Elektronenmikroskopische Untersuchungen

Die mit Hilfe der Gefrierbruchtechnik hergestellten Präparate wurden mit einem Transmissi-

onselektronenmikroskop (FEI Company, Philips, Niederlande) untersucht. Die Beschleuni-

gungsspannung betrug 80 kV (1,5 x 100 m/s). Durch das Bedampfen der Proben mit Platin

und Kohlenstoff (s. Kapitel 3.5.5.2) waren unterschiedliche Schichtdicken entstanden, die

unterschiedlich durchlässig für den Elektronenstrahl waren. Hierdurch entstand ein Bild mit

Pt/C

45°

C C C C C C C C C C C C

Fett

Pt/C

Pt/C

Page 54

unterschiedlichen Grauschattierungen, die die Struktur des Präparates widerspiegelten. Die

Bilderfassung erfolgte auf Planfilm (Kodak).

Die elektronenmikroskopischen Untersuchungen erfolgten in Zusammenarbeit mit Fr. Dr.

Schrader (Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel (BFEL), Institut für

Chemie und Technologie der Milch, Standort Kiel).

3.6

Statistische Auswertung der Untersuchungsergebnisse

Die Daten der Messungen der Milchproben von Viskosität, Oberflächenspannung und Parti-

kelgrößenverteilung beruhen auf Doppelbestimmungen. Die Analyse der Drainage

(Kap. 3.4.1), Schaumdichte (Kap. 3.4.2) und Blasengrößenverteilung (Kap. 3.4.3) erfolgte

durch Dreifachbestimmungen. Aus den Daten der Dreifachbestimmung wurde der Mittelwert,

sowie die Standardabweichung (sr, s. Formel. 3-10) berechnet. Eine detaillierte Beschreibung

der Auswertung der Blasendurchmesser von Schäumen ist im Kapitel 3.4.3 zusammengefasst.

Messwert

x

Messwerte

der

Anzahl

n

)1n(n

)x(

xn

s

r

=

=

−

−

=

∑

∑

(3-10)

Die Bestimmung der Präzision der Methode erfolgte anhand der Berechnung des Gesamtmit-

telwertes (x), der Wiederhol-Standardabweichung (sr), der Wiederholgrenze (r) und des Wi-

derhol-Variationskoeffizienten (V(x)) innerhalb einer Versuchsreihe (n = 8-9) gemäß

DIN ISO 5725-1 (s. auch Kap. 4.2.1).

Die Wiederholgrenze (r) ist der Wert, unter dem oder gleich dem der Betrag der Differenz

zwischen zwei unter Wiederholbedingungen gewonnenen Ermittlungsergebnissen mit einer

Wahrscheinlichkeit von 95 % erwartet werden kann.

Für r gilt gemäß DIN ISO 5725:

Wiederholgrenze r = 2,8 * sr

(3-11)

Hieraus kann der Wiederhol-Variationskoeffizient berechnet werden

Wiederhol-Variationskoeffizient V(x) =

x

100*s

r

[%]

(3-12)

Page 55

4.

Ergebnisse und Diskussion

4.1

Vorversuche

Aus Rohmilch wurde Vollmilch (3,5 % Fett), fettarme Milch (1,6 % Fett) und Magermilch

hergestellt. Die Milchproben wurden homogenisiert, unterschiedlich wärmebehandelt und

gelagert. Das Aufschlagen der Proben erfolgte mit drei verschiedenen haushaltsüblichen Ge-

räten (Aero Latte, Quirlbesen und Bodum-Milchaufschäumer). Es wurden die Parameter Fett-

gehalt, Erhitzungsverfahren, Aufschlagtemperatur, Lagerdauer und Lagerungstemperatur der

Milchproben variiert. Durch die Aufschäumversuche konnten erste Ergebnisse zur Charakte-

risierung von Milchschäumen erzielt werden. In Abhängigkeit des Aufschlaggerätes zeigten

sich unterschiedliche Schaumstrukturen. Schäume aus Magermilch erreichten generell das

höchste Volumen, während fettarme im Mittel zu den niedrigsten Schaumvolumina führte.

Die Stabilität der Schäume in Abhängigkeit des Fettgehaltes war nicht eindeutig unterschied-

lich. Die bei 50 °C aufgeschäumten Milchproben wiesen eine deutlich bessere Stabilität auf

als die auf 70 °C erhitzten. Das Wärmebehandlungsverfahren war bei frischen Proben für die

Schaumfähigkeit von untergeordneter Bedeutung. Eine längere Lagerzeit führte nur bei fett-

haltigen Sterilmilchproben zu einer abnehmenden Schaumbildung und –stabilität [Wieczorek,

2002, Hoffmann et al., 2002].

Das reproduzierbare Aufschäumen von Milch mit Handaufschlaggeräten ist relativ schwierig,

da die Vergleichsgrenze der Prüfergebnisse hoch ist. Um mit einer reproduzierbaren Technik

aufschäumen zu können, wurde nach einer weiteren Methode gesucht, mit der Milch manuell

unabhängig aufgeschäumt werden kann und die im Labormaßstab einsetzbar ist.

Untersucht wurde zunächst das Aufschäumen von Milch mit einem Standmixer. Um die

Temperatur während des Aufschäumens konstant zu halten, wurde ein Plexiglasaufsatz zu-

sätzlich mit einem Wassermantel umgeben. Es zeigte sich, dass bei dieser Aufschäummethode

nur sehr wenig Schaum entsteht und die Abnahme der Schäume zur weiteren Analyse und die

genaue Beobachtung des Schaumstrukturen nicht möglich ist. In nachfolgenden Versuchen

wurden daher die Schaumbildungseigenschaften von Milch durch das Einpressen von Luft

durch eine Membran untersucht. In ersten Versuchen wurde dies durch eine Sintermetall-

membran in einem Plexiglasrohr realisiert. Mit dieser Aufschäummethode entstand in kurzer

Zeit sehr viel Schaum, der auch über einen längeren Zeitraum stabil war. Zusätzlich wurde

versucht, die Schaumstabilität durch Leitfähigkeitsmessungen zu charakterisieren. Da dieses

Verfahren jedoch keine ausreichende Präzision ergab, wurden die Schaumdichte und die

Drainage durch Wägung ermittelt. Hierzu musste es möglich sein, den Schaum von der Auf-

schäumanlage abzunehmen, ohne ihn dabei zu zerstören. Als Resultat dieser Vorversuche

wurde eine Aufschäumanlage entwickelt, die aus zwei Teilen besteht, wobei der obere Teil, in

dem der Schaum sich befindet, abnehmbar ist. Die ablaufende Drainageflüssigkeit kann somit

in einem zusätzlichen Gefäß aufgefangen werden und die Menge auf einer tarierten Waage

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erfasst werden. Eine detaillierte Beschreibung der in dieser Arbeit verwendeten Aufschäum-

methode ist in Kapitel 4.2 dargestellt.

4.2 Entwicklung einer Methodik zum reproduzierbaren Aufschäumen von Milch

Ein Ziel der Untersuchungen war, ein Verfahren zum reproduzierbaren Aufschäumen von

Milch zu entwickeln. Unter Berücksichtigung der Ergebnisse aus den Vorversuchen

(s. Kap. 4.1) und um eine zusätzliche Scherbeanspruchung der Inhaltsstoffe durch ein Rühr-

werk zu vermeiden, wurde eine Glasfritte derart modifiziert, dass Milchproben ausschließlich

mit Luft aufgeschäumt werden können. Die in den vorliegenden Untersuchungen eingesetzte

Anlage zum Aufschäumen von Milch ist in Abbildung 4.1 und 4.2 dargestellt.

Druckluft

Glasfritte

Wasser

Probe

Schaum

Meßkolben

Schaum

200 ml

Abb. 4.1: Aufschäumen von Milch mit Abb. 4.2: Bestimmung der Drainageflüssigkeit

Luft durch eine Glasfritte

und Blasengrößenverteilung

Die Anlage stellt eine Weiterentwicklung bereits beschriebener Aufschäumanlagen dar

[Waniska & Kinsella, 1979, Yu & Damodaran, 1991, Fains et al., 1997, Ralet & Gueguen,

2001]. Sie besteht aus einem doppelwandigen Glaskörper und einem abnehmbaren Glaskol-

ben. Der Schaum wird in dem mit Warmwasser beheizten doppelwandigen Glaskörper durch

Glasfritte

Erlenmeyerkolben

Meßkolben

Schaum

Ml

Drainageflüssigkeit

Waage

Digital-

camera

Licht-

quelle

Trichter

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das Einblasen von Luft (4 l/h) über eine Glasfritte (Porengröße 9 bis 15 μm) erzeugt. Bei

einem Schaumvolumen von 200 cm³ im Glaskolben wird die Gaszufuhr gestoppt und der

Glaskolben am oberen Ende mit einem Stopfen verschlossen, vom unteren Glasköper

abgenommen und auf einen Trichter mit einer Glasfritte (Porengröße 90 bis 150 μm) gesetzt

(s. Abb. 4.2). Die Bestimmung der Schaumdichte, der Drainage und der

Blasengrößenverteilung sind in den Kapiteln 3.4.1 bis 3.4.3 beschrieben.

