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.

Die Ultraschallbehandlung wurde bereits erfolgreich für die Käseherstellung aus Kuh-, Schaf-, Büffel-, Ziegen-, Kamel- und Stutenmilch eingesetzt.
Die ultraschall-gestützte Käseproduktion kann für verschiedene Käsesorten wie z.B. Cheddar, Feta, Frischkäse, Quark, mexikanischen Panela-Käse, hispanischen Weichkäse und andere Käsespezialitäten eingesetzt werden.
Niederfrequenter, hochintensiver Ultraschall hat mehrere positive Auswirkungen auf die Milchverarbeitung während der Käseherstellung. Dazu gehören u.a. die verbessserte und beschleunigte Gerinnung, Gelfestigkeit und Härte der Dickete (Gallerte), die Vergrößerung der spezifischen Oberfläche, die Verringerung der Bruchfestigkeit, die feine und gleichmäßige Partikelgrößenverteilung der Fettkügelchen sowie ein größeres Wasserhaltevermögen.
Eine durch Ultraschall erhöhte Homogenität und gleichmäßigere Verteilung der Milchfettkügelchen verbessert auch die Käsequalität. So zeigten die Käsebruch-Eigenschaften von Ziegenmilch mit Renin nach 10-minütiger Beschallung ein dichteres, gelartig vernetztes Netzwerk, was zu einer homogeneren Mikrostruktur mit reichlich Poren führte. Bemerkenswert ist, dass diese Poren deutlich kleiner waren als die Poren im Milchquark ohne Beschallung. Dies deutet darauf hin, dass der mit Power-Ultraschall behandelte Ziegenmilchquark eine größere Festigkeit aufweist und Werte von G'max (Maximalwert für den viskoelastischen Speichermodul) von über 100 Pa registriert, die sogar höher sind als die bei Kuhmilch gemessenen Werte. Ein ähnlicher Effekt wurde bei der Adhäsivität (der Stärke der inneren Bindungen in der Probe) beobachtet. Es kann also davon ausgegangen werden, dass hochintensiver Ultraschall starke Wechselwirkungen zwischen den Komponenten der Milch fördert und damit die Abbindeeigenschaften verbessert. (vgl. Carrillo-Lopez et al. 2021)

Ultraschalleffekte auf die Herstellung verschiedener Käsesorten

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 war die durchschnittliche Größe der verbleibenden Fettkügelchen nach 60 Minuten Beschallung um ca. 10 nm reduziert; die Größe der Kaseinmizellen wurde jedoch als unverändert festgestellt. Eine geringe Zunahme 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 konnte. In ultrazentrifugierten Magermilchproben, die bis zu 60 min beschallt wurden, konnten keine messbaren Veränderungen des Gehalts an freiem Kasein festgestellt werden. Eine geringe, vorübergehende Abnahme des pH-Wertes resultierte aus der Beschallung; es wurde jedoch keine messbare Änderung der Konzentration an löslichem Calcium beobachtet. Daher waren die Kaseinmizellen in frischer Magermilch während der Ultraschallexposition stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden für rekonstituiertes mizellares Kasein erzielt, wobei größere Viskositätsänderungen beobachtet wurden, wenn der Molkenproteingehalt erhöht wurde. Die kontrollierte Anwendung von Ultraschall kann sinnvoll eingesetzt werden, um die prozessinduzierte Proteinaggregation rückgängig zu machen, 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: