigen erhöhten Proteingehaltes liegt nach Erwärmung eine viskoelastische Struktur mit G’ > G’’, also dominante Festkörpereigenschaften vor. Oszillationsmessungen ermöglichen die Erfassung des sortenabhängigen Kristallisations- und Schmelzvorganges im Mischphasensystem – Honig. DSC-Untersuchungen bestätigen als endotherme Reaktionen den sortenabhängigen Wärmeverbrauch interner Kristallumwandlungsvorgänge. Der Wärmeverbrauch korreliert mit dem Kristallisationszustand der Honige und besitzt ein Maximum bei intensiv kristallisierendem Raps- und Sonnenblumenhonig. Aus der DSC-Kurve kann die spezifische Wärmekapazität der einphasigen Honigproben sowie die Phasenumwandlungsenthalpie abgeleitet werden.Eine besondere Bedeutung besitzt die Herstellung cremigen Honigs durch kombinierte Anwendung von Wärme- und mechanischer Energie. Der gezielte Kristallisationsvorgang wurde anhand der rheologischen Parameter des Honigs im kleintechnischen Maßstab prozessbegleitend untersucht. Ausgewählt wurde der Rührprozess mit vorhergehendem Erwärmungsprozess zur Verflüssigung. Die stattfindenden Konsistenzänderungen wurden temperatur- und schergeschwindigkeitsabhängig bestimmt. Am Beispiel der Erwärmung des Honigs im Gebinde wurde die instationäre Aufheizkurve T (t) ermittelt und mit thermokalorischen Kennwerten korreliert. Vorschläge zur Optimierung der Prozesstechnik und Technologieführung wurden abgeleitet. Aufgrund der bestimmten Stoffkennwerte muss die Honigbearbeitung als Extremtechnologie eingestuft werden.
Honey, the oldest sweetener known to man, from the perspective of material science is a highly viscous, supersaturated and multi-component carbohydrate solution. Its crystallization behavior is mainly determined by its glucose content, but other factors also play a role. These include additional carbohydrates, moisture content, and seed crystals such as pollen and air bubbles. Due to specific differences in the carbohydrate spectrum, every honey type has its own characteristic crystallization behavior. Rheological analysis joint with DSC (Differential Scanning Calorimetry) provides further analytical insights into the crystallization behavior of honey in the processing and allows for the evaluation of material scientific properties. The material scientific characteristics of 6 unifloral honey types (together 43 samples), including acacia, lime, sunflower, cornflower, heather, and rape honey, as well as 13 commercial honeys were analyzed in dependence of composition, temperature, time and other relevant parameters. The validity of the constitutive rheological equations by Herschel-Bulkley, Ostwald-DeWaele and Newton was confirmed for varying temperatures. The viscosity values, including effective and dynamic viscosity and the consistency factor were determined. They can be used as reference values for each type of honey. Highly structured (crystalline) honeys exhibited all rheological anomalies (shear thinning, yield point and rheodynamic behavior) and can be described by their effective viscosity. Viscosity was examined for all honey types in the temperature range from 10 °C to 50 °C. It is an important parameter for impulse, energy, and mass transport processes. The material characteristics that are required for technological processing were compiled. Modern oscillation measurements were used to determine the native structure of honey. The dynamic modules, i.e. storage modulus G’, loss modulus G’’, and the loss factor tan δ were used in temperature- and frequency-sweeps. General similarities and differences of the mixed phase change between the unifloral honey types could be observed in the temperature-sweep measurements. Most honeys, honey showed mainly liquid-like properties within the temperature range of 0 °C to 75 °C, with loss modulus G’’, an indicator to describe viscous behavior, always being higher than storage modulus G’. Heather honey represented an exception to this rule. Because of its comparatively high protein content, heating of this honey type led to viscoelastic behavior with G’ > G’’, meaning solid-like properties. Oscillation measurements showed that crystallization and melting processes in the mixed phase system are dependent on the botanic origin of honey. DSC analysis confirmed that heat consumption as endothermic reaction during melting is type-specific. The enthalpy showed a good correlation with the crystalline state of the honey, and the fast crystallizing rape honey gave the maximum enthalpy value. Specific heat capacity values of one-phased honey samples were calculated from the DSC curves. The production of honey with creamy consistency through the combined uses of heat and mechanical energy is of great practical importance. Rheological behavior of honey was continuously measured during the targeted crystallization process on a small technical scale. The process involved a heating stage, followed by agitation, and resulted in honey of creamy consistency. The changes of texture were examined in dependence of temperature and shear rate. The transient heating curve T(t) was determined and correlated with the thermal properties. Suggestions for the optimization of machinery and technological process were given. Due to the specific material characteristics of honey, its processing has to be classified as an extreme technology.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-16758
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/2007
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1710
Exam Date: 25-Oct-2007
Issue Date: 21-Nov-2007
Date Available: 21-Nov-2007
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): DSC-Analyse
Honig
Kristallisation
Rheologie
Crystallization
DSC-Analyse
Honey
Rheology
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