Erarbeitung von Grundlagen zur Optimierung und Rationalisierung der thermischen Zubereitung von Lebensmitteln auf der Basis einer Kombination von Elektrobackofen und Kochplatten

72 Pages·1981·2.964 MB·German

by  Prof. Dr. agr. Manfred Schätzke, Dr. troph. Udo Ritterbach (auth.)

FORSCHUNGSBERICHT DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 3054 / Fachgruppe Physik/Chemie/Biologie
Herausgegeben yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung
Prof. Dr. agr. Manfred Schatzke
Dr. troph. Udo Ritterbach
Institut fUr Landtechnik, Abteilung Haushaltstechnik
der Rheinischen Friedrich-Wilhelms-Universit1it Bonn
Erarbeitung von Grundlagen zur
Optimierung und Rationalisierung der
thermischen Zubereitung von Lebensmitteln
auf der Basis einer Kombination von
Elektrobackofen und Kochplatten
Westdeutscher Verlag 1981
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Schätzke, Manfred:
Erarbeitung von Grundlagen zur Optimierung und
Rationalisierung der thermischen Zubereitung
von Lebensmitteln auf der Basis einer Kombina
tion von Elektrobackofen und Kochplatten /
Manfred Schätzke ; Udo Ritterbach. - Opladen
Westdeutscher Verlag, 1981.
(Forschungsberichte des Landes Nordrhein
Westfalen ; Nr. 3054 : Fachgruppe Physik,
Chemie, Biologie)
ISBN 978-3-531-03054-8 ISBN 978-3-322-87567-9 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-322-87567-9
NE: Ritterbach, Udo:; Nordrhein-Westfalen:
Forschungsberichte des Landes •••
© 1981 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Herstellung: Westdeutscher Verlag GmbH
ISBN 978-3-531-03054-8
Inhalt
Einlei tung ................................. .
2 Aufgabenstellung ••••••••••••••••••••.••••.•• 2
3 Versuchsdurchftihrung ••.•.•••.••••••••••••••• 5
3.1 Material •••••.••••••••••••••••••.•..•••••••• 5
3. 1 • 1 Aufbau der Ger~tekombination von
Elektro-Kochplatten und Backofen •••.•.•••••• 5
3.1. 2 Wirkungsweise der Regelung der
Automatik-Kochplatten •.••.••..•••.•..••.•••• 6
3.1. 3 Auswahl der GargefaBe ..•.•..•.••.•....•....• 6
3.1 .4 Auswahl des Garguts •.••......•.••..•••.•.• 8
3.2 Versuchsaufbau und Methoden .•.•.•••..••.•••• 9
3.2.1 Simulation von Garvorgangen ...••..•..••...•• 9
3.2.2 Vor- und Zubereitung der Lebensmittel ••..••. 11
3.2.3 Energieverbrauchsmessungen ......•.•......••• 12
3.2.4 Temperaturmessungen •......••..••........••.• 12
3.2.5 Ermittlung der Gewichts- und Trocken-
substanzveranderungen ••...••...•..•.•••...•. 13
3.2.6 Statistische Auswertung •.•.•...•....•.•..••• 14
4 Ergebnis se .•••......••...•......••..•....•.. 14
4. 1 Untersuchungen zur Simulation von
einzelnen Garvorgangen ...••.•....•....•....• 14
4. 1 • 1 Energieverbrauch und Wirkungsgrad
in der Ankochphase •.••......•..........••..• 15
4.1.2 Verlustleistung von Topf und Platte
in der Fortkochphase .•.•....•...••...•.••••. 18
4.1.3 Temperaturgefalle zwischen Topfinhalt
und Topfumgebung .•..•••.•••••••.••.••..•••.. 24
4.1.4 Temperatur-Zeit-Verhaltnisse an der Gerate
kombination Automatik-Kochplatte u. Backofen • 30
4.1.4.1 Temperaturverteilung in der Mulde .....••.••.• 31
4.1.4.2 Temperatur-Zeit-Verhaltnisse an den Umschlie
Bungsflachen u. AuBenseiten der Backofenmuffel 36
4.2 EinfluB der Kombination von Herdmulde und
Backofen auf den Verlauf einer simulierten
Menlizubereitung mit Edelstahl-Topfen ..•..•.• 41
4.3 EinfluB der Kombination von Herdmulde und
Backofen auf reale Garvorgange •.••...••...•. 45
4.3.1 Temperatur-Zeit-Verhaltnisse an Gargut und
Gargerat ....•.•..•....................•.•.... 45
4.3.2 Energieverbrauch und Garzeit •.••............ 52
4.3.3 Gewichtsverlust und Trockensubstanz ........ . 57
5 Besprechung der Ergebnisse 60
6 Zusammenfassung 64
7 Literaturverzeichnis 66
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Einleitung
Die Zubereitung der Mahlzeiten kann als eine der Kernfunktio
nen des privaten Haushalts angesehen werden. Diesem Aufgabenbe
reich kommt eine groBe Bedeutung fUr die Befriedigung der Be
dUrfnisse zu, die im Interesse der physischen Gesundheit und
der psychisch-sozialen AnsprUche der Haushaltsmitglieder ste
hen. Entsprechend seiner Bedeutung bindet dieser Sektor erheb
liche finanzielle und arbeitszeitliche Aufwendungen, so daB u.a.
