Extrusion – Traditionelles Strukturierungs- und Texturierungsverfahren für die Lebensmittelproduktion der Zukunft

Im Allgemeinen kann zwischen drei Extruderklassen differenziert werden, die in der Lebensmittelindustrie verwendet werden: Kolben-, Walzen und Schneckenextruder. Schneckenextruder sind die am häufigsten verwendeten Extruder und können in Ein- und Doppelschneckenextruder kategorisiert werden. Bei den Schneckenextrudern ist ein effektives Schneckendesign von größter Bedeutung für Ausrichtung und Optimierung des Extrusionsprozesses. Die Schnecke bzw. Welle erfüllt beim Extrusionsprozess eine Vielzahl an Aufgaben, die sehr stark an das Design gekoppelt sind.

Die Hauptmerkmale einer Extruderschnecke sind die Länge, das Verhältnis von Länge zu Durchmesser (L/D-Verhältnis), die jeweiligen Längen der Einzugs-, Kompressions- und Ausstoßzone, die Gangbreite, die Gangsteigung sowie die Gangtiefen in jedem Abschnitt. Vor allem das L/D-Verhältnis ist ein wichtiges Attribut, bei welchem die Schneckenlänge (L) als ein Vielfaches des Schneckendurchmessers (D) angegeben wird. Eine ebenso wichtige Rolle spielt das Kompressionsverhältnis. Dieses Verhältnis berechnet sich aus den Gangtiefen der Einzugs- und Ausgangszone, wobei ein Verhältnis von 1:1 keiner Kompression und ein Verhältnis von beispielsweise 1:5 einer starken Kompression entspricht [3]. Die Längenbezeichnung von Schneckenextrudern wird z. B. als 30D angegeben und bedeutet, dass das 30-fache des Schneckendurchmessers die Länge ergibt. Sämtliche Operationen, die von Verweilzeit bzw. Geschwindigkeit beeinflusst werden können (wie etwa das Schmelzen und Mischen von Polymeren), lassen sich über die Schneckenlänge gezielt steuern.

Im ersten Verfahrensabschnitt des Extrusionsprozesses werden die Rohstoffe mittels gravimetrischer/volumetrischer Dosiergeräte (Trockenkomponenten) bzw. mittels Pumpen (Flüssigkomponenten) dosiert und über die Schnecke eingezogen. Durch die Rotation der Extruderschnecken wird das Material mechanisch beansprucht und gemischt. Dies kann zu hohen lokale Scherraten und dadurch auch zur Entstehung von Reibungswärme führen. Demnach wird das Material mechanisch sowie thermisch stark beansprucht, wodurch eine sogenannte „Schmelze“ entsteht. Weiterhin entsteht ein hoher Druck, der sich aufgrund von starken Schneckensteigungen oder einer signifikanten Fließkanalverjüngung zwischen Gehäuse- und Düsenbereich aufbauen kann. 

Die Geometrie der Schnecken, welche sich häufig über die Prozesslänge verändert, wirkt sich unmittelbar auf den Durchsatz, die Mischeffizienz, die Schmelzgeschwindigkeit und die lokale Verteilung der Materialtemperatur aus [4]. Bei der Auslegung der Schnecke bzw. einzelner Schneckenelemente sind die Steigung und die Gangtiefe von essentieller Bedeutung, da diese Parameter, in Kombination mit dem Füllgrad, den zum Durchströmen des Schneckenbereichs notwendigen Druck über die gesamte Prozesslänge definieren, sowie die Struktur des Extrudats beeinflussen [5]. Wenn alle anderen Prozessparameter konstant sind, ist die Verweilzeit in der Schnecke direkt proportional zu ihrer Länge und umgekehrt proportional zur Rotationsgeschwindigkeit. 

Abhängig vom jeweiligen Extrudertyp, rotieren eine oder zwei Schnecken im Extrudergehäuse. Die Auslegung von prozess- und produktoptimierten Schnecken ist ein wichtiger Baustein im Maschinendesign und definiert nicht zuletzt Prozesseffizienz und Qualität der Extrudate. Üblicherweise werden Gehäuse mit glatten Innenwänden eingesetzt, da bei einer Beschichtung die Gefahr des Anhaftens oder des Mittdrehens an der Schnecke gegeben wäre. Typische Designelemente im Gehäuse sind längs- (Achsialnut) oder spiralförmig verlaufende Rillen, die einen höheren Durchsatz, eine bessere Durmischung bzw. einen verbesserten Schereffekt ermöglichen [4]. Gleichzeitig kann auch ein Rücktransport entstehen, der einer optimalen Produktförderung entgegenwirkt und gleichzeitig eine Übersteigung des tolerierbaren Maximaldrucks am Düsenaustritt hervorrufen kann. Über einen Doppelmantel kann eine aktive Zonen-Temperierung des Schneckenbereichs über Kühl- oder Heizelemente ermöglicht werden. Je nach Bauweise können über unterschiedlich viele Temperaturzonen entlang des Gehäuses in Kombination mit eingebrachten Druck- und Temperatursensoren chemisch-physikalische Modifizierungsprozesse des Materialstroms gesteuert werden.

Am Ende des Schneckenbereichs erfolgt im sogenannten Düsenbereich die finale Formgebung des Produktes. Die Geometrie und das Design der Düse sind ausschlaggebende Variablen für das optische Erscheinungsbild (Größe, Form) sowie entscheidende sensorische Eigenschaften (Textur) der Produkte. Weiterhin definiert der Düsenbereich den Füllstand, den Druck- sowie die Temperaturentwicklung im Prozessraum des Extruders. Das Produkt verlässt die Düse als Endlosstrang, welcher beispielsweise durch eine Granuliereinheit in Form rotierender Messer in beliebig lange Stücke geschnitten werden kann. Abhängig von Temperatur, Druck und Form der Stränge am Düsenaustritt können mittels Extruder feste Pellets, faserige Flakes oder stark gepuffte Produkte hergestellt werden. Den klassischen, oft stärkebasierten Extrusionprodukten, wie z. B. Flachbrote oder Snacks, die aufgrund des starken Druckabfalls am Düsenaustritt große Mengen Wasserdampf verlieren und stark expandieren, stehen die neuartigen faserigen fleischähnlichen Produkte gegenüber. Letztere werden unter entsprechend angepassten Prozessbedingungen und mittels spezieller Kühldüsen hergestellt, welche die Extrudate vor dem Düsenaustritt auf ca. 40 – 50 °C kühlen, so dass weder verdampfendes Wasser noch starke Expansionseffekte zu porösen Produkten führen können [6, 7]

Die Extrusion ermöglicht ein breites Applikationsspektrum in der Lebens- und Futtermittelbranche. Dieses ist sowohl auf die beschriebenen Unterschiede in den Bauformen als auch auf die multivariaten unabhängigen Prozessvariablen zurückzuführen. Dabei spielen beispielsweise Schneckendrehzahl, Vorschubrate, Düsengemeotrie, Fördermenge, Verweilzeit, Energieeintrag (mechanisch und thermisch) sowie die Druckentwicklung eine Rolle [10]. Eine gezielte Steuerung der Prozessparameter in Kombination mit der Rohstoffauswahl schafft eine Vielzahl an Verfahrensbedingungen, die ein nahezu grenzenloses Spektrum an Extrusionsprodukten ermöglicht. Eine Klassifizierung dieser Verfahren erfolgt abhängig von der Temperatur in Kalt- und Kochextrusion. Eine weitere Differenzierung der Kochextrusion erfolgt entsprechend des Wassergehalts in Nass- und Trockenextrusion.

Kaltextrusion

Das Kaltextrusionverfahren findet typischerweise bei Temperaturen zwischen 40 – 75 °C statt, um hitzeinduzierte Vorgänge wie beispielsweise Stärkeverkleisterung, Proteindenaturierung oder Bräunungsreaktionen zu minimieren [11]. Es erfolgt daher meist keine Beheizung des Prozessraumes, sondern eine aktive Kühlung, um entstehende Reibungswärme auszugleichen. Die Drücke im Prozessraum liegen zwischen 6 – 10 bar. Die Kaltextrusion wird hauptsächlich in der Teig- und Süßwarentechnologie angewandt und erfordert einen hohen Wassergehalt bei niedriger Schneckendrehzahl. Typische Produkte sind Süßigkeiten sowie Teige und Teigwaren.

Kochextrusion

Die Koch- bzw. Heißextrusion findet bei Temperaturen zwischen 130 – 180 °C und, im Industriemaßstab, in einem Druckbereich von 120 – 250 bar statt. Die Kochextrusion kann als kontinuierlicher Hochtemperatur-Kurzzeitprozess beschrieben werden, bei welchem zähflüssige, aushärtbare Materialien durch einen Formstempel gepresst werden [12]. Neben klassischen Applikationen wie der Herstellung gepuffter cerealer Snack- und Frühstücksprodukte auf Stärkebasis, können mittels Kochextrusion pflanzliche Speicherproteine gezielt modifiziert werden, so dass Produktstrukturen ähnlich tierischer Muskelfasern entstehen [13]. Unter Einwirkung von mechanischer und thermischer Energie werden die meist pulverförmigen Rohstoffe mit Wasser plastifiziert, gekocht und durch eine Düse in die gewünschte Produktform gebracht. Der Wassergehalt ist dabei die entscheidende Kenngröße, da dieser die Viskosität der Produktschmelze, den Wärmeübergang zwischen Gehäuse und Produkt, sowie entscheidende physikochemische Vorgänge wie Verkleisterungs- oder Schmelztemperatur definiert beeinflusst [14]. Auf Basis des Wassergehalts erfolgt daher auch die Differenzierung einzelner Kochextrusionsverfahren in Trockenextrusion (< 40 % Produktfeuchte) und Nassextrusion (> 40 % Produktfeuchte). 

Trockenextrusion

Die Trockenextrusion, bei welcher der Feuchtigkeitsgehalt der Masse unter 40 % liegt, kann je nach Einstellung der Extrusionsparameter, der Prozessführung, sowie der Rezepturgestaltung, zur Herstellung expandierter bis feinfaseriger Extrudate genutzt werden. Typische Beispiele sind pelletiertes Tierfutter, Cerealien, Teigwaren, Snackprodukte, Süßwaren oder Fleischanaloga wie z. B. Hackfleischersatz [15]. Durch die hohe mechanische Scherung der hochviskosen Massen beginnen die Biopolymere bereits im Prozessraum zu kochen und expandieren [16]. Voraussetzung für die Texturierung, ist die Überschreitung der Schmelz- und Glasüberganstemperatur, die der Erzeugung einer fließfähigen Schmelze dient und den Austritt aus der Düse ermöglicht [17]. Die Expansion des Produktes wird über eine kurze Düse am Ende des Prozess­raums begünstigt, da diese den Strömungsquerschnitt verengt und einen hohen Materialdruck vor dem Düsenausgang forciert. Nach Düsenaustritt kommt es durch die Entspannung des Druckes zum schlagartigen Verdampfen des überhitzten Wassers und durch die Entstehung von Wasserdampfblasen zur Expansion der Produktmatrix (Flash-Verdampfung). Anschließend relaxiert die heiße Masse und kühlt gleichzeitig ab [16]. Eine Stabilisierung der Dampfblasen und damit die Erhaltung einer porösen Produktstruktur setzt eine möglichst schnelle Unterschreitung der Glasübergangstemperatur voraus, da diese eine Solidifikation der Produktstruktur hervorruft und einer Rückbildung der Expansion durch elastische Materialanteile entgegenwirkt.

Bei der Nassextrusion werden überwiegend Proteinmassen mit Wassergehalten > 40 % gekocht. Nach dem Erreichen sehr hoher Temperaturen im Extrudergehäuse wird die heiße Schmelze durch eine lange Kühldüse mit Temperaturen < 80 °C gefördert. Dies führt zur Ausbildung einer anisotropen, also ausgerichteten Produkttextur, welche sich durch ein axiales Strömungsprofil des Zwei-Phasen-Systems Protein und Wasser ausbildet [20]. Die hierbei entstehenden pflanzlichen Intermediate können durch weitere Veredelungsschritte wie z. B. Panieren oder Marinieren zu sogenannten „one-piece“ Fleischersatzprodukten (Schnitzel, Steak) verarbeitet werden. Grundsätzlich bestehen kaum Limitationen hinsichtlich der Applikation der hergestellten Texturate, sodass Produktkategorien wie vegane Nuggets, Gyros, Fleischbällchen etc. hergestellt werden können.

Bei der Nassextrusion werden überwiegend Proteinmassen mit Wassergehalten > 40 % gekocht. Nach dem Erreichen sehr hoher Temperaturen im Extrudergehäuse wird die heiße Schmelze durch eine lange Kühldüse mit Temperaturen < 80 °C gefördert. Dies führt zur Ausbildung einer anisotropen, also ausgerichteten Produkttextur, welche sich durch ein axiales Strömungsprofil des Zwei-Phasen-Systems Protein und Wasser ausbildet [20]. Die hierbei entstehenden pflanzlichen Intermediate können durch weitere Veredelungsschritte wie z. B. Panieren oder Marinieren zu sogenannten „one-piece“ Fleischersatzprodukten (Schnitzel, Steak) verarbeitet werden. Grundsätzlich bestehen kaum Limitationen hinsichtlich der Applikation der hergestellten Texturate, sodass Produktkategorien wie vegane Nuggets, Gyros, Fleischbällchen etc. hergestellt werden können.

Wenngleich durch eine Anpassung der Verfahrensparameter während der Extrusion die Produkteigenschaften stark beeinflusst werden können, sind insbesondere die Materialeigenschaften maßgeblich für die produkttypischen Texturen der Extrudate. Verschiedene funktionelle Rohstoffeigenschaften führen zu wesentlichen Unterschieden in den Produktstrukturen. Die Hauptbestandteile faseriger Fleischanaloga sind pflanzliche Proteine (20 – 50 %), pflanzliche Lipide (0 – 5 %), Polysaccharide (2 – 30 %), sowie weitere Zutaten, die Textur, Aussehen und Konsistenz fleischähnlich wirken lassen (s. Tabelle 1). 

Tabelle 1: Hauptinhaltsstoffe für die Herstellung von Fleischersatzprodukten [21].

Da sich Pflanzenproteine je nach Quelle, Sorte, Anbaubedingungen, Vorverarbeitung sowie Reinheit hinsichtlich der Funktionalität, der Zusammensetzung und des Nährwertes unterscheiden, werden abhängig von Produkt und gewünschter Funktionalität Proteine aus einer oder mehreren Quellen verwendet [22]. Sojaprotein ist das bisher am häufigsten verwendete Protein, welches sich aufgrund seiner günstigen funktionellen Eigenschaften und seiner ausgewogenen Aminosäurezusammensetzung sehr gut für Fleischsurrogate eignet [23, 24]. Trotz eines günstigen Preises und den positiven technofunktionellen Eigenschaften, sind fast drei Viertel der weltweit angebauten Bohnen gentechnisch verändert und damit für viele Hersteller und Konsumenten ein wenig beliebter Rohstoff [25]. 

Weizenprotein bzw. Gluten ist aufgrund seiner viskoelastischen Eigenschaften ein ebenfalls sehr geeignetes Protein bei der Herstellung von Fleischersatzprodukten, da es aufgrund einer hohen Reaktionsfreudigkeit und eines hohen Cysteinanteils die Ausbildung faserartiger Strukturen begünstigt [26, 27]. Gluten kann darüber hinaus in Kombination mit anderen Proteinen als Bindemittel agieren und Kochverluste während der Verarbeitung minimieren, so dass die finalen Extrudate einen stabilen Zusammenhalt aufweisen [26].

Erbsenprotein ist aufgrund seiner hohen Anpassungsfähigkeit eine geschätzte Alternative zu Sojaprotein. Aufgrund seiner Hypoallergenität und günstigen funktionellen Eigenschaften wird es meistens in Kombination mit anderen Rohstoffen wie z. B. Gluten verwendet. Durch Erbsenprotein können so ernährungsphysiologische und strukturelle Eigenschaften optimiert werden [28]. Insbesondere für die Formulierung glutenfreier Fleischalternativen, sind Proteine aus Reis, Kartoffeln, Leguminosen, Ölsaaten oder Pseudocerealien eine gute Alternative, wobei Materialeigenschaften und Applikationsfelder noch nicht ausreichend untersucht sind. Gleiches gilt für innovative Rohstoffquellen wie Mikroalgen, Pilze und Insekten, die hohe Proteingehalte und sehr gute ernährungsphysiologische Werte aufweisen, sowie langfristig günstig und nachhaltig erzeugt werden können [29, 30, 31].

Im proteinbasierten Bereich der Extrusionstechnologie werden meist keine Endprodukte, sondern vielmehr Intermediate erzeugt, welche erst durch weitere Veredelungsschritte eine hohe sensorische Qualität in Form eines vollständigen Textur- und Geschmacksprofils erlangen.  

Beim sogenannten Post-Processing werden ein oder mehrere Verfahrensschritte angewendet, die man, ebenso wie die eingesetzten Apparaturen aus dem Fleischereibereich, kennt. Dazu gehören das Zerkleinern, Marinieren, Panieren bzw. Coaten, Mischen und Formen. Insbesondere die letzten beiden Verfahrensschritte sind von essentieller Bedeutung, damit die Ersatzprodukte den tierischen „Vorbildern“ hinsichtlich Textur und Aussehen ähneln. 

In diesem Kontext ist das Vermischen der Extrudate mit weiteren Inhaltsstoffen essentiell. Eine wichtige Inhaltsstoffgruppe nehmen hier die die Lipide ein, welche entweder reich an gesättigten (z. B. Kokosöl oder Kakaobutter) bzw. ungesättigten Fettsäuren (z. B. Sonnenblumenöl oder Rapsöl) sind und die Textur sowie das Mundgefühl prägen [32-35]. Darüber hinaus sind die Quelle und Zusammensetzung der Fettsäuren sehr wichtig, da diese über Lipidoxidations- und Maillardreaktionsprodukte zu einem fleischähnlichen Geschmack beitragen [36].

Polysaccharide spielen eine wichtige funktionelle und strukturelle Rolle bei der Formung von Fleischsurrogaten, da sie aufgrund ihrer verdickenden und emulgierenden Eigenschaften entscheidend zu Konsistenz und Zusammenhalt der Produkte beitragen [34, 37, 38]. Native Stärken aus z. B. Weizen oder Kartoffel werden hauptsächlich als Füllstoffe verwendet, um die Textur und Konsistenz zu verbessern [24, 39]. Gleiches gilt für Fasern die aus verschiedenen Quellen wie z. B. Erbse oder Soja gewonnen werden. Die wohl prominenteste und am häufigste eingesetzte Faser ist Methylcellulose, welche ebenso wie die Cellulose nicht vom menschlichen Organismus verstoffwechselt werden kann und damit als Ballaststoff gilt. Weitere Hydrokolloide, die eine verbesserte Wasserbindung bei gleichzeitiger Reduktion des Kochverlusts ermöglichen sind z. B. Carrageen, Xanthan oder Alginat [71].

Zur Verbesserung des Aromaprofils bzw. der Maskierung von ungünstigen Aromen von Leguminosenproteinen werden in der Regel aromaverbessernde Inhaltsstoffe wie beispielweise Hefeextrakt, Gewürze oder andere natürlich sowie synthetisch hergestellte Geschmackstoffe eingesetzt. Die Nachahmung der roten Fleischfarbe erfolgt mittels Zugabe von Farbstoffen wie beispielsweise Lycopin, Rote-Bete-Saft-Konzentrat oder Leghämoglobin aus der Sojawurzel. Die Nachahmung der weißen Fleischfarbe bei Geflügel- oder Fischersatzprodukten kann durch Titandioxid erzielt werden [28, 40-42]. 

Durch Zugabe von Ascorbinsäure oder Polyphenolen können die zugesetzten Farbpigmente während des Erhitzens stabilisiert werden [28, 43]. Optional können Zutaten wie Vitamin B12, Tocopherole, Zink, Gluconat oder Niancin zugeben werden, die typischerweise über den Konsum tierischer Nahrung aufgenommen werden und somit den nutritiven Wert von Fleischersatzprodukten verbessern.

Zu den Herausforderungen einer zukünftigen nachhaltigen Lebensmittelversorgung zählt maßgeblich die Reduzierung des hohen Fleischkonsums in den Industrieländern. Traditionelle Pflanzenproteinprodukte aus Soja- oder Weizenprotein wie Tofu, Tempeh oder Seitan, welche in asiatischen Ländern zum festen Bestandteil der Ernährung zählen, sind hierzulande bislang mit deutlichen Einbußen im Genusswert verbunden. Gründe hierfür sind insbesondere der pflanzliche Geschmackseindruck und die fleischuntypische Textur.

Zur Bereitstellung von nachhaltigen, proteinreichen und sensorisch hochwertigen Alternativen mit fleischtypischen Merkmalen müssen daher die globulären pflanzlichen Speicherproteine in eine fibrilläre Form gebracht werden. Bemerkenswert ist, dass dieser Transformationsprozess mit einem Verfahren umgesetzt wurde, das eine mehr als 200 Jahre langen Historie besitzt und dennoch eine der größten Innovationen des letzten Jahrzehnts im Lebemsmittelsektor darstellt. Die Texturierung nichttierischer Proteinquellen zu fleischanalogen Produkten, die sich hinsichtlich Textur, Mundgefühl, Geschmack und Nährwert nicht von den fleischhaltigen Vertretern unterscheiden, ist vielleicht nur ein Anfang. Denn neben immer neuen Rohstoffquellen, bieten neuartige Verfahren, wie beispielsweise Feucht- und Elektrospinning, Bioprinting oder „Cellular Agriculture“, das Potenzial, neue tierfreie Produktmatrices mit völlig neuen Texturen zu entwickeln.
 

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