Einfluss des Lactosegehaltes auf die Schaumbildungseigenschaften pasteurisier-

Ter Magermilch und Vollmilch

Mit einem Gehalt von 4,7 % ist die Lactose das hauptsächliche Kohlenhydrat der Kuhmilch

und hat als Einzelkomponente den höchsten Anteil an der Trockenmasse der Milch. Als mino-

re Kohlenhydrate können in Milch Glucose und Galactose, sowie eine Reihe von Oligosac-

chariden und Zuckerderivaten nachgewiesen werden. Zusätzlich liegen Kohlenhydrate mit

Proteinen konjugiert in Glycoproteinen der Milch – beispielsweise κ-Casein – vor. Die Lacto-

se ist ein Disaccharid mit einer β-O-glykosidischen Verknüpfung der Monosaccharide Gluco-

se und Galactose. Das C1-Atom der Galactose ist mit dem C4-Atom der Glucose verbunden.

Der Ringschluß zum Halbacetal führt zu zwei anomeren Formen: α- und β-Lactose. In einer

wässrigen Lösung von Lactose stellt sich unabhängig von der anomeren Form der Lactose,

die aufgelöst wurde, ein Gleichgewicht zwischen beiden Anomeren ein (Mutarotation). Die

Wasserlöslichkeit der Lactose ist im Vergleich zu anderen Zuckern, wie z.B. Saccharose mit

210 g/100 g Wasser, gering. Wird β-Lactose in Wasser gelöst, so kommt es zu einer hohen

Anfangslöslichkeit, die durch Umwandlung von β-Lactose in das α-Anomer geringer wird.

Diese „Überlöslichkeit“ wird durch Auskristallisation von α-Lactose-Monohydrat aufgehoben

[Schlimme & Buchheim, 1995]. Die Löslichkeit von α-Lactose-Monohydrat in Wasser bei

20 °C beträgt ca. 8,0 % und für β-Lactose ca. 50 %. Wird die Temperatur auf 50 °C angeho-

ben, erhöht sich die Löslichkeit von α-Lactose auf ca. 16 % und die von β-Lactose auf unge-

fähr 62 % [Walstra et al., 1984].

Murray & Liang [1999] beschreiben, dass Lactose unter anderem einen Einfluss auf die

Viskosität und Oberflächenspannung ausübt, welches wiederum zu veränderten Schaumbil-

dungseigenschaften führen kann.

Zur Variation des Lactosegehaltes der Milch wurde in den vorliegenden Untersuchungen

α-Lactose-Monohydrat zu der auf 50 °C angewärmten Milch zugesetzt. Der Lactosegehalt der

pasteurisierten Milch betrug bei Magermilch 5,0 % und bei Vollmilch 4,9 %. Durch die Lac-

tosezugabe wurden die Gehalte auf 5,5; 6,0; 6,5 und 7 % angehoben. Der pH-Wert der pasteu-

risierten Milchproben betrug unabhängig vom Lactosegehalt 6,55 bei Magermilch- bzw. 6,51

bei Vollmilchproben.

Die Viskosität [mPa*s] und Oberflächenspannung im Gleichgewicht [mN/m] der pasteurisier-

ten Milchproben mit unterschiedlichen Lactosegehalten sind in Tabelle 4.15 dargestellt.

Page 110

Tab. 4.15: Viskosität [mPa*s] und Oberflächenspannung im Gleichgewicht [mN/m] von pas-

teurisierter Magermilch und Vollmilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt

Milch-

Probe

Lactosegehalt

[%]

Viskosität

[mPa*s]

Oberflächen-

spannung [mN/m]

MM

5,0

0,92

49,0

MM

5,5

0,99

48,3

MM

6,0

0,98

48,5

MM

6,5

1,05

48,5

MM

7,0

1,04

48,3

VM

4,9

1,29

47,7

VM

5,5

1,25

48,3

VM

6,0

1,31

47,6

VM

6,5

1,31

46,5

VM

7,0

1,37

46,2

Wie aus Tabelle 4.15 zu erkennen ist, führt die Anhebung des Lactosegehaltes bei pasteuri-

sierter Magermilch und Vollmilch zu einem geringen Anstieg der Viskosität. Die Viskosität

der pasteurisierten Ausgangsmagermilch beträgt 0,92 mPa*s und erhöht sich bei einem

Lactosegehalt von 7,0 % auf 1,04 mPa*s. Die Viskosität der Vollmilch steigt von 1,29 mPa*s

auf 1,37 mPa*s im gemessenen Bereich an.

In Tabelle 4.15 ist zudem die Oberflächenspannung im Gleichgewicht [mN/m] von pasteuri-

sierter Mager- und Vollmilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt dargestellt. Es wird deut-

lich, dass die Oberflächenspannung im Gleichgewicht von Magermilch ohne Lactosezusatz

(5,0 % Lactose) höher ist als bei Magermilchproben mit einem Lactosezusatz. Zwischen den

einzelnen Magermilchproben, denen unterschiedliche Mengen Lactose zugesetzt wurde, sind

keine eindeutigen Unterschiede zu erkennen. Bei pasteurisierten Vollmilchproben steigt die

Oberflächenspannung im Gleichgewicht von 47,7 mN/m (4,9 % Lactose) auf 48,3 mN/m

(5,5 % Lactose) an, und sinkt im weiteren Verkauf kontinuierlich ab.

Die Ergebnisse der Untersuchungen der Schaumbildungseigenschaften von pasteurisierter

Magermilch und Vollmilch in Abhängigkeit des Lactosegehaltes sind in den folgenden Ab-

schnitten beschrieben.

Page 111

Lactose [%]

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

S

chaum

dichte

[g/cm

³]

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

MM

VM

Abb. 4.37: Dichte von Schäumen [g/cm³] aus pasteurisierter Mager- und Vollmilch in Ab-

hängigkeit vom Lactosegehalt

Aus Abbildung 4.37 ist zu erkennen, dass die Schaumdichtekurven der Milchproben parallel

verlaufen und sich in zwei Bereiche unterteilen. Bis zu einem Lactosegehalt von 6,0 % nimmt

die Dichte der Milchschäume ab. In diesem Bereich sinkt bei Schäumen aus pasteurisierter

Magermilch die Dichte von durchschnittlich 0,195 auf 0,164 g/cm³ und bei Schäumen aus

pasteurisierter Vollmilch von durchschnittlich 0,161 auf 0,122 g/cm³ ab. Eine Erhöhung des

Lactosegehaltes auf 7,0 % führt bei Schäumen aus Magermilch zu einem geringfügigen An-

stieg der Dichte auf durchschnittlich 0,170 bzw. 0,137 g/cm³ bei Schäumen aus Vollmilch.

Digitale Bildaufnahmen, sowie Blasengrößenverteilungen von Schäumen aus den Ausgangs-

milchproben und den Milchproben mit Lactosegehalten von 6,5 und 7,0 % nach 1 Minute

Standzeit sind in Abbildung 4.38 und 4.39 dargestellt. Schäume aus pasteurisierten Milchpro-

ben mit Lactosegehalten von 5,5 und 6,0 % (ohne Darstellung) zeigten, im Vergleich zu

Schäumen aus Milchproben mit Lactosegehalten von 6,5 und 7,0 %, keine Unterschiede der

Anteile der Blasendurchmesser in den einzelnen Größenklassen. Die Größenverteilungspara-

meter der Blasendurchmesser nach 1 Minute Standzeit sind in Tabelle A 6 (Anhang) zusam-

mengefasst.

Page 112

Durchmesser [mm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

A

n

zahl [%]

MM 5,0 % Lactose *

MM 6,5 % Lactose

MM 7,0 % Lactose

MM 5,0 % Lactose

MM 7,0 % Lactose

MM 6,5 % Lactose

Abb. 4.38: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Magermilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt nach 1 Minute Standzeit

* Ausgangsmagermilch

Aus Abbildung 4.38 wird deutlich, dass unterschiedliche Größenverteilungen der Blasen-

durchmesser zwischen Schäumen aus pasteurisierter Magermilch mit unverändertem Lactose-

gehalt (5 % Lactose), und Schäumen aus pasteurisierter Magermilch, der Lactose zugesetzt

wurde (6,5 % und 7,0 %), nach 1 Minute Standzeit bestehen. Das Maximum der Größenver-

teilung der Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch (5,0 % Lactose)

nach 1 Minute Standzeit liegt in der Klasse 0,2 bis 0,3 mm (45 %). Dagegen ist bei Schäumen

aus Magermilch mit einem Lactosezusatz (6,5 % und 7,0 % Lactose) das Maximum in der

Klasse 0,1 bis 0,2 mm zu erkennen. Zudem zeigen diese Schäume höhere Anteile der Blasen-

durchmesser in der Größenklasse bis 0,1 mm. In den Klassen größer als 0,3 mm sind keine

eindeutigen Unterschiede der Anteile der Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisier-

ter Magermilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt zu beobachten. Insgesamt sind somit die

Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch nach 1 Minute Standzeit

bei einer Zugabe von Lactose geringer und die Verteilungskurve verschiebt sich nach links

(s. auch Tab. A 6, Anhang). Die unterschiedlichen Lactosezugaben (5,5 %, 6,0 %, 6,5 % und

7,0 %) in pasteurisierter Magermilch hatten dagegen keinen Einfluss auf die Größenverteilung

der Blasendurchmesser der Schäume nach 1 Minute Standzeit.

Im Gegensatz zu Schäumen aus pasteurisierter Magermilch sind bei Schäumen aus pasteuri-

sierter Vollmilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt keine eindeutigen Unterschiede der

Page 113

Größenverteilung der Blasendurchmesser nach 1 Minute Standzeit zu beobachten (s. Abb.

4.39).

Durchmesser [mm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

A

n

zahl [%]

VM 4,9 % Lactose *

VM 6,5 % Lactose

VM 7,0 % Lactose

VM 4,9 % Lactose

VM 7,0 % Lactose

VM 6,5 % Lactose

Abb. 4.39: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Vollmilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt nach 1 Minute Standzeit

* Ausgangsvollmilch

Aus Abbildung 4.39 ist zu erkennen, dass die Verteilungen der Blasendurchmesser von

Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch nach 1 Minute Standzeit monomodal verlaufen. Die

Anteile der Blasendurchmesser der Schäume aus pasteurisierter Vollmilch mit unterschiedli-

chen Lactosegehalten nach 1 Minute Standzeit sind in den einzelnen Größenklassen ähnlich.

Die maximale Spannweite der Verteilungen beträgt 0,7 mm (s. Tab. A 6, Anhang).

Insgesamt ist ein geringer Einfluss des Lactosegehaltes auf die Größenverteilung der Blasen-

durchmesser der Schäume aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch nach 1 Minute

Standzeit zu beobachten.

Nach 20 Minuten Standzeit steigt die Spannweite der Verteilungen der Blasendurchmesser

von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch auf 0,73 bis 0,95 mm an (s. Tab. A 7, Anhang).

In Abbildung 4.40 sind digitale Bildaufnahmen, sowie Größenverteilungen der Blasendurch-

messer von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch nach 20 Minuten Standzeit dargestellt.

Page 114

Durchmesser [mm]

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1

A

n

zahl [%]

MM 5,0 % Lactose

MM 6,5 % Lactose

MM 7,0 % Lactose

MM 7,0 % Lactose

MM 5,0 % Lactose

Abb. 4.40: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Magermilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt nach 20 Minuten Standzeit

Aus Abbildung 4.40 wird deutlich, dass der maximale Anteil der Blasendurchmesser bei

Schäumen aus pasteurisierter Magermilch nach 20 Minuten Standzeit unabhängig vom Lacto-

segehalt in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm liegt (durchschnittlich 25 %). Im Gegensatz zu den

Größenverteilungen der Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch

nach 1 Minute Standzeit (s. Abb. 4.38), sind nach 20 Minuten Standzeit in Abhängigkeit vom

Lactosegehalt keine eindeutigen Unterschiede der Anteile der Blasendurchmesser in den

Klassen kleiner als 0,3 mm zu beobachten (s. Abb. 4.40). Insgesamt sind die Größenvertei-

lungen der Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch mit unter-

schiedlichen Lactosegehalten nach 20 Minuten Standzeit ähnlich.

Bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit unterschiedlichen Lactosegehalten zeigen

sich dagegen deutliche Veränderungen der Blasengrößenverteilungen nach 20 Minuten Stand-

zeit. In Abbildung 4.41 sind die Blasengrößenverteilungen der Schäume aus Vollmilch mit

einem Lactosegehalt von 4,9 und 5,5 %, sowie die digitalen Bildaufnahmen der Schäume aus

pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von 5,5 und 6,0 % nach 20 Minuten Stand-

zeit dargestellt.

Page 115

VM 6,0 % Lactose *

Durchmesser [mm]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

An

za

hl [%]

VM 4,9 % Lactose

VM 5,5 % Lactose

VM 5,5 % Lactose

Abb. 4.41: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Vollmilch in Abhängigkeit vom Lactosegehalt nach 20 Minuten Standzeit

*Bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von 6,0 % waren für eine

statistische Auswertung der Blasengrößenverteilung zu wenig Blasen (< 200) vorhanden.

Bei Lactosegehalten über 6,0 % nahm das Schaumvolumen überproportional ab, so dass eine digi-

tale Bildaufnahme der Schaumstruktur nicht möglich war.

Die in Abbildung 4.41 dargestellten Verteilungen der Blasendurchmesser zeigen, dass bei

Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von 4,9 % nach 20 Minuten

Standzeit monomodale, dagegen bei einem Lactosegehalt von 5,5 % tendenziell bimodale

Verteilungen bestehen. Die bimodale Verteilung zeigt ein Maximum in der Klasse 0,1 bis

0,2 mm (durchschnittlich 19 %), ein lokales Minimum in der Klasse 0,2 bis 0,3 mm (durch-

schnittlich 15 %) und ein zweites Maximum in der Klasse 0,3 bis 0,4 mm (durchschnittlich

19 %). Die Spannweiten der Verteilungen von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit

Lactosegehalten von 4,9 % und 5,5 % liegen im Bereich zwischen 1,25 bis 1,62 mm (s. Tab.

A 7, Anhang). Bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von

6,0 % waren nicht ausreichend Blasen für eine statistische Auswertung der Verteilungen der

Blasendurchmesser vorhanden. In Abbildung 4.41 ist ebenfalls eine digitale Bildaufnahme der

Schäume aus pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von 6,0 % dargestellt. Es sind

wabenförmige Strukturen und Blasendurchmesser bis zu 2 mm zu erkennen. Schäume aus

pasteurisierter Vollmilch mit einem Lactosegehalt von 6,5 und 7,0 % fielen während der

Standzeit vollständig zusammen. Eine digitale Bildaufnahme der Strukturen dieser Schäume

war daher nicht möglich. Zudem war nach dem Zusammenfall dieser Schäume kristalline

Lactose an den Wänden des Glaskolbens zu beobachten. Insgesamt zeigen die Auswertungen

Page 116

der Verteilungen der Blasendurchmesser von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch in Ab-

hängigkeit von der Zeit, dass Schäume aus pasteurisierter Vollmilch mit zunehmendem

Lactosegehalt instabiler werden.

Interessanterweise spiegeln die Drainagewerte die Differenzen in der Stabilität von Mager-

milch- und Vollmilchschäumen nicht wider. Die Drainagemengen von Schäumen aus pasteu-

risierter Vollmilch und Magermilch nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit sind in Abbildung

4.42 dargestellt.

Lactose [%]

4,5

5,0

5,5

6,0

6,5

7,0

7,5

Draina

ge [%

]

MM 1 Minute

MM 10 Minuten

MM 20 Minuten

VM 1 Minute

VM 10 Minuten

VM 20 Minuten

Abb. 4.42: Drainage der Schäume aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch nach 1, 10

und 20 Minuten Standzeit

Die Drainage von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch in Abbildung 4.42

zeigen nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit keine Unterschiede der Drainage in Abhängigkeit

vom Lactosegehalt. Die Drainage von Schäumen aus Magermilch steigt von ca.16 % nach

1 Minute Standzeit auf durchschnittlich 67 % nach 10 Minuten bzw. 78 % nach 20 Minuten

Standzeit an. Die Drainage von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch ist im Vergleich dazu

geringer. Sie beträgt 8 bis 10 % nach 1 Minute Standzeit und steigt nach 20 Minuten Stand-

zeit auf maximal 76 % an. Die im oberen Abschnitt beschriebene abnehmende Stabilität von

Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch mit steigenden Lactosegehalten ist somit durch die

Messungen der Drainage nicht erkennbar.

