Ergebnisse der orientierenden Untersuchungen zur Bestimmung der
Oberflächenhydrophobizität
Bei der Proteinhydrophobizität kann zwischen Oberflächenhydrophobizität der Proteine und
durchschnittlicher Hydrophobizität der Aminosäuren in Proteinen differenziert werden. Da
bei der Adsorption von Proteinen an Grenzflächen hydrophobe Bereiche im Molekül freige-
legt werden (s. Kap. 2.2.3), könnte davon ausgegangen werden, dass eine Korrelation zwi-
schen Hydrophobizität und Aufschäumverhalten besteht [Damodaran, 1997]. Zur Messung
der Oberflächenhydrophobizität liegt bisher keine geprüfte Methode vor [Konieczny & Uch-
man, 2002]. In den vorliegenden Untersuchungen wurde die Oberflächenhydrophobizität nach
der Methode von Lieske und Konrad [1994] analysiert. Das Prinzip der Methode beruht dar-
auf, dass die Anzahl der Detergenzmoleküle, die zur Bedeckung der hydrophoben Oberfläche
der Proteine notwendig sind, bestimmt werden. Ein Emulgator (Tween 80) bedeckt die hyd-
rophoben Stellen des Proteins, die anschließend nicht mehr für eine Farbstoffbindung zur Ver-
fügung stehen. Die Autoren untersuchten mit Hilfe dieser Methode unterschiedliche Protein-
pulver. In den vorliegenden Untersuchungen soll diese Methode in flüssigen Milchprodukten,
sowie daraus hergestellten Schäumen angewandt werden. In Vorversuchen wurde pasteuri-
sierte Magermilch für die Messungen vorbereitet und mehrfach gemessen (s. Kap. 3.3.8). Die
Ergebnisse der Dreifachbestimmungen sind in Tabelle 4.25 zusammengefasst.
Tab. 4.25: Oberflächenhydrophobizität [%] von pasteurisierter Magermilch
Probennummer Messung 1
Hydrophobizität
[%]
Messung 2
Hydrophobizität
[%]
Messung 3
Hydrophobizität
[%]
MW ± SD
Hydrophobizität
[%]
9,04
9,60
12,10
10,25 ± 1,63
7,95
13,00
7,07
9,34 ± 3,2
11,60
13,31
5,17
10,02 ± 4,29
4,79
3,16
5,82
4,59 ± 1,34
4,44
5,25
4,78
4,8 ± 0,41
3,61
7,02
0,68
3,8 ± 3,17
9,83
11,25
11,68
10,92 ± 0,97
Aus Tabelle 4.25 wird deutlich, dass eine geringe Wiederholbarkeit zwischen den Messungen
besteht. Für die Oberflächenhydrophobizität pasteurisierter Magermilch wurden Werte zwi-
schen 0,68 bis 13,31 % bestimmt. Aus den Untersuchungen wird deutlich, dass die angewand-
te Methode für die Messung der Hydrophobizität flüssiger Milchprodukte nicht geeignet ist.
Der Einfluss der Hydrophobizität der Proteine auf die Schaumbildungseigenschaften ist kri-
tisch zu hinterfragen. Im Gegensatz zu der hohen Korrelation zwischen Emulgiereigenschaf-
ten und Oberflächenhydrophobizität konnte zwischen den Schaumbildungseigenschaften und
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der Oberflächenhydrophobizität keine eindeutige Korrelation nachgewiesen werden [Kato et
al., 1983]. Townsed und Nakai [1983] berichten, dass ein Zusammenhang zwischen der
durchschnittlichen Hydrophobizität von Proteinen - nicht aber zwischen der Oberflächen-
hydrophobizität - und der Schaumbildung besteht. Folglich ist, obwohl eine starke Korrelation
zwischen Hydrophobizität und Oberflächenaktivität besteht, nur eine geringe Korrelation zwi-
schen Oberflächenhydrophobizität der Proteine und ihren Schäumungseigenschaften gegeben
[Kinsella & Phillips, 1989].
| Page 186 |
5.
Abschließende Diskussion
Milchschäume sind in den letzten Jahren in den Mittelpunkt des lebensmitteltechnologischen
Interesses gerückt, weil moderne Produkte aus Kaffee und Milch - wie beispielsweise Cap-
puccino und Latte macchiato - entwickelt wurden, aber auch weil Proteine aus Milcherzeug-
nissen als natürliche Schaumbildner als Zutat in den verschiedensten Lebensmittelsystemen
eingesetzt werden.
Die Literatur beschreibt bis zum heutigen Zeitpunkt überwiegend Untersuchungen zu den
Schaumbildungseigenschaften einzelner Milchproteinfraktionen, die zwar Modellcharakter
haben, aber die Schaumbildungseigenschaften des außerordentlich komplex zusammengesetz-
ten Systems der Milch, wie es beim lebensmitteltechnologischen Einsatz von Milch- und
Milcherzeugnissen gegeben ist, nicht erklären können. Aus diesem Grunde wurde in der vor-
liegenden Arbeit ein ganzheitlicher Ansatz zur Charakterisierung der Schaumbildungseigen-
schaften von Milch gewählt, wobei folgende Aspekte berücksichtigt wurden:
