Einfluss der Erhitzung auf die Schaumbildungseigenschaften von Magermilch

Hitzebedingte Veränderungen der Struktur von Milchproteinen führen zu veränderten funktio-

nellen Eigenschaften. Der Einfluss dieser Veränderungen auf die Schaumbildungseigenschaf-

ten von Magermilch wurde in den vorliegenden Untersuchungen analysiert. Dabei wurden die

Erhitzungsverfahren Pasteurisierung (PAST, 73 °C bis 75 °C, 20 s), Hocherhitzung

(HE, 90 °C und 120 °C, 20 s) und Ultrahocherhitzung (UHT, 138 °C, 4,5 s) angewandt

(s. Kap. 3.2.1 bis 3.2.3).

Unabhängig vom Erhitzungsverfahren betrug der d43-Wert [µm] der Partikelverteilungen von

homogenisierten Magermilchproben 0,13 µm. Ebenso zeigten sich keine Unterschiede zwi-

schen den pH-Werten unterschiedlich erhitzter Magermilchproben (6,58). Die Viskosität un-

erhitzter Magermilch (1,12 mPa*s) war im Vergleich zu erhitzten Magermilchproben

(0,87 mPa*s) etwas höher. Abbildung 4.13 zeigt die dynamische Oberflächenspannung unter-

schiedlich erhitzter Magermilchproben.

Oberflächenalter [s]

Oberflä

c

h

enspann

ung [mN/m]

MM HE (120 °C)

MM UHT

MM PAST

MM unerhitzt

Abb. 4.13: Dynamische Oberflächenspannung [mN/m] unterschiedlich erhitzter Mager-

milchproben

Aus Abbildung 4.13 ist zu erkennen, dass die Oberflächenspannung bei nicht erhitzten

Magermilchproben, sowie bei pasteurisierter (PAST) und hocherhitzter (HE) Milch nach 20

Minuten Messzeit ein Gleichgewicht erreicht. Die höchste Oberflächenspannung im Gleich-

gewicht ist bei pasteurisierten Magermilchproben zu erkennen (49,0 mN/m). Die dynamische

Oberflächenspannung von nicht erhitzter, sowie hocherhitzter Magermilch (120 °C, 20 s) sind

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im Kurvenverlauf ähnlich, und im Gleichgewicht beträgt sie 47,8 bis 48,0 mN/m. Dagegen

wird bei ultrahocherhitzter (UHT) Magermilch nach 20 Minuten Messzeit kein Gleichgewicht

erreicht. Der Abfall der Oberflächenspannung innerhalb der Messzeit ist bei ultrahocherhitzter

Magermilch am stärksten.

Die Dichte von Schäumen aus unterschiedlich erhitzter Magermilch ist in Abbildung 4.14

dargestellt.

Temperatur [°C]

S

c

haum

dichte [g/c

m

³]

0,10

0,12

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

unerhitzt

PAST

HE

90 °C

HE

120 °CUHT

r² = 0,931

Abb. 4.14: Dichte von Schäumen aus Magermilch in Abhängigkeit vom Erhitzungsverfahren

Aus Abbildung 4.14 wird deutlich, dass die Dichte von Schäumen aus unerhitzter Magermilch

durchschnittlich 0,20 g/cm³ beträgt. Mit steigendem Wärmeeintrag sinkt die Dichte von

Schäumen aus erhitzter Magermilch linear ab. Eine Pasteurisierung bewirkt ein Absinken der

Schaumdichte auf 0,171 ± 0,007 g/cm³. Die geringste Schaumdichte von durchschnittlich

0,128 g/cm³ ist bei Schäumen aus ultrahocherhitzter Magermilch zu erkennen.

