Mikrofiltration der Magermilch und nachfolgende Ultrafiltration des Permeats
Durch Membranfiltration können Caseine und Molkenproteine in der Milch getrennt und auf-
konzentriert werden. Zur Aufkonzentrierung der Caseinmicellen wurde Magermilch bei 50 °C
im Crossflow-Verfahren mit niedriger transmembraner Druckdifferenz mikrofiltriert (Zirko-
nium-Oxid Membran, mittlere Porenweite 0,1 µm, Mikrofiltrationsanlage MFS-1, Alfa Laval,
Glinde). Anschließend wurde das Retentat der mikrofiltrierten Magermilch („Caseinlösung“)
mit destilliertem Wasser gewaschen. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt. Das „gewa-
schene“ Retentat wurde pasteurisiert (Rosista Milcherhitzer (300 l/h), APV Deutschland
GmbH, Unna) und auf 4 °C abgekühlt.
Zur Herstellung einer Proteinlösung mit einem erhöhten Molkenproteinanteil wurde das Per-
meat der Mikrofiltration (s.o.) anschließend ultrafiltriert. Die Ultrafiltration erfolgte bei 50 °C
(Hohlfaser-Rohrmodul 10 kD, Ultrafiltrationsanlage UFS-1, Alfa-Laval, Glinde). Das Reten-
tat der Ultrafiltration („Molkenproteinlösung“) wurde mit destilliertem Wasser dreimal gewa-
schen. Das Retentat und Permeat aus der Ultrafiltration wurde pasteurisiert (Rosista Milcher-
hitzer (300 l/h), APV Deutschland GmbH, Unna) und auf 4 °C abgekühlt. Der Gesamt-
proteingehalt sowie die Anteile von Casein, Molkenprotein und NPN-Verbindungen des ultra-
filtrierten Permeats der Mikrofiltration („Molkenproteinlösung“) sind in Tabelle 4.8 (Kapitel
4.3.4) dargestellt.
Die Lagerung der mikrofiltrierten und ultrafiltrierten Milchproben erfolgte bei 4 bis 6 °C im
Kühlhaus.
Ultrafiltration der Magermilch
Magermilch wurde bei 50 °C ultrafiltriert (Hohlfaser-Rohrmodul 50 kD, Ultrafiltrationsanlage
UFS-1, Alfa-Laval, Glinde). Für die in Kapitel 4.3.3 beschriebenen Versuchsreihen wurde das
Retentat der ersten Versuchsreihe (V1) auf einen Gehalt von 8 %, und der zweiten Versuchs-
reihe (V2) auf 7 % aufkonzentriert. Bei V1 wurde der Proteingehalt des Retentats mit Hilfe
des Permeats auf 4,0; 4,5; 5,0; 5,5 und 6,0 % verdünnt und in V2 erfolgte die Verdünnung des
Retentats auf Proteingehalte von 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5 und 3,0 %.
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3.3
Untersuchung der Milchproben
Bestimmung der Zusammensetzung von Milch mit Hilfe der Infrarottechnik
Prozessbegleitend wurden die Protein-, Fett- und Trockenmassegehalte der Milchproben mit
einem Infrarotgerät (MilkoScan 50; Foss Electric, Hamburg) bestimmt.
Standardverfahren zur chemischen und physikalischen Analyse von Milch
Butyrometrische Bestimmung des Fettgehaltes, Messungen des Eiweißgehaltes (Stickstoffbe-
stimmung nach Kjeldahl, Faktor: 6,38), enzymatische Bestimmung des Lactosegehaltes, Be-
stimmung der Gesamtasche und des pH-Wertes erfolgten nach den Richtlinien VDLUFA,
Methodenhandbuch VI.
Dichte von Milch
Für die Messung der Oberflächenspannung, ist die Kenntnis der Dichte notwendig. Für die
Standardmilchprodukte wurde die Dichte bei der jeweiligen Aufschäumtemperatur anhand der
Tabelle von Kessler [1996] abgelesen. Zur Berechnung der Dichte (ρ) der Magermilchproben
mit unterschiedlichen Protein-, Lactose- und Salzgehalten wurde die Formel nach Walstra et
al. [1984] verwendet:
∑
χ
χ
ρ
=
ρ
x
X
(3-1)
Die Dichte der einzelnen Milchkomponenten bei 20 °C (kg/m–3):
ρw
20 = 998,2 (Wasser)
ρf
20 = 918,0 (Fett)
ρp
20 = 1400,0 (Protein)
ρL
20 = 1780,0 (Lactose)
ρS
20 = 1850,0 (Salze)
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3.3.4 Partikelgrößenverteilung
Durch die Analyse der Partikelgrößenverteilung von Milch kann die Effektivität der Homo-
genisierung beurteilt werden. Zudem kann die Partikelgröße einen Einfluss auf das
Aufschäumverhalten von Milch und die Schaumstabilität haben [Mulder & Walstra, 1974].
Die Partikelverteilung der Milchproben und der innerlamellaren Flüssigkeit wurde mit einem
Laserbeugungsanalysator (Coulter LS 230, Beckman Coulter, Krefeld) bestimmt. Der
Messbereich beträgt 0,04 µm bis 2000 µm. Dadurch können sowohl Fettkugeln (Rohmilch:
1-8 µm) als auch ein Teil der Caseinmicellen (20 bis 500 nm [Fox, 2003]) gemessen werden.
Die Messzelle des Laserbeugungsanalysators ist mit Wasser gefüllt. Die unverdünnte Probe
wird tropfenweise in das Gerät gegeben bis eine ausreichende Konzentration (mind. 45 %) zur
Messung der Probe vorhanden ist. Die in der Messzelle befindliche Probe wird mit einem
Laserstrahl durchleuchtet und der Laserstrahl durch die vorhandenen Teilchen gebeugt. Der
gemessene Beugungswinkel ist ein Maß für die Teilchengröße. Die Zahl der Teilchen wird
durch die Lichtintensität auf den Beugungsringen ermittelt. Des weiteren wird durch eine spe-
zielle patentierte PIDS-Technologie (Polarization intensity differential scattering) die Parti-
kelgrößen im Größenbereich zwischen 0,04 bis 0,4 µm bestimmt. Hierbei werden die Teil-
chen zusätzlich mit dem weißen Licht einer Wolfram - Halogen Lampe mit Wellenlängen von
450, 600 und 900 nm horizontal und vertikal bestrahlt. Die Erfassung der Lichtintensitäten
erfolgt durch 6 in unterschiedlichen Winkeln (70° bis 146°) angeordnete Detektoren. Aus den
unterschiedlichen Streulichtintensitäten können die Teilchengrößen berechnet werden. Zur
Auswertung der Daten wird zusätzlich ein Brechungsindex (1,47 für Milchfett) benötigt. Die
Messdauer betrug 90 Sekunden. Es erfolgten Doppelbestimmungen. In den einzelnen Kapi-
teln sind die Mittelwerte der Partikelgrößen der Doppelbestimmungen angegeben.
3.3.5 Viskosität
Die Viskosität der Milchproben wurde mit einem Rheometer (UDS 200, Physica Messtech-
nik, Stuttgart) bestimmt. Die Aufzeichnung der Messungen erfolgte mit Hilfe der Universal
Software US 200 (Physica Messtechnik, Stuttgart). Für idealviskose Fluide ist bei einer kon-
stanten Temperatur das Verhältnis zwischen der Schubspannung τ und der Scherrate γx eine
Materialkonstante. Die Definition der Scherviskosität lautet :
γ
τ
=
η
x
(3-2)
Gemessen wurde mit einem Kegel-Platte-Meßsystem im Rotationsversuch. Nach der Vor-
scherung (30 s) und der Ruhephase (60 s) wurden die Milchproben bei 50 °C mit einer Scher-
rate von 50 bis 1000 (s-1) auf- und absteigend (20 Messpunkte, pro Messpunkt 5 Sekunden)
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geschert (s. Abb. 3.1). Milch zeigt bei geringer Schergeschwindigkeit eine Abweichung vom
idealviskosen Bereich. Im linearen Bereich (Scherrate 800 bis 1000 s-1) wurde aus den ermit-
telten Messpunkten ein Mittelwert berechnet und dieser Wert als Viskosität bezeichnet
(s. Abb. 3.1). Es erfolgten Doppelbestimmungen. In den einzelnen Kapiteln sind die Mittel-
werte der Doppelbestimmungen angegeben.
Scherrate [s-1]
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
V
is
k
os
ität [m
P
a
*s
]
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
S
c
hubs
pannung [N/m
]
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Viskosität [mPa*s]
Schubspannung [N/m]
Messpunkte zur Auswertung
der Viskosität
Abb. 3.1: Bestimmung der Viskosität in Abhängigkeit der Scherrate
3.3.6 Oberflächenspannung
Die Bestimmung der dynamischen Oberflächenspannung der Milch erfolgte mittels der Pen-
dant Drop Methode in einer temperierten Messkammer bei 20 °C für 20 Minuten (Drop Shape
Analysis System 10 Mk2, Krüss, Hamburg).
Hierbei wurde ein Tropfen an einer Nadel aufgehängt. Die Tropfenkontur wurde mit einer
digitalen Kamera aufgenommen. Die Software DSA1 ermöglicht die Bestimmung der Grenz-
flächenform und des Vergrößerungsmaßstabes. Gemäß der Laplace-Gleichung ist die Druck-
differenz zwischen Innen- und Außenseite einer Grenzfläche umgekehrt proportional zu den
Krümmungsradien der Grenzflächensegmente. Durch zusätzliche Kenntnis der Dichtediffe-
renz (s. Kap. 3.3.3) der beiden an der Grenzfläche beteiligten Phasen kann durch Angleichen
der Laplace-Gleichung an die Tropfenkontur die Oberflächenspannung der Probe bestimmt
werden. Aus den Daten (3 Messpunkte pro Minute, Doppelbestimmung) wurde der Verlauf
der Oberflächenspannung in Abhängigkeit von der Zeit (dynamische Oberflächenspannung)
beobachtet sowie der Wert der Oberflächenspannung im Gleichgewicht bestimmt (Messpunkt
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nach 20 Minuten, s. Abb. 3.2). In den einzelnen Kapiteln sind die Mittelwerte der Doppelbe-
stimmungen angegeben. Die Wiederholgrenze der Methode beträgt ± 0,2 mN/m.
Messdauer [s]
Oberflä
c
h
enspann
ung [mN/m]
47,5
48,0
48,5
49,0
49,5
50,0
50,5
51,0
Oberflächenspannung
im Gleichgewicht
Abb. 3.2: Messung der dynamischen Oberflächenspannung und der Oberflächenspannung
im Gleichgewicht [mN/m]
3.3.7 Charakterisierung der Molmassen mittels Größenausschlußchromatographie
(FPLC)
Geräte:
FPLC-System (Pharmacia Biotech, Freiburg), bestehend aus Chromatographie-Controller
(LCC-500 plus), 2 Pumpen (P-500), UV-Monitor (UV-M), Fraktionensammler (Frac-100)
und Auswerteprogramm FPLC directorTM Version 1.10.
Chromatographische Parameter:
Superdex 200 HR 10/30 Säule (Ausschlußgrenze: 1,3 x 106, Pharmacia Biotech, Freiburg),
Puffer: 0,1 mol/l Tris; 0,15 mol/ l NaCl; 8 mol/l Harnstoff; pH 8,0; Flußrate: 0,3 ml/ min;
Laufzeit: 100 min; λ=280 nm.
Standards:
Dextranblau (2.000.000 g x mol-1), Thyroglobulin (669.000 g x mol-1), Catalase
(232.000 g x mol-1), Aldolase (158.000 g x mol-1), alle von Pharmacia Biotech, Freiburg, und
β-Casein (24.000 g x mol-1), Sigma Chemie, Deisenhofen.
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Durchführung:
Die Magermilchproben wurden mit dem oben beschriebenen Puffer 1 : 6 verdünnt, über
Membranfilter (Porengröße: 0,45 µm) filtriert und in die Porenschleife (25 µl) eingespritzt. Es
wurden Doppelbestimmungen ausgeführt.
3.3.8 Orientierende Untersuchungen zur Bestimmung der Oberflächen-
hydrophobizität
Die Oberflächenhydrophobizität der Magermilchproben wurde nach der Methode von Lieske
und Konrad [1994] bestimmt. Grundlage dieser Methode ist die Annahme, dass nichtionische
Detergenzmoleküle bevorzugt an hydrophobe Proteine binden. Durch Messung der Extinktion
der Proben mit Emulgatorzusatz (Tween 80), im Vergleich zur Extinktion der Proben ohne
Emulgatorzusatz, kann die Oberflächenhydrophobizität berechnet werden.
Die Milchproben wurden mit einem 0,01 mol/l Phosphatpuffer (pH 6) auf einen Proteingehalt
zwischen 0,05 und 0,10 % verdünnt. Es erfolgte eine Dreifachbestimmung. 50 µl der Eiweiß-
lösung wurden jeweils in ein Röhrchen pipettiert und bei der Hälfte der Proben 50 µl Tween
80 (0,25 %) dazugegeben. Die mit Tween 80 angereicherten Proben wurden für
10 Minuten bei Raumtemperatur geschüttelt. Die Proben wurden mit 2,5 ml gelöstem Farb-
stoff (BIO-RAD Protein Assay) aufgefüllt, umgerührt und 12 Minuten bei Raumtemperatur
stehen gelassen. In dieser Zeit bindet sich der Farbstoff an das Protein. Anschließend wurde
die Extinktion der Milchproben bei einer Wellenlänge von 595 nm im Spektralphotometer
(UVIKON 941 PLUS, Kontron Instruments, Neufahrn) gemessen. Als Nullprobe wurde
Phosphatpuffer bzw. Phosphatpuffer mit Tween 80 verwendet. Aus den gemessenen Extinkti-
onen wurden die Mittelwerte gebildet und mit folgender Formel die Oberflächenhydrophobi-
zität berechnet:
Reste]
[polare
Reste]
polare
[nicht
Reste]
polare
[nicht
100*
EoT
EmT
EoT
PH
+
=
−
=
(3-3)
EoT = Extinktion ohne Tween 80
EmT = Extinktion mit Tween 80
| Page 45 |
3.4
Charakterisierung der Makrostruktur von Milchschäumen
Die Methodik zum Aufschäumen von Milch ist in Kapitel 4.2 beschrieben. Wenn nicht anders
beschrieben wurden die Proben bei 50 °C aufgeschäumt.
Zur Charakterisierung der Makrostruktur des Schaums wurden nach dem Aufschäumen der
Milchproben Analysen vorgenommen. Im folgenden Abschnitt sind die unterschiedlichen
Methoden beschrieben.
Drainage
Die Menge an Drainageflüssigkeit in Abhängigkeit von der Zeit ist ein Maßstab für die
Schaumstabilität. Zur Bestimmung der Drainageflüssigkeit wurde ein schaumgefüllter Glas-
kolben auf einen Trichter mit Glasfritte gesetzt (vgl. Abb. 4.2) und an einem Stativ befestigt.
Unterhalb dieser Vorrichtung wurde ein Erlenmeyerkolben auf eine tarierte Waage gestellt
und die Drainageflüssigkeit des Schaums aufgefangen. Die Gewichtsdaten wurden bis zu ei-
ner Standzeit von 5 Minuten abgelesen und in der folgenden Standzeit direkt auf einen Rech-
ner, der mit der Waage verbunden war, übertragen. Zur Berechnung der prozentualen Draina-
ge wurde folgende Formel verwendet:
100*
]g[
Masse
]g[
Masse
[%]
Drainage
Schaum
Drainage
=
(3-4)
Schaumdichte
Die Masse des Schaums wurde durch Wiegen des Glaskolbens ohne Schaum und mit einem
Inhalt von 200 cm³ Schaum bestimmt. Die Dichte wurde wie folgt berechnet:
³]cm[
Volumen
]g[
Masse
]ml/g[
Dichte
Schaum
Schaum
Schaum
=
(3-5)
Mit Hilfe der Schaumdichte kann durch folgende Formel der Aufschlag bzw. Overrun kalku-
liert werden:
Schaum
Schaum
Milch
[%]
Overrun
ρ
ρ
−
ρ
=
*100
(3-6)
Eine abnehmende Schaumdichte bedeutet einen zunehmenden Overrun.
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