1. Aufbau eines Messplatzes zur Charakterisierung von Milchschäumen
2. Einfluss variierender Produkt- und Prozessparameter auf die Makrostruktur von
Milchschäumen
3. Charakterisierung der Mikrostruktur von Milchschäumen.
Für den Aufbau eines Messplatzes zur Charakterisierung von Milchschäumen wurden im ers-
ten Teil der Untersuchungen Milchproben mit verschiedenen haushaltsüblichen Geräten auf-
geschäumt. Dabei hat sich gezeigt, dass ein reproduzierbares Aufschäumen mit den eingesetz-
ten Geräten aufgrund einer mangelnden Reproduzierbarkeit der Prüfergebnisse nicht möglich
war. Um manuell unabhängig aufschäumen zu können, wurde als weitere Aufschäummethode
ein Standmixer eingesetzt. Es zeigte sich, dass bei dieser Methode nur sehr wenig Schaum
entsteht und die genaue Beobachtung des Schaumstrukturen nicht realisiert werden konnte. In
nachfolgenden Untersuchungen wurden daher die Schaumbildungseigenschaften von Milch
durch das Einpressen von Luft durch eine Membran untersucht. In ersten Versuchen wurde
dies durch eine Sintermetallmembran in einem Plexiglasrohr realisiert. Mit dieser Auf-
schäummethode entstand in kurzer Zeit sehr viel Schaum, der auch über einen längeren Zeit-
raum stabil war. Dieser Ansatz bot jedoch keine Möglichkeit, die Schaumdichte und Drainage
mit einer ausreichenden Präzision zu bestimmen. Die in diesen Vorversuchen erarbeiteten
Ergebnisse haben in weitergehenden Untersuchungen zu der Entwicklung einer Methodik
zum reproduzierbaren Aufschämen von Milch geführt. Die im Rahmen der Arbeit etablierte
Aufschäumanlage besteht aus einem temperierbaren, doppelwandigen Glaskörper, in den eine
Glasfritte eingebaut wurde. Das Aufschäumen erfolgt durch kontrolliertes Einpressen konditi-
onierter Druckluft über die Glasfritte in die Milch. Die Präzision des Aufschäumprozesses
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wurde überprüft. Dabei wurde für die Schaumdichte ein Variationskoeffizient von 5 % und
für die Bestimmung der Drainage am Ende der Messzeit ein solcher von 2 % ermittelt.
Die Ergebnisse der Untersuchungen zur Charakterisierung der Makrostruktur von Milch-
schäumen in Abhängigkeit variierender Produkt- und Prozessparameter sind in Tabelle 5.1
zusammengefasst. Es wird deutlich, dass eine Erhöhung des Proteingehaltesder Milch ten-
denziell zu einer Verringerung des Blasendurchmessers und gleichzeitig zu einer Zunahme
der Schaumdichte und Stabilität führt. Allgemein steht bei höheren Proteinkonzentrationen
mehr Material zur Stabilisierung der Grenzfläche zu Verfügung. Berechnungen ergaben, dass
in dem untersuchten Bereich (0,5 bis 6,0 %) mehrschichtige Grenzflächenfilme gebildet wer-
den, die mit zunehmendem Proteingehalt stabiler sind. In Bezug auf die Schaumstabilität in
Abhängigkeit vom Proteingehalt sind von Halling [1981] ähnliche Ergebnisse beschrieben
worden. Die zunehmende Schaumdichte wurde in Untersuchungen von Britten & Lavoie
[1992] sowie Webb [1941] dagegen erst bei Proteingehalten > 10 % festgestellt.
Die Untersuchungen der Schaumbildungseigenschaften in Abhängigkeit des Casein-
Molkenprotein-Verhältnissesergaben, dass die Dichte und Stabilität der Milchschäume mit
steigendem Molkenproteinanteil zunimmt (s. Tab. 5.1). In Bezug auf Schaumdichte und
Schaumstabilität zeigten Untersuchungen von Phillips et al. [1987] und Britten & Lavoie
[1992], dass mit Molkenprotein stabilere Schäume hergestellt werden können als mit Natri-
umcaseinat. Graham & Phillips [1976] stellten ebenfalls eine höhere Dichte und Stabilität bei
Schäumen aus globulären Proteinen (Molkenprotein) fest. Bei der Interpretation dieser Ergeb-
nisse muss berücksichtigt werden, dass Casein in Natriumcaseinat überwiegend als Monomer
vorliegt, wohingegen es in den vorliegenden Untersuchungen überwiegend micellar (10³ - 106
Moleküle pro Micelle) vorlag. Dickinson [1997] beschreibt, dass bei Proteinlösungen, die
sowohl globuläre als auch ungeordnete, flexible Proteine enthalten, später überwiegend dieje-
nigen im Grenzflächenfilm vorhanden sind, die zuerst adsorbieren. Übertragen auf die vorlie-
genden Studien ist davon auszugehen, dass die Grenzfläche in Milchschäumen überwiegend
durch Molkenprotein gebildet wird.
| Page 188 |
Tab. 5.1: Zusammenfassung der Ergebnisse der Untersuchungen zur Charakterisierung der
Makrostruktur von Milchschäumen
Veränderung der Oberflächenspannung (γ), Viskosität (η), pH-Wert, Schaumdich-
te und Stabilität in Abhängigkeit von chemischen und technologischen Parame-
tern
Milch
Schaum
Einflussfaktor
Bereich
γ η pH
Blasen-
Durchm.2)
Dichte Stabilität
Chemische Parameter
Proteingehalt
0,5 bis 6,0 %
~* ↑ ~
↓
↑
↑
Casein-Molkenprotein-
Verhältnis
100:0, 80:20,
60:40, 40:60, 0:100 ↑ ↓ ~1)
~
↑
↑
Fettgehalt
UHT
PAST
0 bis 15 %
~
~
↑
↑
~
~
~
~
↑
↑
↑
↑
PH-Wert
MM
VM
6,4 bis 7,0
↓
↓
~ ↑
↑
↑
↑
↓
~
↓
↓
Lactosegehalt
MM
VM
5,0 bis 7,0 %
↓
↓
↑
↑
~
~
↓
~
↓
↓
~
↓
Mineralsalzgehalt
MM
VM
0,8 bis 2,0 %
↓
↓
↑
↑
~1)
~1)
~
~
~
~
~
↓
Technologische
Parameter
Aufschäumtemperatur
MM
VM
4 bis 60 °C
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↓
↑
↑
↑
↑
Erhitzungsverfahren
≤ HE (90 °C)
> HE (90 °C)
Unerhitzt, PAST,
HE (90 °C)
HE (120 °C), UHT
↑
↓
↓
↓
~
~
↑
↑
↓
↓
↑
↓
Homogenisierdruck
VM PAST
50 bar, 100/50,
200/50,250/50 bar ~ ⇡ ~
↑
↑↓
~
Lagerungsdauer
MM
1,5 % Fett
VM
1 Tag,
4 und 16 Wochen ↓
~
↑
↑
↑
~
~
~
↓
~
↓
↑
↑
↑
↓↓
↓
↓
↑ geringe Zunahme
↑ Zunahme
↓ geringe Abnahme
↓ Abnahme
↓↓ deutliche Abnahme
↑↓ im Messbereich zu- und abnehmend
~ keine Veränderung
* Im gemessenen Zeitraum (20 Minuten) stellte sich kein Gleichgewicht der Oberflächenspannung (γ) ein
1) pH-Wert wurde auf 6,60 eingestellt
2) nach 1 Minute Standzeit
| Page 189 |
Ein Vergleich der Schaumbildungseigenschaften von Magermilch und fetthaltiger Milch
zeigte, dass die Dichte von Schäumen aus fetthaltiger Milch geringer und die Blasenvertei-
lung breiter ist. Mit steigendem Fettgehalt nahm die Schaumdichte zu und erreichte bei Fett-
gehalten ab 10 % ein gleichbleibendes Niveau. Tendenziell war eine höhere Stabilität der
Schäume mit steigendem Fettgehalt zu beobachten (s. Tab. 5.1). Dies ist partiell auf eine stei-
gende Viskosität der Milch zurückzuführen. Berücksichtigt werden muss darüber hinaus der
spezielle Fettkugelmembranaufbau homogenisierter Milch. Da sich der neu gebildete Grenz-
flächenfilm an der Fettkugel hauptsächlich aus Caseinen zusammensetzt, verhalten sich die
Fettkugeln unter bestimmten Bedingungen möglicherweise wie große Caseinmicellen [Boekel
& Walstra, 1995, Walstra, 1999 et al.].