Abbildung 4.15 zeigt digitale Bildaufnahmen, sowie ausgewählte Größenverteilungen der

Blasendurchmesser von Schäumen aus Magermilch in Abhängigkeit vom Erhitzungsverfah-

ren nach 1 Minute Standzeit. In Tabelle 4.5 sind die Größenverteilungsparameter (arithmeti-

scher Mittelwert (d10), Medianwert (d50,0) und Spannweite) der Blasendurchmesser dieser

Schäume nach 1 und 20 Minuten Standzeit zusammengefasst.

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Durchmesser [mm]

0,0 0,1 0,2

0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

0,8 0,9 1,0

An

za

h

l [%]

MM Unerhitzt

MM HE (90 °C)

MM UHT

MM unerhitzt

MM HE (90 °C)

MM UHT

Abb. 4.15: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus Magermilch in

Abhängigkeit von den Erhitzungsverfahren nach 1 Minute Standzeit

Tab. 4.5: Größenverteilungsparameter der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus

unterschiedlich erhitzter Magermilch nach 1 und 20 Minuten Standzeit

Probe

Spannweite

[mm]

D10

[mm]

D50,0

[mm]

Minute Standzeit

MM unerhitzt

0,39

0,18

0,17

MM PAST

0,48

0,23

0,23

MM HE (90 °C)

0,58

0,23

0,22

MM HE (120 °C)

0,47

0,20

0,19

MM UHT

0,62

0,22

0,19

Minuten Standzeit

MM unerhitzt

0,89

0,32

0,28

MM PAST

0,62

0,28

0,25

MM HE (90 °C)

0,85

0,32

0,28

Aus Abbildung 4.15 ist zu erkennen, dass die Verteilungen der Blasendurchmesser nach

1 Minute Standzeit unabhängig vom Erhitzungsverfahren als monomodal anzusehen sind. Die

Größenverteilungskurve der Blasendurchmesser aus erhitzter Magermilch sind nach 1 Minute

Standzeit im Vergleich zu Schäumen aus unerhitzter Milch breiter. Der maximale Blasenan-

teil von Schäumen aus unerhitzter Magermilch ist in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm zu erkennen

Page 75

und beträgt durchschnittlich 58 %. Schäume aus erhitzter Magermilch zeigen in dieser Klasse

dagegen geringere Anteile der Blasendurchmesser von ca. 33 bis 45 %. In den Klassen größer

als 0,2 mm sind die Anteile der Blasendurchmesser der Schäume aus erhitzten Magermilch-

proben im Vergleich zu Schäumen aus unerhitzten Magermilchproben höher. Die Spannweite

der Größenverteilung der Blasendurchmesser von Schäumen steigt von 0,39 mm bei unerhitz-

ter Magermilch auf maximal 0,62 mm bei ultrahocherhitzter Magermilch nach 1 Minute

Standzeit an (s. Tab. 4.5). Der d10-Wert, sowie der d50,0-Wert der Größenverteilung der Bla-

sendurchmesser von Schäumen aus erhitzten Milchproben, ist höher als bei unerhitzten

Milchproben. Tendenziell ist bei Schäumen aus erhitzten Magermilchproben eine Abnahme

des d50,0-Wertes und somit eine Zunahme des Feinanteils bei steigenden Erhitzungstemperatu-

ren zu beobachten.

Schäume aus ultrahocherhitzter Magermilch sind nach einer Standzeit von 20 Minuten nicht

stabil. Das Schaumvolumen von Schäumen aus Magermilch (HE 120 °C, 20 s) nahm über den

gemessenen Zeitraum überproportional ab. Eine digitale Bildaufnahme war bei diesen

Schäumen nicht möglich. Ein stabiles Schaumgerüst über die Standzeit von 20 Minuten bilde-

te sich dagegen bei Schäumen aus unerhitzter, pasteurisierter und bei 90 °C erhitzter Mager-

milch. Die unterschiedlichen Schaumstabilitäten der Magermilchschäume in Abhängigkeit der

Erhitzungstemperatur spiegeln sich in der Drainagerate wider. Abbildung 4.16 gibt dazu einen

Überblick.

