Effizientere Käseherstellung mit Power-Ultraschall

Die Herstellung verschiedener Käsesorten wie Hartkäse, Weichkäse und Quark aus unterschiedlichen Milchsorten (z.B. Kuh-, Ziegen-, Schaf-, Büffel-, Kamelmilch etc.) kann mittels Power-Ultraschall deutlich effizienter gemacht werden. Die Anwendung von hochintensivem Ultraschall beschleunigt die Homogenisierung, Fermentation und Reifung, verbessert die mikrobielle Stabilität und zeigt zudem positive Auswirkungen auf Nährwerte und Textur.

Hochintensiver Ultraschall verbessert die Käseproduktion

Die Ultraschallverarbeitung von Lebensmitteln ist eine lang etablierte Technologie zur Verbesserung der Milchhomogenisierung und Fermentation bei der Käseherstellung. Außerdem ist die Beschallung in Kombination mit einer milden Wärmebehandlung – Thermo-Ultraschallbehandlung genannt – wird als Alternative zur traditionellen hitzebasierten Pasteurisierung eingesetzt, wodurch Nährstoffe wie Vitamine, Aminosäuren und Fette vor dem thermischem Abbau geschützt werden. Die Käseherstellung aus Milch oder Molke kann durch den Einsatz von hochintensivem, niederfrequentem Ultraschall deutlich intensiviert und verbessert werden.

Auswirkungen von hochintensivem Ultraschall auf die Milch- und Käsebruchstruktur bei der Käseherstellung

Die Ultraschallbehandlung wurde erfolgreich bei der Käseherstellung mit Kuh-, Schaf-, Büffel-, Ziegen-, Kamel- und Pferdemilch eingesetzt.
Die ultraschallunterstützte Käseproduktion kann für eine breite Palette von Käsesorten eingesetzt werden, darunter Cheddar-Käse, Feta-Käse, Frischkäse, Quark, mexikanischer Panela-Käse, spanischer Weichkäse und andere Käsespezialitäten.
Zu den Auswirkungen von hochintensivem Niederfrequenz-Ultraschall auf die Milch während der Käseherstellung gehören eine erhöhte Gelfestigkeit und Gelhärte, eine beschleunigte Gelbildung, eine vergrößerte spezifische Oberfläche, eine geringere Festigkeit des Käsebruchs, eine kleinere und gleichmäßigere Partikelgrößenverteilung der Fettkügelchen und eine verbesserte Wasserhaltekapazität.
Die Verbesserung der Homogenität und die gleichmäßigere Verteilung der Milchfettkügelchen durch Ultraschall verbessern die Käsequalität weiter. So zeigten beispielsweise Untersuchungen an mit Lab geronnener Ziegenmilch, dass das entstandene Gel nach 10 Minuten Ultraschallbehandlung eine dichtere, vernetzte Netzwerkstruktur aufwies. Dies führte zu einer homogeneren Mikrostruktur mit zahlreichen Poren, die deutlich kleiner waren als die in nicht beschalltem Milchquark.
Diese strukturellen Unterschiede deuten darauf hin, dass Ziegenmilchquark, der mit Power-Ultraschall behandelt wurde, eine höhere Festigkeit aufweist, wobei die G'max-Werte (maximaler Speichermodul) über 100 Pa liegen - Werte, die sogar höher sind als die für Kuhmilch angegebenen. Eine ähnliche Verbesserung wurde bei der Adhäsionskraft (Stärke der inneren Bindungen innerhalb der Probe) festgestellt. Insgesamt deuten diese Ergebnisse darauf hin, dass hochintensiver Ultraschall stärkere Wechselwirkungen zwischen den Milchbestandteilen fördert und dadurch die Abbindeeigenschaften der Milch bei der Käseherstellung verbessert (vgl. Carrillo-Lopez et al., 2021).

Die Beschallung fördert auch das Einlaben der Milch. Mehr lesen!

Ultraschalleinwirkungen bei der Herstellung von Käse

Die Auswirkungen von hochintensivem Ultraschall auf die Milchverarbeitung und die Käseherstellung sind intensiv untersucht worden.
Erhöhter Käseertrag: Die Beschallung von frischer Rohmilch mit dem Ultraschallgerät UP400S während der Panela-Käseherstellung führte zu einer erhöhten Käseausbeute (%), trotz einer Zunahme des Exsudats. Gelbtöne und Färbung im Käse werden durch Hoch-Intensiven Ultraschall (HIU) bei 10 min gefördert. Aber weder L*-, a*-, noch C*-Farbkoordinaten werden beeinflusst. Der pH-Wert stieg von 6,6 auf 6,74 nach 5 min Ultraschallbehandlung, reduzierte sich aber bei 10 min Beschallung. (vgl. Carrillo-Lopez et al., 2020)
Verbesserte Käsetextur: In verschiedenen Studien, welche die Effekte von Power-Ultraschall auf Käse untersuchten, berichteten Bermúdez-Aguirre und Barbosa-Cánovas, dass Frischkäse, der aus mit Thermosonication behandelter Milch (mit dem Hielscher UP400S – 400 W, 24 kHz, bei 63°C, 30 min.) behandelt wurde, weicher und brüchiger war als Käse der aus der Kontrollmilch (ohne Thermosonication) hergestellt wurde. Diese Eigenschaften führten dazu, dass der Käse leichter zu bröckeln war, was eine wünschenswerte Eigenschaft von Frischkäse ist. Die Autoren erklärten dieses Verhalten damit, dass die Mikrostruktur von Käse aus thermo-beschallter Milch im Vergleich zu Käse aus nicht-beschallter Milch eine homogenere Struktur aufwies. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Thermo-Ultraschallbehandlung die Homogenisierung von Proteinen und Fett verbesserte und die Retention von Wassermolekülen in der Matrix erhöhte. Daher kann davon ausgegangen werden, dass hoch-intensiver Ultraschall (HIU) starke Wechselwirkungen zwischen den Komponenten der Milch fördert und so die Abbindeeigenschaften verbessert.

Einfluss des Ultraschalls auf Milch und Molke: Viskosität & Rheologie, Homogenität, mikrobielle Aktivität

Milchprodukte werden aus tierischer Milch, wie z.B. Kuh-, Schaf-, Ziegen-, Büffel-, Pferde- oder Kamelmilch hergestellt. Nach dem Melken kann die Milch zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden, wie z. B. homogenisierte und entrahmte Milch, Joghurt, Sahne, Butter, Käse, Molke, Kasein oder Milchpulver. Kuhmilch ist der wichtigste Rohstoff für die Milch-verarbeitende Industrie mit einer weltweiten Produktion von 542.069.000 Tonnen/Jahr. [Gerosa et al. 2012]
Molke (Milchserum) ist ein Nebenprodukt der Käse- bzw. Kaseinherstellung. Sie besteht hauptsächlich aus α-Lactalbumin (~65%), β-Lactoglobulin (~25%), sowie aus geringen Mengen Serumalbumin (~8%) und Immunoglobinen. Molkenproteine sind globuläre Proteine, die aus Molke extrahiert werden können.
Milchpulver wird durch Sprühtrocknung verarbeitet, wobei die Milch in Sprühtrocknern getrocknet und verdampft wird, um reines Trockenmilchpulver zu gewinnen. Aufgrund des extrem hohen Energieverbrauchs von Sprühtrocknern ist eine hohe Feststoffkonzentration der Flüssigkeit wichtig, um die Prozesseffizienz zu optimieren.