Weiterhin wurde der Einfluss der Erhitzung und Homogenisierungauf die Schaumbil-
dungseigenschaften fetthaltiger Milch untersucht. Eine Pasteurisierung (73 °C, 20 s) von
Rohmilch und homogenisierter Vollmilch erhöhte die Stabilität der daraus hergestellten
Schäume. Die höhere Schaumstabilität basiert möglicherweise auf der partiellen Denaturie-
rung von Molkenproteinen und der damit verbundenen Auffaltung der Tertiärstruktur, sowie
der Reaktion mit der Fettkugelmembran. Möglicherweise führt dies zu einer höheren Elastizi-
tät der Fettkugelmembran, so dass diese bei Kontakt mit der Grenzfläche Luft/Wasser eine
höhere Stabilität aufweist. Untersuchungen von Cooney [1974], Zayas [1997] und Schokker
[2002] mit fetthaltigem Molkenproteinkonzentrat und Magermilchpulver führten zu ähnlichen
Ergebnissen.
Die Untersuchungen zeigten weiterhin, dass die Schaumdichte und -stabilität mit steigendem
pH-Werttendenziell abnehmen. In Bezug auf die Schaumdichte sind von Zhang et al. [2004]
ähnliche Ergebnisse für Schäume aus Magermilch- und Molkenproteinpulver beschrieben.
Prinzipiell sind die in den vorliegenden Untersuchungen ermittelten Ergebnisse zur Stabilität
von Schäumen in Abhängigkeit vom pH-Wert ebenfalls mit denen in der Literatur beschrie-
benen Arbeiten vergleichbar. Häufig ist eine höhere Schaumstabilität von Proteinen, wie z.B.
Serumalbumin und β-Lactoglobulin, in der Nähe des isoelektrischen Punktes festgestellt wor-
den. Ursache hierfür ist, dass die elektrostatische Abstoßung zwischen den Proteinen in der
Nähe des isoelektrischen Punktes geringer ist und sich die kompakten Proteine in einem höhe-
ren Ausmaß an der Grenzfläche anordnen, vermehrt Proteininteraktionen stattfinden und da-
durch dickere Grenzflächenfilme ausgebildet werden können [Mita et al., 1977, Kinsella,
1981, Kim & Kinsella, 1985, German et al., 1985, Waniska & Kinsella, 1985, Kinsella &
Phillips, 1989, Phillips et al., 1990, German & Phillips, 1994].
Im Gegensatz zum deutlichen Einfluss der zuvor beschriebenen Faktoren zeigten sich in Ab-
hängigkeit der Milchsalz- und Lactosekonzentrationunter den gegebenen Bedingungen nur
geringe Veränderungen der Schaumbildungseigenschaften. Phillips et al. [1991] beschreibt
dagegen, dass die Zugabe von Salzen Veränderungen des elektrostatischen Potentials der Pro-
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teinmoleküle bedingt und damit Einfluss auf die Schaumbildungseigenschaften hat. Augustin
[2000] gibt an, dass der Einfluss der Salze auf die Schaumbildungseigenschaften von Milch
auf Veränderungen der Caseinmicellstrukur und damit auf deren Grenzflächeneigenschaften
zurückzuführen ist. Liang und Murray [1999] stellten in ihren Untersuchungen eine geringere
Schaumstabilität bei Zugabe unterschiedlicher Zuckerarten (Lactose, Saccharose, Trehalose,
Lactitol) zu Molkenproteinlösungen fest. Die Autoren diskutieren, dass dies auf einer geringe-
ren Grenzflächenaktivität der Proteine beruht.
Aus Tabelle 5.1 ist zudem ersichtlich, dass steigende Aufschäumtemperaturenzu einer hö-
heren Schaumdichte und -stabilität führen. Innerhalb des untersuchten Temperaturbereichs
(4 bis 60 °C) wurde eine Zunahme der Schaumdichte zwischen 4 bis 10 °C sowie 20 bis
60 °C beobachtet. Die Schaumstabilität war bei Temperaturen über 20 °C deutlich höher. In
Bezug auf die Schaumdichte im unteren Temperaturbereich stimmt diese Beobachtung ten-
denziell mit den Ergebnissen von Sanmann und Ruehe [1929] überein. Phillips et al. [1995]
beobachteten dagegen bei Schäumen aus β-Lactoglobulin (pH 7,00; 0,5 % Protein) einen
zunehmenden Overrun zwischen 20 und 30 °C und ein Maximum zwischen 30 und 45 °C.
Ihre Untersuchungen zeigten ebenfalls eine zunehmende Schaumstabilität mit steigenden
Temperaturen. Patino et al. [1995] und Husband & Wilde [1999] stellten dagegen bei
Schäumen aus Caseinaten eine abnehmende Stabilität im Temperaturbereich von 5 bis 50 °C
fest. Eine mögliche Begründung für die in den vorliegenden Untersuchungen erzielten Ergebnisse
ist die zunehmende Diffusions- und Adsorptionsgeschwindigkeit der Proteine und die dadurch
bedingte schnellere Ausbildung des Grenzflächenfilms bei höheren Temperaturen. Unterstüt-
zend wirkt hierbei die Abnahme der Viskosität und der Oberflächenspannung mit steigender
Temperatur. Durch Auffaltungsreaktionen der Molkenproteine wird die Hydrophobizität er-
höht [German & Phillips, 1994]. Dies steigert die Grenzflächenaktivität und führt möglicher-
weise zur Ausbildung von elastischeren Filmen, die eine höhere Stabilität aufweisen. Auf-
grund einer höheren Diffusionsgeschwindigkeit und Hydrophobizität von Molkenproteinen
im Vergleich zu Caseinmicellen, ist eine bevorzugte Adsorption von Molkenproteinen zu
vermuten.
Die Schaumbildungseigenschaften von Milch sind sehr deutlich von dem zur Erhitzungan-
gewandten Verfahren abhängig. Schäume aus Magermilch, die bei Erhitzungstemperaturen
≤ 90 °C (pasteurisiert oder hocherhitzt) hergestellt wurden, zeigten gegenüber unerhitzter
Magermilch eine Abnahme der Schaumdichte und Zunahme der Schaumstabilität (s. Tab.
5.1). Dagegen war bei Anwendung von Erhitzungstemperaturen > 90 °C ebenfalls eine Ver-
ringerung der Schaumdichte, aber auch eine abnehmende Stabilität zu beobachten. Die ab-
nehmende Schaumdichte und der damit zunehmende Overrun von Schäumen aus Magermilch
bei Temperaturen unter 90 °C kann auf die thermisch induzierte Entfaltung der Molkenprotei-
ne zurückgeführt werden. Die Auffaltung der globulären Proteine erhöht ihre Flexibilität.
| Page 191 |
Flexible Moleküle können sich schnell an der Grenzfläche auffalten und sie stabilisieren. Die-
se Stabilisierung führt zur Bildung von großen Blasen und dadurch geringeren Schaumdich-
ten. Graham & Phillips [1976], Kinsella & Phillips [1989] und Zayas [1997] berichten eben-
falls, dass die Schaumbildung durch ein hitzebedingtes partielles Auffalten der Proteinmole-
küle gefördert wird.
Eine vollständige Denaturierung der Molkenproteine führt dagegen offensichtlich zu geringe-
ren Schaumstabilitäten. Zhu & Damodaran [1994] stellten bei Schäumen aus Molkenprotein-
isolat eine zunehmende Stabilität im Temperaturbereich bis 70 °C fest. Dagegen war bei
Schäumen aus Molkenproteinisolat, dass bei 90 °C erhitzt (Heißhaltezeit 20 Minuten) wurde,
die Stabilität deutlich geringer. Die Autoren führen dies auf die mit steigenden Temperaturen
zunehmende Bildung von Polymeren, die eine geringere Diffusionsgeschwindigkeit und
Grenzflächenaktivität aufweisen, zurück. Durch den Wärmeeintrag treten zudem Interaktio-
nen zwischen Molkenproteinen und Caseinmicellen auf, die zu einer Abnahme des Gehaltes
an „freien“ Molkenproteinen im Serum führt. Die zunehmende Bildung von hochmolekularen
Aggregaten, sowie der abnehmende Gehalt an „freiem“ Molkenprotein im Serum führen
möglicherweise zu weniger elastischen Grenzflächenfilmen und hierdurch bedingt zu geringe-
ren Stabilitäten.
Diese Annahme wird durch rheologische Messungen der unterschiedlich erhitzten Mager-
milchproben unterstützt. Die Messungen wurden an der Royal Veterinary and Agricultural
University, Department of Food Science in Kopenhagen (Dänemark) mit einem Grenzflä-
chenrheometer durchgeführt. Es zeigte sich, dass ultrahocherhitzte Magermilch im Vergleich
zu pasteurisierten oder hocherhitzten (90 °C) Proben eine geringere Grenzflächenelastizität
aufweist. Aus den Ergebnissen kann abgleitet werden, dass Schäume aus ultrahocherhitz-
ter Magermilch aufgrund der Ausbildung von weniger elastischen Grenzflächenfilmen insta-
biler sind.
Eine Lagerung(4 – 6 °C) ultrahocherhitzter Magermilch bis zu 16 Wochen führte ebenfalls
zu einer Verringerung der Schaumbildungseigenschaften (s. Tab. 5.1). Nach 16 Wochen La-
gerung schäumte ultrahocherhitzte Magermilch nicht mehr auf. Tendenziell war auch bei
Schäumen aus fetthaltiger ultrahocherhitzter Milch eine zunehmende Instabilität in Abhän-
gigkeit von der Lagerdauer zu verzeichnen. Untersuchungen mit Hilfe der Größe-
nausschlusschromatographie zeigten bei 16 Wochen gelagerter ultrahocherhitzter Magermilch
eine deutliche Zunahme an Proteinpolymeren. Lauber et al. [2001] schlussfolgern aus ihren
Beobachtungen, dass während der Lagerung nicht-enzymatische Quervernetzungsreaktionen
auftreten, die einen Einfluss auf die funktionellen Eigenschaften der Milchproteine haben.
| Page 192 |
Eine deutliche Verringerung der Fettkugelgröße in Abhängigkeit vom Homogenisierungs-
druckführte zu keinen eindeutigen Veränderungen der Schaumbildungseigenschaften. Mul-
der & Walstra [1974] beschreiben, dass kleinere Fettkugeln im Vergleich zu größeren Fettku-
geln eine geringere Tendenz haben, an die Grenzfläche zu adsorbieren. Im Rahmen ihrer Un-
tersuchungen erfolgte die Zugabe unterschiedlicher Fettkugelgrößen in Magermilch mit Hilfe
von Rohmilch (= große Fettkugeln) und homogenisierter Milch (= kleine Fettkugeln). Die
höhere Stabilität der Schäume aus Milch mit einem geringeren Fettkugeldurchmesser kann
somit möglicherweise auch auf die unterschiedliche Zusammensetzung der Fettkugelmemb-
ran zurückgeführt werden. Bei den hier durchgeführten Untersuchungen wurde in der Ten-
denz ebenfalls eine höhere Stabilität von Schäumen aus homogenisierter Milch im Vergleich
zu Schäumen aus Rohmilch festgestellt. Prins [1986] zeigte, dass die Schaumstabilität mit
steigenden Partikelgrößen bis zu einem Minimum abnimmt und anschließend wieder zu-
nimmt.
Aus Tabelle 5.1 wird zudem deutlich, dass durch die Bestimmung einzelner Faktoren (Visko-
sität, Oberflächenspannung oder pH-Wert) keine eindeutige Vorhersage über die Schaumbil-
dungseigenschaften der Milch möglich ist. Es müssen mehrere Einflussfaktoren gleichzeitig
beachtet werden. Mit Hilfe neuronaler Netzanalysen (Artificial Neuronal Networks ANN)
ist eine Einbeziehung mehrerer Faktoren, sowie eine Gewichtung einzelner Einflussfaktoren
möglich, wodurch der laboranalytische Aufwand deutlich reduziert werden kann [Meisel,
2001, Meisel et al., 1997]. In Bezug auf die Schaumstabilität der untersuchten Konfiguratio-
nen führte die alleinige Auswertung von Bildern der Blasenstruktur von Schäumen (1 Minute
Standzeit) zu 80 % zu einer richtigen Zuordnung. In Kombination mit dem Parameter pH-
Wert wurde zu 100 % eine richtige Zuordnung erreicht. Hieraus kann abgeleitet werden, dass
die Analyse der Strukturen von Milchschäumen durch digitale Bildaufnahmen in Kombinati-
on mit einem weiteren Einflussfaktor eine Beurteilung beziehungsweise Vorhersage der
Schaumstabilität mit einem neuronalen Netzwerk ermöglicht.
Die Mikrostruktur von Schäumen aus Milch wurde durch Messungen des Proteingehaltes und
der Proteinzusammensetzung in Schäumen, sowie durch licht- und elektronenmikroskopische
Untersuchungen analysiert. In Schäumen aus Milch waren geringfügig höhere Proteingehalte
(0,4 %) vorhanden als in der Ausgangsmilch. Eine Anreicherung einer bestimmten Protein-
fraktion war unter den gegebenen Untersuchungsbedingungen dagegen nicht zu erkennen.
Untersuchungen von Sharp et al. [1936] führten zu vergleichbaren Ergebnissen. Die von an-
deren Autoren [Brooker, 1986, Zhang et al., 2004] beobachtete Anreicherung von β-Casein ist
möglicherweise dadurch begründet, dass in diesen Untersuchungen nicht-micellares β-Casein
vorhanden war. Bei den hier durchgeführten Untersuchungen kann davon ausgegangen wer-
den, dass das β-Casein überwiegend in den Micellen lokalisiert war.
| Page 193 |
Aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Schäumen aus unerhitzter Milch und pas-
teurisierter Magermilchwurde 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
weisen eine raue, unregelmäßige, porenähnliche Struktur auf. Im Gegensatz hierzu zeigte sich
bei Schäumen aus pasteurisierter Magermilch eine gleichmäßige, gekörnte Struktur auf der
Luftblasenoberfläche. Graham und Phillips [1976] beobachteten, dass bei Schäumen aus er-
hitzten Proteinlösungen, im Vergleich zu solchen aus nativen, nicht erhitzten Proteinlösungen,
eine erhöhte Proteinmenge an die Grenzfläche Luft/Wasser adsorbiert. Die unterschiedlichen
Strukturen der Grenzflächenmembran in Schäumen aus erhitzter beziehungsweise nicht er-
hitzter Milch könnten möglicherweise durch unterschiedliche Proteinmengen verursacht sein.
Mit zunehmender Standzeit wurde die Struktur auf der Oberfläche der Luftblase glatter und es
war kein – unter den gegebenen Bedingungen der Auflösung des Elektronenmikroskops -
erkennbares Protein (Caseinmicellen, Caseinsubmicellen oder denaturiertes Molkenprotein)
direkt an der Grenzfläche zu beobachten. Dieses Ergebnis deutet daraufhin, dass eine partielle
Desorption der Proteine während der Standzeit erfolgt. Da direkt an der Grenzfläche Luftbla-
se/Lamelle nach 20 Minuten Standzeit keine Strukturen zu erkennen waren, ist davon auszu-
gehen, dass die Grenzfläche der Luftblase in Schäumen aus pasteurisierter Milch zu diesem
Zeitpunkt überwiegend durch natives Molkenprotein oder nicht-micellares Casein stabilisiert.
Diese Beobachtungen stimmen mit den Untersuchungen von Brooker [1985] überein.
Die Grenzflächenfilmzusammensetzung von Schäumen aus homogenisierter Vollmilch wurde
durch licht- und elektronenmikroskopische Untersuchungen analysiert. Die Ergebnisse mach-
ten deutlich, dass bei Schäumen aus Vollmilch bei einer Aufschäumtemperatur von 50 °C
koalesziertes Fett auf der Oberfläche der Luftblase vorhanden ist. Die Fettkugel scheint mit
der sie umgebenden Membran an die Grenzfläche zu adsorbieren und aufzubrechen, so dass
sich flüssiges Fett auf der Luftblasenoberfläche ausbreiten kann. Dicht an der Grenzfläche
waren Caseinsubmicellen und/oder denaturiertes Molkenprotein zu beobachten. Dagegen wa-
ren direkt an der Grenzfläche keine eindeutigen Proteinstrukturen zu erkennen. Diese
Beobachtung deutet darauf hin, dass sich in Schäumen aus Vollmilch - ähnlich wie bei
Schäumen aus Magermilch - direkt an der Grenzfläche Luft/Serum Molkenprotein oder nicht-
micellares Casein befindet. Zusätzlich brechen Fettkugeln an der Grenzfläche auf und
flüssiges Fett verteilt sich auf der Oberfläche.
Aus den Untersuchungen der Makro- und Mikrostruktur von Milchschäumenwird deut-
lich, dass im besonderem Maße Molkenproteine oder nicht-micellares Casein die Schaumbil-
dungseigenschaften von Milch beeinflussen. Caseinmicellen scheinen dagegen kein integraler
Teil der Grenzfläche von Luft/Serum in Milchschäumen zu sein.
| Page 194 |
6.
Zusammenfassung
Ziel der vorliegenden Arbeit war der Aufbau eines Messplatzes zur Charakterisierung von
Milchschäumen sowie die Untersuchung ihrer Makro- und Mikrostruktur.
Es wurde eine Methodik zum reproduzierbaren Aufschäumen von Milch entwickelt. Die im
Rahmen der Arbeit etablierte Aufschäumanlage besteht aus einem temperierbaren, doppel-
wandigen Glaskörper, in den eine Glasfritte eingebaut wurde. Das Aufschäumen erfolgt durch
kontrolliertes Einpressen konditionierter Druckluft über die Glasfritte in die Milch. Die Präzi-
sion des Aufschäumprozesses wurde überprüft. Dabei wurde für die Schaumdichte ein Varia-
tionskoeffizient von 5 % und für die Bestimmung der Drainage am Ende der Messzeit ein
solcher von 2 % ermittelt.
Der Einfluss variierender chemischer und technologischer Parameter auf die Schaumbil-
dungseigenschaften von Milch (= Makrostruktur) wurde untersucht. Die Schaumdichte
wurde durch Wägung, die Schaumstabilität durch Messung der Drainage und Blasengrößen-
verteilung in Abhängigkeit der Zeit ermittelt.
Die Schaumbildungseigenschaften von Milch sind wesentlich von dem zur Erhitzungange-
wandten Verfahren abhängig. Schäume aus Magermilch, die bei Erhitzungstemperaturen
≤ 90 °C (pasteurisiert oder hocherhitzt) hergestellt wurde, zeigen gegenüber unerhitzter
Magermilch eine Abnahme der Schaumdichte und Zunahme der Schaumstabilität. Dagegen
ist bei Anwendung von Erhitzungstemperaturen > 90 °C ebenfalls eine Verringerung der
Schaumdichte, aber auch eine abnehmende Stabilität zu beobachten. Die Drainage von
Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch beträgt innerhalb der Standzeit von 20 Minuten
100 %. Rheologische Messungen an der Royal Veterinary- and Agricultural University,
Department of Food Science in Kopenhagen (Dänemark) mit Hilfe eines Grenzflächenrheo-
meter machen deutlich, dass ultrahocherhitzte Magermilch im Vergleich zu pasteurisierten
oder hocherhitzten (90 °C) Proben eine geringere Grenzflächenelastizität aufweist. Aus den
Ergebnissen kann abgleitet werden, dass Schäume aus ultrahocherhitzter Magermilch auf-
grund der Ausbildung von weniger elastischen Grenzflächenfilmen instabiler sind.
Steigende Aufschäumtemperaturenführen sowohl bei Schäumen aus Magermilch als auch
bei solchen aus Vollmilch zu einer zunehmenden Schaumdichte und –stabilität. Innerhalb des
untersuchten Temperaturbereichs (4 bis 60 °C) ist eine Zunahme der Schaumdichte zwischen
4 bis 10 °C sowie 20 bis 60 °C zu beobachten. Die Schaumstabilität ist bei Temperaturen
oberhalb von 20 °C deutlich höher. Schäume aus Vollmilch zeigen im Vergleich zu Schäu-
men aus Magermilch bei Temperaturen unterhalb von 40 °C eine wesentlich geringere Stabili-
tät.
| Page 195 |
Die Erhöhung des Proteingehaltes(0,5 bis 6,0 %) der Milch führt tendenziell zu einer Ver-
ringerung des Blasendurchmessers und gleichzeitig zu einer Zunahme der Schaumdichte und
-stabilität. Berechnungen zufolge entstehen in dem untersuchten Bereich mehrschichtige
Grenzflächenfilme, die mit zunehmenden Proteingehalt stabiler sind. Untersuchungen der
Schaumbildungseigenschaften in Abhängigkeit des Casein-Molkenprotein-Verhältnisses
machen zudem deutlich, dass die Dichte und Stabilität der Milchschäume mit steigendem
Molkenproteinanteil zunimmt. Dies korreliert mit einer zunehmenden Oberflächenspannung.
Ein Vergleich der Schaumbildungseigenschaften von Magermilch und fetthaltiger Milch
(1,5 bis 15 % Fett) zeigt, dass die Dichte von Schäumen aus fetthaltiger Milch geringer und
die Blasenverteilung breiter ist. Mit steigendem Fettgehalt nimmt die Schaumdichte zu. Ten-
denziell ist eine höhere Stabilität der Schäume mit steigendem Fettgehalt zu beobachten. Dies
ist partiell auf eine steigende Viskosität der Milch zurückzuführen. Berücksichtigt werden
muss darüber hinaus der spezielle Fettkugelmembranaufbau homogenisierter Milch.
Der Einfluss der Zusammensetzung der Fettkugelmembran auf die Schaumbildungseigen-
schaften von Milch wird ebenfalls an vergleichenden Untersuchungen von Rohmilch und ho-
mogenisierter Vollmilch deutlich. Eine Pasteurisierung (73 – 75 °C, 20 s) von Rohmilch und
homogenisierter Vollmilch erhöht die Stabilität der daraus hergestellten Schäume. Rohmilch,
die ohne Erhitzung homogenisiert wurde, schäumt nicht auf.
Untersuchungen der Schaumbildungseigenschaften in Abhängigkeit des pH-Wertes machen
deutlich, dass eine Erhöhung des pH-Wertes(6,4 bis 7,0) bei Schäumen aus Magermilch zu
einer Abnahme der Schaumdichte führt, wohingegen bei Schäumen aus Vollmilch keine ein-
deutigen Veränderungen zu beobachten sind. Sowohl bei Schäumen aus Magermilch als auch
bei solchen aus Vollmilch ist eine geringere Stabilität mit steigendem pH-Wert vorhanden.
