Warum haften Teige an Oberflächen? Zur Steigerung der Produktivität in Bäckereien gehen Forscher altbekanntem Phänomen mit neuen Methoden auf den Grund

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© Technische Universität München

Das Phänomen ist so alt wie das Backen selbst: Bei der Produktion von Backwaren haften Teige oftmals fest an Oberflächen, mit denen sie während ihrer Verarbeitung in Berührung gekommen sind. Die Folge: Es verbleiben nicht unerhebliche Mengen von Teigresten an Werkstoffoberflächen wie Knetelementen, Teigteilern, Transportbändern und Gärtüchern. Das hat nicht nur einen höheren Rohstoffbedarf zur Folge, sondern führt auch zu unnötigen Ruhezeiten der Maschinen und zu Produktionsausfällen durch aufwendige Reinigungs- und Wartungsaufgaben. Die Produktivität bei der Herstellung von Backwaren ist dadurch erheblich eingeschränkt – in großen Industriebetrieben wie in kleinen Bäckereien. Hinzu kommt, dass anhaftende Teigreste vor allem auf textilen Materialien wie Gärtüchern ein idealer Nährboden für unerwünschte Schimmelpilze sind, so dass Gärtücher häufig ausgetauscht werden müssen. Die Klebrigkeit, mit der die Adhäsionserscheinung häufig beschrieben wird, ist auf molekulare Haftkräfte zwischen dem viskoelastischen System Teig und der Kontaktfläche zurückzuführen.

Diesem altbekannten Phänomen erstmals systematisch auf den Grund zu gehen, stand im Fokus eines Projektes der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF), das Forscher der Technischen Universität München und des Karlsruher Instituts für Technologie gemeinsam bearbeiteten.

  • Mit IGF Antworten finden


    Ziel war es, die chemischen und physikalischen Grundlagen der Anhaftung von Getreideteigen und Mehlpartikeln an Werkstoffen aus der Backwarenbranche umfassend zu verstehen: Welchen Einfluss hat die Kontaktdauer von Teig und Werkstoff? Wie wirkt sich die Oberflächenstruktur des Werkstoffs auf die Anhaftung aus? Solche Fragen galt es zu beantworten, um künftig Materialien und Werkstoffe auszuwählen bzw. zu entwickeln, an denen Teige weniger stark haften und die sich durch geringere Verkeimungseigenschaften auszeichnen.
    Im ersten Projektabschnitt wurden die Strukturierung und die Benetzungseigenschaften von Gärtüchern, Transportbändern und Edelstahloberflächen nano- und mikroskopisch charakterisiert: Mit einem Laser-Raster-Mikroskop (LSM) wurden die Werkstoffe hochauflösend aufgenommen und nach den in einer ISO-Norm genannten Oberflächenparametern erfolgreich ausgewertet – die Rauheitswerte, die Höhenverteilung des Materials und die Segmentierung des Oberflächenprofils in einen Spitzen-, Kern- und Talbereich waren dabei entscheidende Parameter. Zur Bestimmung der Oberflächenenergie von Gärtüchern mittels der Kontaktwinkelmessung wurde eine Einspannvorrichtung entwickelt, die eine Aufnahme von Kontaktwinkeln stark strukturierter (u. a. textiler) Materialien ermöglichte.

    Einspannvorrichtung zur Bestimmung der Kontaktwinkel bei textilen Materialen
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    Einspannvorrichtung zur Bestimmung der Kontaktwinkel bei textilen Materialen


  • Praxisnahe Analyse


    Zur Ermittlung der Haftkräfte wurde eine Zentrifugenmethode erfolgreich adaptiert und im weiteren Verlauf eine Messmethode zur Analyse des kontaktzeitabhängigen Ablöseverhaltens von Teigen entwickelt. Die Ermittlung der Haftzeit von Teiglingen an verschiedenen Werkstoffoberflächen mit Hilfe einer "Kippapparatur" erlaubte eine sehr praxisnahe Analyse im Technikumsmaßstab. Darauf basierend konnte eine weitere Methode zur zeitabhängigen Analyse des Haft- und Ablöseverhaltens im Labormaßstab entwickelt werden.

