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Heraeus Noblelight
Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V.Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V.21. Detmolder Studientage21. Detmolder Studientage
12. – 14. Februar 2007 in Detmold
Irene Minguez & Klaus Lösche, BremerhavenIrene Minguez & Klaus Lösche, BremerhavenRudolf Lemke, KleinostheimRudolf Lemke, Kleinostheim
Haltbarmachungsverfahren
biologisch chemisch physikalisch
Sauerteig
Säuren,
Alkohol
Enzyme
Hemmstoffe
Konservierungs-stoffe
- Säuren
- Salze
- Gase
-UV-Strahlen
-IR-Strahlen
- γ-Strahlen
- Mirkowellen
Hitze / Kälte
- kühlen
- gefrieren
- pasteurisieren
- sterilisieren
aw-Wert-Senkung
- trocknen
- zuckern
- anders
Haltbarmachungsverfahren in der Bäckerei
Brottyp / Maßnahme
Ohne* „normal“
Pasteurisiert Sorbinsäure (0,12%)
Schutzgas Reinraum (prak.)
Toastbrot <4 15-20 11 mehrere Wochen
>12
Weizen-mischbrot
<4 15-20 dto. >12
Roggen-mischbrot
<5 15-20 11 dto. >15
Vollkornbrot <6 20-30 12 dto. >15
* je nach Temperatur (z. B. Sommer, Winter)
Verschiedene Schimmelschutzmaßnahmen im Vergleich (Haltbarkeit in Tagen)
Brottyp Ohne Konservierungsstoffe Sorbinsäure Asp Pen Krei Andere Asp Pen Krei Andere Roggenbrot X X X X Schrotbrot X X X X X X RM-Brot X X X X X WM-Brot X X X X X Toastbrot X Vierkornbrot X X X
Asp= Aspergillus, Pen= Penicillius, Krei= Kreideschimmel
Erreger und Vorkommen von Schimmelpilzen
Verarbeitung
Ungeziefer
Rohware
Fertigprodukt
Verpackungs-material
Abfall
GeräteAnlagen
Wasser
Kondens-wasser
Luft
Personal
AußenluftStaub
Fabrikations-räume
Betriebshygiene: Die Aufgaben der Hygiene sind Unterbindung der Infektionswege und Ausschaltung der Infektionsquellen
Abb.: Einfluss der Umgebungsbedingungen auf ein Fertigprodukt
Ofen
Kisten
Packtisch
Verpackungs-maschine
Portionieren von Hand
Schneide-maschine
Verpackungs- & Schneideraum
Brotlager(zwecks Kühlung) Raumluft
offene Durchgänge
verschmutzte Maschinen & Bauteile
Ölabstreifer
Transportband
Altbrotkörbe
Raumluft
Maschinenteile
Preßluft
Ventilatoren
Brotwagen
Transportkette
Kreismesser
Verfahrensschema für Schnittbrot mit möglichen mikrobiellen Kontaminationsmöglichkeiten
Mensch
UV-Umluft
Abb.: Herstellung von Schnittbrot (verpackt)
Ofen
Kühlstrecke
Schneiden
Verpacken
Pasteurisieren
Vertrieb
Kühlen
< 33 °C im Kern
z. B. 75°C im Kern 15 – 30 Min.
RaumluftRaumluft
(Kondensation)
Herstellung von pasteurisiertem Schnittbrot im Vergleich zu einer IR-Haltbarmachung
Abb.: Verfahrensschritte zur Herstellung von pasteurisierten und IR-entkeimten Schnittbrot
Ofen
Kühlstrecke
IR-Entkeimung
Schneiden
Verpacken
Vertrieb
< 20 Sek. (4-8 Sek) 130°C bei Toast 160°C bei Körnerbrot
Einflussfaktoren auf Entkeimungseffekte
Produkt Verfahren, AnlageMikroorganismus
Keimzahl
Keimflora
Physiolog. Stadium
Toxinbildung
Allergen-Genese
Resistenz
Enzymbildung
Wassergehalt
rel. Feuchte
pH-Wert
Temperatur
Säuremilieu
Alkoholgehalt
Konservierungsstoffe
Zuckergehalt
Fettverteilung
Thermisch (Pasteurisation u.a.)
Mechanisch (Filter u. a. )
Elektromagnetisch
Konstruktion, Gestaltung
Kontinuierlich
Diskontinuierlich
Electromagnetic disinfection processes
Verfahren Bedingungen
• Mikrowellenerhitzung 2,45 GHz
• Ohm´sches Erhitzen - konduktiv; - induktiv
220 V, 50 Hz-150 kHz
• Gammastrahlen < 5 Mev, < 10 kGy
• Elektronenstrahlen max. 10 Mev
• Plasmaentkeimung
• UV-Strahlen 100 – 400 nm, UV-C-Bereich: 200-280nm
• IR-Strahlen 10-100 kW/m2 (100-1500°C)
• Pulsierende elektrische Felder (HH-PEF)
25-25 kV (cm, 20-50 Impulse a 100µS
• Hochintensitätslicht 200-800 nm, 0,5-2J/cm2 (ca. 20000 fache Sonnenintensität auf Normalhöhe
• Ultraschall < 2,5 MHz, 10-1000 W / cm2
StrahlerDurchmesserbeheizte LängeFilamenttemperaturWellenlängeLeistungsdichteFlächenleistung max.BesonderheitReaktionszeit
Versuchsaufbau und Materialien
Quarzglas19 mm1500 mm1200 ° C2 µm40 W/cm60 kW /m2Goldreflektor1 - 2 s
Carbon-Infrarotstrahler CRS Heraeus
Noblelight
Entkeimen von Brot vor dem Verpacken
ZIELE: ZIELE:
• Desinfektion der Brotoberflächen durch IR-Licht (kontaminiert)
• Keine Beeinträchtigung der Produkt-Qualitätsmerkmale: kein
Abplatzen, kein Splittern, keine Farb- und Geruchsveränderung,
usw.
• Maximale Prozess-Zeit = 5 - 20 Sekunden!
Ausgangssituation und Zielvorgaben
Test Brot 1Toastbrot
Test Brot 2Mehrkornbrot
Versuchsaufbau und Materialien
Versuchsaufbau und Materialien
Pyrometer
Steuerung
Strahler
Backware
• Aspergillus niger: in Brotoberflächen vorhanden ~ 8%
• Wissenschaftliche Studien zeigen, dass in der Regel die Brotoberfläche mit 102 kbE/g kontaminiert sind
• Beimpfen von Brot mit einer künstlichen Kontamination von 105 kbE/g
Model organismus A. niger
A. niger Brotoberflächen:Aufheiz-/Abkühlkurve
(Pyrometer)
Abtötungseffekt:log (No/N)
Brot Kontamination Infrarotbestrahlung (Pilotanlage HERAEUS)
Aufarbeitung und Keimzahlbestimmung
kbE (Kolonie bildende Einheiten)
150°C
100°C
time (Sec)
20
Temp.
Versuchsdurchführung – schematische Darstellung
Toast 100 µl Toast 200 µl
Inokulum 1000 µl = 1 ml
Abb.: Experiment, um das Inokulum Volumen festzustellen.
Versuchsaufbau und Materialien
Einfluss des Abstandes zwischen Brot und IR-Lampen
Abb.-Temperatur- Zeit Profil als Funktion des Abstandes zwischen der Brotoberfläche und den IR Lampen
Toastbrot, L=60%
0
20
40
60
80
100
120
140
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
time (s)
T (°C
) 10 cm20 cm30 cm
Toastbrot: Einfluss einer IR-Leistung
Abb.: Temperatur- Zeit Profil als Funktion der Leistung der IR-Strahler (2)
Toast, Verschiedene Leistungen und 15 s. Einwirkungszeit (10 s für L=55%)
020406080
100120140160180200220240260280300
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
t (s)
T (°C
)
L= 45 %
L= 47,5 %
L= 50 %
L= 55 %
L= 42,5 %
Abstand zwischen Brot und Lampe 5 cm
Mehrkornbrot: Einfluss einer IR-Leistung
Abb.: Temperatur- Zeit Profil als Funktion der Leistung der IR-Strahler (2)
Mehrkorn; Verschiedene Leistungen und Einwirkungzeiten
0
2040
6080
100
120140
160180
200
220240
260280
300
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
t (s)
T (°C
)
L= 40 %
L= 45 %
L= 50 %
L= 55 %
L= 60 %
Abstand zwischen Brot und Lampe 5 cm
Modellierung Ergebnisse
AV:Log-kbE (Toastbrot): Log10(v5)
(Keimzahlreduktion)
Abb.: Einfluss der Strahlerleistung und der Temperatur auf die Abtötung von A. niger
kbE = ß0 + ß1L +ß2 t
KbE: Kolonien bildende EinheitenL: Leistung der IR-Bestrahlung (%)t: Zeit (s)
Leistung und Zeit: geringe Interaktion Effekt von Leistung und Zeit so groß, dass Interaktion vernachlässigbar
Modellierung der Toast Entkeimung
Abb.: Interaktion der Prozessparameter auf die Reduzierung von A.niger
Optimierte Parameter (Toastbrot)
Optimierung der Prozessparameter
Erwünschtheits Kontur: geringe Keimzahl
oder bei L=80% 5
Sekunden!