„Proben von frischer Magermilch, rekonstituiertem mizellarem Kasein und Kaseinpulver wurden bei 20 kHz beschallt, um die Wirkung der Ultraschallbehandlung zu untersuchen. Bei frischer Magermilch verringerte sich die durchschnittliche Größe der verbleibenden Fettkügelchen nach 60 Minuten Beschallung um etwa 10 nm; die Größe der Kaseinmizellen wurde jedoch als unverändert festgestellt. Ein geringer Anstieg des löslichen Molkenproteins und eine entsprechende Abnahme der Viskosität traten ebenfalls innerhalb der ersten Minuten der Beschallung auf, was auf das Aufbrechen von Kasein-Molkenprotein-Aggregaten zurückgeführt werden könnte. In ultrazentrifugierten Magermilchproben, die bis zu 60 Minuten lang beschallt wurden, konnten keine messbaren Veränderungen im Gehalt an freiem Kasein festgestellt werden. Die Beschallung führte zu einer geringfügigen, vorübergehenden Senkung des pH-Wertes; es wurde jedoch keine messbare Veränderung der Konzentration an löslichem Kalzium festgestellt. Daher waren die Kaseinmizellen in frischer Magermilch während der Beschallung stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden für rekonstituiertes mizellares Kasein erzielt, wobei mit steigendem Molkenproteingehalt größere Viskositätsänderungen beobachtet wurden. Die kontrollierte Anwendung von Ultraschall kann sinnvoll eingesetzt werden, um die prozessbedingte Proteinaggregation umzukehren, ohne den nativen Zustand der Kaseinmizellen zu beeinträchtigen.“ [Chandrapala et al. 2012]

Auswirkungen von hochintensivem Ultraschall auf die Nährstoffe und die mikrobielle Stabilität von Milch

Razavi und Kenari (2020) untersuchten den Einfluss von hochintensivem Ultraschall in Kombination mit einem milden Wärmebehandlungsprozess (sogenannte Thermo-Sonication) zur Deaktivierung von Mikroben und Enzymen, die zum Verderb und zur Beeinträchtigung der Sicherheit von Lebensmitteln führen. Das Ziel ihrer Studie war es, die Wirkung des Ultraschallprozesses als Alternative zum Hochtemperatur-Wärmeprozess auf die Mikrobenzahl, die Lipidoxidation als qualitativen Parameter und die Vitamine als ernährungsphysiologische Eigenschaften von Milch zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall in der Lage war, die mikrobielle Belastung der Milch zu reduzieren und dass es weniger Veränderungen bei den Vitaminen gab als bei Milch, die mit konventioneller Wärmebehandlung behandelt wurde. In dieser Hinsicht erwies sich die Beschallung mit einer Ultraschallsonotrode bei einer Intensität von 75 % als am effektivsten. Die Verwendung einer Ultraschallsonotrode bei 55°C und 75% Intensität für 10 Minuten wird als mildes und gleichzeitig effektives Verfahren für die Milchpasteurisierung empfohlen.

Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren für die Käseproduktion

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung in der Anwendung von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- & Getränkeindustrie sowie in zahlreichen anderen Branchen. Unsere Ultraschall-Prozessoren sind mit leicht zu reinigenden (Clean-in-Place CIP / Sterilize-in-Place SIP) Sonotroden und Durchflusszellen (diese Teile kommen in Kontakt mit den Lebensmitteln) ausgestattet. Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich gefahren werden. Hohe Amplituden sind wichtig, um widerstandsfähigere Mikroben (z.B. gram-positive Bakterien) zu inaktivieren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Sonotroden und Ultraschall-Durchflussreaktoren können unter erhöhten Temperaturen und Drücken betrieben werden, was eine zuverlässige Thermo-Mano-Sonorisierung und hocheffektive Pasteurisierung ermöglicht.
Modernste Technik, hohe Leistung und ausgefeilte Software machen Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren zu zuverlässigen Arbeitsmaschinen in Ihrer Lebensmittel-Verarbeitung. Mit geringem Platzbedarf und vielseitigen Installationsmöglichkeiten lassen sich Hielscher Ultraschallgeräte problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren bzw. nachrüsten.
Bitte kontaktieren Sie uns, um mehr über die Eigenschaften und Einsatzmöglichkeiten unserer Ultraschall-Homogenisatoren zu erfahren. Wir würden uns freuen, Ihre Anwendung in der Käseherstellung mit Ihnen zu besprechen!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren: