Mechanische Texturanalyse bei Lebensmitteln

- Ralf-André Winopal, WINOPAL Forschungsbedarf GmbH, Elze
- Lisa Drobny, WINOPAL Forschungsbedarf GmbH, Elze
- Bianca Schneider-Häder, Fachzentrum Lebensmittelwirtschaft, DLG e.V., Frankfurt/M., Sensorik@DLG.org

Die mechanisch-technologische Prüfung ist die älteste Disziplin im Bereich der Materialprüfung. So stellten bereits im 15. und 16. Jahrhundert Leonardo da Vinci und Galileo Galilei Überlegungen bezüglich der Biegebeanspruchung und des elastischen Verhaltens von Materialien an. Weitere Erkenntnisse kamen im Laufe der Zeit hinzu. Im 18. Jahrhundert entstanden dann schließlich in Frankreich die ersten Prüfmaschinen. Seit Mitte des 19. Jahrhunderts befassten sich sukzessive auch in Deutschland verschiedene Unternehmen mit der Entwicklung bzw. dem Bau von Geräten, Maschinen und Systemen für die mechanisch-technologische Werkstoffprüfung. So entstand über die Jahre ein umfassendes Programm vom manuell bedienten Härteprüfgerät bis zum komplexen Prüfsystem für die prozessbegleitende Anwendung.

Mit dem Begriff „Viskosität“ (Zähflüssigkeit), ebenfalls eine Textureigenschaft, wird das Fließverhalten flüssiger Produkte bezeichnet. Sofern man zwei Flüssigkeits-Schichten gegeneinander verschiebt, entsteht ein Widerstand (Zähigkeit, innere Reibung), den man als Fließwiderstand bezeichnet. Ist der Fließwiderstand niedrig, ist das Lebensmittel dünnflüssig. Mit ansteigendem Fließwiderstand geht die zunehmende Zähflüssigkeit eines Lebensmittels einher. Die Viskosität ist temperaturabhängig. Viskositätsmessungen werden beispielsweise durchgeführt, um einen pastösen Stoff hinsichtlich seiner Konsistenz zu optimieren oder um ihn für die Produktionslinie optimal einzustellen (z. B. Pumpfähigkeit, Filtrierfähigkeit). In der Nahrungsmittelindustrie sind Joghurt (mit & ohne Fruchtstücke), Saucen, Senf, Tomatenmark und Öle häufig geprüfte Produkte.

Die Akustik ist die Lehre vom Schall und seiner Ausbreitung. Sie umfasst sämtliche damit zusammenhängende Gesichtspunkte, ausgehend von der Entstehung und Erzeugung, der Ausbreitung, Beeinflussung und Analyse von Schall. Darüber hinaus werden seine Wahrnehmung durch das Gehör und die Wirkung auf die Umwelt untersucht.

Schall entsteht, wenn eine Schallquelle die Gasmoleküle in der Luft zum Schwingen anregt, so dass diese sich in sinusförmigen Wellen ausbreiten und infolge von Druckschwankungen das Trommelfell im menschlichen Ohr zum Vibrieren bringen. Im Mittelohr werden diese Bewegungen verstärkt und an Sinneszellen abgegeben, die sie in bioelektrische Impulse umwandeln. Über den Hörnerv gelangen die Informationen an das Gehirn. Ein gesundes Ohr kann einen Schalldruck ab 2·10-5 Pa wahrnehmen (Hörschwelle). Bei manchen Lebensmitteln spielen akustische Wahrnehmungen, die mit der speziellen Textur dieser Lebensmittel zusammenhängen, für den Verbraucher eine wichtige Rolle. Beispielhaft zu nennen wären, das knuspernde Geräusch beim Verzehr von Kartoffelchips oder Löffelbiskuits oder das Knacken von Butterkeksen, Würstchen oder (v.a. dunkler) Schokolade beim Abbeißen. Manche Unternehmen betreiben einen beträchtlichen Aufwand, um Texturen zu kreieren, die den perfekten „Sound“ liefern.

3.1  Humansensorische Texturprüfung

Eine Möglichkeit, die Textur von Lebensmitteln zu analysieren, stellt die humansensorische Texturprüfung im Rahmen von Produktverkostungen dar. Hierbei werden die Textureigenschaften nach Begriffen des Mundgefühls bzw. Fingergefühls beschrieben und je nach sensorischer Methode zudem in ihrer Intensität analysiert, mit anderen Produkteigenschaften verglichen oder gegenüber einem Standard bewertet. Die Textur fokussierende sensorische Deskriptoren sind beispielhaft in der Abbildung 1 zusammengefasst. Je nach hergestelltem Nahrungsmittel variiert die Ausdrucksweise: Eigenschaften einer Konfitüre werden anders ausgedrückt als Eigenschaften von Cornflakes. Genormte und damit vereinheitlichte Eigenschaftsbezeichnungen sind selten, so dass die Sprachentwicklung bzw. Festlegung der beschreibenden Begriffe den jeweiligen Panels selbst obliegt.

