Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover

1. Backforum Hannover Führerschein Backtechnologie 19. - 21. Juni 2012, Hannover Tiefgefrieren von Teig und Gebäck Baustein B: Kältetechnologie

2. SchematischeDarstellungeinerTiekühlkostkette Hersteller-Kühlhauskälter als -24°C Transport(Isoliersystem) Zentralkühlhaus(Großhandelslager) -25°C bis -23°C Transport(Isoliersystem) Auslieferungslager (Depot)-23°C bis -20°C Transport(Isoliersystem) Einzelhandel-18°C Haushalt -18°C Kunde

3. Schematische Herstellung vorgegart, gefrosteter Teiglinge Brötchenteige herstellen verschiedene Arbeitsschritte Gären +35°C, 72% rel. Feuchte Schockfroster -35°C, -7°C, Kerntemperatur verpacken, PE-Beutel, Karton Gefrieranlage -22°C Transport „Bake-off-station“ TK-Depot: -20°C Backen im Laden mit Spezialöfen und integrierten PC-gesteuerten Programm Backprogramm Direktverkauf und -verzehr

4. Schematische Herstellung vorgegart, gefrosteter Teiglinge ZUTATEN(Zusatzstoffe) KNETPROZESSTeigtemperatur: 25-27° C TEIGRUHE / STÜCKGARE30-35° C; 70 – 80% r. F. TIEFKÜHLUNG (-30 bis –40° C)0,03 m/h; (ca. 30 – 40 min. ca. -7° C im Kern) verpacken LAGERUNG (-18 bis –20° C)Tage, Wochen, Monate AUFTAUEN15 min. bei RT BACKENspezielles Backprogramm

5. Konventionelle Kälte (Kältemaschine), (siehe oben und unten) Schockgefrieren Tiefkühllagerzellen spezifische Anlagen andere Cryogene Gase (siehe unten) LCO2 (Liquid CO2) LN2(Liquid Nitrogen) (z. T. fl. Luft) anderes Adsorptionstechnologie Verdampfung von Wasser im Vakuum durch Zeolithe (siehe un­ten), „Vakuum-Enthalpie-Kühlung“ (siehe unten) anderes UnterschiedlicheKühlverfahren

6. Kältetechnik T100°C 1 mol H2OP = 1 bar Verdampfungswärme Schmelzwärme 0°C Wärmezufuhr (J) 200 800

7. WassergehalteinigerwichtigerLebensmittel(bezogen auf das Gesamtgewicht)

8. Temperaturen des GefrierbeginnsverschiedenerLebensmittel

9. AusbildungeinesKristallgefügesnachTamman N V N V ϑ2 ϑ3 Temperatur ϑ1 N = Keimbildungsgeschwindigkeit V = Kristallwachstumsgeschwindigkeit

10. Temperaturverlauf beim Gefrieren +30+15 +0-15 -30 Temperatur (°C) A B C S S D 0 0,5 1,0 1,5 2,0Zeit (h) Quelle: Heiss, B., Eichner, K.: Haltbarmachen von Lebensmitteln, Springer (Berlin, 1984) Temperaturverlauf bei unterschiedlichen Gefriergeschwindigkeiten (langsam, schnell, superschnell). A Anfangszustand S Unterkühlung B Gefrierpunkt D eutektischer Punkt. Im Temperaturintervall B-C kristallisiert der Hauptteil des Wassers im Lebensmittel

11. Kerntemperaturverlauf während des Tiefgefrierens und Auftauens Abb.: Kerntemperaturverlauf während des Tiefgefrierens (links) und Auftauens (rechts) bei grünen und vorgegarten Teiglingen (65 g) (Lagerzeit: keine).

