Ultraschallschneiden von Lebensmitteln Optimierung durch Abstimmung der Verfahrensparameter auf die spezifischen Eigenschaften des Schnittgutes

Das Ultraschallschneiden wird insbesondere bei Lebensmitteln eingesetzt, die zum Haften an der Schneide und zu bleibenden Verformungen neigen. Speziell konstruierte Messer werden mit einer Frequenz von 20 bis 40 kHz angeregt, so dass sie an der Schneidenkante mit Amplituden von bis zu 40 µm schwingen. Die Ultraschallschwingung führt produktspezifisch zu einer Reduzierung der Trenn- und Reibkräfte am Messer. Sekundäre Effekte des Ultraschalls, wie Absorption und Kavitation können die Schnittqualität jedoch negativ beeinflussen. In systematischen Untersuchungen an unterschiedlichen Lebensmitteln wurde der Einfluss der Verfahrensparameter beim Ultraschallschneiden ermittelt. Die Ergebnisse wurden durch theoretische Überlegungen zu den Wirkungsmechanismen des Ultraschalleinsatzes untersetzt. Die Schneidkraft kann umso stärker reduziert werden, je höher die Schwinggeschwindigkeit und je geringer die Schneidgeschwindigkeit sind. Die produktspezifisch mögliche Schneidkraftreduzierung kann mittels eines eingeführten Materialparameters cx abgeschätzt werden, der sich in Analogie zur Schallgeschwindigkeit in idealen Festkörpern aus Elastizitätsmodul und Dichte errechnet. Neben den rheologischen Eigenschaften beeinflussen Wasser- und Fettgehalt die Effektivität des Ultraschalleinsatzes. Optimale Schnittqualitäten werden nur erzielt, wenn die Verfahrensparameter produktspezifisch so angepasst werden, dass eine möglichst hohe Schneidkraftreduzierung bei möglichst geringem Energieeintrag oder geringer Ultraschallleistung erfolgt. Neben der drückenden Schnittführung wurden erstmalig ziehende Schnitte beim Ultraschallschneiden von Lebensmitteln untersucht.Ultrasonic cutting is applied to products, which tend to stick on cutting tools and to sustain permanent deformations. Specially designed cutting tools are excited by sound frequencies of 20 to 40 kHz in such away that the cutting edge oscillates with amplitudes up to 40 µm. The ultrasonic vibration leads to a reduction of separation and frictional forces on the cutting tool. Secondary effects of ultrasound, such as absorption and cavitation may reduce the cutting quality. The influence of process parameters was investigated systematically on different food products. The results were supported by theoretical considerations regarding the mechanisms of ultrasonic application. The cutting force can be reduced even more, the larger the maximum vibration speed and the lower the cutting speed are chosen. The maximum achievable reduction of cutting force depends on the sample specifics and can be estimated by a newly-developed material parameter cx, which is calculated in analogy to the sound velocity of an ideal elastic solid from the elastic modulus and the density. In addition to the rheological properties the water and the fat content affect the efficiency of ultrasound application. Optimum cutting qualities can be obtained only if the process parameters are adapted to a strong reduction of cutting force at the lowest possible energy or to lowest power consumption. Slicing cuts with ultrasound support were investigated with respect to foods application for the first time