Einfluss der Lagerungsdauer auf die Schaumbildungseigenschaften

ultrahocherhitzter Magermilch und fetthaltiger Milch (1,5; 3,5 % Fett)

Während der Lagerung von Milch kann es zu chemischen Reaktionen der Milchinhaltsstoffe

kommen. Proteine können aggregieren oder dissoziieren, kovalente Bindungen zwischen Pro-

teinen entstehen oder Proteine gespalten werden (Proteolyse). Die in der Milch enthaltenen

Fettkugeln können koaleszieren. [Nieuwenhujse & van Boekel, 2003]. Um den Einfluss der

Lagerungsdauer auf die Schaumbildungseigenschaften von Milch zu untersuchen wurde so-

wohl Magermilch als auch fetthaltige Milchproben (1,5 % und 3,5 %) homogenisiert, ultra-

hocherhitzt, in Sterilflaschen abgefüllt und bei 4 bis 6 °C gelagert. Die Untersuchungen der

gelagerten Milchproben erfolgte über einen Zeitraum von einem Tag, sowie 4 und

16 Wochen. Nach den definierten Lagerungszeiten wurden ihre Schaumbildungseigenschaften

untersucht.

Der pH-Wert der Milchproben betrug unabhängig von der Lagerungszeit 6,55. Die Viskosität

der Milchproben in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer ist in Tabelle 4.18 zusammenge-

fasst.

Tab. 4.18: Viskosität [mPa*s] ultrahocherhitzter Magermilch und fetthaltiger Milch

(1,5; 3,5 %) in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer

Lagerungszeit

MM UHT

Viskosität [mPa*s]

1,5 % UHT

Viskosität [mPa*s]

3,5 % UHT

Viskosität [mPa*s]

Tag

0,83

1,14

1,21

Wochen

1,13

1,24

1,31

Wochen

0,98

1,14

1,20

Aus Tabelle 4.18 wird deutlich, dass die Viskosität ultrahocherhitzter Magermilch nach

4 Wochen Lagerung von 0,83 auf 1,13 mPa*s steigt, und nach 16 Wochen 0,98 mPa*s be-

trägt. Der Anstieg der Viskosität nach 4 Wochen Lagerung und die Abnahme nach 16 Wo-

chen ist auch bei ultrahocherhitzter Milch mit Fettgehalten von 1,5 und 3,5 % zu beobachten.

Die Viskosität der ultrahocherhitzten fetthaltigen Milchproben (1,5 und 3,5 %) ist im Ver-

gleich zu den ultrahocherhitzten Magermilchproben höher. Darüber hinaus sind die Verände-

rungen der Viskosität in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer geringer. Die Ergebnisse der

Messungen zur Partikelverteilung ultrahocherhitzter gelagerter Magermilch sind in Abbildung

4.62 dargestellt. Die Partikelverteilungen von ultrahocherhitzten fetthaltigen Milchproben

(1,5 und 3,5 % Fett) sind im Anhang aufgezeigt (s. Abb. A 2 und A 3, Anhang).

Page 146

Partikeldurchmesser [µm]

0,01

0,1

Volum

e

n [%]

1 Tag

d

= 0,13 µm

4 Wochen

d

= 0,15 µm

16 Wochen

d

= 0,14 µm

Abb. 4.62: Partikelverteilung [µm] in ultrahocherhitzter Magermilch in Abhängigkeit von der

Lagerungsdauer

Aus Abbildung 4.62 ist zu erkennen, dass die Partikelverteilung von ultrahocherhitzter Ma-

germilch nach einem Tag Lagerung monomodal verläuft und Partikeldurchmesser im Grö-

ßenbereich von 0,04 bis 0,41 µm liegen. Nach einer Lagerungszeit von 4 bzw. 16 Wochen

sind bimodale Verteilungen und Partikeldurchmesser bis zu 0,79 µm zu erkennen. Mögli-

cherweise handelt es sich bei den Partikeln im Bereich zwischen 0,4 bis 0,79 µm um Eiweiß-

aggregate, die während der Lagerung von ultrahocherhitzter Magermilch entstanden sind

(s. auch Abb. 4.70).

Bei ultrahocherhitzten Milchproben mit einem Fettgehalt von 1,5 % sind nach einem Tag,

4 und 16 Wochen Lagerung bimodale Verteilungen der Partikeldurchmesser zwischen

0,04 bis 2,4 µm zu beobachten (s. Abb. A 2, Anhang). Die Bimodalität ist durch Caseinmicel-

len im Bereich bis zu 0,4 µm und durch Fettkugeln im Bereich größer als 0,4 µm begründet.

Die Partikelverteilung von ultrahocherhitzter Vollmilch (3,5 % Fett) zeigt ebenfalls Partikel-

durchmesser im Bereich zwischen 0,04 bis 2,4 µm (s. Abb. A 3, Anhang). Im Vergleich zu

ultrahocherhitzter Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 % sind die Anteile der Partikeldurch-

messer bis zu 0,4 µm geringer. Dies ist durch die zunehmende Fettkugeloberfläche mit stei-

genden Fettgehalten und der somit zunehmenden Bindung von Casein (< 0,4 µm) an die Fett-

kugeln begründet. Insgesamt sind bei ultrahocherhitzten Milchproben mit Fettgehalten von

1,5 % und 3,5 % in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer keine relevanten Unterschiede der

Partikelverteilungen zu erkennen (s. Abb. A 2 und A 3, Anhang).

Page 147

Die Ergebnisse der Messungen der dynamischen Oberflächenspannung von ultrahocherhitzter

Magermilch in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer sind in Abbildung 4.63 und von ultra-

hocherhitzten fetthaltigen Milchproben (1,5 und 3,5 %) in Abbildung A 4 und A 5 (Anhang)

dargestellt.

Oberflächenalter [s]

Ob

erflächen

span

nun

g [mN/m]

MM UHT 1 Tag

MM UHT 4 Wochen

MM UHT 16 Wochen

Abb. 4.63: Dynamische Oberflächenspannung [mN/m] von ultrahocherhitzter Magermilch in

Abhängigkeit von der Lagerungsdauer

Aus Abbildung 4.63 wird deutlich, dass die dynamische Oberflächenspannung bei ultrahoch-

erhitzter Magermilch nach 4 Wochen Lagerung sinkt und nach 16 Wochen wieder ansteigt,

allerdings unterhalb des Ausgangsniveaus. Über den Messzeitraum von 20 Minuten ist kein

Gleichgewicht der Oberflächenspannung von ultrahocherhitzter Magermilch zu erkennen. Die

Oberflächenspannung der Magermilchproben nach einem Tag Lagerung beträgt am Ende der

Messzeit (20 Minuten) durchschnittlich 47,0 mN/m. Nach 4 Wochen Lagerung der Proben

sinkt die Oberflächenspannung von ultrahocherhitzter Magermilch auf 45,7 mN/m ab und

steigt nach 16 Wochen Lagerung auf durchschnittlich 46,5 mN/m wieder an. Im Gegensatz

hierzu stellt sich bei fetthaltigen Milchproben (s. Abb. A 4 und A 5, Anhang), über den Mess-

zeitraum von 20 Minuten ein Gleichgewicht der dynamischen Oberflächenspannung ein und

die lagerungsbedingten Unterschiede sind deutlich geringer. Die Oberflächenspannung im

Gleichgewicht von ultrahocherhitzter Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 % beträgt nach

einem Tag Lagerung 48,3 mN/m und nach 16 Wochen Lagerung 48,1 mN/m. Im Vergleich

hierzu ist die Oberflächenspannung im Gleichgewicht bei ultrahocherhitzter Vollmilch (3,5 %

Page 148

Fett) nach einem Tag Lagerung geringfügig höher (48,5 mN/m) und sinkt nach 16 Wochen

Lagerung auf 48,3 mN/m ab.

Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Charakterisierung der Schaumbildungseigenschaften

in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer sind in den folgenden Abschnitten beschrieben. In

Abbildung 4.64 ist die Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter Milch, die einen Tag,

sowie 4 und 16 Wochen gelagert wurde, dargestellt. Der Variationskoeffizient der Messungen

der Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch nach 1 Tag Lagerung beträgt

8 %. Bei den übrigen Messungen liegt der Variationskoeffizient unterhalb von 5 %.

Lagerungszeit [Wochen]

Schaumdichte [g/cm³]

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

MM UHT *

1,5 % UHT

3,5 % UHT

Abb. 4.64: Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch, sowie fetthaltiger Milch

(1,5; 3,5 %) in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer

* Ultrahocherhitzte Magermilch, die 16 Wochen gelagert wurde, schäumte nicht auf

Aus Abbildung 4.64 ist ersichtlich, dass die Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter

Magermilch, die einen Tag gelagert wurde, 0,135 ± 0,011 g/cm³ beträgt und nach einer Lage-

rungszeit von 4 Wochen die Schaumdichte geringfügig auf 0,141 ± 0,06 g/cm³ ansteigt. Nach

16 Wochen Lagerung schäumte ultrahocherhitzte Magermilch nicht mehr auf. Aus Abbildung

4.64 ist zudem zu erkennen, dass bei Schäumen aus fetthaltigen Milchproben (1,5 % und

3,5 % Fett) mit steigernder Lagerungsdauer tendenziell eine Zunahme der Schaumdichte er-

folgt. Die Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter Milch (1,5 % Fett), die bis zu 16 Wo-

chen gelagert wurde, stieg kontinuierlich von durchschnittlich 0,128 auf 0,187 g/cm³ an. Der

Anstieg der Dichte von Schäumen aus ultrahocherhitzter Vollmilch in Abhängigkeit von der

Lagerungszeit ist im Vergleich hierzu geringer. Sie steigt durchschnittlich von 0,120 g/cm³

Page 149

(1 Tag Lagerung) auf 0,162 g/cm³ (4 Wochen Lagerung) an. Bei Schäumen aus ultrahocher-

hitzter Vollmilch, die 16 Wochen gelagert wurde, ist keine weitere Veränderung der Schaum-

dichte (0,163 ± 0,005 g/cm³) zu erkennen.

In den Abbildungen 4.65 bis 4.67 sind digitale Bildaufnahmen, sowie Größenverteilungen der

Blasendurchmesser von Schäumen aus ultrahocherhitzter Milch, die einen Tag, sowie 4 und

16 Wochen gelagert wurde, dargestellt. Die Größenverteilungsparameter (d10-Werte, d50,0-

Werte und Spannweiten) der zugehörigen Verteilungen der Blasendurchmesser sind in Tabel-

le A 16 (Anhang) zusammengefasst.

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 UHT 1 Tag

MM UHT 4 Wochen

4 Wochen

1 Tag

Abb. 4.65: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus ultrahocher-

hitzter Magermilch in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer nach 1 Minute

Standzeit

* Ultrahocherhitzte Magermilch, die 16 Wochen gelagert wurde, schäumte nicht auf

Aus Abbildung 4.65 wird deutlich, dass die Verteilung der Blasendurchmesser von Schäumen

aus ultrahocherhitzter Magermilch nach 1 Minute Standzeit monomodal verläuft. Die Spann-

weite der Verteilung beträgt ungefähr 0,49 mm (s. Tab. A 16, Anhang). Der maximale Anteil

der Blasendurchmesser ist in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm zu beobachten und beträgt sowohl

nach einem Tag, als auch nach 4 Wochen Lagerung durchschnittlich 40 %. Der Anteil der

Blasendurchmesser in der Klasse bis 0,1 mm bei Schäumen aus Magermilch nach 1 Minute

Standzeit steigt von durchschnittlich 12 % (1 Tag Lagerung) auf 32 % (4 Wochen Lagerung)

an. Dagegen sinken die Blasengrößenanteile in den Klassen größer als 0,2 mm mit steigender

Page 150

Lagerungsdauer. Insgesamt ist eine Abnahme der Blasendurchmesser (d10) von Schäumen aus

ultrahocherhitzter Magermilch, die einen Tag und 4 Wochen gelagert wurde, zu beobachten

(s. auch Tab. A 16, Anhang).

Ähnliche Abhängigkeiten sind auch bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Milch mit Fettgehal-

ten von 1,5 und 3,5 % zu erkennen (s. Abb. 4.66).

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 [%

]

1,5 % UHT 1 Tag

1,5 % UHT 4 Wochen

1,5 % UHT 16 Wochen

4 Wochen

16 Wochen

1 Tag

Abb. 4.66: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus ultrahocher-

hitzter Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 %, die 1 Tag, sowie 4 und 16 Wochen

gelagert wurde, nach 1 Minute Standzeit

Aus Abbildung 4.66 ist ersichtlich, dass die Verteilung der Blasendurchmesser von Schäumen

aus ultrahocherhitzter Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 % nach 1 Minute Standzeit einmo-

dal verlaufen und der maximale Anteil der Durchmesser in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm vorhan-

den ist. Die Spannweiten der Verteilung der Blasendurchmesser dieser Schäume liegen im

Bereich zwischen 0,43 bis 0,58 mm (s. Tab. A 16, Anhang). Die Anteile der Blasendurchmes-

ser sind bei kurz gelagerter Milch in der Größenklasse 0,2 bis 0,3 mm, geringer (26 ±1 %).

Dagegen sind in den Klassen größer als 0,4 mm tendenziell höhere Anteile zu erkennen.

Schäume aus ultrahocherhitzter Vollmilch (3,5 % Fett) zeigen ebenfalls Unterschiede der

Verteilungen der Blasendurchmesser in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer (1 Tag, 4 oder

16 Wochen, s. Abb. 4.67).

Page 151

Durchmesser [mm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Anza

hl [%

]

VM UHT 1 Tag

VM UHT 4 Wochen

VM UHT 16 Wochen

4 Wochen

16 Wochen

1 Tag

Abb. 4.67: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus ultrahocher-

hitzter Vollmilch (3,5 % Fett), die 1 Tag, 4 und 16 Wochen gelagert wurde, nach

1 Minute Standzeit

Aus Abbildung 4.67 ist zu erkennen, dass die Verteilung der Blasendurchmesser nach 1 Mi-

nute Standzeit bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Vollmilch (3,5 % Fett) monomodal ver-

läuft. Auffällig ist bei Schäumen aus 4 Wochen gelagerter Vollmilch der hohe Anteil der Bla-

sen in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm (im Mittel 38 %) und die geringeren Anteile in den Klassen

größer als 0,3 mm. Der d10-Wert der Verteilungen der Blasendurchmesser von Schäumen aus

4 Wochen gelagerter Vollmilch, beträgt 0,16 mm. Dagegen sind bei Schäumen aus ultrahoch-

erhitzter Vollmilch, die einen Tag bzw. 16 Wochen gelagert wurde, höhere d10-Werte zu beo-

bachten (s. Tab. A 16, Anhang).

Schäume aus ultrahocherhitzter Magermilch waren über die Standzeit von 20 Minuten nicht

stabil. Aus Abbildung 4.68 ist zu erkennen, dass die Drainage der Schäume aus ultrahocher-

hitzter Magermilch (1 Tag Lagerung), nach 1 Minute Standzeit von durchschnittlich 13 auf

100 % nach 10 Minuten Standzeit steigt. Bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch,

die 4 Wochen gelagert wurde, ist nach 1 Minute Standzeit ebenfalls eine Drainage von durch-

schnittlich 13 % zu erkennen. Dagegen ist nach 10 Minuten Standzeit eine Drainage von

durchschnittlich 85 % und erst nach 20 Minuten Standzeit eine Drainage von 100 % erreicht.

Ultrahocherhitzte Magermilch, die 16 Wochen gelagert wurde, schäumte nicht auf.

Page 152

Lagerzeit [Wochen]

D

rainag

e [%

]

MM UHT *

1,5 % UHT

3,5 % UHT

Schwarze Symbole:

1 Minute Standzeit

Graue Symbole:

10 Minuten Standzeit

Offene Symbole:

20 Minuten Standzeit

Abb. 4.68: Drainage von Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch und ultrahocherhitzter

Milch mit Fettgehalten von 1,5 % und 3,5 % in Abhängigkeit von der Lagerungs-

dauer nach 1 und 20 Minuten Standzeit

* Ultrahocherhitzte Magermilch, die 16 Wochen gelagert wurde, schäumte nicht auf

Im Gegensatz zu Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch, bei denen unterschiedliche

Drainagen in Abhängigkeit von der Lagerungszeit der Milchproben zu erkennen sind, zeigen

sich bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Milch mit Fettgehalten von 1,5 und 3,5 % keine

lagerungsbedingten Unterschiede der Drainage. Aus Abbildung 4.68 ist ersichtlich, dass die

Drainage von Schäumen aus ultrahocherhitzter fetthaltiger Milch (1,5 und 3,5 % Fett) nach

1 Minute Standzeit durchschnittlich 10 % beträgt und nach 20 Minuten Standzeit auf durch-

schnittlich 75 bis 78 % ansteigt.

Trotz gleichbleibender Drainage in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer von Schäumen aus

ultrahocherhitzten Milchproben mit Fettgehalten von 1,5 und 3,5 % (s. Abb. 4.68) sind unter-

schiedliche Blasenstrukturen nach 20 Minuten Standzeit zu beobachten (s. Abb. 4.69). Für

eine statistische Auswertung waren zu wenig Blasen (mindestens 200 Blasen) vorhanden.

Page 153

Schäume aus ultrahocherhitzter fettarmer Milch (1,5 % Fett) nach 20 Minuten Stand-

Zeit

1 Tag

4 Wochen

16 Wochen

Schäume aus ultrahocherhitzter Vollmilch (3,5 % Fett) nach 20 Minuten Standzeit

1 Tag

4 Wochen

16 Wochen

Abb. 4.69: Bildausschnitte der Blasengrößenverteilungen von Schäumen aus ultrahocherhitz-

ter Milch mit einem Fettgehalt von 1,5 % und 3,5 % Fett, die 1 Tag, 4 und 16

Wochen gelagert wurde, nach 20 Minuten Standzeit

Die digitalen Bildausschnitten in Abbildung 4.69 zeigen die lagerungsbedingten unterschied-

lichen Schaumstrukturen. Bei ultrahocherhitzten fetthaltigen Milchproben, die nach einem

Tag Lagerung aufgeschäumt wurden, sind nach 20 Minuten Standzeit Blasendurchmesser bis

maximal 1 mm vorhanden. Bei längeren Lagerungszeiten (4 bzw. 16 Wochen) sind dagegen

zunehmend Blasen mit Durchmessern größer als 1 mm nach 20 Minuten Standzeit zu beo-

bachten. Dieser Anstieg der Blasendurchmesser deutet auf eine höhere Instabilität hin. Zudem

sind unterschiedliche Blasenformen in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer zu erkennen. Im

Vergleich zu Schäumen aus ultrahocherhitzter fetthaltiger Milch, die einen Tag gelagert wur-

de, sind bei Schäumen aus länger gelagerter fetthaltiger Milch nach einer Standzeit von

20 Minuten die Blasen eckiger (s. Abb. 4.69).

Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass die Lagerungsdauer Einfluss auf die

Schaumbildungseigenschaften von ultrahocherhitzter Milch hat. Tendenziell ist eine zuneh-

mende Schaumdichte und eine abnehmende Stabilität zu beobachten. Im besonderen Maße ist

eine zunehmende Instabilität bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch mit zuneh-

mender Lagerungsdauer zu erkennen. Nach 16 Wochen Lagerung schäumte ultrahocherhitzte

Magermilch nicht mehr auf. Tendenziell ist auch bei Schäumen aus fetthaltiger ultrahocher-

hitzter Milch eine zunehmende Instabilität der Schaumblasen zu verzeichnen (s. Abb. 4.69).

Die Unterschiede der Stabilität von Schäumen aus fetthaltiger Milch sind aber im Vergleich

zu Schäumen aus Magermilch deutlich geringer.

Page 154

Wie im oberen Abschnitt erwähnt, ist bei ultrahocherhitzter Magermilch mit zunehmender

Lagerungsdauer ein Anstieg der Partikelgröße im Bereich von ca. 0,4 µm zu erkennen. Zudem

bewirkt die Lagerung der ultrahocherhitzten Magermilchproben, im Vergleich zu den Aus-

gangsmagermilchproben, tendenziell eine Absenkung der dynamischen Oberflächenspannung

(s. Abb. 4.63). Die Unterschiede in der Partikelgrößenverteilung der frischen und der gelager-

ten Milchproben wurden mit Hilfe der Größenausschlusschromatographie (FPLC) genauer

untersucht. In Abbildung 4.70 sind Chromatogramme der Molmassen von Magermilch, die

einen Tag gelagert und anschließend eingefroren wurde, sowie von ultrahocherhitzter Ma-

germilch, die 16 Wochen bei 4 bis 6 °C gelagert wurde, dargestellt. Es ist zu erkennen, dass

die Menge der Aggregate im Größenbereich von 0,7 bis 2 x 10 6 g x mol –1 die Menge der

Molmassen während der Lagerzeit von 16 Wochen zunimmt und im Größenbereich von

ca. 20 x 10 3 g x mol –1 abnimmt. Dies bedeutet, dass bei einer längeren Lagerung von ultra-

hocherhitzter Magermilch eine Abnahme der Monomere und eine Zunahme der Polymere

erfolgt. Die Abnahme der Monomere und die gleichzeitige Zunahme der Polymere bei ultra-

hocherhitzter Milch, die länger gelagert wurde, korreliert mit den abnehmenden Schaumbil-

dungseigenschaften der ultrahocherhitzten Magermilch.

Retentionszeit [min]

Adsorption [2

80nm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

UHT MM

(16 Wochen Lagerung)

UHT MM

(nach 1 Tag Lagerung

eingefroren)

A

B

C

Abb. 4.70: Größenausschlußchromatographie (FPLC) von ultrahocherhitzten Magermilch-

proben in Abhängigkeit von der Lagerungsdauer (FPLC am einer Superdex 200

HR 10/30 Säule (Ausschlussgrenze: 1,3 x 106), Puffer: 0,1 mol/l Tris; 0,15 mol/l

NaCl; 8 mol/l Harnstoff; pH 8,0; Flussrate: 0,3 ml/min; λ = 280 nm),

Molmassen der Peaks:

A = 0,7 – 2 x 106 g x mol-1 (Polymere), B = 158-232 x 103 g x mol-1 (Oligomere),

C = ca. 20 x 103 g x mol-1(Monomere)

Page 155

Die Bildung von Polymeren in Milch mit zunehmender Lagerungsdauer ist auch in der Litera-

tur beschrieben. Andrews [1975] und Zin El-Din et al. [1991] berichten, dass bei ultrahocher-

hitzter Milch, die bei 4 °C gelagert wurde, pro Monat 0,7 % der Milchproteine zu Aggregaten

verknüpft werden. Lauber et al. [2001] stellten in ihren Untersuchungen fest, dass bei einer

Lagerung von ultrahocherhitzter Milch bei 37 °C der Anteil von nicht reduzierbaren Casein-

oligomeren mit zunehmender Lagerungszeit anstieg. Die quantifizierten Konzentrationen von

Lysinoalanin und Histidinoalanin konnten jedoch nicht die Mengen der gebildeten

Caseinoligomeren erklären. Aus der ultrahocherhitzten Milch wurde auch Joghurt hergestellt.

Hierbei zeigte sich, dass der Anstieg der Caseinoligomere mit zunehmender Lagerungsdauer

mit einer Zunahme der Festigkeit von Joghurt korreliert. Die Autoren schlussfolgerten aus

ihren Beobachtungen, dass während der Lagerung nicht-enzymatische

Quervernetzungsreaktionen auftreten, welche Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften der

Milchproteine haben. Bei den vorliegenden Untersuchungen scheint eine zunehmende

Aggregation der Proteine in ultrahocherhitzter Magermilch zu reduzierten

Schaumbildungseigenschaften zu führen.

Page 156

4.3.11 Bewertung der Einflussfaktoren auf die Stabilität von Milchschäumen mit Hilfe

Neuronaler Netzwerkanalysen

Das Aufschäumen von Milch kann durch unterschiedliche chemische (z.B. Protein- und Fett-

gehalt) und physikalische Parameter (z.B. Viskosität, Grenzflächenspannung) beeinflusst

werden. Durch neuronale Netzanalysen (Artificial Neuronal Networks ANN) ist eine Gewich-

tung der einzelnen Einflussfaktoren möglich, wodurch der laboranalytische Aufwand deutlich

reduziert werden kann [Meisel, 2001, Meisel et al., 1997]. Abbildung 4.71 veranschaulicht

das Prinzip künstlicher neuronaler Netzwerke. Sie bestehen aus einer Eingabeschicht mit In-

put-Neuron(en) und einer Ausgabeschicht mit einem oder mehreren Output-Neuronen. Diese

Komponenten sind über gewichtete Verbindungen miteinander vernetzt. Zwischen Eingabe-

und Ausgabeschicht können weitere Zwischenschichten vorhanden sein. Durch sie können

komplexe Input-Output Beziehungen vollzogen werden.

Abb. 4.71: Struktur eines verknüpften neuronalen Netzwerkes aus drei Schichten

●= Schalteinheit (Neuron)

Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen sollte mit Hilfe des ANN ein mathematischer

Zusammenhang zwischen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Milch und

Schäumen, deren Schaumstrukturen (digitale Bilder) und Schaumstabilitäten untersucht wer-

den. Als repräsentativer Datensatz wurden die Ergebnisse von 46 Aufschäumversuchen zu-

sammengestellt. Als Eingabewerte (input) wurden digitale Bildausschnitte der Schäume

(s. Kap. 3.4.4), der Protein- und Fettgehalt, die Viskosität, der d43-Wert [µm], die Oberflä-

chenspannung [mN/m], sowie die Dichte der Milchproben (g/cm³ bei 50 °C) und der Schäu-

me verwendet. Die Klassifizierung erfolgte über binäre Ausgabewerte (output 1 bzw. 0), wo-

Instabil

Schaum-

Dichte

Stabil

Zwischen-

Schicht

Ausgabe-

Schicht

Eingabe-

Schicht

Viskosität

pH

(Input)

(Output)

Page 157

bei Schäume mit einer Drainage bis 80 % als stabil (1) und bei einer Drainagerate über 80 %

als instabil (0) bewertet wurden. Die Auswertung der Daten erfolgte mit Hilfe der Software

EasyNN plus (Vers. 3.0, Copyright © Stephen Wolstenholme, 2002-2003). Die Daten wurden

in einen Trainingsdatensatz (n = 36) und einen Validierungsdatensatz (n = 10) unterteilt.

Tab. 4.19: Neuronale Netzanalyse (Artificial Neural Networks (ANN)) zur Bewertung der

Einflussfaktoren, die die Stabilität von Milchschäumen bestimmen

> Input Schalteinheiten (Bild = 3 Input Schalteinheiten)

~ verdeckte Schichten/Zwischenschichten

< Output Schalteinheiten

IMG – Bild, P – Protein, F – Fett, D – d43 [μm], V – Viskosität [mPa*s], IT – Oberflächenspannung [mN/m],

dM – Dichte von Milch bei 50°C [g/cm³], dS – Dichte von Schaum [g/cm³].

Inputs, die nach der Sensitivitätsanalyse (Empfindlichkeitsanalyse) die höchsten Werte erbrachten, sind „fett“

gedruckt. Die Sensitivitätsanalyse ist eine Messung, inwieweit der Output sich verändert, wenn sich der Input

verändert.

Netzwerk-

struktur 1

Input 2

Relative Sensitivität

der Inputs 3

Durchschnitt

Fehler

Bewertung 4

(max. = 10)

3>8~6~4<2

IMG

100.0

0.274976

4>7~4~7<2

IMG-dS

69.3-30.7

0.269845

4>15~5~7<2

IMG-pH

82.9-17.1

0.335868

4>9~4~6<2

IMG-V

90.5-9.5

0.309296

4>9~6~7<2

IMG-IT

60.9-39.1

0.213189

5>9~7~7<2

IMG-pH-dS

64.1-17.3-18.6

0.261589

5>9~9~6<2

IMG-V-dS

66.7-26.0-7.3

0.316770

5>8~6~4<2

IMG-IT-dS

57.5-26.9-15.6

0.227133

5>6~5~4<2

IMG-P-dS

63.9-30.5-5.6

0.299794

5>7~7~4<2

IMG-F-dS

66.9-21.6-11.5

0.178055

5>6~6~6<2

IMG-dM-dS

69.6-14.0-16.4

0.223736

5>7~6~7<2

IMG-D-dS

63.3-19.9-16.8

0.202635

6>13~5~7<2

IMG-V-pH-dS

52.3-11.4-21.9-14.4

0.176600

6>10~3~5<2

IMG-IT-pH-dS

50.3-17.5-8.7-23.7

0.383255

6>12~3~5<2

IMG-P-pH-dS

41.3-11.2-18.7-28.8

0.264500

7>9~9~5<2

IMG-P-V-pH-dS

52.2-10.0-8.2-14.5-15.1

0.318476

7>7~7~5<2

IMG-V-IT-pH-dS

38.6-13.0-21.4-9.8-17.2

0.167848

7>6~6~5<2

IMG-P-IT-pH-dS

34.3-11.8-19.0-14.9-20.0

0.263969

8>9~4~5<2

IMG-P-V-IT-pH-dS

34.3-8.9-11.6-16.4-13.2-15.8

0.079908

9>15~5~6<2 IMG-P-V-IT-pH-dM-dS 26.4-13.7-3.5-14.8-9.7-16.9-15.0

0.141728

10>10~5~6<2 IMG-P-D-V-IT-pH-dM-

dS

20.5-12.3-13.0-4.0-14.2-4.4-16.9-

14.7

0.143658

11>7~8~6<2 IMG-P-F-D-V-IT-pH-

dM-dS

24.5-10.4-10.0-12.9-6.0-10.9-5.1-

10.5-9.7

0.142760

Page 158

Der relative Einfluss des Inputs ist die Summe der absoluten Gewichtungen der Kontakte von der Inputseite

zu der ersten verdeckten Zwischenschicht und eine Messung, wieviel jeder Input die nächste Schicht im

Netzwerk beeinflusst.

Die Auswertung gibt die Anzahl der richtigen gültigen Beispiele an (maximal 10), die erreicht wurden bei

einer limitierten Lernperiode von 15 Minuten (fixierte Beendigung der Periode). Wenn die maximale Menge

nicht erreicht wurde, wird die höchst erreichbare Menge angezeigt, vorausgesetzt, dass die Menge ≥ 8 und

der durchschnittliche Fehler ≤ 0,5 bleibt.

