Ionenaustauscher für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie

Je nach Herkunft enthalten Zucker-Dünnsäfte unterschiedliche Mengen zuckerfremder Substanzen, z. B. Asche. Beim Eindampfen von 15 Brix auf 65 bis 70 Brix besteht die Gefahr der Kesselsteinbildung. Zur Verhinderung von Kesselsteinbildung in der Eindampfstation, zur Herstellung von weichen Melassen oder zur Verhinderung des Ausfällens von Dicksäften während der Lagerung können die Erdalkaliionen mit Lewatit^®-Kationenaustauscherharzen unterschiedlicher Säurestärke entfernt werden. Dazu stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung.

Die Farbe von Zuckersaft aus Zuckerrüben und Zuckerrohr nimmt während des Herstellungsverfahrens an Intensität zu. Dabei entstehen Farbstoffe wie z. B. Karamell-Farbkörper, Melanoidine und Melanin-Polyphenol-Eisen-Komplexe. Bei der Herstellung von Raffinadezucker können verschiedene Lewatit^®-Adsorberharze auf der Basis von Styrol oder Acrylpolymeren eingesetzt werden, um Zuckersirupe mit einer Farbstärke von mehr als 1.000 ICUMSA zu entfärben, so dass alle Qualitätsanforderungen der Zuckerindustrie erfüllt werden können.

Wenn Flüssigzuckersirupe lediglich entsalzt werden müssen, um die Qualität des Zuckers zu verbessern, sollte eine Invertierung nach Möglichkeit vermieden werden. Dies kann erreicht werden, indem man das Auftreten von H+-Ionen verhindert. Das Verfahren kann bei Temperaturen bis zu 60 °C ablaufen, so dass es sehr gut für tropische Regionen und für Betriebe geeignet ist, in denen die Trockenmasse mindestens 60 Brix beträgt. Eine anschließende Invertierung ist im Einzelfall möglich.

Die Hydrolyse von Polysacchariden und Oligosacchariden wird durch H+-Ionen katalysiert. Die Abspaltung von Saccharose führt zu einer Mischung von Glucose und Fructose, die polarisiertes Licht nach links dreht. Daher wird dieses Verfahren auch als Invertierung bezeichnet. Die erhaltene Mischung ist Invertzucker, der zu Kunsthonig und Flüssigzucker verarbeitet wird. Insbesondere Flüssigzucker hat an Bedeutung zugenommen, da er in großem Umfang zum Süßen von alkoholfreien Erfrischungsgetränken verwendet wird.

Inulin ist heutzutage oft Zutat in der Lebensmittelherstellung, beispielsweise in Joghurt als Fettersatz und um den Geschmack, die Textur und das Mundgefühl zu verbessern. In Wurstwaren dient es dazu, den Ballaststoffanteil zu erhöhen. Inulin gehört zu den präbiotischen Nahrungszusatzstoffen. Es dient weiterhin als Grundstoff zur hydrolytischen Herstellung von Fructose und Oligofructose.

Inulin kann z. B. aus den Knollen von Chicorée und Topinambur gewonnen werden. Die salzreichen rohen Dünnsäfte werden zunächst mit Hilfe von Lewatit^®-Ionenaustauscherharzen entsalzt. Die anschließende Feinreinigung des Fruchtzuckers erfolgt in Mischbettsystemen mit unseren Harzen. 

Lewatit^®-MDS-Typen sind monodisperse Ionenaustauscherharze mit einem Gleichheitskoeffizienten < 1,1 und einer Partikelgröße zwischen 290 und 370 μm. Die Harze werden kommerziell in chromatographischen Trennverfahren verwendet (SMB – simulated moving bed), z. B. Zuckergewinnung aus Melasse, Trennung von Glucose und Fructose, Größentrennung von Zuckermolekülen, Trennung von organischer Säure oder Trennung von Aminosäuren.

Aus Rohstoffen wie Mais, Weizen, Kartoffeln, Reis, Maniok usw. stellt die Stärkeindustrie durch enzymatische Hydrolyse von Stärke eine Vielzahl von Süßungsmitteln her. Nach der Stärkeaufspaltung werden Lewatit^®-Harze zur Aufbereitung von z. B. Glucose und Maltose durch Entsalzung und Entfärbung des Sirups verwendet. Proteine und Rückstände von Nebenprodukten können ebenfalls entfernt werden.

Für Sirupe mit einem hohen Dextrose-Äquivalent wie z. B. Dextrose und Fructose (nach Isomerisierung), aber auch Sirupe mit einem niedrigen Dextrose-Äquivalent, z. B. Glucose und Maltose, werden Lewatit^®-Harze in Gleichstrom- oder Gegenstromanlagen eingesetzt, vorzugsweise in Doppelpass-/Merry-go-round-Systemen.

Zuckeralkohol aus verschiedenen mit Nickel katalysierten hydrierten Mono- und Disacchariden ist von großer wirtschaftlicher Bedeutung für das Süßen zahlreicher Produkte, da er einen niedrigen Brennwert aufweist und keine Zahnkaries verursacht. Nach dem Hydrieren wird die Polyolrohlösung mit einem Lewatit^®-Ionenaustauscherharz entfärbt und entsalzt. Dabei können verschiedene Verfahren eingesetzt werden.

Zitronensäure ist die wichtigste in großen Mengen produzierte organische Säure und wird in der Lebensmittel- und Pharmaindustrie verwendet. Sie wird hauptsächlich durch Fermentation aus verschiedenen Kohlenhydratquellen wie Molasse oder Zucker auf Stärkebasis hergestellt. Milchsäure ist eine organische Säure, die natürlicherweise im menschlichen Körper und in fermentierten Lebensmitteln vorkommt. Sie wird in einer Vielzahl von Lebensmitteln, Getränken, Körperpflegeprodukten, im Gesundheitswesen, in Reinigungsmitteln, Tiernahrung sowie in chemischen Produkten als milde Säure mit geschmacksverstärkenden und antibakteriellen Eigenschaften verwendet.

