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Temperieren von Hefeteigproben

Moderne Lebensmittelhersteller produzieren mittlerweile oft Teigprodukte, wie z.B. Tiefkühl-Pizza, die nicht nur schmecken, sondern zunehmend gesünder, länger haltbar und qualitativ besser sein sollen.

Exakte Qualitätsstandards, streng geregelte Produktionspläne, wechselnde Vorlieben – Lebensmittelproduzenten sehen sich mit vielfältigen Anforderungen konfrontiert. Damit verbundene Kontrollverfahren sind oft sehr zeitintensiv.

In Zusammenarbeit mit dem Forschungszentrum von Nestlé hat Dr. Helmut Trautmann von der abiotec AG einen Gasvolumen-Sonderbad-Monitor für Pizzateigproben entwickelt, mit dessen Hilfe sich die Qualität und Gasbildung präzise und zeitsparend messen lässt. 

Der Gasvolumen-Sonderbad-Monitor setzt sich zusammen aus einem großen Plexiglasbadgefäß, einem JULABO MA-Wärme-Einhängethermostat der TopTech-Reihe und dem JULABO FT200-Eintauchkühler mit Eintauchsonde, der zur schnellen Abkühlung von Flüssigkeiten auf tiefe Temperaturen und hier speziell zum Gegenkühlen des Wärmethermostats dient. Das Messprinzip erfolgt in geschlossenen Messeinheiten mittels einer langzeitstabilen und präzisen Absolutdruckmessung.
 

Analyse des konventionellen Pizzateigs

Pizzateig besteht aus den Hauptkomponenten Mehl, Wasser und CO2. Der Teig bildet sich spontan, wenn eine Suspension von Mehl und Wasser zusammen reagieren. In der Luft vorhandene Mikroorganismen – vorrangig Hefen – besiedeln den Teig. Diese Hefen sind einzellige Pilze, die sich durch Sprossung vermehren. Als Ergebnis ihres Stoffwechsels (Gärung) entsteht als ein Endprodukt Kohlendioxid (CO2) [1].  

Für die Entwicklung  von Pizza-Fertigteigzubereitungen – wie sie sich mittlerweile in den Kühlregalen jedes Supermarktes finden – wurden Entwicklungstestreihen durchgeführt, die sowohl diverse Hefestämme als auch Teigrezepturen und deren Gasbildungsprozesse analysierten [2]. [1]Quelle: https://wissensforum-backwaren.de/wp-content/uploads/kap_VI-2_Teiglockerung_Hefeteig.pdf -  S.VI-2.1:Biologische Teiglockerung – Hefeteig
[2]Quelle: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/verstehen-was-im-teig-passiert/

Temperaturabhängige Gärung

Wie alle biochemischen Reaktionen unterliegen auch die Gärungsreaktionen des Pizzateiges der Temperaturabhängigkeit. Die Hefeaktivität und damit die Gärzeit ist eine Funktion der Temperatur und der Hefemenge. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Gärung erhöht sich normalerweise mit steigender Temperatur exponentiell. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die Hefeaktivität bis zu einem Gärungsoptimum bei etwa +35 °C, um darüber hinaus wieder steil abzufallen [3]. Für konventionellen Pizzateig gilt für Temperaturen bis  +35 °C: je wärmer es ist, desto schneller erfolgt die Gasbildung. 

Höhere Temperaturen bremsen und schädigen die zelluläre Enzymolyse der Hefezellen. Die Gärkraft lässt nach und kommt bei Temperaturen um +65 °C durch Gerinnung des Zelleiweißes vollkommen zum Stillstand [4]. 

Aber auch bei einem Rückgang der Temperaturen unter +30 °C bis zum Gefrierpunkt verringert sich die Gärintensität zunehmend. Unter 0 °C ist die Hefe nur noch wenig aktiv. Ihre Inhaltsstoffe (Mineralsalze, Zucker, lösliches Eiweiß) bewirken eine Gefrierpunkterniedrigung des Zellwassers, so dass Hefezellen in der Regel erst bei -7 °C gefrieren. Dabei hält die Hefe über Monate Frosttemperaturen um -20 °C ohne nennenswerte Schädigung der Triebkraft aus. Auch mehrmaliges Einfrieren und Wiederauftauen übersteht sie ohne größere Beeinträchtigung ihrer Aktivität [5].

Unter gekühlten Bedingungen entfalten Hefen ihre Gasbildungsaktivität sehr langsam und über eine Dauer von mehreren Wochen hinweg. Gegenüber Bedingungen in der Wärme handelt es sich hier um mit Zehnerpotenzen reduzierte Aktivitäten [6]. Die Gasbildungsverläufe aus den Teigprobentests zeigen auf dem Gasvolumen-Sonderbad-Monitor die zunächst moderate und später deutlich ansteigende Gasbildungsaktivität an. Entsprechend wird für den gekühlten Pizzateig eine längere Haltbarkeitsspanne gewährleistet, d.h. je kühler die Teigprobe desto länger die Haltbarkeit.

[3]Quelle: https://wissensforum-backwaren.de/wp-content/uploads/20_Die-Gaersteuerung-mittels-Kaeltetechnik_Fachbroschuere.pdf -Die Gärsteuerung mittels Kältetechnik, S.12
[4]Quelle: https://wissensforum-backwaren.de/wp-content/uploads/20_Die-Gaersteuerung-mittels-Kaeltetechnik_Fachbroschuere.pdf -Die Gärsteuerung mittels Kältetechnik, S.28
[5]Quelle: https://wissensforum-backwaren.de/wp-content/uploads/20_Die-Gaersteuerung-mittels-Kaeltetechnik_Fachbroschuere.pdf -Die Gärsteuerung mittels Kältetechnik, S.29
[6]Quelle: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/verstehen-was-im-teig-passiert/

Hefeteig_Gärungskurve.jpg
Abb.: Hefeaktivität in Abhängigkeit von der Temperatur (Gärkurve) Quelle: http://www.wissensforum-backwaren.de/files/lernreihe/kap_VI-2.pdf - S.VI-2.5-1.

Punktgenaue und störungsfreie Messtechnik / Gärprozesssteuerung mit Wärmetechnik

Die größte Herausforderung beim Messen der Teigqualität ist die Bestimmung der Gasbildung des gelösten CO2, welche sich in der Ausdehnung des Teigvolumens manifestiert. 
Für die präzise und sichere Bewertung  des Teigvolumens wurde der Gasvolumen-(Sonderbad)-Monitor entwickelt: Das Messprinzip erfolgt in geschlossenen Messeinheiten mittels einer langzeitstabilen und präzisen Absolutdruckmessung [7]. Dabei ermittelt das Gerät die gebildeten Gasmengen auf Basis der Allgemeinen Gasgleichung (p* V=n*R*T).

Während des Versuchsablaufs werden minimale Druckänderungen aufgezeichnet. Diese dienen als Grundlage zur Berechnung der gebildeten Gasvolumina. Bei Überschreiten eines definierbaren Druckschwellenwertes wird über ein Magnetventil ein kurzzeitiger Druckausgleich mit der Umgebung ausgeführt und anschließen wird die Messeinheit sofort wieder verschlossen und die integrierende Messung konsistent fortgesetzt. Durch die exakte und zeitlich hochauflösende Erfassung der Gasbildung sowie deren abgeleiteten Größen lässt sich die Qualitätssicherung sowie spätere Nachkontrollen von jeweils ein bis zwei Stunden auf etwa eine halbe Stunde senken. Gleichzeitig ermöglichen die neuen zusätzlich gewonnenen Kenngrößen den Zugang zu erweiterten Qualitätsattributen und verbessern auch die Sicherheit bei der Beurteilung von Hefechargen [8].

[7]Quelle: http://www.abiotec.ch/downloads/d_Gasvolumen_Monitor.pdf
[8]Quelle: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/de/fachbeitrag/aktuell/verstehen-was-im-teig-passiert/

Fazit:

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Gasvolumen-(Sonderbad)-Monitor die minutiöse Charakteristik des Pizzateigs auch über lange Zeiträume bzw. große Gasvolumina hinweg störungsfrei und punktgenau messen kann – und das unabhängig von Standort und Umwelteinflüssen. 

Die präzise Bestimmung von Gasbildungsraten über einen sehr weiten Messbereich (> vier Zehnerpotenzen, d.h. von 1 ml pro Tag bis ca. 3 l pro Stunde) hinweg, gewährleistet so optimale Routinemessungen in der Qualitätssicherung von Pizzateigproben [9]. 

Speziell für die Entwicklung neuer Teigrezepturen und Erzeugnisse ist der Gasvolumen-Sonderbad-Monitor ein Präzisionsgerät, das diese kontrollieren und minutiös erfassen kann. Ein robustes jedoch hochgenaues Messgerät, das den sich laufend ändernden Vorlieben, Präferenzen und Erfordernisse des Marktes gerecht wird.

Sämtliche biochemische Reaktionen, die mit einer entsprechenden Gasbildungs- oder Gasverbrauchsreaktion zusammenhängen können so sehr sensitiv und zeitsparend erfasst werden. Auch rein physikalische Effekte, die auf Gassorptions- oder Desorptionsphänomenen beruhen, lassen sich mit Hilfe des Gasvolumen-(Sonderbad)-Monitor ermitteln. Neben der Anwendung in der Lebensmitteltechnologie ist das hochsensitive Messgerät zudem für anspruchsvolle Aufgaben und Fragestellungen im Bereich Pharma und Umwelttechnik unter anderem bei der Biogasproduktion optimal einsetzbar.

[9]Quelle: http://www.abiotec.ch/downloads/d_Gasvolumen_Monitor.pdf

Technische Daten - Spezifikationen

Der Gasvolumen-Sonderbad-Monitor ist für temperaturkontrollierte Bedingungen (Wasserbad, Inkubator, Kühlraum) von 0° C bis ca. +45° C und für kleine Teigmengen im Bereich zwischen 10 und 200 Gramm konzipiert. Auf Wunsch gibt es bereits auch Behältnisse für deutlich größere Probemengen.

Großer Messbereich über 4 Zehnerpotenzen:
 1 ml pro Tag bis ca. 3 Liter pro Stunde

Hohe Auflösung 
0.05 bis 0.2 ml Gas (850 ml oder 2.5l Gefäß)


Die Messköpfe bestehen aus Edelstahl, in einer wassergeschützten Ausführung in deren Gehäuse folgende Funktionen integriert sind:
• Präzisions-Absolutdrucksensor 0.6 bis 1.6 bar 
• hochauflösend, langzeitstabile, temperaturkompensierte Kalibration
• Transmitterelektronik mit RS-485-Schnittstelle 
• elektromagnetisches Spezialventil mit minimaler Leckage-Rate 
• mehrstufiges Überdruck-Sicherheitskonzept (Hardware- und Software basierend)

Messgefäße in verschiedenen Dimensionen 
• Standardvolumina: 850 ml und 2.5 l (kundenspezifische Anfertigung) 
• Tri-Clamp-Dichttechnik mit gasdichter Spezialdichtung 
• Druckzulassung bis 8 oder 10 bar


Spezifikationen des JULABO-Einhängethermostats MA
JULABO-Wärme-Einhängethermostate der TopTech-Reihe sind weltweit im Einsatz und bilden die Basis des JULABO Thermostatenprogramms. Ob in der Grundlagenforschung, bei Materialprüfungen oder in technischen Anlagen – die bewährte und zuverlässige Technik wird von Anwendern aller Branchen geschätzt. 

Der JULABO Einhängethermostat MA aus der TopTech-Reihe ist mit einer Badklammer für Wandstärken bis 26 mm ausgestattet, wobei die Klammer eine schnelle und problemlose Montage an vorhandenen Badgefäßen erlaubt. Alternativ kann auch eine Befestigung an einem Laborstativ erfolgen. Die eintauchenden Bauteile sind aus hochwertigem Edelstahl bzw. Kunststoff und erreichen eine Eintauchtiefe von 16.5 cm (reduzierbar auf 14.5 cm). Das als Zubehör erhältliche Pumpenset ermöglicht externe Temperieraufgaben. Zusätzlich ist eine Anbau-Kühlschlange für Kühlwasseranschluss bei Temperieren nahe oder unterhalb der Umgebungstemperatur erhältlich.

Der JULABO Einhängethermostate MA ist mit einem großen, von weitem gut erkennbaren MULTI-DISPLAY (LED) ausgestattet. Zusätzlich sind Warn-/Sicherheitsfunktionen, ein Übertemperaturschutz und elektronisch einstellbare Pumpenleistungsstufen
(Anzeigenauflösung 0.01/0.1 °C) über ein Komfort-Bedienfeld ersichtlich und abrufbar. Für die maximale Sicherheit der Anwendung ermöglicht die optische und akustische Warnung das rechtzeitige Abschalten im Notfall.

Zusätzlich punktet das Gerät mit einer hochpräzisen PID2 Temperaturregelung mit Störgrößenausgleich und einstellbaren Regelparametern (Konstanz ±0.01...±0.02 °C). Höchste Messsicherheit bietet die ,Absolute Temperature Calibration’ zum Ausgleich einer physikalisch bedingten Temperaturdifferenz und 3-Punkt-Kalibrierung. Die JULABO Einhängethermostate MA sind mit SMART PUMP, den zuverlässigen, elektronisch einstellbaren Pumpenleistungsstufen ausgestattet. Die serielle Anbindung einer RS232 Schnittstelle zur PC-Anbindung ermöglicht Datenkommunikation.

Vorteile der JULABO-Eintauchkühler
Die JULABO Eintauchkühler sind eine kostengünstige und platzsparende Alternative zur herkömmlichen Kühlung mit Leitungswasser, d.h. unnötiger Kühlwasserverbrauch wird vermieden und dies auf geringer Stellfläche. Aufgrund der einfachen Bedienung und Handhabung empfiehlt sich diese Geräteserie für vielfältige Kühlaufgaben. 


Abb.: Gasvolumen-Sonderbad-Monitor mit JULABO-Einhängewärmethermostat MA der TopTech-Reihe und JULABO FT200-Eintauchkühler

Abb.: Gasvolumen-Sonderbad-Monitor mit JULABO-Einhängewärmethermostat MA der TopTech-Reihe

Hefeteig_GVM in Waterbath Thermostat.jpg
Abb.: Gasvolumen-Sonderbad-Monitor mit JULABO-Einhängewärmethermostat MA der TopTech-Reihe und JULABO FT200-Eintauchkühler
Hefeteig_Wasserbad-Zuschnitt.JPG
Abb.: Gasvolumen-Sonderbad-Monitor mit JULABO-Einhängewärmethermostat MA der TopTech-Reihe