Durch Ultraschallbehandlung verbesserte Labgerinnung von Milch
Die ultraschallunterstützte Labgerinnung von Milch ist ein innovatives Verarbeitungsverfahren zur Verbesserung der Produktqualität und Produktionseffizienz. Eine Ultraschallbehandlung der Milch vor der Gerinnung hat großes Potenzial gezeigt, die Labgerinnungsphase bei der Käseherstellung zu optimieren. Niederfrequenter Hochleistungsultraschall kann die Struktur von Milchproteinen und Caseinmizellen verändern und dadurch die Gelbildung während der Labgerinnung verbessern. Diese Effekte machen die Ultraschallbehandlung zu einer wirkungsvollen Methode für Molkereitechnologen, die Milchverarbeitungsprozesse verbessern und die Effizienz und Gleichmäßigkeit der Käseproduktion steigern möchten.
Die Bedeutung der Labgerinnung bei der Käseherstellung
Die Labgerinnung ist die entscheidende erste Phase der Käseherstellung. Dabei spaltet das Enzym Chymosin κ-Casein-Moleküle, sodass Caseinmizellen aggregieren und ein dreidimensionales Gelnetzwerk bilden können, aus dem Käsebruch entsteht. Die Qualität dieses Gelnetzwerks beeinflusst unmittelbar:
- Gelbildungszeit
- Festigkeit des Käsebruchs
- Verfestigungsgeschwindigkeit des Käsebruchs
- Mikrostruktur und Vernetzung des Gels
Diese Parameter bestimmen, wie effizient Milch zu Käse verarbeitet werden kann, und beeinflussen letztlich Ausbeute, Textur und Verarbeitungsleistung.
Das Labgerinnungsverhalten von Milch kann jedoch aufgrund von Faktoren wie Proteinzusammensetzung, Calciumhaushalt, pH-Wert und Struktur der Caseinmizellen variieren. Technologien, die diese Eigenschaften verbessern oder stabilisieren, können daher für milchverarbeitende Betriebe einen erheblichen Mehrwert bieten.
Industrielles Ultraschallgerät UIP4000hdT für die Milchverarbeitung
Wie Ultraschall die Labgerinnung von Milch verbessert
Bei der Ultraschallverarbeitung werden niederfrequente Ultraschallwellen (>20 kHz) in flüssige Medien eingeleitet. Dadurch entsteht akustische Kavitation, bei der sich mikroskopisch kleine Blasen bilden und rasch kollabieren, wodurch lokal mechanische Kräfte, Turbulenzen und Mikrostrahlen in der Flüssigkeit erzeugt werden.
Diese mechanischen Effekte können die physikalische Struktur von Milchproteinen verändern, ohne dass hohe Temperaturen erforderlich sind.
Untersuchungen von Liu et al. (2014) zeigten, dass eine Ultraschallbehandlung von Magermilch bei 20 kHz vor der Labgerinnung die Gelbildungseigenschaften der Milch deutlich verbesserte.
Die Studie zeigte, dass die Ultraschallbehandlung:
- Die für die Labgerinnung erforderliche Gelbildungszeit verkürzte
- Die Verfestigungsgeschwindigkeit des Käsebruchs erhöhte
- Festere Gele mit höherer Festigkeit des Käsebruchs erzeugte
- Die Vernetzung des durch Lab gebildeten Gelnetzwerks verbesserte
Diese Verbesserungen wurden auf ultraschallinduzierte Veränderungen der Milchproteine und der Struktur der Caseinmizellen zurückgeführt.
Dieselben Ergebnisse werden in der hochgeladenen Studie beschrieben. Darin wird berichtet, dass Milch, die bei pH 8 mit Ultraschall behandelt und anschließend wieder auf pH 6,7 eingestellt wurde, die deutlichsten Verbesserungen des Gerinnungsverhaltens zeigte.
Wesentliche strukturelle Effekte in Milch
Die Ultraschallbehandlung verändert die Mikrostruktur von Milchproteinen auf verschiedene Weise. Die Studie und verwandte Untersuchungen beschreiben:
- Verringerung der Größe von Caseinmizellen durch kavitationsbedingte mechanische Kräfte
- Bildung kleinerer Proteinaggregate
- Vergrößerung der Oberfläche von Caseinpartikeln
- Verstärkte Proteinwechselwirkungen während der Gerinnung
Diese strukturellen Veränderungen ermöglichen eine effizientere Aggregation, sobald Lab zugegeben wird.
Die in der Studie berichteten Ergebnisse verdeutlichen erhebliche Leistungsverbesserungen. Zum Beispiel:
- Die Gelbildungszeit sank von etwa 40 Minuten bei unbehandelter Milch auf ungefähr 28 Minuten bei ultraschallbehandelter Milch
- Die Festigkeit des Käsebruchs stieg im Vergleich zur unbehandelten Kontrollprobe auf ein Mehrfaches
- Die Verfestigungsgeschwindigkeit des Käsebruchs nahm erheblich zu
Diese Veränderungen führen bei der Käseherstellung unmittelbar zu einer schnelleren und robusteren Bildung von Käsebruch.
Ultraschall-Durchflusszelle aus Glas für Versuche im Labormaßstab, z. B. zur Beschallung von Milch
Ultraschallunterstützte Labgerinnung: Vorteile für Molkereien und Käsehersteller
Für die industrielle Milchverarbeitung sind die potenziellen Vorteile einer durch Ultraschall verbesserten Labgerinnung beträchtlich.
Schnellere Verarbeitung
Ultraschall verkürzt die Gelbildungszeit und kann dadurch die frühen Phasen der Käseherstellung beschleunigen.
- Kürzere Gerinnungszeit
- Schnellere Bildung von Käsebruch
- Potenziell höherer Produktionsdurchsatz in Fertigungslinien
Verbesserte Struktur des Käsebruchs
Die Ultraschallbehandlung führt zu einem dichteren und stärker vernetzten Proteinnetzwerk, wodurch festerer Käsebruch entsteht.
Dies kann beitragen zu:
- Verbesserter Handhabung des Käsebruchs
- Besserer Molkenabscheidung
- Besserer Kontrolle der Textur
Gesteigerte Produktionseffizienz
Festere Gele und eine schnellere Gerinnung können Folgendes ermöglichen:
- Höheres Potenzial für die Käseausbeute
- Kürzere Verarbeitungszeit
- Gleichmäßigere Produktqualität
Diese Vorteile sind besonders für die Käseproduktion im großen Maßstab relevant, bei der kleine Verbesserungen der Prozesseffizienz zu erheblichen wirtschaftlichen Vorteilen führen können.
Industrieller Ultraschallprozessor UIP4000hdT für die Milchverarbeitung im industriellen Maßstab.
Ultraschall als nichtthermische Technologie für die Milchverarbeitung
Einer der attraktivsten Aspekte der Ultraschallverarbeitung von Milch ist, dass sie als nichtthermische oder schonende Verarbeitungstechnologie gilt.
Anders als herkömmliche Wärmebehandlungen kann Ultraschall die strukturellen Eigenschaften von Proteinen durch mechanische Kavitationseffekte statt durch hohe Temperaturen verändern. Dies trägt dazu bei, die funktionellen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften der Milchbestandteile zu erhalten.
Aktuelle Übersichtsarbeiten heben Ultraschall als wirksames und zuverlässiges Verfahren zur Steuerung der Proteinfunktionalität und der Gelbildungsprozesse in Milchproduktsystemen hervor, einschließlich Käse und fermentierter Milchprodukte.
Für Molkereitechnologen eröffnet dies Möglichkeiten, die funktionellen Eigenschaften von Milch gezielt anzupassen, ohne die Produktqualität zu beeinträchtigen.
