DE102018119012A1 - Verfahren zum Garen von Lebensmitteln - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Garen von Lebensmitteln, gekennzeichnet durch eine Garprozessphase, bei der im Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen erzeugt wird, und eine Garprozessphase, bei der dem Lebensmittel Wärme von außen zugeführt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Garen von Lebensmitteln, bei dem dem Lebensmittel ein wesentlicher Teil der zum Garen notwendigen Energie durch ohmsche Erwärmung zugeführt wird.
• Beim Garen mit ohmscher Erwärmung wird elektrischer Strom durch das zu garende Lebensmittel geleitet, sodass dieses sich aufgrund des elektrischen Widerstandes des Lebensmittels erwärmt. Die Wärme wird also im Inneren des Lebensmittels erzeugt, während beim herkömmlichen Garen die Wärme von außen zugeführt wird. Anders ausgedrückt: beim herkömmlichen Garen wird die Energie von außen in der Form von Wärme zugeführt, während beim ohmschen Garen die Energie von außen in elektrischer Form zugeführt und erst im Lebensmittel in Wärme umgesetzt wird.
• Der Vorteil beim ohmschen Garen besteht darin, dass die Wärme unmittelbar im Lebensmittel selbst erzeugt wird. Allerdings kann die äußere Beschaffenheit des Lebensmittels, beispielsweise eine Bräunung, beim ohmschen Garen nur sehr eingeschränkt beeinflusst werden.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Garen von Lebensmitteln bereitzustellen, bei dem auch die äußere Beschaffenheit des Lebensmittels in einer gewünschten Weise reproduzierbar herbeigeführt werden kann.
• Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren zum Garen von Lebensmitteln vorgesehen, gekennzeichnet durch eine Garprozessphase, in der im Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen erzeugt wird, und eine Garprozessphase, bei der dem Lebensmittel Wärme von außen zugeführt wird. Durch die Kombination der beiden Garprozessphasen lassen sich ihre Vorteile vereinigen; ohmsches Garen zeichnet sich durch eine kurze Gardauer aus, da die Wärme gleichmäßig im Inneren des Lebensmittels erzeugt wird, während die Wärmezufuhr von außen dazu genutzt werden kann, den Gargrad des Lebensmittels an dessen Oberfläche in der gewünschten Weise einzustellen, beispielsweise eine bestimmte Bräunung herbeizuführen.
• Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden Garprozessphasen nacheinander oder mit allenfalls geringfügiger Überlappung durchgeführt werden. Dies gibt mehr Freiheiten hinsichtlich der Art und Weise, wie die einzelnen Garprozessphasen durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Lebensmittel von einem Gargerät, in der es mittels ohmscher Erwärmung gegart wird (beispielsweise in einem Wasserbad), in ein anderes Gargerät gebracht werden, in der es mit Kontaktwärme gegart wird. Die beiden Gargeräte sind dabei vorzugsweise intelligent miteinander vernetzt. Es ist auch möglich, in ein und demselben Gargerät zu garen und Kontaktwärme nur in einer zweiten Phase zuzuschalten.
• Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die beiden Garprozessphasen zu einem erheblichen Teil überlappen, insbesondere während mehr als 50 % der gesamten Gardauer. Dies hat den Vorteil, dass die Gesamtgardauer sehr kurz ist.
• Wenn sich die beiden Garprozessphasen überlappen, kann dem Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen über im Wesentlichen die gesamte Gardauer zugeführt werden, insbesondere mit im Wesentlichen konstantem Wärmestrom. Dies führt zu einer insgesamt sehr kurzen Gardauer, die im Wesentlichen dadurch bestimmt ist, wann die gewünschte Kerntemperatur erreicht ist, wobei bei einigen Garprozessen der limitierende Faktor auch die Ausbildung der äußeren Gare ist.
• Während dem Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen zugeführt wird, kann der Wärmestrom der von außen zugeführten Wärmemenge variiert werden. Hierdurch kann beeinflusst werden, in welchem Abschnitt des Garprozesses eine bestimmte Bräunung an der Oberfläche des Lebensmittels realisiert wird.