Eine Lagerung(4 bis 6 °C) ultrahocherhitzter Magermilch bis zu 16 Wochen führt zu einer
Verringerung der Schaumbildungseigenschaften. Nach 16 Wochen Lagerung schäumt ultra-
hocherhitzte Magermilch nicht mehr auf. Tendenziell ist auch bei Schäumen aus fetthaltiger
ultrahocherhitzter Milch eine zunehmende Instabilität in Abhängigkeit der Lagerdauer zu ver-
zeichnen. Untersuchungen mit Hilfe der Größenausschlusschromatographie zeigen bei
16 Wochen gelagerter ultrahocherhitzter Magermilch eine deutliche Zunahme an Protein-
polymeren.
Im Gegensatz zum deutlichen Einfluss der zuvor beschriebenen Faktoren sind in Abhängig-
keit der Milchsalz- und Lactosekonzentration sowie des Homogenisierungsdrucksunter
den gegebenen Bedingungen nur geringe Veränderungen der Schaumbildungseigenschaften
zu beobachten.
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Insgesamt wird aus den Untersuchungen zur Makrostruktur von Milchschäumen deutlich,
dass eine zunehmende Schaumdichte zu einer zunehmenden Stabilität führt. Ausnahmen bil-
den Schäume aus ultrahocherhitzter Milch, die bis zu 16 Wochen gelagert wurde, sowie
Schäume aus Magermilch, die bei Erhitzungstemperaturen ≤ 90 ° C (pasteurisiert oder hoch-
erhitzt) hergestellt wurde.
Durch die Bestimmung einzelner Parameter wie Viskosität, Oberflächenspannung, Partikel-
verteilung oder pH-Wert ist keine eindeutige Vorhersage über die Schaumbildungseigenschaf-
ten der Milch möglich. Mit Hilfe neuronaler Netzanalysen (Artificial Neuronal Networks
ANN)können dagegen mehrere Faktoren einbezogen und gewichtet werden. In Bezug auf die
Schaumstabilität führt bei 80 % der untersuchten Konfigurationen die alleinige Auswertung
von Bildern der Blasenstruktur von Schäumen (1 Minute Standzeit) zur richtigen Zuordnung.
In Kombination mit dem Parameter pH-Wert wurde zu 100 % eine richtige Zuordnung er-
reicht. Hieraus kann abgeleitet werden, dass die Analyse der Strukturen von Milchschäumen
durch digitale Bildaufnahmen in Kombination mit einem weiteren Einflussfaktor die Beurtei-
lung der Schaumstabilität mit einem neuronalen Netzwerk ermöglicht.
Die Bestimmung von Proteingehalt und Proteinzusammensetzung sowie licht- und elektro-
nenmikroskopische Untersuchungen ermöglichen die Analyse der Mikrostruktur von Milch-
schäumen.
In Schäumen aus Milch sind im Vergleich zur Ausgangsmilch geringfügig höhere Proteinge-
halte (0,4 %) vorhanden. Eine Anreicherung einer bestimmten Proteinfraktion ist unter den
gegebenen Untersuchungsbedingungen dagegen nicht zu erkennen.
Aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen von Schäumen aus unerhitzter und pasteuri-
sierter Magermilchwird 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 weisen eine
unregelmäßige, raue, porenähnliche Struktur auf. Im Gegensatz hierzu zeigt sich bei Schäu-
men aus pasteurisierter Magermilch eine regelmäßige, gekörnte Struktur auf der Luftblasen-
oberfläche. Mit zunehmender Standzeit wird die Struktur auf der Oberfläche der Luftblase
glatter und es ist kein - unter den gegebenen Bedingungen der Auflösung des Elektronen-
mikroskops - erkennbares Protein (Caseinmicellen, Caseinsubmicellen oder denaturiertes
Molkenprotein) direkt an der Grenzfläche zu beobachten. Dieses Ergebnis deutet daraufhin,
dass eine partielle Desorption der Proteine während der Standzeit erfolgt. Da direkt an der
Grenzfläche Luftblase/Lamelle nach 20 Minuten Standzeit keine Strukturen zu erkennen sind,
wird die Grenzfläche der Luftblase in Schäumen aus pasteurisierter Milch zu diesem Zeit-
punkt möglicherweise überwiegend durch natives Molkenprotein oder nicht-micellares Casein
stabilisiert.
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Elektronenmikroskopische Untersuchungen von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch
(Aufschäumtemperatur von 50 °C) zeigen zudem, dass koalesziertes Fett auf der Oberfläche
der Luftblase vorhanden ist. Die Fettkugel scheint mit der sie umgebenden Membran an die
Grenzfläche zu adsorbieren und aufzubrechen, so dass sich flüssiges Fett auf der Luftblasen-
oberfläche ausbreiten kann. Dicht an der Grenzfläche sind Caseinsubmicellen und/oder dena-
turiertes Molkenprotein zu beobachten, dagegen sind direkt an der Grenzfläche keine eindeu-
tigen Proteinstrukturen zu erkennen. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass sich in
Schäumen aus Vollmilch - ähnlich wie bei Schäumen aus Magermilch - direkt an der Grenz-
fläche Luft/Serum natives Molkenprotein oder nicht-micellares Casein befindet. Zusätzlich
brechen Fettkugeln an der Grenzfläche auf und flüssiges Fett spreitet sich auf der Oberfläche.
Aus den Untersuchungen der Makro- und Mikrostruktur von Milchschäumen wird insge-
samt deutlich, dass im besonderem Maße Molkenproteine oder nicht-micellares Casein die
Schaumbildungseigenschaften von Milch beeinflussen. Caseinmicellen scheinen dagegen kein
integraler Teil der Grenzfläche von Luft/Serum in Milchschäumen zu sein.
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7.
Summary
The aim of this study was to construct a test set-up capable of characterizing formation, drain-
age and macro- and microstructure of different milk foams.
