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Main Title: Untersuchung des Einflusses von modifizierten Ballaststoffen auf die Produkteigenschaften der damit angereicherten direkt expandierten Extrudate auf Stärkebasis
Translated Title: Investigation of the influence of modified fibre on the product properties of direct expanded starch based extrudates
Author(s): Oberdörfer, Dieter
Advisor(s): Meuser, Friedrich
Referee(s): Knorr, Dietrich
Meuser, Friedrich
van Lengerich, Bernhard
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Die Entwicklung von direkt expandierten Produkten, welche über das bisher bekannte Maß an unlöslichen Ballaststoffen angereichert werden sollen, stellt sowohl eine technologische als auch eine wissenschaftliche Herausforderung dar. Die Erhöhung von unlöslichen Ballaststoffen in der Rezeptur dieser Produkte führt unter anderem zu Veränderungen ihrer morphologischen Struktur, welche als eine Verringerung ihrer Qualitätsmerkmale wahrgenommen wird. Dies resultiert aus unterschiedlichen Interaktionsmechanismen zwischen partikulären, unlöslichen Ballaststoffen und den anderen Stoffen in der extrudierten Masse. Anknüpfend an den aktuellen Stand der Forschung, wurden in dieser Arbeit die bisher nicht betrachteten Interaktionsmechanismen zwischen partikulären, unlöslichen Ballaststoffen und den anderen Stoffen in der extrudierten Masse untersucht und eine Methode entwickelt, mit welcher die Ballaststoffkonzentration in der Rezeptur direkt expandierter Produkte auf Stärkebasis erhöht werden kann, ohne dabei das Expansionsverhalten und die Porenstruktur dieser Produkte nachteilig zu verändern. Es wurde gezeigt, dass die Extrusions- und Expansioncharakteristika der Extrudate aus Weizenkleie und Weizenstärke neben der Konzentration der Kleie sowohl von dem Konkurrenzverhalten zwischen Weizenkleie und Stärke um Wasser in der plastifizierten Masse als auch von der Partikelgröße der Kleie beeinflusst werden .Durch Präkonditionierung der Weizenkleie mit Wasser wurde festgestellt, dass eine Verstärkung dieser Konkurrenz zu einer Erhöhung der spezifischen mechanischen Energieeinleitung (SME) in die extrudierte Masse und der Längenexpansion der Extrudate führt während die Flächenexpansion und der Porendurchmesser der Extrudate abnimmt. Feine Weizenkleie führt gegenüber grober außerdem zu einer leichten Zunahme der Flächenexpansion und Längenexpansion sowie zu einer Abnahme der Porengröße der Extrudate. Die Ursache für den letzteren Effekt ist in der Veränderung der Nukleation zu sehen, welche durch die Verringerung der Partikelgröße der Kleie verstärkt wird. Die Ergebnisse lassen erkennen, dass die Expansions direkt von der Größe Oberfläche der den Extrusionsmischungen beigefügten Weizenkleie abhängt. Daraus wurde die Hypthese abgeleitet, dass es durch eine Verkleinerung der Interaktionsfläche zwischen Ballaststoffpräparaten und der sie umgebenden plastifizierten Masse möglich sein sollte, die Extrusions- und Expansionscharakteristika gezielt zu beeinflussen. Eine Möglichkeit die Hypothese zu verifizieren wurde darin gesehen dafür wurde darin gesehen, die Oberfläche der Ballaststoffe in einer Extrusionsmischung vor der Zugabe zur Rezeptur durch Pelletierung zu verkleinern. Die Pelletierung der in der Untersuchung verwendeten Ballaststoffpräparate veränderte gegenüber ihrer Verwendung als unpelletierte Präparate sowohl die Extrusions- als auch die Expansionscharakteristika der Endprodukte signifikant . Die beobachteten deutlichen Veränderungen durch die Pelletierung belegen eine Verbesserung der Strukturmerkmale der Extrudate in Richtung auf nur mit Weizenmehl hergestellte Extrudate, die zum Vergleich hergestellt wurden. Diese Ergebnisse verifizierten die aufgestellte Hypothese, dass die spezifische Oberfläche der Ballaststoffpräparate die Extrusions- und Expansionscharakteristika entscheidend beeinflusst. Hinsichtlich der Größe des Einflusses kommt der s Stabilität der Pellets eine besondere Bedeutung zu, da deren möglicher Zerfall bei der Extrusion die spezifische Oberfläche der Ballaststoffe wieder vergrößert, so dass die durch die Pelletierung der Ballaststoffe entstehenden Vorteile wieder verloren gehen . Zur Untersuchung dieses Zusammenhangs wurde ein Messverfahren entwickelt, welches auf einer kolorimetrischen Messung des Zerfallgrades der Pellets (ZGP) basiert. Mit diesem Messverfahren ist es möglich, den ZGP in expandierten Produkten quantitativ zu bestimmen und diesen in Bezug zu den Extrusions- und Expansionscharakteristika dieser Produkte zu setzen. Es wurde eine funktionelle Beziehung zwischen dem ZGP und den Extrusions- sowie den Expansionscharakteristika der Extrudate festgestellt. Damit kann der Einfluss der Pelletierung und der ihr entgegengesetzte Einfluss des Pelletzerfalls auf die Extrusions- und Expansionscharakteristika quantitativ beschrieben werden.
