Einfluss der Homogenisierung auf die Schaumbildungseigenschaften

Von Rohmilch und Vollmilch

Aus den im Kapitel 4.3.5 dargestellten Ergebnissen wird deutlich, dass der Fettgehalt Einfluss

auf die Schaumbildungseigenschaften von pasteurisierter oder ultrahocherhitzter und homo-

genisierter Milch hat. Die Fettkugeln in Milch sind von einer dünnen Schicht umgeben, die

als Membran bezeichnet wird [Mulder & Walstra, 1974]. Sowohl Erhitzung, als auch Homo-

genisierung beeinflussen die Zusammensetzung der Fettkugelmembran und somit die funkti-

onellen Eigenschaften der Fettkugeln.

Um den Einfluss der Homogenisierung auf die Schaumbildungseigenschaften von Milch zu

bestimmen, wurde Rohmilch (3,8 % Fett) mit roher Magermilch auf einen Fettgehalt von

3,5 % eingestellt. Die im Fettgehalt eingestellte Rohmilch wurde bei unterschiedlichen Ho-

mogenisierdrücken sowohl einstufig (50 bar) als auch zweistufig (100/50; 200/50; 250/50 bar)

homogenisiert. Eine Hälfte der homogenisierten Milchproben wurde zusätzlich pasteurisiert.

Die andere Hälfte der Milchproben wurde nicht erhitzt. Zudem wurde ein Teil der im Fettge-

halt eingestellten Rohmilch pasteurisiert (73 bis 75 °C, 20 s). In den folgenden Abschnitten

wird die „im Fettgehalt eingestellte Rohmilch“ (3,5 % Fett) als Rohmilch, und die zusätzlich

pasteurisierten oder homogenisierten Proben als Vollmilch bezeichnet.

In Abbildung 4.49 sind die Partikelgrößenverteilungen, sowie die mittleren volumenbezoge-

nen Durchmesser (d43) von pasteurisierten Vollmilchproben in Abhängigkeit vom Homogeni-

sierdruck dargestellt. Es wird deutlich, dass die Verteilungen der Partikeldurchmesser bimo-

dal verlaufen. Hierbei sind im Bereich kleiner als 0,4 µm vorwiegend die Caseinmicellen und

im Bereich größer als 0,4 µm die Fettkugeln der Milchproben einzuordnen. Der Durchmesser

der Fettkugeln von pasteurisierter Vollmilch liegt zwischen 1 und 8 µm. Ein geringer Volu-

menanteil der Partikeldurchmesser von pasteurisierter Vollmilch ist im Bereich der Caseinmi-

cellen (0,04 bis 0,4 µm) vorhanden. Durch den zusätzlichen Einfluss der Homogenisierung ist

eine deutliche Verringerung der Partikeldurchmesser zu beobachten. Eine zweistufige Homo-

genisierung von Vollmilch bei 250/50 bar und anschließender Pasteurisierung bewirkt eine

Verkleinerung der Partikel auf 0,04 bis ca. 2 µm. Das Maximum dieser Volumenverteilung

(6,5 %) liegt bei 0,7 µm. Der d43-Wert der pasteurisierten Vollmilchproben sinkt mit steigen-

dem Homogenisierdruck von 3,06 auf 0,39 µm ab. Die Partikelverteilungen von nicht erhitz-

ten und homogenisierten Vollmilchproben verlaufen im Vergleich zu den in Abbildung 4.49

dargestellten Partikelverteilungen ähnlich (ohne Darstellung). Die mittleren volumenbezoge-

nen Durchmesser (d43) dieser Vollmilchproben sind in Tab. A 11 (Anhang) zusammengefasst.

Page 127

Partikeldurchmesser [µm]

0,01

0,1

Vo

lu

m

e

n [%

]

VM *

d(4,3) 3,06 µm

VM 50 bar d(4,3) 1,50 µm

VM 100/50 bar d(4,3) 0,76 µm

VM 200/50 bar d(4,3) 0,44 µm

VM 250/50 bar d(4,3) 0,39 µm

Abb. 4.49: Partikelgrößenverteilungen und mittlerer volumenbezogener Durchmesser (d43)

von pasteurisierter Vollmilch, sowie homogenisierter und pasteurisierter Voll-

milch (3,5 % Fett) in Abhängigkeit vom Homogenisierdruck

*Pasteurisiert, nicht homogenisiert

Die in Abbildung 4.49 dargestellte Verringerung der Fettkugelgröße mit steigendem Homo-

genisierdruck führt zu einer Vergrößerung der Fettkugeloberfläche. In Tabelle 4.17 sind die

Fettkugeloberflächen, sowie die durchschnittlichen Mengen von adsorbiertem Protein an die

Fettkugeln dargestellt. Die Fettkugeloberfläche wurde mit Hilfe der Formel 4-1 (s. Kap. 4.3.3)

berechnet. Für Milchfett wurde eine Dichte (ρ) von 0,93 g/ml angenommen.