• Gemäß einer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass der Wärmestrom in einer Phase so gesteuert wird, dass aus dem Lebensmittel austretendes Wasser an der Oberfläche des Lebensmittels im Wesentlichen vollständig verdampft wird. Dadurch kann verhindert werden, dass das beim Garen aus dem Lebensmittel austretende Wasser die bereits gebildete Oberflächenbräunung aufweicht und abspült.
• Der von außen in der Phase zugeführte Wärmestrom, in der aus dem Lebensmittel austretendes Wasser im Wesentlichen vollständig verdampft wird, hängt insbesondere ab von der Wärmemenge, die beim ohmschen Garen im Inneren des Lebensmittels erzeugt wird, von der elektrischen Leitfähigkeit des Lebensmittels und/oder von der Masse des Lebensmittels. Diese Aufzählung ist nicht abschließend; es können auch weitere Parameter berücksichtigt werden.
• Die von außen zugeführte Wärme kann insbesondere durch Kontaktwärme, Infrarotstrahlung, Heißluft und/oder mindestens einen Heißluftstrahl zugeführt werden. Diese Energieübertragungsarten ermöglichen es, einen hohen Wärmestrom bereitzustellen, sodass die Beschaffenheit des Lebensmittels an dessen Außenseite in sehr kurzer Zeit in der gewünschten Weise eingestellt werden kann.
• Gemäß einer Ausgestaltung wird die dem Lebensmittel von außen zugeführte Wärme von allen Seiten zugeführt, sodass dieses beispielsweise gleichmäßig gebräunt wird.
• Der Wärmestrom, der dem Lebensmittel von allen Seiten zugeführt wird, kann vorzugsweise so aufgeteilt werden, dass 50 % der Energie von unten zugeführt werden, 30 % von den Seiten und 20 % von oben. Es hat sich herausgestellt, dass auf diese Weise ein sehr gutes Ergebnis erzielt werden kann.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
• - 1 den Verlauf von verschiedenen Kennwerten über der Zeit bei einem Verfahren gemäß einer ersten Ausführungsform;
• - 2 den Verlauf von verschiedenen Kennwerten über der Zeit bei einem Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
• - 3 den Verlauf von verschiedenen Kennwerten über der Zeit bei einer Variante zur zweiten Ausführungsform.
• In den Diagrammen der 1 bis 3 zeigen:
• durchgezogene Linie: Verlauf der Kerntemperatur des zu garenden Lebensmittels
• gestrichelte Linie: Garzustand an der Oberfläche des Lebensmittels, insbesondere Bräunung
• strichpunktierte Linie: Wärmestrom beim ohmschen Garen
• doppeltstrichpunktierte Linie: Wärmestrom durch Energiezufuhr (Wärmezufuhr) von außen
• gepunktete Linie in den 2 und 3: Wasserverlust des Lebensmittels beim Garen
• In 1 sind die Kennwerte eines Verfahrens zum Garen von Lebensmitteln gezeigt, bei dem in einer ersten Phase das Lebensmittel ausschließlich durch ohmsche Erwärmung gegart wird. Das Lebensmittel steht also mit Elektroden in elektrisch leitender Verbindung, sodass ein Strom durch das Lebensmittel geleitet wird, der aufgrund des elektrischen Widerstandes im Lebensmittel in Wärme umgesetzt wird.
• In einer zweiten Phase (ab dem Zeitpunkt t₁) wird das Lebensmittel ausschließlich mit Wärme gegart, die von außen zugeführt wird. Hierzu kann insbesondere Kontaktwärme verwendet werden.
• Die erste und die zweite Phase überlappen sich bei der in 1 gezeigten Ausführungsform geringfügig.
• Es ist zu sehen, dass die Kerntemperatur des Lebensmittels in der ersten Phase konstant ansteigt, da die über den Strom zugeführte Energiemenge im Inneren des Lebensmittels gleichmäßig in Wärme umgesetzt wird. Da allerdings an der Oberfläche keine Temperaturen erreicht werden, die zu einer Bräunungsreaktion führen, bleibt die Bräunung des Lebensmittels an der Oberfläche in der ersten Phase unverändert.
• In der zweiten Phase führt die von außen zugeführte Wärme dazu, dass die Oberfläche gebräunt wird. In dieser Phase bleibt die Kerntemperatur hingegen (im Wesentlichen) konstant, da die hohen Temperaturen an der Oberfläche erst mit größerer Verzögerung in das Innere des Lebensmittels weitergeleitet werden.
