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Über dieses Buch

Die vollständig überarbeitete Neuauflage des Lehrbuchklassikers jetzt ergänzt durch ein zusätzliches Kapitel und mit neuem Layout.

Dieses Standardwerk umfasst sämtliche Themengebiete der Lebensmittelphysik und behandelt u. a. die thermischen, rheologischen, akustischen und elektrischen Eigenschaften sowie die Dichte und Textur von Lebensmitteln. Zudem wird ausführlich auf die Funktion von online-Sensoren und deren Bedeutung für die Prozessautomatisierung in der Lebensmittelindustrie eingegangen.

Für Studierende der Lebensmittelwissenschaften und der Lebensmitteltechnologie ist dieses Lehrbuch mit vielen vorgerechneten Beispielen die Basis für ein grundlegendes Verständnis der Lebensmittelphysik. Ingenieure, Technologen und Techniker in der Lebensmittelproduktion können die aufgelisteten Anwendungsbeispiele am Ende jedes Kapitels nutzen, um ihre Kenntnisse für zukünftige physikalische Verfahren zu vertiefen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Wasseraktivität und Sorptionsisothermen

Zusammenfassung
Die Haltbarkeit von Lebensmitteln ist stark mit der Wasseraktivität verknüpft. Zur Berechnung der Wasseraktivität werden Sorptionsisothermen eingesetzt, welche das Sorptionsgleichwicht zwischen Lebensmittel und der umgebenden, wasserdampfhaltigen Atmosphäre beschreiben. In diesem Kapitel wird die Erstellung derartiger Isothermen und der mathematische Umgang mit ihnen an Beispielen vorgeführt. Mit Hilfe der Sorptionsisotherme lässt sich die Hygroskopizität von Materialien quantitativ angeben. Abschließend sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene Untersuchungen genutzt werden können.
Ludger Figura

2. Massendichte

Zusammenfassung
Aus der Dichte von Lebensmitteln können erste Rückschlüsse auf die Zusammensetzung eines Lebensmittels, z. B. auf die Konzentration eines Inhaltsstoffs oder den Trockensubstanzgehalt, gezogen werden. Die Dichte wird zur Qualitätscharakterisierung und zur Prozesskontrolle verwendet. Klassische Dichtebestimmungen erfordern eine Volumenbestimmung und eine Massenbestimmung, daher ist die Kenntnis von Grundregeln der Wägung notwendig. Es existieren zahlreiche lebensmittelspezifische und branchentypische Messverfahren für gasförmige, flüssige, halbfeste und feste Materialien, einige von ihnen werden in diesem Kapitel anhand von Beispielen erläutert. Neben den Methoden, die auf einem mechanischen, statischen Kräftegleichwicht beruhen, gibt es Resonanztechniken, die den Einfluss der Masse auf die Frequenz eines Oszillators nutzen. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
Ludger Figura

3. Disperse Systeme: Partikelcharakterisierung

Zusammenfassung
Bei Schüttgütern, Pulvern, Emulsionen, Suspensionen und anderen dispersen Systemen spielen die geometrischen Abmessungen der Partikel eine entscheidende Rolle für die Produkteigenschaften. In diesem Kapitel werden die grundlegenden Begriffe von Partikelgrößenverteilungen schrittweise erklärt und mit Beispielen erläutert. Die zugehörigen Messverfahren werden vergleichend dargestellt und die klassische Analysensiebung an einem Beispiel vorgerechnet. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene Untersuchungen genutzt werden können.
Ludger Figura

4. Rheologische Eigenschaften

Zusammenfassung
Das Fließverhalten von Lebensmitteln spielt eine wichtige Rolle für das Qualitätswesen und die Prozesssteuerung. In diesem Kapitel werden die Grundbegriffe der Rheologie systematisch erklärt und anhand von Beispielen verdeutlicht. Newtonsches Verhalten und Modellgesetze für nichtnewtonsches Verhalten werden vorgestellt und miteinander verglichen. Die Funktion des Rotationsrheometers wird mathematisch Schritt für Schritt vorgeführt und das Prinzip der Oszillationsrheometrie sowie zahlreicher einfacher Messverfahren anschaulich erklärt. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene Arbeiten genutzt werden können.
Ludger Figura

5. Texturuntersuchung

Zusammenfassung
In diesem Kapitel wird als Teilgebiet der Festkörperrheologie die mechanische Beschreibung der Textur behandelt. Mit Hilfe von axialen Belastungen lassen sich typische Festkörpereigenschaften wie Elastizität und Bruch beschreiben, jedoch auch Relaxations- und Retardationsphänomene, welche zur Beschreibung der Viskoelastizität von Materialien herangezogen werden können. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene Untersuchungen genutzt werden können.
Ludger Figura