A method for reproducible foaming of milk was developed. The foaming system established
as prerequisite for this study consists of a double-walled glass body that can keep a chosen
temperature. By forcing compressed air through a glass membrane in the bottom of the glass
body the milk is foamed. By controlling the precision of this process the variation coefficient
of 5 % was calculated for the foam density and a coefficient of 2 % for the drainage at the end
of the measuring. The influence of variable chemical and technological parameters of milk on
the foaming behaviours, i.e. macrostructurewas examined. The foam density was deter-
mined by weighing, the foam stability was calculated by measuring the drainage and bubble
size distribution.
The foaming properties of milk depend particularly on the applied heat treatment. Foams
made from skim milk, produced at heating temperatures up to 90 °C (pasteurized or high heat
treated), show a decrease in foam density and an increase in foam stability compared with
foams of unheated skim milk. By contrast, heating temperatures of more than 90 °C cause
both a reduction in foam density and stability. Foams of ultra-high-heat treated skim milk are
totally drained within 20 minutes.
Interfacial rheological measurements at the Royal Veterinary- and Agricultural University,
Department of Food Science in Copenhagen (Denmark) show that ultra-high-heat treated
skim milk has a lower interfacial elasticity compared with pasteurized or high heat treated
(90 °C) samples. From these results it can be deduced that foams of ultra-high-heat treated
skim milk are less stable because they form less elastic interfacial films.
Increasing foaming temperaturescause higher density and higher stability of foams of both
skim milk and whole milk. Within the selected temperature range (4 to 60 °C), an increase in
foam density can be observed between 4 to 10 °C and 20 to 60 °C. The stability of foam is
much higher at temperatures above 20 °C. Foams of whole milk have a much lower stability
at temperatures below 40 °C as compared to foams of skim milk.
When raising the protein contentof the milk from 0.5 % to 6.0 % there is a tendency of bub-
ble size reduction and an increase in foam density and stability at the same time. According to
calculations multi-layers develop which are better stabilized by increasing protein addition.
Influence of casein-whey-protein-ratioon the foaming properties show that density and sta-
bility of the milk foams increase when the whey protein portion is increased. This increase
correlates with the increase in surface tension.
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A comparison of foaming properties of skim milk and milk with fat(1.5 to 15 % fat content)
shows that the density of foams containing fat is lower and the bubble size distribution is lar-
ger. With an increase in fat content, the density of foams is increased. There is a tendency that
foams of higher fat content show more stability. The reason for it can partly be explained by
the increase in viscosity of the milk. Also the composition of the fat globule membrane of
homogenized milk has to be considered.
The influence of the composition of the fat globule membrane on the foaming behaviour of
milk also gets clear in comparing studies of raw milk and homogenized whole milk. By
pasteurizing (73 – 75 °C, 20 sec) raw milk and homogenized whole milk the stability of the
resulting foams increases. Raw milk, which has been homogenized without heat treatment,
does not foam.
Influence of pHon the foaming behaviour clearly show that an increase in pH in the range 6.4
to 7.0 results in skim milk foams of lower density whereas no obvious changes is seen
between samples of whole milk foams. Skim milk foams as well as whole milk foams are less
stable when the pH increases.
The storage (4 to 6 °C) of ultra-high-heat treated skim milk up to 16 weeks leads to a decrease
in foaming behaviour. After 16 weeks storage, ultra-high-heated skim milk does not foam
anymore. Increasing storage time of ultra-high-heated low-fat and whole milk also causes a
tendency of decreasing foam stability. Chromatographic analysis shows a clear increase of
protein polymers for ultra-high-heated skim milk which has been stored for 16 weeks.
Unlike the clear influence of the parameters mentioned above there are only small changes of
the foaming behaviour dependence on the milk salt and lactose concentration as well as
homogenization pressure.
Examination of milk foam macrostructure clearly shows that an increasing foam density leads
to higher stability. Foams of ultra-high-heat treated milk which has been stored up to 16
weeks, as well as foams of skim milk, which has been produced at heating temperatures of up
to 90 °C (pasteurized or high heat treated) do not show the same behaviour.
Parameters such as viscosity, surface tension, particle size distribution or pH can not predict
foaming behaviour of milk. On the other hand, the mentioned parameters can be included and
assessed with the aid of Artificial Neuronal Networks (ANN). With ANN analysis of foam
image examinations, 80 % of the analysed configurations can predict foam stability. In com-
bination with the parameter pH value, foam stability for all samples of the analysis could be
predicted. It can be deduced that with the help of ANN, foam stability can be predicted by
digital images in combination with one other parameter.
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Light- and electron microscopy examinations make it possible to analyse the microstructure
of milk foams.
Analysis of protein content and protein composition reveals that protein contents in milk
foams are slightly higher than in pure milk. However, an enrichment of a certain protein frac-
tion cannot be discovered under the given experiment conditions.
Electron microscopy images show clearly that the structure of the protein films at the
air/water interface of skim milk foams depends on heat treatment and storage time. Foams of
raw skim milk have an irregular, coarse, porous structure and foams of pasteurized skim milk
have a regular and granular structure on the air/water interface. When the time after milk
foaming increases, the structure of the air/water interface gets smoother and – under potential
magnification– no recognizable protein (casein micelle, casein submicelle or denatured whey
protein) can be detected on the interface. This indicates that a partial desorption of proteins
from the interface takes place after foaming. As no structures can be seen right at the air/water
interface 20 minutes after foaming, the interface of foams made from pasteurized milk is this
time possibly stabilized by mainly native whey protein or non-micellar casein.
Additionally electron microscopy examinations of foams of pasteurized whole milk (foaming
temperature 50 °C) show that coalescence of fat occurs on the surface of the air bubble. The
fat globule seems to adsorb at the interface. When the fat globule membrane breaks the liquid
fat can spread out at the surface of the bubble. Close to the interface casein submiclles and/or
denatured whey protein can be recognized. However, no protein structures can be recognized
at the interface. These findings indicate that native whey protein or non-micellar casein is
right on the air/serum interface of whole milk foams - similar as in foams of skim milk. In
addition, fat globules break on the interface and liquid fat spreads on the surface.
In summary the examinations of the macro- and microstructure of milk foams show, that es-
pecially whey proteins or non-micellar casein have an influence on the foaming behaviour of
milk. Casein micelles, however, seem not to be integrated in the air/water interface of milk
foams.
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Literaturverzeichnis
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