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

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