EP4676237A1 - Verfahren zum erzeugen eines texturats und extruderanordnung - Google Patents

Verfahren zum erzeugen eines texturats und extruderanordnung

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Publication number
EP4676237A1
EP4676237A1 EP24712417.5A EP24712417A EP4676237A1 EP 4676237 A1 EP4676237 A1 EP 4676237A1 EP 24712417 A EP24712417 A EP 24712417A EP 4676237 A1 EP4676237 A1 EP 4676237A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
nozzle
section
expansion
maximum
extrudate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24712417.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Azad EMIN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nexnoa GmbH
Original Assignee
Nexnoa GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nexnoa GmbH filed Critical Nexnoa GmbH
Publication of EP4676237A1 publication Critical patent/EP4676237A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23J—PROTEIN COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS; WORKING-UP PROTEINS FOR FOODSTUFFS; PHOSPHATIDE COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS
    • A23J3/00—Working-up of proteins for foodstuffs
    • A23J3/22—Working-up of proteins for foodstuffs by texturising
    • A23J3/225—Texturised simulated foods with high protein content
    • A23J3/227—Meat-like textured foods
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23J—PROTEIN COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS; WORKING-UP PROTEINS FOR FOODSTUFFS; PHOSPHATIDE COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS
    • A23J3/00—Working-up of proteins for foodstuffs
    • A23J3/14—Vegetable proteins
    • A—HUMAN NECESSITIES
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    • A23J—PROTEIN COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS; WORKING-UP PROTEINS FOR FOODSTUFFS; PHOSPHATIDE COMPOSITIONS FOR FOODSTUFFS
    • A23J3/00—Working-up of proteins for foodstuffs
    • A23J3/22—Working-up of proteins for foodstuffs by texturising
    • A23J3/26—Working-up of proteins for foodstuffs by texturising using extrusion or expansion
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23P—SHAPING OR WORKING OF FOODSTUFFS, NOT FULLY COVERED BY A SINGLE OTHER SUBCLASS
    • A23P30/00—Shaping or working of foodstuffs characterised by the process or apparatus
    • A23P30/20—Extruding
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A23—FOODS OR FOODSTUFFS; TREATMENT THEREOF, NOT COVERED BY OTHER CLASSES
    • A23P—SHAPING OR WORKING OF FOODSTUFFS, NOT FULLY COVERED BY A SINGLE OTHER SUBCLASS
    • A23P30/00—Shaping or working of foodstuffs characterised by the process or apparatus
    • A23P30/30—Puffing or expanding
    • A23P30/32—Puffing or expanding by pressure release, e.g. explosion puffing; by vacuum treatment
    • A23P30/34—Puffing or expanding by pressure release, e.g. explosion puffing; by vacuum treatment by extrusion-expansion

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a textured product and an extruder arrangement.
  • Plant proteins in the form of isolates or concentrates are now used for a variety of meat substitute products. This is due on the one hand to an increased demand for a vegetarian or vegan diet and on the other hand to consumer desire for sustainable and resource-saving agriculture.
  • products based on vegetable proteins are manufactured by dry or wet extrusion. Dry extrusion is carried out at high temperatures T > 130 °C and a moisture content ⁇ 30 %. A short, narrow die without cooling is used for the extrusion. This enables the production of directly expanded products, so-called TVP (textured vegetable proteins). In dry form, they are rather irregular, porous and glassy and, after being rehydrated, are further processed into the final products. The final product has a sponge-like structure without any significant anisotropy with either no or only very short fibers. They bear little resemblance to the sensory properties of meat analogues and are often used in blended products (e.g. burger patties, etc.) rather than in whole products.
  • blended products e.g. burger patties, etc.
  • Moisture extrusion is the current technology used by the industry to produce fibrous plant protein-based products.
  • the resulting products often provide a satisfactory base, exhibiting an anisotropic, meat-like structure, texture and appearance.
  • the resulting products have fiber-like structures of only a short length, whereas real meat consists of longitudinal fibers of up to 30 cm in length.
  • the length of the fibers in the plant proteins can be increased somewhat, but the resulting end product is very compact, hard and has a very strong elasticity, which does not lead to the desired mouthfeel of the meat products.
  • protein mixture means a plant protein mixture. Such a plant protein mixture is usually obtained from a single plant species in the manufacturing process, although contamination from other plants may occur to a small extent.
  • a "plant protein” includes a plant protein mixture from the respective plant, otherwise it is referred to as a "single plant protein".
  • the mixture can also contain other components such as starch, sugar, fiber, minerals, fats and oils.
  • Individual amino acids can also be part of the protein mixture. The respective amounts are defined in more detail below in the terms concentrate and isolate.
  • a "pea protein” or a pea-based vegetable protein is a protein mixture which essentially comprises pea, pea components or proteins of the pea plant and has been processed accordingly.
  • a protein mixture can be obtained from the plant species as such, but can also be the result of a side stream.
  • various side streams, press cakes and residues that can be used as a protein source and thus represent protein mixtures within the meaning of this definition.
  • These include, among others, - without an exhaustive list - residues from sugar production, the production of alcoholic beverages such as beer and wine, residues and side streams from oil production such as soy oil, coconut oil and rapeseed oil, or plant-based milk production such as oat milk, pea milk or Broad bean milk.
  • okara sey pulp
  • almond pulp oat pulp
  • coconut pulp/meat sunflower cake
  • rapeseed cake linseed meal
  • hemp cake cashew residues and peanut cake and corn gluten meal
  • whey protein casein micelles
  • potato fruit water chickpea pulp
  • lentil residues spent brewer's yeast and spent malt (beer leavener).
  • plant proteins that can be processed as concentrate, as isolate (see the definitions there) or in other forms as protein mixtures include, but are not limited to, textured soy protein, tempeh, hydrolysed wheat protein, mycoprotein (fungal mycelium, e.g. from Fusarium venenatum), rice protein, potato protein, corn protein (zein protein), hemp protein, algae protein, e.g.
  • spirulina or chlorella from spirulina or chlorella, rapeseed protein, sunflower protein, cottonseed protein, pumpkin seed protein, quinoa protein, amaranth protein, millet protein, spelt protein, oat protein, barley protein, lemna protein, cassava protein, coconut protein, macadamia protein, cashew protein, chia protein, linseed protein, sacha inchi protein, watermelon seed protein, pistachio protein and yeast protein.
  • the proteins mentioned can in turn be divided into legume proteins and non-legume proteins.
  • legume protein mixtures can be combined with non-legume protein mixtures and processed using the process presented.
  • a legume protein is a protein mixture that is obtained from legumes. These include peas and broad beans, but also lentils, mung beans, chickpeas, white beans and peanuts. Soy also belongs to these, but - unless explicitly stated - should also be included under the term legume protein, although the cultivation of soybeans consumes significantly more resources than other legumes. Definition of non-legume protein
  • a non-legume protein is a protein mixture that includes plant proteins that do not come from a legume. They are therefore obtained from other crops that are not listed as legumes in the above definition and do not constitute such.
  • this includes all other cereals and grains, for example oats, as well as hemp, potatoes, rice, hemp, pumpkin seeds, corn, but also rapeseed and sunflower. Proteins from algae, yeast, fungal mycelium and/or fungal fruiting bodies also fall under the category of non-legume proteins.
  • protein mixtures from these plants are also referred to as other protein mixtures and are thus distinguished from protein mixtures from or with legumes.
  • additional functionality in protein composition, taste, textural composition, visual or tactile properties can be created by at least one further ingredient.
  • protein mixtures from the various fruits are mixed, both in terms of the different fruits and also in terms of concentration.
  • An example would be mixtures of pea protein and broad bean protein, but possibly also additions of wheat or rice protein to a protein mixture made from soya or pea.
  • ingredients such as salt, spices, but also additional starch, sugar, syrup, fats or oils can be present. These can be added either as part of the raw mass at the beginning, or alternatively or additionally during the processing. It has surprisingly been found that sugar, oils and salts and/or in the form of ingredients containing sugar, salt or oil, e.g. grape juice concentrate or soy sauce, can not only lead to an adjustment in taste, but also to a change in texture.
  • additional components can be present in free form, but can also be bound in corresponding raw materials in a highly concentrated form, e.g. sugar in syrup
  • a base mix is a combination of a protein mixture, be it from one plant species, or mixtures of several plant species, as plant protein isolate, plant protein concentrate or a combination thereof, and water, which is added before or during processing.
  • further protein mixtures, and/or at least one other ingredient and/or at least one other component can be added.
  • the mixture created in this way forms a dough, which is then further processed in an extruder.
  • the individual components can also be fed into the extruder during extrusion.
  • the base mix is generally given in % by weight, based on the weight of all added ingredients.
  • a base mix of 50% by weight protein mix and 50% by weight water is thus produced by mixing equal weights of protein mix and water.
  • the total water content in the base mix is slightly greater than 50% because the protein mix itself does contain some residual moisture.
  • salts, sugars and fats added to the base mix as these are also present in the protein mix in varying amounts.
  • the individual components in the basic mixture are slightly offset in terms of the proportions added. This is particularly true with regard to the water content, which is usually somewhat higher than the water added in the dough due to the residual moisture in the protein mixture, but can be lower in the finished texturate because some of the water has evaporated.
  • the dough mass processed in an extruder by kneading or other mechanical processing is discharged at the exit of the extruder, especially at the end of the screw part of the same as extrudate or also as viscoelastic mass.
  • the associated process is called extrusion.
  • the textured material then corresponds to the finished stretch-formed and otherwise processed extrudate.
  • Fibers within the meaning of this application are elastic, cohesive layers that are aligned along a main direction, referred to as the fiber direction. Fibers within the meaning of this application have a strong anisotropy, which means that they can be detached or separated from the rest of the product if the fibers are pulled in a direction other than their fiber direction (e.g. from the transverse direction if they are aligned lengthwise, or vice versa). The fibers are thus relatively loose or detachable if they are pulled in a direction orthogonal to the fiber direction, and elastic and cohesive if they are pulled along the fiber direction. Individual fibers can be detached from the product by simply pulling with the hand.
  • the fiber length is the maximum length of the layer that separates from the product without tearing and retains its strong anisotropy and elasticity in the fiber direction.
  • the average fiber length is usually lower and follows a normal distribution. Unless otherwise stated, the fiber length mainly refers to the average fiber length.
  • a process during extrusion in which the dough is subjected to a specific range of temperatures while being mechanically processed may include kneading, rolling, rolling, upsetting, and other forms in which a force or torque is applied to the dough.
  • the deformation of the material along the longitudinal axis ( axial , or longitudinal ) and / or lateral axis ( transversal ) that occurs in a channel of a nozzle located after the screw section of the extruder is mounted .
  • the material is stretched along the respective axis . If the stretching takes place after the exit of the extruder , the extrudate is stretched accordingly .
  • the temperature that the protein mixture reaches during the thermomechanical treatment in the extrusion process refers to the material temperature unless otherwise stated.
  • the inventor has realized that tensile stresses occurring during the processing of plant proteins are more efficient in deformation than shear forces. Appropriate control of the occurrence and strength of these forces allows the generation of fibrous structures in protein mixtures which are not sufficiently texturized in conventional systems due to insufficient deformation of the matrix.
  • it is proposed to exploit strong longitudinal and/or transverse tensile stresses, related to the extrusion direction, to generate fibrous structures in plant protein-based extrudates at both medium ( ⁇ 50%) and low moisture content ( ⁇ 30%).
  • the proposed principle allows the anisotropy of the texturate to be adjusted, unlike conventional methods, making it possible to apply the technique to all types of protein sources and their mixtures. Accordingly, for example, fiber lengths from 1 cm to 30 cm on average can be generated.
  • the proposed process is based on a combination of a base mixture of one or more protein mixtures and by-products. components and water, which is extruded at dry to medium moisture content (10% by weight to approx. 40% by weight) and at quite high material temperatures.
  • a specially shaped nozzle is used, in particular without cooling, to generate a strain deformation that leads to the fiber formation according to the invention.
  • strain-dominated flow, or more precisely sliding a longitudinal or transverse velocity component of the hot mass in the nozzle is generated due to a changing shape and/or a decreasing cross-section.
  • the use of different materials as wall material makes it possible to adjust the contribution of the shear stresses, which in some cases can be reduced to almost zero by using a PTFE or ceramic wall.
  • Stainless steel has a significantly higher coefficient of friction in this regard, so there is a risk of wall adhesion, which can lead to breakage in the fibers, which leads to short fibers. In order to enable sliding here, it is advisable to further increase the viscosity of the material.
  • longitudinal tensile stress refers to a tensile stress that is essentially parallel to the direction of advance.
  • a transverse strain is a strain that is mainly perpendicular or transverse to the direction of advance of the extrudate.
  • the temperature in this process is in some aspects above 100 ° C and the pressure inside the nozzle is also more than 5 bar.
  • the resulting texturate has a meat-like characteristic due to a fibrous structure whose length is greater than 8 cm and in particular greater than 12 cm and even up to 30 cm.
  • the water content of the texturate is in the range of less than 40% by weight, in particular less than 30% by weight.
  • a direct-expanded texturate is formed, which can be used after rehydration or after rolling to collapse the pores and produce compact fibrous final products.
  • the type of tensile stress i.e. transverse and/or longitudinal stress
  • the extent of the tensile stress, both transverse and longitudinal, can be adjusted by varying the wall material (PTFE, ceramic or stainless steel) and by varying the design parameters listed in this application. This includes, among other things, the shape of the inlet cross-section, the shape of the outlet cross-section and the transition to it. In this way, the type and strength of the tensile stress can be adjusted and protein mixtures that are otherwise difficult to produce can also be textured.
  • a base mixture which comprises a protein mixture.
  • the protein mixture comprises at least a first protein mixture, in particular one or more of an oat protein mixture, a wheat protein mixture, a pea protein mixture or a field bean protein mixture, with a weight proportion of between 45% and 75% by weight. % based on a base mixture.
  • Other possible proportions would be 45% by weight, 50% by weight, 55% by weight, 60% by weight, 65% by weight, 70% by weight and 75% by weight and, above all, the respective ranges between two of these values, e.g. between 45% by weight and 50% by weight, each based on the base mixture.
  • the base mixture can also contain several different protein mixtures, in particular vegetable protein mixtures from different plant species. In some aspects, this can also include wheat.
  • a second vegetable protein mixture can, for example, have a proportion of between 5% and 35% by weight based on the base mixture. Other possible proportions are 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 45%, and 50% by weight, and in particular the respective ranges between two of these values, e.g. between 10% and 15% by weight. In general, the second protein mixture should not have a larger proportion of the base mixture than the first protein mixture.
  • One or a combination of the above-mentioned legume proteins can be used as proteins.
  • Mixtures of one or more legume proteins and another protein mixture, particularly a non-legume protein mixture, can also be used. These mixtures are also available as concentrates or isolates, so that the pure protein content in the texturate is usually somewhat lower.
  • water is now added to the protein mixture with a weight proportion of between 20% and 50% by weight based on the base mixture for forming a dough.
  • Other possible proportions of water that are added are 10% by weight, 15% by weight, 20% by weight, 25% by weight, 30% by weight, 35% by weight, 40% by weight and 45% by weight.
  • the protein mixture in the base mixture can already have an increased residual moisture content. This is taken into account when adding water, so that the total proportion of water in the dough is less than 55% by weight in some aspects, but in particular less than 50% by weight. than 50% by weight and in particular less than 45% by weight, less than 40% by weight or even less than 35% by weight based on the dough mass.
  • the addition of water can be done before kneading, but also during kneading and shaping of the dough in an extruder.
  • the base mixture can be fed into an extruder and the water is added separately.
  • the water is partially or completely added to the base mixture and then the resulting dough is added to the extruder for further kneading.
  • the method further comprises the step of extruding the dough at a maximum temperature in the range between 110 ° C and 160 ° C, but in particular between 120 ° C and 145 ° C.
  • extrusion in this regard means kneading the dough under increased pressure and the temperature mentioned above, whereby the dough is usually kneaded and pushed forward by one or more screw or similar gears.
  • the dough mass is thus extruded at a low moisture content of less than 50 % by weight (up to just over 10 % by weight), but at the high temperatures mentioned above, so that one can speak of dry extrusion or slightly moist extrusion. Due to the lower water content at a medium to low level, the dough mass has a highly viscous, highly elastic matrix in the screw section of the extruder compared to other production processes.
  • the extrudate produced in this way (also referred to as a highly viscous but at the same time highly elastic matrix) is then stretched at a temperature of more than 90 °C and in particular more than 100 °C. This is done by pushing the hot, highly viscous mass forward, while at the same time a stretching stress is exerted on the mass which is transverse, i.e. essentially perpendicular to the direction of advance.
  • This can be produced, for example, by a special stretching nozzle which does not need to be specially cooled.
  • the strain deformation mentioned above occurs in a transverse direction, i.e. perpendicular to the advance. This is also referred to as transverse strain, although transverse strain can occur in two directions.
  • strain in the advance direction can also occur. However, this is usually less than strain in the transverse direction.
  • a combination of such strains can be set, for example, using the parameters mentioned above, including by choosing the appropriate wall material and nozzle geometry.
  • the strain stresses occur, among other things, by the extrudate sliding along an inner wall, so that little or no shear flow occurs. It is particularly important to emphasize here that the viscosity of the highly viscous mass should not be too low, since otherwise the required strains cannot be generated.
  • the added protein mixture and water are kneaded at an increasing temperature up to the maximum temperature.
  • the maximum temperature can also be maintained during further kneading of the dough.
  • the temperature and pressure increase are continuous in some aspects, but can also be done in sections, i.e. with sections of the advance in which no further heating takes place.
  • the transition from a mash (usually higher water content) to a dough is fluid, with the latter in particular requiring a It is a solid and mechanically almost inseparable mass made up of the components of the base mixture and water.
  • the maximum temperature in some aspects is in the range of 110°C to 160°C and in particular between 115°C and 135°C and in particular between 120°C and 145°C.
  • Other temperature ranges for the maximum temperature would be 112°C, 114°C, 116°C, 118°C, 120°C, 122°C, 124°C, 126°C, 128°C, 130°C, 132°C, 134°C, 136°C, 138°C, 140°C, 142°C, 144°C, 146°C, 148°C, 152°C and 154°C.
  • the temperature can be continuously increased to the maximum temperature during kneading and advancement of the dough or mass and then kept constant. In some aspects, the temperature increase is designed so that the maximum temperature is reached after about half of the extruder section. The temperature can also be changed several times during advancement during kneading, so that different temperatures are set in different sections.
  • extrusion is provided at a pressure in the range of 1 bar up to 100 bar or more. Typical ranges are between 20 bar and 80 bar and in particular less than 60 bar at the end of the extruder.
  • the degree of protein-protein interactions and polymerization reactions is varied, allowing the elasticity and viscosity to be adjusted to a greater extent. This aspect is not only achieved in the extruder itself (i.e. during kneading of the dough) but also to a lesser extent during the stretch deformation.
  • a gas is added during kneading, i.e. in the screw part of the extruder, in order to loosen the dough and also the later extrudate.
  • the gas can be added in the screw part of the extruder at one point, for example in the initial area of the extruder, but also at different points.
  • the gas is added at a pressure that is later increased during extrusion, especially in the screw part. This causes the gas to be "dissolved" in the material of the extrudate and remains bound in the material. Only during the subsequent stretching deformation and in particular at the end of the texturate exit does the pressure decrease again, so that the gas contributes to loosening the extrudate.
  • the gas used for this purpose can be carbon dioxide, nitrogen and in some cases also air.
  • a gas-generating material may be added to the dough, which decomposes during further processing, particularly during kneading in the extruder, and so contributes to gas formation.
  • a typical material of this type is baking soda (sodium hydrogen carbonate), which decomposes with citrates or other mild acids to form carbon dioxide.
  • baking soda sodium hydrogen carbonate
  • both substances are initially added to the base mix as dry materials, and only begin to react when water is added. If the water is added in the screw section of the extruder, premature escape of the gas is also prevented.
  • only baking soda is added, and during kneading, due to the high temperature, it decomposes back into carbon dioxide and sodium carbonate.
  • the stretching die is not actively cooled in some aspects, i.e. the stretch-formed texturate leaves the stretching die at a temperature of more than 100 °C.
  • the stretching can be carried out at different temperatures, so that the stretching is divided into several steps in some aspects, of which individual steps are carried out at different temperatures above 100 °C.
  • the flow velocity is increased, but the mass flow remains essentially the same.
  • the change in the flow velocity occurs along the direction of advance, while in the case of transverse stretching, it occurs perpendicularly to this, i.e. the viscous mass is stretched along a direction transverse to the direction of advance. Since there are two transverse directions, it can be provided that during the application of a stretching stress, a flow velocity in a first direction transverse to the direction of propulsion, while it remains the same or decreases in a second direction. This allows the mass flow to be kept constant.
  • the high-viscosity mass is stretched more along a first direction perpendicular to the advance direction than along the advance direction and a second direction perpendicular to the advance direction and the first direction.
  • This stretching can be carried out, for example, by carrying out a transverse stretching deformation at temperatures of greater than 100 °C by driving the highly viscous mass forward, so that a flow velocity is increased in a direction perpendicular to the direction of advance.
  • a longitudinal stretching deformation can also be carried out at temperatures of greater than 100 °C by driving the highly viscous mass forward, so that a flow velocity is increased in a direction along the direction of advance.
  • a propulsion speed is at least partially lower than a flow speed in a direction perpendicular to the propulsion direction. This means that, for example, in some sections the mass is widened more quickly than it is propelled.
  • the expansion can be influenced by coating the wall, reducing the diameter of the expansion nozzle or reducing the height to width, and other parameters.
  • the mass flow remains essentially constant and, due to the high viscosity, also laminar. In order to avoid the expansion stresses breaking, it is advisable to keep the static friction between the mass and the wall low so that the mass slides along it.
  • the mass is expansion-deformed at temperatures of more than 100 °C, and in particular between 105 °C and 115 °C.
  • the temperature of the intermediate product is in some aspects still above 100 °C, and for example in the range between 110 °C and 135 °C. In special aspects it can also be above 130 °C.
  • the longitudinal or transverse strain deformation can occur continuously or in sections. In the first case, for example, this is achieved by a continuous decrease in the cross-sectional area. In some aspects, instead of the cross-section, a ratio of width to height of the inlet and outlet is used, whereby the ratio also changes. In particular, one of the two sizes decreases between the inlet and outlet. In this way, transverse flows and strains can be generated in a targeted manner.
  • salt is also added to the base mixture to modify water distribution in the texturate. Moisture otherwise tends to localize in the dispersed phase and therefore makes the continuous phase with less water harder.
  • additional sugar can be added, i.e. sugar in addition to the amounts already present in the protein mixture.
  • the added sugar content is up to 15% by weight, although this amount again depends on the protein mixture used. The sugars mentioned above can be used for this.
  • the added sugar is used to replace the large, branched and reactive protein molecules with very small sugar molecules, thus reducing network formation. Possible sugars for this would be glucose, fructose, maltose, syrup, sugary fruit juices and others.
  • Salt can be added up to 1.5% by weight of the basic mixture, colouring ingredients and flavourings up to 2% by weight each.
  • an inner side of a first section of the expansion nozzle has a first material
  • an inner side of a subsequent second section of the expansion nozzle has a second material that is different to the first material.
  • sections of the expansion nozzle have different static friction.
  • the temperature maintained can in particular be in the range between 110 ° C and 160 ° C, in particular between 115 ° C and 135 ° C, in particular between 120 ° C and 145 ° C, in particular between 115 ° C and 125 ° C, in particular between 110 ° C and 120 ° C, in particular between 120 ° C and 135 ° C, in particular particularly between 120°C and 130°C, particularly between 125°C and 135°C and particularly between 130°C and 140°C.
  • the expansion nozzle has a maximum inlet width and a maximum outlet width in a first direction and a maximum inlet height and a maximum outlet height in a second direction perpendicular thereto, with a maximum outlet width in the first direction being greater than the maximum inlet width in the first direction and the maximum inlet height in the second direction being smaller than the maximum outlet height in the second direction.
  • an inlet has a smaller width than the outlet.
  • the height of the inlet is greater than the height of the outlet.
  • the expansion nozzle has a continuous decrease or reduction in the area of the input cross section to the output cross section, or a continuous decrease in the ratio between the input ratio H input /B input and the output ratio H output / B output .
  • the expansion nozzle has at least a first section with a constant cross-sectional area, at least one subsequent second section with a decreasing increasing cross-sectional area and at least one subsequent third section with a constant cross-sectional area.
  • a material of a section with a constant cross-sectional area can be different from a material of a section with a decreasing cross-sectional area.
  • the nozzle becomes thinner and at the same time wider over its length, so that in this way primarily transverse expansion stresses are built up.
  • the nozzle has sections with a constant cross-sectional area or height.
  • Figure 8 shows another expansion nozzle according to the proposed principle.
  • REVISED SHEET (RULE 91)
  • Figures 9A and 9B are two embodiments of methods for producing a texture according to the proposed principle.
  • the length L of the expansion nozzle is at least three to four times as long as the diameter Ri in the inlet area. Due to the tapering cross section here, the flow velocity of the dough is continuously increased during propulsion through the expansion nozzle 20 at a constant mass flow. In the exemplary embodiment, the flow velocity also increases evenly due to the evenly decreasing cross section.
  • the dough mass Due to the increasing flow velocity, the dough mass is stretched parallel to the direction of advance. This results in the formation of spherical shapes at the continued high pressure of over 7 bar and the high Temperature in the expansion nozzle in the range of over 100 ° C creates elongated fiber structures.
  • the uniform tapering which can be controlled in particular by adjusting the length of the expansion nozzle as well as the inlet cross-section and the outlet cross-section, prevents wall slippage and shear stress, which leads to tearing of the extruded mass.
  • the coating of the inside of the expansion nozzle can also be provided with a material with particularly low static friction.
  • a plastic such as Teflon can also be considered. This has particularly low friction, so that the dough mass being pushed forward is subjected to a greatly reduced or almost non-existent shear stress at the edge. This creates long fibers in the dough mass along the direction of advance.
  • Figure 2B shows a simulation illustrating the generation of longitudinal extensional flows by the continuous decrease of the cross-section along the length of the nozzle.
  • the illustration shows only a section because the nozzle is rotationally symmetric.
  • the nozzle continuously shrinks in the direction of advance, i.e. its cross-section continuously decreases. This results in a continuous increase in the flow velocity of the viscous mass over the length of the nozzle.
  • the low static friction also means that the highly viscous mass slides along the inner wall of the nozzle, so that, with cross-sections that are not too large, a uniform longitudinal expansion, i.e. an expansion in the direction of advance, occurs.
  • the expansion nozzle of Figure 3A comprises several sections in its interior area.
  • a first section 25d is provided, which is essentially cylindrical, and in which the area of the inlet cross section over the length of the section 25d remains constant.
  • a first expansion section 25a Connected to this is a first expansion section 25a, in which the area of the inlet cross-section R 4 is reduced to a smaller area of the cross-section R 3 .
  • the flow velocity thus increases while the mass flow remains constant, and the dough being forced forward is subjected to a first expansion stress.
  • the area in the outlet region of the first expansion section is approximately M the area of the inlet region 23, and the flow velocity will therefore accelerate fourfold.
  • a second expansion section 25a in which the inlet-side diameter R 3 and thus the area is reduced again to the outlet-side diameter R 4 .
  • This reduction is somewhat smaller, so that the flow velocity does not increase as much as in the first expansion section, but only by twice as much, for example.
  • a further rest section 25 c which is in turn followed by a final expansion section 25a .
  • the inlet-side diameter R 4 is now narrowed to the outlet-side diameter R 2 , and the flow velocity increases again slightly while the mass flow remains the same.
  • a further rest section 25e of the expansion nozzle 20 is now arranged on the output side, in which the expanded material is pushed forward again.
  • the section 25e forms the end section, at the output 24 of which the mass emerges from the nozzle.
  • the expansion sections 25a present here are each designed with a different gradient, with the first expansion section on the left showing the greatest reduction in diameter (from R 4 to R 3 ) and thus in its cross-sectional area.
  • the flow velocity increases particularly strongly here, while it increases somewhat less in the following stretching sections (e.g. by a factor of 4 in the first stretching section, then by twice as much in each case).
  • the different sections 25d, 25c and the initial section 25e serve primarily to ensure that the dough being pushed forward can rest between the individual stretching sections and that no further stretching stress is exerted on it.
  • the inside of the expansion sections may be advisable to coat the inside of the expansion sections with a suitable material so that the friction or adhesion of the dough to the inside of the expansion sections is further reduced. This further reduces possible shear forces, particularly in the area of the tapered sections, so that the dough is only subject to the expansion stress due to the decreasing cross-sectional area.
  • Figure 3B shows a further embodiment of such an arrangement in which the expansion sections are significantly longer than the rest sections, in contrast to the embodiment in Figure 3A.
  • the entry region 23 and also the exit region 24 of the expansion nozzle are also no longer circular, but rectangular.
  • other entry cross-sectional shapes and exit cross-sectional shapes are also possible in this context; moreover, the shape of the entry cross-section can also be selected to be different from the shape of the exit cross-section, so that the shape changes accordingly during the expansion sections or the rest sections. This change is designed in such a way that as little shear force as possible is exerted on the dough mass during the advancement of the dough due to the change in shape, but rather that it is mainly subjected to expansion deformation.
  • the three exemplary embodiments show that, depending on the implementation, the length of the expansion sections can be selected differently than the possible rest sections.
  • the taper in the respective expansion sections depends on the extrudate used and its ability to form long-fiber structures when expansion stress occurs.
  • the extrudate has a lower viscosity, it is advisable to reduce the cross-sectional area over a longer distance and thus subject the extrudate to only low tensile stresses so that the extruded extrudate does not tear off and lead, for example, to wall slippage or warping.
  • Extrudates made from dough with a higher viscosity can be stretched to a greater extent without wall slippage occurring. Accordingly, shorter stretching sections or stretching sections with a greater taper could be provided here so that the flow velocity is increased while the mass flow remains the same. Rest sections between individual stretching sections serve to relax the extruded extrudate somewhat and thus prevent the extrudate from tearing off and the production of shorter fibers.
  • the material should be output as a texturate, whereby the texturate as a single strand should have only a small volume at the respective exit. This is especially the case when the extrudate tears at too large a volume and a corresponding tensile stress, thus leading to wall slip or distortion. This can occur when the tensile deformation at the edge of the expansion die becomes large, inside the extruded extrudate mass but is still too small. In the laminar flows present here, shear forces can occur, particularly in the interior, which impair long fiber formation.
  • Figures 4A and 4B show an embodiment to prevent such a break-off, in which the expansion nozzle 20 has a conical body 30 in the outlet region 24.
  • This conical body is designed as a cone, the truncated cone of which ends at the outlet region 24 and the tip of which points in the direction of the inlet region 23 with its diameter RI.
  • the cone is designed such that its cone tip ends within the expansion nozzle.
  • the expansion nozzle is divided into two sections.
  • the inside of the expansion nozzle is designed such that the side walls of the expansion nozzle taper continuously with a constant slope over the entire length L.
  • a second region 25B adjoining the first section 25a contains the cone 30.
  • the slope dx/dy is defined as the decrease in diameter in the direction of the starting region.
  • the slope of the cone 30 in the direction of the exit region 24 is slightly greater than the corresponding taper of the inner side surfaces of the expansion nozzle 21.
  • a greater expansion stress is therefore built up along the inner side of the cone surface than on the exit side.
  • the first section 25a is important here, however; in this section, the extrudate is stretch-deformed as a volume material, primarily in its edge region, while an inner region of this mass is only deformed more strongly by the conical surface of the cone 30 during propulsion.
  • This arrangement ensures that the expansion stresses on both sides of the extrudate along the inside of the expansion die and along the conical surface of the body 30 are substantially equal.
  • the cone tip can be moved towards the entrance area so that the slope of the cone surface becomes smaller overall.
  • the rising inside of the expansion nozzle and the slope of the cone surface can be adjusted accordingly.
  • the tip of the cone body 30 is in the same plane as the entrance region 23 with its diameter Ri.
  • This embodiment is shown as an example in Figure 4B, wherein the inner surface of the expansion nozzle 20 is now formed by a tube with a constant cross-section. The expansion of the dough is now generated by the slope of the cone body 30 (i.e. the increasing cross-section of the cone body) over the length of the expansion nozzle.
  • the coating of the cone body 30 can be different to the coating of the inside of the expansion nozzle 20, so that wall slippage and shear forces occurring during movement are reduced as much as possible.
  • a knife or a similar mechanical device can be arranged at the outlet of the expansion nozzle, which cuts open the circularly ejected textured material and transports it further along a conveyor belt.
  • the ring diameter in the outlet area depends on the base area of the cone body and the inner diameter of the respective expansion nozzle 20. With a constant mass flow, this results in an increase in the flow velocity and a resulting expansion stress, which essentially depends on the area of the outlet side compared to the area of the inlet side of the expansion nozzle.
  • Figure 5A shows an embodiment in which the input surface A1 is essentially the same as the output surface A2, but their respective shapes are changed.
  • Figure 5A provides a square input area. By steadily reducing the height and simultaneously widening the width, an elongated, narrow transverse slot results in the output area 24, which is approximately twice as wide as the input. Its height has, however, decreased by more than half.
  • the expansion nozzle here therefore leads to a decreasing height/width ratio over the length of the expansion nozzle.
  • the width can increase by a factor of 3 while the height H decreases by the same factor.
  • other factors are also possible in this context which reduce the cross-sectional area of the exit region 24 compared to the entry region 23.
  • the height of the nozzle at the exit decreases significantly more than the width increases.
  • the overall area of the exit is also smaller than the cross-sectional area at the entry. Accordingly, in this exemplary embodiment there is not only a transverse flow velocity and thus an expansion of the mass perpendicular to the forward direction, but also a longitudinal expansion.
  • Figure 5B1 shows in the upper part of the figure a simulation of the occurring tensile stresses with adhesion and friction effects along the inside.
  • the direction of advance is now along the Y-axis, the Z-axis corresponds to the width B of the nozzle in part of figure 5A. Due to the friction, the speed at the edge only increases insignificantly over the length shown here, but a broadening of the speed profile in the width can be seen, since the height of the nozzle also decreases steadily in the X-direction.
  • the maximum speed increase occurs in the middle of the
  • REVISED SHEET (RULE 91) ISA/EP Width (since only half the nozzle is shown here , this must be added for reasons of symmetry ) .
  • the lower part of the figure shows the simulation through the nozzle without friction on the inner walls.
  • a significant increase in speed occurs at the edge, i.e. in the Z direction, which causes the tensile stresses.
  • Figures 6A and 6B show two further designs, this time with round and oval input cross-sections respectively. While in Figure 6A this oval shape in the input area 23 is transformed into a rectangular shape with clear corners in the output 24, in Figure 6B the edges are rounded and thus retain at least roughly the same shape as in the input area 23. In this design the areas of the input and output are the same, so that only a transverse expansion stress occurs here, but no or only a very slight longitudinal expansion. Accordingly, the mass is deformed primarily transversely to the direction of advance. In Figure 6B the areas are again different, so that here too in addition to a transverse expansion of the mass a longitudinal expansion is also generated.
  • a second direction perpendicular to the direction of advance e.g. height H.
  • the unequal decrease in the two different spatial directions not only causes longitudinal expansion, i.e. along the length of the expansion nozzle, but also transverse expansion, i.e. along the width B or the height H.
  • the transverse expansions are in turn different due to the different height and width.
  • This configuration makes it possible to cause longitudinal as well as transverse expansion in a highly viscous mass in a targeted manner, the strength of which is controlled by the geometry of the expansion nozzle.
  • Figure 7A shows a further embodiment of such an arrangement in which the expansion section does not extend over the entire length of the nozzle, but only over a partial area, e.g. half of it. This is followed by a rest cut which, in contrast to the embodiment in Figure 3A, is longer.
  • the inlet area 23 is quite short and is designed as a circular connecting piece.
  • the outlet area 24 of the expansion nozzle is designed as a slot with straight side walls.
  • the short inlet section 25d of the expansion nozzle 20 in Figure 7A is followed by an expansion section 25b which tapers in height but at the same time widens.
  • the outlet height R 3 is approximately one third as large as the inlet height or the inlet diameter Ri.
  • the first expansion section 25b is designed with a continuous widening and reduction in height in the direction of the outlet region 24 and has a length LI which is greater than the first rest section 25d in the inlet region of the expansion nozzle, but a second rest region 25c which adjoins the outlet of the first expansion section 25b is shorter. This is just as long as the sum of the first rest section 25d and the first expansion section 25b and also forms the outlet region 24.
  • Figure 7B shows a simulation without effects such as adhesion and friction, which represents the generation of transverse extensional flows by changing the nozzle geometry.
  • the illustration shows one half of the nozzle, which is sufficient for the simulation for reasons of symmetry.
  • the propulsion direction of the highly viscous mass is the Y direction. Lighter colors indicate a higher flow velocity.
  • the inlet of the nozzle can be seen in the upper corner; the flow velocity there is essentially the same.
  • the inlet geometry of the nozzle defines the entire mass flow.
  • the nozzle in the direction of advancement widens in the X-direction, but at the same time becomes thinner, i.e. the dimensions in the Z-direction decrease. Put simply, the nozzle in the direction of advancement becomes wider, but also thinner. This transition does not occur over the entire length of the nozzle, but in a relatively short section, which corresponds to about half or a third of the length of the nozzle.
  • the ratio of the maximum width in x-direction to the length of the nozzle, i.e. W/L is approximately 2, i.e. the nozzle is significantly wider than it is long.
  • the flow velocity in the X direction increases significantly, especially at the edge, due to the widening and the reduction in the height of the nozzle.
  • the mass does not adhere to the wall, but slides off it. The simulation shows that hardly any shear forces occur that could lead to tearing.
  • Figure 8 shows a further embodiment of an expansion nozzle, which is constructed similarly to the embodiment in Figure 3B.
  • Figures 9A and 9B show examples of the steps of a method for producing a textured product according to the proposed principle, as can be produced using the extruder arrangement and expansion nozzles shown in the figures.
  • the method takes advantage of the fact that a dough mixture with a lower water content leads to increased interaction between the individual proteins and polymers during kneading of the dough in the extruder arrangement, so that the resulting dough has a significantly increased viscosity.
  • the viscoelasticity can be adjusted by adding sugar and salt, as well as a suitable thermomechanical treatment using the proposed extruder arrangement (e.g. the use of a two-axis screw drive).
  • FIG. 9A shows a first embodiment of the proposed method.
  • a protein mixture is provided. This comprises a protein isolate from wheat and a protein isolate from pea protein. The proportion of proteins in the respective isolates is approximately 90% by weight, with a residual moisture content in the range of approximately 5% by weight and other components. In this embodiment, vegetable fibers are hardly present in the isolates.
  • the two isolates are mixed in approximately equal proportions and make up approximately 55% by weight of the basic mixture. Also added to the mixture is 10% by weight of vegetable oil, as well as salt in the range of 1% by weight and sugar in the range of 5% by weight. Flavors and spices are in the range of 2% by weight, each based on the basic mixture. The solid and oily components therefore account for 73% by weight, with the residual moisture in this mixture amounting to approximately 2.7% by weight (55% * 0.05%).
  • step S4 the mass is subjected to a longitudinal expansion at a temperature of approximately 125 ° C, the stress of which results from a continuous reduction of the input cross-section to the output cross-section.
  • the input cross-section is larger in area by a factor of 8 than the output cross-section. cross-section.
  • the expansion takes place over a distance that is 3 to 4 times larger than the diameter of the inlet cross-section. Therefore, due to the constant mass flow, the flow velocity over this distance also changes by a factor of 8, which stretches the extrudate primarily in its length.
  • the static friction is reduced by a suitable coating, so that the extruded extrudate does not get stuck and no major shear forces occur that could lead to wall slippage or breakage of the extrudate.
  • the temperature does not change significantly during the expansion deformation, i.e. the texturate at the end of the expansion nozzle has a temperature of approximately 125 °C.
  • the texturate at the end of the expansion nozzle has a temperature of approximately 125 °C.
  • rapid expansion occurs due to the pressure drop. This creates a porous structure of the texturate without destroying the long-fiber structure created by the expansion stress.
  • step S3 the extrudate is subjected to tensile stress.
  • the extrudate is advanced section by section without tensile stress and then section by section subjected to tensile deformation.
  • the latter is achieved by increasing the flow velocity of the extrudate at the same mass flow.
  • the section by section stretch deformation and the resting sections reduce transverse stresses or distortions in the extrudate, so that particularly long fibers are formed.
  • the length of the advance, during which the flow velocity is increased section by section is significantly greater than the diameter of the inlet cross-section.
  • the increase in flow velocity in the tapered sections of the expansion nozzle is different. In particular, the flow velocity is only increased slightly at the beginning, but is increased further during the advance. This prevents the fiber formation from breaking.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines Texturats, bei dem ein Proteingemisch bereitgestellt wird, welches wenigstens ein erstes Proteingemisch, insbesondere ein Erbsenproteingemisch oder ein Ackerbohnenproteingemisch, mit einem Gewichtsanteil zwischen 45 Gewichts-% und 75 Gewichts-% bezogen auf eine Grundmischung aufweist. Es wird Wasser mit einem Gewichtsanteil zwischen 25 Gewichts-% und 50 Gewichts-% bezogen auf die Grundmischung zurr Formung eines Breis zugeführt und der Teig anschließend bei einer maximalen Temperatur zwischen 110 ° C und 160 ° C zur Bildung eines Extrudats extrudiert. Das Extrudat wird bei einer Temperatur von größer 100 ° C mittels Vortriebs des Extrudats durch eine Dehnungsdüse dehnverformt, deren Geometrie sich über die Länge so ändert, dass eine longitudinale und/oder transversale Dehnungsspannung auf die Masse erzeugt wird.

Description

VERFAHREN ZUM ERZEUGEN EINES TEXTURATS UND EXTRUDERANORDNUNG
Die vorliegende Anmeldung nimmt die Priorität der deutschen Patentanmeldung DE 10 2023 106 032 . 5 vom 10 . März 2023 in Anspruch, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug vollständig aufgenommen wird .
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Texturats und eine Extruderanordnung .
HINTERGRUND
Pflanzliche Proteine in Form von Isolaten oder Konzentraten werden heutzutage für eine Vielzahl von Fleischersatzprodukten verwendet . Dies ist zum einen durch eine erhöhte Nachfrage nach einer vegetarischen oder veganen Ernährung bedingt und ist zum anderen dem Verbraucherwunsch nach einer nachhaltigen und ressourcenschonenden Landwirtschaft geschuldet .
Dabei besitzen vegane Lebensmittelprodukte aus pflanzlichen Proteinen unter anderem den Vorteil , dass sie aus heimisch bzw . lokal hergestellten Grundstoffen erzeugt werden können . Gerade Hülsenfrüchte , aber auch andere pflanzliche Stoffe haben gegenüber Soj a oder anderen Stoffen den Vorteil , dass sie ressourcenschonender angebaut werden können . Demgegenüber steht eine wachsende Nachfrage nach unterschiedlichen Lebensmittelprodukten auf pflanzlicher Basis .
Herkömmlicherweise werden Produkte auf Basis von pflanzlichen Proteinen durch Trocken- oder Feuchtextrusion hergestellt . Die Trockenextrusion wird bei hohen Temperaturen T > 130 ° C und einem Feuchtigkeitsgehalt < 30 % durchgeführt . Für die Extrusion wird eine kurze , schmale Düse ohne Kühlung verwendet . Dies ermöglicht die Herstellung von di- rekt-expandierten Produkten, so genannten TVP ( texturierte pflanzliche Proteine ) . In trockener Form sind sie eher unregelmäßig , porös und glasig und werden, nachdem sie rehydriert wurden, zu den Endprodukten weiterverarbeitet . Das Endprodukt hat eine schwammartige Struktur ohne nennenswerte Anisotropie mit entweder keinen oder nur sehr kurzen Fa- sern . Sie ähneln den sensorischen Eigenschaften von Fleischanaloga nur wenig und werden häufig in gemischten Produkten ( z . B . Burger-Patties usw . ) und nicht für ganze Produkte verwendet .
Die Feuchtextrusion ( HME ) ist die derzeitige Technologie , die von der Industrie zur Herstellung faseriger Produkte auf pflanzlicher Proteinbasis eingesetzt wird . Die daraus resultierenden Produkte bieten oft eine zufriedenstellende Grundlage , da sie eine anisotrope , fleischähnliche Struktur, Textur und Optik aufweisen .
Bei einer solchen Feuchtextrusion wird die Masse nach einem Kneten unter anderem durch eine längliche Kühlschlitzdüse oder auch eine verlängerte Kühl-couettedüse gepresst . Dabei wird in beiden Fällen die auf Proteinen basierende Matrix bei relativ hohen Temperaturen ( T > 130 ° C ) und hohen Wassergehalten ( >50 % ) im Schneckenteil des Extruders extrudiert und dann gezwungen, durch eine nachfolgende Kühldüse zu fließen, in der das Material kontinuierlich abgekühlt wird ( typischerweise auf unter <100 ° C am Düsenaustritt ) , um eine Expansion zu vermeiden, welche die erzeugten faserigen Strukturen im Düsenteil zerstören könnte .
Obwohl diese Methode bei unterschiedlichen Rohstoffen auf Pflanzenbasis angewandt werden kann, um faserige Produkte auf Proteinbasis zu erzeugen, die Fleischprodukten in akzeptabler Weise äußerlich und zum Teil auch geschmacklich ähneln, fehlen ihnen entweder lange Faserstrukturen oder die gewünschte Zartheit , die beide notwendig sind, um die Eigenschaften von gekochtem Fleisch erfolgreich nachzubilden .
Es hat sich gezeigt , dass die resultierenden Produkte faserähnliche Strukturen mit lediglich kurzer Länge aufweisen, während echtes Fleisch aus Längsfasern mit bis zu 30 cm Länge besteht . Je nach Implementierung kann zwar die Länge der Fasern bei den pflanzlichen Proteinen etwas erhöht werden, j edoch ist das resultierende Endprodukt sehr kompakt , hart und weist eine sehr starke Elastizität auf , was nicht zu dem gewünschten Mundgefühl der Fleischprodukte führt . Es besteht das Bedürfnis , an dieser Stelle weitere Änderungen gegenüber herkömmlichen Technologien vorzunehmen, um auf diese Weise Verbesserungen in den Produkten zu erreichen .
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diesem Bedürfnis wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche Rechnung getragen . Weiterbildungen und Ausgestaltungsformen des vorgeschlagenen Prinzips sind in den Unteransprüchen angegeben .
Bisherige Forschungen gingen davon aus , dass die Faserbildung im Formteil und der Ausgangsdüse aus der mehrphasigen Gelbildung bei hohen Temperaturen und der anschließenden Verformung dieses mehrphasigen Systems durch Scherspannungen im Formteil resultiert , wobei die Masse auf weniger als 100 ° C abgekühlt ist , um die Fasern nicht zu zerstören .
Obwohl sich diese Methode zur Herstellung faseriger Produkte auf Proteinbasis , die typischerweise Fleischprodukten ähneln, als erfolgreich erwiesen hat , bleibt die Kontrolle der resultierenden Faserbildung eine Herausforderung . Diese erfordern eine präzise Kontrolle der Gelbildung , der Abkühlung sowie der Scherkräfte im Formteil , die wiederum in hohem Maße variieren, da solche hochelastischen Materialien ein Wandschlupf und Schmelzbruchphänomen aufweisen, das die Verformungsgeschichte erheblich beeinflusst . Wandschlupf oder Schmelzbruch führen zu einem plötzlichen Druckabfall in der Düse und damit zu einer Expansion der Masse , und neben einem Zerreißen der Fasern auch zu einem instabilen Verhalten .
Infolgedessen können viele Fleischprodukte , insbesondere mit langen Faserstrukturen, mit dieser Technologie nicht ausreichend imitiert werden . Sie können faserige Strukturen erzeugen, die eine parabolische Form ( aufgrund des Scherflusses ) und eine relativ geringe Länge haben, während das echte Fleisch aus Längsfasern von bis zu 30 cm Länge besteht .
Außerdem können mit den verfügbaren Düsentechnologien nur proteinbasierte Matrizen mit sehr spezifischen Eigenschaften texturiert werden . Typischerweise sollten die geeigneten Proteinquellen nach der Behand- lung in der Schneckenpartie des Extruders eine sehr hohe Gelfestigkeit sowie Viskosität aufweisen, da dies die Scherspannungen in der Düsenpartie maßgeblich beeinflusst ( geringe Vis kosität , geringe Verformungsspannungen, keine Faserbildung ) . Dies schränkt die Verwendung vieler Proteinressourcen ein, die billiger, nachhaltiger oder gesünder sein könnten .
Definition Proteingemisch
Zum Zwecke dieser Anmeldung bedeutet der Begriff „Proteingemisch" ein Pflanzenproteingemisch . Ein derartiges Pflanzenproteingemisch wird im Herstellungsprozess im Regelfall aus einer einzelnen Pflanzenart gewonnen, wobei Verunreinigungen anderer Pflanzen in geringem Maße vorkommen können .
Sofern nicht anders genannt , umfasst ein „Pflanzenprotein" ein Pflanzenproteingemisch aus der j eweiligen Pflanze , andernfalls wird von einem „einzelnen Pflanzenprotein" gesprochen . Das Gemisch kann neben den eigentlichen pflanzlichen Proteinen auch noch weitere Bestandteile wie Stärke , Zucker, Faserstoffe , Mineralien, Fette sowie Öle enthalten . Ebenso können einzelne Aminosäuren Teile des Proteingemisch sein . Die j eweiligen Mengen werden weiter unten noch näher in den Begriffen Konzentrat und Isolat definiert .
In entsprechender Weise ist ein „Erbsenprotein" oder ein Pflanzenprotein auf Erbsenbasis ein Proteingemisch, welches im Wesentlichen Erbse , Erbsenbestandteile oder Proteine der Erbsenpflanze umfasst und entsprechend aufbereitet worden ist .
Ein Proteingemisch kann aus der Pflanzenart als solcher gewonnen werden, aber auch das Resultat eines Nebenstroms sein . Es gibt auch verschiedene Nebenströme , Presskuchen und Rückstände , die als Proteinquelle genutzt werden können und somit im Sinne dieser Definition Proteingemische darstellen . Dazu gehören unter anderem, -ohne abschließende Auf zählung- , Rückstände aus der Zuckergewinnung , der Erzeugung alkoholischer Getränke wie Bier und Wein, Rückstände und Nebenströme aus der Ölerzeugung wie Soj aöl , Kokosöl und Rapsöl , oder der pflanzlichen Milcherzeugung wie Hafermilch, Erbsenmilch oder Ackerbohnenmilch . Weitere Beispiele für verschiedene Nebenströme , aus denen sich Proteingemische erzeugen lassen oder diese enthalten sind unter anderem Okara ( Soj apulpe ) , Mandelpulpe , Haferpulpe , Ko- kospulpe/ Fleisch, Sonnenblumenkuchen, Rapskuchen, Leinsamenmehl , Hanf kuchen, Cashew-Rückstände und Erdnuss kuchen und Maisglutenmehl , Molkenprotein, Casein-Mizellen, Kartoffelfruchtwasser , Kichererbsenpulpe , Linsen-Rückstände , verbrauchte Brauhefe und verbrauchtes Malz ( Biertreiber ) .
Weitere pflanzliche Proteine , die sowohl als Konzentrat , als Isolat ( siehe die dortige Definitionen ) aber auch in anderer Form als Proteingemische verarbeitet werden können umfassen unter andere ( ohne abschließende Nennung texturiertes Soj aprotein, Tempeh, Hydrolysiertes Weizenprotein, Mykoprotein ( Pilzmyzel , beispielsweise aus Fusarium venenatum) , Reisprotein, Kartoffelprotein, Maisprotein ( Zein-Pro- tein ) , Hanfprotein, Algenprotein, z . B . aus Spirulina der Chlorella, Rapsprotein, Sonnenblumenprotein, Baumwollsamenprotein, Kürbiskernprotein, Quinoaprotein, Amaranthprotein, Hirseprotein, Dinkelprotein, Haferprotein, Gerstenprotein, Lemnaprotein, Maniokprotein, Kokospro- tein, Macadamia-Protein, Cashewprotein, Chiaprotein, Leinsamenprotein, Sacha-Inchi-Protein, Wassermelonensamenprotein, Pistazienprotein und Hefeprotein .
Die genannten Proteine können wiederum in Hülsenfruchtproteine und Nicht-Hülsenfruchtproteine aufgeteilt werden . Je nach gewünschtem Texturat lasse sich Hülsenfruchtproteingemische mit Nicht-Hülsen- f ruchtproteingemischen kombinieren und mit dem vorgestellten Verfahren verarbeiten
Definition Hülsenfruchtprotein
Ein Hülsenfruchtprotein ist ein Proteingemisch, welches aus Hülsenfrüchten gewonnen wird . Dazu gehören unter anderem Erbse und Ackerbohne , aber auch Linse , Mungbohne , Kichererbse , weiße Bohne und Erdnüsse . Soj a gehört ebenso zu diesen, soll j edoch, -sofern nicht explizit angegeben- ebenfalls unter den Begriff Hülsenfruchtprotein fallen, obwohl der Anbau von Soj abohnen im Verhältnis zu anderen Hülsenfrüchten deutlich mehr Ressourcen verbraucht . Definition Nicht-Hülsenfruchtprotein
Ein Nicht-Hülsenfruchtprotein ist ein Proteingemisch, welches pflanzlichen Proteine umfasst , die aber nicht aus einer Hülsenfrucht stammen . Sie werden somit aus anderen Feldfrüchten gewonnen, die nicht n der obigen Definition als Hülsenfrüchte aufgeführt sind und auch keine solche darstellen . Dazu gehören neben Weizen auch alle anderen Cerealien und Getreidesorten, beispielsweise Hafer, sowie Hanf , Kartoffel , Reis , Hanf , Kürbiskern, Mais aber auch Raps und Sonnenblume . Proteine aus Algen, Hefe , Pilzmycelium und/oder Pilz-Fruchtkörper fallen ebenfalls unter die Nicht-Hülsenfruchtproteine .
In diesem Zusammenhang werden Proteingemischen aus diesen Pflanzen auch als andere Proteingemische bezeichnet , und so von Proteingemischen aus oder mit Hülsenfrüchten unterschieden .
Definition Konzentrat sowie Isolat
Die Begriffe Pflanzenproteinisolat und Pflanzenproteinkonzentrat beschreiben j eweils Pflanzenproteingemische , die sich in der Konzentration des Proteinanteils unterscheiden . Die anderen Bestandteile eines Isolats bzw . Konzentrat sind beispielsweise Fette , Zucker einschließlich Stärke und Cellulose , die bei der Verarbeitung des Konzentrats oder Isolats im Gemisch Zurückbleiben . Die einzelnen anderen Bestandteile sind gegenüber der ursprünglichen Konzentration reduziert , Reste befinden sich aber wegen der verschiedenen Aufbereitungsmöglichkeiten in unterschiedlicher Konzentration weiterhin im Isolat bzw . Konzentrat . Daneben befindet sich auch ein geringer Anteil an Restfeuchte in dem Isolat bzw . Konzentrat .
Ein Pflanzenproteinisolat ist beispielsweise ein Gemisch aus einem Pflanzenprotein, bei dem die Konzentration des Pflanzenproteins in dem Gemisch im Bereich über 85% Gewichtsanteil liegt , beispielsweise im Bereich von 87 % bis 97 % Gewichtsanteil . Bei einem Proteinkonzentrat liegt der Gewichtsanteil des Pflanzenproteins üblicherweise im Bereich unterhalb von 80 Gewichts-% oder auch unterhalb von 70 Gewichts-! , beispielsweise im Bereich von 40 Gewichts-% , bis 75 Gewichts-! oder auch bis ca . 80 Gewichts-% . Es gibt zudem einen Übergangsbereich, der j e nach Proteingemisch von 75 Gewichts-% und 85 Ge- wichts-% reicht und in dem, j e nach Hersteller, Proteinvariante oder anderen Parametern mal von Konzentrat oder auch von Isolat gesprochen wird .
Je nach Aufbereitungs- und Herstellungsprozess kann aus einer Pflanzenart somit ein Pflanzenproteinkonzentrat oder Pflanzenproteinisolat gewonnen werden . Damit beeinflusst der Herstellungsprozess nicht nur wesentlich die Konzentration des Pflanzenproteingemisches , sondern gegebenenfalls auch die Zusammensetzung der übrigen Bestandteile sowie der Restfeuchte .
Definition weitere Zutaten
In einigen Aspekten kann eine zusätzliche Funktionalität in Proteinzusammensetzung , Geschmack, textureller Zusammensetzung , visuellen oder haptischen Eigenschaften durch mindestens eine weitere Zutat erzeugt werden . Hier wäre zum einen anzumerken, dass die oben genannten Proteingemische aus den verschiedenen Früchten, zum einen sowohl hinsichtlich der verschiedenen Früchte aber auch hinsichtlich der Konzentration gemischt werden . Ein Beispiel wären Mischungen aus Erbsenprotein und Ackerbohnenprotein aber gegebenenfalls auch Zusätze von Weizen oder Reisprotein zu einem Proteingemisch aus Soj a oder auch Erbse .
Daneben können auch weitere Zutaten, wie Salz , Gewürze , aber auch zusätzliche Stärke , Zucker, Sirup, Fette oder Öle vorhanden sein . Diese lassen sich sowohl als Teil der Rohmasse am Anfang zugeben, alternativ oder zusätzlich auch während des Verarbeitungsprozesses . Es hat sich hier überraschend herausgestellt , dass gerade Zucker , Öle und Salze und /oder in Form von Zucker- , Salz- , Öl-haltigen Zutaten . Z . B . Traubensaftkonzentrat oder Soj asauce nicht nur zu einer geschmacklichen Anpassung, sondern auch noch zu einer texturellen Änderung führen können . Diese zusätzlichen Bestandteile können in freier Form vorliegen, aber auch in entsprechenden Rohstoffen in stark konzentrierter Form gebunden sein, also z . B . Zucker in Sirup
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Zuführung funktioneller Bestandteile , wie Aromen, und/oder auch zusätzlicher spezieller Protein- bzw . Aminosäurequellen zur Einstellung bestimmter Eigenschaften oder Verbesserung der menschlichen Bioverträglichkeit . Im Allgemeinen werden die zusätzlichen Gemische sowie ein oder mehrere der oben genannten Stoffe als weitere Zutaten oder weitere Komponenten bezeichnet . Definition Grundmischung
Eine Grundmischung ist eine Kombination aus einem Proteingemisch sei es aus einer Pflanzenart , oder Gemische aus mehreren Pflanzenarten, als Pflanzenproteinisolat , Pflanzenproteinkonzentrat oder eine Kombination hiervon, sowie Wasser , das vor oder während der Verarbeitung hinzugegeben wird . Optional können weitere Proteingemische , und/oder auch mindestens eine andere Zutat und/oder mindestens eine andere Komponente hinzugefügt werden .
Die so erstellte Mischung bildet bei Zugabe von Wasser einen Teig , der anschließend in einem Extruder weiterverarbeitet wird . Alternativ können die einzelnen Bestandteile auch dem Extruder während der Extrusion zugeführt werden .
Die Grundmischung wird im Allgemeinen in Gewichts-% angegeben, und zwar bezogen auf das Gewicht aller hinzugefügten Zutaten . Eine Grundmischung aus 50% Gewichtsanteil Proteingemisch und 50% Gewichtsanteil Wasser wird somit durch Mischen gleicher Gewichtsanteile des Proteingemisches und Wasser erzeugt . Dennoch ist der gesamte Wasseranteil in der Grundmischung etwas größer als 50% , weil das Proteingemisch selbst j a etwas Restfeuchte enthält . Das gleiche gilt für der Grundmischung zugefügte Salze , Zucker, Fette , da diese ebenfalls im Proteingemisch in unterschiedlicher Menge vorhanden sind .
Entsprechend sind somit die einzelnen Bestandteile in der Grundmischung bezüglich der hinzugegebenen Anteile etwas verschoben . Dies gilt insbesondere auch im Blick auf den Wasseranteil , der aufgrund der Restfeuchte im Proteingemisch im Teig meist etwas höher ist als das rein zugegebene Wasser , im fertigen Texturat aber wiederum niedriger sein kann, weil etwas Wasser verdampft ist .
Definition Extrudat
Im Folgenden wird die in einem Extruder durch Kneten oder andere mechanische Bearbeitung verarbeitete Teigmasse am Ausgang des Extruders , insb . am Ende des Schneckenteils desselben als Extrudat oder auch als viskoelastische Masse bezeichnet . Der zugehörige Prozess wird als Ex- trudierung bezeichnet . Das Texturat entspricht dann dem fertigen dehnungsverformten und anderweitig bearbeiteten Extrudat .
Definition Faser
Fasern im Sinne dieser Anmeldung sind elastischen, kohäsiven Schichten, die entlang einer Hauptrichtung ausgerichtet sind, die als Faserrichtung bezeichnet ist . Fasern im Sinne dieser Anmeldung weisen eine starke Anisotropie auf , was bedeutet , dass sie sich vom restlichen Produkt ablösen oder trennen lassen, wenn die Fasern in eine andere Richtung als ihre Faserrichtung gezogen werden ( z . B . aus der Querrichtung, wenn sie in Längsrichtung ausgerichtet sind, oder umgekehrt ) . Die Fasern sind damit relativ locker oder ablösbar , wenn sie in eine Richtung orthogonal zur Faserrichtung gezogen werden, und elastisch und kohäsiv, wenn sie entlang der Faserrichtung gezogen werden . Durch simples Ziehen mit der Hand können einzelne Fasern von dem Produkt abgelöst werden .
Als Faserlänge wird maximale Länge der Schicht bezeichnet , die sich vom Produkt ablöst , ohne zu reißen und dabei ihre starke Anisotropie und Elastizität in der Faserrichtung zu behalten . Die durchschnittliche Faserlänge ist meist geringer und folgt einer Normal-Verteilung . Wenn nicht anders angegeben, ist mit der Faserlänge überwiegend die durchschnittliche Faserlänge gemeint .
Definition thermomechanische Behandlung
Ein Prozess während der Extrusion, bei der der Teig einer bestimmten Temperaturspanne ausgesetzt ist , während er mechanisch verarbeitet wird . Eine mechanische Verarbeitung kann Kneten, Rollen, Walzen, Stauchen und andere Formen umfassen, bei dem auf den Teig eine Kraft oder ein Drehmoment ausgeübt wird .
Definition axiale und transversale Dehnung
Die Verformung des Materials entlang der Längsachse ( axial , bzw . longitudinal ) und/oder seitlichen Achse ( transversal ) , die in einem Kanal einer Düse auftritt , der nach dem Schraubenabschnitt des Extruders montiert ist . Das Material wird dabei entlang der j eweiligen Achse auseinandergezogen . Erfolgt die Dehnung nach dem Ausgang des Extruders , wird das Extrudat entsprechend gedehnt .
Definition Materialtemperatur
Die Temperatur , die das Proteingemisch während der thermomechanischen Behandlung in der Extrusion erreicht . Die angegebenen Temperaturen beziehen sich, wenn nicht anders angegeben auf die Materialtemperatur .
Der Erfinder hat erkannt , dass bei der Verarbeitung pflanzlicher Proteine auftretende Dehnungsspannungen bei der Verformung effizienter sind als Scherkräfte . Eine geeignete Steuerung des Auftretens und der Stärke dieser Kräfte ermöglicht die Erzeugung faseriger Strukturen in Proteinmischungen, die in herkömmlichen Systemen aufgrund unzureichender Verformung der Matrix nicht ausreichend texturiert werden . Im Besonderen wird vorgeschlagen, bezogen auf die Extrusionsrichtung starke longitudinale und/oder transversale Dehnungsspannungen auszunutzen, um faserige Strukturen in Extrudaten auf Pflanzenproteinbasis sowohl bei mittlerem (<50% ) als auch bei niedrigem Feuchtigkeitsgehalt (<30% ) zu erzeugen . Das vorgeschlagene Prinzip erlaubt es , die Anisotropie des Texturats im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden einstellen zu können, so dass es möglich ist , die Technik auf alle Arten von Proteinquellen und deren Mischungen anzuwenden . Entsprechend können beispielsweise Faserlängen von 1 cm bis 30 cm im Durchschnitt erzeugt werden .
Durch die Anpassung der Viskoelastizität beispielsweise mittels einer geeigneten Auswahl der Zutaten und der Verformungsspannungen während der einzelnen Prozesse lassen sich auch Proteingemische texturieren, die ansonsten nicht oder nur schwierig zu texturieren sind Damit ist eine Grundlage für die Texturierung einer größeren Bandbreite von Proteinen ( einschließlich Konzentraten) geschaffen und die Textur lässt sich entsprechend den Anforderungen des Endprodukts gestalten . Damit sind vegane Produkte realisierbar , die in Textur und Geschmack Fisch- , Huhn- Rind- oder Schweinefleisch ähneln .
Das vorgeschlagene Verfahren basiert auf einer Kombination mit einer Grundmischung aus einem oder mehreren Proteingemischen sowie Nebenkom- ponenten und Wasser, die bei trockenem bis mittleren Feuchtigkeitsgehalt ( 10 Gewichts-% bis ca . 40 Gewichts-% ) sowie recht hohen Materialtemperaturen extrudiert wird . Zur Herstellung des Texturats wird eine spezielle geformte Düse , insbesondere ohne Kühlung zur Erzeugung einer Dehnungsverformung verwendet , die zu der erfindungsgemäßen Faserbildung führt . Durch die Anwendung des dehnungsdominierten Strömens bzw . genauer eines Gleitens wird dabei eine longitudinale oder transversale Geschwindigkeitskomponente der heißen Masse in der Düse aufgrund einer sich ändernden Form und/oder eines sich verringernden Querschnitts erzeugt . Die Verwendung verschiedener Materialien als Wandmaterial ermöglicht es , den Beitrag der Scherspannungen einzustellen, der in einigen Fällen durch die Verwendung einer PTFE- oder Keramikwand fast auf null reduziert werden kann . Edelstahl hat diesbezüglich einen deutlich höheren Reibungskoeffizienten, so dass das Risiko einer Wandhaftung besteht , und es damit zu einem Bruch in den Fasern kommt , was zu kurzen Fasern führt . Um hier ein Gleiten zu ermöglichen, ist es zweckmäßig, die Viskosität des Materials weiter zu erhöhen .
Dies verringert das Risiko von Fließinstabilitäten in der Düse und ermöglicht eine sehr gut definierte Deformation durch transversale und/oder longitudinale Dehnung des Extrudats . Dadurch lassen sich vor allem durch die Düsengeometrie sowohl transversale als auch longitudinale Dehnungsspannungen erzeugen . Unter dem Begriff einer longitudinalen Dehnungsspannung wird eine Dehnungsspannung verstanden, die im Wesentlichen parallel zur Vortriebsrichtung verläuft . Eine transversale Dehnung ist eine Dehnung , die hauptsächlich senkrecht oder quer zur Vortriebsrichtung des Extrudats steht .
Zudem liegt bei diesem Prozess die Temperatur in einigen Aspekten über 100 ° C und der Druck innerhalb der Düse ebenfalls bei mehr als 5 bar . Das sich ergebende Texturat besitzt eine fleischähnliche Charakteristik durch eine fasrige Struktur , deren Länge größer als 8 cm und insbesondere größer als 12 cm und auch bis zu 30 cm ist . Der Wasseranteil des Texturats liegt im Bereich von weniger als 40 Gewicht-% , insbesondere weniger als 30 Gewichts-% . Am Ausgang der Dehnungsdüse wird ein direkt-expandiertes Texturat gebildet , das nach einer Rehydrierung oder nach einem Walzen verwendet werden kann, um die Poren zu kollabieren und kompakte faserige Endprodukte zu erzeugen .
Auf diese Weise lassen sich nicht nur verschiedene Proteingemische texturieren, sondern es wurde überraschend festgestellt , dass Proteingemische verwendet werden können, die sich unter normalen Bedingungen nicht zu langen Fasern oder einer langfasrigen, fleischähnlichen Struktur texturieren lassen . Durch eine weitere Verarbeitung kann dann die fasrige Struktur des Texturats an ein gewünschtes Endprodukt angepasst werden .
Unter konventionellen Herstellungstechniken hingegen würde die Expansion die faserigen Strukturen zerstören, aber hier ist die resultierende Produktstruktur aufgrund der langen Faserbildung und der hohen Viskoelastizität sehr stabil , die Verdampfung und Expansion am Ausgang der Dehnungsdüse führt nur zu einem lockeren und zarten Produkt j edoch mit intakter Faserstruktur .
Die Art der Dehnungsspannungen, d . h . transversale und/oder auch longitudinale Spannungen lassen sich durch die Düsengeometrie bestimmen . Das Ausmaß der Dehnungsspannungen sowohl transversal als auch longitudinal kann durch Variation des Wandmaterials ( PTFE , Keramik oder Edelstahl ) sowie durch Variation der in dieser Anmeldung aufgeführten Auslegungsparametern eingestellt werden . Dazu gehört unter anderem auch die Form des Eingangsquerschnitts , die Form des Ausgangsquerschnitts und der Übergang hierzu . Auf diese Weise lässt sich die Art und Stärke der Dehnungsspannung einstellen und so auch Proteinmischungen texturieren, die anderweitig schwierig zu erzeugen sind .
Bei dem Verfahren zum Erzeugen eines Texturats wird eine Grundmischung bereitgestellt , welche ein Proteingemisch umfasst . Das Proteingemisch weist wenigstens ein erstes Proteingemisch auf , insbesondere eines oder mehrere aus einem Haferproteingemisch, einem Weizenproteingemisch, einem Erbsenproteingemisch oder einem Ackerbohnenproteingemisch, und zwar mit einem Gewichtsanteil zwischen 45 Gewichts-% und 75 Gewichts- % bezogen auf eine Grundmischung . Weitere mögliche Anteile wären 45 Gewichts-% , 50 Gewichts-% , 55 Gewichts-% , 60 Gewichts-% , 65 Gewichts- % , 70 Gewichts-% und 75 Gewichts-% sowie vor allem die j eweiligen Bereiche zwischen zwei dieser genannten Werte , also z . B . zwischen 45 Gewichts-% und 50 Gewichts-% j eweils bezogen auf die Grundmischung .
In einigen Aspekten kann die Grundmischung auch mehrere verschiedene Proteinmischungen, insbesondere pflanzliche Proteinmischungen aus unterschiedlichen Pflanzenarten erhalten . Dazu kann in einigen Aspekten auch Weizen gehören . Ein zweites pflanzliches Proteingemisch kann beispielsweise einen Anteil zwischen 5 Gewichts-% und 35 Gewichts-% bezogen auf die Grundmischung aufweisen . Weitere mögliche Anteile sind 10 Gewichts-% , 15 Gewichts-% , 20 Gewichts-% , 25 Gewichts-% , 30 Ge- wichts-% , 45 Gewichts-% , und 50 Gewichts-%sowie vor allem die j eweiligen Bereiche zwischen zwei dieser genannten Werte , also z . B . zwischen 10 Gewichts-% und 15 Gewichts-% . Im Allgemeinen sollte das zweite Proteingemisch keinen größeren Anteil an der Grundmischung haben als das erste Proteingemisch .
Als Proteine kommen eines oder auch in Kombination der oben genannten Hülsenfruchtproteine , einschließlich Soj a in Frage . Ebenso können Mischungen aus einem oder mehreren Hülsenfruchtproteinen und einem weiteren Proteingemisch, insbesondere einem nicht-Hülsenf ruchtproteinge- misch verwendet werden . Auch liegen diese Gemische als Konzentrate oder auch als Isolate vor , so dass der reine Anteil an Protein im Texturat meist etwas geringer ist .
Bei dem Verfahren wird der Proteinmischung nun Wasser zugegeben mit einem Gewichtsanteil zwischen 20 Gewichts-% und 50 Gewichts-% bezogen auf die Grundmischung zur Formung eines Teigs . Weitere mögliche Anteile von Wasser , die zugegeben werden, sind 10 Gewichts-% , 15 , Gewichts-% 20 Gewichts-% , 25 Gewichts-% , 30 Gewichts-% , 35 Gewichts-% , 40 Ge- wichts-% und 45 Gewichts-% . In einigen Aspekten kann auch die Proteinmischung in der Grundmischung bereits eine erhöhte Restfeuchte aufweisen . Dies wird bei der Zugabe von Wasser berücksichtigt , so dass sich ein gesamter Anteil von Wasser in dem Teig ergibt , der in einigen Aspekten geringer als 55 Gewichts-% ist , insbesondere aber geringer als 50 Gewichts-% und insbesondere weniger als 45 Gewichts-% , weniger als 40 Gewichts-% oder auch weniger als 35 Gewichts-% bezogen auf die Teigmasse .
Die Zugabe des Wassers kann vor einem Kneten erfolgen, aber auch während des Knetens und Formen des Teigs in einem Extruder . Mit anderen Worten kann die Grundmischung in einigen Aspekten in einen Extruder eingefüllt werden und das Wasser wird separat zugeführt . In anderen Aspekten wird das Wasser der Grundmischung teilweise oder auch vollständig beigefügt und anschließend der entstandene Teig dem Extruder zum weiteren Kneten hinzugefügt .
Das Verfahren umfasst weiterhin den Schritt eines Extrudierens des Teigs mit einer maximalen Temperatur im Bereich zwischen 110 ° C bis 160 ° C, insbesondere aber zwischen 120 ° C und 145 ° C . Unter dem Begriff Extrudieren wird diesbezüglich ein Kneten des Teigs unter einem erhöhten Druck und der oben erwähnten Temperatur verstanden, wobei der Teig meist durch ein oder mehrere Schnecken- oder ähnlich arbeitende Getriebe geknetet und vorgetrieben wird . Die Masse des Teigs wird somit bei einem geringen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 50 Gewichts-% (bis zu etwas oberhalb 10 Gewichts-% ) , aber bei den obigen hohen Temperaturen extrudiert , so dass von einer Trockenextrusion oder von einer leicht feuchten Extrusion gesprochen werden kann . Durch den geringeren Wasseranteil auf einem mittleren bis niedrigen Niveau besitzt die Masse des Teigs gegenüber anderen Herstellungsverfahren eine hochvis kose , hochelastischen Matrix im Schneckenteil des Extruders .
Das auf diese Weise erzeugte Extrudat ( auch als hochkvis kose aber gleichzeitig hochelastischen Matrix bezeichnet ) wird nun bei einer Temperatur von größer als 90 ° C und insbesondere mehr als 100 ° C dehnungsverformt . Dies erfolgt durch Vortrieb der heißen hochvis kosen Masse , wobei auf die Masse gleichzeitig eine Dehnungsspannung ausgeübt wird, die transversal , d . h . im Wesentlichen senkrecht zur Vortriebsrichtung ist . Dies kann beispielsweise durch eine spezielle Dehnungsdüse erzeugt werden, die nicht extra gekühlt sein muss . Nach dem vorgeschlagenen Prinzip erfolgt die oben angesprochene Dehnungsverformung in eine transversale Richtung, d . h . quer zum Vortrieb . Somit spricht man auch von einer transversalen Dehnung, wobei eine transversale Dehnung in zwei Richtungen erfolgen kann . Daneben kann auch eine longitudinale Dehnung, d . h . eine Dehnung in Vortriebsrichtung erfolgen . Diese ist j edoch üblicherweise geringer als die Dehnung in transversale Richtung . Eine Kombination derartiger Dehnungen lässt sich beispielsweise durch die oben genannten Parameter unter anderem durch geeignete Wahl des Wandmaterials und der Düsengeometrie einstellen . Die Dehnungsspannungen erfolgt in einigen Aspekten unter anderem durch ein Gleiten des Extrudats entlang einer Innenwand, so dass kaum oder keine Scherströmungen entstehen . Hier ist insbesondere auch zu betonen, dass die Vis kosität der hochviskosen Masse nicht zu niedrig werden sollte , da ansonsten die erforderlichen Dehnungen nicht erzeugt werden können .
Auf diese Weise werden in dem Extrudat durch die weiterhin erhöhte Temperatur, insbesondere oberhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser und dem vorhandenen Druck durch kontinuierliche Dehnungsverformung und die auftretende Dehnungsspannungen lange zusammenhängende Fasern erzeugt , z . B . bis zu 30 cm, die einer Fleischstruktur ähneln . Das dehnverformte Extrudat verlässt die Düse als Texturat , wobei in einigen Aspekten ein plötzlicher Temperatur- und Druckabfall erfolgt . Durch eine nicht unbedingt homogene Verteilung führt die Expansion zu einer lokalisierten wasserreicheren Phase ( auch als weiche Phase bezeichnet ) , wodurch die erfindungsgemäße Anisotropie geschaffen wird . Durch eine Verdampfung werden diese wasserreicheren weiche Phasen noch „lockerer" .
In einigen Aspekten wird das zugeführte Proteingemisch und Wasser bei einer ansteigenden Temperatur bis zur maximalen Temperatur geknetet . Auch während weiteren Knetens des Teigs kann die maximale Temperatur beibehalten werden . Der Temperatur sowie der Druckanstieg erfolgen in einigen Aspekten kontinuierlich, kann aber auch abschnittsweise erfolgen, d . h . mit Abschnitten des Vortriebs , in den keine weitere Erwärmung erfolgt . Der Übergang von einem Brei (meist höherer Wasseranteil ) zu einem Teig ist dabei fließend, wobei insbesondere Letzterer eine gek- netete und mechanisch kaum noch trennbare Masse aus den Komponenten der Grundmischung und Wasser darstellt.
Die maximale Temperatur liegt in einigen Aspekten im Bereich von 110°C bis 160°C und insbesondere zwischen 115°C und 135°C und insbesondere zwischen 120 °C und 145 °C. Weitere Temperaturbereiche für die maximale Temperatur wären 112°C, 114°C, 116°C, 118°C, 120°C, 122°C, 124°C, 126°C, 128°C, 130°C, 132°C, 134°C, 136°C, 138°C, 140°C, 142°C, 144°C, 146°C, 148°C, 152°C und 154°C. Dabei kann die Temperatur kontinuierlich während des Knetens und Vortriebs des Teigs bzw. der Masse auf die maximale Temperatur gesteigert und dann konstant gehalten werden, in einigen Aspekten ist der Temperaturanstieg so ausgestaltet, dass die maximale Temperatur nach ca . der Hälfte einer Extruderstrecke erreicht wird. Ebenso kann die Temperatur während des Vortriebs während des Knetens mehrmals geändert werden, so dass abschnittsweise verschiedene Temperauren eingestellt sind.
Ebenso steigt während des Knetens und des Extrudierens der Druck auf einen Maximalwert an. Entsprechend ist in einigen Aspekten vorgesehen, dass ein Extrudieren bei einem Druck im Bereich von 1 bar bis zu 100 bar oder darüber erfolgt. Typische Bereiche liegen zwischen 20 bar und 80 bar und insbesondere weniger als 60 bar am Ende des Extruders.
Durch Variation des thermischen Spannungsprofils während der Extrusion wird der Grad Protein-Protein Wechselwirkungen und Polymerisationsreaktionen variiert, womit die Elastizität und Viskosität in weiterem Maße eingestellt werden kann. Dieser Aspekt wird nicht nur im Extruder selbst bewirkt (d.h. während es Knetens es Teigs) , sondern in geringerem Maße auch während der Dehnungsverformung.
In einigen weiteren Aspekten wird während des Knetens, d.h. im Schneckenteil des Extruders ein Gas hinzugegeben, um auf diese Weise den Teig und auch das spätere Extrudat aufzulockern. Das Gas kann im Schneckenteil des Extruders an einer Stelle, beispielsweise im Anfangsbereich des Extruders aber auch an verschiedenen Stellen hinzugefügt werden. In einigen Aspekten wird das Gas bei einem Druck hinzugefügt, der später während der Extrusion, insbesondere im Schneckenteil noch erhöht wird . Dadurch wird das Gas im Material des Extrudats „gelöst" und bleibt im Material gebunden . Erst bei der späteren Dehnungsverformung und insbesondere am Ende bi Austritt des Texturats wird der Druck wieder geringer, so dass das Gas zu der Auflockerung des Extrudats beiträgt . Als Gas kann hierzu Kohlendioxid, Stickstoff und in einigen Fällen auch Luft verwendet werden .
In einigen Fällen kann auch dem Teig ein gaserzeugendes Material hinzugefügt werden, welches sich bei der weiteren Verarbeitung, also insbesondere während des Knetvorgangs im Extruder zersetzt und so zur Gasbildung beiträgt . Ein typisches derartiges Material ist Natron (Natriumhydrogencarbonat ) , welches mit Citraten oder anderen leichten Säuren sich unter Bildung von Kohlendioxid zersetzt . Beide Stoffe werden in einigen Aspekten der Grundmischung anfangs als trockene Materialien beigefügt , und beginnen erst bei Zugabe von Wasser zu reagieren . Wenn die Zugabe von Wasser im Schneckenteil des Extruders erfolgt , wird ein vorzeitiges Entweichen des Gases auch verhindert . In einigen Aspekten wird auch nur Natron hinzugefügt , und während des Knetens aufgrund der hohen Temperatur wieder zu Kohlendioxid und Natriumcarbonat zersetzt .
In dem vorgeschlagenen Verfahren ist die Dehnungsdüse in einigen Aspekten nicht aktiv gekühlt , d . h . das dehnungsverformte Texturat verlässt die Dehnungsdüse bei einer Temperatur von mehr als 100 ° C . Ebenso kann das Dehnungsverformen bei verschiedenen Temperaturen erfolgen, so dass das Dehnungsverformen in einigen Aspekten in mehrere Schritte unterteilt wird, von denen einzelnen Schritte bei verschiedenen Temperaturen über 100 ° C durchgeführt werden .
Während des Dehnungsverformens wird die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert , wobei aber der Massestrom im Wesentlichen gleich bleibt . Bei einer longitudinalen Dehnung erfolgt die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit entlang der Vortriebsrichtung , bei einer transversalen Dehnung senkrecht dazu, d . h . die vis kose Masse wird entlang einer Richtung quer zur Vortriebsrichtung gedehnt . Da es zwei transversale Richtungen gibt , kann vorgesehen sein, dass während des Ausübens einer Dehnspannung eine Strömungsgeschwindigkeit in eine erste Richtung quer zur Vortriebsrichtung erhöht wird, während sie in eine andere zweite Richtung gleich bleibt oder geringer wird . Dadurch kann der Massestrom konstant gehalten werden .
Entsprechend wird in einigen Aspekten während des Ausübens einer Dehnspannung die hochvis kosen Masse entlang einer ersten Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung stärker gedehnt als entlang der Vortriebrichtung sowie einer zweiten Richtung senkrecht zur Vortriebs- und ersten Richtung .
Diese Dehnung kann beispielsweise erfolgen, indem abschnittsweise ein transversales Dehnungsverformen bei Temperaturen von größer 100 ° C durch Vortreiben der hochviskosen Masse erfolgt , so dass eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung vergrößert wird . Alternativ kann auch ein abschnittsweises longitudinales Dehnungsverformen bei Temperaturen von größer 100 ° C durch Vortreiben der hochvis kosen Masse durchgeführt werden, so dass eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung entlang der Vortriebsrichtung vergrößert wird .
Ebenso ist es möglich, dass eine Vortriebsgeschwindigkeit zumindest teilweise geringer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung . Damit wird die Masse beispielsweise in einigen Abschnitten schneller verbreitert als vorgetrieben .
Dabei lässt sich in einigen Aspekten die Dehnung durch Beschichtung der Wand, der Abnahme des Durchmessers der Dehnungsdüse bzw . der Reduktion der Höhe zur Breite und weitere Parameter beeinflussen . Der Massestrom bleibt im Wesentlichen konstant und aufgrund der hohen Viskosität auch laminar . Um ein Reißen der Dehnungsspannungen zu vermeiden, ist es zweckmäßig , die Haftreibung zwischen Masse und Wand gering zu halten, so dass die Masse daran gleitet . Durch Vortreiben des Ex- trudats wird bei Temperaturen von mehr als 100 ° und insbesondere zwischen 105 ° C und 115 ° C die Masse dehnungsverformt . Am Ende dieser Dehnungsverformung liegt die Temperatur des Zwischenprodukts in einigen Aspekten immer noch über 100 ° C , und beispielsweise im Bereich zwischen 110 ° C und 135 ° C . Es kann in speziellen Aspekten auch über 130 ° C liegen . Die longitudinale oder auch transversale Dehnungsverformung kann kontinuierlich aber auch abschnittsweise erfolgen . Beim ersten Fall wird dies beispielsweise durch eine kontinuierliche Abnahme der Querschnittsfläche erreicht . In einigen Aspekten wird anstatt des Querschnitts ein Verhältnis von Breite zur Höhe des Eingangs und Ausgangs in Beziehung gesetzt , wobei das Verhältnis sich ebenso ändert . Insbesondere verringert sich einer der beiden Größen zwischen Eingang und Ausgang . Somit können auf diese Weise gezielt transversale Strömungen und Dehnungen erzeugt werden .
In den genannten Fällen bedeutet dies , dass abschnittsweise die Strömungsgeschwindigkeit der Masse vergrößert wird, gefolgt von einem oder mehreren Abschnitten, in denen die Strömungsgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant ist . Die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit kann dabei entlang, aber auch senkrecht zur Vortriebsrichtung der Masse erfolgen . Alternativ kann die Strömung aus kontinuierlich erhöht werden, so dass eine Dehnungsverformung über einen längeren Abschnitt gegebenenfalls auch bis zum Ausgang der Dehnungsdüse erfolgt . In einigen Aspekten wird die transversale Strömungsgeschwindigkeit ( d . h . senkrecht zur Vortriebsströmungsrichtung ) durch das Verhältnis der Breite des Eingangs zur Breite des Ausgangs bestimmt . Entsprechend kann die Düse auch kurz ausgestaltet sein, sofern vor allem transversale Dehnungsspannungen erzeugt werden .
In einigen Aspekten wird die transversale Dehnungsspannung durch die Dehnungsdüse erzeugt , indem deren Eingang eine Eingangsfläche aufweist , die größer ist als eine Ausgangsfläche eines Ausgangs der Dehnungsdüse . Eine Dehnspannung kann auch durch eine Dehnungsdüse erzeugt werden, die eine maximale Eingangsbreite sowie eine maximale Ausgangsbreite j eweils in eine erste Richtung aufweist und eine maximale Eingangshöhe sowie eine maximale Ausgangsbreite in eine dazu senkrechte zweite Richtung aufweist , wobei eine maximale Ausgangsbreite in die erste Richtung größer ist als die maximale Eingangsbreite in die erste Richtung und die maximale Eingangsbreite in die zweite Richtung kleiner ist als die maximale Ausgangsbreite in die zweite Richtung . Es ist in einigen Aspekten möglich, dass eine Strecke des Vortriebs der hochviskosen Masse , in der einer Dehnspannung auf die hochviskose Masse im Wesentlichen senkrecht zu einer Vortriebrichtung ausgeübt wird, kleiner oder gleich einer maximalen Strecke ist , entlang der die hochviskose Masse dehnungsverformt wird .
In einigen Aspekten ist die Zeit , mit der die Masse in Abschnitten konstanter Strömungsgeschwindigkeit vorgetrieben wird, größer als die Zeit , in der die Masse mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit vorangetrieben wird .
Durch den geringen Wasseranteil in dem Teig ist die Vis kosität gegenüber Extrudaten mit höherem Wasseranteil erhöht . Die erhöhte Vis kosität führt zu größeren Dehnungsspannungen aufgrund der Unterschiede zwischen Eingangs- und Ausgangsquerschnitt . Ebenso kann die Länge der Düse eine Rolle spielen . Dies ist hilfreich bei den hier vorgestellten Aspekten, um die Geschwindigkeit des Massestroms durch die Form, Länge und Ausgestaltung der Dehnungsdüse zu beeinflussen .
In einigen Aspekten liegt eine Länge der Düse , durch welche die viskose Masse vorgetrieben wird, entlang der sich ein maximaler Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Bereichen der Dehnungsdüse ändert , zwischen dem 0 , 5- fachen und 2 , 5 -fachen dieses maximalen Abstands . Für die Erzeugung von transversalen Dehnungsverformungen der vis kosen Masse wird so zum Beispiel die Länge in eine erste Richtung , senkrecht zur Länge der Düse über die Länge der Düse hinweg geändert , z . B . vergrößert , während die Länge in die zur ersten Richtung senkrecht stehende Richtung und senkrecht zur Länge der Düse über die Länge der Düse verringert wird . Wenn sich gleichzeitig auch noch der Ausgangsquerschnitt gegenüber dem Eingangsquerschnitt reduziert , werden neben transversalen Dehnungen auch longitudinale Dehnungen hervorgerufen .
Entsprechend kann weiterhin vorgesehen sein, während des Vortriebs die Dehnung auf die Masse zumindest in zwei aufeinander folgenden Abschnitten zu ändern . Dadurch kann die Faserbildung verbessert werden . Eine Änderung der Dehnung kann beispielsweise durch eine Änderung der Geometrie , aber auch eine Änderung der Beschichtung der Wand der Deh- nungsdüse erreicht werden . In einigen Aspekten kann auch die Haft- und/oder Gleitreibung , die auf die Masse während des Vortriebs einwirkt verändert werden, beispielsweise durch eine Änderung der Wandmaterialien der Dehnungsdüse erreicht werden . Es ist in diesem Zusammenhang möglich, die Abschnitte während des Vortriebs so aus zugestalten, dass auf die viskose Masse abschnittsweise longitudinale Dehnungsspannungen und transversale Dehnungsspannungen einwirken .
In einigen Aspekten wird nach einem Dehnungsverformen das Texturat auf eine Temperatur unter 100 ° C abgekühlt . Dies kann durch Flash-Entspannung , d . h . durch eine Druckentspannung bei gleichzeitiger Abkühlung erfolgen . Eventuell kann die Kühlung auch erst später als die Druckentspannung einsetzen . Durch die plötzliche Druckentspannung nahe bei einer Temperatur von 100 ° C als z . B . bei 105 ° C bis 110 ° C wird übriges Wasser innerhalb der dehnungsverformten Matrix plötzlich verdampft und führt in einigen Aspekten zu einer Auflockerung des Texturats .
Einige weitere Aspekte beschäftigen sich mit der Grundmischung . In einigen Aspekten wird der Grundmischung zudem Salz zugeführt , um eine Wasserverteilung im Texturat zu modifizieren . Feuchtigkeit lokalisiert sonst eher in der dispergierten Phase und macht die kontinuierliche Phase mit weniger Wasser daher härter . Ebenfalls oder alternativ kann zusätzlich Zucker zugeführt werden, d . h . Zucker über die bereits vorhandenen Anteile im Proteingemisch hinaus . Der zugeführte Zuckeranteil liegt in einigen Aspekten bis zu 15 Gewichts-% , wobei diese Menge wiederum von dem verwendeten Proteingemisch abhängig ist . Hierzu können die oben genannten Zucker verwendet werden . Der zugeführte Zucker wird verwendet , um die großen, verzweigten und reaktiven Proteinmoleküle durch sehr kleine Zuckermoleküle zu ersetzen, und so die Netzwerkbildung zu verringern . Mögliche Zucker hierfür wären Glukose , Fructose , Maltose , Sirup, zuckerhaltige Fruchtsäfte und andere . Salz , kann bis zu 1 , 5 Gewicht-% der Grundmischung zugeführt werden, farbgebende Zutaten und Aromen j eweils bis zu 2 Gewichts-% .
Mit der Kombination aus zusätzlich zugeführtem Weizenprotein, Zucker , Salz und den Prozessparametern wie der Temperaturwährend des Knetens kann die Gel- und Bissf estigkeit der Matrix und damit des Texturats auf einen gewünschten Bereich eingestellt werden .
In nachgeschalteten Aspekten kann das auf diese Weise hergestellte Texturat noch weiter verarbeitet werden, um eine Verbesserung der Struktur zu erreichen . Mögliche Maßnahmen hierfür sind neben mechanischen Aspekten, wie Schneiden, Walzen, Pressen, Rollen und dergleichen auch Trocknen des Zwischenproduktes sowie Frittieren oder Beschichten . All diese Maßnahmen dienen zur Herstellung des endgültigen Produktes aus dem nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Texturats .
Einige weitere Aspekte betreffen eine Extruderanordnung, die geeignet ist , das Verfahren durchzuführen .
Die Extruderanordnung weist einen Mischextruder mit einer Einlasszone zur Zuführung einer Grundmischung auf , wobei die Grundmischung zumindest ein Proteingemisch und Wasser sowie gegebenenfalls weitere Zutaten nach den oben angeführten Aspekten enthält . Weiterhin umfasst der Mischextruder eine Mischzone und eine Ausstoß zone . Der Mischextruder ist ausgebildet , über die Zonen hinweg einen Temperaturanstieg bis auf eine maximale Temperatur zwischen 110 ° C bis 160 ° C zu erzeugen . An die Ausstoßzone des Mischextruders ist weiterhin eine Dehnungsdüse angeschlossen, die konfiguriert ist , eine durch sie getriebene hochviskose Masse senkrecht zu einer Vortriebsrichtung während des Vortriebs , insbesondere gleitend zu dehnen und am Ausgang eine Temperatur der vorgetriebenen hochviskosen Masse von größer als 100 ° C zu bewirken .
Damit wird bei der erfindungsgemäßen Extruderanordnung die hochviskose Masse einer transversalen oder auch longitudinalen Dehnungsverformung bei im Verhältnis gleichzeitig kaum oder nicht vorhandener Scherspannung unterworfen, so dass in Extrudaten auf pflanzlicher Basis eine gezielte und insbesondere längsgerichtete oder transversale Faserbildung bis zu 30 cm einsetzt .
In einigen Aspekten umfasst der Mischextruder ein zwei-achsiges Schneckengetriebe , in der die zugeführte Proteinmischung sowie das Wasser bei einem ansteigenden Druck und Temperatur zu einem Teig geformt werden . Der Mischextruder ist in einigen Aspekten ausgeführt , die oben bei dem Verfahren genannten Temperaturen und Drücke aus zuüben . Dazu kann der Mischextruder mehrere hintereinander angeordnete Abschnitte enthalten, in denen unabhängig voneinander betreibbare Heizelemente angeordnet sind . Auf diese Weise lassen sich verschiedene Temperaturprofile erzeugen .
In einigen weiteren Aspekten umfasst eine Innenseite der Dehnungsdüse eine Oberfläche aus einem Fluorpolymer , insbesondere Teflon oder einer Keramik oder einer Glasbeschichtung . Dadurch ist in einigen Aspekten die Dehnungsdüse so ausgebildet , dass das Extrudat im Wesentlichen entlang einer Innenfläche der Dehnungsdüse gleitet . Alternativ kann auch ein anderer temperaturfester und gleichzeitig für Nahrungsmittel zugelassener Kunststoff vorgesehen sein, der gegenüber anderen Materialien eine unterschiedliche , insbesondere kleinere Reibung oder auch Haftkraft aufweist . Die Oberfläche kann mit dem entsprechenden Kunststoff versehen sein, es ist aber auch möglich, die Dehnungsdüse zumindest abschnittsweise aus Kunststoffen zu fertigen . Entsprechend kann in einigen Aspekten vorgesehen sein, dass eine Innenseite eines ersten Abschnitts der Dehnungsdüse ein erstes Material aufweist , und eine Innenseite eines darauf folgenden zweiten Abschnitts der Dehnungsdüse ein zweites zum ersten Material unterschiedliches Material aufweist . In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass Abschnitte der Dehnungsdüse unterschiedliche Haftreibung aufweisen .
Kunststoff besitzen im Gegensatz zu Metallen einen deutlich geringeren Wärmetransport . Entsprechend wird in einigen Aspekten, in Abschnitten, in denen die Oberfläche mit Kunststoff versehen ist , eine Temperatur des vorgetriebenen Materials weniger abfallen als in Abschnitten mit metallischer Oberfläche . Insbesondere ist die Dehnungsdüse in einigen Aspekten so ausgebildet , dass die Temperatur des vorgetriebenen Materials in diesen Abschnitten im Wesentlichen konstant bleibt . Dabei kann die gehaltene Temperatur insbesondere im Bereich zwischen 110 ° C bis 160 ° C, insbesondere zwischen 115 ° C und 135 ° C, insbesondere zwischen 120 ° C und 145 ° C , insbesondere zwischen 115 ° C und 125 ° C , insbesondere zwischen 110 ° C und 120 ° C, insbesondere zwischen 120 ° C und 135 ° C , ins- besondere zwischen 120°C und 130°C, insbesondere zwischen 125°C und 135°C und insbesondere zwischen 130°C und 140°C liegen.
In einigen Aspekten liegt die maximale Temperatur in wenigstens einer der Zonen im Bereich zwischen 110°C bis 160°C und insbesondere zwischen 115°C und 135°C und insbesondere zwischen 120°C und 145°C. Weitere Temperaturbereiche sind zwischen 110°C und 120°C, 115°C und 125°C, 120°C und 130°C sowie zwischen 125°C und 135°C. Die Temperaturbereiche sind in einigen Aspekte von dem verwendeten Proteingemisch abhängig.
Einige Aspekte betreffen die Form des Eingangsquerschnitts der Dehnungsdüse und des Ausgangsquerschnitts der Düse. In einigen Aspekten ist die Dehnungsdüse direkt an die Ausstoßzone des Extruders angeschlossen, wobei deren Querschnitte gleich sind. Es ist aber möglich, Extruder und Dehnungsdüse über ein kurzes Kupplungsstück zu koppeln, sofern dieses deutlich kürzer als die Dehnungsdüse ist. Ein derartiges Kupplungsstück kann unterschiedliche Eingangs- bzw. Ausgangsquerschnitte aufweisen und so Extruder und Dehnungsdüse miteinander verbinden. In anderen Aspekten hat die Dehnungsdüse eine maximale Eingangsbreite sowie eine maximale Ausgangsbreite jeweils in eine erste Richtung und eine maximale Eingangshöhe sowie eine maximale Ausgangshöhe in eine dazu senkrechte zweite Richtung aufweist, wobei eine maximale Ausgangsbreite in die erste Richtung größer ist als die maximale Eingangsbreite in die erste Richtung und die maximale Eingangshöhe in die zweite Richtung kleiner ist als die maximale Ausgangshöhe in die zweite Richtung. Mit anderen Worten weist ein Eingang gegenüber dem Ausgang eine kleinere Breite auf. Demgegenüber ist die Höhe des Eingangs größer als die Höhe des Ausgangs. Somit wächst die Breite der Düse über die Länge der Düse, während die Höhe abnimmt.
Die Dehnungsdüse besitzt in einigen Ausgestaltungen eine stetige Abnahme oder Reduzierung der Fläche des Eingangsquerschnitts zu dem Ausgangsquerschnitt, oder eine stetige Abnahme des Verhältnisses zwischen dem Eingangsverhältnis HElngang/BElngang und dem Ausgangsverhältnis HAus_ gang/BAusgang . In einigen anderen Aspekten weist die Dehnungsdüse wenigstens einen ersten Abschnitt mit einer konstanten Querschnittsfläche, wenigstens einen darauf folgenden zweiten Abschnitt mit einer abneh- menden Querschnittsfläche und wenigstens einen darauf folgenden dritten Abschnitt mit einer konstanten Querschnittsfläche auf . Zudem kann ein Material eines Abschnittes mit konstanter Querschnittsfläche zu einem Material eines Abschnittes mit eine abnehmenden Querschnittsfläche un- terschiedlich sein . In einigen Aspekten wird die Düse wie bereits erwähnt über die Länge hinweg dünner und gleichzeitig breiter , so dass auf diese Weise vor allem transversale Dehnungsspannungen aufgebaut werden . Auch hier kann es abschnittsweise Verbreiterungen geben, so dass die Düse Abschnitte mit konstantem Querschnittsfläche oder Höhe aufweist .
Die Länge der Düse kann in einigen Fällen derart ausgestaltet sein, dass die Länge im Bereich zwischen dem ein-fachen und drei-fachen der größten Breite oder Höhe liegt . Im Besonderen ist in einigen Aspekten weist die Düse einen ersten Abschnitt auf , dessen Länge entlang der Vortriebsrichtung zwischen dem 0 , 5 -fachen und 2 , 5 -fachen deren maximalen Breite der Dehnungsdüse liegt . Die Düse und auch das Verfahren ist in einigen Aspekten aber so ausgestaltet , dass die Düsengeometrie nicht zu einem schlagartigen Druckabfall , d . h . das Volumen der Düse sich nicht über die Länge hinweg plötzlich vergrößert , so dass die Masse expandieren kann . Dadurch werden Brüche vermieden .
In einigen Aspekten ist weiterhin vorgesehen, dass der wenigstens eine erste Abschnitt die Eingangsquerschnittsfläche oder den Eingangsquer- schnitt und der wenigstens eine dritte Abschnitt die Ausgangsquerschnittsfläche oder den Ausgangsquerschnitt aufweist , wobei optional eine Länge des wenigstens einen ersten und/oder des wenigstens einen zweiten Abschnitts größer ist als eine maximale Ausdehnung des Eingangsquerschnitts in eine Richtung bzw . des Ausgangsquerschnitts . Es kann in diesem Zusammenhang auch mehrere zweite Abschnitte geben, die wiederum unterschiedlich, d . h . mit konstanten oder abnehmenden Abschnitten ausgeführt sein können .
In weiteren Aspekten ist die Dehnungsdüse mit einem Ausgangsquerschnitt ausgeführt , der in Draufsicht die Form eines Kreisringes aufweist , wobei ein vom Kreisring umgebendes Innenteil mit einem sich in Richtung auf den Eingangsquerschnitt verj üngenden Körper , insbesondere einem Konus gebildet ist . Unter dem Begriff Kreisring wird im Folgenden nicht nur ein vollständig runder Kreisring ( d . h . mit einem Mittelpunkt und konstantem Radius ) , sondern auch Kreisring verstanden, der eine ovale Form oder zwei miteinander verknüpfte Kreissegmente aufweist . Auch andere Formen, bis hin zu einem rechteckigen oder quadratischen Rahmen, ggf . mit abgerundeten Ecken, sollen der Einfachheit halber unter den Begriff des Kreisrings für diese Anmeldung fallen .
In einem anderen Aspekt weist die Dehnungsdüse einen Ausgangsquerschnitt auf , der in Draufsicht mehrere um ein Innenteil herum angeordnete Öffnungen, insbesondere gleichen Querschnitts aufweist , wobei das Innenteil einen sich in Richtung auf den Eingangsquerschnitt verj üngenden Körper aufweist . Der sich verj üngende Körper ist in diesen Ausgestaltungen so ausgebildet , dass ein Querschnitt durch das Material des Körpers in Richtung auf den Eingangsquerschnitt der Dehnungsdüse stetig abnimmt .
In diesem Zusammenhang kann für die oben genannte Ausgestaltung das Innenteil mit einer zentralen Öffnung angeordnet sein, deren Querschnitt optional anders ist als die Querschnitte der das Innenteil umgebenden Öffnungen .
In einigen Aspekten kann schließlich zudem eine Kühldüse oder Kühlrohr vorgesehen sein, die am Ausgang der Dehnungsdüse angeschlossen und konfiguriert ist , das dehnungsverformte Texturat auf unter 100 ° C zu kühlen .
Weitere Vorteile des hier vorgestellten Verfahrens und Anordnung sind neben der Möglichkeit , die Dehnungsspannung durch die Düsengeometrie einstellen zu können, auch die Verarbeitung unterschiedlicher bislang nur schwierig texturierbarer Proteine . Es lassen sich trockene haltbare Texturate erzeugen, die mit ihrer langfasrigen Struktur auf verschiedene Weise weiterverarbeitet werden können . Ein weiterer Vorteil ist die effizientere Energienutzung, da die Dehnungsdüse im Gegensatz zu herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht gekühlt werden muss , was auch die Skalierbarkeit vereinfacht . KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Aspekte und Ausführungsformen nach dem vorgeschlagenen Prinzip werden sich in Bezug auf die verschiedenen Ausführungsformen und Beispiele offenbaren, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.
Figur 1 zeigt einen Mischextruder, wie er für das vorgeschlagene Verfahren und die Extruderanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip einsetzbar ist;
Figur 2A stellt eine erste Ausführung einer Dehnungsdüse in Querschnittsansicht nach dem vorgeschlagenen Prinzip dar;
Figur 2B zeigt einen Ausschnitt einer Simulation zur Darstellung von transversalen Dehnungsspannungen nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figuren 3A und 3B zeigen zwei weitere Ausgestaltungen von Dehnungsdüsen nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figuren 4A und 4B zeigen zwei weitere Ausgestaltungen von Dehnungsdüsen nach dem vorgeschlagenen Prinzip in Querschnittsansicht;
Figuren 5A und 5B1 und 5B2 sind jeweils eine Ausführungsform einer Düse zur Erzeugung einer transversalen Dehnspannung sowie eine dazugehörige Simulation;
Figuren 6A und 6B stellen zwei weitere Ausgestaltungen von Düsen mit unterschiedlichem Querschnitt nach einigen Aspekten des vorgeschlagenen Prinzips dar;
Figur 7A zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer Düse nach dem vorgeschlagenen Prinzip;
Figuren 7B und 7C sind Simulation ohne bzw. mit Haftung der in Figur7A dargestellten Ausgestaltung zur Erläuterung einiger Aspekte;
Figur 8 zeigt eine weitere Dehnungsdüse nach dem vorgeschlagenen Prinzip .
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Figuren 9A und 9B sind zwei Ausführungen von Verfahren zum Erzeugen eines Texturats nach dem vorgeschlagenen Prinzip .
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgenden Ausführungsformen und Beispiele zeigen verschiedene Aspekte und ihre Kombinationen nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Ausführungsformen und Beispiele sind nicht immer maßstabsgetreu . Ebenso können verschiedene Elemente vergrößert oder verkleinert dargestellt werden, um einzelne Aspekte hervorzuheben . Es versteht sich von selbst , dass die einzelnen Aspekte und Merkmale der in den Abbildungen gezeigten Ausführungsformen und Beispiele ohne weiteres miteinander kombiniert werden können, ohne dass dadurch das erfindungsgemäße Prinzip beeinträchtigt wird .
Außerdem sind die einzelnen Figuren, Merkmale und Aspekte nicht unbedingt in der richtigen Größe dargestellt , und auch die Proportionen zwischen den einzelnen Elementen müssen nicht grundsätzlich richtig sein . Einige Aspekte und Merkmale werden hervorgehoben, indem sie vergrößert dargestellt werden . Begriffe wie "oben" , "oberhalb" , "unten" , "unterhalb" , "größer" , " kleiner" und dergleichen werden j edoch in Bezug auf die Elemente in den Figuren korrekt dargestellt . So ist es möglich, solche Beziehungen zwischen den Elementen anhand der Abbildungen abzuleiten .
Figur 1 zeigt einen Teil einer Extruderanordnung nach dem vorgeschlagenen Prinzip . Die Extruderanordnung ist mit einem Mischextruder 1 mit einem Zwillingsschneckengetriebe ausgestaltet , bei dem die zugeführte Masse mittels zweier Schneckengetriebe geknetet und vorwärts in Richtung eines Ausgangs des Mischextruders getrieben wird . Zu diesem Zweck umfasst der Mischextruder 1 einen Motor mit einem Getriebe 10 , an dem die beiden Schneckengetriebe verankert sind . Daran angeschlossen befinden sich mehrere Abschnitte 11a, 11b, 11c , lld und I le des Mischextruders .
Die j eweiligen Abschnitte sind über Flansche oder auf andere Weise mechanisch dicht miteinander verbunden . Auf diese Weise kann der dargestellte Mischextruder durch Hinzufügen von einzelnen Abschnitten entweder verlängert oder durch Wegnehmen auch verkürzt werden . In entsprechender Weise sind auch die Schneckenabschnitte 12a, 12b und 12 c ausgestaltet , sodass auch diese durch Hinzufügen oder Entfernen von einzelnen Schneckenelementen verlängert bzw . verkürzt werden können .
Im Besonderen umfasst der Mischextruder 1 nach dem vorgeschlagenen Prinzip zwei Eingangsabschnitte 11a mit dazugehörigen Schneckenelementen 12b . Die Eingangsabschnitte 11a besitzen j eweils eine Öffnung zur Zuführung der Grundmischung bzw . von Wasser . Im Einzelnen wird in der dargestellten Ausführungsform die Grundmischung über einen Trichter 14 in einen ersten Abschnitt 11a des Mischextruders 1 zugeführt . Nachfolgend wird über einen Zulauf 15 auch das Wasser hinzugegeben, sodass die beiden ersten Extruderabschnitte 11a vor allem einem ersten Mischen zur Formung eines Teigs aus dem Wasser und der zugeführten Grundmischung dienen .
An die ersten Abschnitte 11a angeschlossen sind eine Vielzahl weiterer Abschnitte 11b , 11c und lld, die teilweise mit unterschiedlichen Schneckenelementen 12a befüllt sind . Wie in der Darstellung der Figur 1 zu erkennen, dienen die Schneckenelemente einerseits dem Vortrieb des Teigs aber auch dem Kneten des Teigs unter Erhöhung von Druck und Temperatur .
Zu diesem Zweck sind die einzelnen Abschnitte mit mehreren Heizelementen (hier nicht dargestellt ) ausgerüstet , die separat und voneinander unabhängig steuerbar sind . Damit lassen sich in den einzelnen Abschnitten 11a bis I le unterschiedliche Temperaturprofile und damit unterschiedliche Temperaturen des vorgetriebenen Teigs einstellen . Des Weiteren sind auch die einzelnen Schneckenelemente in den j eweiligen Abschnitten unterschiedlich ausgebildet . Einige Schneckenelemente dienen dazu, die Masse aus der Grundmischung und dem zugeführten Wasser zu kneten, um so einen Teig mit einer kontinuierlichen Phase herzustellen . Gleichzeitig wird durch das Kneten und den weiteren Vortrieb der zugeführten Grundmischung in diesen Bereichen der Druck bis auf zwischen 10 und 80 bar erhöht . In weiteren Schneckenelementen können zudem auch Zuführungen für Gase vorgesehen sein, die dazu dienen, dem Teig während des Knetens ein Gas zur Auflockerung zuzuführen . Dabei wird das zuge- führte Gas aufgrund des Drucks im Schneckenteil des Extruders gebunden . Die Zuführung erfolgt geregelt und an einer oder auch mehreren Stellen während des Knetens , um eine gleichmäßige Verteilung des Gases in dem Volumen des Teigs zu erreichen .
Bei gleichzeitiger Erhöhung der Temperatur bzw . einer hohen Temperatur beispielsweise im Bereich von 120 ° C bis 160 ° C und einem Druck von mehreren bar tritt eine Polymerisation der Proteinmis chung mit dem Wasser und den weiteren Bestandteilen ein, so dass sich eine gelartige hochvis kose Masse ergibt . Diese wird von den einzelnen Schneckenelementen 12a auf unters chiedliche Weise ge knetet und j eweils in kleinen Stücken bis zu einem Ausgangsabschnitt I le des Mis chextruders 1 vorangetrieben .
Der Ausgangsabschnitt I le des Mischextruders 1 besit zt ausgangsseitig einen leicht konisch zulaufenden Verlauf mit einer Ausstoß zone 13 , an die entweder dire kt oder über ein Zwischenstück eine Dehnungsdüse nach dem vorges chlagenen Prinz ip anges chlossen ist . Diese ist j edoch aus Übersichtsgründen nicht dargestellt , sondern in den weiteren Figuren 2 bis 5B in einigen beispielshaf ten Ausführungsformen erläutert . Die in diesem Ausgangsabs chnitt befindliche Teigmasse wird somit unter hohem Druck im Bereich von mehreren bar beispielsweise bis zu 25 bar durch die Ausstoßzone in die Dehnungsdüse gedrückt und dort einer Dehnungsverformung durch einen gleichmäßigen Vortrieb unterworfen .
Die Figur 2A zeigt eine derartige Ausführungsform einer Dehnungsdüse nach dem vorgeschlagenen Prinzip zur Erläuterung einiger Aspe kte der Erfindung . Die Dehnungsdüse 20 umfasst einen Dehnungs körper 21 mit einem Eingangsbereich 23 sowie einem Ausgangsbereich 24 . Der Eingangs bereich 23 besit zt dabei einen Durchmesser bzw . eine Fläche , die deutlich größer ist als der Durchmes ser bzw . die Fläche des Ausgangsbereichs 24 . Die Form des Eingangsbereichs 23 und auch des Ausgangsbereichs 24 können dabei verschieden geformt sein , beispielsweise wie in der Figur 2A hier dargestellt , entweder komplett kreis förmig , aber auch rundstirnig bzw . eiförmig länglich .
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Der Eingangsbereich 23 ist entweder direkt an die Ausstoßzone des Mischextruders 1 oder über ein rohrförmiges Zwischenstück 30 an die Ausstoß zone 13 angeschlossen . Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst die Dehnungsdüse einen Innenbereich, der als Dehnungsabschnitt 22 bezeichnet wird und sich durch einen kontinuierlich mit gleicher Steigung verj üngenden Querschnitt über die Länge L hinweg der Dehnungsdüse hinweg aus zeichnet . Mit anderen Worten wird der Durchmesser ( oder Radius ) Ri und die j eweilige Fläche im Eingangsbereich 23 kontinuierlich über die Länge der Dehnungsdüse hinweg verkleinert bis zum Querschnitt R2 und der j eweiligen Fläche des Ausgangsabschnitts 24 . In der hier dargestellten Querschnittsdarstellung der Düse 20 bildet der sich verj üngende Teil somit ein Parallelogramm mit den beiden parallelen Seiten korrespondierend zum Eingangsabschnitt 23 und dem Ausgangsabschnitt 24 . Dreidimensional betrachtet handelt es sich um einen Kegelstumpf , wobei die j eweiligen Grund- bzw . Endflächen wie dargestellt entweder kreisförmig aber auch rundstirnig mit konischem Zulauf sein können .
Die Länge L der Dehnungsdüse ist dabei mindestens drei bis viermal so lang wie der Durchmesser Ri im Eingangsbereich . Durch den hier sich verj üngenden Querschnitt wird bei einem konstanten Massestrom die Strömungsgeschwindigkeit des Teigs während des Vortriebs durch die Dehnungsdüse 20 kontinuierlich vergrößert . Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Vergrößerung der Strömungsgeschwindigkeit aufgrund des gleichmäßig abnehmenden Querschnitts ebenfalls gleichmäßig .
Um einen konstanten Massestrom zu erreichen, bedeutet dies , dass die Strömungsgeschwindigkeit somit vom Radius des Eingangsbereichs und des Ausgangsbereichs bzw . von deren Flächen abhängig ist . Wenn beispielsweise der Eingangsbereich eine Fläche aufweist , die dreimal so groß ist wie die Fläche des Ausgangsbereich, muss auch die Strömungsgeschwindigkeit im Ausgangsbereich um den Faktor drei entsprechend vergrößert sein, um den gleichen Massestrom zu gewährleisten .
Aufgrund der anwachsenden Strömungsgeschwindigkeit wird die vorgetriebene Teigmasse parallel zur Vortriebsrichtungsdehnung gedehnt . Dadurch bilden sich bei dem weiterhin hohen Druck über 7 bar und der hohen Temperatur in der Dehnungsdüse im Bereich von über 100 ° C längliche Faserstrukturen aus . Durch die gleichmäßige Verj üngung , die insbesondere über eine Einstellung der Länge der Dehnungsdüse sowie die Eingangsquerschnitt und den Ausgangsquerschnitt gesteuert werden kann, wird ein Wandschlupf und auch eine Scherspannung vermieden, die zu einem Auf reißen der vorgetriebenen Masse führt .
In einem weiteren Gesichtspunkt kann darüber hinaus auch die Beschichtung der Innenseite der Dehnungsdüse mit einem besonders haftreibungsarmen Material versehen werden . Neben Edelstahl , der unter anderem in der Nahrungsmittelproduktion eingesetzt wird, kommt auch ein Kunststoff wie beispielsweise Teflon in Betracht . Dieser ist besonders reibungsarm, sodass die vorgetriebene Teigmasse am Rand einer stark reduzierten oder kaum vorhandenen Scherspannung ausgesetzt wird . Dadurch werden lange Fasern entlang der Vortriebsrichtung in der Teigmasse erzeugt .
Figur 2B zeigt eine Simulation, welche die Erzeugung von longitudinalen Dehnungsströmungen durch die kontinuierliche Abnahme des Querschnitts entlang der Länge der Düse darstellt . Die Darstellung zeigt lediglich einen Schnitt , da die Düse rotationssymmetrisch ist .
Die Vortriebsrichtung der hochviskosen Masse ist die positive Z-Rich- tung . Hellere Farben zeigen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit . In der obigen Ecke ist der runde Einlass der Düse zu erkennen, die Strömungsgeschwindigkeit entspricht dort im Wesentlichen dem Vortrieb durch den Mischextruder . Die Einlassgeometrie der Düse definiert den gesamten Massestrom, der über alle Düsengeometrien der hier vorgestellten Art aus Gründen der Einfachheit gleich ist . Hintergrund ist der, dass ein geringerer Massestrom in Abschnitten der Düse zu einer Expansion der Masse aufgrund des Drucks in der Düse führen würde . Eine derartige Expansion birgt aber das Risiko die Fasern zu zerstören, bzw . auch den Dampfdruck des in der Masse vorhandenen Wassers unter den Siededampfdruck abzusenken, so dass dieses aus kondensiert . Insgesamt sollte bei den vorliegenden Geometrien und dem vorgeschlagenen Prinzip ( obwohl nicht zwingend ausgeschlossen) , eine Expansion in der Düse nicht stattfinden . Daraus ergibt sich, dass j eder Flächen- bzw . Volu- menabschnitt in Vortriebsrichtung entweder gleich groß oder kleiner als ein vorheriger Flächen- bzw . Volumenabschnitt sein muss .
Zu erkennen ist nun, dass die Düse in Vortriebsrichtung sich kontinuierlich verkleinert , d . h . ihr Querschnitt kontinuierlich geringer wird . Daraus folgt ein kontinuierlicher Anstieg der Strömungsgeschwindigkeit der vis kosen Masse über die Länge der Düse hinweg . Die geringe Haftreibung führt zudem dazu, dass die Hochvis kose Masse an der Innenwand der Düse entlang gleitet , so dass sich, bei nicht zu großen Querschnitten eine gleichmäßige longitudinale Dehnung, d . h . eine Dehnung in Vortriebsrichtung einstellt .
Abhängig von den verwendeten Proteinen und der Grundmischung für das Extrudat sind unterschiedliche Dehnungsspannungen erforderlich, um einen Bruch des Materials zu vermeiden . Ebenso kann es erforderlich sein, die vorgetriebene Masse nach einer Dehnung etwas „ruhen" zu lassen, damit sich die Fasern ausrichten können . Entsprechend können die Dehnungsdüsen auch unterschiedlich mit mehreren Abschnitten ausgeführt sein . Die Figuren 3A und 3B zeigen zwei derartige Ausführungsbeispiele , bei denen die Dehnungsdüse aus verschiedenen Ruheabschnitten und Abschnitten mit Dehnungsverformung gebildet ist .
Die Figur 3A zeigt eine Dehnungsdüse 20 mit einem Düsenkörper 21 , der eingangsseitig über einen runden Eingangsbereich 23 und ausgangseitig über einen entsprechend runden Ausgangsquerschnitt 24 verfügt . In diesem Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser Ri des Eingangsquerschnitts in etwa viermal so groß wie der Durchmesser R2 des Ausgangsquerschnitts 23 . Daraus ergibt sich, dass die Fläche des Eingangsabschnitts gegeben mit R2 2 n = ( 8R2 ) 2 n also in etwa 16-mal so groß ist wie die Fläche des Ausgangsabschnitts . Daraus folgt , dass die Strömungsgeschwindigkeit am Ausgang auch in etwa 16-mal so groß sein muss wie am Eingang der Dehnungsdüse , um den gleichen Massestrom zu gewährleisten .
Die Dehnungsdüse der Figur 3A umfasst mehrere Teilabschnitte in ihrem Innenbereich . Eingangsseitig ist ein erster Teilabschnitt 25d vorgesehen, der im Wesentlichen zylinderförmig verläuft , und in dem die Fläche des Eingangsquerschnitts über die Länge des Abschnittes 25d konstant bleibt . Daran angeschlossen ist ein erster Dehnungsabschnitt 25a, bei dem sich die Fläche des Eingangsquerschnitts R4 auf eine kleinere Fläche des Querschnitt R3 reduziert . In diesem ersten Dehnungsabschnitt erfolgt somit eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Massestrom, und der vorgetriebene Teig wird einer ersten Dehnungsspannung unterworfen . Die Fläche im Ausgangsbereich des ersten Dehnungsabschnitts ist in etwa M der Fläche des Eingangsbereichs 23 , die Strömungsgeschwindigkeit wird sich daher auf das Vierfache beschleunigen .
Anschließend wird der auf diese Art und Weise dehnungsverformte Teig über einen weiteren zweiten zylinderförmigen Abschnitt 25c vorgetrieben . In diesem Abschnitt ist der Durchmesser und damit auch die Querschnittsfläche und somit die Strömungsgeschwindigkeit wiederum konstant , sodass der Teig in diesem Abschnitt eine gewisse Ruhephase während des Vortriebs durchläuft .
Daran angeschlossen ist ein zweiter Dehnungsabschnitt 25a, bei dem sich der eingangsseitige Durchmesser R3 und damit die Fläche nochmal auf den ausgangsseitigen Durchmesser R4 reduziert . Diese Reduktion ist etwas geringer, sodass sich die Strömungsgeschwindigkeit im Gegensatz zu dem ersten Dehnungsabschnitt nicht so stark erhöht , sondern beispielsweise nur um das doppelte . Auch hieran angeschlossen ist ein weiterer Ruheabschnitt 25 c, an den sich wiederum ein letzter Dehnungsabschnitt 25a anschließt . Bei diesem wird der eingangsseitige Durchmesser R4 nun auf den ausgangsseitigen Durchmesser R2 verengt , die Strömungsgeschwindigkeit steigt bei gleich bleibendem Massefluss nochmals etwas an .
Ausgangsseitig ist nun ein weiterer Ruheabschnitt 25e der Dehnungsdüse 20 angeordnet , indem das vorgetriebene dehnungsverformte Material nochmals vorgetrieben wird . Der Abschnitt 25e bildet den Endabschnitt , an dessen Ausgang 24 die Masse aus der Düse tritt .
Die hier vorhandenen Dehnungsabschnitte 25a sind j eweils mit unterschiedlicher Steigung ausgeführt , wobei der erste linksseitige Dehnungsabschnitt die stärkste Verringerung des Durchmessers (von R4 auf R3 ) und damit seiner Querschnittsfläche aufweist . Entsprechend vergrö- ßert sich hier auch die Strömungsgeschwindigkeit besonders stark, während sie in den folgenden Dehnungsabschnitten j eweils noch etwas geringer zunimmt ( z . B . im ersten Dehnungsabschnitt um den Faktor 4 , danach j eweils um das doppelte ) . Die unterschiedlichen Abschnitte 25d, 25 c und der Ausgangsabschnitt 25e dienen vor allem dazu, dass der vorgetriebene Teig zwischen den einzelnen Dehnungsabschnitten ruhen kann und auf diesen keine weitere Dehnungsspannung ausgeübt wird .
In diesem Zusammenhang ist es eventuell zweckmäßig, die Innenseiten der Dehnungsabschnitte mit einem geeigneten Material zu beschichten, sodass die Reibung bzw . auch die Haftung des Teigs an der Innenseite der Dehnungsabschnitte nochmals reduziert wird . Damit werden gerade im Bereich der Verj üngungsabschnitte mögliche Scherkräfte nochmals reduziert , sodass auf dem vorgetriebenen Teig lediglich die Dehnungsspannung aufgrund der kleiner werdenden Querschnittsfläche einwirkt .
Figur 3B zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer derartigen Anordnung , bei dem die Dehnungsabschnitte im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A deutlich gegenüber den Ruheabschnitten verlängert sind . Im Ausführungsbeispiel ist der Eingangsbereich 23 und auch der Ausgangsbereich 24 der Dehnungsdüse zudem nicht mehr kreisförmig , sondern rechtecksförmig angeordnet . Allerdings sind in diesem Zusammenhang auch andere Eingangsquerschnittsformen und Ausgangsquerschnittsformen möglich, darüber hinaus kann die Form des Eingangsquerschnitts auch unterschiedlich zur Form des Ausgangsquerschnitts gewählt sein, sodass während der Dehnungsabschnitte oder auch der Ruheabschnitte die Form sich entsprechend verändert . Diese Änderung ist so gestaltet , dass möglichst wenig Scherkräfte auf die Teigmasse während des Vortriebs des Teigs durch die Änderung der Form ausgeübt werden, sondern dieser hauptsächlich einer Dehnungsverformung unterworfen wird .
An den Eingangsabschnitt 25d der Dehnungsdüse 20 in der Figur 3B schließt sich ein konisch zulaufender und sich verj üngender erster Dehnungsabschnitt 25b an . Bei diesem ist der Ausgangsdurchmesser R3 in etwa ein Drittel so groß wie der Eingangsdurchmesser Ri . Der erste Dehnungsabschnitt 25b ist mit einer kontinuierlichen Verj üngung in Richtung auf den Ausgangsbereich 24 ausgebildet und weist dabei eine Länge LI auf , die größer ist als der erste Ruheabschnitt 25d im Eingangsbereich der Dehnungsdüse als auch ein sich am Ausgang des ersten Dehnungsabschnittes anschließender zweiter Ruhebereich 25 c . Dieser ist kurz mit lediglich einem Fünftel bis einem Viertel der Länge des Dehnungsabschnitts 25b ausgeführt und anschließend in einen zweiten kürzeren Dehnungsabschnitt 25b über . Ausgangseitig ist diese Dehnung wiederum mit einem weiteren Ruheabschnitt 25e verbunden, der gleichzeitig auch den Ausgangsbereich 24 bildet .
Die drei exemplarischen Ausführungsformen zeigen, dass j e nach Implementierung die Länge der Dehnungsabschnitte gegenüber möglichen Ruheabschnitten unterschiedlich gewählt werden kann . Die Verj üngung in den j eweiligen Dehnungsabschnitten ist dabei abhängig von dem verwendeten Extrudat und dessen Fähigkeit , langfasrige Strukturen bei Auftreten einer Dehnungsspannung zu bilden .
Sofern das Extrudat eine geringere Vis kosität aufweist , ist es zweckmäßig, eine Reduzierung der Querschnittsfläche über eine längere Strecke vorzunehmen und damit das Extrudat nur geringe Dehnungsspannungen zu unterwerfen, damit ds vorgetriebene Extrudat nicht abreißt und beispielsweise zu einem Wandschlupf oder einer Verwerfung führt . Extrudate aus Teig mit größerer Viskosität lassen sich hingegen stärker deh- nungsverf ormen, ohne dass es zu einem Wandschlupf kommt . Entsprechend könnten hier kürzere Dehnungsabschnitte oder auch Dehnungsabschnitte mit einer stärkeren Verj üngung vorgesehen werden, sodass die Strömungsgeschwindigkeit bei gleichbleibendem Massestrom vergrößert wird . Ruheabschnitte zwischen einzelnen Dehnungsabschnitten dienen dazu, das vorgetriebene Extrudat wieder etwas zu entspannen und so einem Abreißen des Extrudats und der Erzeugung kürzerer Fasern vorzubeugen .
In einigen Aspekten sollte das Material als Texturat ausgegeben werden, wobei das Texturat als Einzelstrang nur ein geringes Volumen am j eweiligen Ausgang aufweisen sollte . Dies ist vor allem dann der Fall , wenn das Extrudat bei einem zu großen Volumen und einer entsprechenden Dehnungsspannung reist und so zu einem Wandschlupf oder zu Verwerfungen führt . Dies kann sich ergeben, wenn die Dehnungsverformung am Rand der Dehnungsdüse groß wird, im Inneren der vorgetriebenen Extrudatmasse aber immer noch zu klein ist . Bei den hier vorliegenden laminaren Strömungen können gerade im Inneren auch Scherkräfte auftreten, die eine lange Faserbildung beeinträchtigen .
Die Figuren 4A und 4B zeigen hierzu ein Ausführungsbeispiel , um einen derartigen Abriss zu verhindern, bei dem die Dehnungsdüse 20 einen konusf örmigen Körper 30 im Ausgangsbereich 24 aufweist . Dieser konus- förmigen Körper ist als Kegel ausgebildet , dessen Kegelstumpf mit dem Ausgangsbereich 24 abschließt und dessen Spitze in Richtung auf den Eingangsbereich 23 mit seinem Durchmesser RI zeigt .
Im Ausführungsbeispiel der Figur 4A ist der Kegel derart ausgestaltet , dass dessen Kegelspitze innerhalb der Dehnungsdüse endet . Mit anderen Worten wird die Dehnungsdüse in zwei Abschnitte unterteilt . Die Innenseite der Dehnungsdüse ist ausgestaltet derart , dass sich die Seitenwände der Dehnungsdüse mit konstanter Steigung stetig über die gesamte Länge L verj üngen . Ein sich an den ersten Abschnitt 25a anschließender zweite Bereich 25 B enthält den Kegel 30 . Die Steigung dx/dy ist definiert als die Abnahme des Durchmessers in Richtung auf den Ausgangsbereich .
Die Steigung des Kegels 30 in Richtung auf den Ausgangsbereich 24 ist dabei leicht größer als die entsprechende Verj üngung der Innenseitenflächen der Dehnungsdüse 21 . Damit wird in diesem Ausführungsbeispiel entlang der Innenseite seit entlang der Kegeloberfläche eine größere Dehnungsspannung auf gebaut als entsprechend auf der Ausgangsseite . Dies führt dazu, dass sich die extrudierte Masse , welche sich entlang der Kegeloberfläche bewegt einer leicht größeren Dehnungsspannung verspürt als das Material auf der anderen Seite . Hierbei ist aber der erste Abschnitt 25a von Bedeutung, in diesem wird das Extrudat als Volumenmaterial vor allem in ihrem Randbereich dehnungsverf ormt , ein Innenbereich dieser Masse wird hingegen erst durch die Kegeloberfläche des Kegels 30 beim Vortrieb stärker verformt .
Mit dieser Anordnung wird somit erreicht , dass die Dehnungsspannungen auf beiden Seiten des Extrudats entlang der Innenseite der Dehnungsdüse sowie entlang der Kegeloberfläche des Körpers 30 im Wesentlichen gleich groß sind .
In einer alternativen Ausführungsform kann die Kegelspitze in Richtung auf den Eingangsbereich verschoben werden, sodass die Steigung der Kegeloberfläche insgesamt geringer wird . Bei einer entsprechenden Ausgestaltung lassen sich somit die steigende Innenseite der Dehnungsdüse als auch die Steigung der Kegeloberfläche entsprechend einander anpassen .
In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Spitze des Kegelkörpers 30 in der gleichen Ebene des Eingangsbereichs 23 mit seinem Durchmesser Ri . Diese Ausführungsform ist beispielhaft in Figur 4B dargestellt , wobei die Innenfläche der Dehnungsdüse 20 nun über ein Rohr mit einem konstanten Querschnitt gebildet ist . Die Dehnung des Teigs wird nun durch die Steigung des Kegelkörpers 30 ( d . h . den größer werdenden Querschnitt des Kegelkörpers ) über die Länge der Dehnungsdüse erzeugt . Auch in diesem Ausführungsbeispiel kann die Beschichtung des Kegelkörpers 30 unterschiedlich zur Beschichtung der Innenseite der Dehnungsdüse 20 sein, sodass eine Wandschlupf und in der Bewegung auftretende Scherkräfte möglichst reduziert sind .
Am Ausgang der Dehnungsdüse kann in beiden Ausführungsbeispielen ein Messer oder eine ähnliche mechanische Vorrichtung angeordnet werden, die das kreisförmig ausgestoßene Texturat aufschneidet und entlang eines Förderbandes weiter transportiert .
Der Ringdurchmesser im Ausgangsbereich ist abhängig von der Grundfläche des Kegelkörpers und dem Innendurchmesser der j eweiligen Dehnungsdüse 20 . Bei einem gleich bleibenden Massestrom ergibt sich damit eine Steigerung der Strömungsgeschwindigkeit und eine daraus resultierende Dehnungsspannung, die im Wesentlichen von der Fläche der Ausgangsseite zur Fläche der Eingangsseite der Dehnungsdüse abhängig ist .
In den Figuren 5A bis 8 werden weitere Aspekte angesprochen, nämlich dass sich der Eingangsquerschnitt nicht gleichförmig verringert (wenn auch abschnittsweise ) , sondern sich der Eingang in eine Vorzugsrichtung reduziert , während er s ich in die andere Richtung bezogen auf den Ausgang sogar vergrößert . Daraus formt sich ein Ausgang , der einen Schlit z bildet , wobei das Verhältnis von Breite zu Höhe und auch die Form der Seitenflächen unterschiedlich sein kann .
Figur 5A zeigt diesbezüglich eine Ausführung , bei der die Eingangsfläche Al be zogen auf die Ausgangs fläche A2 im Wesentlichen gleich sind , aber ihre j eweiligen Formen verändert s ind . Im Besonderen ist in der Figur 5A ein quadratischer Eingangsbereich vorgesehen . Durch eine stetige Abnahme der Höhe , bei gleichzeitiger Verbreiterung der Breite ergibt sich daraus im Ausgangsbereich 24 ein länglicher schmaler Querschlit z , der in etwa doppelt so breit ist wie der Eingang . Seine Höhe hat indes um mehr als die Hälfte abgenommen .
Die Dehnungsdüse führt hier also zu einem abnehmenden Verhältnis von Höhe /Breite über die Länge der Dehnungsdüse hinweg . Beispielsweise kann die Breite um den Faktor 3 anwachsen, während die Höhe H um den gleichen Faktor abnimmt . Allerdings sind in diesem Zusammenhang auch andere Faktoren möglich , durch die sich die Querschnitts fläche des Ausgangs bereich 24 gegenüber dem Eingangsbereich 23 verringert . Im vorliegenden Beispiel der Figur 5A nimmt die Höhe der Düse am Ausgang deutlich stärker ab als s ich die Breite vergrößert . Dadurch wird insgesamt auch die Fläche des Ausgangs kleiner als die Querschnitts fläche am Eingang . Entsprechend ergibt sich in diesem Ausführungsbeispiel nicht nur eine transversale Strömungsgeschwindigkeit und damit eine Dehnung der Masse senkrecht zur Vorwärtsrichtung , sondern auch eine longitudinale Dehnung .
Die Figur 5 B1 zeigt in der oberen Teilfigur dazu eine Simulation der auftretenden Dehnspannungen mit Haftung und Reibungseffe kte entlang der Innenseite . Die Vortriebsrichtung erfolgt nun entlang der Y-Achse , die Z-Achse entspricht der Breite B der Düse in Teilfigur 5A . Durch die Reibung nimmt die Ges chwindigkeit am Rand nur unwesentlich über die hier dargestellte Länge zu , dennoch ist eine Verbreiterung des Geschwindigkeitsprofils in die Breite festzustellen, da j a auch die Höhe der Düse in X-Richtung stetig abnimmt . Die maximale Geschwindigkeits zunahme tritt hingegeben wegen der Reibung eher in der Mitte der
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) ISA/EP Breite ( da hier nur die halbe Düse gezeigt ist , muss diese aus Symmetriegründen hinzugedacht werden .
Die untere Teilfigur zeigt die Simulation durch die Düse ohne Reibung an den Innenwänden . Hier tritt eine deutliche Erhöhung der Geschwindigkeit ein am Rand, d . h . in Z-Richtung auf , welche die Dehnspannungen verursacht .
Figuren 6A und 6B zeigen zwei weitere Ausgestaltungen, diesmal mit runden bzw . ovalen Eingangsquerschnitten . Während in der Figur 6A diese ovale Form im Eingangsbereich 23 in eine rechteckige Form mit klaren Ecken im Ausgang 24 transformiert wird, werden in der Figur 6B die Kanten abgerundet und behalten damit zumindest grob die gleiche Form wie im Eingangsbereich 23 . In dieser Ausgestaltung sind die Flächen des Eingangs und des Ausgangs gleich, so dass hier lediglich eine transversale Dehnungsspannung auftritt , aber keine oder nur eine sehr geringe longitudinale Dehnung . Entsprechend wird die Masse vor allem quer zur Vortriebsrichtung verformt . In der Figur 6B sind die Flächen wiederum unterschiedlich, so dass auch hier neben einer transversalen Dehnung der Masse auch eine longitudinale Dehnung erzeugt wird .
In all diesen Anordnungen erfolgt somit eine Abnahme oder Veränderung entlang einer ersten Richtung ( z . B . Breite der Düse ) senkrecht zur Vortriebsrichtung unterschiedlich zu einer zur Vortriebsrichtung senkrechten zweiten Richtung ( z . B . Höhe H ) . Entsprechend wird durch die ungleiche Abnahme in die zwei unterschiedlichen Raumrichtungen nicht nur eine longitudinale Dehnung, d . h . entlang der Länge der Dehnungsdüse , sondern auch eine transversale , d . h . entlang der Breite B oder der Höhe H ausgeübt . Die transversalen Dehnungen sind wiederum aufgrund der unterschiedlichen Höhe und Breite unterschiedlich . Mit dieser Ausgestaltung ist es somit möglich, gezielt und in ihrer Stärke gesteuert durch die Geometrie der Dehnungsdüse eine longitudinale als auch transversale Dehnung in einer hochviskosen Masse zu bewirken .
Figur 7A zeigt eine weitere Ausgestaltungsform einer derartigen Anordnung , bei dem der Dehnungsabschnitt nicht über die ganze Länge der Düse verläuft , sondern lediglich über einen Teilbereich, z . B . die Hälfte . An diesen anschließend ist ein Ruheschnitt , der im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel der Figur 3A verlängert ist . Im Ausführungsbeispiel ist der Eingangsbereich 23 recht kurz und lediglich als kreisrundes Anschlussstück ausgestaltet . Der Ausgangsbereich 24 der Dehnungsdüse ist als Schlitz mit geraden Seitenwänden ausgeführt .
An den kurzen Eingangsabschnitt 25d der Dehnungsdüse 20 in der Figur 7A schließt sich ein in seiner Höhe verj üngender, aber gleichzeitig sich verbreitender Dehnungsabschnitt 25b an . Bei diesem ist die Ausgangshöhe R3 in etwa ein Drittel so groß wie die Eingangshöhe , bzw . der Eingangsdurchmesser Ri . Der erste Dehnungsabschnitt 25b ist mit einer kontinuierlichen Verbreiterung und Verringerung der Höhe in Richtung auf den Ausgangsbereich 24 ausgebildet und weist dabei eine Länge LI auf , die größer ist als der erste Ruheabschnitt 25d im Eingangsbereich der Dehnungsdüse , aber geringer ist ein sich am Ausgang des ersten Dehnungsabschnittes 25b anschließender zweiter Ruhebereich 25c . Dieser ist genauso lang wie die Summe aus dem ersten Ruheabschnitt 25d und dem ersten Dehnungsabschnitt 25b und bildet auch den Ausgangsbereich 24 .
Figur 7B zeigt eine Simulation ohne Effekte wie Haftung und Reibung , welche die Erzeugung von transversalen Dehnungsströmungen durch die Veränderung der Düsengeometrie darstellt . Die Darstellung zeigt eine Hälfte der Düse , was auch Symmetriegründen für die Simulation ausreichend ist . Die Vortriebsrichtung der hochvis kosen Masse ist die Y- Richtung . Hellere Farben zeigen eine höhere Strömungsgeschwindigkeit . In der obigen Ecke ist der Einlass der Düse zu erkennen, die Strömungsgeschwindigkeit ist dort im Wesentlichen gleich . Die Einlassgeometrie der Düse definiert den gesamten Massestrom .
Zu erkennen ist nun, dass die Düse in Vortriebsrichtung sich zum einen in X-Richtung verbreitert , aber gleichzeitig dünner wird, d . h . die Ausmaße in Z-Richtung verringert sich . Vereinfacht gesagt wird die Düse in Vortriebsrichtung zum einen breiter , aber auch dünner . Dieser Übergang erfolgt nicht auf der gesamten Länge der Düse , sondern in einem recht kurzen Abschnitt , welche in etwa der Hälfte oder einem Drittel der Länge der Düse entspricht . Das Verhältnis der maximalen Breite in x-Richtung zur Länge der Düse , d . h . B/L beträgt in etwa 2 , d . h . die Düse ist deutlich breiter als lang .
Wie zu erkennen, nimmt durch die Verbreiterung und die Abnahme der Höhe der Düse die Strömungsgeschwindigkeit in X-Richtung gerade am Rand stark zu . Deswegen wird auf die vis kose Masse eine Dehnungsspannung ausgeübt , die im Wesentlichen senkrecht zum Vortrieb in Y-Richtung liegt . Man spricht somit von einer transversalen Dehnungsspannung . Die Masse haftet aber nicht an der Wand, sondern gleitet an ihr ab . Die Simulation zeigt , dass kaum Scherkräfte auftreten, die zu einem Abreißen führen könnten .
Diese transversale Dehnungsspannung führt zu eine Faserbildung in dem Extrudat , deren Ausrichtung quer zur Vorwärtsrichtung liegt . In etwa auf der Hälfte der gesamten Länge hat die Düse ihre endgültige Höhe ( in Z-Richtung ) und Breite erreicht , so dass keine weiteren transversalen Dehnungsspannungen erzeugt werden, sondern ein gleichmäßiger Vortrieb erfolgt . Tritt das so dehnungsverformte Texturat aus der Düse aus , kann es durch mechanische Maßnahmen entlang der Faser geschnitten werden, so dass Stücke gleicher Breite und abhängig von der Vortriebsgeschwindigkeit unterschiedlicher Länge entstehen . Ebenso ist es dann möglich, nach der transversalen Düse eine Verlängerungsdüse einzusetzen, die zur Kühlung oder zum Druckaufbau verwendet werden kann . So lässt sich die Temperatur und der Druck des Massestroms besser kontrollieren .
Das Gleiten wird vor allem durch eine Kombination aus geringem Haftreibungskoeffizienten an der Innenseite der Wand und der Vis kosität der Masse bewirkt .
Figur 7C zeigt eine ähnliche Simulation, allerdings nun mit Haftungseffekten und Reibung . Während das Verhalten zum zentralen Bereich der Düse ähnlich wie das in der Teilfigur 7B ist , zeigt sich hier eine insgesamt geringere Strömungsgeschwindigkeit , die zudem eher bei einem Viertel der Breite ihr Maximum hat . Dieser Effekt liegt an der Haftung und Reibung am Rand . Daher sollte das vorgetriebene Extrudat eine möglichst geringe Haftung oder Reibung an der Wand der Düse aufweisen, um so eine gute Dehnungsspannung zu bewirken . Dies wird unter anderem durch eine Erhöhung der Viskosität und geeignete Materialien wie Teflon oder andere Beschichtungen mit niedrigem Haftreibungskoeffizienten erreicht . In dem anschließenden geraden Abschnitt sind die Verhältnisse wieder konstant , weitere Dehnspannungen treten hier eher nicht oder nur in geringem Maße auf .
Es hat sich herausgestellt , dass der Gleitvorgang zu dem gewünschten Ergebnis führt , während ein zu starkes Haften des vorgetriebenen Ex- trudats an der Wand der Dehnungsdüse für die erforderliche Faserbildung eher negativ ist .
Figur 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Dehnungsdüse , die hier ähnlich auf gebaut ist wie die Ausgestaltung der Figur 3B . Der wesentliche Unterschied besteht aber in der anderen Geometrie . Während sich die Düse der Figur 3B über die Länge gleichmäßig verformt , besitzt die Ausführungsform der Figur 8 zum einen anders geformten Einlass , nämlich als Rechteck mit abgerundeten Kanten und zum anderen der Auslass , der als Schlitz geformt ist . Dadurch ergibt sich auch keine gleichmäßige Verj üngung in den zwei Dehnungsabschnitten 25b, sondern es erfolgt hier j eweils eine Verbreiterung der Breite B, bei gleichzeitiger Abnahme der Höhe H . in der Ausgestaltung gibt es zudem zwei längere Ruheabschnitte , 25d und 25e sowie einen kurzen Ruheabschnitt . Dennoch ist die Länge der Ruheabschnitte in diesem Ausführungsbeispiel kürzer als die Breite B der Düse am Ausgang 24 .
In diesem Ausführungsbeispiel zeichnen sich die hier dargestellten Dehnungsdüsen in den Figuren 5 bis 8 vor allem dadurch aus , dass sie in der Breite zunehmen, während die Höhe sich stark reduziert , obwohl sich die gesamte Fläche zwischen Eingang und Ausgang kaum reduziert . Dadurch bleibt auch die Vortriebsgeschwindigkeit im Wesentlichen konstant , so dass lediglich transversale Dehnspannungen auftreten, die zu einer Faserbildung in Richtung quer zum Vortrieb erzeugt werden . Zudem kann sie mehrere kürzere oder längere Dehnungsabschnitte als auch Ruheabschnitte aufweisen, in denen der vorgetriebene Teig nicht weiter oder nur geringfügig gedehnt wird . Zudem ist es in einigen Aspekten möglich, dass die Dehnungsdüse weitere Heiz- oder Kühlelemente umfasst , um gegebenenfalls auch unterschiedliche Temperaturen in den einzelnen Abschnitten erzeugen zu können .
Die hier gezeigten Düsen lassen sich hinsichtlich ihrer einzelnen Abschnitte , Geometrien und Wandbeschichtungen beliebig kombinieren, um auf diese Weise die Faserbildung zu steuern und für das gewünscht Endprodukt zu bereiten . Dabei ist vor allem auf eine hochviskose Masse zu achten, so dass vor allem ein Gleiten an den Seitenwänden auf tritt .
Die Figuren 9A und 9B zeigen beispielhaft die Schritte eines Verfahrens zur Erzeugung eines Texturats nach dem vorgeschlagenen Prinzip , wie es beispielhaft mit der in den Figuren dargestellten Extruderanordnung und Dehnungsdüsen herstellbar ist . Das Verfahren macht sich zu Nutze , dass eine Teigmischung mit einem geringeren Wasseranteil zu einer erhöhten Wechselwirkung zwischen den einzelnen Proteinen und Polymeren während des Knetens des Teigs in der Extruderanordnung führt , so dass der entstehende Teig eine deutlich erhöhte Viskosität aufweist . Dabei lässt sich durch Zugabe von Zucker und auch Salz , sowie eine geeignete thermomechanische Behandlung durch die vorgeschlagene Extruderanordnung ( z . B . die Benutzung eines zweiachsigen Schneckenantriebs ) die Viskoelastizität einstellen . Mit den vorgestellten Geometrien der Dehnungsdüse wird zudem eine definierte und verlängerte/ kontinuierliche Dehnung auf ein Extrudat mit spezifischem hochviskosem Verhalten angewendet - was zu einer sehr effizienten Dehnung eines mehrphasigen Systems führt . Eine Scherung wird dabei aufgrund der Geometrie sowie der geringen Haftreibung aufgrund der Beschichtung der Düse ( j e nach Geometrie ) reduziert , so dass ein Bruch des Extrudats während des Vortriebs oder auch ein Wandschlupf weitgehend vermieden wird .
Bei einigen Proteinmischungen kann eine starke Dehnung auch zerstörerisch sein und zur Fragmentierung der gebildeten Fasern führen, wenn diese einer Überdehnung ausgesetzt werden . Da die Dehnungsspannung hauptsächlich von der Änderung der Geschwindigkeit des Massestroms abhängt , können die Intensität und die Dauer der Dehnung einfach durch Geometriefaktoren eingestellt werden, so dass dieses Verfahren für verschiedene Proteinquellen sehr flexibel ist . In Figur 9A ist ein erstes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Verfahrens dargestellt . In Schritt S1 wird ein Proteingemisch bereitgestellt . Dieses umfasst ein Proteinisolat aus Weizen, sowie ein Proteinisolat aus Erbsenprotein . Die Anteile der Proteine in den j eweiligen Isolaten liegt bei ca . 90 Gewichts-% , mit einer Restfeuchte im Bereich von ca . 5 Gewichts-% und sonstigen Bestandteilen . Pflanzliche Fasern sind in dieser Ausführungsform in den Isolaten kaum vorhanden . Die beiden Isolate werden mit in etwa gleichen Anteilen gemischt und nehmen etwa 55 Gewichts-% an der Grundmischung ein . Ebenfalls wird der Mischung noch 10 Gewichts-% an pflanzlichem Öl , sowie Salz im Bereich von 1 Gewichts-% und Zucker im Bereich von 5 Gewichts-% zugegeben . Aromen und Gewürze liegen im Bereich von 2 Gewichts-% j eweils bezogen auf die Grundmischung . Damit nehmen die festen sowie öligen Bestandteile 73 Gewichts-% ein, wobei die Restfeuchte in dieser Mischung ca . 2 , 7 Gewichts-% ausmacht ( 55 % * 0 , 05 % ) .
Der Mischung wird in Schritt S2 Waser hinzugefügt , und zwar im Bereich von 27 Gewichts-% und zu einem leichten Teig vermischt . Damit ergibt sich in etwa 30 Gewichts-% an Wasser in dem sich ergebenden Brei .
Der Teig wird anschließend in Schritt S3 unter Druck und Erhöhung der Temperatur zu einem Teig geknetet . Dabei wird der Teig abschnittsweise geknetet und anschließend etwas vorgetrieben . In j edem Abschnitt wird die Temperatur von Zimmertemperatur rasch auf über 100 ° C erhöht , und anschließend für die restlichen Knet- und Vortriebsschritte in einem Bereich von 130 ° C gehalten . Der Druck hierbei liegt über 5 bis 6 bar .
Die Masse wird in der Ausstoßzone des Mischextruders direkt in eine Dehnungsdüse übergeführt . Die Dehnungsdüse umfasst einen kurzen Eingangsabschnitt , in dem der Querschnitt im Wesentlichen gleich bleibt , einen länglichen Dehnungsabschnitt sowie einen Ausgangsabschnitt .
In dieser Ausführung wird in Schritt S4 die Masse bei einer Temperatur von ca . 125 ° C einer längsgerichteten Dehnung unterworfen, deren Spannung sich aus einer kontinuierlichen Verringerung des Eingangsquerschnitts auf den Ausgangquerschnitt ergibt . Dabei ist der Eingangsquerschnitt in seiner Fläche um den Faktor 8 größer als der Ausgangs- querschnitt . Die Dehnung erfolgt über eine Strecke , die um den Faktor 3 bis 4 größer ist als der Durchmesser des Eingangsquerschnitts . Daher ändert sich aufgrund des konstanten Massestroms die Strömungsgeschwindigkeit über diese Strecke ebenfalls um den Faktor 8 , wodurch das Extrudat vor allem in seiner Länge gedehnt wird . In dem Mittelabschnitt der Dehnungsdüse ist durch eine geeignete Beschichtung die Haftreibung reduziert , so dass das vorgetriebene Extrudat nicht hängen bleibt , bzw . keine größeren Scherkräfte auftreten, die zu einem Wandschlupf oder Bruch des Extrudats führen könnten .
Die Temperatur wird während der Dehnungsverformung nicht wesentlich geändert , d . h . das am Ende der Dehnungsdüse besitzt das Texturat in etwa eine Temperatur von 125 ° C . Am Austritt erfolgt eine schnelle Expansion aufgrund des Druckabfalls . Dadurch entsteht eine porige Struktur des Texturats , ohne das die durch die Dehnungsspannung erzeugte langfasrige Struktur zerstört wird .
Ein anderes Beispiel eines Verfahrens zum Erzeugen eines Texturates mit einer fasrigen Struktur, deren Länge größer als 10 cm betragen kann, ist in Figur 9B dargestellt .
In Schritt S1 wird auch hier ein Proteingemisch bereitgestellt . Dieses umfasst im Beispiel ein Proteinkonzentrat aus Erbsenprotein . Der reine Proteinanteil im Konzentrat liegt im Bereich von 55 Gewichts-% . Die restlichen 45 Gewicht-% im Konzentrat teilen sich auf eine Restfeuchte von 15 Gewichts-% , pflanzliche Öle und Fette bei ca . 10 Gewichts-% und Stärke im Bereich von 10 Gewichts-% . Die restlichen 10 Gewichts-% sind Fasern und andere pflanzliche Restbestandteile , wie Salze und Mineralien .
Für die Grundmischung wird das Proteinkonzentrat mit einem Gewichtsanteil von 75 Gewichts-% mit Wasser zu 25 Gewichts-% gemischt . Weitere Komponenten werden in diesem Beispiel nicht hinzu gegeben . Daraus ergeben sich für die Grundmischung folgende Anteile : 41 Gewicht-% reines Protein, 36 Gewichts-% Wasser , 7 , 5 Gewichts-% Öle und Fette , 7 , 5 Gewichts-% Stärke und ca . 7 , 5 Gewichts-% Fasern . In Schritt S2 ' wird diese im Wesentlichen trockene Mischung in einen Mischextruder hinzugegeben und unter Druck und Temperaturerhöhung langsam das Wasser in verschiedenen aufeinanderfolgenden Abschnitten hinzugegeben . Mit anderen Worten wird das Wasser nicht auf einmal , sondern in mehreren Teilen während des Knetvorgangs hinzugegeben . Das Wasser wird dabei bereits während des Zugebens erwärmt , so dass es nicht oder nur zu einem geringen Temperaturgefällte kommt und der Teig während des Vortriebes auf einer hohen bzw . ansteigenden Temperatur gehalten wird . Die maximale Temperatur während des Knetvorgangs liegt im Bereich von ca . 145 ° C .
In Schritt S3 wird das Extrudat einer Dehnungsspannung unterworfen . Dabei wird das Extrudat abschnittsweise ohne Dehnungsspannung vorgetrieben und abschnittsweise dehnungsverformt . Letzteres erfolgt , indem bei gleichem Massestrom die Strömungsgeschwindigkeit des Extrudats vergrößert wird . Durch das abschnittsweise Dehnungsverformen und die ruhenden Abschnitte werden Querspannungen oder auch Verwerfungen im Extrudat abgebaut , so dass besonders lange Fasern gebildet werden . Die Länge des Vortriebs , bei dem abschnittsweise die Strömungsgeschwindigkeit erhöht wird, ist deutlich größer als der Durchmesser des Eingangsquerschnitts . Außerdem ist in dieser Ausführung die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den sich verj üngenden Abschnitten der Dehnungsdüse unterschiedlich . Im Besonderen wird anfangs die Strömungsgeschwindigkeit nur leicht erhöht , aber während des Vortriebs weiter erhöht . Dadurch wird ein Brechen der Faserbildung verhindert .
In Abschnitt S4 wird das Produkt am Ausgang plötzlich entspannt . Gleichzeitig sinkt aber die Temperatur nicht schlagartig , sondern eher langsam auf unter 100 ° C . Dadurch verdampft ein Teil des in dem Texturat gebundenen Wassers , was zu einer Porenbildung führt . In weiteren nachgeschalteten Prozessen in Schritt S4 wird das so hergestellte Texturat weiter verarbeitet .
In einem weiteren alternativen und nicht in Figuren dargestellten Beispiel wird ein Proteingemisch aus einem Konzentrat aus Ackerbohne und einem Weizenproteinisolat durch Mischen mit den Anteilen von 70 Gewichts-! zu 30 Gewichts-% erzeugt . Das Konzentrat aus Ackerbohne ent- hält neben einem Proteinanteil von 45 Gewichts-% auch Stärke und Zucker mit 25 Gewichts-% , Restfeuchte von 10 Gewichts-% und Fasern, Öle sowie andere Bestandteile von 20 Gewichts-% . Das Weizenproteinisolat hat einen Proteinanteil von 93% , 3 Gewichts-% sind Restfeuchte , 2 Gewichts- % Stärke der Rest Öle und Fette .
Aus der oben angegebenen Mischung ergeben sich Proteinanteile im Bereich von 59 , 4 Gewichts-% , Zucker und Stärke im Bereich von 18 Gewichts-! , eine Restfeuchte von 8 Gewichts-% , und 15 Gewichts-% restliche Bestandteile .
Diese Masse kann nun beispielsweise zur Erzeugung der Grundmischung mit Wasser vermischt werden, wobei auf 80 Gewichts-% dieser Mischung 20 Gewichts-% an Wasser fallen . Daraus ergibt sich beispielsweise ein Gesamtanteil von 47 , 5 Gewichts-% an Proteinen und 26 , 4 Gewichts-% an Wasser . Der Rest bilden mit 14 Gewichts-% Stärke und Zucker sowie die anderen Bestandteile . Diese Grundmischung kann nach dem vorgeschlagenen Verfahren weiter verarbeitet werden .
Die hier angegebenen Verfahren erzeugen ein Texturat , dessen Feuchtigkeitsgehalt niedriger ist als der Wassergehalt in der Grundmischung während des Knetens des Teigs . Hintergrund hierfür ist der Wasserverlust während des Expandierens am Ausgang des Dehnungsdüse nach oder während des Schritts des Dehnungsverformens , insbesondere wenn die Temperatur des Extrudats und der Druck über dem Dampfdruck des Wassers bei dieser Temperatur gehalten wird .
BEZUGSZEICHENLISTE
1 Extruderanordnung
10 Schneckengetriebe
11a, 11b Extruderabschnitt
11c, l ld Extruderabschnitt
12a, 12b Schneckenabschnitt
12 c Schneckenabschnitt
14 Einlassmischer
15 Wasserzulauf
Ausstoßzone
20 Dehnungsdüse
21 Düsenkörper
22 Dehnungsabschnitt
23 Düseneingang
24 Düsenausgang
25a, 25b Dehnungsabschnitt
25 c, 25d Vortriebsabschnitt
25e Vortriebsabschnitt
26 Dehnungs ab schnitt
30 , 31 Körper
R4 , R2 Endquerschnitt
R3 , R4 Innenquerschnitt
L Länge
S Massenstrom

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1 . Verfahren zum Erzeugen eines Texturats , umfassend die Schritte : Bereitstellen eines Proteingemisches , welches wenigstens ein erstes Proteingemisch, insbesondere ein Hülsenfruchtproteingemisch wie ein Erbsenproteingemisch oder ein Ackerbohnenproteingemisch, mit einem Gewichtsanteil zwischen 45 Gewichts-% und 80 Gewichts-% bezogen auf eine Grundmischung aufweist ;
Zuführen von Wasser mit einem Gewichtsanteil zwischen 20 Gewichts-% und 45 Gewichts-% bezogen auf die Grundmischung zur Formung eines Teigs ;
Extrudieren des Teigs bei einer maximalen Temperatur zwischen 110 ° C und 160 ° C zur Bildung eines Extrudats ;
Ausüben einer Dehnspannung auf das Extrudat im Wesentlichen senkrecht zu einer Vortriebrichtung bei einer Temperatur von größer 100 ° C während eines Vortriebs des Extrudats durch eine Dehnungsdüse .
2 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem der Schritt des Extrudierens einen Schritt
- des Knetens des zugeführten Proteingemisch und Wassers bei einer ansteigenden Temperatur bis zu einer maximalen Materialtemperatur umfasst , wobei optional die die maximale Materialtemperatur im Bereich von 110 ° C bis 160 ° C und insbesondere zwischen 115 ° C und 135 ° C und insbesondere zwischen 120 ° C und 145 ° C liegt ; und/oder
- ein Hinzufügen von Gas während eines Knetens des zugeführten Proteingemisch und Wassers umfasst ; und/oder bei dem der Schritt des Bereitstellens eines Proteingemisches der Grundmischung ein Hinzugeben eines Gaserzeugungsmittel zur Grundmischung , insbesondere in fester Form, und insbesondere umfassend Natriumhydrogencarbonat umfasst .
3 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , wobei der Schritt des Extrudierens des Teigs bei einem Druck von 5 bar bis 150 bar erfolgt ; und/oder wobei eine Temperatur des Texturats am Ausgang der Düse größer als 100 ° C ist .
4 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem während des Ausübens einer Dehnspannung das Extrudat im Wesentlichen entlang einer Innenfläche der Dehnungsdüse gleitet .
5 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem während des Ausübens einer Dehnspannung das Extrudat entlang einer ersten Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung stärker gedehnt wird als entlang der Vortriebsrichtung sowie einer zweiten Richtung senkrecht zur Vortriebs- und ersten Richtung .
6 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , wobei bei dem Schritt des Ausübens einer Dehnspannung eine Strömungsgeschwindigkeit in eine erste Richtung quer zur Vortriebsrichtung erhöht wird, während sie in eine andere zweite Richtung gleich bleibt oder geringer wird .
7 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , wobei bei dem Schritt des Ausübens einer Dehnspannung eine longitudinale Dehnspannung erzeugt wird .
8 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem ein Ausüben einer Dehnspannung umfasst : abschnittsweise transversales Dehnungsverformen bei Temperaturen von größer 100 ° C durch Vortreiben des Extrudats , so dass eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung vergrößert wird; und/oder abschnittsweise longitudinales Dehnungsverformen bei Temperaturen von größer 100 ° C durch Vortreiben des Extrudats , so dass eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung entlang der Vortriebsrichtung vergrößert wird; und/oder Vortreiben des Extrudats , derart dass eine Vortriebsgeschwindigkeit zumindest teilweise geringer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit in eine Richtung senkrecht zur Vortriebsrichtung ; und/ oder Vortreiben des Extrudats bei im Wesentlichen konstanter Strömungsgeschwindigkeit , wobei eine Zeit bei im Wesentlichen konstanter Strömungsgeschwindigkeit größer ist als eine Zeit , während die Strömungsgeschwindigkeit vergrößert wird; und/oder Vortreiben des Extrudats , bei dem auf die Masse während des Vortriebs unterschiedlich große Kräfte j eweils senkrecht zur Vortriebsrichtung ausgeübt werden; und/oder
Erhöhen einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit des Extrudats innerhalb der Düse auf mindestens das Zweifache erhöht wird .
9 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem ein Ausüben einer Dehnspannung durch die Dehnungsdüse erzeugt wird, deren Eingang eine Eingangsfläche aufweist , die größer ist als eine Ausgangsfläche eines Ausgangs der Dehnungsdüse .
10 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem ein Ausüben einer Dehnspannung durch die Dehnungsdüse erzeugt wird, die eine maximale Eingangsbreite sowie eine maximale Ausgangsbreite j eweils in eine erste Richtung aufweist und eine maximale Eingangshöhe sowie eine maximale Ausgangsbreite in eine dazu senkrechte zweite Richtung aufweist , wobei eine maximale Ausgangsbreite in die erste Richtung größer ist als die maximale Eingangsbreite in die erste Richtung und die maximale Eingangsbreite in die zweite Richtung kleiner ist als die maximale Ausgangsbreite in die zweite Richtung .
11 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem eine Strecke des Vortriebs des Extrudats , in der einer Dehnspannung auf das Extrudat im Wesentlichen senkrecht zu einer Vortriebrichtung ausgeübt wird, kleiner oder gleich einer maximalen Strecke ist , entlang der das Extrudat dehnungsverformt wird .
12 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem eine Länge , entlang der sich ein maximaler Abstand zwischen zwei gegenüberliegenden Bereichen der Dehnungsdüse ändert , zwischen dem 0 , 5 - fachen und 2 , 5 -fachen dieses maximalen Abstands liegt .
13 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , bei dem das Ausüben einer Dehnspannung zumindest zwei aufeinanderfolgende Dehnspannungen umfasst , insbesondere unterschiedlicher Stärke auf das Extrudat .
14 . Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , weiter umfassend : Kühlen auf eine Temperatur unter 100 °C zur Bildung des Texturats nach dem Schritt des Dehnungsverformens.
15. Extruderanordnung, aufweisend: einen Mischextruder, mit einer Einlasszone zur Zuführung einer Grundmischung, die zumindest ein Proteingemisch und Wasser enthält, einer Mischzone und einer Ausstoßzone; wobei der Mischextruder ausgebildet ist, über die Zonen hinweg ein Temperaturanstieg bis auf eine maximale Temperatur zwischen 110°C bis 160°C zu erzeugen; eine an die Ausgangszone des Mischextruders angeschlossene Dehnungsdüse, die konfiguriert ist, eine durch sie getriebene hochviskose Masse senkrecht zu einer Vortriebsrichtung während des Vortriebs, insbesondere gleitend zu dehnen und am Ausgang eine Temperatur der vorgetriebenen hochviskosen Masse von größer als 100°C zu bewirken.
16. Extruderanordnung nach Anspruch 15, bei dem eine Innenseite der Dehnungsdüse mit einem Fluorpolymer, insbesondere Teflon, oder einer Keramik oder Glas beschichtet ist; und/ oder bei dem die Dehnungsdüse ausgebildet ist, dass die hochviskose Masse im Wesentlichen entlang einer Innenfläche der Dehnungsdüse gleitet; eine Innenseite eines ersten Abschnitts der Dehnungsdüse ein erstes Material aufweist, und eine Innenseite eines darauf folgenden zweiten Abschnitts der Dehnungsdüse ein zweites zum ersten Material unterschiedliches Material aufweist.
17. Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 16, wobei die Dehnungsdüse ausgebildet ist, eine Temperatur des vorgetriebenen Materials zu halten, insbesondere im Bereich zwischen 110°C bis 160°C und insbesondere zwischen 115°C und 135°C und insbesondere zwischen 120°C und 145°C.
18. Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Dehnungsdüse eine stetige Abnahme einer Fläche des Eingangsquerschnitts zu einer Fläche des Ausgangsquerschnitt aufweist.
19 . Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18 , bei dem die Dehnungsdüse eine maximale Eingangsbreite sowie eine maximale Ausgangsbreite j eweils in eine erste Richtung und eine maximale Eingangshöhe sowie eine maximale Ausgangsbreite in eine dazu senkrechte zweite Richtung aufweist , wobei eine maximale Ausgangsbreite in die erste Richtung größer ist als die maximale Eingangsbreite in die erste Richtung und die maximale Eingangsbreite in die zweite Richtung kleiner ist als die maximale Ausgangsbreite in die zweite Richtung .
20 . Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 19 , bei dem die Dehnungsdüse einen ersten Abschnitt aufweist , dessen Länge entlang der Vortriebsrichtung zwischen dem 0 , 5 -fachen und 2 , 5 -fachen deren maximalen Breite der Dehnungsdüse liegt .
21 . Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 20 , bei dem die Dehnungsdüse einen ersten Abschnitt mit einer sich verändernden Geometrie aufweist und einen daran angeschlossenen zweiten Abschnitt mit im Wesentlichen konstanter Geometrie .
22 . Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , wobei der Ausgangsquerschnitt in Draufsicht die Form eines Schlitzes mit optional abgerundeten kurzen Seitenflächen .
23 . Extruderanordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 22 , weiter umfassend : eine Kühldüse , die am Ausgang der Dehnungsdüse angeschlossen und konfiguriert ist , das Texturat auf unter 100 ° C zu kühlen .
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