Verbesserte Käseherstellung mit Leistungsultraschall

Die Herstellung verschiedener Käsesorten wie Hartkäse, Weichkäse und Quark aus unterschiedlichen Milcharten (z.B. Kuh-, Ziegen-, Schaf-, Büffel-, Kamelmilch usw.) lässt sich durch Ultraschallbehandlung effizient verbessern. Der Einsatz von Ultraschall hoher Intensität beschleunigt die Homogenisierung, Fermentation und Reifung, verbessert die mikrobielle Stabilität und wirkt sich positiv auf den Nährwert und die Textur aus.

Ultraschall hoher Intensität verbessert die Käseherstellung

Die Ultraschallbehandlung von Lebensmitteln ist eine etablierte Technologie zur Verbesserung der Milchhomogenisierung und Fermentation bei der Käseherstellung. Darüber hinaus wird die Ultraschallbehandlung in Kombination mit einer milden Wärmebehandlung – bekannt als Thermosonikation – als Alternative zur herkömmlichen thermischen Pasteurisierung eingesetzt. Dadurch werden Nährstoffe wie Vitamine, Aminosäuren und Fette vor thermischem Abbau geschützt. Die Käseherstellung aus Milch oder Molke lässt sich durch den Einsatz von niederfrequentem Ultraschall hoher Intensität deutlich intensivieren und verbessern.

Auswirkungen von Ultraschall hoher Intensität auf die Struktur von Milch und Käsebruch bei der Käseherstellung

Die Ultraschallbehandlung wurde erfolgreich bei der Käseherstellung aus Rindermilch (Kuhmilch), Schafmilch, Büffelmilch, Ziegenmilch, Kamelmilch und Stutenmilch eingesetzt.
Die ultraschallunterstützte Käseherstellung lässt sich für zahlreiche Käsesorten nutzen, darunter Cheddar, Feta, Frischkäse, Quark, mexikanischer Panela-Käse, hispanischer Weichkäse und weitere Käsespezialitäten.
Zu den Auswirkungen von niederfrequentem Ultraschall hoher Intensität auf Milch während der Käseherstellung zählen eine erhöhte Gelfestigkeit und Gelhärte, eine beschleunigte Gelbildung, eine vergrößerte spezifische Oberfläche, eine verringerte Festigkeit des Käsebruchs, eine zu kleineren Größen verschobene und gleichmäßigere Größenverteilung der Fettkügelchen sowie ein verbessertes Wasserhaltevermögen.
Die ultraschallbedingte Verbesserung der Homogenität und die gleichmäßigere Verteilung der Milchfettkügelchen steigern die Käsequalität zusätzlich. Beispielsweise zeigten Untersuchungen an mit Lab geronnener Ziegenmilch, dass das entstandene Gel nach 10 Minuten Ultraschallbehandlung eine dichtere, vernetzte Struktur aufwies. Dadurch entstand eine homogenere Mikrostruktur mit zahlreichen Poren, die deutlich kleiner waren als die im Käsebruch aus unbeschallter Milch beobachteten Poren.
Diese strukturellen Unterschiede deuten darauf hin, dass mit Leistungsultraschall behandelter Ziegenmilchbruch eine höhere Festigkeit aufweist, mit G’max-Werten (maximaler Speichermodul) von über 100 Pa – Werte, die sogar höher liegen als die für Kuhmilch berichteten. Eine ähnliche Verbesserung wurde bei der Adhäsivität (der Stärke der inneren Bindungen innerhalb der Probe) beobachtet. Insgesamt zeigen diese Ergebnisse, dass Ultraschall hoher Intensität stärkere Wechselwirkungen zwischen den Milchbestandteilen fördert und dadurch die Dicklegungseigenschaften der Milch bei der Käseherstellung verbessert (vgl. Carrillo-Lopez et al., 2021).

Die Ultraschallbehandlung fördert auch die Labgerinnung der Milch. Erfahren Sie mehr!

Auswirkungen von Ultraschall auf die Käseherstellung

Die Auswirkungen von Ultraschall hoher Intensität auf die Milchverarbeitung und Käseherstellung wurden intensiv untersucht.
Erhöhte Käseausbeute: Die Beschallung frischer Rohmilch mit dem Ultraschallgerät UP400S bei der Herstellung von Panela-Käse führte trotz einer erhöhten Flüssigkeitsabsonderung zu einer höheren Käseausbeute (%). Eine HIU-Behandlung über 10 min fördert Gelbtöne und die Färbung des Käses. Die Farbkoordinaten L*, a* und C* werden jedoch nicht beeinflusst. Der pH-Wert stieg nach 5 min Ultraschallbehandlung von 6,6 auf 6,74, sank jedoch bei 10 min wieder. (Vgl. Carrillo-Lopez et al., 2020)
Verbesserte Käsetextur: Zu Untersuchungen an Käse berichteten Bermúdez-Aguirre und Barbosa-Cánovas, dass Frischkäse aus thermosonikierter Milch (mit dem Hielscher UP400S – 400 W, 24 kHz, 63 °C, 30 min) weicher und brüchiger war als Käse aus der Kontrollmilch (ohne Thermosonikation). Aufgrund dieser Eigenschaften ließ sich der Käse leichter zerbröseln, was bei Frischkäse erwünscht ist. Die Autoren erklärten dieses Verhalten damit, dass die Mikrostruktur des Käses aus thermosonikierter Milch homogener war als die des Käses aus unbeschallter Milch. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Thermosonikation die Homogenisierung von Proteinen und Fett verbesserte und den Rückhalt von Wassermolekülen in der Matrix erhöhte. Daher ist anzunehmen, dass HIU starke Wechselwirkungen zwischen den Milchbestandteilen fördert und dadurch die Dicklegungseigenschaften verbessert.