Insgesamt wird aus den beschriebenen Ergebnissen deutlich, dass tendenziell eine Abnahme

der Dichte von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch mit steigendem

Lactosegehalt erfolgt (s. Abb. 4.37). Eine eindeutige Korrelation zwischen der Schaumdichte

Page 117

und der Oberflächenspannung der Milchproben ist nicht zu erkennen. Die Zugabe von Lacto-

se zu pasteurisierter Magermilch führt zu einer Verringerung der Blasendurchmesser (1 Minu-

te Standzeit) der daraus hergestellten Schäume. Bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch

ist kein Einfluss der Lactose auf die Größenverteilung der Blasendurchmesser zu erkennen.

In Bezug auf die Schaumstabilität sind bei Schäumen aus pasteurisierter Magermilch keine

Unterschiede in Abhängigkeit vom Lactosegehalt zu beobachten. Dagegen sind Schäume aus

pasteurisierter Vollmilch mit steigendem Lactosegehalt zunehmend instabil. Dies wird durch

unterschiedliche Blasengrößenverteilungen beziehungsweise durch eine überproportionale

Abnahme des Schaumvolumens mit steigendem Lactosegehalt deutlich. Anhand der Drainage

der Schäume waren diese Unterschiede in der Schaumstabilität nicht zu erkennen. Zudem hat

die steigende Viskosität der Milchproben mit zunehmendem Lactosegehalt (s. Tab. 4.15) kei-

nen Einfluss auf die Drainage.

Die in den Versuchen beobachtete Instabilität der Schäume aus Vollmilch mit höherem

Lactosegehalt (max. 7 %) ist möglicherweise durch eine geringere Löslichkeit der Lactose in

Vollmilch im Vergleich zur Magermilch begründet. Die Vollmilch weist eine höhere Tro-

ckenmasse auf und somit steht weniger Wasser zur Lösung der Lactose zur Verfügung. Zu-

dem wird die Menge an löslicher Lactose mit sinkender Temperatur geringer. Daraus resul-

tiert möglicherweise bei Schäumen aus Vollmilch nach 20 Minuten Standzeit ein Auskristalli-

sieren der Lactose bei Gehalten über 6 %. Hierdurch ist wahrscheinlich das Zusammenfallen

der Vollmilchschäume bei einem höherem Lactosegehalt begründet.

Die in den vorliegenden Untersuchungen erarbeiteten Ergebnisse sind nur bedingt mit denen

in der Literatur beschriebenen Arbeiten vergleichbar, da die Autoren zumeist andere Zucker,

sowie unterschiedliche Proteinlösungen als Ausgangsmaterial verwendeten. Allgemein erhö-

hen Zucker die Trockenmasse und Viskosität der kontinuierlichen Phase und können die

Oberflächenspannung verändern. Die Veränderung der Viskosität und Oberflächenspannung

in Abhängigkeit vom Lactosegehalt ist in den vorliegenden Untersuchungen relativ gering

und zeigt keinen eindeutigen Einfluss auf die Schaumbildungseigenschaften.

Liang und Murray [1999] untersuchten den Einfluss von Zucker auf die Schaumbildungsei-

genschaften von Molkenproteinen. Die Zuckerzugabe in eine Molkenproteinlösung führte,

unabhängig von der Zuckerart (Lactose, Saccharose, Trehalose, Lactitol), zu einer Verringe-

rung der Schaumstabilität. Die Autoren mutmaßen, dass dies auf einer geringeren Grenzflä-

chenaktivität der Proteine, basierend auf veränderten Umgebungsbedingungen, beruht. Patino

et al. [1995] stellten bei Caseinlösungen mit geringem Saccharosegehalt eine höhere Stabilität

im Vergleich zur Ausgangslösung (ohne Saccharose) fest. Nach Meinung der Autoren wird

die Auffaltung von Proteinen und Proteininteraktionen durch Saccharose begrenzt. Durch die

geringere Aggregation an der Grenzfläche kann mehr Protein adsorbieren, um den Grenzflä-

chenfilm stabilisieren. In den vorliegenden Untersuchungen konnte eine Veränderung der

Grenzflächenaktivität der Proteine durch eine Lactosezugabe im löslichen Bereich nicht

nachgewiesen werden.

Page 118