Messsystem zur Inline-Charakterisierung der Textur von Lebensmitteln mit strukturierten Pflanzen-/Hybridproteinen als Teil der Digitalisierung der Wertschöpfungskette

Das Projekt untersuchte die Strukturentwicklung gefüllter Schokoladen während des Kühlprozesses. Mithilfe der Ultraschall-Amplituden-Dämpfungsspektroskopie und Temperaturmessungen wurden Kristallisation und Verfestigung von Schale und Füllung in Echtzeit erfasst. Die Ergebnisse schaffen Grundlagen für eine datenbasierte Prozessoptimierung und eine ressourceneffizientere Herstellung mit weniger Produktionsfehlern.

Gefüllte Schokoladenprodukte zählen zu den technologisch anspruchsvollsten Erzeugnissen der Süsswarenindustrie. Ihre Herstellung erfordert eine präzise Kontrolle zweier physikalisch unterschiedlicher Massen – für Schale und Füllung – deren Kristallisationsverhalten, Wärmefreisetzung und Volumenkontraktion erheblich voneinander abweichen können. Selbst geringfügige Abweichungen vom optimalen Kühlprozess führen zu Defekten wie Rissbildung, Füllungsverlagerung oder Füllmassenaustritt. Da fehlerhafte Produkte nicht nachbearbeitet werden können, resultieren daraus unmittelbare wirtschaftliche Einbussen.  

Ziel des Projekts war die Entwicklung eines messtechnisch fundierten, datenbasierten Verständnisses der Strukturentwicklung gefüllter Schokoladen unter industrienahen Kühlbedingungen. Als Kernmethode diente die Ultraschall-Amplituden-Dämpfungsspektroskopie (USAD), die den Übergang der Kakaobutterfettphase vom viskosen Schmelzzustand zum elastischen Fettkristallnetzwerk in Echtzeit erfasst. Ergänzend wurden lokale Temperatursensoren in verschiedenen Produktschichtebenen der Giessform platziert, sodass die Wärmetransportvorgänge in Schale und Füllung simultan und räumlich aufgelöst verfolgt werden konnten.  

In einem ersten Schritt wurden dunkle und weisse Kuvertüren rheologisch und ultraschallspektroskopisch im Labormassstab charakterisiert. Die stärkere viskose Dämpfung der dunklen Kuvertüre war auf ihren höheren Feststoffanteil zurückzuführen; die weisse Kuvertüre hingegen kristallisierte aufgrund ihres erhöhten Fettgehalts schneller und effizienter. Neben dem Kristallisationsbeginn erwies sich die Schalendicke zum Zeitpunkt der Formwandablösung als massgeblicher Einflussparameter für die Verformung infolge einhergehender Volumenkontraktion.  

Die USAD-Messungen ermöglichten erstmalig eine klare messtechnische Differenzierung zwischen Schalenablösung einerseits sowie der Strukturbildung in Schale und Füllung andererseits. Dünne Schalen zeigten unter definierten Kühlbedingungen (11 °C Kühllufttemperatur, ca. 1 m/s Luftgeschwindigkeit) eine weitgehende Verfestigung bereits nach 300–500 s und eine vollständige Formablösung nach 500–700 s. Dies legt nahe, dass die Befüllung früher als bisher üblich eingeleitet werden könnte – mit entsprechendem Potenzial zur Energie- und Zeitersparnis im Schalenkühler.  

Nach Dosierung der Füllmassenschmelze in die abgelöste Schale wurde zunächst eine ausgeprägte US-Dämpfungszunahme durch die viskose Energiedissipation der Füllmasse detektiert, gefolgt von einer Amplitudenerhöhung mit zunehmender Festkörpercharakteristik. Das Erreichen eines Plateaus im US-Signal zeigte verlässlich an, dass die Füllungsverfestigung abgeschlossen war, und der Kühlprozess beendet werden konnte. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Dosierung der Füllmasse in eine vollständig von der Giessform abgelöste Schale ohne nennenswerte Anschmelzrisiken für letztere möglich ist.  

Die im Labor ermittelten USAD-Charakteristika wurden in industriellen In-line-Messungen bestätigt. Zusätzlich konnte ein Einfluss mechanischer Vibration während der Schalenformung auf das Formablöseverhalten nachgewiesen werden – ein Befund, der neue Stellgrössen für die Prozessoptimierung eröffnet. Ferner lieferte eine Temper-Index  (TI)-Bestimmung  unter authentischen Bedingungen (Laborgiessform, industrieähnliche Kühlluftparameter) belastbarere Kennwerte als konventionelle TI-Messverfahren und verbesserte die Übertragbarkeit von Labordaten auf den industriellen Massstab.  

Die erzielten Ergebnisse legen die Grundlage für eine KI-gestützte Datenmustererkennung und modellbasierte Prozessoptimierung, wie sie künftig avisiert ist. Die Verknüpfung von USAD-Messdaten mit thermomechanischen Prozesssimulationen sowie Materialcharakterisierungen der zu vergiessenden Schmelzen hinsichtlich deren Rheologie und Vorkristallisationsintensität, wird künftig präzisere Vorhersagen zum Verfestigungs- und Formablöseverhalten ermöglichen. Dies bildet die technologische Grundlage für eine ressourceneffiziente, fehlerminimierte Fertigung gefüllter Schokoladen im Sinne von Food 4.0.