Tab. 4.17: Mittlerer oberflächenbezogener Durchmesser (d32), Fettkugeloberfläche und ad-

sorbiertes Protein im Verhältnis zum Gesamtprotein (35 g/kg) bei homogenisierter

und pasteurisierter Vollmilch (3,5 % Fett) in Abhängigkeit vom Homogenisier-

druck

Homogenisierdruck

[bar]

D32

[ µ m]

Fettkugeloberfläche (SV)

[m²/kg]

Adsorbiertes Protein [%]

im Verhältnis zum

Gesamtprotein *

0,505

100/50

0,358

200/50

0,253

250/50

0,240

* bezogen auf durchschnittlich 10 mg/m² Fettkugeloberfläche [nach Walstra et al., 1999]

Page 128

Wie aus Tabelle 4.17 zu erkennen ist, steigt die Fettkugeloberfläche homogenisierter Voll-

milch von 447 m² (50 bar) auf 941 m² (250/50 bar) an. Mit steigender Fettkugeloberfläche ist

mehr Protein zur Stabilisierung notwendig. Bei einer Adsorption von durchschnittlich 10 mg

Protein pro m² Fettkugeloberfläche [Walstra et al., 1999] wird bei geringem Homogenisier-

druck (50 bar) 13 % und bei hohem Druck (250/50 bar) 27 % des Gesamtproteins (35 g/kg)

an die Fettkugeln gebunden werden.

Unabhängig von der Temperaturbehandlung und dem Homogenisierdruck betrug der pH-Wert

der Vollmilchproben bei 50 °C 6,54. Die Viskosität von Rohmilch (3,5 %) betrug 1,31 mPa*s

und von pasteurisierter Vollmilch 1,15 mPa*s. Mit steigendem Homogenisierdruck war bei

nicht pasteurisierter und homogenisierter Vollmilch ein geringfügiger Anstieg der Viskosität

von 1,13 auf 1,23 mPa*s und bei pasteurisierter und homogenisierter Vollmilch von 1,14 auf

1,41 mPa*s zu beobachten (s. Tab. A 11, Anhang).

Interessanterweise schäumten Vollmilchproben, die nicht erhitzt und homogenisiert wurden,

nicht auf. Dagegen bildete sich bei Schäumen aus pasteurisierter und homogenisierter

Vollmilch ein Schaumgerüst. Die Schaumdichten von Rohmilch, pasteurisierter Vollmilch,

sowie von homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch in Abhängigkeit vom ermittelten

d43-Wertes der Milchproben (vgl. Abb. 4.49) sind in Abbildung 4.50 dargestellt. Bei

Schäumen aus Rohmilch floss beim Abnehmen des schaumgefüllten Glaskolbens vom

doppelwandigen Glaskörper Schaum aus dem Kolben. Hierdurch war eine genaue Gewichts-

messung der Schaumdichte nicht möglich. Der Variationskoeffizient der Messungen der

Schaumdichte von Schäumen aus Rohmilch (3,5 % Fett) ist daher im Vergleich zu anderen

Messungen höher und beträgt durchschnittlich 7 % (s. Abb. 4.50). Es ist zu erkennen, dass die

Dichte von Schäumen aus Vollmilch, die einstufig bei 50 bar homogenisiert und pasteurisiert

wurde (0,198 ± 0,004 g/cm³), im Vergleich zu Schäumen aus Rohmilch und pasteurisierter

Vollmilch (durchschnittlich 0,181 g/cm³) höher ist. Bei einer zweistufigen Homogenisierung

(100/50 bar) und zusätzlicher Pasteurisierung von Vollmilch ist die Schaumdichte dagegen

geringer (0,161 ± 0,006 g/cm³). Sie erhöht sich bei einem Homogenisierdruck von 200/50 bar

auf 0,188 ± 0,007 g/cm³ und ist bei 250/50 bar mit 0,153 ± 0,002 g/cm³ am niedrigsten.

