Inhaltsverzeichnis

Liste  der Formelzeichen  2

Inhaltsverzeichnis..................................................................................................   4

1.  Einleitung  5

2.  Wasser und seine Eigenschaften.  6

3.  Feuchte  7

3.1.  Definitionen.  7

3.2.  Bindung von Wasser in festen und flüssigen Stoffen  8

4.  Messmethoden in der Lebensmittelindustrie  9

4.1.  Direkte Messmethoden.  9

4.1.1.  Karl-Fischer-Titration.  10

4.1.2.  Gravimetrische Wasserbestimmung (am Beispiel  

Trockenschrankmethode  )  10

4.2.  Indirekte Messmethoden  11

4.2.1.  NMR-Spektroskopie.  11

4.2.2.  Kapazitive Gasfeuchtesensoren und relative Luftfeuchte.  12

4.2.3.  Nahinfrarot-Spektroskopie  14

4.2.4.  Mikrowellen-Feuchtemesstechnik.  20

5.  Vergleich und Auswahl des Messverfahrens.  25

6.  Literaturverzeichnis  28

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1. Einleitung

In der Lebensmittelindustrie ist die Kenntnis der Produktfeuchte in vielerlei Hinsicht von grundlegender Bedeutung. Sie dient unter anderem zur Ermittlung der Gefahr eines mikrobiellen oder chemischen Verderbs, als Eingangskontrolle von Rohwaren, der Rieselfähigkeit, zur Überprüfung des Fortschreitens eines Prozessschrittes und damit zur Regelung des Prozesses [i]. Bei der Lagerung hingegen spricht man nicht nur von der Feuchte sondern insbesondere vom a w -Wert (Wasseraktivität), welcher die Verfügbarkeit von freiem Wasser kennzeichnet [ii]. Dies ist in sofern wichtig, als dass unerwünschte Reaktionen wie Fettautoxidation, enzymatische und nichtenzymatische Bräunung sowie mikrobielles Wachstum nur in bestimmten Wasseraktivitätsregionen vorkommen. Bei längerer Lagerung eines Lebensmittels (LM) stellt sich ein Gleichgewicht zwischen der relativen Umgebungsfeuchte ϕ und dem a w -Wert ein. Dabei gilt dann ϕ ≈ a w und je nachdem ob das LM einen höheren oder geringeren a w -Wert im Vergleich zur Umgebungsfeuchte aufwies, geht eine Lagerung mit einer Wasserab oder -aufnahme einher. Das ist bei fast allen Produkten unerwünscht oder sogar schädlich, und deshalb erweist sich die Regelung der relativen Luftfeuchte im Trocknungsraum als unabdingbar.

Für viele Anwendungen dient die Feuchte als Führungsgröße für Eingriffe in die Prozessführung, so zum Beispiel für die Temperatur der Trocknungsluft eines Wirbelschichttrockners [iii]. Außerdem können gesetzliche Vorschriften auch einen Feuchtegehalt vorschreiben, so ist z.B. für Teigwaren ein maximaler Feuchtegehalt von 13 %, für Kaffeebohnen von 5 % vorgeschrieben. So sind die Hersteller in der Situation, so viel Wasser wie nötig aber nicht zu viel zu entfernen, denn gerade das Verdampfen von Wasser bei sehr hohen Konzentrationsstufen ist sehr energie-, personal- und kostenintensiv. Die Aufgaben von Online-Feuchtemesssystemen in der Lebensmittelindustrie sind vielfältiger Natur und erleichtern die Prozessführung und Qualitätssicherung enorm, da aufwändige Probenahmen und Laboranalysen entfallen.

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2. Wasser und seine Eigenschaften

Wasser ist auf der Erde omnipräsent und stellt bei vielen LM die Hauptfraktion der Inhaltsstoffe. Es ist eine ungiftige, geruchs- und geschmacklose Flüssigkeit und im gasförmigen Zustand wird es als Dampf, und im festen als Eis bezeichnet. Das Wassermolekül besitzt aufgrund seines asymmetrischen Aufbaus und der großen Elektronegativitätsdifferenz des Sauerstoff- und Wasserstoffatoms interessante Eigenschaften. Es ist ein starker Dipol [iv] und schwächt damit als Dielektrikum ein äußeres elektrisches Feld auf ca. 1/80 der Feldstärke ab (Dielektrizitätszahl ≈ 80). Genau diese Eigenschaften sind die Basis vieler Feuchtebestimmungsmethoden. Es seien nur als Beispiel die Dielektrizitätszahlen anderer Lebensmittelinhaltsstoffe (Proteine, Kohlenhydrate, Lipide, etc.) genannt, die zwischen 2-4 liegen und damit weit von der des Wassers entfernt. Genau diese Unterschiede erleichtern die Identifizierung des Wasseranteils in einem LM.

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3. Feuchte

Der Begriff der Feuchte ist nicht einfach zu beschreiben. Je nach Anwendung bedeutet er etwas anderes, aber in der Lebensmittelindustrie interessiert bevorzugt die Mischung von Gütern mit Wasser. Je nach Anwendung haben sich physikalische Definition etabliert.

3.1. Definitionen

Spricht man von Feuchte so sind verschiedene Definitionen möglich und nötig. Die gängigsten sind Folgende [teilweise aus i und ii]:

Gravimetrischer Wassergehalt (allgemein als „Feuchte“ bezeichnet):

Volumetrischer Wassergehalt

Trockensubstanz

Relative Gasfeuchte

Wasseraktivität (Verfügbarkeit von freiem Wasser)

nach Einstellung des Gleichgewichtes ϕ ≈ a

w

Gl. 3.5

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Dabei sind m w und V w die Masse und das Volumen des Wassers, m fs und V fs die Masse ^’’ der und das Volumen des Feststoffes, sowie p d der Dampfdruck und p ^d Sättigungsdampfdruck. Erwähnenswert ist hierbei, dass es Zusammenhänge zwischen der Wasseraktivität und dem Wassergehalt gibt. Die graphische Auftragung dieser beiden Größen für eine Temperatur führt zu Sorptionsisothermen. Mit ihnen lässt sich eine Voraussage treffen, bei welcher relativen Luftfeuchte ein Produkt gelagert werden muss, damit es bei einem gegebenen Wassergehalt kein Wasser ab- oder aufnimmt und sich somit, oft ungewollt, verändert. Der interessierte Leser sei auf weiterführende Literatur verwiesen [v, vi, vii].

3.2. Bindung von Wasser in festen und flüssigen Stoffen

Oft wird die Feuchte mit freiem, fließfähigem Wasser in Verbindung gebracht. Doch dies ist nur eine Möglichkeit mit der Güter Wasser aufnehmen können. Man unterscheidet hierbei folgende Mechanismen:

1. Kapillarwasser:

freies Wasser, welches beim Trocknen als erstes entweicht (erster Trocknungsabschnitt [ii]) und sich in Kapillaren und Zwickeln des LMs befindet

2. Adsorptiv und adhäsiv gebundenes Wasser:

Wasser das sich in einer mono- und oligomolekularen Schicht an die Oberfläche des LM anlagert und bei dem neben der Verdampfungs- auch die Bindungsenergie zur Entfernung aufgebracht werden muss (zeit- und kostenintensiv!)

3. chemisch / chemisorptiv gebundenes Wasser:

Kristallwasser oder chemisch gebunden

Für die Feuchtemessung stellen die Bindungsarten 2 und 3 ein Problem dar, denn sie ändern die bei der Messung genutzten spezifischen Eigenschaften des Wassers stark ab und be- oder verhindern so eine Messung dieser Feuchteanteile.

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