12. To Refrigerate (+4 until +8°C) Slow down the development of micro organisms bio-chemical degradation reactions Heat Heat Water/brine Ambient air MoistureSolutes Moisture Food Food Air cooling Hydro cooling What happens in a non-packaged product Quelle: Fikin, 2003

13. To freeze (-18 to -40 °C) Gefrieren schnelles Gefrieren kleine Eiskristalle langsames Gefrieren große Eiskristalle Zerstörung der Zellwand Auftauen Zellwand intakt Zellwand ist desintegriert • Decrease the temperature below -18 C in a few minutes, the quickest possible. • Stop food degradation reactions • Prevent the development of micro organisms • Long time of conservation Quelle: Fikin, 2003

14. Cell damage during freezing Zellmembrane Zelle • high solute concentration (low aw) • membrane shrinkage and damage • intracellular ice (?) Originalzelle EiskristallWasserflux Nach der Eiskristallbildung Nach der intrazellulären Kristallbildung Nach der intrazellulären Kristallbildung & Osmose(Zythorryse)

15. Gefrieren von komplexen Systemen (Lebensmittel) Lebensmittel sind einphasige (Wasser etc.), zweiphasige (fest, flüssig) oder mehrphasige Systeme (fest, flüssig, gasförmig): Konduktiver Wärmetransport überwiegt bei ein- oder zweiphasigen Systemen, konvektiver z. B. bei gasdurchsetzten Systemen; beschleunigter Wärmetransport beim Auftauen poröser Körper durch Wärmerohreffekt

16. Wärmetransport in porösen und nicht-porösen Lebensmitteln Temperatur +30 °C 0°C -30 °C Nicht gasdurchsetztes Produkt (zweiphasiges System) (Fleisch, Früchte, Teigwaren) Gasdurchsetztes Produkt (dreiphasiges System, poröse Körper) (gegorener Teigling, Backwaren) Zeit Einfluss von Porosität auf den Wärmetransport beim Kühlen, Gefrieren und Tiefgefrieren von verschiedenen Lebensmitteln (schematisch)

17. Kerntemperaturverlauf von grünen (nicht-porösen) und vorgegarten (porösen) TK-Teiglingen Abb.: Kerntemperaturverlauf von grünen und vorgegarten TK-Teiglingen (65g Weizenteig) während des Abbackens (ohne Auftauen) Backtemperatur (konst.) = 200°C, (AEROMAT, Fa. MIWE).TK-Lagerung bei –18°C und 48h

18. konduktiv (Wärmeleitung) konvektiv (Wärmeströmung) Wärmestrahlung (IR:0,8 …. 15 µm) (strahlende Körper sind u. a. Werkstoffe aber auch Wasser oder CO2) Wärmeübergang bei Ändern des Aggregatzustandes z. B. Verdampfen, Kondensieren (Verdampfungsenthalpie, Kondensationsenthalpie) Arten des Wärmetransportes

19. Wärmeleitzahlen (Lambdazahl) verschiedener Materialien

20. Wärmerohr-Prinzip (schematisch, vereinfacht) Abb.: Wärmerohr-Prinzip (schematisch, vereinfacht) Schematische Darstellung des Wärmetransportes an einer gefrorenen Teigpore: Wärme heizt zunächst eine Fläche einer gefrorenen Pore auf (Wärmeleitung durch Matrix). Die Wärme wird u. a. konvektiv an die gegenüberliegende (noch gefrorene) Fläche der Pore abgekühlt. Es findet Kondensation statt (Tröpfchen-Kondensation, Taupunkt-Überschreitung). Die freiwerdende Konduktionswärme wird u. a. durch das Kapillar- oder Porensystem im Teig transportiert (kovektiv, konduktiv) und unterstützt u. a. die Hauptwärmequelle . Es resultiert ein synergistisch sich steigernder Wärme- und Stofftransport, der vor allem und z. B. bei porösen Körpern zu stark beschleunigten Auftauraten führt.

21. Physikalische Eigenschaften von Wasser und Eis

22. Gefrieren komplexer Systeme (Lebensmittel) Ethylen Synthese Amino Vinyl Glycinoder Silberionen hemmen die ACC-Synthase Methionin S-Adenosylmethionin Diese Enzyme zeigen Aktivitätszunahme bei Reifungsbeginn ACC-Synthase (ACC)ACC-Oxidase 1-Aminocyclopropan-1-carboxylsäure Ethylen (C2H4) z. B. Expression der Gene zur Reifung bei der Tomate oder Wurzelhaarbildung in Arabidopsis Begrenzendes Element ist die ACC-Synthase, deren Transkription wird durch Auxin stimuliertBeispiel: Fruchtboden der Erdbeere Rezeptor Lebensmittel sind hormonell / enzymaktive Systeme (z. B. Früchte) • Primärwandstabilisierung: Aktivierung der fruchteigenen Peroxidase • Mittellamellenstabilisierung durch fruchteigenen oder mikrobieller Pektinesterasen (z.B. vor oder nach dem Gefrieren) • Retardierung / Stopp des endogenen Metabolismus direkt nach der Ernte (vor dem Gefrieren) • anderes (nach GriersonandCovey 1988)