die Anforderungen an die Ausstattung mit technischen Geraten
und die organisatorischen Leistungen auf einem hohen Niveau
stehen. So hat auch die wissenschaftliche Auseinandersetzung
mit dies en Problemen dazu gefUhrt, daB aus gesundheitlichem In
teresse und mit dem Ziel der Arbeitserleichterung die Fragen
der Nahrwerterhaltung und der Optimierung der Zubereitungsver
fahren in den Vordergrund der Forschung im Bereich der Nahrungs
mittelzubereitung gestellt wurden. Solche Fragestellungen haben
dann auch bei der Weiterentwicklung der heutigen Garmethoden
sowie der standigen technischen Verfeinerung insbesondere der
Gerate zur Warmebehandlung von Lebensmitteln bisher Priori tat
gehabt.
Neben den Verbesserungen, die beispielsweise beim Garen auf der
Elektrokochplatte durch die Entwicklung der Automatikplatte
und entsprechend geeignetem Geschirr erreicht werden konnten,
geht auch die Konzeption neuerer Gargerate, wie etwa des Um
luft-Backofens oder des Mikrowellengerates, auf diese Zielset
zungen zurUck.
Nun hat in den letzten Jahren der sparsame Energieverbrauch
in der offentlichen Diskussion einen hohen Stellenwert erlangt,
so daB die dringende Notwendigkeit des Energiesparens inzwi
schen auch im BewuBtsein der Verbraucher eine Rolle zu spielen
beginnt und in allen Bereichen des privaten Haushalts Ansatz
punkte gesucht werden, urn Energiesparpotentiale zu erschlieBen.
Damit ist die Frage nach dem Energieverbrauch ebenfalls zurn
Beurteilungskriteriurn fUr die Gerate zur thermischen Behand
lung von Lebensmitteln geworden. Dies gilt sowohl fUr die Be
urteilung der konstruktiven Gegebenheiten eines Gerates als
auch fUr die Aspekte der Bedienung und seines rationellen
Einsatzes. Eine technische bzw. konstruktive Verbesserung
eines Gargerates mit dem Ziel der Energieeinsparung kann nur
dann zur Wirksamkeit kommen, wenn die Gewohnheiten der Ver
braucher im Bereich der Ernahrung und der Nahrungsmittelzube
reitung BerUcksichtigung finden, so daB dem Benutzer keine we
sentliche Anderung eingespielter und traditioneller Verhaltens
weisen abverlangt werden muB. Zusatzlich sollten die Moglich
keiten unrationellen Benutzerverhaltens weitestgehend ausge
schlossen werden.
In der Bundesrepublik Deutschland besitzen etwa 74 v.H •..d er
Haushalte einen Elektroherd (HEA, 1980). Somit muB das Garen
auf Elektrokochplatten als das bedeutndste haushaltsUbliche
Verfahren der thermischen Behandlung von Lebensmitteln gelten.
Daher bietet sich der Elektroherd als Ansatzpunkt fUr energie
sparende MaBnahmen an. Aufgrund seiner weiten Verbreitung kann
- 2 -
eine entsprechend groBe Wirksamkeit der MaBnahmen erwartet wer
den. Zudem ist dadurch die Berucksichtigung der Verbraucherge
wohnheiten gegeben.
2 Aufgabenstellung
Die Bestrebungen, an Haushaltsgeraten energiesparende MaBnah
men zu verwirklichen, stoBen auf geratespezifische Probleme.
Die Ursache hierfur liegt in der unterschiedlichen Tauglich
keit der Gerate fur diese dringende Aufgabe und in der Schwie
rigkeit, die Erkenntnis der Notwendigkeit des Energiesparens
in die zielgerichtete Anderung festgefahrenen Verbraucherver
haltens umzusetzen. Fur den Bereich der Zubereitung der Mahl
zeiten sieht ORTH, 1977, in der Energieeinsparung durch bewuB
te Auswahl des Kochgeschirrs und der Kochplatte sowie durch
Kochen auf dem Elektroherd mit wenig UberschuBenergie kaum pra
xisrelevante Moglichkeiten, da der Durchschnittsbenutzer sel
ten die erforderliche Uberlegung investieren wird. Demnach
kommt es wie bei den meisten elektrischen Haushaltsgeraten
beim Elektroherd verstarkt mit dar auf an, konstruktive MaBnah
men zu verwirklichen, die einen ratione lien Energieeinsatz er
moglichen, was bei den steigenden Energiekosten zum vorrangi
gen Ziel einer weiteren Optimierung der Garverfahren unter Ein
satz dieses Gerates geworden ist.
Anfang 1980 wurde mit dieser Zielsetzung zwischen dem Bundes
minister fur Wirtschaft und der deutschen Elektro- und Gas
Hausgerateindustrie eine Ubereinkunft uber verschiedene Haus
haltsgerate getroffen. Danach beabsichtigen die Hersteller von
Elektrohausgeraten bis zum Jahre 1985 folgende durchschnitt
lichen Einsparungen in den spezifischen Energieverbrauchswer
ten der Gerate zu erreichen (BM Wi, 1980):
Waschmaschinen 7 bis 10 v.H.
Geschirrspulmaschinen 10 bis 15 v.H.
Elektroherde 3 bis 5 v.H.
Kuhl- und
15 bis 20 v.H.
Gefriergerate
Warmwasserspeicher
(Bereitschafts- 8 bis 10 v.H.
energieverbrauch)
Elektrospeicher-
3 bis 4 v.H.
heizgerate
Die unterschiedliche Hohe in diesen Einsparvorgaben weist
deutlich auf die ungleichen Verbesserungsmoglichkeiten an den
einzelnen Geraten hin. Bei deD,Kuhl- und Gefriergeraten k6nnen
z.B. durch einfach zu verwirklichende IsoliermaBnahmen deutli
che Energieeinsparungen in Angriff genommen werden. Dagegen
wird die Verbesserungswurdigkeit des Elektroherdes offenbar
fur relativ gering erachtet, da eine Steigerung des Wirkungs
grades von modernen Kochplatten unter den gegebenen Umstanden
nicht erreichbar scheint (HDHI und ZVEI, 1979). Diese Einschat
zung trifft sicherlich zu, wenn die Beibehaltung der Bauart
- 3 -
konventioneller Elektroherde vorausgesetzt ist und sich daher
die VorschlKge im Bereich der konstruktiven Ma8nahmen an die
sem GerKt im wesentlichen auf eine bessere Isolation zwischen
den Kochplatten und der Mulde sowie an deren Unterseite be
schrKnken mUssen. Eine grundlegende Verbesserung der thermi
schen und energetischen VerhKltnisse ist hierdurch jedoch nicht
zu erreichen. Wenn dennoch bisher am Bauprinzip des konventio
nellen Herdes festgehalten wurde, so zeigt dies die Schwierig
keit auf, an dies em GerKt durch eine wirkungsvolle, energie
sparende MaBnahme zur Optimierung des Garens auf Elektrokoch
platten beizutragen.
Somit stellt sich die Aufgabe, Grundlagen fUr eine Verbesserung
der thermischen und energetischen VerhKltnisse des Garens un
ter Beibehaltung bewKhrter Bauteile des Herdes und charakter i
stischer Merkmale der Garverfahren zu erarbeiten. Dadurch soll
der Verbundenheit zwischen den Gewohnheiten sowie der Verfahren
der Zubereitung der Mahlzeiten mit dem konventionellen Herd
ausreichende Beachtung zukommen. ZusKtzlich ist zu bedenken,
daB durch die energiesparende MaBnahme keine Nachteile fUr die
QualitKt des Garverfahrens bzw. des Garergebnisses oder den Be
dienungskomfort auftreten sollten. Vielmehr wUrde ein zusKtz
licher Nutzen, der durch den erhohten Entwicklungsstand hervor
gerufen wird, der Bedeutung der Verbesserung im Hinblick auf
ihre Durchsetzbarkeit zu Gute kommen.
Die in der Bundesrepublik Deutschland verbreiteten Elektroher
de sind fast ausschlieBlich mit Ringkochplatten ausgerUstet,
die aus einem GrauguBkorper bestehen, in dessen Unterseite je
nach Bauart leistungsgesteuerte oder temperaturgeregelte Heiz
wendeln eingebettet sind. Allgemein weisen die Elektrokochplat
ten eine zUgige WKrmebereitstellung und WKrmeUbertragung an den
Topf auf. Inzwischen sind die mit einer temperaturgeregelten
Heizwendel versehenen Automatik-Kochplatten weit verbreitet.
Die Zielsetzung der Regelung dieser Platten liegt in der Anpas
sung der Gartemperaturflihrung an die Erfordernisse der Lebens
mittel. Bei einer relativ geringen RegeltrKgheit istdamit eine
AnnKherung an wesentliche Anforderungen, die aus lebensmittel
wissenschaftlicher Sicht zur Optimierung der Zubereitungsver
fahren zu stellen sind, ermoglicht.
Den Vorteilen des Garens auf Automatikplatten stehen aber eben
so unlibersehbare Nachteile gegenliber, die im Bauprinzip der
Kochstelle mit Elektrokochplatten begrlindet sind. Vor allem ist
bei der energetischen Beurteilung festzustellen, daB infolge
des thermisch offenen Systems Kochplatte - GargefKB erhebliche
Energieverluste auftreten. Deren Ursache sind die WKrmeabgabe
Uber freie OberflKchen von Platten, Herdmulde und Topf an die
umgebende Luft, die Abstrahlung und die SpeicherwKrme von Plat
ten-, Mulden- und Topfmasse. Zusammen mit der zu den Verlusten
zahlenden VerdampfungswKrme, die durch einen UberschuB in der
Leistungszufuhr bestimmt wird, erklKrt sich so der geringe Wir
kungsgrad von 40 bis 60 v.H. (ORTH, 1977; STOY u.a., 1977;
STURBECK, 1977). Somit ist dieses Verfahren aus der Zielsetzung
eines sparsamen, wirkungsvollen Energieeinsatzes heraus zu kri
tisieren. Angesichts der genannten Vorteile ware allerdings
eine Beibehaltung des Garens auf Elektrokochplatten unter
gleichzeitiger Verringerung der Energieverluste wUnschenswert.
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Die sich in einer starken Verdampfung niedersch1agende UberhBh
te Leistungszufuhr 1ieBe sich a11ein du~ch die Wahl der Knebe1-
einste11ung beeinf1ussen. Ein groBer Antei1 der Ubrigen W~rme­
ver1uste entf~llt auf die W~rmeabgabe Uber freie Oberf1achen an
die umgebende Raum1uft, was in der hohen Temperaturdifferenz
zwischen Gargut und Raum1uft begrUndet ist. Es 1iegt daher na
he, eine Verringerung dieser Temperaturdifferenz anzustreben.
Eine Kombination zwischen Kochp1atten und Backofen wtirde der
Zie1setzung gerecht, ohne daB auf die genannten Vortei1e des
Garens auf Kochp1atten verzichtet werden mUBte. Denn mit dem
Backofen steht ein Garraum zur VerfUgung, der in geeigneter
Weise die Herdmu1de aufnehmen kann. Durch die a11seitige Um
sch1ieBung und ausreichende Iso1ierung des Backofens, die bei
direkter Kombination beider Garste11en die Herdmu1de umsch1ieBt,
wird ein neues Garger~t geschaffen, des sen Bauprinzip die ge
wtinschten Voraussetzungen zur Optimierung und Rationa1isierung
des Garens im Hinb1ick auf den Energieverbrauch mit sich bringt.
FUr die konstruktive Verwirk1ichung der Kombination von Koch
platten und Backofen empfieh1t sich aus arbeitswirtschaft1ichen
GrUnden die Verwendung automatischer Kochp1atten sowie deren
Anbringung auf einen beweg1ichen Schub in An1ehnung an einen
Backwagen. Die herkBmm1iche Nutzungsmog1ichkeit a1s Backofen
b1eibt durch die Austauschbarkeit der EinschUbe erha1ten. Durch
eine solche MaBnahme wtird~ die Warmeabgabe an die Raum1uft bei
freistehenden GargefaBen sowie die kontinuier1iche AbfUhrung
der W~rme, wobei die fUr die Warmeabgabe entscheidende GrBBe
der Temperaturdifferenz nahezu unverandert b1eibt, aufgehoben.
Das heiBt, es kBnnte erwartet werden, daB in der Anfangsphase
des Garprozesses die Warmeabgabe zu einer Aufheizung des Back
of ens fUhrt, sich also die Temperaturdifferenz zwischen Gargut
und Backofenmuffe1 verringert. Die dadurch erzie1bare Verminde
rung der W~rmeabgabe ste11t eine Energieersparnis dar, die
durch die Nutzbarmachung der W~rmeabgabe zur Erw~rmung des Gar
raumes ermog1icht wUrde. Somit bote eine derart konzipierte
Kombination von Kochp1atte und Backofen ein vom herkomm1ichen
Garen auf E1ektrokochp1atten in den thermischen Bedingungen
verbessertes Verfahren.
Bei der Beurtei1ung der neuen Gargerate-Kombination wird ins
besondere die Zubereitung eines komp1etten MenUs von Bedeutung
sein. Hierzu ist die Mulde mit den Topfen fUr die einze1nen
MenUkomponenten gleichzeitig in den Backofen einzubringen. Das
neue Garprinzip ist also in diesem Punkt mit dem bekannten Ga
ren im Backofen verg1eichbar, soweit dieser zur Zubereitung
von Koch- und Bratgerichten verwendet wird, wobei jedoch bisher
die unterschied1ichen AnsprUche der MenUkomponenten an Gartem
peratur und -dauer unberUcksichtigt b1eiben mUssen. Da a11er
dings beim Garen auf E1ektrop1atten eine individue11e Anpassung
an diese Anforderungen ermog1icht ist und der Garzeitpunkt der
einze1nen Bestandtei1e des MenUs mog1ichst gleichzeitig erreicht
werden soll, erg eben sich tei1weise vor dem eigent1ichen Garbe
ginn Verwei1zeiten im Backofen. Es ist nicht wtinschenswert, den
Backofen w~hrend der Zubereitung der MenUkomponente mit der
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l~ngsten Garzeit zu offnen, urn weitere Komponenten aufzusetzen.
Hierdurch konnten die thermischen Bedingungen fur den weiteren
Ablauf im Hinblick auf die Verringerung der W~rmeabgabe ungun
stig beeinfluBt werden.
Die thermische Zubereitung von Lebensmitteln auf Kochplatten
innerhalb eines geschlossenen Garraurns des Backofens weist so
mit eine Reihe charakteristischer Eigenschaften auf, die es vom
konventionellen Verfahren in wesentlichen Punkten unterscheiden.
Dies macht eine grundlegende Untersuchung erforderlich.
Mit der vorliegenden Arbeit solI hierzu ermittelt werden, wel
chen Beitrag zur Optimierung und Rationalisierung des Garens
die direkte Kombination der beiden Garstellen Elektrokochplatte
und Backofen leisten kann. Der Zielsetzung des Vorhabens ent
sprechend liegt dabei der Schwerpunkt in der Klarung der Unter
schiede der thermischen und energetischen Gegebenheiten zurn
konventionellen Garen.
Gleichzeitig sollen mogliche Einfltisse der konstruktiven ~nde­
rung auf das Garergebnis berlicksichtigt werden.
3 Versuchsdurchflihrung
Die entwickelte Fragestellung sollte durch eine vergleichende
Untersuchung behandelt werden. Dabei wurde die vorgeschlagene
Kombination der beiden Garstellen Automatikkochplatte und Back
ofenmuffel anhand geeigneter Beurteilungskriterien der konven
tionellen Herdbauweise gegenlibergestellt. Entsprechend der Ziel
setzung dieser Optimierung des Garens auf Elektrokochplatten
wurde hierzu die Energiebilanz des Garens herangezogen. Zusatz
lich sollten Kenntnisse liber die in der neuen Geratekombination
auftretenden Temperatur-Zeit-Verhaltnisse gewonnen werden und
die Unterschiede zu den Temperatur-Zeit-Verhaltnissen am her
kommlichen Herd offengelegt werden. Urn dem Anspruch der Opti
mierung und Rationalisierung des Garens gerecht zu werden, war
das neue Gargerat an der Forderung zu messen, daB von der vor
geschlagenen MaBnahme keine benachteiligende Wirkung auf das
Garergebnis ausgehen dlirfte. Dies wurde anhand von Untersuchun
gen der Gewichts- und Trockensubstanzveranderungen beim Garen
liberprlift.
3.1 Material
3.1.1 Aufbau der Geratekombination von Elektrokochplatten
und Backofen
Die angeflihrten theoretischen Uberlegungen liber die Auswirkungen
einer Kombination der Gargerate Elektrokochplatte und Backofen
auf Garvorgange sollten in der Praxis liberprlift werden. Flir die
hierzu notwendigen Untersuchungen wurde ein Backofen eingesetzt,
dessen Muffel eine Grundflache von 410 mm x 465 mm und eine Ho
he von 310 mm aufwies. So konnte die in der Geratekombination
eingesetzte Mulde aus Platzgrlinden nur zwei Elektrokochplatten
des Durchmessers 180 mm (Nennleistung: 2000 W) und eine des
Durchmessers 145 mm (Nennleistung: 1500 W) aufnehmen, deren An
kochverbrauch den Anforderungen nach DIN 44 548 genligten. Gar-
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raurntur und Mulde bilden dabei einen Schub, der auf Teleskop
schienen gleitet. An der Vorderseite der Tur wurden die Schal
ter der Kochplatten sowie meBtechnische Vorrichtungen ange
bracht. AuBerdem befand sich in der Tur ein Sichtfenster der Ma
Be 390 rom x 150 mm. Zur Veranschaulichung der raurnlichen Ver
haltnisse und der Lage der Kochplatten zeigt Abbildung 1 einen
Langsschnitt durch die Backofenmuffel sowie eine Aufsicht der
Mulde.
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1
220
1
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(a) (b)
Abb. 1: Langsschnitt der Backofenmuffel (a) und
Aufsicht der Mulde (b). (MaBe in rom)
3.2.1 Wirkungsweise der Regelung der Automatik-Kochplatten
Bei den verwendeten Kochplatten handelt es sich urn E.G.O.-Auto
matikplatten, bei denen zwei Heizleiter mit je der halben Nenn
leistung durch einen Kapillarrohrregler, dessen Temperaturfuh
ler sich in der Kochplattenmitte befindet, geschaltet werden.
Wahrend das Aufheizen mit voller Leistung erfolgt, wird in der
Regel zur Aufrechterhaltung der eingestellten Temperatur dann
nur noch eine Teilleistung temperaturabhangig ein- und ausge
schaltet (E.G.O., 1975). Die Solltemperaturen sind dabei am
Knebelschalter durch die Merkzahlen 1 bis 12 ersetzt. Um Ein
stellungen zwischen diesen Merkzahlen definieren zu k6nnen, ist
zusatzlich eine Zwei-Grad-Teilung angebracht worden.
3.1.3 Auswahl der GargefaBe
Wie in Abbildung 1 ersichtlich, verbleibt nach Einschub der
Mulde ein Garraurn mit einer H6he von 220 rom, die sich nochmals
aus meBtechnischen Grunden auf 180 rom reduziert, wodurch die
maximale H6he einsetzbarer T6pfe festlag.
In Tabelle 1 sind die wichtigsten Daten der verwendeten T6pfe
zusammengestellt. Es handelte sich ausschlieBlich urn neue, hoch-