Einfluss des Proteingehaltes auf die Schaumbildungseigenschaften

Pasteurisierter Magermilch

Proteine sind grenzflächenaktive Substanzen. Die Ausbildung und Zusammensetzung der

Grenzflächen in Schäumen, und damit die Schaumbildungseigenschaften, werden durch den

Anteil und die Eigenschaften der vorhandenen Proteine beeinflusst. Im Rahmen der vorlie-

genden Untersuchungen wurde Magermilch ultrafiltriert (50 °C, 50 kD), das erhaltene Per-

meat und Retentat pasteurisiert und auf 8 °C gekühlt. Durch Mischung von Retentat und Per-

meat wurden Proteingehalte von 0,5 bis 3,0 % (V2), sowie von 4,0 bis 6 % (V1) eingestellt

(s. Kap. 3.2.5). Der Proteingehalt der Magermilch betrug in V1 3,5 % und in V2 3,8 %.

Der pH-Wert der Milchproben betrug 6,54. Die Oberflächenspannung von Retentat und Per-

meat und deren Mischungen lag unterhalb der Ausgangsmilch. In dem gemessenen Zeitraum

von 20 Minuten stellte sich kein Gleichgewicht der Oberflächenspannung ein. Die Werte der

Oberflächenspannung nach 20 Minuten Messzeit sind im Anhang (Tab. A 1, Anhang) zu-

sammengefasst. Die Viskosität der Proben mit geringen Proteingehalten (0,5 bis 3 %) erhöhte

sich geringfügig von 0,73 mPa*s auf 0,87 mPa*s. Zwischen Proteingehalten von 3 % bis 6 %

verlief der Viskositätsanstieg linear und die Viskosität betrug bei einem Proteingehalt von

6 % 1,5 mPa*s (s. Tab A1, Anhang).

Proteingehalt [%]

Schau

mdichte [g

/cm ³]

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

MM PAST (V1 +V2)*

Retentat mit Permeat

gemischt aus UF

Abb. 4.18: Dichte von Schäumen [g/cm³] aus pasteurisierter Magermilch und Mischungen von

Retentat und Permeat aus ultrafiltrierter Milch mit unterschiedlichen Proteingehalten

V1 + V2 = Versuchsreihe 1 und 2

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In Abbildung 4.18 ist die Dichte von Schäumen mit unterschiedlichen Proteingehalten darge-

stellt. Teilweise floss bei der Abnahme des Glaskolbens vom Aufschäumgerät etwas Schaum

aus dem Kolben. Aus diesem Grund liegt der Variationskoeffizient bei einigen Messungen

oberhalb von 5 %. Es wird deutlich, dass die Dichte der Schäume bei Erhöhung des Protein-

gehaltes (0,5 % auf 6,0 %) von durchschnittlich 0,10 auf 0,22 g/cm³ ansteigt. Gleichzeitig ist

zu beachten, dass die Unterschiede in der Schaumdichte in Abhängigkeit des Proteingehaltes

innerhalb der zwei Versuchsreihen geringfügig sind. Zwischen Proteingehalten von 0,5 bis

2,0 % beträgt die Schaumdichte durchschnittlich 0,10 bis 0,13 g/cm³. Im weiteren Verlauf

steigt die Schaumdichte auf durchschnittlich 0,14 g/cm³ bei 2,5 % bzw. bei 3,0 % Protein an.

Ein überproportionaler Anstieg ist bei einer Proteinkonzentration zwischen 3,0 bis 4,0 % zu

verzeichnen. In diesem Bereich liegen die Proteingehalte der Ausgangsmagermilchproben.

Die Dichte von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch beträgt bei diesen Versuchsreihen

0,17 bis 0,19 g/cm³. Ein weiterer Anstieg des Proteingehaltes auf maximal 6,0 % bewirkt eine

Erhöhung der Schaumdichte auf 0,20 ± 0,02 g/cm³. Im Bereich von 4,0 bis 6,0 % Protein sind

keine eindeutigen Dichteunterschiede zu erkennen.