23. Festigkeit von gefrorenen verarbeiteten Sauerkirschen (Extrusionstest) Kraft Fmax (N) (Wochen)(°C) (ppm) Kühllagerung Vorerhitzung Calcium Quelle: K. Lösche (Hrsg.): Enzyme in der Lebensmitteltechnologie, Behr`s Verlag, Hamburg, 2003

24. ICE / Wassereis • Forms when exactly 4 H-bonds are formed between water molecules • 2.78 A vs. 2.85 A in liquid • To get this order a lot of energy needs to be adsorbed by the environment • The strong H-bonding in ice forms an orderly hexagonal crystal lattice • 6 H2O molecules • Has 4X more thermal conductivity than water at same temperature

25. Crystallization Crystal growth occurs at freezing point Rate of crystal growth decreases with decreasing temperature Solutes slow ice crystal growth Nucleation - affects ice crystal size. Slow freezing results in few nucleation sites and large, coarse crystals Fast freezing results in many nucleation sites and small, fine crystals Heterogeneous nucleation usually caused by a foreign particle, such as salt, protein, fat, etc. Homogeneous nucleation very rare, mainly occurs in pure systems PROPERTIES OF ICE (1/2)

26. SUPERCOOLING Water can be cooled to temperatures below its freezing point without crystallization When an ice crystal is added to supercooled water, temperature increases and ice formation occurs PROPERTIES OF ICE (2/2)

27. LIQUID WATER • Extensively H-bonded • H-bond formation dependent on T • With increasing T get more mobility and increased fluidity

28. EFFECT OF SOLUTES ON WATER (1/2) Boiling point • Vapor pressure is equal to atmospheric pressure • Strongly influenced by water - solute interaction • Solutes decrease vapor pressure and thus increase boiling point • Sucrose  +0.52ºC/mol • NaCl  +1.04ºC/mol ATMOSPHERIC PRESSURE VAPOR PRESSURE

29. EFFECT OF SOLUTES ON WATER (2/2) Freezing point lowering • Freezing point can get extensive depression via solutes • Alter ability of water to form crystals due to H-bond disruption • Sucrose  -1.86ºC/mol • NaCl  -3.72ºC/mol • Eutectic pt - temp. • Where “all” water is frozen - usually around -50ºC • In most cases small amounts of water remains unfrozen (-20ºC) • These small patches of water can promote chemical reactions and damage

30. Gefrieren von komplexen Systemen (Lebensmittel) Freezing Point Depression State Diagram-Sucrose Gefrierpunktsenkung beeinflusst Gefrierrate, die Qualität der Lebensmittel und mehr… Kleine Moleküle wie Salz und Zucker senken primär den Gefrierpunkt Einsatz von „Anti-Freeze“-Proteinen führt zur Gefrierpunkts-Hysterese und zur Minimierung der Eiskristallbildung

31. Wasser geht nicht nur mit elektronegativen funktionellen Gruppen sondern auch mit gelösten Ionen eine elektrostatische Wechselwirkung ein Q1 Q2 ε.r2 Q1, Q2 = elektrische Ladungen ε = dielektrische Konstantr2 = ihrer Abstand F =------------

32. Vermehrungsbereiche der Bakterien 80°C Zuwachs thermophiler Bakterien 70°C 60°C 50°C 45°C Zuwachs mesophilerBakterien sehr schnelles Bakterienwachstum 40°C kritischer Temperaturbereich 30°C Begrenzter Zuwachs psychrophiler Bakterien 20°C 15°C 10°C Lagertemperatur der Kühlkost-Fertiggerichte +2°C 0°C -10°C Lagertemperatur der Tiefgefrierkost-Fertiggerichte -18°C -20°C

33. Während des Abkühlens von Backwaren wird ein mikrobiologisch-hygienisch kritischer Temperaturbereich durchschritten Kerntemperatur 100°C 90 °C 80°C 70°C 60°C 50°C 40°C 30°C 20°C 10°C Gefahrenbereich: Wachstums-Temperatur-Zone für Mikroorgansimen ! Zeit 1h 2h 3h 4h 5h Abb.: Gefahrenzone: Abkühlen von Brot und kritischer Temperatur-Bereich (schematisch)

34. Temperatur Zonen Kochpunkt  100 °C Unkritische Zone Pasteurisation  72 °C Wachstumsgrenze  65 °C Pathogener Keim Gefahren-Zone: mikrobiologisch-hygienisch kritische Zone Körpertemperatur  36,5 °C 10 °C Unkritische Zone Kühlung  0 °C Tiefgefrieren 

35. Bake-Off-Technologien PBF PBUF FBF UFD PFF SP-R Par-bakedFrozen Par-bakedUnfrozen Fully-bakedFrozen UnfermentedFrozen PrefermentedFrozen Standard Process - Reference

36. Berechnete aw-Werte gefrorener Lebensmittel

37. Physikalische Veränderungen Verformungen und mech. Beschädigungen der kolloidalen Matrix durch Eiskristallwachstum (primär bei zu langsamen Gefrieren) Osmotischer Wasserentzug aus den Zellen und Zellverformung durch Aufkonzentrieren der Restlösung in den Zellzwischenräumen (primär bei zu langsamen Gefrieren) Massenverlust und Oberflächentrocknung bei unverpackten Produkten Volumenzunahme aw-Wert Senkung Gaswechsel (Luft wird durch CO2 verdrängt) bei vorgegarten Teiglingen (Kleberschädigung: ggf. gröbere Poren aber primär stark geschädigtes Gashaltevermögen im Teig mit der Folge von starken Volumeneinbußen bei Gebäck) Extrem erhöhte CO2-Löslichkeit im Teig (Wasser) und partielle Kohlensäuren-Bildung Gas-Diffusion von kleineren zu größeren Gasporen (hohe Diffusiität von CO2) vor allem beim Auftauprozess (ggf. gröbere Porung). Chemische Veränderungen Aufkonzentrieren von Salzen, Säuren, Zucker, Enzymen etc. und –bei knapp unter dem Gefrierpunkt – dadurch Beschleunigung von chemischen Reaktionen, insbesondere Proteindenaturierung (Kleberschädigung) CO2 + H2O  H2CO3: geringe pH-Absenkung bei vorgegarten Teiglingen, erhöhte Löslichkeit des Klebers bzw. seine Schädigung durch CO2 Mikrobiologische Veränderungen Stopp des Mirkoorganismus – Wachstums (aw-Wert) Zellschädigung bei langsamer Gefriergeschwindigkeit. Die Absterberate ist besonders groß, wenn in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°c gehalten wird. So lange noch genügend flüssige Substanz vorhanden ist, können sich auf dem gefrorenen Lebensmittel kryogeneMikroorganismen vermehren. Bakterien stellen ihr Wachstum bei etwa -7°C, die anspruchslosen Hefen und Schimmelpilze bei spätestens -12 bis -15°C ein. Beim Gefrieren geht auch die Keimzahl mehr oder weniger stark zurück. Diese Absterbequote ist besonders groß, wenn die Produkte in derZone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C bis -5°C gehalten werden, je langsamer also gefroren wird. Teig ist andererseits ein sehr gute Schutzkolloid (je fetthaltiger umso besser), sodass bei schneller Gefriergeschwindigkeit keine BackhefeSchädigung eintritt (also keine beeinträchtige CO2-Bildung durch Hefe nach dem Auftauen eines Teiges). VeränderungbeimGefrieren von Teig

38. Stopp des Mikroorganismus-Wachstums (aw-Wert) Zellschädigung bei langsamer Gefriergeschwindigkeit. Die Absterberate ist besonders groß, wenn in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°C gehalten wird. So lange noch genügend flüssige Substanz vorhanden ist, können sich auf dem gefroren Lebensmittel kryogene Mikroorganismen vermehren. Bakterien stellen ihr Wachstum bei etwa -7°C, die anspruchslosen Hefen und Schimmelpilze bei spätestens -12°C bis -15°C ein. Beim Gefrieren geht auch die Keimzahl mehr oder weniger stark zurück. Diese Absterbequote ist besonderes groß, wenn die Produkte in der Zone der maximalen Kristallbildung zwischen -1°C und -5°C gehalten werden, je langsamer also gefroren wird. Teig ist andererseits ein sehr gutes Schutzkolloid (je fetthaltiger umso besser), sodass bei schneller Gefriergeschwindigkeit keine Backhefe-Schädigung eintritt (also keine beeinträchtige CO2-Bildung durch Hefe nach dem Auftauen eines Teiges). MikrobiologischeVeränderung

39. Abb.: CO2-Transportweg bei einer Hefeteig-Gärung (schematisch): Transport durch Zellmembran (wahrscheinlich enzymatisch und Diffusion) CO2-Transportweg bei einer Hefeteig-Gärung Klebermembran DiffusionPco2 ist treibende Kraft Pco2 im Gleichgewicht (Diffusion) Transport durch Zellmembran, wahrscheinlich Carbonsäureanhydrase Gasblase (Pore) Teig CO2 Hefe-Zelle

40. Biologische Eigenschaften von Schutzgasen

41. Chemische Eigenschaften von Schutzgasen

42. Physikalische Eigenschaften von Schutzgasen

43. Löslichkeit von verschiedenen Gasen in Wasser in Abhängigkeit von der Temperatur p= Normaldruck (1013 bar)

44. Unterschiedliche Gaszusammensetzung von TK-Teiglingen Teigpore ungegart Gaspore bei Gefrierlagerung intakt. Luft ca. 80 % N2 20 % O2 Teigpore vorgegart überwiegend CO2 Gaspore bei Gefrierlagerung desintegriert.

45. Lösen von CO2-Gaskernen beim Kühlen, Gefrieren und Auftauen vorgegarter Teiglinge Teigpore Vorgegorener Teig bei Raumtemperatur enthält CO2 CO2 Hohe Wasserlöslichkeit von CO2: Kohlendioxid löst sich im Teig, pH- Wert- Senkung: Kleber- Desintegration 1% H2CO3 entsteht Unterschreitung des isoelektr. Punktes von Kleber Frosten CO2+H2O→H2CO3 Lösen Gaspore verschwindet hohe Diffusivitätvon gelöstem CO2 etc. Auftauen, Erwärmen CO2 Rückbildung von CO2 Gas,Bildung gröberer Poren

46. Diffusion von Gaskernen in Teigen Diffusion Feine Porung: Der Gasdruck ist ausgehend von kleinen Poren größer, daher ist die Konzentration von Gas in deren Umgebung höher. Grobe Porung: Kleine Gaskerne haben die Neigung, kleiner zu werden und große noch größer. Die Diffusion von CO2 ist sehr groß.

47. Veränderungen beim Gefrieren von Teig

48. Schematische Darstellung einer Zellschädigung Zytoplasma Plasmolyse (Zytorrhyse) Zellwand Zellmembran Zellwand (deformiert) Zellmembran (deformiert) extrazelluläres Wasser Zytoplasma 5 μm Hefe in isotonischer Lösung Plasmolyse in hypertonischer Lösung (in der Regel reversibel), insgesamt: Volumen-Kontraktion Abb.: Schematische Darstellung einer Zellschädigung durch Hefe-Plasmolyse in hypertonischer Umgebung:Deformation von Hefezellwand, Zellmembran verbunden mit Volumenkontraktion

49. CO2 + H2O HCO3- + H+ CO2 + OH- HCO3- CO2HCO3-CO2 wässrige Lösung Membran Zellinneres (Teig) (Hefezelle) CO2-Transport durch biologische Membranen Abb.: CO2-Transport durch biologische Membranen via Carbonsäureanhydrase (Schema)

50. Unterscheidungsmerkmale von Teiglingen und vorgebackener Ware in der Tiefkühlung (modifiziert)