100 % optimiert
20 % optimiert
• Abstand:Je geringer, desto schneller der Energietransport
• Temperatur:Je höher, desto besser die Abtötung derMikroorganismen
• Zeit (tR):Je länger, desto besser gelingt die EntkeimungJedoch: die Zeit ist auf <5-20 Sekunden begrenzt
• Strahlerleistung:Je höher, desto schneller ist der TemperaturanstiegJedoch: Einwirkungszeit kürzer
Einfluss- Faktoren der Entkeimung
Lagertest
Schneiden
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
IR Behandlung
Brot Kontamination, 105 kbE
Schneiden
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
Schneiden
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
Verpacken
Lagerung 30°C, 70%
IR Behandlung
IR
A niger A niger
IR IR
A niger: 105 kbE
= = =
Abb.: Unterschiedliche Behandlung von Schnittbrote: mit und ohne IR-Behandlung
Tage 1 2 3 4 5 6 7 81a 0 0 0 0 0 0 0 +1b 0 0 0 0 0 1 2 2
1c 0 0 0 0 0 2 2 +
1d 0 0 0 0 1 1 + +
2a 0 0 0 0 0 0 0 02b 0 0 0 0 0 0 0 02c 0 0 0 0 0 0 + +
2d 0 0 0 0 0 0 0 03a 0 0 0 0 0 0 0 03b 0 0 0 0 0 0 0 03c 0 0 0 0 0 0 1 1
3d 0 0 0 0 0 0 0 0
IR
A niger
A niger
IR
Abb.: Mikrobieller Befall während einer Lagerung: 1) Keine Beimpfung, keine IR-Behandlung 2) Keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, 3) Mit Beimpfung, mit IR-Behandlung. Muster a+b) geschnitten und verpackt , c+d) nur Verpackung .
IR
A niger: 105 kbE
Lagertest - Toastbrot
Lager-bedingungen:T = 30°Crel. Feuchte: 70 %verpackt
Abb.: Toastbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen, Links: keine Beimpfung, keine Behandlung, Mitte: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, Rechts: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung
IR
A niger A niger
IRIR
A niger: 105 kbE
Lagertest - Toastbrot
IR
A niger
IR
A niger: 105 kbE
Abb.: Toastbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen:Oben: keine Beimpfung, keine IR-Behandlung, Unten: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung
Lagertest - Toast
IR
A niger A niger
IRIR
A niger: 105 kbE
Abb.: Mehrkornbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen: Links: keine Beimpfung, keine Behandlung, Mitte: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, Rechts: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung
Lagertest - Mehrkornbrot
IR
A niger
A niger
IR
Abb.: Mehrkornbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen: Oben: keine Beimpfung, keine Behandlung, Unten: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung,
Lagertest - Mehrkornbrot
Elektromagnetische Wellen
Backware
Zeit
Strahler
A. N
iger
(Sch
imm
el)
kontaminiert dekontaminiert
Schimmelreduktion durch IR-Strahlung
Abb. Einfluss einer IR-Bestrahlung auf die Dekontamination von Backwaren (Schema)
Ergebnisse: Toast: 130°CMehrkorn: 160/170°C Zeit: 5-8 Sekunden
Oberflächentemperat
ur
Problematik: Oberflächenstruktur, Farbe und Reflektion bei Brot
IR-Tunnel zur kontinuierlichen Entkeimung von Brot vor dem Schneiden (Fa. Herlitzius)
Abb.: IR-Entkeimung von Stangenbrot
Anlage zur kontinuierlichen IR-Entkeimung von Schnittbrot (Fa. Herlitzius)
Abb.: Apparative Lösung einer kontinuierlichen IR-Entkeimung für Stangenbrot
Hürdenkonzept
