Ziel der Entwicklung

In der Lebensmittelindustrie wird mit Naturprodukten gearbeitet, die in ihrer natürlichen Zusammensetzung variieren können. Insbesondere in der Bäckerei ist Mehl der Hauptbestandteil aller Erzeugnisse. Das Handling sowie die jeweiligen Produktionsbedingungen wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur im Produktionsraum haben einen wesentlichen Einfluss auf die Rohstoffe. Bei der Herstellung von Backwaren werden die Zutaten durch das Einbringen von mechanischer Energie miteinander vermischt und zu einem homogenen Teig verknetet. Dabei findet eine Vielzahl chemischer und physikalischer Vorgänge statt, welche die finalen Eigenschaften und die Qualität des Teiges maßgeblich beeinflussen. Die rheologischen Eigenschaften der Teige können als ein Indikator der Teigqualität angesehen werden. Die meisten auf dem Markt befindlichen Analysemethoden zur Beurteilung der rheologischen Teigeigenschaften können jedoch nicht direkt an der Verarbeitungslinie in Form einer Inline-Messung durchgeführt werden, sodass in den meisten Fällen durch Fachpersonal eine haptische Beurteilung des Teiges durchgeführt wird und auf Basis von Erfahrungswerten die Prozesseinstellungen angepasst werden. Eventuelle Qualitätsschwankungen während eines kontinuierlichen Verarbeitungsprozesses werden nur unzureichend erfasst und resultieren in einer zeitlichen Verzögerung, um die Prozessparameter für die gewünschte Teigqualität anzupassen.
Die Zielstellung des Vorhabens war es daher, eine Methode auf Basis der dielektrischen Spektroskopie zu entwickeln, mit welcher die Teigqualität basierend auf dem Ausknetungsgrad und den damit verbundenen rheologischen Eigenschaften beurteilt werden kann. Die Bewertung sollte unter Berücksichtigung von Rezeptur- und Prozessparametern erfolgen, weshalb die Einflüsse der verschiedenen Faktoren im Rahmen des Vorhabens genau beleuchtet und statistisch ausgewertet werden sollten. Um die veränderten Messwerte einstufen zu können und die Dimensionen der aus der dielektrischen Spektroskopie ableitbaren Aussagen zu charakterisieren, wurde mit vielfältigen Referenzmethoden gearbeitet. Die zu entwickelnde Methode sollte zerstörungsfrei, inline anwendbar sein und begünstigende Prozessanpassungen ermöglichen.

Vorteile und Lösungen

Nach Festlegung eines Standardteigs wurden Referenzmethoden zur Charakterisierung der Teigeigenschaften definiert und angewendet. Darüber hinaus wurde die dielektrische Spektroskopie zur Messung der Permittivität eingesetzt und eine Handlungsempfehlung für die Durchführung der Messung und den Umgang mit der Probe zur Minimierung von externen Störgrößen ausgearbeitet. Nach der Identifizierung von Einflussfaktoren der Rezeptur und des Prozesses wurden diese systematische variiert und der Effekt auf die Permittivität sowie die weiteren gemessenen Teigeigenschaften wie Festigkeit, Dehnbarkeit und Dehnwiderstand statistisch ausgewertet und korreliert. Anschließend wurde die Übertragbarkeit auf andere Knetsysteme und Rohstoffe untersucht und eine abschließende Methodenentwicklung betrieben.
Die durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass die dielektrische Spektroskopie grundsätzlich zur Analyse von Teigen und als Tool zur Interpretation der Teigqualität geeignet ist. Die dielektrische Spektroskopie liefert Daten über einen Frequenzbereich in Echtzeit, die Messung kann inline durchgeführt werden und ist zerstörungsfrei für den Teig. Die identifizierten Zusammenhänge zwischen Permittivität, Rezeptur- und Prozessparametern bilden eine wichtige Grundlage für die Interpretation der Ergebnisse. Die Messmethode ist sehr sensibel und die zu untersuchende Matrix ein Naturprodukt. Folglich müssen Messungen mehrfach wiederholt und statistisch abgesichert werden.

Zielgruppe und Zielmarkt

In Deutschland gab es im Jahr 2020 10.181 Bäckereibetriebe von denen ein Betrieb des Bäckereihandwerks durchschnittlich einen Jahresumsatz von 1,4 Millionen Euro erwirtschaftete. Dabei wurden Produktionsmengen von rund 5,56 Millionen Tonnen frisches Brot und Brötchen erreicht. Auf dem Weg zur fertigen Backware, wird ein präzise getakteter Verarbeitungsprozess durchlaufen. Nachdem das Mehl mit weiteren Zutaten und Wasser vermischt und durch den Eintrag kinetischer Energie zu einem Teig verknetet wurde, folgen bis zum Backprozess verschiedene Teigverarbeitungsschritte. Die Teigqualität ist für einen reibungslosen Ablauf essentiell. Folglich kann die gesamte Backbranche als Zielmarkt der im Rahmen dieses Projektes etablierten Methode zur Beurteilung der Teigqualität angesehen werden. Vor der Ausgangssituation einer rein haptischen Beurteilung der Teige, kann aufgrund von Fachkräftemangel in der Backbranche und unvermeidlichen subjektiven und tagesabhängigen Schwankungen, eine gute Marktsituation ausgemacht werden, da genannte Differenzen durch die Anwendung der Methode kompensiert werden können. Darüber hinaus werden in größeren Betrieben von der Produktion entkoppelte Teiganalysen in Laboren durchgeführt. Bis zum aktuellen Zeitpunkt hat sich jedoch keine inline Methodik durchgesetzt. Durch eine mobile Messmethode, die an unterschiedlichen Stellen in die jeweilige Produktionslinie eingebettet werden kann und eine schnelle, qualitative Beurteilung anhand einer Kennzahl ermöglicht, werden neue Möglichkeiten in Bezug auf die Qualitätsbeurteilung von Teigen geschaffen.
Literaturrecherche zu dem Thema dielektrische Spektroskopie hat gezeigt, dass losgelöst vom Agrarsektor, wo das Messprinzip bereits Anwendung in Form der indirekten Bestimmung der Bodenfeuchte findet, auch in der Lebensmittelindustrie viel Entwicklung zu verzeichnen ist, Wirkzusammenhänge jedoch erst erschlossen werden müssen. Demzufolge besteht über die in Rahmen dieses Projektes gewonnen Erkenntnisse hinaus die Möglichkeit weitere lebensmittelindustrielle Märkte mit verwandten vernetzten Strukturen wie sie im Teig zu finden sind zu erschließen. Dabei wären die Vernetzungen von Proteinen bei der Formfleischherstellung oder der Entwicklung von Fleischersatzprodukten, aber auch die Strukturverbesserung von Panaden denkbar.