Einfluss von Ultraschall auf Milchprodukte: Viskosität und Rheologie, Homogenität, mikrobielle Aktivität

Milchprodukte werden aus tierischer Milch hergestellt, wie z.B. Kuh-, Schaf-, Ziegen-, Büffel-, Stuten- oder Kamelmilch. Nach dem Melken kann die Milch zu verschiedenen Produkten verarbeitet werden, darunter homogenisierte Milch und Magermilch, Joghurt, Sahne, Butter, Käse, Molke, Kasein oder Milchpulver. Kuhmilch ist mit einer weltweiten Produktion von 542.069.000 Tonnen/Jahr der wichtigste Rohstoff für die Milchindustrie.[Gerosa et al. 2012]
Molke (Milchserum) ist ein Nebenprodukt der Käse- oder Kaseinherstellung. Sie besteht hauptsächlich aus α-Lactalbumin (~65%), β-Lactoglobulin (~25%) sowie aus geringen Mengen an Serumalbumin (~8%) und Immunglobulinen. Molkenproteine sind globuläre Proteine, die aus Molke extrahiert werden können.
Zur Herstellung von reinem, trockenem Milchpulver wird Milch in Sprühtrocknern durch Verdampfung getrocknet. Aufgrund des äußerst 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 20kHz beschallt, um die Wirkung der Ultraschallbehandlung zu untersuchen. Bei frischer Magermilch verringerte sich die durchschnittliche Größe der verbleibenden Fettkügelchen nach 60min Beschallung um etwa 10nm; die Größe der Kaseinmizellen blieb jedoch unverändert. Innerhalb der ersten Minuten der Beschallung traten außerdem eine leichte Zunahme des löslichen Molkenproteins und eine entsprechende Abnahme der Viskosität auf, was auf die Auflösung von Kasein-Molkenprotein-Aggregaten zurückgeführt werden konnte. In ultrazentrifugierten Magermilchproben, die bis zu 60min beschallt wurden, ließen sich keine messbaren Veränderungen des Gehalts an freiem Kasein feststellen. Die Beschallung führte zu einer geringfügigen, vorübergehenden Abnahme des pH-Werts; eine messbare Veränderung der Konzentration an löslichem Calcium wurde jedoch nicht beobachtet. Die Kaseinmizellen in frischer Magermilch blieben somit während der Ultraschallbehandlung stabil. Ähnliche Ergebnisse wurden für rekonstituiertes mizellares Kasein erzielt, wobei mit zunehmendem Molkenproteingehalt größere Viskositätsänderungen beobachtet wurden. Der kontrollierte Einsatz von Ultraschall kann sinnvoll genutzt werden, um prozessbedingte Proteinaggregation rückgängig zu machen, ohne den nativen Zustand der Kaseinmizellen zu beeinflussen.“ [Chandrapala et al. 2012]

Auswirkungen von Ultraschall hoher Intensität auf Milchnährstoffe und mikrobielle Stabilität

Razavi und Kenari (2020) untersuchten den Einfluss von Ultraschall hoher Intensität in Kombination mit einer milden Wärmebehandlung zur Inaktivierung von Mikroorganismen und Enzymen, die zum Verderb und zur Beeinträchtigung der Lebensmittelsicherheit führen. Ziel ihrer Studie war es, die Auswirkungen der Ultraschallbehandlung als Alternative zur Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen auf die Keimzahl, die Lipidoxidation als Qualitätsparameter und die Vitamine als ernährungsphysiologische Merkmale der Milch zu bewerten. Die Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall die mikrobielle Belastung der Milch reduzieren konnte und geringere Veränderungen der Vitamine bewirkte als eine herkömmliche Wärmebehandlung. Dabei erwies sich die Beschallung mit einer Sonotrode als überlegen und bei 75% Intensität als am wirksamsten. Der Einsatz einer Sonotrode bei 55°C und 75% Intensität über 10 Minuten wird als nicht destruktives Verfahren zur Milchpasteurisierung empfohlen.

Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für die Käseherstellung

Hielscher Ultrasonics verfügt über langjährige Erfahrung mit dem Einsatz von Leistungsultraschall in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie sowie in zahlreichen weiteren Industriezweigen. Unsere Ultraschallprozessoren sind mit leicht zu reinigenden Sonotroden und Durchflusszellen (Clean-in-Place CIP / Sterilize-in-Place SIP) als medienberührten Bauteilen ausgestattet. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb einsetzen. Hohe Amplituden sind wichtig, um widerstandsfähigere Mikroorganismen (z.B. grampositive Bakterien) zu inaktivieren. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Alle Sonotroden und Ultraschall-Durchflussreaktoren können bei erhöhten Temperaturen und Drücken betrieben werden. Dies ermöglicht eine zuverlässige Thermomanosonikation und eine hochwirksame Pasteurisierung.
Modernste Technologie, hohe Leistungsfähigkeit und ausgereifte Software machen die Geräte von Hielscher Ultrasonics zu zuverlässigen Leistungsträgern in Ihrer Anlage zur Lebensmittelpasteurisierung. Dank ihres geringen Platzbedarfs und vielseitiger Installationsmöglichkeiten lassen sich Ultraschallgeräte von Hielscher problemlos in bestehende Produktionslinien integrieren oder nachrüsten.
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Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: