Arbeitsgemeinschaft Getreideforschung e. V. 21. Detmolder Studientage 12. – 14. Februar 2007 in Detmold Kontinuierliche Brotoberflächen-Entkeimung durch optimierte IR-Technologie Heraeus Noblelight Irene Minguez & Klaus Lösche, Bremerhaven Rudolf Lemke, Kleinostheim

Haltbarmachungsverfahren Haltbarmachungsverfahren in der Bäckerei Haltbarmachungsverfahren biologisch chemisch physikalisch Sauerteig Säuren, Alkohol Enzyme Hemmstoffe Konservierungs-stoffe Säuren Salze Gase aw-Wert-Senkung trocknen zuckern anders -UV-Strahlen IR-Strahlen γ-Strahlen Mirkowellen Hitze / Kälte kühlen gefrieren pasteurisieren sterilisieren

Verschiedene Schimmelschutzmaßnahmen im Vergleich (Haltbarkeit in Tagen) Brottyp / Maßnahme Ohne* „normal“ Pasteurisiert Sorbinsäure (0,12%) Schutzgas Reinraum (prak.) Toastbrot <4 15-20 11 mehrere Wochen >12 Weizen-mischbrot dto. Roggen-mischbrot <5 >15 Vollkornbrot <6 20-30 12 * je nach Temperatur (z. B. Sommer, Winter)

Erreger und Vorkommen von Schimmelpilzen Asp= Aspergillus, Pen= Penicillius, Krei= Kreideschimmel

Betriebshygiene: Die Aufgaben der Hygiene sind Unterbindung der Infektionswege und Ausschaltung der Infektionsquellen Rohware Wasser Personal Luft Außenluft Staub Kondens- wasser Verarbeitung Fabrikations-räume Geräte Anlagen Abfall Verpackungs-material Fertigprodukt Ungeziefer Abb.: Einfluss der Umgebungsbedingungen auf ein Fertigprodukt

Verpackungs- & Schneideraum Verpackungs-maschine Verfahrensschema für Schnittbrot mit möglichen mikrobiellen Kontaminationsmöglichkeiten Ofen Ventilatoren Brotwagen Brotlager (zwecks Kühlung) Raumluft Verpackungs- & Schneideraum offene Durchgänge verschmutzte Maschinen & Bauteile Transportkette Kreismesser Schneide-maschine Ölabstreifer Transportband Portionieren von Hand Altbrotkörbe Raumluft Mensch Verpackungs-maschine Maschinenteile Preßluft UV-Umluft Packtisch Abb.: Herstellung von Schnittbrot (verpackt) Kisten

Herstellung von pasteurisiertem Schnittbrot im Vergleich zu einer IR-Haltbarmachung Ofen Ofen Kühlstrecke Kühlstrecke < 33 °C im Kern Schneiden IR-Entkeimung < 20 Sek. (4-8 Sek) 130°C bei Toast 160°C bei Körnerbrot Verpacken Schneiden Pasteurisieren z. B. 75°C im Kern 15 – 30 Min. Verpacken Raumluft (Kondensation) Kühlen Raumluft Vertrieb Vertrieb Abb.: Verfahrensschritte zur Herstellung von pasteurisierten und IR-entkeimten Schnittbrot

Einflussfaktoren auf Entkeimungseffekte Produkt Verfahren, Anlage Mikroorganismus Keimzahl Keimflora Physiolog. Stadium Toxinbildung Allergen-Genese Resistenz Enzymbildung Wassergehalt rel. Feuchte pH-Wert Temperatur Säuremilieu Alkoholgehalt Konservierungsstoffe Zuckergehalt Fettverteilung Thermisch (Pasteurisation u.a.) Mechanisch (Filter u. a. ) Elektromagnetisch Konstruktion, Gestaltung Kontinuierlich Diskontinuierlich

Electromagnetic disinfection processes Verfahren Bedingungen Mikrowellenerhitzung 2,45 GHz Ohm´sches Erhitzen - konduktiv; - induktiv 220 V, 50 Hz-150 kHz Gammastrahlen < 5 Mev, < 10 kGy Elektronenstrahlen max. 10 Mev Plasmaentkeimung UV-Strahlen 100 – 400 nm, UV-C-Bereich: 200-280nm IR-Strahlen 10-100 kW/m2 (100-1500°C) Pulsierende elektrische Felder (HH-PEF) 25-25 kV (cm, 20-50 Impulse a 100µS Hochintensitätslicht 200-800 nm, 0,5-2J/cm2 (ca. 20000 fache Sonnenintensität auf Normalhöhe Ultraschall < 2,5 MHz, 10-1000 W / cm2

Versuchsaufbau und Materialien Heraeus Noblelight Carbon-Infrarotstrahler CRS Strahler Durchmesser beheizte Länge Filamenttemperatur Wellenlänge Leistungsdichte Flächenleistung max. Besonderheit Reaktionszeit Quarzglas 19 mm 1500 mm 1200 ° C 2 µm 40 W/cm 60 kW /m2 Goldreflektor 1 - 2 s

Entkeimen von Brot vor dem Verpacken

Ausgangssituation und Zielvorgaben ZIELE: Desinfektion der Brotoberflächen durch IR-Licht (kontaminiert) Keine Beeinträchtigung der Produkt-Qualitätsmerkmale: kein Abplatzen, kein Splittern, keine Farb- und Geruchsveränderung, usw. Maximale Prozess-Zeit = 5 - 20 Sekunden!

Versuchsaufbau und Materialien Test Brot 1 Toastbrot Test Brot 2 Mehrkornbrot

Versuchsaufbau und Materialien Pyrometer Strahler Steuerung Backware

Model organismus A. niger Aspergillus niger: in Brotoberflächen vorhanden ~ 8% Wissenschaftliche Studien zeigen, dass in der Regel die Brotoberfläche mit 102 kbE/g kontaminiert sind Beimpfen von Brot mit einer künstlichen Kontamination von 105 kbE/g

Versuchsdurchführung – schematische Darstellung A. niger Brotoberflächen: Aufheiz-/Abkühlkurve (Pyrometer) Abtötungseffekt: log (No/N) Brot Kontamination Infrarotbestrahlung (Pilotanlage HERAEUS) Aufarbeitung und Keimzahlbestimmung kbE (Kolonie bildende Einheiten) 150°C 100°C time (Sec) 20 Temp.

Versuchsaufbau und Materialien Inokulum 1000 µl = 1 ml Toast 100 µl Toast 200 µl Abb.: Experiment, um das Inokulum Volumen festzustellen.

Einfluss des Abstandes zwischen Brot und IR-Lampen Abb.-Temperatur- Zeit Profil als Funktion des Abstandes zwischen der Brotoberfläche und den IR Lampen

Einfluss einer IR-Leistung Toastbrot: Einfluss einer IR-Leistung Abstand zwischen Brot und Lampe 5 cm Abb.: Temperatur- Zeit Profil als Funktion der Leistung der IR-Strahler (2)

Einfluss einer IR-Leistung Mehrkornbrot: Einfluss einer IR-Leistung Abstand zwischen Brot und Lampe 5 cm Abb.: Temperatur- Zeit Profil als Funktion der Leistung der IR-Strahler (2)

AV:Log-kbE (Toastbrot): Log10(v5) Modellierung Ergebnisse AV:Log-kbE (Toastbrot): Log10(v5) (Keimzahlreduktion) Abb.: Einfluss der Strahlerleistung und der Temperatur auf die Abtötung von A. niger

KbE: Kolonien bildende Einheiten L: Leistung der IR-Bestrahlung (%) Modellierung der Toast Entkeimung kbE = ß0 + ß1L +ß2 t KbE: Kolonien bildende Einheiten L: Leistung der IR-Bestrahlung (%) t: Zeit (s) Leistung und Zeit: geringe Interaktion Effekt von Leistung und Zeit so groß, dass Interaktion vernachlässigbar

Erwünschtheits Kontur: geringe Keimzahl Optimierung der Prozessparameter Erwünschtheits Kontur: geringe Keimzahl oder bei L=80% 5 Sekunden! 100 % optimiert 20 % optimiert Abb.: Interaktion der Prozessparameter auf die Reduzierung von A.niger Optimierte Parameter (Toastbrot)

Einfluss- Faktoren der Entkeimung Abstand: Je geringer, desto schneller der Energietransport Temperatur: Je höher, desto besser die Abtötung der Mikroorganismen Zeit (tR): Je länger, desto besser gelingt die Entkeimung Jedoch: die Zeit ist auf <5-20 Sekunden begrenzt Strahlerleistung: Je höher, desto schneller ist der Temperaturanstieg Jedoch: Einwirkungszeit kürzer

Brot Kontamination, 105 kbE Lagertest Schneiden Verpacken Lagerung 30°C, 70% IR Behandlung Brot Kontamination, 105 kbE IR A niger A niger: 105 kbE = Abb.: Unterschiedliche Behandlung von Schnittbrote: mit und ohne IR-Behandlung

Lagertest - Toastbrot Tage 1 2 3 4 5 6 7 8 1a + 1b 1c 1d 2a 2b 2c 2d 3a 3b 3c 3d Lager- bedingungen: T = 30°C rel. Feuchte: 70 % verpackt IR A niger A niger IR IR A niger: 105 kbE Abb.: Mikrobieller Befall während einer Lagerung: 1) Keine Beimpfung, keine IR-Behandlung 2) Keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, 3) Mit Beimpfung, mit IR-Behandlung. Muster a+b) geschnitten und verpackt , c+d) nur Verpackung .

Lagertest - Toastbrot IR A niger A niger IR IR A niger: 105 kbE Abb.: Toastbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen, Links: keine Beimpfung, keine Behandlung, Mitte: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, Rechts: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung

Lagertest - Toast IR A niger IR A niger: 105 kbE Abb.: Toastbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen: Oben: keine Beimpfung, keine IR-Behandlung, Unten: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung

Lagertest - Mehrkornbrot IR A niger A niger IR IR A niger: 105 kbE Abb.: Mehrkornbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen: Links: keine Beimpfung, keine Behandlung, Mitte: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung, Rechts: mit Beimpfung, mit IR-Behandlung

Lagertest - Mehrkornbrot IR A niger A niger IR Abb.: Mehrkornbrot nach einer Lagerdauer von 8 Tagen: Oben: keine Beimpfung, keine Behandlung, Unten: keine Beimpfung, mit IR-Behandlung,

Schimmelreduktion durch IR-Strahlung Elektromagnetische Wellen Backware Zeit Strahler A. Niger (Schimmel) kontaminiert dekontaminiert Ergebnisse: Toast: 130°C Mehrkorn: 160/170°C Zeit: 5-8 Sekunden Oberflächentemperatur Problematik: Oberflächenstruktur, Farbe und Reflektion bei Brot Abb. Einfluss einer IR-Bestrahlung auf die Dekontamination von Backwaren (Schema)

IR-Tunnel zur kontinuierlichen Entkeimung von Brot vor dem Schneiden (Fa. Herlitzius) Abb.: IR-Entkeimung von Stangenbrot

Anlage zur kontinuierlichen IR-Entkeimung von Schnittbrot (Fa Anlage zur kontinuierlichen IR-Entkeimung von Schnittbrot (Fa. Herlitzius) Abb.: Apparative Lösung einer kontinuierlichen IR-Entkeimung für Stangenbrot

Hürdenkonzept  gute Haltbarkeit Fall A: Problem Betriebshygiene MO= Mikroorganismen (Schimmel)  gute Haltbarkeit pasteuri-sieren backen kühlen schneiden verpacken Fall A: Problem Betriebshygiene  begrenzte Haltbarkeit IR-Bestrahlung backen kühlen schneiden verpacken Fall B: IR-Entkeimung: kein integrierter Faktor einer Betriebshygiene Abb.: Einfluss der Betriebshygiene auf die mikrobielle Haltbarkeit von Schnittbrot (Schema)

Keimgehalt in Schneidölen und im Bereich der Brotschneidemaschinen (4) Probeentnahmestelle Keimzahl (kbE) Schneidöl aus Sammel- und Vorratsbehälter Schneidöl, Filterglocke Brotabrieb, Ölsieb Brotabrieb, Messer Abstreiffilz Ölabstreifer 100 Schimmelpilzporen / ml 6000 Hefen / ml > 106 / ml 1,7 x 106 Schimmelpilzsporen / ml 1,4 x 104 / g 12 / cm2 5 / cm2 Die Tabelle gibt einen Überblick, wie hoch die Keimzahlen liegen können. Durch Anwendung von Kühlgas kann der Einsatz von Messeröl vermindert werden und die Ölrückführung entfallen.

Hürdenkonzept IR-Entkeimung kann Pasteurisation ersetzen  sehr gute Haltbarkeit IR-Bestrahlung backen kühlen schneiden verpacken Fall C: IR-Entkeimung als integraler Bestandteil eines betrieblichen Hygiene-Konzeptes Abb.: Einfluss der Betriebshygiene bei Anwendung einer IR-Entkeimung von Brot als integraler Faktor eines „Hygiene-Management“-Konzeptes

Zusammenfassung und Schlussfolgerung Die IR-Behandlung ist ein hoch effizienter thermischer Desinfektionsprozess für Brotoberflächen, der in Bäckereien zur Hemmung von Schimmelkontamination eingesetzt werden kann, um die Lagerstabilität von Brot zu erhöhen. Eine IR-Behandlung von Schnittbroten kann einfach und kontinuierlich im Betrieb umgesetzt werden. Eine IR-Entkeimung kann eine nachfolgende Kontamination (Luftkeime, Schneiden, Verpacken) nicht verhindern. Eine IR-Entkeimung ist nur so gut wie das Hygiene-Management im Betrieb selbst. Die Überlebensrate von A.niger steht in direktem Zusammenhang mit der Temperatur, die auf der Brotoberfläche erreicht wird, sowie der Verweilzeit unter den IR-Lampen. Eine Beimpfung von Toastbrot mit 105 Sporen, kann in weniger als 20 sec. komplett reduziert werden bei einem Abstand zwischen Brotoberfläche und Lampen von 10 cm. Ein Körnerbrot benötigt einen geringeren Abstand (5 cm) und höhere Temperaturen (180°C) um eine komplette Entkeimung zu realisieren. Eine IR-Entkeimung kann in sehr kurzer Zeit sehr hohe Temperaturen erzielen. Lt. Literatur können diese Temperaturen Mycotoxine eliminieren. Die IR-Strahlung durchdringt das Material und erreicht deshalb mehrere Schichten, so dass Körnerbrot oder Brote mit unregelmäßigen Oberflächen ebenfalls desinfiziert werden können. IR-Module können leicht installiert und in den meisten Produktionslinien eingeführt werden.

Iris Auffarth (Laborantin) Studenten: Danksagung Thomas Park (Dipl. Ing.) Iris Auffarth (Laborantin) Studenten: Paul Zimmermann Nadine Helm

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Für weitere Informationen, setzen Sie sich bitte mit uns in Verbindung: Irene Mínguez Pablos Rudolf Lembke Tel: +49-(0)-471-972 97 13 Tel: +49-(0)6181-358541 minguez@ttz-bremerhaven.de rudolf.lembke@heraeus.com Heraeus Noblelight