Proteingehalt [%]

d

-

Wert [mm]

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

1 Minute Standzeit

20 Minuten Standzeit

Abb. 4.19: Arithmetischer Mittelwert (d10) der Blasendurchmesser von Schäumen aus Reten-

tat-Permeat-Mischungen ultrafiltrierter Magermilch mit unterschiedlichen Prote-

ingehalten nach 1 und 20 Minuten Standzeit

In Abbildung 4.19 sind die arithmetischen Mittelwerte (d10) der Blasendurchmesser der

Schäume nach 1 und 20 Minuten Standzeit in Abhängigkeit vom Proteingehalt dargestellt.

Eine Auflistung der Größenverteilungsparameter aller Messungen sind in den Tabellen A 2

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und A 3 (Anhang) zusammengefasst. Es ist zu erkennen, dass der d10-Wert mit steigendem

Proteingehalt (0,5 bis 6,0 % Protein) nach 1 Minute Standzeit von durchschnittlich 0,35 mm

auf 0,19 mm sinkt. Ein Vergleich der mittleren Blasendurchmesser nach 1 und 20 Minuten

Standzeit macht deutlich, dass unabhängig vom Proteingehalt der mittlere Blasendurchmesser

um 0,1 bis 0,2 mm ansteigt. Tendenziell wird die Differenz zwischen den mittleren Blasen-

durchmessern nach 1 Minute und nach 20 Minuten Standzeit mit zunehmendem Proteingehalt

geringer.

Durchmesser [mm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

An

zahl [%]

1,0 % Protein (V2)

3,0 % Protein (V2)

4,0 % Protein (V1)

6,0 % Protein (V1)

1,0 % Protein

6,0 % Protein

Abb. 4.20: Größenverteilung der Blasendurchmesser von Schäumen aus Mischungen von

Retentat und Permeat aus ultrafiltrierter Magermilch mit unterschiedlichen Protein-

gehalten nach 1 Minuten Standzeit

V1 = Versuchsreihe 1

V2 = Versuchsreihe 2

Abbildung 4.20 zeigt eine Auswahl der Größenverteilungen der Blasendurchmesser sowie

digitale Bilder der Schäume nach 1 Minute Standzeit. Unabhängig vom Proteingehalt sind

nach 1 Minute Standzeit monomodale Verteilungen zu erkennen. Mit steigendem Proteinge-

halt ist eine engere Verteilung und eine Verschiebung der Verteilungskurve der Blasendurch-

messer nach links zu beobachten. In der Klasse 0,1 bis 0,2 mm steigt der Anteil der Blasen-

durchmesser von durchschnittlich 21 ± 6 % (1,0 % Protein) auf 47 ± 7 % (6 % Protein) an.

Gleichzeitig sinkt der Anteil der Blasendurchmesser in den Klassen größer als 0,3 mm mit

steigendem Proteingehalt. Die Spannweiten der Größenverteilungen der Blasendurchmesser

von Schäumen aus Mischungen von Retentat und Permeat (1,0 bis 3,0 % Protein) nach

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1 Minute Standzeit liegen im Bereich 0,58 bis 1,03 mm (s. Tab. A 2, Anhang). Bei höheren

Proteingehalten ist die Spannweite der Verteilungen geringer und beträgt bei einem Protein-

gehalt von 6 % durchschnittlich 0,39 mm.

Die digitalen Bilder der Schäume in Abbildung 4.21 zeigen, dass in Abhängigkeit vom Prote-

ingehalt nach 20 Minuten Standzeit unterschiedliche Blasenstrukturen entstehen. Schäume

aus Mischungen von Retentat und Permeat (ultrafiltrierte Magermilch) mit Proteingehalten

zwischen 0,5 bis 3,0 % zeigen nach 20 Minuten Standzeit wabenförmige Strukturen. Die

Lamellendicke ist bei diesen Schäumen von 0,1 mm nach 1 Minute Standzeit auf ca. 0,06 mm

gesunken. Dagegen bestehen Schäume mit höheren Proteingehalten (4,0 bis 6,0 %), sowohl

aus runden als auch aus wabenförmige Blasen. Die Lamellendicke beträgt ca. 0,09 mm.

Durchmesser [%]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

An

za

h

l [%

]

1,0 % Protein (V2)

6,0 % Protein (V1)

1,0 % Protein

6,0 % Protein

Abb. 4.21: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus Retentat-

Permeat-Mischungen ultrafiltrierter Magermilch mit unterschiedlichen Protein-

gehalten nach 20 Minuten Standzeit

V1 = Versuchsreihe 1

V2 = Versuchsreihe 2

Aus Abbildung 4.21 wird zudem deutlich, dass nach 20 Minuten Standzeit die Verteilungen

der Blasendurchmesser bei Schäumen mit einem Proteingehalt von 6,0 % weiterhin monomo-

dal verlaufen. Der maximale Anteil der Blasendurchmesser nach 20 Minuten Standzeit ist in

der Klasse 0,1 bis 0,2 mm zu erkennen (33 ± 3 %). Bei Schäumen mit einem Proteingehalt

von 1,0 % sind in den Klassen von 0,2 bis 0,6 mm keine Unterschiede in den Anteilen der

Blasendurchmesser zu beobachten. In den Kassen größer als 0,4 mm sind die Anteile der Bla-

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sendurchmesser von Schäumen mit einem Proteingehalt von 1,0 % im Vergleich zu Schäu-

men mit einem Proteingehalt von 6,0 % höher. Ähnlich wie nach 1 Minute Standzeit sind bei

Schäumen aus Retentat-Permeat-Mischungen ultrafiltrierter Magermilch mit steigendem Pro-

teingehalt nach 20 Minuten Standzeit, die Spannweiten und Medianwerte der Größenvertei-

lungen der Blasendurchmesser geringer.

Die abnehmende Differenz der mittleren Blasendurchmesser nach 1 und 20 Minute Standzeit

mit steigendem Proteingehalt (s. Abb. 4.19 bis 4.21) deutet auf eine zunehmende Stabilität

mit steigenden Proteingehalten hin. Eine unterschiedliche Stabilität der Blasen in Abhängig-

keit vom Proteingehalt konnte anhand der Messungen der Drainagerate nicht eindeutig

ermittelt werden. Die Ergebnisse der Messungen der Drainagerate sind in Abbildung 4.22

zusammengefasst.

Proteingehalt [%]

Dra

ina

ge [%

]

1 Minute

10 Minuten

20 Minuten

Abb. 4.22: Drainage von Schäumen aus Retentat-Permeat-Mischungen ultrafiltrierter Ma-

germilch mit unterschiedlichen Proteingehalten nach 1, 10 und 20 Minuten Stand-

zeit

Aus Abbildung 4.22 ist zu erkennen, dass die Drainage trotz steigendem Proteingehalt nach

1 Minute etwa gleich groß ist (10 bis 15 %). Tendenziell ist nach 10 und 20 Minuten Stand-

zeit eine geringfügige Absenkung der Drainagerate mit steigenden Proteingehalten zu beo-

bachten.

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Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass die Schaumdichte mit steigendem

Proteingehalt zunimmt. Ein Vergleich zwischen der Schaumdichte und der Blasengröße zeigt,

dass Schäume mit kleineren Blasen und engeren Größenverteilungen höhere Schaumdichten

aufweisen (vgl. Abb. 4.20). Die Blasengrößenveränderung in Abhängigkeit von der Standzeit

wird mit zunehmendem Proteingehalt geringer und die Drainage nimmt geringfügig ab. Dies

würde eine zunehmende Stabilität bei steigendem Proteingehalt bedeuten. Zunehmende Prote-

inkonzentrationen erhöhen die Viskosität der kontinuierlichen Phase und können hierdurch

die Drainage verlangsamen.

Insgesamt ist zu berücksichtigen, dass die Versuchsergebnisse aus zwei Versuchsreihen (V1

und V2) stammen und innerhalb der zwei Versuchsreihen die Unterschiede von Schaumdichte

und -stabilität gering sind. Die Filtration der Magermilch stellt einen zusätzlichen Einflussfak-

tor auf die Schaumbildungseigenschaften dar. Aus diesem Grund kann die Veränderung der

Schaumdichte und Schaumstabilität zwischen den Versuchsreihen V1 und V2 nicht eindeutig

auf eine veränderte Proteinkonzentration zurückgeführt werden.

In der Literatur sind keine einheitlichen Aussagen über den Einfluss der Proteinkonzentration

auf die Schaumbildungseigenschaften beschrieben. Häufig wurde eine Zunahme der Schaum-

stabilität bei einem Anstieg der Proteinkonzentration bis zu 0,1 % festgestellt [Halling, 1981].