4.2.1 Präzision der Aufschäummethode

Die Präzision ist gemäß DIN ISO 5725 definiert als „Ausmaß der gegenseitigen Annäherung

zwischen unabhängigen Ermittlungsergebnissen, die unter festgelegten Bedingungen

gewonnen sind“.

Bei der verwendeten Aufschäummethode (s. Kap. 4.2) wurden die Schaumdichte und die

Drainage der jeweiligen Proben gemessen. Die Aufschäumtemperatur betrug 50 °C. Zur

Bestimmung der Präzision der beiden Parameter wurden pasteurisierte und ultrahocherhitzte

Milchproben mit Fettgehalten von 1,5 und 3,5 % jeweils einen Tag bei 4 bis 6 °C gelagert und

am folgenden Tag aufgeschäumt. In Tabelle 4.1 sind die Versuchsreihen zusammengefasst.

Tab. 4.1: Versuchsreihen zur Bestimmung der Präzision der Aufschäummethode

Versuchsreihe

Fettgehalt [%]

Erhitzungsverfahren Aufschäumversuche

V1

1,5

PAST

V2

3,5

PAST

V3

1,5

UHT

V4

3,5

UHT

Veruchsreihe

Sc

haumdichte [g

/cm³]

0,14

0,15

0,16

0,17

0,18

0,19

0,20

0,21

V1 (1,5 % PAST)

V2 (3,5 % PAST)

V3 (1,5 % UHT)

V4 (3,5 % UHT)

Abb. 4.3: Dichte von Schäumen aus den Versuchsreihen 1 bis 4

Page 58

Innerhalb einer Versuchsreihe wurden 8 oder 9 Aufschäumversuche ausgeführt (n = 8 - 9).

Die Dichte der Schäume aus Milch der einzelnen Versuchsreihen ist in Abbildung 4.3 darge-

stellt. Die Präzisionsdaten der Messungen der Schaumdichte sind in Tabelle 4.2 zusammenge-

fasst. Die Formeln zur Berechnung der Wiederhol-Standardabweichung (SD), Wiederhol-

grenze (r) und des Variationskoeffizienten V(x) sind in Kapitel 3.7 beschrieben.

Tab. 4.2: Präzisionsdaten (Mittelwert (MW), Wiederhol-Standardabweichung (SD), Wie-

derholgrenze (r) und Wiederhol-Variationskoeffizient (V(x)), der Messungen der

Dichte von Schäumen [g/cm³] der Versuchsreihen V1 bis V4

Versuchsreihe

MW

[g/cm³]

SD

r

[g/cm³]

V(x)

[%]

V1 (1,5 % PAST)

0,194

0,009

0,025

4,64

V2 (3,5 % PAST)

0,193

0,005

0,014

2,59

V3 (1,5 % UHT)

0,162

0,005

0,014

3,09

V4 (3,5 % UHT)

0,154

0,005

0,014 3,25

Aus Abbildung 4.3 und Tabelle 4.2 wird deutlich, dass die Wiederholgrenze (r) der Schaum-

dichte in Versuchsreihe V1 0,025 g/cm³ beträgt. Dies bedeutet, dass die Differenz zwischen

zwei unter Wiederholbedingungen gemessenen Dichten von Schäumen aus pasteurisierter

Milch (1,5 % Fett) mit einer Wahrscheinlichkeit von 95 % maximal 0,025 g/cm³ beträgt. Die

Wiederholgrenze der Messungen in den Versuchsreihen V2 bis V4 ist dagegen geringer

(0,014 g/cm). Der Variationskoeffizient der Messungen liegt in allen Versuchsreihen unter-

halb von 5 %.

Zur Beurteilung der Stabilität von Schäumen wird die Drainage in Abhängigkeit von der

Standzeit als geeigneter Parameter beschrieben. In Abbildung 4.4 ist die Wiederholgrenze (r)

der Drainage von Schäumen der Versuchsreihen V1 bis V4 (s. Tab. 4.1) in Abhängigkeit von

der Zeit dargestellt. Tabelle 4.3 zeigt die berechneten Präzisionsdaten der Drainage innerhalb

der einzelnen Versuchsreihen nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit. Aus Abbildung 4.4 ist zu

erkennen, dass sich die Wiederholgrenze (r) der Drainage innerhalb einer Versuchsreihe in

Abhängigkeit von der Standzeit verändert. Besonders deutlich ist dies in den Versuchsreihen

V3 und V4 zu beobachten, in denen ultrahocherhitzte Milchproben aufgeschäumt wurden. In

Versuchsreihe V3 sinkt die Wiederholgrenze (r) von maximal 5 % nach 1 Minute Standzeit

auf 2,3 % nach 20 Minuten Standzeit (s. auch Tab. 4.3). Im Vergleich zu den Versuchsreihen

V3 und V4, sind in den Versuchsreihen V1 und V2 (pasteurisierte Milchproben) die Wieder-

holgrenzen (r) der Drainage nach 1 Minute Standzeit geringer (ca. 2 %). Mit zunehmender

Standzeit ist bei diesen Versuchsreihen ein Anstieg der Wiederholgrenze auf 2,5 bis 3 % zu

Page 59

verzeichnen. Nach 20 Minuten Standzeit liegt die Wiederholgrenze bei allen Versuchsreihen

unter 2 %. Die hohe Streuung der Drainage innerhalb einer Messreihe nach 1 Minute Stand-

zeit ist deutlicher anhand des Wiederhol-Variationskoeffizienten (V(x)) zu erkennen. Nach

1 Minute Standzeit beträgt der Wiederhol-Variationskoeffizient maximal 24,4 % (bei V4).

Die Drainagemessungen nach 10 und 20 Minuten zeigen dagegen bei allen Versuchsreihen

einen Wiederhol-Variationskoeffizienten unter 2 %.

Zeit [min]

W

ie

d

e

rh

o

lgren

ze

(r) de

r D

raina

ge

[%

]

V1 (1,5 % PAST)

V2 (3,5 % PAST)

V3 (1,5 % UHT)

V4 (3,5 % UHT)

Abb. 4.4: Wiederholgrenze (r) der Drainage in Abhängigkeit der Zeit [s] von Schäumen der

Versuchsreihen 1 bis 4

Tab. 4.3: Wiederhol-Standardabweichung (SD), Wiederholgrenze (r) und Wiederhol-

Variationskoeffizient (V(x)) der Drainagemessungen [%] der Versuchsreihen

1 bis 4

Standzeit

[min]

Probe

SD

r

[%]

V(x)

[%]

Probe

SD

r

[%]

V(x)

[%]

V1

0,62

1,74

5,88

V3

1,76

4,93

23,40

V1

1,01

2,83

1,54

V3

0,92

2,58

1,42

V1

0,89

2,49

1,13

V3

0,82

2,30

1,08

V2

0,81

2,27

10,30

V4

1,46

4,09

24,37

V2

1,09

3,05

1,74

V4

0,85

2,38

1,37

V2

1,11

3,11

1,45

V4

0,75

2,10

1,01

Page 60

Zusammenfassend ist aus den Ergebnissen abzuleiten, dass der Wiederhol-

Variationskoeffizient (V(x)) der Aufschäummethode in Bezug auf den Parameter Schaum-

dichte unter 5 % liegt (vgl. Tab. 4.2).

Innerhalb einer Versuchsreihe ist die Wiederholgrenze (r) und der Wiederhol-

Variationskoeffizient (V(x)) der Drainage von der Standzeit abhängig. Mit zunehmender

Standzeit wird die Variation innerhalb der Versuchsreihen geringer (s. Abb. 4.4 und Tab. 4.3).

Hierbei muss berücksichtigt werden, dass es sich bei der Drainage in Abhängigkeit der Stand-

zeit um einen nicht-linearen Prozess handelt. In Abbildung 4.5 ist beispielhaft eine Drainage-

kurve (Mittelwerte und Standardabweichung von Versuchsreihe 2) von Schäumen aus Milch

dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Drainagekurve exponentiell verläuft. Dies bedeutet,

dass die Drainage zu Anfang der Messungen höher ist und mit zunehmender Standzeit gerin-

ger wird. Aufgrund der höheren Drainage zu Beginn des Beobachtungszeitraums machen sich

Messfehler stärker bemerkbar, wodurch sich die hohe Streuung der Messwerte nach 1 Minute

Standzeit erklären lässt.

Zeit [s]

1000 1200 1400

Drainag

e [%

]

Abb. 4.5: Drainage in Abhängigkeit von der Zeit (Schäume aus Versuchsreihe 2)

In weiteren Versuchen wurden Dreifachbestimmungen zur Messung der Schaumdichte und

Drainage durchgeführt. Wenn nicht anders beschrieben liegt der Variationskoeffizient der

Messungen der Schaumdichte und der Drainage nach 10 und 20 Minuten Standzeit unter 5 %.

Page 61

4.

Charakterisierung der Makrostruktur von Milchschäumen

4.3.1 Einfluss der Aufschäumtemperatur auf die Schaumbildungseigenschaften