Temperatur [°C]

75 90

120 138

D

rainag

e [%

]

MM 1 Minute

MM 20 Minuten

MM 10 Minuten

PAST

HE

90 °C

HE

120 °C

UHT

Unerhitzt

Abb. 4.16: Drainage von Schäumen aus Magermilch in Abhängigkeit vom Erhitzungsverfah-

ren nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit

Page 76

Aus Abbildung 4.16 ist zu erkennen, dass nach einer Standzeit von 1 Minute nur geringe Un-

terschiede der Drainage in Abhängigkeit der Erhitzungstemperatur vorhanden sind (15 bis

17 %). Schäume aus unerhitzter, pasteurisierter, sowie bei 90 °C erhitzter Magermilch zeigen

nach 10 bzw. 20 Minuten Standzeit eine Drainage von durchschnittlich 70 bzw. 81 %. Trotz

der relativ hohen Drainage nimmt das Schaumvolumen über die Stanzeit von 20 Minuten nur

geringfügig ab. Milchproben, die bei höheren Temperaturen erhitzt wurden, zeigen instabile

Schäume. Bei Schäumen aus hocherhitzter (HE 120 °C, 20 s) Milch steigt die Drainage nach

20 Minuten Standzeit auf durchschnittlich 84 % und bei Schäumen aus ultrahocherhitzter

Milch auf maximal 100 % an.

Die Größenverteilung der Blasendurchmesser von Schäumen nach 20 Minuten Standzeit in

Abhängigkeit der Erhitzungstemperatur sind in Abbildung 4.17 dargestellt. Die Größenvertei-

lungsparameter der Blasendurchmesser sind in Tabelle 4.5 zusammengefasst.

Es ist zu erkennen, dass die Größenverteilung der Blasendurchmesser von Schäumen nach

20 Minuten Standzeit, unabhängig von dem Erhitzungsverfahren, monomodal und ähnlich

verlaufen. Die Spannweite der Verteilungen der Blasendurchmesser von Schäumen aus uner-

hitzter Milch und hocherhitzter Milch (90 °C) beträgt nach 20 Minuten Standzeit 0,89 mm.

Dagegen ist bei pasteurisierter Milch die Spannweite geringer (0,62 mm). Ein Vergleich der

zugehörigen d10- und d50,0-Werte (s. Tab. 4.5) zeigt, dass die Zunahme der Größenvertei-

lungsparameter bei Schäumen aus unerhitzten Magermilchproben höher ist als bei Schäumen

aus pasteurisierter und hocherhitzter Magermilch (90 °C). Dies deutet auf eine geringere Sta-

bilität von Schäumen aus unerhitzter Magermilch hin.

Durchmesser [mm]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

Anzahl [%

]

MM unerhitzt

MM PAST

MM HE (90 °C)

MM PAST

MM unerhitzt

MM HE (90 °C)

Abb. 4.17: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus Magermilch in

Abhängigkeit vom Erhitzungsverfahren nach 20 Minuten Standzeit

Page 77

Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass mit steigenden Erhitzungstemperaturen eine Ab-

nahme der Schaumdichte mit einer tendenziellen Zunahme des Blasendurchmessers einher-

geht. Zwischen der Oberflächenspannung im Gleichgewicht und der Dichte von Schäumen

aus unterschiedlich erhitzten Magermilchproben besteht keine eindeutige Korrelation (vgl.

Abb. 4.13 und 4.14). Zudem ist bei Schäumen aus erhitzten Magermilchproben eine deutliche

Abnahme der Schaumstabilität mit zunehmendem Wärmeeintrag zu beobachten.

Die abnehmende Schaumdichte und der damit zunehmende Overrun von Schäumen aus

Magermilch mit steigenden Erhitzungstemperaturen kann möglicherweise auf die thermisch

induzierte Entfaltung der Molkenproteine zurückgeführt werden. Bei Temperaturen über

70 °C denaturieren die Molkenproteine. Durch die Erhitzung werden Wasserstoffbrücken-

und hydrophobe Bindungen gelöst, wodurch insbesondere die Tertiärstruktur der Molkenpro-

teine verändert wird und die Freilegung von hydrophoben Resten und Thiolgruppen erfolgt

[Dupont, 1965, Timasheff et al., 1967, zit. n. Jelen & Rattray, 1995]. Graham und Phillips

[1976] zeigten, dass bei Schäumen aus erhitzten Proteinlösungen, im Vergleich zu nativen,

nicht erhitzten Proteinlösungen, eine erhöhte Proteinmenge an die Grenzfläche Luft/Wasser

adsorbiert. Hierdurch wird schneller ein Gleichgewichtszustand erreicht. Ebenso beschreibt

Zayas [1997], dass eine milde Erhitzung von Molkenproteinisolat, das sich aus β-Lacto-

globulin, α-Lactalbumin, BSA und Immunglobulinen zusammensetzt, zu einer Verbesserung

der Grenzflächenaktivität führt. Dies erhöht sowohl den Overrun als auch die Stabilität der

Schäume. Ein hitzebedingtes partielles Auffalten der Proteinmoleküle, ohne Präzipitation,

und das Freilegen reaktiver Gruppen erhöht ihre Hydrophobizität, sowie ihre Flexibilität und

Grenzflächenaktivität [Graham & Phillips, 1976, Phillips & Kinsella, 1990, Jelen & Rattray,

1995]. Flexible Moleküle können sich schnell an der Grenzfläche auffalten und sie stabilisie-

ren. Diese Stabilisierung führt zur Bildung von größeren Blasen und dadurch geringeren

Schaumdichten [Graham & Phillips, 1976].

Als Maß für die Denaturierung wurden in den vorliegenden Untersuchungen die Gehalte an

säurelöslichen Molkenproteinen bestimmt [Clawin-Rädecker et al., 2000]. Untersucht wurden

Magermilchproben, sowie Schäume in Abhängigkeit vom Erhitzungsverfahren (s. Tab. 4.6).

Aus Tabelle 4.6 wird deutlich, dass eine Pasteurisierung von Magermilch zu einer schwachen

Denaturierung von α-Lactalbumin (6 %), β-Lactoglobulin (4 %) und von BSA (ca. 12 %)

führt. Lactoferrin (50 %) und Immunglobuline (25 %) denaturieren stärker. Die Ultrahocher-

hitzung führt zu einer vollständigen Denaturierung von Lactoferrin, BSA und Immunglobuli-

nen. α-Lactalbumin denaturiert zu 82 % und β-Lactoglobulin zu 98 %. Aus Tabelle 4.6 ist

darüber hinaus zu erkennen, dass keine Unterschiede zwischen den Anteilen denaturierter

Molkenproteine in unterschiedlich erhitzten Magermilchproben und den daraus hergestellten

Schäumen bestehen. Hieraus ist auch abzuleiten, dass keine Anreicherung einer bestimmten

Molkenproteinfraktion in den Schäumen erfolgt (s. Kap. 4.4.1).

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Tab. 4.6: Gehalte an säurelöslichen Molkenproteinen in unterschiedlich erhitzten

Magermilchproben und daraus hergestellten Schäumen (Angaben in mg/100 ml)

Probe

α -La Lactoferrin BSA

β -Lg ∑

β -Lg B β -Lg A IgG

MM nicht erhitzt 130,1

27,2

30,5

505,9

292,5 264,7 66,0

MM-Schaum

nicht erhitzt*2

121,6

26,5

29,3

469,0

274,4 242,1 61,0

MM Past.

121,6

13,7

27,1

487,4

278,5 258,0 50,1

MM-Schaum

Past. *2

120,9

17,5

25,5

470,9

272,4 245,7 49,9

MM UHT

23,8

n.n.

n.n.

12,5

8,1

5,8

n.n.

MM-Schaum

UHT*1

25,0

n.n.

n.n.