Page 129

d43- Wert [µm]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Schaumdichte [g/c

m³]

0,14

0,16

0,18

0,20

0,22

VM PAST + Homogenisierung

RM

VM PAST

nicht homogenisiert

50 bar

100/50 bar

200/50 bar

250/50 bar

Abb. 4.50: Dichte von Schäumen aus Rohmilch (3,5 % Fett), pasteurisierter Vollmilch sowie

pasteurisierter und homogenisierter Vollmilch (3,5 % Fett) in Abhängigkeit vom

mittleren Volumendurchmesser (d43) [µm] der Milchproben

VM *

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

hl[%

]

VM*

VM 50 bar

VM100/50 bar

VM250/50 bar

VM 100/50 bar

VM 250/50 bar

Abb. 4.51: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Vollmilch sowie homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch in Abhängigkeit

vom Homogenisierdruck nach 1 Minute Standzeit

*Pasteurisiert, nicht homogenisiert

Page 130

Die unterschiedliche Dichte der Schäume aus homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch

in Abhängigkeit vom d43-Wert (s. Abb. 4.50) spiegelt sich nicht eindeutig in unterschiedli-

chen Schaumstrukturen und Blasengrößenverteilungen nach 1 Minute Standzeit wider

(s. Abb. 4.51). Dagegen sind unterschiedliche Blasengrößenverteilungen von Schäumen aus

pasteurisierter Vollmilch, im Vergleich zu Schäumen aus homogenisierter und pasteurisierter

Vollmilch. Die digitale Bildaufnahmen von Schäumen aus Rohmilch war aufgrund einer

schnellen Volumenabnahme nicht möglich. Die Größenverteilungsparameter (Spannweite,

arithmetischer Mittelwert (d10) und Medianwert (d50,0)) der Blasendurchmesser in Abhängig-

keit vom Homogenisierdruck nach 1 Minute Standzeit sind in Tabelle A 12 (Anhang) zu-

sammengefasst.

Aus Abbildung 4.51 ist zu erkennen, dass bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch, sowie

bei Schäumen aus zusätzlich homogenisierter Vollmilch nach 1 Minute Standzeit die Vertei-

lungen monomodal verlaufen. Der maximale Anteil der Blasendurchmesser liegt unabhängig

vom Homogenisierdruck in der Klasse 0,1 bis 0,2 mm. Schäume aus pasteurisierter Vollmilch

zeigen in dieser Klasse die höchsten Anteile (57 ± 3 %). Dagegen sind in den Klassen kleiner

als 0,2 mm nach 1 Minute Standzeit tendenziell geringere Anteile zu erkennen. In Abhängig-

keit des Homogenisierdrucks (50 bar, 100/50 bar und 250/50 bar) ist der Verlauf der Vertei-

lungen ähnlich, und die Spannweite dieser Verteilungen beträgt 0,50 mm bis 0,55 mm (s. Tab.

A 12, Anhang). Dagegen ist bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch eine höhere Spann-

weite von 0,69 mm zu erkennen.

Die Schaumstabilität wurde durch die Beobachtung der Schaumstrukturen nach 20 Minuten

Standzeit, sowie der Drainage in Abhängigkeit von der Standzeit untersucht. Abbildung 4.52

zeigt die Drainage der Schäume aus Rohmilch, pasteurisierter Vollmilch, sowie pasteurisierter

und homogenisierter Vollmilch nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit. Die digitalen Bildaus-

schnitte der Schäume, sowie die Verteilungen der Blasendurchmesser nach 20 Minuten

Standzeit sind in Abbildung 4.53 dargestellt.

Page 131

d

-Wert [µm]

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

Drainag

e [%]

VM*1

1 Min

VM*1 10 Min

VM*1 20 Min

RM 1 Min

RM 10 Min

RM 20 Min

VM*2

1 Min

VM*2 10 Min

VM*2 20 Min

Abb. 4.52: Drainage von Schäumen aus Rohmilch (3,5 % Fett), pasteurisierter Vollmilch

sowie homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch (3,5 % Fett) in Abhängigkeit

vom d43-Wert [µm] nach 1, 10 und 20 Minuten Standzeit

*1

Homogenisiert und pasteurisiert

*2

Pasteurisiert, nicht homogenisiert

Aus Abbildung 4.52 wird deutlich, dass die Drainage von Schäumen aus Rohmilch

(3,5 % Fett) am höchsten ist. Die Drainage dieser Schäume beträgt nach 1 Minute Standzeit

16 ± 0,8 %, steigt nach 10 Minuten Standzeit auf 76 ± 5 % an und erreicht nach 20 Minuten