Bei Konzentration > 0,1 % sind teilweise nur geringe Unterschiede oder eine gleichmäßige

Zunahme mit steigender Konzentration beobachtet worden [Halling, 1981]. Britten & Lavoie

[1992] stellten eine Zunahme der Schaumkapazität (Casein- und Molkenproteinisolat) bis zu

einem Proteingehalt von 10 % fest, bei höheren Werten dagegen eine Abnahme. Die Autoren

führen die geringere Schaumkapazität bei höheren Proteingehalten auf die geringere Löslich-

keit der Proteine zurück. Cooney [1974, zit. n. Richert, 1979] zeigte, dass unabhängig vom

Proteingehalt (maximal 10,5 %) der Overrun von Molkenproteinlösungen gleich ist.

Allgemein steht bei höheren Proteinkonzentrationen mehr Material zur Stabilisierung der

Grenzfläche zu Verfügung. Die Proteinmenge, die zur Ausbildung einschichtiger Grenzflä-

chenfilme aus β-Casein an hydrophoben Oberflächen wie Feststoff/Wasser; Öl/Wasser oder

Luft/Wasser notwendig ist, liegt im Bereich zwischen 2 bis 3 mg/m2 bzw. bei β-Lactoglobulin

bei weniger als 2 mg/m2 [Dickinson, 2003]. Krog & Barfod [1990] stellten fest, dass sich an

einem Öltröpfchen bei einer Grenzflächenbelegung von 1 mg Protein/m² einschichtige Grenz-

flächenfilme aus nicht aufgefalteten Polypeptidketten bilden. Bei einer höheren Belegung von

2,5 bis 3 mg Protein/m² sind die Proteine teilweise aufgefaltet („loops“ und „trains“). Ein wei-

terer Anstieg der Grenzflächenbelegung am Öltröpfchen (5 mg Protein/m²) bewirkt die Aus-

bildung von mehrschichtigen Grenzflächenfilmen. Diese Werte können als Anhaltspunkte für

die Belegung der Grenzfläche Luft/Wasser gelten. Die Auswertung des oberflächenbezogenen

Durchmessers (d32) ermöglicht eine annähernde Berechnung der Luftblasenoberfläche in den

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Schäumen. Folgende Formel wurde zur Berechnung der spezifischen volumenbezogene Ober-

fläche (Sv) der Luftblasen als Grundlage verwendet.

)2,3(d

Phase

disperse

Volumen

Phase

disperse

Oberfläche

SV

=

=

(4-1)

Die untersuchten Schäume mit einem Proteingehalt von 0,5 % weisen einen durchschnittli-

chen d32-Wert von 0,4 mm auf. Die Schaumdichte beträgt 0,1 g/cm³. In 200 ml bedeutet dies

eine Oberfläche von 2,7 m². Geht man davon aus, das das gesamte Protein an die Grenzfläche

diffundiert und adsorbiert, würden 37 mg/m² Protein adsorbiert werden (s. auch Berechnung

A.1 (2.), Anhang). Eine bevorzugte Adsorption des gesamten Molkenproteins aufgrund einer

schnelleren Diffusion an die Grenzfläche würde eine Proteinbeladung der Luftblase von

ungefähr 7,4 mg/m² bedeuten.

Aus der vorliegenden Berechnung lässt sich ableiten, dass sich während des Aufschäumens

möglicherweise mehrschichtige Grenzflächenfilme um die Luftblase bilden. Mit zunehmen-

den Proteingehalten werden diese mehrschichtigen Grenzflächenfilme dicker und starrer. Sie

sind zunehmend widerstandsfähiger gegenüber Scherung und Koaleszenz [Kinsella, 1981].

Dies würde die steigende Stabilität der Schäume mit steigendem Proteingehalt erklären. Die

relativ geringen Unterschiede der Schaumbildungseigenschaften in Abhängigkeit vom Prote-

ingehalt innerhalb der Versuchsreihen (V1 und V2) sind eventuell durch den vergleichsweise

hohen Proteingehalt (minimal 0,5 %) begründet. Die durch Filtrationsprozesse nicht

ausschließbare Veränderung der Proteinstruktur kann mit den durchgeführten Untersuchungen

nicht beurteilt werden.

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4.3.4

Einfluss des Casein-Molkenprotein-Verhältnisses auf die Schaumbildungs-