• Diese Ausführungsform ist besonders geeignet zum Garen mit Gargeräten, bei denen die für das ohmsche Garen vorhandenen Elektroden beheizbar sind, um in der zweiten Phase die notwendige Wärmemenge von außen zuzuführen. Ein solches Gargerät kann zum Garen von Hamburger-Patties verwendet werden oder auch für Schinkenbraten.
• Das Aufteilen des gesamten Garprozesses in eine erste Garprozessphase mit ohmschen Garen und eine zweite Garprozessphase mit Kontakthitze hat den Vorteil, dass beim ohmschen Garen ein guter Stromübergang von den Elektroden zum Lebensmittel gewährleistet ist, da eine durch die Kontakthitze erzeugte Kruste, die den elektrischen Kontakt zum Lebensmittel verschlechtert, erst nach Abschluss des ohmschen Garens erzeugt wird.
• In 2 ist eine zweite Ausführungsform eines Verfahrens zum kombinierten Garen eines Lebensmittels mittels ohmscher Erwärmung und Wärmezufuhr von außen gezeigt.
• Der wesentliche Unterschied zur ersten Ausführungsform besteht darin, dass das ohmsche Garen über die gesamte Gardauer durchgeführt wird, und zwar in der gezeigten Ausführungsform mit einem konstanten Wärmestrom.
• Abhängig vom jeweiligen Lebensmittel und vom konkreten Garprozess kann allerdings der Wärmestrom beim ohmschen Garen auch variiert werden.
• In der ersten Phase wird das Lebensmittel durch ohmsches Garen bis zum Beginn der Eiweißdenaturierung erwärmt. Während dieser Zeit wird das Lebensmittel bereits mit Wärme gebräunt, die von außen zugeführt wird. Dies kann Kontaktwärme sein, Infrarotstrahlung, Heißluft und gezielter Heißluftstrahl, der über Düsen aufgebracht wird („Jet Impingement“). Wenn das Lebensmittel in einem nur oben geöffneten Garzubehör gegart wird, wird Kontaktwärme von unten und seitlich in Kombination mit Jet Impingement von oben bevorzugt. Die von den Seiten eingebrachte Energie kann durch Heizelemente eingebracht werden, die in die Elektroden integriert sind, die zum ohmschen Garen verwendet werden.
• Durch die Erwärmung des Lebensmittels durch ohmsches Garen wird das Lebensmittel auch in der ersten Phase volumetrisch gleichmäßig erwärmt. Dies führt beim Garen eines Eiweißprodukts (z. B. Fleisch) dazu, dass der Temperaturbereich von 55 °C bis 75 °C im gesamten Lebensmittel gleichzeitig erreicht wird. Die damit einhergehende Denaturierung des Eiweißes führt dazu, dass das Wasserbindevermögen in der Proteinmatrix reduziert wird. Hieraus folgt ein Gewichtsverlust (insbesondere Wasserverlust) des Garguts. Dieses Wasser muss an der Oberfläche des Lebensmittels verdampft werden, wobei diese Oberfläche bereits stark gebräunt ist, wenn der Wasserverlust einsetzt.
• Der Zeitpunkt t₁, der das Ende der ersten Phase darstellt, entspricht etwa dem Zeitpunkt, zu dem die Eiweißdenaturierung beginnt und dementsprechend Wasser aus dem Lebensmittel austritt.
• Um das auftretende Wasser an der Oberfläche gut verdampfen zu können, wird die Wärmemenge, die dem Lebensmittel von außen zugeführt wird, so auf die Leistung abgestimmt, die durch ohmsche Erwärmung im Lebensmittel umgesetzt wird, dass das Wasser vollständig an der Oberfläche verdampft.
• Die von außen zugeführte Wärmemenge hängt ab vom Lebensmittel, dem gewünschten Bräunungsgrad und der zur Verfügung stehenden Zeit. Diese Parameter können empirisch eingestellt werden oder über reaktionskinetische Modelle ermittelt werden.
• In einer zweiten Phase (vom Zeitpunkt t₁ bis zum Zeitpunkt t₂) tritt das Wasser, welches durch die Verringerung des Wasserbindevermögens nicht mehr im Lebensmittel gehalten werden kann, an der Lebensmitteloberfläche aus. In dieser Phase soll die Bräunung nicht mehr (oder zumindest nicht mehr wesentlich) verändert werden, während das austretende Wasser möglichst vollständig verdampft werden soll.
• Die hierfür notwendige Wärmemenge kann in der folgenden Weise ermittelt werden:

