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 Bodenbelag wurde abschließend in der Sonne getrocknet. Ähnlich sind unsere Vorfahren später vorgegangen um Kartoffellestärke aus zerriebenen Kartoffeln zu gewinnen. In Europa entwickelte sich die Stärkeindustrie als landwirtschaftliches Begleitgewerbe. Man operierte mit einfachsten Vorrichtungen, die erst im Zuge der Industrialisierung zu verfahrenstechnischen Spezialmaschinen weiterentwickelt wurden. So verbesserten sich Reinheitsgrad, Ausbeute und Kostenstruktur.
ca. 3500 vor Chr. | Stärke wird als Kleb- und Glättstoff für Papyrusblätter genutzt |
ca. 200 vor Chr. | Schriftliche Überlieferung einer Verfahrensbeschreibung zur Stärkegewinnung aus Getreide aus Griechenland und Ägypten |
700 - 1300 | Stärke wird zur Aufhellung und Glättung in bei der Papierherstellung genutzt |
1400 | Stärke dient als Bügelhilfe zur Versteifung von Kleidungstücken |
1600 | Stärke ist Basispulver für Puder, Schminke und Haarfärbemittel |
1700 | Stärke wird in den USA aus Mais und Kartoffeln gewonnen |
1770 | Stärkekleber wird zur Schlichtung von Garnen genutzt |
1811 | Chemische Modifizierung/ Stärkeverzuckerung durch Säurekatalyse |
1890 | In Deutschland gibt es ungefähr 250 Betriebe die Stärke herstellen |
heute | In Deutschland arbeiten ca. 2600 Personen in der Stärkeindustrie in 14 Fabriken. Stärkeproduktion in Europa ca. 12 Millionen t. |
Rohstoffe zur Stärkegewinnung sind innerhalb Europas Kartoffeln, Weizen und Mais, wohingegen außerhalb Europas die Stärke auch aus den Feldfrüchten Tapioka und Reis gewonnen wird. Das Handelsprodukt Stärke (C6H10O5)n darf heute maximal 3% Fremdstoffe enthalten. So hat sich im internationalen Stärkemarkt durchgesetzt, dass der Rohproteingehalt von Getreidestärke max. 0,58 % in der Trockenmasse betragen darf, in der Kartoffelstärke 0,13 %.
| durchschnittlicher Stärkegehalt in Gewichtsprozent | Amyloseanteil in der Stärke |
Weizen | 60-70 | 20-26 |
Mais | 62-70 | 0-85 |
Markerbsen | 30-40 | 50-80 |
Reis | 70 | 0-25 |
Gerste | 60-70 | 60-70 |
Kartoffel | 10-20 | 20-28 |
Kartoffel gentechnisch verändert | 10-20 | 0 |
Nutzpflanzen mit ihren ungefähren Stärke- und Amyloseanteilen
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.
Stärke besteht ausschließlich aus Glukose und ist der eigentliche Energieträger der allermeisten Pflanzen. Sie wird durch Fotosynthese mit Glukcose als
n C6H12O6 – (n-1) H2O –> (C6H10O5)n
Glukose Stärke
Zwischenstufe gebildet und in den Pflanzenknollen und -samen in Form von Stärkekörnern deponiert. Tausende Glukose Moleküle vernetzen miteinander in Form einer Helix und bilden ein Stärkemolekül, die das wiederum im Stärkekorn eingebettet werden wird.
Enzyme bestimmen den Aufbau und die Struktur der Stärkekörner. Sie können die Glukose-Moleküle als einen langen Strang glykosidisch binden. Dieser Aufbau wird Amylose genannt. Werden Seitenketten an den Strang angegliedert spricht man von Amylopektin.