    Teiglinge auf Gärtüchern in der Kippapparatur
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    Teiglinge auf Gärtüchern in der Kippapparatur

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  • Enscheidend: Die Kontaktdauer


    Die Ermittlung der Zusammenhänge zwischen Haftverhalten nach unterschiedlicher Kontaktdauer und der Oberflächencharakteristika zeigte, dass die Kontaktdauer den Haftmechanismus entscheidend bestimmt: Nach kurzer Kontaktzeit (≤1 min) dominierten die geometrischen Eigenschaften der Oberflächen. So bewirkten bei Gärtüchern größere Maximalhöhen der Spitzen eine geringere Haftung. Bei den Transportbändern senkte die makroskopische Strukturierung (Waffel, Rippen) das Haftverhalten zum Teig. Ein Einfluss der Materialzusammensetzung (Baumwolle, Polyester, Mischgewebe) und der Oberflächenenergie konnte nach kurzer Kontaktdauer nicht beobachtet werden. Nach höheren Kontaktzeiten gewann die Oberflächenenergie an Einfluss: So wiesen nach einer Kontaktdauer von 10 Minuten Materialien mit hoher Oberflächenenergie hohe Hafteigenschaften auf, Materialien mit niedriger Oberflächenenergie niedrige Hafteigenschaften zum Teig auf. Bei den Transportbändern senkte eine gröbere Strukturierung das Haftverhalten zum Teig auch nach längerem Kontakt. Bei Gärguttextilien wurde erst nach höherer Kontaktdauer ein starker Einfluss der Materialzusammensetzung beobachtet. Zudem beeinflusste auch die Luftdurchlässigkeit der Materialien das Haftverhalten zum Teig: Je höher die Luftdurchlässigkeit war, desto geringer erwies sich das Haftverhalten.

  • Forschung in der Backstube


    Im zweiten Projektabschnitt wurden drei der untersuchten Gärtücher unterschiedlicher Materialzusammensetzung (Baumwolle, Polyester, Mischgewebe) in einer mittelständischen Bäckerei über einen Zeitraum von 12 Wochen eingesetzt: Hier konnten die Verkeimungskinetik und Langzeitveränderungen der Materialien praxisnah analysiert werden. Parallel zu den Praxisversuchen wurde der Einfluss des Bürstens und Waschens der Gärtücher auf die Strukturveränderung, die Oberflächenenergie und das Haftverhalten analysiert. Es zeigte sich, dass das Aufrauen der Materialien eine Möglichkeit zur Modifikation und Optimierung der Oberflächen darstellt.

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  • Bedeutend für die Backwarenbranche und deren Zulieferer


    Die Backwarenbranche ist mit über 11.500 handwerklichen Betrieben und deren über 270.000 Mitarbeitern sowie rund 200 größeren Unternehmen weiterhin stark mittelständisch geprägt – die Zahl der Unternehmen ist jedoch seit Jahren deutlich rückläufig. Um die Produktivität insbesondere kleiner und mittelständischer Bäckereien zu erhöhen und damit letztlich ihre Existenz zu sichern, ist die verlängerte Nutzbarkeit der eingesetzten Materialien mitentscheidend. Hierzu werden die umfassenden Erkenntnisse wesentlich beitragen: Maschinen- und Anlagenbauer sowie Hersteller von Industrietextilien und Werkstoffen können auf deren Basis künftig Materialien und Werkstoffe auswählen bzw. entwickeln, an denen Teige weniger stark haften und die sich durch geringere Verkeimungseigenschaften auszeichnen. Damit reduzieren sich die Maschinenstillstandzeiten durch Reinigungsprozesse und durch das Auswechseln von Materialien erheblich – die Rohstoff-, Entsorgungs- und Reinigungskosten sinken, die Produktivität steigt.

  • Projektbeteiligte


    Forschungsstelle:

    Industriegruppe:

    (Stand: Juni 2017)



Forschungsvorhaben AiF 17831 N "Einfluss und Interaktion von Werkstoffen und deren Oberflächenstruktur auf die Adhäsionseigenschaften von Getreideteigen unter Berücksichtigung technologischer und hygienischer Aspekte"

... ein Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF)


Förderhinweis