13,4

8,6

6,2

n.n.

n.n. nicht nachweisbar

*1 Schaum wurde nach einer Standzeit von 1 Minute abgenommen und eingefroren

(Schäume waren über die Standzeit von 20 Minuten nicht stabil)

*2 Schaum wurde nach einer Standzeit von 20 Minuten abgenommen und eingefroren

In Bezug auf die Schaumbildungseigenschaften von Magermilch in Abhängigkeit vom Erhit-

zungsverfahren scheint eine vollständige Denaturierung der Molkenproteine zu geringeren

Schaumstabilitäten zu führen. Webb [1941] beobachtete ebenfalls eine geringere Stabilität bei

Schäumen aus sterilisierter Milch. Zhu & Damodaran [1994] stellten bei Schäumen aus Mol-

kenproteinisolat eine zunehmende Stabilität im Temperaturbereich bis 70 °C fest. Dagegen

war bei Schäumen aus Molkenproteinisolat, welches bei 90 °C erhitzt (Heißhaltezeit 20 Mi-

nuten) wurde, die Stabilität deutlich geringer. Die Autoren führen dies auf die mit steigenden

Temperaturen zunehmende Bildung von Polymeren, die eine geringere Diffusionsgeschwin-

digkeit und Grenzflächenaktivität aufweisen, zurück. Zudem muss bei der Erhitzung von

Milch berücksichtigt werden, dass es mit zunehmendem Wärmeeintrag zu einer Zunahme der

Reaktionen zwischen β-Lactoglobulin und κ-Casein kommt. Das Ausmaß dieser Reaktion ist

von der Dauer und Temperatur der Erhitzung, der Konzentration der Proteine, Lactose-, und

Salzgehalt, sowie dem pH-Wert abhängig [Kinsella, 1984, Schlimme & Buchheim, 1995,

Singh, 1995]. Oldfield et al. [1999] ermittelten in Magermilch bei Erhitzungstemperaturen

zwischen 75 bis 130 °C (UHT-Anlage) eine maximale Assoziation von β-Lactoglobulin mit

Caseinmicellen von 55 %. Corredig & Dalgleish [1996] zeigten dagegen, dass bei Temperatu-

ren von 75 bis 90 °C im Wasserbad (Heißhaltezeit 80 Minuten) eine vollständige Assoziation

von β-Lactoglobulin mit den Caseinmicellen erfolgt. Diese Ergebnisse machen deutlich, dass

das Ausmaß der Reaktion zwischen β-Lactoglobulin und κ-Casein vom Erhitzungsverfahren

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abhängig ist. Die oben genannten Autoren beschreiben zudem, dass bei Temperaturen über

85 °C und längeren Heißhaltezeiten auch α-Lactalbumin mit den Caseinfraktionen reagiert.

Höchstwahrscheinlich wird ein Komplex zwischen α-Lactalbumin und β-Lactoglobulin ge-

bildet, welcher mit den Caseinmicellen reagiert [Calvo et al. 1993]. Die zunehmenden Inter-

aktionen von β-Lactoglobulin bzw- α-Lactalbumin mit κ-Casein mit steigender Erhitzungs-

temperatur führen zu einer Abnahme des „freien“ Molkenproteins im Serum. Die zunehmen-

de Bildung von hochmolekularen Aggregaten, sowie der abnehmende Gehalt von „freiem“

Molkenprotein im Serum und gleichzeitige Zunahme von Casein-Molkenprotein-Komplexen

führen möglicherweise zu weniger elastischen Grenzflächefilmen und hierdurch zu geringeren

Stabilitäten der Schäume aus Magermilch (Erhitzung > 90 °C).

Die zunehmende Instabilität von Schäumen aus Magermilch mit steigendem Wärmeeintrag

wurde durch rheologische Messungen der Grenzflächenelastizität der Schäume genauer unter-

sucht. Die Ergebnisse sind in Kapitel 4.4.5 zusammengefasst.

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