6. Grenzflächen

Zusammenfassung
An Grenzflächen besitzen Materialien andere Eigenschaften als im Volumen. Die spezifische Grenzflächenenergie hängt von den angrenzenden Materialien in Zwei-Phasen- und Drei-Phasen-Systemen und von der Krümmung der Grenzfläche ab. In diesem Kapitel werden die grundlegenden Zusammenhänge Schritt für Schritt erklärt und in Form von Beispielen vorgerechnet. Der Zusammenhang mit dispersen Systemen wie Emulsionen und Schäumen wird hergestellt. Konzentrations- und zeitabhängige Effekte, wie sie bei Mizellen und Filmbildern vorkommen, werden behandelt. Die grundlegenden Messtechniken für die Grenzflächenspannung werden vorgestellt und erläutert. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene Untersuchungen genutzt werden können.
Ludger Figura

7. Permeabilität

Zusammenfassung
Der Permeation von gasförmigen Substanzen durch Verpackungsmaterialien liegt Diffusion als Stofftransportmechanismus zugrunde. Unter der Annahme stationärer Verhältnisse wird die Ermittlung der Wasserdampf- und Sauerstoffpermeabilität von Folien vorgeführt und mit Beispielen illustriert. Der Vergleich mit der Leitung von elektrischem Strom und Wärme ermöglicht die Entwicklung elektro-analoger Modelle für die Berechnung der Permeation. Auf diese Weise können auch Werte für Folien aus mehreren Materialien einfach berechnet werden, um Verbundfolien mit geforderten Eigenschaften, z. B. aus Biopolymeren, zu entwerfen. Am Beispiel der Permeation werden das Verständnis stationärer diffusionskontrollierter Transportvorgänge herbeigeführt und die Vielzahl von Begriffen geordnet. Am Ende des Kapitels sind Beispiele aus der Verpackungstechnik, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
Ludger Figura

8. Thermische Größen

Zusammenfassung
Zum Verständnis des thermischen Verhaltens von Lebensmitteln werden in diesem Kapital zunächst thermodynamische Grundbegriffe wie Enthalpie, Wärmekapazität und Phasenübergänge höherer Ordnung erklärt. Unterschiedliche Wärmetransportmechanismen und -geometrien werden Schritt für Schritt vorgestellt und anhand von Beispielen verdeutlicht. Der Brennwert von Lebensmitteln, dessen Einflussgrößen und messtechnische Besonderheiten werden behandelt. Bei der Besprechung der Methoden der thermischen Analyse werden DSC (Differential Scanning Calorimetry) und TG (Thermogravimetry) detailliert betrachtet. Am Ende des Kapitels sind zahlreiche Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium der Methoden der thermischen Analyse dienen können.
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9. Elektrische Eigenschaften

Zusammenfassung
Die elektrische Leitfähigkeit von Lebensmitteln, ihre Begrifflichkeiten und Ursachen werden vorgestellt. Die wesentlichen Unterschiede zwischen Gleichstrom- und Wechselstromfeldern und komplexe Widerstände werden in einfachen Worten dargestellt. Die Messung der elektrischen Leitfähigkeit und die Grundlagen des Zeta-Potentials werden detailliert beschrieben. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
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10. Magnetische Eigenschaften

Zusammenfassung
Die Ursachen des unterschiedlichen Verhaltens von Materialien im Magnetfeld werden grundlegendend erläutert und anhand von Anwendungen wie Induktionskochen und Metalldetektion verdeutlicht. Die verschiedenen Formen der Magnetresonanz zur Untersuchung von Zusammensetzung, Struktur und Herkunft der Lebensmittel werden mit einfachen Worten erklärt. Bildgebende Verfahren und die Elektronenspinresonanz zum Nachweis von Radikalen in Lebensmitteln werden angesprochen. Am Ende des Kapitels werden Applikationsbeispiele aufgelistet, welche das Potential der Magnetresonanzspektroskopie verdeutlichen und zum weiterführenden Studium anregen sollen.
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11. Elektromagnetische Eigenschaften

Zusammenfassung
Die elektrische Polarisierbarkeit von Molekülen ist die Ursache für die Fähigkeit, elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen zu absorbieren. Die Polarisierbarkeit wird aufbauend auf dem Modell des Debye-Dipols mit einfachen Worten erklärt und mit der komplexen Permittivität beschrieben. Anwendungen wie die Erhitzung mit Hilfe von Mikrowellen und die Materialcharakterisierung mit Terahertz-Strahlung und NIR-Spektroskopie verdeutlichen die Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und biologischen Materialien wie Lebensmitteln. Am Ende des Kapitels sind Beispiele aus der Literatur aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
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12. Optische Eigenschaften