In Tabelle 4.19 sind die Ergebnisse der neuronalen Netzanalysen zusammengefasst. Unter-

schiedliche Kombinationen von Inputs wurden in das „trainierte“ Netzwerk eingegeben und

berechnet. Die Bilder der Schaumstrukturen setzen sich aus 3 Schalteinheiten zusammen. In

dem Programm werden die Netzwerkstruktur, der relative Einfluss (Sensitivität) der Inputs,

der durchschnittliche Fehler, sowie die Bewertung (Score) dargestellt. Es wird deutlich, dass

verschiedene Kombinationen der Einflussfaktoren zu unterschiedlichen Bewertungen bzw. zu

unterschiedlichen Mengen von richtigen Beispielen führen. Bei 10 von insgesamt 22 Kombi-

nationen ist eine 100 % richtige Zuordnung zu erkennen. Ein besonders hoher Informations-

gehalt für die Beurteilung der Schaumstabilität ist in den Bildern der Schaumstrukturen ent-

halten. Die alleinige Eingabe der Bilder führt 80 % zu einer richtigen Auswertung. In Kombi-

nation mit den Parametern Schaumdichte oder pH-Wert wird zu 100 % eine richtige Zuord-

nung erreicht. Die Kombination von allen verwendeten Parametern führt dagegen nur bei

80 % der Daten zu einer richtigen Zuordnung.

Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass die Analyse der Strukturen von

Milchschäumen durch digitale Bildaufnahmen in Kombination mit einem weiteren Einfluss-

faktor die Beurteilung der Schaumstabilität mit einem neuronalen Netzwerk ermöglichen.

Die Auswertungen der neuronalen Netzwerkanalysen erfolgten in Zusammenarbeit mit

Hr. Prof. Dr. H. Meisel (Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel (BFEL),

Institut für Chemie und Technologie der Milch, Standort Kiel).

Page 159

4.4. Charakterisierung der Mikrostruktur von Milchschäumen

4.4.1 Proteingehalt und Proteinzusammensetzung von Milchschäumen

Proteine gehören zu den grenzflächenaktiven Substanzen. Die Grenzfläche Luft/Serum in

Milchschäumen kann prinzipiell durch unterschiedliche Anteile von Casein- oder Molkenpro-

teinfraktionen stabilisiert werden. Um hierüber Informationen zu erlangen, wurden die Prote-

ingehalte und die Proteinzusammensetzung von Milchproben, sowie den daraus hergestellten

Milchschäumen, untersucht.

In Tabelle 4.20 sind die Proteingehalte von Schäumen aus Magermilch, die mit unterschiedli-

chen Erhitzungsverfahren behandelt wurde, nach 1 und 20 Minuten Standzeit dargestellt. Der

Proteingehalt der Milchproben wurde mit Hilfe der Eiweißbestimmung nach Kjeldahl

(VDLUFA Methodenbuch, Wiederholgrenze ± 0,005 %) bestimmt.

Tab. 4.20: Proteingehalte [%] von Schäumen aus unterschiedlich erhitzter Magermilch

(3,41 % Protein)nach 1 und 20 Minuten Standzeit

Probe, Erhitzungsver-

Fahren

Proteingehalt [%]

Schäume nach

Minute Standzeit

Proteingehalt [%]

Schäume nach

Minuten Standzeit

MM unerhitzt

3,70

3,75

MM PAST

3,83

3,95

MM HE (90 °C)

3,86

3,90

MM HE (120 °C)

3,60

3,56

MM UHT

3,64

*

*Schäume aus ultrahocherhitzter Magermilch waren über eine Standzeit von

20 Minuten nicht ausreichend stabil

Aus Tabelle 4.20 wird deutlich, dass im Vergleich zu den Ausgangsmilchproben ein gering-

fügiger Anstieg des Proteingehaltes in Schäumen nach 1 und 20 Minuten Standzeit erfolgt.

Schäume aus unterschiedlich erhitzten Magermilchproben zeigen nach 1 Minute Standzeit

einen Anstieg des Proteingehaltes um 0,2 bis 0,45 % der sich bei längerer Standzeit nicht

mehr wesentlich ändert. Tendenziell erfolgt bei Schäumen, die aus pasteurisierter oder hoch-

erhitzter (90 °C) Magermilch hergestellt wurden, im Vergleich zu Schäumen aus hocherhitz-

ter (120 °C) und ultrahocherhitzter Magermilch, eine geringfügig höhere Proteinanreicherung

im Schaum (s. Tab. 4.20).

Eine geringe Proteinanreicherung im Schaum im Vergleich zu den Ausgangsmilchproben war

auch bei weiteren Aufschäumversuchen zu beobachten. In Tabelle 4.21 und 4.22 sind Prote-

ingehalte im Schaum in Abhängigkeit von der Aufschäumtemperatur und dem Proteingehalt

dargestellt.

Page 160

Tab. 4.21: Proteingehalte [%] von pasteurisierter Magermilch und Vollmilch und daraus her-

gestellte Schäume nach 20 Minuten Standzeit in Abhängigkeit von der Auf-

schäumtemperatur

Milchprobe, Auf-

schäumtemperatur

Proteingehalt [%]

Milchprobe

Proteingehalt [%]

Schäume nach

Minuten Standzeit

MM 10 °C

3,56

3,92

MM 20 °C

3,56

3,96

MM 30 °C

3,56

3,76

MM 40 °C

3,56

3,82

MM 50 °C

3,56

3,86

MM 60 °C

3,56

3,99

VM 40 °C

3,49

3,96

VM 50 °C

3,49

3,96

Tab. 4.22: Proteingehalte [%] von Mischungen aus Retentat und Permeat ultrafiltrierter Ma-

germilch (pasteurisiert) und daraus hergestellten Schäumen nach 20 Minuten

Standzeit

Proteingehalt [%]

Ausgangsmilchprobe

Proteingehalt [%]

Schäume nach

Minuten Standzeit

0,50

0,61

1,00

1,17

1,50

1,56

2,00

2,01

2,50

2,49

3,00

3,09

3,50

3,70

4,00

4,05

4,50

4,80

5,00

5,28

5,50

5,86

6,00

6,33

Aus Tabelle 4.21 wird deutlich, dass der Proteingehalt in Schäumen aus pasteurisierter Ma-

germilch und Vollmilch (Aufschäumtemperaturen 10 bis 60 °C) nach 20 Minuten Standzeit

im Vergleich zur Ausgangsmilch um 0,2 bis 0,5 % höher ist. Auch bei Schäumen aus Mi-

schungen von Retentat und Permeat aus der Ultrafiltration von Magermilch (Variation 0,5 bis

6,0 % Protein) ist der Proteingehalt in den hergestellten Schäumen um 0,1 bis 0,4 % höher.

Page 161

Abb. 4.72: Elektropherogramme von unerhitzter Magermilch sowie Schäumen aus unter-

schiedlich erhitzter Magermilch

Probe 1 + 2: unerhitzte Magermilch

Proben 3 + 4: Schaum aus unerhitzter Magermilch nach 1 Minute Standzeit

Probe 6: Standard (Bio-RAD) Molekularmassen 10 bis 250 kD

Probe 5 + 7: Schaum aus pasteurisierter Magermilch nach 1 Minute Standzeit

Probe 8 + 9: Schaum aus pasteurisierter Magermilch nach 20 Minuten Standzeit

a – f: s. Tabelle 4.23

Tab. 4.23: Proteinzusammensetzung unerhitzter Magermilch, sowie von Schäumen aus un-

terschiedlich erhitzter Magermilch nach densitometrischer Auswertung

Probe

Proteinfraktion

Anteil

[%]

Anteil

[%]

Anteil

[%]

Anteil

[%]

αS-Casein (a)

β-Casein (b)

κ-Casein (c)

β-Lactoglobulin (d)

α-Lactalbumin (e)

γ3-Casein (f)

Casein

MP

Probe 1, 3, 5 und 8: s. Abb. 4.72

In weiteren Untersuchungen wurde die Proteinzusammensetzung von Milchproben und den

daraus hergestellten Schäumen elektrophoretisch analysiert. Mit Hilfe der Natrium-

Dodecylsulfat-Polyacrylamid-Gelelektrophorese (SDS-Page) wurden die Proteine im elektri-

schen Feld aufgrund ihrer Ladung und Größe aufgetrennt (s. Kap. 3.5.1).

250 kD

150 kD

100 kD

75 kD

50 kD

37 kD

25 kD

20 kD

15 kD

10 kD

3 4

8 9

a

b

c

d

e

f

Page 162

Abbildung 4.72 zeigt die Elektropherogramme unerhitzter Magermilch und daraus hergestell-

ter Schäume nach 1 Minute Standzeit, sowie von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch

nach 1 und 20 Minuten Standzeit. Mit Hilfe der Software TotalLab 2.1 wurden durch Mes-

sung der Bandenbreite sowie deren Intensität densitometrische Auswertungen durchgeführt

und die Anteile der Proteinfraktionen berechnet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4.23 darge-

stellt. Aus Abbildung 4.72 und Tabelle 4.23 wird deutlich, dass keine eindeutigen Unterschie-

de in der Proteinzusammensetzung von unerhitzter Milch (Probe 1) und dem daraus herge-

stellten Schaum (Probe 3) bestehen. Ebenso sind keine Unterschiede in Abhängigkeit der

Standzeit (Probe 5 und 8) nach 1 und 20 Minuten Standzeit zu erkennen. Der durchschnittli-

che Anteil der Caseinfraktionen (αS-, β-, κ- sowie γ3-Casein) beträgt 76 % und der der Mol-

kenproteinfraktionen (β-Lactoglobulin und α-Lactalbumin) 24 %. Auch in weiteren Untersu-

chungen wurde keine eindeutige Veränderung der Proteinzusammensetzung in Schäumen im

Vergleich zur Ausgangsmilch beobachtet. Tabelle 4.24 zeigt die Proteinzusammensetzung

von pasteurisierter Magermilch und den daraus hergestellten Schäumen bei unterschiedlichen

Aufschäumtemperaturen. Es ist zu erkennen, dass keine eindeutige Veränderung des Casein-

Molkenprotein-Verhältnisses in Schäumen aus Magermilch in Abhängigkeit von der Auf-

schäumtemperatur erfolgt. In weiteren Versuchen wurden diese Ergebnisse bestätigt (s. Tab.

A 17 bis A 19, Anhang).

Tab. 4.24: Proteinzusammensetzung von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch bei un-

terschiedlichen Aufschäumtemperaturen nach 20 Minuten Standzeit

Probe

Proteinfraktion

Anteil

[%]

Anteil

[%]

Anteil

[%]

Anteil

[%]

Anteil

[%]

αS-Casein (a)

β-Casein (b)

κ-Casein (c)

β-Lactoglobulin (d)

α-Lactalbumin (e)

γ3-Casein (f)

Casein

MP

Probe 13: Magermilch pasteurisiert

Probe 14: Schaum aus pasteurisierter Magermilch bei 4 °C

Probe 15: Schaum aus pasteurisierter Magermilch bei 10 °C

Probe 16: Schaum aus pasteurisierter Magermilch bei 20 °C

Probe 17: Schaum aus pasteurisierter Magermilch bei 30 °C

Page 163

Insgesamt scheint in Schäumen aus Milch eine sehr geringe Anreicherung von Protein zu er-

folgen, die sich allerdings nicht eindeutig in einer veränderten Zusammensetzung der einzel-

nen Proteinfraktionen nachweisen lässt. Diese Ergebnisse stimmen mit den Beobachtungen

von Sharp et al. [1936] überein. Die Autoren stellten fest, dass die Proteinkonzentration von

Schäumen aus Magermilch 0,1 bis 0,7 % höher ist als die in der Ausgangsmilch. Nach mehr-

maligen Aufschäumen der gleichen Milch waren keine Unterschiede in der Proteinzusam-

mensetzung in den Schäumen zu erkennen. Die Autoren schlussfolgerten, dass keine bevor-

zugte Anreicherung von Proteinfraktionen in den Schäumen erfolgt. Brooker [1986] stellte

dagegen eine Anreicherung von β-Casein im Grenzflächenmaterial von Schäumen aus Milch-

plasma fest. Ähnliche Ergebnisse sind auch von Zhang et al. [2004] beschrieben. Schäume

aus Magermilchpulver zeigten eine Anreicherung der Proteine, bevorzugt von β-Casein. Die

Autoren gaben allerdings zu Bedenken, dass bei ihren Versuchen die Konzentration des Ma-

germilchpulvers in Lösung nur ca. 1/6 (0,5 %) von dem in „normaler“ Magermilch betrug.

Die hierdurch bedingte geringe Konzentration von Ca-Ionen im Serum und die dadurch ver-

änderten Ladungsverhältnisse könnten die Diffusion von β-Casein aus der Micelle heraus

ermöglichen. Die Autoren schlussfolgerten, dass die beobachtete bevorzugte Adsoption von

β-Casein an der Grenzfläche durch das Vorhandensein von nicht-micellarem β-Casein be-

gründet ist. Bei einer Zugabe von Calciumdichlorid, welches die Diffusion von β-Casein aus

der Caseinmicelle verhindert, war keine bevorzugte Anreicherung von β-Casein in den

Schäumen vorhanden und keine eindeutigen Unterschiede zwischen den Anreicherungsraten

einzelner Proteinfraktionen zu erkennen.

Bei den hier durchgeführten Untersuchungen kann davon ausgegangen werden, dass β-Casein

hauptsächlich in den Micellen lokalisiert ist. Die in diesem Kapitel beschriebenen Ergebnisse

sind somit mit den Untersuchungsergebnissen von Zhang et al. [2004], die anhand von Ma-

germilchpulver mit einer Zugabe von Calciumdichlorid durchgeführt wurden, vergleichbar.

Page 164

4.4.2 Partikelgrößen der innerlamellaren Flüssigkeit von Milchschäumen

In der vorliegenden Untersuchung wurde die Partikelgröße der innerlamellaren Flüssigkeit

von Schäumen aus pasteurisierter Mager- und Vollmilch nach unterschiedlichen Standzeiten

im Vergleich zur Ausgangsmilch bestimmt. Dies erfolgte mit Hilfe eines Partikelmessgerätes

(Coulter LS 230) sowie durch mikroskopische Untersuchungen. Die Schäume wurden nach

unterschiedlichen Standzeiten in ein Glasgefäß umgefüllt und gerührt. Mit einer dünnen Pi-

pette wurde innerlamellare Flüssigkeit aus dem „verflüssigten“ Schaum gezogen.

Die Untersuchungen zeigten, dass die Partikelverteilungen der innerlamellaren Flüssigkeit

von Schäumen aus pasteurisierter Magermilch im Vergleich zur Ausgangsmilch nicht ab-

weicht (ohne Darstellung).

Dagegen war bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch eine Veränderung der Partikelver-

teilung in Abhängigkeit von der Standzeit zu beobachten. In Abbildung 4.73 sind die Parti-

kelverteilungen von pasteurisierter Vollmilch und der interlamellaren Flüssigkeit der daraus

hergestellten Schäume nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit dargestellt.

Partikeldurchmesser [µm]

0,01

0,1

Volume

n [%

]

VM PAST

Schaum aus VM nach 1 Min Standzeit

Schaum aus VM nach 10 Min Standzeit

Schaum aus VM nach 20 Min Standzeit

Abb. 4.73: Partikelgrößenverteilung von pasteurisierter Vollmilch und der innerlamellaren

Flüssigkeit von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch nach 1, 10 und 20 Minu-

ten Standzeit

Aus Abbildung 4.73 ist zu erkennen, dass pasteurisierte Vollmilch eine gleichmäßige Vertei-

lung der Partikeldurchmesser im Bereich zwischen 0,04 bis 2 µm zeigt. Im Vergleich hierzu

sind in der innerlamellaren Flüssigkeit von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch in Ab-

hängigkeit der Standzeit bi- bzw. trimodale Verteilungen und deutlich größere Partikel zu

Page 165

erkennen. Das erste Maximum der Verteilung ist bei 0,5 µm zu erkennen. Die Anteile der

Partikeldurchmesser der innerlamellaren Flüssigkeit sind im Vergleich zur Ausgangsmilch

geringer. Das zweite Maximum der Partikelverteilung der innerlamellaren Flüssigkeit nach 10

Minuten Standzeit ist im Größenbereich von 10 µm, und nach 20 Minuten Standzeit bei

20 µm zu erkennen. Besonders auffällig ist das dritte Maximum dieser beiden Verteilungen.

5,5 bis 6,0 % der Partikeldurchmesser liegen im Größenbereich zwischen 40 bis 80 µm.

Des weiteren wurde die Partikelverteilung der Drainage (ablaufende Flüssigkeit) von Schäu-

men aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit un-

tersucht. Hierbei zeigten sich im Vergleich zu den Ausgangmilchproben keine Unterschiede

bei der Partikelverteilung (ohne Darstellung).

L

Lamelle

Aggregat

Abb. 4.74: Lichtmikroskopische Aufnahme (400x) einer Luftblase (L) und angrenzender La-

melle in einem Schaum aus Vollmilch nach 20 Minuten Standzeit

Zur detaillierten Betrachtung der oben beschriebenen Untersuchungsergebnisse wurden

Schäume aus pasteurisierter Magermilch und Vollmilch mikroskopisch untersucht. Hierzu

wurde eine Spatelspitze Schaum auf einen Objektträger gegeben und mit einem Deckgläschen

abgedeckt. In Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch waren in der innerlamellaren Flüssig-

keit runde und eiförmige Aggregate mit Durchmessern zwischen 40 bis 80 µm zu erkennen.

Die Aggregate waren sowohl in der Nähe der Luftblase (s. Abb. 4.74) als auch innerhalb der

Lamelle lokalisiert (s. Abb. 4.75). Teilweise war eine Zusammenlagerung der Aggregate zu

größeren Einheiten (Durchmesser > 100 µm) zu beobachten (s. Abb. 4.75).

Page 166

Aggregate

Innerlamellare

Flüssigkeit

Aggregate

Innerlamellare

Flüssigkeit

Abb. 4.75: Lichtmikroskopische Aufnahmen (400x) von Aggregaten in der innerlamellaren

Flüssigkeit eines Schaums aus pasteurisierter Vollmilch nach 20 Minuten Stand-

zeit

Um zu erkennen, ob in den Aggregaten Fettkugeln enthalten sind, wurde Vollmilch wie üb-

lich bei 200/50 bar und zum Vergleich bei 50 bar homogenisiert, aufgeschäumt mit einer Nil-

rotlösung angefärbt und fluoreszenzmikroskopisch untersucht. Im Fluoreszenzmikroskop

leuchten angefärbte Fette hellgelb (s. Kap. 3.5.4).

Page 167

Abb. 4.76: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme (400x) von Aggregaten in der innerlamel-

laren Flüssigkeit eines Schaums aus pasteurisierter Vollmilch (200/50 bar homo-

genisiert) nach 20 Minuten Standzeit (Fett: Hellgelbe Farbe)

Abb. 4.77: Fluoreszenzmikroskopische Aufnahme (1000x) von einem Aggregat in der inner-

lamellaren Flüssigkeit eines Schaum aus pasteurisierter Vollmilch (50 bar homo-

genisiert) nach 20 Minuten Standzeit (Fett: Hellgelbe Farbe)

Aggregate

F

Aggregate

F

Innerlamellare

Flüssigkeit

Aggregat

F

Innerlamellare

Flüssigkeit

Page 168

Wie aus Abbildung 4.76 und 4.77 zu erkennen ist, sind in den Aggregaten der innerlamellaren

Flüssigkeit aus pasteurisierter Vollmilch nach 20 Minuten Standzeit zahlreiche Fettkugeln

enthalten. Besonders deutlich wird dies in Abbildung 4.77. Die Homogenisierung von Voll-

milch bei einem Druck von 50 bar führte zu einem d43-Wert der Fettkugeln von 1,50 µm

(s. Kapitel 4.3.8). Diese Partikelgrößen sind bei der hier verwendeten Vergrößerung (1000x)

gut erkennbar. Da Teile der Aggregate weniger angefärbt sind, setzen sich die Aggregate

höchstwahrscheinlich aus Fett und Protein zusammen.

Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass sich bei Schäumen aus Vollmilch in

Abhängigkeit von der Standzeit Aggregate bilden. Bei Schäumen aus Magermilch waren da-

gegen keine erkennbaren Veränderungen der Partikelgrößen in Abhängigkeit von der Stand-

zeit zu beobachten. Mit den bisherigen Untersuchungen kann nicht geklärt werden, aus wel-

chem Grund sich Aggregate in Schäumen aus Vollmilch bilden. Möglicherweise entstehen sie

durch eine Zusammenlagerung des Grenzflächenmaterials beim Koaleszieren der Luftblase

und dem gleichzeitigen Wasserentzug durch Drainage. Somit könnte eine Analyse der Aggre-

gate möglicherweise nähere Informationen über die Zusammensetzung der Grenzfläche

Luft/Wasser in Milchschäumen geben. In den folgenden Kapiteln werden die Strukturen der

Grenzfläche Luft/Serum in Schäumen aus pasteurisierter Mager- und Vollmilch mit Hilfe von

elektronenmikroskopischen Untersuchungen detaillierter untersucht.

Page 169

4.4.3 Mikrostruktur von Schäumen aus Magermilch

Die Analyse der Mikrostruktur von Lebensmittelemulsionen und -schäumen mit Hilfe der

Elektronenmikroskopie hat dazu beigetragen, Wechselwirkungen zwischen bestimmten Ein-

zelkomponenten und den daraus resultierende Strukturen sichtbar zu machen und damit be-

stimmte Gesetzmäßigkeiten der Emulsions- und Schaumbildung bzw. -stabilität realistisch zu

beschreiben [Buchheim, 1991]. Aguilera & Stanley [1999] geben einen Überblick der Mikro-

strukturen von Milchinhaltsstoffen, ihrer strukturbildenden Eigenschaften und ihrer Wechsel-

beziehungen während der Herstellung von Lebensmitteln. Nur wenige elektronenmikroskopi-

sche Untersuchungen von Schäumen aus Magermilch sind bisher in der Literatur beschrieben

[Brooker, 1985, Wilson, 1989].