Industrielle Umsetzung in Molkereien
Mit dem Fortschreiten der Forschung von Laborstudien zur industriellen Anwendung werden die Zuverlässigkeit der Geräte und die Einhaltung der Anforderungen an die Lebensmittelsicherheit zu wesentlichen Gesichtspunkten.
Industrielle Ultraschallsysteme wie die von Hielscher Ultrasonics entwickelten sind auf eine hygienische Bauweise und eine sichere Installation in Umgebungen zur Lebensmittelverarbeitung ausgelegt. Solche Systeme können unter Einhaltung der cGMP- und FDA-Richtlinien betrieben werden, und Anwendungen in der Lebensmittelverarbeitung können durch unabhängige Prüfungen durch Dritte validiert und zertifiziert werden.
Ultraschallgeräte von Hielscher lassen sich einfach an die Software von Prozessanlagen anbinden und nahtlos in bestehende Produktionslinien integrieren. Die automatisierte Datenaufzeichnung der Ultraschallprozessparameter gewährleistet die Überwachung und Qualitätskontrolle gemäß den cGMP-Richtlinien.
Damit ist die Ultraschallverarbeitung von Milch eine praxistaugliche Technologie für gewerbliche Molkereien, die Prozessinnovationen anstreben.
Für Molkereitechnologen und Käsehersteller stellt dieser Ansatz einen zuverlässigen Verarbeitungsschritt auf dem Weg zu effizienteren, besser steuerbaren und innovativen Käseherstellungsprozessen dar.
Fazit
Milch kann vor der Herstellung verschiedener Milchprodukte, etwa Käse und anderer durch Lab geronnener Lebensmittel, mit Ultraschall behandelt werden, um deren funktionelle und strukturelle Eigenschaften zu verbessern. Durch die Veränderung der physikalischen Eigenschaften von Milchproteinen und Fettkügelchen kann die Ultraschallbehandlung von Milch das Gerinnungsverhalten, die Struktur des Käsebruchs und die gesamte Produktqualität verbessern. Darüber hinaus kann die Ultraschallbehandlung zur Fraktionierung von Milchbestandteilen eingesetzt werden. Dies ermöglicht die Trennung oder Veränderung von Milchbestandteilen, um die Produktfunktionalität, Verarbeitungseffizienz und Ausbeute zu verbessern.
Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:
| Chargenvolumen | Volumenstrom | Empfohlene Geräte |
|---|---|---|
| 10 bis 2000mL | 20 bis 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 bis 20L | 0,2 bis 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100L | 2 bis 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150L | 3 bis 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100L/min | UIP16000hdT |
| n.a. | höher | Verbund aus UIP16000hdT |
Entwicklung, Fertigung und Beratung – Qualität Made in Germany
Ultraschallgeräte von Hielscher sind für höchste Qualitäts- und Konstruktionsstandards bekannt. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die reibungslose Integration unserer Ultraschallgeräte in Industrieanlagen. Ultraschallgeräte von Hielscher bewältigen raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen problemlos.
Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt besonderen Wert auf leistungsstarke Ultraschallgeräte mit modernster Technologie und hoher Benutzerfreundlichkeit. Selbstverständlich sind Ultraschallgeräte von Hielscher CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.
Ultraschallhomogenisator UIP16000hdT für Lebensmittel verbessert die Labgerinnung von Milch
Literatur / Quellen
- Liu, Zheng; Juliano, Pablo; Williams, Roderick; Niere, Julie; Augustin, Mary Ann (2014): Ultrasound improves the renneting properties of milk. Ultrasonic Sonochemistry 21(6), 2014.
- Carrillo-Lopez, L.M.; Juarez-Morales, M.G.; Garcia-Galicia, I.A.; Alarcon-Rojo, A.D.; Huerta-Jimenez, M. (2020): The Effect of High-Intensity Ultrasound on the Physicochemical and Microbiological Properties of Mexican Panela Cheese. Foods 2020, 9, 313.
