High Pressure Foam Extrusion - Structuring and Dosing Optimization for Dough-like Systems

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High Pressure Foam Extrusion
- Structuring and Dosing
Optimization for Dough-like
Systems

 Doctoral Thesis

 Author(s):
 Zink, Joël

 Publication date:
 2020

 Permanent link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000502893

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Diss. ETH No. 27179

         High Pressure Foam Extrusion
    Structuring and Dosing Optimization for
              Dough-like Systems

               A dissertation submitted to attain the degree of

                 DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
                             (Dr. sc. ETH Zurich)

                                  presented by

                             Joël Ismaël Zink
                      MSc Technische Universität München

                              born 19th June 1991

                             citizen of Switzerland

                       accepted on the recommendation of

                      Prof. Dr. Erich J. Windhab, Examiner
                       Dr. Friedrich Witschi, Co-Examiner

                                     2020

Summary
The consumption of Gluten Free (GF) baked goods has significantly increased over
the last few decades. This is attributed to the rising awareness and knowledge of
illnesses related to gluten intolerance, such as celiac disease, and to a social con-
sumption trend. The high demand for GF baked goods brings new opportunities,
but also new challenges for food manufacturers due to the lack of network forming
gluten proteins. This often results in GF products of lower quality compared to their
Gluten Containing (GC) analogues. These quality deficiencies are not only related
to lower sensorial characteristics, such as baking volume, taste and mouthfeel, but
also to poor nutritional properties like low dietary fiber and micronutrient content.
Therefore, the focus of many research groups addressing bakery goods is to improve
the GF products currently available on the market. Most of these improvements re-
late to the adaptation of GF formulations to prevalent production processes in order
to achieve an increase in baking volume while improving the nutritional value of the
formulation.
A novel High Pressure (HP) extrusion foaming process has proved to be a game
changer by introducing a new micro-foaming technology that enables aeration of a
wide variety of dough-like systems of high viscosity as well as viscoelastic properties.
This process uses a co-rotating twin screw extruder combining mixing, kneading and
foaming of dough-like systems in a single continuously operated device. Gas, in most
cases CO2 , is injected under high pressure into the dough system and largely dissolved
in the continuous water phase. Upon pressure release, the gas nucleates forming a
micro-foam that is stabilized in a subsequent heating process.
The aim of this thesis was to optimize and scale-up the HP extrusion foaming process
for industrial implementation. To achieve this, the different processing steps pressur-
ization, CO2 injection and dissolution as well as micro-foaming in the extruder die
were re-evaluated and improved. Moreover, different tools and measuring techniques
were developed, in order to better understand foam bubble nucleation and bubble
growth in this complex process and take optimized measures to preserve the foam
structure from deterioration during its hydraulic transport and dosage.
The pressurization of the dough systems was improved by optimally reallocating the
injected liquid fraction. Such optimization allowed to pressurize even lower viscous
GF formulations without the addition of any thickening agents. Moreover, the length
of the required extrusion setup was reduced by more than a third of the initial con-
figuration. This reduces the equipment costs and the required space in the factory

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Summary

significantly. The dissolution of CO2 was controlled by a custom-built in-line sensor
using the change in electrical conductivity induced by partial dissociation of the hy-
drated gas molecules, which allowed us to monitor CO2 gas dissolution in real time
and adapt process parameters accordingly.
The gas bubble nucleation mechanism in GF dough was investigated using a model
dough system composed of Hydroxypropyl Methylcellulose (HPMC) and native starch
particles. For this, two different measuring setups were used: (1) Gas bubble nucle-
ation in a batch process was investigated in an HP vessel equipped with two windows.
(2) An HP rheometer setup allowed to elucidate the foaming behavior under well-
defined shear conditions. Measurements performed by these two methods revealed
that native starch particles act as a gas bubble nucleating agent. The mechanism
was further substantiated using contact angle, scanning electron microscopy, specific
surface, porosity and particle size distribution measurements. Different extruder die
designs were systematically built, tested and iteratively improved to optimize the
dough foaming and foam structure preservation during flow and dosing. To assess
the impact of processing parameters and extrusion die configurations on the foam
structure, an image processing and analysis procedure was developed and adapted.
Using this procedure, the pore size distribution, their number per unit surface and the
related relative surface coverage of baked product samples were characterized. Addi-
tionally, the density and textural properties of the samples were measured. Based on
the results, a new HP dosing system was developed, enabling precise and intermittent
dosage of HP micro-foamed dough systems.
To conclude, the work performed in the scope of this thesis gives new mechanistic
insights into the process of HP foaming of dough systems. Furthermore, it offers
new tools and methods for an efficient implementation of the novel HP foam extru-
sion technology into a modern manufacturing process of GF dough systems without
largely increased ingredient list. but not restricted to this category of baked goods.

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Zusammenfassung

Der Konsum Gluten-freier Backwaren hat in den letzten Jahrzehnten stark zugenom-
men. Dies ist auf das zunehmende Bewusstsein und Wissen über Gluten Unverträg-
lichkeiten und auf gesellschaftliche Faktoren zurückzuführen. Somit bieten sich neue
Möglichkeiten, aber auch neue Herausforderungen für Lebensmittelhersteller, da das
Fehlen des netzwerkbildenden Gluten häufig zu qualitativ minderwertigeren Produk-
ten im Vergleich zu Gluten enthaltenden Vergleichsprodukten führt. Qualitätsmän-
gel betreffen das reduzierte Backvolumen und in der Folge die sensorische Quali-
tät, aber auch verminderte Ernährungseigenschaften in Folge niedrigem Ballaststoff-
und Mikronährstoffgehalt welche aus dem deutlich vermehrten Zusatz von Hilfstoffen
zur verbesserten Teignetzwerkbildung resultieren. Daher liegt der Schwerpunkt vieler
Forschungsgruppen im Backwarenbereich auf der Verbesserung der sensorischen und
ernährungsphysiologisch relevanten Qualität der derzeit auf dem Markt erhältlichen
Gluten-freien Produkte. Die meisten dieser Verbesserungen beziehen sich auf die An-
passung der Gluten-freien Rezepturen an die vorherrschenden Produktionsprozesse.
Ein neuartiges Hochdruck Extrusionsschäumungsverfahren zeigte sich als revolutionär
in diesem Kontext, da eine breite Palette von teigartigen Fluidsystemen mit erhöhter
Viskosität und ausgeprägten viskoelastischen Eigenschaften geschäumt werden kön-
nen. Bei diesem Verfahren wird ein Doppelschneckenextruder verwendet, der Mischen,
Kneten und Schäumen in einer einzigen kontinuierlich betriebenen Vorrichtung kom-
biniert. Hierfür wird gasförmiges CO2 unter hohem Druck in das teigartige System
injiziert und in dessen kontinuierlicher Wasserphase weitgehend gelöst. Bei nachfol-
gender Druckentlastung bildet das gelöste Gas Keime die zu einem Mikroschaum
anwachsen. Dieser Mikroschaum wird nach der Formgebung in einem thermischen
Prozess stabilisiert.
Ziel dieser Arbeit war es, den neuartigen Hochdruck-Schäumungsprozess für die zu-
künftige industrielle Implementierung zu optimieren und ein üpscaling"für den in-
dustriellen Einsatz auszuarbeiten. Zu diesem Zweck wurden die verschiedenen Verar-
beitungsschritte, Druckaufbau, CO2 -Injektion und -Lösung sowie die Mikroschaum-
bildung, systematisch verbessert. Darüber hinaus wurden verschiedene Werkzeuge
und Messtechniken entwickelt, um die einzelnen Strukturbildungsmechanismen, die
in diesem komplexen Prozess stattfinden, besser zu verstehen und technologisch zu
beherrschen.
Der Druckbaufbau in den Teigsystemen wurde durch optimierte Umverteilung der

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Zusammenfassung

injizierten Flüssigkeitsfraktion massgeblich verbessert. Diese Optimierung ermöglich-
te es, auch niedriger viskose Formulierungen ohne jeglichen Zusatz von Verdickungs-
mitteln zur Gaslösung hinreichend unter Druck zu setzen. Darüber hinaus wurde
die Länge der erforderlichen Extrusionsvorrichtung um mehr als ein Drittel der ur-
sprünglichen Konfiguration reduziert. Dies verringert die Maschinenkosten, sowie den
erforderlichen Platzbedarf in der Produktionvorrichtung massgeblich.
Die CO2 Lösung wurde durch einen speziell entwickelten Inline-Sensor gemessen. Das
Messprinzip basiert auf der Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, welche in Folge
der teilweisen Dissoziation der gelösten Gasmoleküle resultiert. Somit wurde ermög-
licht, die Gaslösung in Echtzeit zu verfolgen und die Prozessparameter entsprechend
anzupassen.
Die Gasblasennukleierung in Gluten-freien Teigen wurde unter Verwendung eines Mo-
dellsystems untersucht, welches aus Hydroxypropylmethylcellulose und nativen Stär-
kepartikeln bestand. Hierzu wurden zwei verschiedene Messaufbauten verwendet: (1)
Die Keimbildung von Gasblasen wurde in einem Batch-Verfahren unter Einsatz eines
Hochdruck Rührreaktors untersucht. (2) Ein Hochdruck-Rheometer Aufbau ermög-
lichte es, das Schaumverhalten unter definierter Scherung aufzuklären. Messungen,
die mit diesen beiden Methoden durchgeführt wurden, zeigten, dass native Stär-
kepartikel als Gasblasennukleatoren eingesetzt werden können. Dieser Effekt wurde
unter Verwendung von Kontaktwinkel-, Rasterelektronenmikroskopie-, spezifischen
Oberflächen-, Porositäts- und Partikelgrößenverteilungsmessungen zusätzlich abge-
klärt.
Verschiedene Konstruktionen von Extruderdüsen wurden systematisch gebaut, getes-
tet und iterativ verbessert, um das Schäumen teigartiger Systeme und deren Dosie-
rung zu optimieren. Hierfür wurde ferner ein Bildverarbeitungs- und Analyseverfahren
entwickelt, um die Porengrößenverteilung, ihre Anzahl pro Oberflächeneinheit sowie
deren relative Oberflächenbedeckung von gebackenen Brotproben zu charakterisieren.
Zusätzlich erfolgten Messungen von Dichte und die strukturellen Eigenschaften der
Proben. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde ein neues Hochdruck-Dosiersystem
entwickelt, das eine präzise und intermittierende Dosierung der Hochdruck-mikro-
geschäumten Teigsysteme ohne Schaumzerstörung ermöglicht.
Zusammenfassend gibt diese Arbeit neue Einblicke in die Mechanismen der Struk-
turbildung bei Hochdruck-Schäumen teigartiger Systeme und liefert neue Hilfsmit-
tel und Methoden für eine effiziente Implementierung der neuartigen Hochdruck-
Mikroschäumungstechnologie in moderne industriell relevante Herstellungsprozesse
für Gluten-freie Backwaren, jedoch nicht auf solche beschränkt.

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