Ergänzend zu humansensorischen Texturprüfungen finden zunehmend u.a. bedingt durch die damit verbundene Zeitersparnis, schnell und einfach auszuführende instrumentelle Messmethoden Anwendung in der Ernährungswirtschaft. Instrumentelle Prüfungen in Form von mechanischen Texturanalysen, bilden sensorische Tests bei Lebensmitteln nach. Hierbei werden verschiedene physiologische Prozesse, wie z. B. das Zubeißen und Kauen durch mechanische Vorgänge imitiert bzw. das Fließverhalten von Lebensmitteln im Mund nachgeahmt. In verschiedenen Versuchen und unter Einsatz unterschiedlicher Instrumente werden u.a. Kräfte, Wege und Energiewerte erfasst, verknüpft und sensorischen Eigenschaften zugeordnet.

Die instrumentelle Texturanalyse schließt – bei standardisiertem Versuchsaufbau – subjektive Einflüsse auf die Prüfung aus. Dazu werden Messmethoden angewandt, die international eingeführt, jedoch nur in seltenen Fällen genormt sind. Die Herausforderung bei der Texturanalyse ist generell, dass Lebensmittel hinsichtlich ihrer Textureigenschaften sehr breit streuen. Um reproduzierbare Prüfergebnisse zu erhalten, ist eine sorgfältige Probenaufbereitung und Prüfungsvorbereitung maßgebend. Dann erreicht man zum Teil erstaunlich hohe Korrelationen zu humansensorischen Tests. Geringe Schwankungen in der Produktqualität können mit der instrumentellen Texturanalyse häufig deutlicher herausgearbeitet werden.

Infolge der Inhomogenität der Produkte, die mit die Hauptschwierigkeit bei der instrumentellen Texturanalyse darstellt, ist – vergleichbar mit Vorgaben für humansensorische Analysen –  eine sachgerechte Prüfungsvorbereitung maßgebend für den Erfolg. Einheitliche Proben liefern eine Grundlage und die sachgerechte Zusammenstellung der mechanischen Messgeräte, d. h. das Zusammenspiel von Prüfwerkzeug und Probe eine andere. Hinsichtlich der Probengröße ist darauf zu achten, dass diese ausreichend ist und die zu untersuchenden Strukturen abbildet. Häufig kann es sein, dass sich anstelle von kleinen Prüfproben eher das gesamte Produkt eignet.

Der Entnahmeort bzw. die -richtung sowie der Probenschnitt und die Form sollten jeweils identisch sein. Bezüglich der relevanten Prüfwerkzeuge ist maßgebend, dass bei Druckprüfungen  gleichmäßige Probenbelastungen erfolgen, damit Scherkräfte das Ergebnis nicht verfälschen (vgl. Abbildung 2). Bei Penetrationsversuchen, z. B. in einen Joghurtbecher, sollte stets darauf geachtet werden, dass die Versuche immer in den gleichen Behältnissen durchgeführt werden. Unterschiedliche Geometrien der Behälter führen zu unterschiedlichen Messergebnissen. Darüber hinaus sind die jeweils Geräte bzw. Methoden spezifischen Vorbereitungen und Voreinstellungen (Kalibrierung etc.) zu berücksichtigen.

Ein Viskosimeter ist ein Messgerät, welches zur Bestimmung von Viskositäten bzw. der „Zähigkeit” von Flüssigkeiten eingesetzt wird. Für die verschiedenen Viskositätsbereiche gibt es jeweils unterschiedliche Arten von Viskosimetern.

Beim Kapilarviskosimeter ist das zugrundeliegende Messprinzip der Fluss der zu messenden Flüssigkeit durch ein dünnes Rohr. Ein festgelegtes Flüssigkeitsvolumen läuft bei gleich bleibendem Druck durch eine in Länge und Radius definierte Röhre; die dazu benötigte Zeit wird gemessen.

Beim Rotationsviskosimeter jedoch wird durch einen Motor ein Körper in einer Flüssigkeit gedreht. Das Drehmoment und die Geometrie des Drehkörpers und des Gefäßes sowie die Drehgeschwindigkeit bestimmen die Viskosität. Im Gegensatz zu Rheometern können Viskosimeter ausschließlich Newtonsche Flüssigkeiten (Mineralwasser, Getränke, Öl und Flüssigkeiten, die auch bei Druck die Stärke ihrer Viskosität beibehalten) korrekt messen.