Standzeit 90 ± 3 %. Dagegen ist bei Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch, sowie bei

Schäumen aus homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch nach 1 Minute Standzeit eine

Drainage zwischen 4 bis 9 % und nach 20 Minuten Stanzeit zwischen 77 bis 82 % zu erken-

nen. Die Drainage der Schäume aus pasteurisierter Vollmilch ist nach 20 Minuten Standzeit

geringfügig höher als die Drainage der Schäume aus homogenisierter und pasteurisierter

Vollmilch. In Abhängigkeit vom Homogenisierdruck sind bei Schäumen aus pasteurisierter

Vollmilch keine eindeutigen Unterschiede in der Drainage zu erkennen. Das Volumen der

Schäume aus Rohmilch nahm über die Standzeit von 20 Minuten überproportional ab. Eine

digitale Bildaufnahme der Blasengrößenverteilungen nach 20 Minuten Standzeit war bei die-

sen Schäumen nicht möglich.

Die Untersuchungen der Strukturen und Verteilungen der Durchmesser nach 20 Minuten

Standzeit von Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch, sowie aus pasteurisierter und homoge-

nisierter Vollmilch sind in Abbildung 4.53 dargestellt.

Page 132

VM *

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 1,2

Anzahl [%]

VM *

VM 50 bar

VM 100/50 bar

VM 200/50 bar

VM 250/50 bar

VM 100/50 bar

VM 200/50 bar

Abb. 4.53: Größenverteilung der Blasendurchmesser [mm] von Schäumen aus pasteurisierter

Vollmilch sowie homogenisierter und pasteurisierter Vollmilch (3,5 % Fett) in

Abhängigkeit vom Homogenisierdruck nach 20 Minuten Standzeit

*Pasteurisiert, nicht homogenisiert

Abbildung 4.53 zeigt Unterschiede in den Schaumstrukturen von pasteurisierter Vollmilch

und zusätzlich homogenisierter pasteurisierter Vollmilch nach 20 Minuten Standzeit. Bei

Schäumen aus pasteurisierter Vollmilch ist ein geringerer Anteil der Blasendurchmesser in

der Klasse 0,4 bis 0,5 mm und ein höherer Anteil in den Größenklassen kleiner als 0,5 mm

vorhanden. Unabhängig vom Homogenisierdruck existieren nach 20 Minuten Standzeit mo-

nomodale Verteilungen der Blasendurchmesser und die Spannweite der Verteilungen beträgt

0,86 bis 0,98 mm (s. Tab. A 13, Anhang). In Abhängigkeit vom Homogenisierdruck sind nach

20 Minuten Standzeit keine Unterschiede der Größenverteilungen der Blasendurchmesser zu

erkennen.

Aus den beschriebenen Ergebnissen wird deutlich, dass eine Pasteurisierung (73 – 75 °C,

20 s) von Rohmilch (vor dem Aufschäumen) die Stabilität der daraus hergestellten Schäume

erhöht. Zudem ist zu beobachten, dass eine zusätzliche Pasteurisierung von homogenisierter

Vollmilch ebenfalls die Schaumbildungseigenschaften verbessert. Im Gegensatz zu pasteuri-

sierter und homogenisierter Vollmilch schäumt homogenisierte Vollmilch ohne Erhitzung

nicht auf. In Abhängigkeit des Homogenisiergrades sind bei pasteurisierter Vollmilch dage-

gen keine unterschiedlichen Schaumstabilitäten zu beobachten.

Sowohl Erhitzung als auch Homogenisierung führen zu veränderten Eigenschaften der Fett-

kugelmembran. In Rohmilch setzt sich die Fettkugelmembran aus Proteinen, Glykoproteinen,

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Triglyceriden, Phospholipiden, Cholesterol, Enzymen und anderen minoren Bestandteilen

zusammen [Mulder & Walstra, 1974, Schlimme & Buchheim, 1995, Mather, 2000]. Bei Tem-

peraturen über 70 °C erfolgt eine partielle Denaturierung der Molkenproteine, die auch zu

einer Freilegung von reaktiven Gruppen führt. Hierdurch können diese, besonders β-Lacto-

globulin, mit der nativen Fettkugelmembran reagieren [Dalgleish & Banks, 1991, Houlihan et

al., 1992, Sharma & Dalgleish, 1993, Kim & Jimenenz-Flores, 1995 Corredig & Dalgleish,

1996a, Lee & Sherbon, 2002]. Der genaue Mechanismus der Bindungen ist nicht geklärt

[Dalgleish & Banks, 1991, Dalgleish & Sharma, 1993].