Die Präparation der Schäume muss so vorgenommen werden, dass Luftblasen beim Einfrier-

vorgang erhalten bleiben und es zu keinen Entmischungen kommen kann. Zu geringe Ein-

friergeschwindigkeiten können zu Veränderungen der Mikrostruktur durch Eiskristallwachs-

tum führen. In Vorversuchen wurden unterschiedliche Techniken angewandt, um Schäume

für die Elektronenmikroskopie zu präparieren. Diese Versuche erfolgten in Anlehnung an die

am Institut für Chemie und Technologie angewandte Präparation von geschlagener Sahne

oder Eiskrem für die Elektronenmikroskopie. Es wurde eine kleine Spatelspitze Schaum in

Glyzerin eingelegt und auf ein Goldplättchen aufgebracht. Die Vorbehandlung mit Glyzerin

vermeidet Entmischungsvorgänge während des Einfrierens. Anschließend wurden die Träger-

plättchen mit dem Schaum in flüssigem Freon (Kältemittel) kurz eingetaucht und danach so-

fort in flüssigem Stickstoff eingefroren. Unter Vakuum wurden die gefrorenen Proben mit

einem Messer geschnitten und mit Platin und Kohlenstoff bedampft. Bei diesen Präparaten

waren im Elektronenmikroskop ausschließlich Eiskristalle und keine Schaumstrukturen zu

erkennen. Die Präparationstechnik von relativ stabilen Schäumen wie z.B. geschlagene Sahne

und Eiskrem war somit für Milchschäume, die mechanisch kaum belastbar sind, nicht geeig-

net. In einem weiteren Versuch wurde Milch mit Glyzerin vermischt und anschließend aufge-

schäumt. Die Zugabe von Glyzerin führte zu veränderten Schaumbildungseigenschaften der

Milch, so dass auch diese Präparationstechnik für elektronenmikroskopische Untersuchungen

nicht geeignet war. In den folgenden Untersuchungen wurden daher spezielle „Präparat-

Sandwiches“ hergestellt, die im flüssigen Propanstrahl eingefroren und anschließend unter

Vakuum mit Platin und Kohlenstoff bedampft wurden. Bei dieser Methode waren Schaum-

strukturen im Elektronenmikroskop zu erkennen. Die detaillierte Beschreibung dieser Präpa-

rationstechnik ist in Kapitel 3.5.5 zusammengefasst.

Bei elektronenmikroskopischen Untersuchungen von Schäumen muss insbesondere die unter-

schiedliche Größe der Luftblasen im Verhältnis zu Milchbestandteilen wie Caseinmicellen

oder Fettkugeln beachtet werden. Caseinmicellen variieren im Durchmesser zwischen 0,02

und 0,5 µm. Eine 35.000fache Vergrößerung bedeutet, dass der Durchmesser der Caseinmi-

cellen 0,7 bis 14 mm beträgt. Dagegen liegen die durchschnittlichen Blasendurchmesser von

Page 170

Milchschäumen im Größenbereich zwischen 0,01 und 1 mm. Bei einer 35000fachen Vergrö-

ßerung würde dies Durchmesser der Luftblasen von 350 mm (= 35 cm) bis 35.000 mm

(= 35 m) bedeuten. Für die elektronenmikroskopischen Untersuchungen mussten daher sehr

kleine Blasen untersucht werden.

Zur Analyse der Mikrostruktur von Schäumen aus Magermilch wurde unerhitzte, sowie pas-

teurisierte Magermilch aufgeschäumt und anschließend für die Elektronenmikroskopie präpa-

riert (s. Kap. 3.6.5). Das Volumen von Schäumen aus unerhitzter Magermilch nahm relativ

schnell ab, so dass eine Präparation nur direkt nach dem Aufschäumen möglich war (= fri-

scher Schaum aus unerhitzter Magermilch). Schäume aus pasteurisierter Magermilch wurden

sowohl direkt nach dem Aufschäumen als auch nach einer Standzeit von 20 Minuten präpa-

riert.

Abb. 4.78: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Grenzfläche Luftblase/Milch eines

Schaums aus unerhitzter Magermilch

Präparation direkt nach dem Aufschäumen (C = Casein, L = Luftblase, La = Lamelle)

C

L

La

Page 171

Abbildung 4.78 zeigt den Ausschnitt einer Luftblase und der angrenzenden Lamelle eines

Schaums aus unerhitzter Magermilch. In unerhitzter Magermilch weisen Molkenproteine eine

Größe von 3 bis 6 nm auf. Sie sind bei der hier verwendeten Vergrößerung nicht zu erkennen.

Bei den sichtbaren Strukturen kann es sich daher ausschließlich um Caseine handeln. Caseine

sind sowohl auf der Oberfläche der Luftblase (raue Struktur), als auch in der Nähe der Grenz-

fläche Luft/Serum zu beobachten. Im Gegensatz zu frischen Schäumen aus unerhitzter Ma-

germilch zeigt sich bei Schäumen aus pasteurisierter Magermilch eine „körnige“ Struktur auf

der Luftblasenoberfläche (s. Abb. 4.79 und 4.80). Zudem scheint sich mehr Protein an der

Grenzfläche Luft/Serum zu befinden. In der vorliegenden Vergrößerung kann es sich bei den

erkennbaren Proteinstrukturen sowohl um denaturiertes Molkenprotein als auch um Caseine

handeln. Die Pasteurisierung bewirkt allerdings eine relativ geringe Denaturierung.

Abb. 4.79: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Grenzfläche Luftblase/Milch eines

Schaums aus pasteurisierter Magermilch

Präparation direkt nach dem Aufschäumen

(L= Luftblase, La = Lamelle, P = Protein (Casein oder denaturiertes Molkenprotein))

L

P

P

P

P

La

Page 172

Abb. 4.80: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Grenzfläche Luftblase/Milch eines

Schaums aus pasteurisierter Magermilch

Präparation direkt nach dem Aufschäumen

(L = Luftblase, La = Lamelle, P = Protein (Casein oder denaturiertes Molkenprotein))

Schäume aus pasteurisierter Magermilch, die nach 20 Minuten Standzeit präpariert wurden,

zeigen im Gegensatz zu den Schäumen aus Magermilch, die direkt nach dem Aufschäumen

präparieret wurden, eine glatte Struktur der Luftblasenoberfläche (s. Abb. 4.81). Es sind keine

erkennbaren Proteinstrukturen (Caseinmicellen, Caseinsubmicellen, denaturiertes Molkenpro-

tein) direkt an der Grenzfläche der Luftblase zu beobachten.

L

P

P

P

P

La

Page 173

Abb. 4.81: Elektronenmikroskopische Aufnahme der Grenzfläche Luftblase/Milch eines

Schaums aus pasteurisierter Magermilch

Präparation nach 20 Minuten Standzeit (L = Luftblase, La = Lamelle, P = Protein (Casein

oder denaturiertes Molkenprotein), CM = intakte Caseinmicellen)

Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass sich die Struktur der Proteinfilme an

der Grenzfläche Luftblase/Lamelle bei Schäumen aus Magermilch sowohl in Abhängigkeit

von der Erhitzung, als auch von der Standzeit verändert. Schäume aus unerhitzter Magermilch

zeigen im Vergleich zu Schäumen aus pasteurisierter Magermilch andere Strukturen auf der

Luftblasenoberfläche. Graham und Philips [1976] beobachteten, dass bei Schäumen aus er-

hitzten Proteinlösungen, im Vergleich zu nativen nicht erhitzten Proteinlösungen, eine erhöhte

Proteinmenge an die Grenzfläche Luft/Wasser adsorbiert. Die unterschiedlichen Strukturen

könnten möglicherweise durch unterschiedliche Proteinmengen verursacht sein. Zudem

kommt es durch die Pasteurisierung zu einer partiellen Denaturierung und Interaktionen zwi-

schen Caseinen und denaturierten Molkenproteinen. Dies könnte einen Einfluss auf die Aus-

bildung und Zusammensetzung des Grenzflächenfilms haben.

Mit zunehmender Standzeit wird die Struktur auf der Oberfläche der Luftblase „glatter“ und

es ist kein „sichtbares Protein“ (Caseinmicellen, Caseinsubmicellen, denaturiertes Molkenpro-

tein) direkt an der Grenzfläche zu beobachten. Diese Beobachtung deutet daraufhin, dass eine

partielle Desorption der Proteine während der Standzeit erfolgt. Da keine Strukturen direkt an

de