Viele Substanzen vereinigen in sich Eigenschaften eines Festkörpers (Elastizität) und einer Flüssigkeit (Viskosität). Je nach äußeren Bedingungen verändern sie so ihre Viskosität. Solche „Flüssigkeiten“ nennt man nicht-newtonsche Flüssigkeiten. Rheometer, also Messgeräte, die gerade diese Viskositäten messen, finden u.a. als Farino-, Extenso- oder Amylographen bzw. Mixolab und Alveograph zur Überwachung der Getreide- und Mehlqualität ihren Einsatz. Dabei wird der Widerstand eines Teiges gegen eine konstante mechanische Belastung gemessen und aufgezeichnet. Dies können Knet-, Dehn- oder Verkleisterungsprüfungen (bei steigender Temperatur) sein.

Die Einsatzmöglichkeiten instrumenteller Texturanalysen sind vielfältig. So kann z.B. bereits bei der Produktentwicklung geprüft werden, welchen Einfluss Verfahrensparameter oder Rezepturen auf die Texturqualität ausüben. Das zu entwickelnde Produkt kann in Bezug auf die gewünschten Textureigenschaften, z.?B. Härte, Elastizität, Klebrigkeit mittels messbaren Parametern definiert und produziert werden. Nach dem Inverkehrbringen sind die zuvor genannten Kriterien die kritischen Qualitätsparameter, die es permanent zu überwachen gilt. Durch standardisierte analytische Texturmessungen können auch kleinste Abweichungen erfasst und in Zahlen ausgedrückt werden und sind so auch in verschiedenen Produktionsstätten transparent. Mechanische Eigenschaften von Lebensmitteln werden im Produktionsprozess generiert. Dabei spielen auch Zwischenprodukte insbesondere dort eine Rolle, wo sie die Textureigenschaften des Endproduktes beeinflussen und steuern. Darüber hinaus können über fehlerhafte Produkte auch abweichende Prozessbedingungen erfasst und die prozessrelevanten Eigenschaften, wie Maschinengängigkeit oder Formstabilität, optimiert werden.

Weitere Anwendungsbeispiele sind …

Produktentwicklung, u.a.

• Bewertung der Qualitäts- und Verarbeitungseigenschaften von Lebensmittelrohstoffen
• Erzeugung von Lebensmitteln mit einer geforderten Textur durch kontinuierliches Prüfen unterschiedlicher Rezepturen im Produktionsprozess
• Benchmarking zur Produktoptimierung oder bei Einsatz alternativer Inhaltsstoffe und Zutaten

Qualitätsprüfung, u.a.

• Wareneingangskontrolle: Überprüfung definierter Toleranzwerte bei Zulieferprodukten
• Produktionsprozess: Ermittlung struktureller Änderungen des Produktes in Abhängigkeit der  Prozessparameter, z.B. Temperatur, Feuchtigkeit und Koch-/Backzeit.
• Transport/Lagerung: Ermittlung von Stapelbarkeit, Festigkeit, Shelf Life und Haltbarkeit

Fallbeispiel: Backwaren

Methoden der mechanischen Texturmessung ermöglichen hier die Untersuchung der rheologischen Eigenschaften der Brotkrume in Bezug auf die Frischhaltung. Es können Aussagen über die Festigkeit, Weichheit, Elastizität, Klebrigkeit, Balligkeit und Kaufähigkeit der Brotkrume getroffen werden. Auch die Texturqualität von Biskuits, die neben dem Wassergehalt wesentlich von den Herstellungsbedingungen abhängt, kann durch regelmäßige Tests an der Produktionslinie gemessen werden, so dass die Einhaltung der optimalen Produktionsbedingungen gewahrt bleibt.

Fallbeispiel: Molkereibranche

Im Rahmen eines Dehnbarkeitstests von Pizzakäse (Mozzarella) wird in eine Schale mit geschmolzenem Käse eine Prüfgabel gestellt, die mittels Texture Analyser herausgezogen wird. Das Kraftprofil gibt Aufschluss über die Dehnbarkeit des Käses bei einer definierten Temperatur. (Vgl. Abbildung 5)

Fallbeispiel: Obst-/Gemüseverarbeitung

Früchte, die einem industriellen Verarbeitungsprozess unterzogen werden, müssen hohen mechanischen Anforderungen genügen. Die Haut agiert als natürliche Verpackung und schützt die Frucht vor dem Zerfall. Die Widerstandskraft der Fruchthaut ist somit ein wichtiger Parameter, der auch die Qualität von daraus hergestellten Endprodukten beeinflusst. Die mechanische Eigenschaft der Fruchthaut kann über den benötigten Kraftaufwand der Penetration mit einer Nadelsonde beurteilt werden. So lässt sich ihre Zähigkeit und Widerstandskraft erfassen. Dringt die Nadel ins Fruchtfleisch ein, gibt die erforderliche Kraft Auskunft über den Reifegrad der Frucht. (Vgl. Abbildung 6)