Bei fetthaltigen Milchproben, die ohne Erhitzung homogenisiert werden, bricht die native

Fettkugelmembran auf und überwiegend Caseine adsorbieren an die Fettkugeln [Dalgleish &

Sharma, 1993, Lee & Sherbon, 2002]. Die Caseine überdecken die neu gebildete Fettkugel-

oberfläche mit Micellen oder Submicellen [Walstra & Oortwijn, 1982]. Bei zusätzlicher Er-

hitzung sind sowohl β-Lactoglobulin als auch α-Lactalbumin in der Fettkugelmembran nach-

weisbar [Sharma & Dalgleish, 1993, Boekel & Walstra, 1995, Lee & Sherbon, 2002, García-

Risco et al., 2002].

Die höhere Schaumstabilität von pasteurisierter Vollmilch, sowie pasteurisierter und homoge-

nisierter Vollmilch, im Vergleich zu Rohmilch und unerhitzter homogenisierter Vollmilch, ist

somit möglicherweise auf die partielle Denaturierung von Molkenproteinen und die damit

verbundenen Reaktionen zurückzuführen. Ähnliche Ergebnisse werden auch von Cooney

[1974] und Zayas [1997] beschrieben. Die Autoren berichten, dass der negative Effekt von

Fett auf die Schaumbildungseigenschaften von Molkenproteinlösungen durch Erhitzen der

Lösung reduziert wird. Als Ursache wird eine erhöhte Reaktion zwischen Proteinen und

Fetten angesehen. Auch Schokker [2002] zeigte, dass bei nicht erhitzten Emulsionen aus So-

jaöl und Molkenproteinkonzentrat bzw. Magermilchpulver, bei einer Adsorption von Fettku-

geln an die Grenzfläche Luft/Wasser, die Fettkugelmembran aufbricht und sich die Fettmole-

küle an der Grenzfläche aufteilen. In Schäumen kann dies zu einem Bruch des Grenzflächen-

films führen und damit die Schaumstabilität verringern [Prins, 1988]. Die Ergebnisse von

Schokker [2002] zeigten weiterhin, dass eine Erhitzung der Emulsion die Menge der Fettmo-

leküle im Verhältnis zu den Proteinmolekülen (Verteilungsrate) an der Grenzfläche

Luft/Wasser verringert. Als mögliche Begründung gibt der Autor eine - durch die Erhitzung

verursachte - erhöhte Kohäsion der Proteinfilme an emulgierten Fettkugeln an. Hierdurch

brechen bei einem Kontakt mit der Grenzfläche Luft/Wasser weniger Proteinfilme auf und

weniger Fett verteilt sich auf der Luftblase.

In den vorliegenden Untersuchungen ist die Stabilität der Schäume aus homogenisierter und

pasteurisierter Vollmilch in Abhängigkeit vom Homogenisiergrad nur geringfügig unter-

schiedlich. Mulder & Walstra [1974] beschreiben dagegen, dass bei Proben mit kleineren

Fettkugeln eine höhere Schaumstabilität besteht. Kleinere Fettkugeln adsorbieren in einem

geringeren Ausmaß an die Luftblase als große Fettkugeln. Im Rahmen ihrer Untersuchungen

erfolgte die Zugabe unterschiedlicher Fettkugelgrößen in Magermilch mit Hilfe von Rohmilch

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(= große Fettkugeln) und homogenisierter Milch (= kleine Fettkugeln). Die höhere Stabilität

der Schäume aus Milch mit einem geringeren Fettkugeldurchmesser kann somit auch auf den

Einfluss der Homogenisierung und damit die veränderte Zusammensetzung der Fettkugel-

membran zurückgeführt werden. Die höhere Stabilität von Schäumen aus homogenisierter

und erhitzter Milch im Vergleich zu Schäumen aus Rohmilch ist auch bei den vorliegenden

Untersuchungen zu erkennen. Prins [1986] zeigte, dass die Schaumstabilität mit steigenden

Partikelgrößen bis zu einem Minimum abnimmt und anschließend wieder zunimmt. Die

Untersuchungen wurden durch Zugabe von Sojaöl/Wasser-Emulsion in eine wässrige

Na-Caseinat-Lösung durchgeführt. Im Vergleich zu den hier beschriebenen Ergebnissen von

Schäumen aus homogenisierter Vollmilch (3,5 % Fett) sind die Fettkugelgrößen (Sojaöl) in

der Na-Caseinat-Lösung allerdings höher (2 bis 6 µm).

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