The development of directly expanded products which are fortified with an amount of insoluble dietary fibre (IDF) preparations beyond the commonly utilized quantity is a big challenge from a technological and scientific point of view. The increase of IDF in the recipe of these products, leads amongst other things to the change of their morphological structure, which is perceived as a quality decrease of these products. This quality decrease results from different interactions between the insoluble fibre particles and the other components present in the extruded mass. According to the current state of art, this work deals with the investigation of interaction mechanisms between the IDF particles and the other components of starch based extrudates which were not reflected in the scientific literature so far. Based on this, a new method was developed which allows to increase the IDF concentration in the recipe of directly expanded starch matrices without detrimentally changing the morphological characteristics of the end products. It has been shown that the extrusion and expansion properties of the extrudates made from wheat bran as an IDF preparation and wheat starch, besides being dependent on the bran concentration, are influenced by the competition for water between the bran particles and starch in the plasticized mass and by the particle size of the bran. An increase of this competition, which was realized by preconditioning the wheat bran with water, led to an increase of the specific mechanical energy input (SME) and the longitudinal expansion .The sectional expansion and pore size of the extrudates decreased simultaneously. Finely ground wheat bran led, compared to course bran, to a slightly higher sectional and longitudinal expansion as well as to a decrease of the pore size of the expanded product. This latter effect was caused by an alteration of the nucleation which was enhanced by the particle size reduction of the wheat bran. The results further revealed that the expansion is directly dependent on the size of the surface area of the added wheat bran. These results allowed putting forward the hypothesis that it should be possible that by decreasing the interaction surface between the fibre particles and the plasticized extrusion mass, which surrounds them, to intentionally change the extrusion and expansion characteristics .A possibility to verify the hypothesis was seen in a surface reduction of the fibre particles by pelletizing them. The pelletizing of the IDF preparations used in this study had a significant influence on the extrusion and expansion characteristics of the extrudates. The observed changes were directed to improvements of the end poduct properties. Thus, it has been verified that the surface reduction of the fibre particles significantly influences the extrusion and expansion characteristics of the exrudates. With regard to the magnitude of this influence, the mechanical stability of the pellets during the extrusion process plays an important role in keeping the improved product properties. Disintegration of the pellets leads to an increase of the specific surface of the pellets which in turn diminishes the benefits gained by pelletizing the IDF preparations. In order to investigate the stability of the IDF pellets, an analytical method was developed which is based on a colorimetric determination of the degree of pellet disintegration (DPD). This method allows to evaluate the DPD in expanded products and is further linked to the extrusion and expansion characteristics of the end products. A functional dependence between the DPD and the expansion properties has been established which makes it possible to quantitatively differentiate between the influence of pelletizing and the opposite influence of pellet disintegration during the extrusion process on the extrusion and expansion characteristics.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus4-49587
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/4304
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-4007
Exam Date: 18-Nov-2013
Issue Date: 3-Apr-2014
Date Available: 3-Apr-2014
DDC Class: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften
Subject(s): Ballaststoffanreicherung
Ballaststoffe
Expansion
Cereals
Extrusion
Fiber
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