Q_OH:

Wärmemenge ohmsche Erwärmung

Q_WÜ:

Wärmemenge weiteres Wärmeübertragungsverfahren

Q_LM:

Wärmemenge Lebensmittel

E:

elektrische Feldstärke

σ:

elektrische Leitfähigkeit des Lebensmittels

m:

Masse des Lebensmittels

T:

Temperatur des Lebensmittels

c_Wasser:

Wärmekapazität des Wassers

r_Verdampf:

Verdampfungsenthalpie des Wassers

c_LM:

Wärmekapazität Lebensmittel

• Die durch ohmsche Erwärmung erzeugte Wärmeenergie wird im Lebensmittel gleichmäßig erzeugt. $${\text{Q}}_{\text{OH}}={\text{Q}}_{\text{LM}}$$

  

  $${\text{Q}}_{\text{OH}}={\text{E}}^2\mathrm{\sigma }$$

  

  $${\text{Q}}_{\text{LM}}={\text{m c}}_{\text{LM}}\Delta \text{T}$$

  
• Der Massenverlust Δm findet innerhalb der Temperaturspanne von 55 °C bis 75 °C statt. Dieser ist materialabhängig und wird empirisch ermittelt.
• Die benötigte Wärmemenge für die Wasseraufheizung und -verdampfung lautet: $${\text{Q}}_{\text{WÜ}}=\Delta \text{m}\left({\text{c}}_{\text{Wasser}}\left(100\left[°\text{C}\right]-\text{T}\right)+{\text{r}}_{\text{Verdampf}}\right)$$

  
• Die benötigte Wärmemenge pro Kelvin für die Wasserverdampfung lautet: $$\frac{Q_{W\text{Ü}}}{\Delta \text{T}}=\frac{\Delta m\left(c_{Wasser}\left(100\left[°C\right]-T\right)+r_{Verdampf}\right)}{20\left[K\right]}$$

  

  $$Q_{W\text{Ü}}=\frac{\Delta m\left(c_{Wasser}\left(100\left[°C\right]-T\right)+r_{Verdampf}\right)\Delta T}{20\left[K\right]}$$

  
• Hier wurde angenommen, dass der Massenverlust von 55 °C bis 75 °C linear verläuft. Sollte diese Annäherung nicht die ausreichende Genauigkeit liefern, kann Δm/20 K durch eine Funktion ersetzt werden.
• Die Temperaturveränderung des Lebensmittels ist abhängig von der Wärmeerzeugung: $$\Delta T=\frac{Q_{OH}}{m{c}_{LM}}$$