Interessant ist die molekulare Ähnlichkeit der Stärke- und der Zellulosemoleküle. Die Stärke ist das Energiedepot der Pflanzen, wohingegen die Zellulose das Zellgerüst der Pflanzen bildet - mit beeindruckend hoher Festigkeit und Elastizität, denken wir an Holz oder 4 m hohe Hanfhalme. | |
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Je nachdem, ob die anomere OH-Gruppe des Zuckers A in α- (= unten) oder β-Stellung (= oben) vorliegt, bildet sich eine α-glykosidische Bindung oder eine β-glykosidische Bindung. Die Zahlen 1,4 und 1,6 weisen auf die jeweiligen C-Atome im Glukosemolekül hin. | |
Stärke entsteht aus der α-Bindung. Jedes Glukosemolekül hat verschiedene Seitengruppen. Diese OH-Gruppen benachbarter Moleküle gehen zusammen. Es wird Wasser abgeschieden. So entsteht die Verbindung zwischen zwei Glukosemolekülen. Stärkegranulate bestehen aus tausenden glykosidisch verbundener Glukosemoleküle.
| Cellulose entsteht aus der β-Bindung. Wenn sich gegenüberliegende OH-Gruppen miteinander verbinden, entsteht ein linearer Strang von Glukoseeinheiten. Diese Form des Moleküls finden wir in der Cellulose, den Stabilisatoren aller Pflanzen. Blog Artikel: Komplexe Anlagentechnik in der Celluloseaufbereitung |
Ähnlichkeit der Molekülstruktur von Cellulose und Stärke
Je nach Stärkeart sind die Stärkekörner unterschiedlich groß. Die Durchmesser der Stärkepartikel in Kartoffeln können über 100 µm betragen, die des Weizens betragen 2 bis 35 µm, die vom Mais 5 bis 25 µm und vom Amaranth nur 0,5 bis 3 µm. Bei Weizenstärke liegt eine bimodale Verteilung der Stärkekörner vor (Häufigkeitsverteilung mit 2 Maxima). Dieses macht man sich zu nutze, um zum einen eine hochreine A-Weizenstärke (20 – 35 µm) und zum anderen eine kleinkörnige B-Weizenstärke (2 – 10 µm) mit höherer Verunreinigung zu produzieren.
Stärke weist normalerweise je nach Ursprung einen Amyloseanteil von 14 % bis 27 %, sowie einen Amylopektinanteil von 73 % bis 86 % auf. Spezielle Pflanzenzüchtungen bringen aber auch Stärkearten hervor, die bis zu 99 % Amylopektin oder bis zu 85 % Amylose enthalten.
| Amylose | Amylopektin |
Jodbindevermögen | 20% | 0 bis 1% |
Farbe der Jodkomplexe | tiefblau | rot-violett |
Lösungsstabilität | instabil | stabil |
Dickungsleistung | gering | hoch |
Retrogradation; Rückbildung zuvor verkleisterter Stärke | irreversibel | reversibel |
Gelbbildung/ Vernetzung | stark und schnell | gering und langsam |
Unterscheidungsmerkmale der beiden Stärkebestandteile: Amylose und Amylopektin
In kaltem Wasser ist Stärke nicht löslich, aber die Stärkekörner können reversibel leicht quellen, so dass sich deren Volumen bis 28 % erhöht. Wird der Stärke Wasser entzogen, geht die Quellung zurück.
Native Stärke kann Wasser oder feuchte Güter gut binden, aber zumeist nicht dauerhaft und auch insbesondere nicht bei variierenden Temperaturen. Stärke wird daher modifiziert um deren Verkleisterung zu beschleunigen, zu steuern oder zu stabilisieren, Flüssigkeiten zu versteifen und deren Konsistenz unabhängig von Wärme-Kälteeinflüssen oder bei Rührbewegung zu stabilisieren.
Modifizierte Stärken können hydrophile, aber auch hydrophobe Eigenschaften aufweisen. So wird die Stärke an die Bedürfnisse der Produzenten angepasst. Im Lebensmittelbereich sind dieses insbesondere Convenience-Produkte und die Backmittelindustrie mit den Prozessschritten Garen, Backen, Rösten, Schockgefrieren, Auftauen, Beeinflussung der Maillard-Reaktionen.
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Chargenweises Mischen versus kontinuierlichem Mischen. Welche Vorteile und Nachteile haben die Verfahren?