Abb.: Einfluss der Betriebshygiene auf die mikrobielle Haltbarkeit von Schnittbrot (Schema)
gute Haltbarke
itverpacken
pasteuri-sierenschneidenkühlenbacken
schneiden verpacken
IR-Bestrahlungkühlenbacken
MO= Mikroorganismen
(Schimmel)
begrenzt
e Haltbarke
it
Fall A: Problem Betriebshygiene
Fall B: IR-Entkeimung: kein integrierter Faktor einer Betriebshygiene
Keimgehalt in Schneidölen und im Bereich der Brotschneidemaschinen (4)
Probeentnahmestelle Keimzahl (kbE)Schneidöl aus Sammel- und VorratsbehälterSchneidöl, FilterglockeBrotabrieb, ÖlsiebBrotabrieb, MesserAbstreiffilzÖlabstreifer
100 Schimmelpilzporen / ml6000 Hefen / ml> 106 / ml1,7 x 106 Schimmelpilzsporen / ml1,4 x 104 / g12 / cm2
5 / cm2
Die Tabelle gibt einen Überblick, wie hoch die Keimzahlen liegen können. Durch Anwendung von Kühlgas kann der Einsatz von Messeröl vermindert werden und die Ölrückführung entfallen.
Hürdenkonzept
schneiden verpacken
IR-Bestrahlungkühlenbacken
sehr gute Haltbarkeit
Abb.: Einfluss der Betriebshygiene bei Anwendung einer IR-Entkeimung von Brot als integraler Faktor eines „Hygiene-Management“-Konzeptes
Fall C: IR-Entkeimung als integraler Bestandteil eines betrieblichen Hygiene-Konzeptes
IR-Entkeimung kann Pasteurisation ersetzenIR-Entkeimung kann Pasteurisation ersetzen
•Die IR-Behandlung ist ein hoch effizienter thermischer Desinfektionsprozess für Brotoberflächen, der in Bäckereien zur Hemmung von Schimmelkontamination eingesetzt werden kann, um die Lagerstabilität von Brot zu erhöhen.
•Eine IR-Behandlung von Schnittbroten kann einfach und kontinuierlich im Betrieb umgesetzt werden.
•Eine IR-Entkeimung kann eine nachfolgende Kontamination (Luftkeime, Schneiden, Verpacken) nicht verhindern.
•Eine IR-Entkeimung ist nur so gut wie das Hygiene-Management im Betrieb selbst.
•Die Überlebensrate von A.niger steht in direktem Zusammenhang mit der Temperatur, die auf der Brotoberfläche erreicht wird, sowie der Verweilzeit unter den IR-Lampen.
•Eine Beimpfung von Toastbrot mit 105 Sporen, kann in weniger als 20 sec. komplett reduziert werden bei einem Abstand zwischen Brotoberfläche und Lampen von 10 cm.
•Ein Körnerbrot benötigt einen geringeren Abstand (5 cm) und höhere Temperaturen (180°C) um eine komplette Entkeimung zu realisieren.
•Eine IR-Entkeimung kann in sehr kurzer Zeit sehr hohe Temperaturen erzielen. Lt. Literatur können diese Temperaturen Mycotoxine eliminieren.
•Die IR-Strahlung durchdringt das Material und erreicht deshalb mehrere Schichten, so dass Körnerbrot oder Brote mit unregelmäßigen Oberflächen ebenfalls desinfiziert werden können.
•IR-Module können leicht installiert und in den meisten Produktionslinien eingeführt werden.
Zusammenfassung und Schlussfolgerung
-Thomas Park (Dipl. Ing.)-Iris Auffarth (Laborantin)- Studenten:
-Paul Zimmermann-Nadine Helm
Danksagung
Für weitere Informationen, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung:
Irene Mínguez PablosIrene Mínguez Pablos Rudolf LembkeRudolf Lembke
Tel: +49-(0)-471-972 97 13 Tel: +49-(0)6181-358541
minguez@ttz-bremerhaven.de rudolf.lembke@heraeus.com
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Heraeus Noblelight
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