Echtzeit-Überwachung des Kochgrades von Gummibonbons mit Visum Raman In-Line™

Um die Gelatinierung der Gummimasse zu erreichen, wird häufig Stärke verwendet, wobei Kartoffel- und Maisstärke am beliebtesten sind und in einer Vielzahl von Modifikationen erhältlich sind.
Die Gelatinierung oder das „Kochen“ ist ein Prozess, bei dem die Stärkekörner der Einwirkung von Wasser und Temperatur ausgesetzt werden, wodurch die Wasserstoffbrückenbindungen aufgebrochen und die Körner in der Bonbonmasse aufgelöst werden. Nach einem anschließenden Ablagerungs- und Trocknungsprozess erhält das Gummibonbon seine endgültige Textur und Konsistenz.

In der Süßwarenindustrie erfolgt die Gelatinierung in der Regel in kontinuierlichen Kochsystemen.

Derzeit gibt es keine Inline-Methode, um den Gargrad während der Produktion kontinuierlich zu überwachen. Es gibt zwar mehrere Methoden zur Bestimmung des Gargrades, aber alle basieren auf der Entnahme von Proben und deren Offline-Analyse. Diese Technik ist arbeitsintensiv und erfordert qualifiziertes Personal. Darüber hinaus ist es schwierig, Entscheidungen zu treffen und Prozessparameter in Echtzeit zu korrigieren, um weiche Gummibonbons, eine falsche Textur oder spätere Probleme beim Entformen zu vermeiden.

Eine der Methoden zur Kontrolle des Endpunkts des Kochvorgangs wird im Labor mithilfe der Technik des Zählens von Stärkekörnern mit einem Polarisationslichtmikroskop durchgeführt.

Bei dieser Technik werden die Stärkekörner visuell gezählt. Je nach Anzahl der in der Probe vorhandenen Körner kann der Analytiker bestimmen, ob der Kochvorgang zufriedenstellend war oder ob die Prozessparameter (Temperatur) geändert oder die Kochzeit verlängert werden muss. Wenn die Anzahl der Stärkekörner in der Probe kleiner oder gleich 10 ist, gilt der Kochgrad als angemessen, während er bei einer höheren Anzahl als unzureichend gilt.

_{Starch granules under the polarised light microscope with the area marked in red for counting.}

IRIS Technology Solutions SL, ein führender spanischer Hersteller von spektroskopiebasierten Lösungen zur Steuerung und Überwachung industrieller Prozesse, hat sich mit dem niederländischen Hersteller Tanis Confectionery B.V., einem weltweit tätigen Hersteller von Maschinen zur Herstellung von Gummibonbons, zusammengetan, um eine Echtzeitmethode zur Überwachung der Stärkegelatinierung zu entwickeln und damit eine alternative, wertschöpfende Lösung für die gesamte Branche anzubieten.

Im Rahmen dieser Zusammenarbeit wurden monatelang Tests in den Einrichtungen des Tanis Innovation Center (Niederlande) mit dem Visum Raman In-Line™-Analysator von IRIS Technology Solutions SL durchgeführt.

Die Raman-Spektroskopie ist eine analytische Technik, die zur Beobachtung von Schwingungs-, Rotations- und anderen niederfrequenten Moden in einem System eingesetzt wird. Sie beruht auf der inelastischen Streuung von monochromatischem Licht, einem Laser, um detaillierte Informationen über Molekülschwingungen und die chemische Zusammensetzung zu liefern. Im Gegensatz zur Nahinfrarotspektroskopie eignet sie sich besonders zur Überwachung wässriger Matrizen oder zur Bestimmung der Konzentration eines in Wasser gelösten Analyten.

Bei dieser Technologie handelt es sich um eine nicht-invasive Analysetechnik, die den Produktfluss, in diesem Fall den Teig, in Echtzeit analysiert, indem eine lebensmitteltaugliche Tauchsonde eingeführt wird, die in der Lage ist, Echtzeitergebnisse über die Vorgänge im Prozess mit der entsprechenden Kalibrierung zu liefern.

_{Bild des Visum Raman In-Line™-Analysators, der im Tanis Innovation Center getestet wird.}

Während der Testphase wurden verschiedene Rezepturen auf der Basis von Kartoffelstärke, Maisstärke und einer Kombination aus Gelatine und Stärke hergestellt und überwacht und bei unterschiedlichen Temperaturen gekocht, um während des Kochvorgangs verschiedene Grade der Stärkegelatinierung zu erhalten und so den Algorithmus zur Vorhersage des Kochgrads (ausreichend gekocht / nicht ausreichend gekocht) zu entwickeln.

Während das Visum Raman In-Line™-Analysegerät während des Kochvorgangs der verschiedenen Chargen oder Rezepte Spektren erfasste, wurden Proben entnommen und mit der Referenzmethode der visuellen Zählung unter Verwendung der Polarisationslichtmikroskopie analysiert.

Zur Überwachung des kontinuierlichen Prozesses wurde das Modell so entwickelt, dass es zwei endgültige Klassifizierungen bestimmen kann: „ausreichend gekocht“ (≤10 Stärkekörner) und „nicht ausreichend gekocht“ (>10 Stärkekörner). Das erzielte Ergebnis ist das Ergebnis von drei aufeinanderfolgenden Analysen, um den Grad der Gelatinierung zu bestätigen und eine Fehlklassifizierung zu vermeiden.

_{Links: Vergleich des durchschnittlichen vorverarbeiteten Raman-Spektrums der verschiedenen verwendeten Rezepte. Rechts: Klassifizierungsergebnisse des Modells für fünf der Rezepte. Die Punkte über der rot gestrichelten Linie entsprechen Messungen, die als ausreichend gekocht eingestuft wurden.}

Aus den durchgeführten Tests konnte geschlossen werden, dass dasselbe Vorhersagemodell verwendet werden kann, um Kochgradvorhersagen für Rezepte auf Mais- und Kartoffelstärkebasis zu treffen.

Für alle Chargen, die sowohl aus Kartoffel- als auch aus Maisstärke hergestellt wurden, klassifizierte Visum Raman In-Line™ den Kochgrad korrekt.

Neben den entwickelten Modellen ist es mit dieser Inline-Methode möglich, einzigartige Modelle für einzigartige Süßwarenrezepte und Zutaten zu erstellen.

Bei den analysierten Rezepten mit Gelatine oder modifizierter Stärke wurden größere spektrale Unterschiede beobachtet, sodass für diese Formulierungen spezifische Klassifizierungsmodelle mit ähnlichen Validierungsergebnissen durchgeführt wurden.

Daher ist es möglich, den Kochgrad von Jelly-Bean-Teig auf Mais- und Kartoffelstärkebasis sowie von verschiedenen modifizierten Gelatinen mit dem Echtzeit-Raman-Prozessanalysator erfolgreich vorherzusagen, einer wirklich effizienteren Alternative zur herkömmlichen und aktuellen Analysemethode.

• Sensor nach dem Einschalten einsatzbereit (keine Aufwärmzeit erforderlich).
• Analysator für den Einsatz in industriellen Umgebungen konzipiert.
• Computer und integriertes Betriebssystem.
• 785-nm-Laser-Anregungsquelle.
• Internes Kühlsystem stabil bei -40 °C.
• IP 65-68.
• Verbindung zum Prozess über eine lebensmitteltaugliche Tauchsonde.
• Kompatibel mit verschiedenen Kommunikationstreibern mit SPS oder SCADA der Anlage.
• Es kann leicht an jeder Position des Rohrs integriert werden.
• Gerät mit geringem Wartungsaufwand.
• Mit der Software Visum Master™ SMART Version verfügt der Benutzer über einen KI-gestützten Model Builder zur Entwicklung, Anpassung oder Aktualisierung von Vorhersagemodellen für verschiedene Rezepte oder Formulierungen.

^{Visum Raman In-Line™ Prozessanalysator}