Zusammenfassung
Die visuelle Erscheinung von Lebensmitteln hängt von optischen Phänomenen wie Absorption, Reflexion, Streuung, Glanz und Farbe ab. In diesem Kapitel werden die physikalischen Ursachen der Brechung, Beugung, Absorption und Transmission in knapper und verständlicher Weise als Folge der Wechselwirkung zwischen elektromagnetischer Strahlung und Materie erklärt und anhand von Beispielen verdeutlicht. Die Ursachen der optischen Aktivität von Lebensmittelinhaltsstoffen werden erläutert und Techniken wie Polarimetrie und Ellipsometrie vorgestellt. Die Farbe wird als Vektor in verschiedenen Farbsystemen dargestellt und mit der visuellen Empfindung verglichen. Am Ende des Kapitels sind Applikationsbeispiele aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
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13. UV- und Röntgen-Strahlung

Zusammenfassung
Ultraviolette Strahlung kann zur Desinfektion eingesetzt werden. In diesem Kapitel werden die Grundbegriffe und die Unterschiede zwischen atmosphärischem und technischem UV-Licht in knappen Worten geklärt. Am Ende des Abschnitts sind Applikationsbeispiele aufgeführt, aus denen das Potential von zukünftigen UV-LEDs ersichtlich wird.
Im elektromagnetischen Spektrum schließt sich das Gebiet der Röntgen-Strahlung an die kurzwellige UV-Strahlung an. Die Grundzüge der Absorption von Röntgen-Strahlung werden dargestellt und Anwendungen von Röntgen-Scannern und bildgebenden Verfahren beschrieben. Am Ende des Abschnitts sind zahlreiche Applikationsbeispiele aus dem Bereich der Mikro-CT aufgeführt, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können.
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14. Radioaktivität

Zusammenfassung
Radioaktivität tritt bei Lebensmitteln in Form natürlicher Radioaktivität oder in Form von Kontaminationen auf. In diesem Kapitel werden die Grundbegriffe der Strahlenarten, des radioaktiven Zerfalls und der Wirkung radioaktiver Strahlung in einfachen Worten erklärt und mit vorgerechneten Beispielen unterlegt. Durch eine Zusammenstellung der Größen der Dosimetrie und ihrer Einheiten lassen sich Größenordnungen von natürlicher und zivilisatorischer Strahlenbelastung verstehen und einordnen.
Am Ende des Kapitels sind zahlreiche Beispiele für Bestrahlungsnachweise aufgelistet, die zum weiterführenden Studium auf diesem Gebiet anregen sollen.
Ludger Figura

15. Akustische Eigenschaften

Zusammenfassung
Schall spielt bei der Qualitätsbeurteilung von Lebensmitteln eine nicht zu unterschätzende Rolle. In diesem Kapitel werden die Grundlagen von akustischen Wellen und die zugehörigen messtechnischen Begriffe auf einfache Weise erläutert. Beispiele verdeutlichen die sensorisch- akustische Wahrnehmung von qualitätsrelevanten Eigenschaften der Lebensmittel.
Ultraschall wird zur akustischen Spektroskopie sowie in zahlreichen technischen Sensoren der Produktionstechnik eingesetzt. Bei entsprechend hoher Intensität kann Ultraschall lebensmitteltechnische Prozesse unterstützen.
Zahlreiche Applikationsbeispiele am Ende des Kapitels zeigen die Anwendungsbreite der akustischen Verfahren und sollen zum weiterführenden Studium oder zu eigenen wissenschaftlichen Arbeiten anregen.
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16. Online-Sensoren

Zusammenfassung
Online-Sensoren sind schnelle Sensoren, die ein elektrisches Signal liefern, mit dem automatisierte Prozesse möglich werden. In diesem Kapitel werden die zugehörigen messtechnischen Begriffe vorgestellt und an einfachen Beispielen erklärt. Die Funktion einiger Online-Sensoren wird vorgestellt, um die verschiedenen Messprinzipien zu verdeutlichen. Im Abschnitt Chemo- und Biosensoren fließen die erlernten Kenntnisse zusammen. Am Ende des Kapitels sind Arbeiten zu neuartigen Sensoren aufgelistet, die zum weiterführenden Studium und als Anregungen für eigene wissenschaftliche Arbeiten genutzt werden können. Leser mit fortgeschrittenen Kenntnissen werden eventuell dieses Kapitel als Erstes lesen, um dann die Grundlagen in den voran gegangenen Kapiteln zu studieren.
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