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Stärkegewinnung und Stärkeaufbereitung

Stärke wurde im Altertum aus Weizen gewonnen und als Zusatz zu Arzneien und als Kleister verwendet.

Vor tausenden Jahren hat man gereiftes Getreide in Wasser eingeweicht, mit Steinen zu einem Getreidebrei zerstampft, mit klarem Wasser vermischt und nach einer Ruhezeit die aufschwimmenden Bestandteile abgegossen. Das helle Sediment auf dem Gefäßboden war hauptsächlich Stärke.

Dieser Bodensatz wurde anschließend in der Sonne getrocknet. Auf ähnliche Weise gewannen unsere Vorfahren später Kartoffelstärke aus zerkleinerten Kartoffeln. In Europa entwickelte sich die Stärkeindustrie als landwirtschaftliches Nebengewerbe. Man arbeitete mit einfachsten Geräten, die erst im Zuge der Industrialisierung zu verfahrenstechnischen Spezialmaschinen weiterentwickelt wurden. Dadurch verbesserten sich Reinheitsgrad, Ausbeute und Kostenstruktur.

Nutzpflanzen mit ihren ungefähren Stärke- und Amyloseanteilen

Rohstoffe für die Stärkegewinnung sind in Europa Kartoffeln, Weizen und Mais, außerhalb Europas wird Stärke auch aus den Nutzpflanzen Tapioka und Reis gewonnen. Das Handelsprodukt Stärke (C6H10O5)n darf heute maximal 3% Fremdstoffe enthalten. International hat sich folgende Regelung durchgesetzt: Der maximal zulässige Proteingehalt in der Trockenmasse von Stärke ist begrenzt. Er beträgt für Getreidestärke 0,58 % und für Kartoffelstärke 0,13 %.

Proteinarme Weizenstärke wird für diätetische Nährmittel gewonnen (z.B. Zöliakie). Der Codex alimentarius (internationales Regelwerk für Lebensmittel) definiert Stärke als glutenfrei, wenn der Proteingehalt (Gluten) weniger als 20 mg/kg beträgt. Heutige Analyseverfahren können Restproteingehalte unter 5 mg/kg nachweisen.

Schon sehr früh in der Menschheitsgeschichte wurden die vielfältigen Eigenschaften der Stärke genutzt.

Ähnlichkeit der Molekülstruktur von Cellulose und Stärke: Je nachdem, ob sich die anomere OH-Gruppe des Zuckers A in α- (= unten) oder β-Stellung (= oben) befindet, bildet sich eine α-glycosidische oder eine β-glycosidische Bindung. Die Zahlen 1,4 und 1,6 geben die entsprechenden C-Atome im Glucosemolekül an.

Die chemische Zusammensetzung von Cellulose und Stärke ist sehr ähnlich.

Der Energieträger Stärke entsteht durch Photosynthese und ist in den Knollen und Samen aller Pflanzen eingelagert. Tausende von Glukosemolekülen vernetzen sich helixförmig zu einem Stärkemolekül, das in das Stärkekorn eingebaut wird.

Enzyme bestimmen den Aufbau und die Struktur der Stärkekörner. Sie können Glukosemoleküle zu einem langen glykosidischen Strang verknüpfen. Diese Struktur wird als Amylose bezeichnet. Werden Seitenketten an den Strang angehängt, spricht man von Amylopektin.

Interessant ist die molekulare Ähnlichkeit von Stärke- und Cellulosemolekülen. Stärke ist der Energiespeicher der Pflanzen, während Cellulose das Zellgerüst der Pflanzen bildet - mit beeindruckender Festigkeit und Elastizität, man denke nur an Holz oder 4 m hohe Hanfhalme.

Je nach Stärkeart sind die Stärkekörner unterschiedlich groß. Der Durchmesser der Stärkepartikel kann bei Kartoffeln über 100 µm betragen, bei Weizen 2 bis 35 µm, bei Mais 5 bis 25 µm und bei Amaranth nur 0,5 bis 3 µm. Weizenstärke weist eine bimodale Verteilung der Stärkekörner auf. Dies wird ausgenutzt, um einerseits eine hochreine A-Weizenstärke (20 - 35 µm) und andererseits eine kleinkörnige B-Weizenstärke (2 - 10 µm) mit höherer Verunreinigung herzustellen.  

Je nach Herkunft weist die Stärke normalerweise einen Amylosegehalt von 14 % bis 27 % und einen Amylopektingehalt von 73 % bis 86 % auf. Spezielle Pflanzenzüchtungen liefern jedoch auch Stärke mit einem Amylopektingehalt von bis zu 99 % oder einem Amylosegehalt von bis zu 85 %.

Stärke- und Amylosegehalt verschiedener Feldfrüchte

Mit einem „Viscographen“ oder „Rapid-Visco-Analyzer“ steht eine anschauliche Messtechnik zur Verfügung, um die Verkleisterungscharakteristik verschiedener Stärkelösungen miteinander zu vergleichen. Dabei wird eine Stärke-Wasser-Suspension unter ständigem Rühren erwärmt und abgekühlt. Der Rührwiderstand wird gegen die Zeit aufgetragen.

Stärkelöslichkeit

Stärke ist in kaltem Wasser unlöslich, aber Stärkekörner können leicht und reversibel quellen, wodurch sich ihr Volumen um bis zu 28 % vergrößert. Wird der Stärke Wasser entzogen, geht die Quellung zurück.

Native Stärke kann Wasser oder feuchte Güter gut binden, aber meist nicht dauerhaft und insbesondere nicht bei wechselnden Temperaturen. Stärke wird daher modifiziert, um die Gelbildung zu beschleunigen, zu steuern oder zu stabilisieren. Modifizierte Stärke kann Flüssigkeiten verfestigen. Sie kann die Konsistenz von Flüssigkeiten stabilisieren. Die Konsistenz ist dann unabhängig von Wärme-Kälte-Einflüssen und unabhängig von Scherstress.

Modifizierte Stärken können sowohl hydrophile als auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Damit wird die Stärke an die Bedürfnisse der Produzenten angepasst. Im Lebensmittelbereich sind dies insbesondere Convenience-Produkte und die Backmittelindustrie mit den Prozessschritten Kochen, Backen, Rösten, Schockfrosten, Auftauen, Beeinflussung von Maillard-Reaktionen.

Bei der Modifizierung von Stärke werden im Wesentlichen 3 Arten unterschieden

Physikalisch:

durch Wärmebehandlung, Mahlen, Vorverkleistern, Walzentrocknen, Extrudieren oder Agglomerieren. Diese Behandlung ist für Lebensmittel nicht deklarationspflichtig. Je nach angestrebter Kaltlöslichkeit kommt die kostengünstige Walzentrocknung oder die teurere Sprühtrocknung zum Einsatz. Letztere wird meist mit einer Wirbelschichtagglomeration kombiniert, wenn die Stärke besonders gute Instanteigenschaften aufweisen soll.

Chemisch:

Die Stärke wird in einem Rührkessel in Wasser suspendiert und nach Zugabe geringer Mengen Säure oder Lauge vorsichtig erwärmt, ohne dass die Verkleisterungstemperatur erreicht wird. Nach Einstellung eines bestimmten pH-Wertes wird ein modifizierendes Reagenz zugegeben. Nach Neutralisation, Waschen, Filtrieren und Trocknen liegt die Stärke mit völlig veränderten Eigenschaften vor. Wird Stärke chemisch umgewandelt, abgebaut, dextriniert, verestert, verethert oder oxidiert, muss sie in Lebensmitteln als Zusatzstoff mit E-Nummer oder als modifizierte Stärke deklariert werden.

Soll trotz wirksamer Modifizierung die kristalline Struktur der Stärkekörner weitgehend erhalten bleiben, kann die Methode der chemischen Vernetzung der Stärkemolekülgruppen mit geeigneten Hydroxylgruppen wie Ethylen- oder Propylenoxid oder Dicarbonsäuren angewendet werden. Dadurch wird die Löslichkeit der Stärke herabgesetzt, die Verkleisterungstemperatur erhöht und je nach Vernetzungsgrad die Retrogradation unterdrückt.

Enzymatisch:

Die enzymatische Hydrolyse von Stärke ist ein hocheffizientes Verfahren zur Verzuckerung von Stärke zu Süßungsmitteln. So wie Enzyme Molekülstrukturen organisieren und verknüpfen, Molekülketten und Seitenketten bilden, so können Enzyme auch solche Stärkemoleküle spalten. Die enzymkatalytische Hydrolyse von Stärke verläuft im Gegensatz zur chemischen Spaltung langsamer, aber auch bei geringerer Erwärmung. Entsprechende Enzyme können aus Schimmelpilzen, Bakterien oder der Bauchspeicheldrüse von Rindern gewonnen werden. Nach der Reaktion werden die Enzyme vollständig aus dem Stärkederivat ausgewaschen oder inaktiviert. Der Grad des Stärkeabbaus kann genau eingestellt werden, so dass eine Vielzahl von Produkten (Stärkesirup) zur Verfügung steht. Diese Form der Modifikation ist nicht deklarationspflichtig. Alternativ kann die Stärke auch mit einer Säure aufgeschlossen werden (saure Hydrolyse).

Eine besonders schonende und effiziente Art der Kontakttrocknung findet im vertikalen Vakuum-Mischtrockner von amixon® statt. Bei besonders niedrigen Temperaturen und schonender Umwälzung werden sehr schnell hohe Verdampfungsgrade erreicht

Glykosidisch vernetzte Stärkemoleküle.

Maltodextrin, z. B. für Instantgetränke, Gewürzzubereitungen, Fruchtzubereitungen und Speiseeis, kann auf diese Weise effizient gewonnen werden. Die Stärke wird in Wasser mit alpha-Amylase unter langsamem Rühren suspendiert und langsam erhitzt. Dabei werden definierte Rühr- und Verweilzeiten bei unterschiedlichen Temperaturen eingehalten, um einen möglichst vollständigen enzymatischen Abbau zu erreichen. Anschließend wird die Suspension mehrfach gewaschen, zentrifugiert und thermisch getrocknet.

Die Unversehrtheit von nativer Stärke lässt sich leicht nachweisen, wenn die Stärkekörner unter polarisiertem Licht mikroskopisch betrachtet werden. Durch die Doppelbrechung erscheinen die nativen Stärkekörner schillernd mit einem dunklen Kreuz, während die behandelten Stärkekörner einfarbig ohne Kreuz erscheinen - offensichtlich, weil ihre Kristallstruktur zerstört ist.

Rheologie: Die Viskosität von Lösungen und Suspensionen kann sich auf verschiedene Weise ändern, wenn die Flüssigkeit gerührt/ gesprüht/ gepumpt/ gefördert wird.

Verkleisterung

Wird Stärke als wässrige Suspension erhitzt, so wird ab einer bestimmten Temperatur das Stärkekorn zerstört, die Quellung nimmt weiter zu und Amylose tritt aus dem Korn aus. Dieser Vorgang wird als Verkleisterung bezeichnet. Die Viskosität nimmt zu, ebenso die Klarheit des Stärke-Wasser-Gemisches und seine elektrische Leitfähigkeit. Es handelt sich um eine strukturviskose Lösung, deren Viskosität umso mehr abnimmt, je stärker die Lösung gerührt oder geschert wird. Beim Abkühlen klart die Lösung auf, die Glucoseketten richten sich parallel aus und bilden neue Wasserstoffbrücken aus. Je nach Art der Stärke bildet sich ein mehr oder weniger stabiles Gel.

Dieses strukturviskose Verhalten ist dem Ausgangszustand genau entgegengesetzt. Feuchte Stärke (Wasser in Stärkesuspension) ist nämlich dilatant. Je höher die Scherbeanspruchung ist, desto stärker steigt die Viskosität an.

amixon® Synthesereaktor / Vakuum-Mischtrockner

Im amixon® Prozessreaktor können Sie Ihre Stärke auf vielfältige Weise modifizieren, mischen und thermisch behandeln. Unter Druck, Inertgasatmosphäre oder Vakuum werden selbst hochkomplexe Prozessabläufe mit exzellentem Stoffumsatz realisiert.

Häufig erfolgt der abschließende Trocknungsschritt im Vakuum-Mischtrockner. Im amixon® Vakuum-Kontakttrockner erfolgt die Trocknung von Suspensionen besonders effektiv - auch bei niedrigem Temperaturniveau. In Einzelfällen kann die Dilatanz von Stärkesuspensionen den Strömungsprozess behindern. amixon® verfügt über große Erfahrung im Umgang mit hochviskosen Produkten (dilatant, strukturviskos oder tixotrop). amixon® Apparate stehen für sichere Reaktionsführung. Auch wenn die Verarbeitung (Mischen, Reagieren, Suspendieren, Desagglomerieren, Coaten, Konditionieren, Vakuum-Kontakttrocknen) in großen Chargen erfolgt.

amixon® Synthesereaktor/ Vakuummischtrockner Baugröße VMT 12000

Die Bäckerei- und Konditoreiindustrie ist ein wichtiger Initiator für die Entwicklung von deklarationsfreien Stärkederivaten

Das Anwendungsspektrum von Stärke ist vielfältig.

Stärke beeinflusst die Textur (Schleimigkeit) und Trübung, Filmbildung, Gelbildung und Retrogradation. Wo immer Stärke in der Lebensmittelindustrie eingesetzt wird, sollte sie geschmacksneutral sein und die Endanwendung für den Verbraucher verbessern. Darüber hinaus soll sie das Mundgefühl positiv unterstützen, je nachdem, um welches Lebensmittel es sich handelt.

  • Ein Kuchenaufstrich soll kaltquellend sein, schnell zubereitet werden können, den cremigen Geschmack unterstützen, aber beim Schneiden der Kuchenstücke eine dauerhafte Elastizität und Formstabilität aufweisen
  • Eine sprühgetrocknete Babynahrung soll gute Instanteigenschaften und eine geeignete flüssige Konsistenz aufweisen
  • Ein Fruchtdessert auf Milchbasis oder ein Joghurt soll sich im Mund erfrischend, kühlend, aber keinesfalls klebrig oder pelzig anfühlen, andererseits aber in der Hochleistungsabfüllmaschine gut dosierbar und tropffrei sein.
  • Eine Grillsoße soll sich bequem aus der Flasche dosieren lassen und das Grillgut trotz Hitzeeinwirkung dickflüssig und hochviskos benetzen, im Mund aber beim Kauen die Gewürzaromen auf natürliche Weise entfalten.
  • Eine mit Stärke gepuderte Panade oder ein Backteig soll das Gargut gleichmäßig benetzen und fest anhaften. Unabhängig davon, ob das Gericht sofort verzehrt oder erst eingefroren, verpackt und gelagert wird.
  • Ein Instantgetränkepulver soll sich auch nach längerer Lagerung schnell und klumpenfrei in der flüssigen Phase dispergieren. 
  • In einem mehrstufigen Wirbelschichtverfahren können selbst leichtflüchtige oder oxidationsempfindliche Flüssigkeiten mit Hilfe von Stärke mikroverkapselt werden.

Retrogradation ist in der Regel unerwünscht.

Zuvor gebundenes Wasser wird verzögert wieder freigesetzt. Gele können sich verflüssigen. Solche Vorgänge treten besonders bei Temperaturänderungen auf, wie z.B. beim Abkühlen nach dem Kochen oder beim Auftauen von Gefriergut. Die unerwünschte Retrogradation kann durch Verwendung modifizierter Stärken oder durch Zusatz geeigneter Emulgatoren vermindert werden.

amixon® Hochleistungstrockner mit 6,5 m³ Nutzinhalt. Dieser Vakuum-Mischtrockner verfügt über sehr viele Wärmetauscherflächen. Auch die Mischwerkzeuge sind komplett beheizt. Kontakttrockner arbeiten sehr effektiv. Das Mischgut wird thermisch kaum belastet. Das getrocknete Produkt kann mit Beschichtungsstoffen veredelt werden.

Bedeutung und Ausblick

In Deutschland sind die meisten Stärkearten untereinander austauschbar, insbesondere wenn sie modifiziert eingesetzt werden. Kartoffelstärke ist in der Regel teurer als Getreidestärke, da Kartoffelknollen nur saisonal verfügbar sind und bei der Herstellung wenig Koppelprodukte anfallen. Das Angebot an Weizenstärke nimmt derzeit zu, da insbesondere Weizengluten als Koppelprodukt an Bedeutung gewinnt. Weizenkleber / Weizenprotein war schon immer ein geschätztes Koppelprodukt, das in getrockneter Form für die Backwarenindustrie oder für die Tierernährung zur Verfügung stand. Heute dient Weizengluten auch als Basis für Fleischersatzprodukte und ist vergleichsweise teuer geworden. Die Gewinnung von Stärke aus Weizen wird daher immer interessanter.

Der Gesamtverbrauch an Stärke liegt in Europa bei ca. 12 Mio. t mit einer jährlichen Steigerung von ca. 2%. In den USA beträgt die Steigerung ca. 4%, in Südamerika ca. 4,5% und in Asien sogar 7% pro Jahr. Etwa 10% der weltweit produzierten Stärke wird in der chemischen Industrie verwendet, etwa 30% in der Papier- und Wellpappenindustrie, 30% in der Lebensmittelindustrie und etwa die gleiche Menge wird für die Getränke- und Süßwarenindustrie modifiziert oder verzuckert. Es wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Stärke und Stärkederivaten in allen Industriezweigen weiter steigen wird.

Festflüssigtrennung, die thermische Trocknung ist ein kostenintensiver Verfahrensschritt.

Soll die Stärke oder das Stärkederivat als Pulver auf den Markt gebracht werden, liegt die große verfahrenstechnische Herausforderung in der Fest-Flüssig-Trennung. Diese erfolgt im ersten Schritt mechanisch in horizontal rotierenden Schälzentrifugen oder vertikal rotierenden Separatoren. Die Trennung erfolgt aufgrund der Dichteunterschiede zwischen Wasser und Feststoff. Daran schließt sich die thermische Trocknung an. Hier kommen meist kontinuierlich arbeitende Walze-Kontakttrockner oder Konvektionstrockner wie Stromtrockner, Ringtrockner oder auch Mahltrockner zum Einsatz. Das Wasser wird durch heiße Luft verdampft, während die feuchte Stärke pneumatisch verwirbelt und als trockener Staub ausgetragen wird.

Die Lebensmittelindustrie ist ein wichtiger Motor für den Einsatz und die Weiterentwicklung von Stärkederivaten.

Weltweit profitiert die Nahrungsmittelproduktion von den technologischen Entwicklungen der Stärkeindustrie.

Stärke und deren Derivate

  • als Zusatzstoff für Instant-Nahrungsmittel 
  • als Füllstoff für Nahrungsergänzungstabletten
  • als Viskositätsregler und Trübungsmittel für Instantgetränke
  • zur Erhöhung der Cremigkeit bei der Herstellung von Desserts
  • zur Konditionierung von Saucen für Tiefkühlfertiggerichte
  • als Basis für Oleoresine bei der Aroma- und Gewürzveredelung
  • zur Erhöhung des Wasserbindevermögens bei der Wurst- und Fleischverarbeitung
  • als Bindemittel in Großküchen und Kantinen
  • als Füllmittel für Geschmacksverstärker
  • als Zusatz zu Zucker zum Überziehen der Partikel mit Fett
  • als Zusatz für Backmittel und backfertige Mehle
  • als Konditionierungsmittel für Panade

So vielfältig wie Stärke und ihre Derivate in der Lebensmittelindustrie eingesetzt werden, so vielfältig ist auch ihre Verwendung in der pharmazeutischen Industrie.

  • als Gleitmittel für medizinische Handschuhe
  • als Füllstoff, um Tabletten auf eine handliche Größe zu bringen
  • als Überzugs- und Sprengmittel für Tabletten
  • als Grundstoff für medizinische Puder und Deodorants
  • als Bindemittel für medizinische Wirkstoffe
  • zum Strecken von kosmetischem Rouge
  • als Trenn- und Gleitmittel für den störungsfreien Betrieb von Tablettenpressen
  • als Puderungsmittel, um klebrige Partikel dauerhaft voneinander zu trennen
  • als Viskositätsregler für Cremes, Emulsionen, Salben und sogar Aerosole

Auch in der Schwerindustrie werden Stärkederivate eingesetzt.

  • bei der Herstellung von Flockungsmitteln und Entschäumern für die Wasseraufbereitung
  • zur Herstellung von Kühlschmierstoffen für Tunnel- und Erdbohrungen
  • zur Einstellung der Fließfähigkeit von Beton für Betonpumpen
  • zur Konditionierung von Formsanden in der Gießereiindustrie
  • zum Glätten von Baumwollfäden, um sie verschleißfrei verweben zu können, in der Textilherstellung
  • als Klebstoff für Briefmarken und Wellpappe
  • zur Herstellung von Holzleimen
  • als Glättungs- und Konditionierungsmittel bei der Papierherstellung

Je nach Anwendung und Branche werden Gewürze unterschiedlich aufbereitet. Stärke dient häufig als Trägersubstanz, um Oleoresine als pulverförmige Vormischung agglomeratfrei applizieren zu können.

Stärkederivate sind ein wichtiger Bestandteil von Instantgerichten. Der Kunde wünscht „Gelinggarantie“, hohen Genuss, lange Haltbarkeit und weitgehende Natürlichkeit.

Stärke als Trägersubstanz für Aromen und Geschmacksbildner

Wenn Stärke und Stärkederivate als Trägerstoff für flüssige Aromen, Oleoresine, Lebensmittelfarben, Backextrakte, Öle und Fette eingesetzt werden, bedarf es großer Erfahrung, um eine schnelle und gleichmäßige Benetzung zu erreichen. Denn oberstes Ziel muss es sein, den Energieeintrag so gering wie möglich zu halten. Je kühler die Gesamtmischung die Mischanlage verlässt, desto besser funktionieren später Abfüllung, Lagerung, Qualitätserhaltung und Frischekonsistenz. Die Herstellung von Aromen und Geschmacksstoffen, Fertiggerichten, Suppen, Dips und Saucen ist oft ein mehrstufiger Prozess.

Spezifische Coating-Effekte sollen die flüssigen Wirkstoffe umschließen und schützen. Dabei besteht ein großer Zielkonflikt zwischen einer möglichst hohen Beladung mit flüssigen Wirkstoffen einerseits und einer möglichst guten Fließfähigkeit der fertigen Mischungen andererseits.

Versuche im amixon® Technikum

Pulverförmige Stärken und Stärkederivate sind in den meisten Fällen unersetzliche Zusatzstoffe zur Herstellung von Pulvermischungen für die oben genannten Produkte. In diesem Zusammenhang ist der Mischer von entscheidender Bedeutung. Er muss in kurzer Zeit - ohne Erwärmung der Mischgüter - eine ideale Mischgüte erzeugen, die in der Praxis nicht mehr verbessert werden kann. Erschwert wird dieser Prozess, wenn flüssige Additive in die Rezepturen eingearbeitet werden, was häufig der Fall ist. Stärken und ihre Derivate sind in der Regel feindispers, anhaftend und wenig rieselfähig. Als Produkte organischen Ursprungs sind sie außerdem mäßig bis stark staubend. Häufig neigen sie dazu, an den Mischwerkzeugen und an den Wänden des Mischraums anzuhaften.

amixon® verfügt über mehr als 30 Präzisionsmischer und Synthesereaktoren. Wir laden Sie zu Versuchen ein und bieten Ihnen bewährte Lösungen, die auf unserer 40-jährigen Erfahrung basieren.

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