Die kommerzielle Herstellung von Milchsäure erfolgt typischerweise durch Fermentation aus verschiedenen Kohlenhydratquellen. Lebensmittelsäuren wie Zitronensäure und Milchsäure müssen nach der Fermentation demineralisiert werden, hauptsächlich um Schwefelsäure und Sulfationen zu entfernen. Für die Entsalzung von Lebensmittelsäuren werden stark saure, gelförmige Lewatit^®-Kationenaustauscherharze in Kombination mit schwach basischen Lewatit^®-Anionenharzen eingesetzt.

Pektin wird im Allgemeinen mit Hilfe von Salpetersäure aus Zitronenschalen gewonnen. Der saure Dünnsaft enthält ca. 1 % Pektin, 2 % Salpetersäure und 300 bis 400 ppm Calciumionen. Diese beeinträchtigen die Qualität des Pektins, weshalb die Konzentration dieser Ionen durch Ionenaustausch verringert werden muss. Die Calciumionen lassen sich mit Lewatit^®-Ionenaustauscherharzen problemlos entfernen.

Gelatine und Kollagenhydrolysate sind rein kollagenes Eiweiß, das aus tierischen Rohstoffen von Schweinen, Rindern oder Fisch gewonnen wird. Bei diesem Rohstoff handelt es sich um kollagenreiches Gewebe von Tieren, das für den menschlichen Verzehr freigegeben wurde und den Ansprüchen der Gelatine- bzw. Kollagenherstellung entspricht.

In einem schonend enzymatischen Prozess werden die im Rohstoff enthaltenen Polypeptide so lange behandelt, bis das gewünschte Molekulargewicht der Peptide erreicht ist. Je nach Enzymen und Hydralisationsbedingungen kann das Endprodukt im Hinblick auf die Verteilung des Molekulargewichts oder andere Parameter stärker davon abweichen.

Im Unterschied zur klassischen Gelatine besitzen Kollagenpeptide bzw. Kollagenhydrolysate keine Gelierfähigkeit. Um die Anforderungen der Lebensmittel-, pharmazeutischen und Kosmetik-Industrie zu erfüllen, kann eine Entsalzung und Entfärbung in Kombination mit einer Feinreinigung mit Lewatit^®-Ionenaustauscherharzen erforderlich sein.

Neben großen Mengen störender Salze enthält Molke wertvolle Proteine und Lactose. Die Gewinnung und Verarbeitung dieser Substanzen wird immer bedeutender. Die Molke muss jedoch einer geeigneten Behandlung unterzogen werden, um Proteine und Lactose zu extrahieren. Für die Entsalzung von Molke werden stark saure, gelförmige Lewatit^®-Kationenaustauscherharze in Kombination mit schwach basischen Lewatit^®-Anionenharzen eingesetzt. 

Die Herstellung von Traubenmost erfordert eine umfassende Entfärbung und Entsalzung, um zu verhindern, dass Salze den typischen Geschmack des reduzierten Zuckergehalts (15 bis 20 %) überdecken. Dem Weinmost kann vor der Fermentierung raffinierter Most zugesetzt werden, um einen hochwertigen Wein zu erhalten. Er wird auch zum Mischen von Fruchtgetränken, Weinzusätzen und kohlensäurehaltigen alkoholfreien Erfrischungsgetränken verwendet. Zur Reduzierung von polyphenolischen Farben werden nicht funktionelle Lewatit^®-Adsorberharze benutzt, während zum nicht selektiven Entfärben herkömmliche stark basische Lewatit^®-Anionenaustauscherharze eingesetzt werden.

Apfel- und Birnensaft wird als Beimischung in kohlensäurehaltigen alkoholfreien Erfrischungsgetränken verwendet. Der Saft enthält ca. 12 % Zucker in Form von Di- oder Monosacchariden. Darüber hinaus enthält Apfel- und Birnensaft auch polyphenolische Farbkomponenten, die bei der Extraktion auf enzymatischem Wege gebildet werden. Diese können mit Lewatit^®-Adsorberharzen entfernt werden. Anschließend wird der geklärte Saft mit Lewatit^®-Ionenaustauscherharzen entsalzt. Wegen ihres hohen Gehalts an freien Säuren werden diese Säfte vor der Entsalzung durch ein schwach anionisches Harz geleitet.

Ananassaft, insbesondere aus Verarbeitungsabfällen, enthält rund 10 % Zucker und sehr hohe Mengen an Zitronensäure und stickstoffhaltigen Bestandteilen. Um ihn als Sirup für die Konservenherstellung verwenden zu können, ist eine Entsalzung und teilweise Entfärbung nötig. In Anbetracht der hohen Konzentration von Säure und Salzen wird eine zweimalige Filtration empfohlen.

Orangensaft, sowohl frisch gepresst als auch aus Konzentrat hergestellt, kann mit schwach basischen Lewatit^®-Anionenharzen neutralisiert werden. Das Harz reduziert die freie Zitronensäure, aber auch schwächer dissoziierte Säure wie z. B. Ascorbinsäure und Folsäure. Zur Rückgewinnung der wertvollen Ascorbinsäure und Folsäure empfiehlt sich daher ein Überdosieren des Harzes, um die Verdrängung durch die stärkere Zitronensäure sicherzustellen. Eine andere spezielle Anwendung für Adsorberharze ist die Entbitterung von Orangensaft. Dieser enthält 20 bis 30 ppm Bitterstoffe wie Limonin oder Hesperidin, die anderenfalls zu schmecken wären.