Physikalisch:
Chemisch:
Enzymatisch:
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Was sind typische Kriterien um
herauszufinden ob das System einen flachen Boden oder einen konischen Boden
aufweisen sollte?
Die Unversehrtheit einer naturbelassenen (nativen) Stärke kann einfach nachgewiesen werden, wenn die Stärkekörner bei polarisiertem Licht mikroskopisch betrachtet werden. Die Doppelbrechung lässt native Stärkekörner schillernd mit einem dunklen Kreuz erscheinen während behandelte Stärkekörner einfarbig ohne Kreuz erkennbar sind – offensichtlich, weil deren kristalline Struktur zerstört ist.
Erhitzt man Stärke als wässrige Suspension, dann wird das Stärkekorn ab einer bestimmten Temperatur zerstört, die Quellung nimmt weiter zu und Amylose tritt aus dem Korn aus. Diesen Vorgang nennt man Verkleisterung. Die Viskosität nimmt zu, ebenso wie die Klarheit des Stärke-Wassergemisches und dessen elektrische Leitfähigkeit. Es handelt sich um eine strukturviskose Lösung, deren Viskosität sich umso mehr verringert je stärker die Lösung gerührt oder geschert wird. Im Zuge des Abkühlens klart die Lösung auf, die Glukoseketten richten sich parallel aus und bilden neue Wasserstoffbrücken. Je nach Art der Stärke bildet sich ein mehr oder minder stabiles Gel aus.
Dieses strukturviskose Verhalten ist genau gegensätzlich zum Anfangszustand. Nasse Stärke (Wasser -in Stärke-Suspension) ist nämlich dilatant. Je höher der Scherstress stattfindet, desto mehr steigt die Viskosität. In besonderen Fällen können Antriebskomponenten und Mischwerkzeuge sogar wegen der Blockadewirkung brechen oder plastisch verformen.
Stärkeart | Verkleisterungstemperatur [°C] | Quellvermögen (-fach) |
Kartoffel | 56 - 66 | 1 000 |
Mais | 75 - 80 | 24 |
Weizen | 80 - 85 | 21 |
Reis | 61 - 78 | 20 |
Wachsmais | 63 - 72 | 64 |
Verkleisterung von Stärke hat hohe Bedeutung bei verschiedenen industriellen Anwendungen
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Mit einem „Viscograph“ oder einem „Rapid-Visco-Analyzer“ verfügt man über eine anschauliche Messtechnik, wenn man die Verkleistungscharakteristik verschiedener Stärken miteinander vergleichen will. Dabei wird eine Stärke-Wasser-Suspension unter ständigem Rühren erwärmt und gekühlt. Der Rührwiderstand wird kontinuierlich gemessen und über die Zeit aufgetragen.
Stärkesuspensionen sind manchmal schwer fließend, weil sich ihre Viskosität erhöht, wenn man die Stärkesuspension agitiert. Mit dem vorstehend gezeigten Synthesereaktor / Vakuumtrockner können Sie sogar hoch komplexe Rezepturen aufbereiten. Die ideale Vermischung ist in der Regel immer gut möglich.
Sie können Ihre Stärke in verschiedenster Form modifizieren, mischen, thermisch behandeln und unter Vakuumanlegung thermisch trocknen. Das Vakuumtrocknen funktioniert besonders schnell insbesondere bei niedrigem Temperaturniveau.
Weitergehende Eigenheiten von verflüssigter Stärke sind Textur (Schleimigkeit) und Trübung, Filmbildung, Gelbildung und Retrogradation. Egal wo Stärke in der Lebensmittelindustrie zur Anwendung kommt, sie soll geschmacksneutral sein und sie soll die Endanwendung im Sinne des Verbrauchers verbessern. Darüber hinaus soll sie das Mundgefühl passend zur jeweiligen Speise positiv unterstützen.
Retrogradation ist meistens unerwünscht. Zuvor gebundenes Wasser wird zeitverzögert wieder freigesetzt. Gele können sich verflüssigen. Solche Vorgänge werden besonders sichtbar, wenn Temperaturänderungen stattfinden wie Abkühlung nach dem Kochen oder Auftauen einer gefrorenen Ware. Man kann unerwünschte Retrogradation reduzieren, wenn man modifizierte Stärken verwendet oder auch wenn man geeignete Emulgatoren zusetzt.
Die Stärkeverkleisterung findet endotherm statt – ähnlich als wenn Kristalle in Lösung gehen. Somit ist entsprechend Wärme zuzuführen. In Deutschland sind die meisten Stärkearten untereinander austauschbar; insbesondere, wenn sie modifiziert zur Anwendung kommen. Die Kartoffelstärke ist zumeist teurer als Getreidestärke, weil die Kartoffelknollen nur saisonal verfügbar sind und bei der Herstellung wenige Koppelprodukte anfallen. Momentan nimmt das Angebot an Weizenstärke zu, weil insbesondere dem Weizenkleber als Koppelprodukt wachsende Bedeutung beigemessen wird. Weizenkleber / Weizeneiweiß war schon immer ein geschätztes Begleitprodukt, dass man in getrockneter Form für die Backwarenindustrie oder für die Tierernährung verfügbar gemacht hatte. Heute dient der Weizenkleber auch als Basis für Fleischersatzprodukte und ist vergleichsweise teuer geworden. Das macht die Stärkegewinnung aus Weizen zunehmend interessant.
Der Gesamtverbrauch an Stärke beträgt in Europa ungefähr 12 Millionen t, wobei die Steigerung ungefähr 2% pro Jahr beträgt. In den USA beträgt die Steigerung ungefähr 4%, in Südamerika ca. 4,5% und in Asien sogar 7% pro Jahr. Ungefähr 10% der weltweit produzierten Stärke wird in der chemischen Industrie verwendet, ungefähr 30% in der Papier- und Wellpappenindustrie, 30% in der Lebensmittelindustrie und etwa gleichviel wird modifiziert oder verzuckert für die Getränke- und Süßwarenindustrie. Es wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Stärke und deren Derivaten in allen Industriebereichen weiter steigen wird.
Soll die Stärke oder das Stärkederivat als Pulver in den Markt gelangen, dann bestehen die großen verfahrenstechnischen Herausforderungen in der Fest-Flüssigtrennung. Das geschieht im ersten Schritt mechanisch in horizontal drehenden Schälzentrifugen oder vertikal drehendenden Separatoren. Die Trennung erfolgt aufgrund der differierenden Dichte zwischen Wasser und Feststoff. Dann schließt sich der thermische Trocknungsschritt an. Hier kommen zumeist Konvektionstrockner wie Stromtrockner, Ringtrockner oder auch Mahltrockner zum Einsatz. Das Wasser wird von heißer Luft ausgetragen, wobei die feuchte Stärke pneumatisch verwirbelt und gefördert wird. Die thermische Trocknung ist ein besonders kostenintensiver Prozessschritt.
An dieser Stelle sei kurz
die
Vakuum-Kontakt-Mischtrocknung
erwähnt,
wenn es um die schonende Trocknung hochwertiger Derivate geht, wie
beispielsweise Traubenzucker. Sämtliche Flächen des Apparates sind
erwärmt. Wird das Vakuum auf 200 mbar Absolutdruck justiert, verdampft
das Wasser bereits bei 60 °C. Die thermische Belastung ist also extrem
niedrig. Die Vertikalbauweise weist viele Vorteile auf, wie besonders
gute Restentleerung und besonders schonende Verströmung der Güter bei
niedrigen Drehfrequenzen.
https://www.youtube.com/watch?v=gVzx8jOgFF0 und https://www.youtube.com/watch?v=StPGmvy-i4E
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Die vorstehend dargestellten amixon® Mischer bieten viele Anwendervorteileer gewährleistet.
So facettenreich wie Stärke und ihre Derivate in der Lebensmittelindustrie verwendet werden, so mannigfaltig kommt sie auch in der pharmazeutischen Industrie zum Einsatz.
Auch in der Prozess- und Schwerindustrie werden verschiedenste Stärkederivate verwendet.
Beispielweise
amixon® Mischer und Reaktoren für die Herstellung von Waschmittel und Metallseifen
Beispielweise
In den allermeisten Fällen sind Stärken und Stärkederivate in pulvriger Form unersetzliche Beigaben zur Herstellung von Pulvermischungen für die vorbenannten Produkte. Dabei ist der Mischer prozessbestimmend. Er muss in kurzer Zeit - ohne die Mischgüter zu erwärmen - eine ideale Mischgüte erzeugen, die in der Praxis nicht mehr verbessert werden kann. Dieser Vorgang wird erschwert, wenn Flüssigstoffbeigaben an den Rezepturen beteiligt sind, was meistens der Fall ist. Stärken und ihre Derivate sind in der Regel sehr feindispers, staubend, stauend und schlecht fließend. Als Produkte organischen Ursprungs sind sie darüber hinaus mäßig bis besonders staubexplosiv. Oft haben sie die Neigung an den Mischwerkzeugen und an den Wandungen des Mischraumes anzuhaften.
Wenn Stärke und Stärkederivate als Träger für Flüssigaromen, Oleoresine, Lebensmittelfarben, Backextrakte, Öle und Fette dienen, bedarf es großer Erfahrung schnell und homogen eine strichreine Benetzung herbeizuführen. Denn das wichtigste Ziel muss lauten, dass die Energieeintragung so gering wie möglich sein soll. Je kälter die Gesamtmischung die Mischanlage verlässt, desto besser funktioniert später die Abfüllung, die Lagerung, der Qualitätserhalt und die Frischekonsistenz. Oftmals handelt es sich in der Aromen- und Geschmackstoffaufbereitung, Instantfood, Suppen, Dips und Soßen um Multi-Stepp-Operationen. Spezifische Ummantelungseffekte sollen die Flüssigwirkstoffe umschließen und schützen. Dabei gibt es einen großen Zielkonflikt, eine möglichst hohe Flüssigstoffbeladung einerseits und die bestmögliche Fließfähigkeit der Fertiggemische andererseits zu erhalten.
amixon ® Industriemischer für die Pulveraufbereitung von Aromen
Es ist unbestritten, dass die Technologie des Mischens Trendsetter für neue verfahrenstechnische und hygienische Standards ist. Insofern können die Mischergebnisse nahezu aller anderen Mischergattungen reproduziert werden und meistens auch verbessert werden. Oft müssen im Rahmen von Produktentwicklungen neue Verfahrensabläufe etabliert werden. Für dreierlei Pilotierungen halten wir ideal konstruierte Präzisionsmischer bereit.
Diese verfügen über vertikal gelagerte Wendel-Mischwerkzeuge und können bei verschiedensten Füllgraden verwendet werden. Nach wenigen Umdrehungen erzeugt die Mischwerkhelix ideale Homogenität für nahezu alle Arten trockener, feuchter und nasser Feststoffe und Pasten. Vertikal - Mischer sind weltweit etabliert und dafür bekannt, dass sie besonders hygienisch konstruiert sind und einen Entleerungsgrad bis zu 99,98% aufweisen. Große Inspektionstüren sind nach dem Clever-Cut® und OmgaSeal® Verfahren gefertigt. Sie dichten dauerhaft, absolut gasdicht und totraumfrei und gestatten gleichermaßen die manuelle Trockenreinigung als auch die automatische Nassreinigung; wobei die schnelle und gründliche Trocknung besonders wichtig ist. Im Technikum stehen über 30 verschiedene vertikale Wendelmischer und Baugrößen bereits von 10 Liter bis 2000 Liter Chargengröße zur Verfügung. Ein Versuchstag im Technikum beschert den Versuchsdurchführenden hohen Erkenntnisgewinne und erstklassige Versuchsergebnisse, die auf verschiedenste Baugröße übertragbar sind.
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Was hat Sie veranlasst einen solchen konischen Pulvermischer Typ
KoneSlid®
zu
entwickeln?