- Bermúdez-Aguirre, D., Mawson, R. and Barbosa-Cánovas, G.V. (2008): Microstructure of Fat Globules in Whole Milk after Thermosonication Treatment. Journal of Food Science 73, 2008. E325-E332.
Häufig gestellte Fragen
Was ist die Labgerinnung von Milch?
Die Labgerinnung von Milch ist ein enzymatischer Gerinnungsprozess, bei dem das Enzym Chymosin (der aktive Bestandteil von Lab) κ-Casein auf der Oberfläche von Caseinmizellen spaltet. Dadurch werden die Mizellen destabilisiert, sodass sie aggregieren und ein dreidimensionales Proteingelnetzwerk bilden können, aus dem Käsebruch entsteht.
Was ist Lab?
Lab ist ein Komplex milchgerinnender Enzyme, der bei der Käseherstellung eingesetzt wird, um die Gerinnung der Milch auszulösen. Sein hauptsächlicher aktiver Bestandteil ist Chymosin (EC 3.4.23.4), eine Aspartatprotease, die spezifisch κ-Casein in der Milch spaltet. Diese enzymatische Reaktion destabilisiert Caseinmizellen, sodass sie aggregieren und ein Gelnetzwerk bilden können, das sich in Käsebruch und Molke trennt.
Traditionell wird Lab aus dem Labmagen (vierten Magen) noch nicht entwöhnter Kälber gewonnen, in dem das Enzym auf natürliche Weise zur Verdauung von Milchproteinen gebildet wird. Heute wird bei der gewerblichen Käseherstellung häufig mikrobielles oder rekombinantes Chymosin verwendet, das durch Fermentation hergestellt wird, eine gleichbleibende Enzymaktivität bietet und in der industriellen Milchverarbeitung weit verbreitet ist.
Warum wird Milch Lab zugesetzt?
Lab wird Milch zugesetzt, um die Gerinnung der Caseinproteine einzuleiten. Durch die Spaltung von κ-Casein ermöglicht Lab den Caseinmizellen, zu aggregieren und eine Käsebruchstruktur zu bilden, die sich von der Molke trennt. Dadurch kann flüssige Milch in Käse umgewandelt werden.
Wie gerinnt Milch und bildet Käsebruch?
Milch gerinnt und bildet Käsebruch, wenn die Stabilität der Caseinmizellen in der Milch gestört wird, wodurch die Milchproteine aggregieren und ein dreidimensionales Gelnetzwerk bilden. In frischer Milch sind Caseinproteine in Mizellen organisiert, die aufgrund der stabilisierenden Wirkung von κ-Casein auf ihrer Oberfläche dispergiert bleiben. Wenn diese Stabilität abnimmt, aggregieren die Mizellen und bilden Käsebruch.
Die Gerinnung kann durch enzymatische Wirkung erfolgen, am häufigsten durch das im Lab enthaltene Enzym Chymosin, das spezifisch κ-Casein spaltet. Diese Spaltung entfernt die stabilisierende Schicht um die Caseinmizellen, sodass sie durch hydrophobe Wechselwirkungen und calciumvermittelte Bindungen aggregieren und eine feste Gelstruktur bilden können.
Milch kann auch durch Ansäuerung gerinnen. Dabei senkt die von Bakterien gebildete Milchsäure den pH-Wert der Milch in Richtung des isoelektrischen Punkts von Casein (etwa pH 4,6). Bei diesem pH-Wert nimmt die elektrostatische Abstoßung zwischen Caseinpartikeln ab, was zur Aggregation und Ausfällung der Proteine führt.
Bei beiden Mechanismen schließt die Aggregation der Caseinproteine Fett und Wasser in das entstehende Proteinnetzwerk ein. Dies führt zur Trennung des festen Käsebruchs von der flüssigen Molke und stellt den grundlegenden Schritt bei der Herstellung von Käse und anderen fermentierten Milchprodukten dar.
Hielscher Ultrasonics stellt leistungsstarke Ultraschallhomogenisatoren vom Labormaßstab bis zum Industriemaßstab her.