Charakterisierung molekularer Strukturparameter kochextrudierter Maisstärken und Ermittlung von Struktur-Eigenschaftsbeziehungen

Characterization of molecular structure parameters of extrusion cooked corn starch and determination of structure – property correlations

  • Die während der Kochextrusion durch die verfahrensspezifische Energieeinleitung an Stärke hervorgerufenen Veränderungen ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften gegenüber denen ihrer nativen Ausgangsformen sind bisher überwiegend anhand ihrer an den Extrudaten feststellbaren funktionellen Eigenschaften beschrieben worden. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die molekulare Struktur von Maisstärkeextrudaten zu untersuchen, um diese in einen funktionalen Zusammenhang zu den Parametern des ExDie während der Kochextrusion durch die verfahrensspezifische Energieeinleitung an Stärke hervorgerufenen Veränderungen ihrer physikalisch-chemischen Eigenschaften gegenüber denen ihrer nativen Ausgangsformen sind bisher überwiegend anhand ihrer an den Extrudaten feststellbaren funktionellen Eigenschaften beschrieben worden. Wesentliches Ziel dieser Arbeit war es, die molekulare Struktur von Maisstärkeextrudaten zu untersuchen, um diese in einen funktionalen Zusammenhang zu den Parametern des Extrusionsprozesses zu stellen. Die Bearbeitung der Zielsetzung erfolgte über Versuche, für welche die Extrusionsbedingungen so gewählt wurden, daß die Systemparameter spezifische mechanische Energieeinleitung (SME) und Produkttemperatur (PT) voneinander unabhängig waren. Die Ermittlung solcher Versuche wurde durch ein neuartiges Hard- und Softwaresystem ermöglicht, das auf Fuzzy-Rechenmethoden basiert. Die bei diesen Versuchen entstandenen Extrudate wurden auf das mittlere Molekulargewicht, die Polydispersität, die Molekulargewichtsverteilung, den Anteil kurzkettiger Molekülbruchstücke und die Seitenkettenverteilung ihrer Moleküle untersucht. Die Ergebnisse sämtlicher Untersuchungen wurden dazu verwendet, die funktionale Abhängigkeit dieser molekularen Strukturparameter von den Extrusionsparametern zu beschreiben. Die Untersuchungen zeigten, daß bis zu einer PT von 180°C in den Maisstärkeextrudaten das mittlere Molekulargewicht (Mw) fast ausschließlich durch die SME beeinflußt wurde. Erst oberhalb einer PT von 180°C zeigte sich eine funktionale Abhängigkeit des Mw von der PT. Außerdem waren nur in Extrudaten die bei einer PT oberhalb von 180°C hergestellt worden waren, Moleküle als kurzkettige Bruchstücke vorhanden, deren Polymerisationsgrad < 40 Glucoseeinheiten war. Die Moleküle dieser Extrudate wichen in der Seitenkettenverteilung von der der nativen Maisstärke und der der übrigen Extrudate ab. Ferner konnte gezeigt werden, daß der von der SME verursachte Mechanismus des Molekülabbaus gegenüber dem von der PT verursachten verschieden war. Die Untersuchung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen führte zu dem Ergebnis, daß die morphologischen Eigenschaften der Extrudate nicht in alleiniger Abhängigkeit von den molekularen Parametern betrachtet werden konnten, da eine Differenzierung gegenüber anderen Einflußparametern nicht möglich war. Für die funtionellen Eigenschaften der Extrudate konnte dagegen eine eindeutige Abhängigkeit vom Molekülabbau aufgezeigt werden.show moreshow less
  • The effect of mechanical and thermal energy input during extrusion cooking of corn starches on the structure of its molecules was investigated. For this the specific mechanical energy input (SME) and the temperature of the product (PT) exiting the extruder, wich indicates the thermal energy input, were used as process parameters. Extrusion cooking trials were carried out according to a factorial design wich included a computerized modeling based on fuzzy logic. The experimental set-up enabled diThe effect of mechanical and thermal energy input during extrusion cooking of corn starches on the structure of its molecules was investigated. For this the specific mechanical energy input (SME) and the temperature of the product (PT) exiting the extruder, wich indicates the thermal energy input, were used as process parameters. Extrusion cooking trials were carried out according to a factorial design wich included a computerized modeling based on fuzzy logic. The experimental set-up enabled differentiation of the effects caused by each of both process parameters on the molecules. The extrudates molecules were examined for mean molecular weight (Mw), molecular weight distribution, polydispersity, short chain degradation products and distribution of their molecules. Up to PT 180°C the SME exercised the strongest effect on molecular degradation, almost entirely of amylopectin. The degradation resulted in molecular sizes well above that of the short chain molecules. Above 180°C the PT had a pronouneal influence on the degradation of the molecules. In such extrudates short chain molecules increased with the PT. It could be shown that the degradation resulting from SME was different from that of PT above 180°C. Further on the mean weight molecular weight ( ) of the extrudate molecules was correlated to the sectional (SEI), longitudinal (LEI) and volumetric expansion indices (VEI) of the extrudates as well as to their cold paste viscosity (CPV) and cold water solubility (CWS). It was shown that at constant water content (WC) and product temperature (PT) of the extruded mass a decreasing resulted in a decreasing SEI when the WC exceeded 20%. In contrast, at a WC <16% the exhibited an inverse influence on the SEI, although the viscosity of the plastified mass was markedly reduced compared to that of the masses extruded at a WC >20%. This may have resulted from differing contraction and hardening properties of the extrudates in dependence on their WC and temperature. A decreasing viscosity of the plastified mass always resulted in an increase of the LEI. At a WC >20% the influence of the on the LEI became less important than that of the PT. Similar dependencies as for the LEI were found for the VEI. But only at a WC <20% the VEI was dependent on . This result contrasted to the observation that at constant WC and PT a decrease in the always was combined with a decrease of the extrudates density. As regards the functional properties of the extrudates it was found that the CPV significantly decreased and the CWS increased with the.show moreshow less

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Metadaten
Author: Thomas Brümmer
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-169
Advisor:Prof. Dr. Friederich Meuser
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2003/09/09
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Date of final exam:1999/11/09
Release Date:2003/09/09
Tag:Extrusion ; Stärke ; Struktur ; MALLS ; Molekül
Institutes:Fachbereich 15 - Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie -ohne Zuordnung zu einem Institut-
Dewey Decimal Classification:500 Naturwissenschaften und Mathematik
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)