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Doctoral Thesis
2025
Process development for spray drying of aroma rich herbs and spices : challenges, strategies and experimental results
Process development for spray drying of aroma rich herbs and spices : challenges, strategies and experimental results
Abstract (English)
Conventional air drying of herbs and spices is associated with a loss of quality due to degradation reactions that occur during the process. Spray drying was introduced to the processing of herbs and spices to evaluate the suitability of this method in an attempt to create a dried product of improved quality. Basil and ginger were used as model systems.
Different options for the conversion of the frozen raw material into an atomisable feed liquid were reviewed. For basil, milling with a mincer with subsequent particle removal by a screw press gave the best results. Rapid and oxygen-free processing was crucial to prevent the development of bitterness. Ginger was juiced and subjected to a split-stream process, where the ginger fibres were dried and milled separately before being reintroduced to the juice as drying aid to prevent stickiness.
The resulting feed material was dried in a pilot plant spray dryer and the effect of process parameters on volatile retention was investigated. Increasing air inlet temperature and decreasing air outlet temperature enhanced essential oil retention for both systems. In addition, large particle sizes and short residence times improved retention when drying basil. The dry matter content of the feed material was identified as key factor for volatile retention in all systems studied.
Additional approaches to improve volatile retention were explored using a maltodextrin-linalool model system. The aim was to reduce the volatile partial pressure gradient between the atmosphere and the droplet in order to reduce volatile transition. While the use of zeolite for selective dehumidification and volatile enrichment did not show the desired effect, elevating the condenser temperature and increasing linalool loading of the feed proved to be effective. A relationship was found between volatile organic compound content in the atmosphere and volatile retention in the powder.
The experimental results obtained were used to assess the accuracy of a retention prediction model based on the selective diffusion theory. Good estimates were obtained for linalool- and methanol-maltodextrin systems. The linalool model was transferred to basil material to test the prediction quality in a highly heterogeneous food material, which was successfully represented. Analysis of the influence of process parameters on the retention model emphasized the significance of particle size in maximising retention.
This work highlights the challenges of processing and spray drying aromatic herbs and spices. While the process without carrier it is not an alternative to conventional drying, the addition of encapsulation material significantly improves the result.
Abstract (German)
Die Eignung von Sprühtrocknung als alternatives Verfahren zur Trocknung von Kräutern und Gewürzen sollte untersucht werden. Ziel war es, Intensität und Frischeindruck des Aromas zu erhalten. Als Modellsysteme dienten Basilikum und Ingwer.
Zu Beginn wurde ein Aufbau zur Herstellung einer flüssige Feed-Lösung aus gefrorenen Rohstoffen entwickelt. Es wurden verschiedene Möglichkeiten zur Zerkleinerung des Rohmaterials im nassen Zustand untersucht, wobei die Schwierigkeit der Vermahlung von pflanzlichem Material deutlich wurde.
Für Basilikum wurde eine Prozesslinie entwickelt, bei der das Material durch einen Wolf zerkleinert wird und die verbleibenden Partikel durch Schneckenpressen abgetrennt werden. Eine schnelle und sauerstofffreie Prozessierung des Materials war zwingend erforderlich, um die Entwicklung von Bitterstoffen zu vermeiden. Ingwer wurde entsaftet und in einem Split-Stream-Verfahren verarbeitet, bei dem die Fasern getrocknet und vermahlen wurden, bevor sie dem Saft als Trocknungshilfe wieder zugesetzt wurden.
Die hergestellte Feed-Lösung wurde an einem Pilot-Sprühtrockner getrocknet und der Einfluss der Prozessparameter auf den Erhalt flüchtiger Stoffe im Pulver wurde untersucht. Hohe Lufteintrittstemperaturen und eine große Partikelgröße verbesserten den Rückhalt der ätherischen Öle und bestätigten Versuche aus der Literatur. Beim Vergleich der hergestellten Pulver mit konventionell getrocknetem Material konnten die sprühgetrockneten Proben jedoch nicht konkurrieren. Als kritische Ursache für den Verlust flüchtiger Bestandteile während der Trocknung wurde der geringe Trockensubstanzgehalt des Systems identifiziert. Versuche mit zugesetztem Trägermaterial zeigten deutlich höhere Retentionen.
Weitere Ansätze zur Verbesserung der Retention flüchtiger Stoffe wurden mit einem Maltodextrin-Linalool System untersucht. Ziel dieser Versuche war es, den Partialdruck der flüchtigen Stoffe in der Trocknungsatmosphäre zu erhöhen und damit die Partialdruckdifferenz zu verringern. Der Einsatz von Zeolith zur selektiven Entfeuchtung brachte nicht den gewünschten Effekt, da Linalool an der Oberfläche adsorbiert wurde. Durch Anheben der Kondensatortemperatur und Erhöhung der Aromakonzentration in der Feed-Lösung konnte der gewünschte Effekt erzielt werden. Eine Beziehung zwischen dem VOC-Gehalt in der Atmosphäre und der Linalool Konzentration im Pulver konnte identifiziert werden.
Die Ergebnisse der experimentellen Arbeiten wurden verwendet, um die Genauigkeit der selektiven Diffusionstheorie zu bestimmen. Dazu wurden Korrelationsparameter in Laborexperimenten bestimmt, welche eine Vorhersage der Retention bei der Sprühtrocknung ermöglichen. Gute Vorhersagen wurden für Linalool- und Methanol-Maltodextrin-Systeme erzielt. Das Linalool-Modell wurde zudem erfolgreich auf die Trocknung von Basilikum übertragen, um die Vorhersagequalität in heterogenen Lebensmittelsystemen zu testen. Die Analyse des Einflusses von Prozessparameter auf das Retentionsmodell zeigte, dass die Partikelgröße ein zentrales Element für die Maximierung des Erhalts flüchtiger Stoffe ist.
Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zum Verständnis der Trocknung flüchtiger Stoffe bei. Sie verdeutlichen die Schwierigkeiten bei der Arbeit mit Kräutern und Gewürzen, wo zähes Pflanzenmaterial intensive Verarbeitungsprozesse erfordert und gleichzeitig aromaaktive Verbindungen empfindlich darauf reagieren. Die hier beschriebene Sprühtrocknung von Kräutern und Gewürzen stellt keine Alternative zur konventionellen konvektiven Trocknung dar, jedoch können verschiedene Maßnahmen zur Verbesserung der Pulverqualität ergriffen werden.
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Institute of Food Science and Biotechnology
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2025-07-04
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Heimbach, J. (2025). Process development for spray drying of aroma rich herbs and spices − challenges, strategies and experimental results. https://doi.org/10.60848/12973
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English
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@phdthesis{Julia Heimbach2025,
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