  
• Die Massenänderung für die Erwärmung beim ohmschen Garen kann vernachlässigt werden, da der Betrag gering ist.
• Somit kann beschrieben werden: $$Q_{W\text{Ü}}=\frac{\Delta m\left(c_{Wasser}\left(100\left[°C\right]-T\right)+r_{Verdampf}\right)Q_{OH}}{20\left[K\right]m{c}_{LM}}$$

  
• Oder als Wärmestrom: $${\dot{Q}}_{W\text{Ü}}=\frac{\Delta m\left(c_{Wasser}\left(100\left[°C\right]-T\right)+r_{Verdampf}\right){\dot{Q}}_{OH}}{20\left[K\right]m{c}_{LM}}$$

  
• Mit ${\dot{Q}}_{OH}=\frac{dQ}{dt},$

  

  wobei $\frac{dQ}{dt}\sim \text{Stromfluss}$

  

  bzw. el. Feld, Leitfähigkeit bzw. Widerstand
• Das Gargewicht wird folgendermaßen beschrieben: $$m_{gar}\left[\%\right]=\frac{\Delta m}{m}$$

  
• Somit gilt: $${\dot{Q}}_{W\text{Ü}}=\frac{m_{gar}\left[\%\right]\left(c_{Wasser}\left(100\left[°C\right]-T\right)+r_{Verdampf}\right){\dot{Q}}_{OH}}{20\left[K\right]c_{LM}}$$

  
• Der benötigte Wärmestrom wird aufgeteilt auf das untere, seitliche und obere Wärmeübertragungsverfahren. Bevorzugt wird eine Leistungsverteilung von 50 % : 30 % : 20 %.
• In Phase 3 wird die Leistung des zusätzlichen Wärmeübertragungsverfahrens auf nahe 0 eingestellt.
• In der Formel kann die Konstante 100 °C durch die Siedetemperatur von Wasser ausgetauscht werden.
• In 3 ist eine Variante des in 2 gezeigten Verfahrens dargestellt. Der Unterschied besteht darin, dass die Bräunungsbildung statt in Phase 1 nun in Phase 3 erfolgt. Phase 2 eignet sich durch den hohen Wasseraustritt nur unter Aufbringung einer sehr hohen Leistungsdichte zum Bräunen.

Claims (10)

1. Verfahren zum Garen von Lebensmitteln, gekennzeichnet durch eine Garprozessphase, bei der im Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen erzeugt wird, und eine Garprozessphase, bei der dem Lebensmittel Wärme von außen zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Garprozessphasen nacheinander oder mit allenfalls geringfügiger Überlappung durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die beiden Garprozessphasen zu einem erheblichen Teil überlappen, insbesondere während mehr als 50% der gesamten Gardauer.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Lebensmittel Wärme durch ohmsches Garen über im Wesentlichen die gesamte Gardauer zugeführt wird, insbesondere mit im Wesentlichen konstantem Wärmestrom.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom der von außen zugeführten Wärmemenge variiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom in einer Phase so gesteuert wird, dass aus dem Lebensmittel austretendes Wasser an der Oberfläche des Lebensmittels im Wesentlichen vollständig verdampft wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der von außen zugeführte Wärmestrom in der Phase, in der aus dem Lebensmittel austretendes Wasser im Wesentlichen vollständig verdampft wird, von der Wärmemenge, die beim ohmschen Garen im Inneren des Lebensmittels erzeugt wird, von der elektrischen Leitfähigkeit des Lebensmittels und/oder von der Masseänderung des Lebensmittels abhängt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von außen zugeführte Wärme durch Kontaktwärme, Infrarotstrahlung, Heißluft und/oder mindestens einen Heißluftstrahl zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Lebensmittel von außen zugeführte Wärme von allen Seiten zugeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom wie folgt aufgeteilt ist: 50% von unten, 30% von den Seiten, 20% von oben.

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