Anwendung von Mikrofiltration bei der Herstellung von Konsum- … · 2016. 9. 12. · 139 Anwendung von Mikrofiltration bei der Herstellung von Konsum-milch mit verlängerter Haltbarkeit

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Anwendung von Mikrofiltration bei der Herstellung von Konsum-milch mit verlängerter Haltbarkeit

Von Ch. Kiesner1, W. Hoffmann1, P. Chr. Lorenzen1, I. Clawin-Rädecker1, D. Martin1,H. Meisel1, K. Einhoff1, P. Hammer2, P. Teufel2 und G. Suhren2

1 Institut für Chemie und Technologie der Milch der Bundesforschungsanstalt fürErnährung und Lebensmittel, Standort Kiel, Postfach 6069, 24121 Kiel

2 Institut für Hygiene und Produktsicherheit der Bundesforschungsanstalt für Ernährungund Lebensmittel, Standort Kiel, Postfach 6069, 24121 Kiel

1. Einleitung

Die Mikrofiltration wurde in den achtziger Jahren bei der Vorbehandlung (Entkeimung)von Kesselmilch zur Käseherstellung eingeführt und später auch für die Herstellung vonKonsummilch vorgeschlagen. Aus dieser Zeit sind bereits einige Veröffentlichungen zudiesem Thema erschienen (1-5, 10-12, 17, 23-25). Das Ziel des Einsatzes der Mikro-filtration ist die Reduzierung der Ausgangskeimzahl in Milch, die für eine weitereVerarbeitung vorgesehen ist. Der Mikrofiltration werden in der Regel eine oder mehrereWärmebehandlungen nachgeschaltet. Diese können von den Temperatur-Zeit-Kombi-nationen entsprechend „schonender“ gewählt werden, da die Ausgangskeimzahl in derMilch durch die Mikrofiltration bereits stark reduziert wurde. Demzufolge fallen diehitzeinduzierten chemischen Veränderungen in der behandelten Milch wesentlich schwä-cher aus als bei einer ausschließlichen Wärmebehandlung mit vergleichbarer Reduktionvon Mikroorganismen. Bei einer Verhinderung von Rekontaminationen kann eine gerin-gere Anzahl von Mikroorganismen in der behandelten Milch deren Haltbarkeit verlängern.Vom technologischen Standpunkt macht es bei der Herstellung von Trinkmilch durchausSinn, eine mechanische Entkeimung der Milch der thermischen vorzuschalten.

Die noch geltende Milchverordnung (6) sieht beim Herstellen wärmebehandelter Milchund von Werkmilch in §4 die Anwendung von Filtrationsverfahren, z. B. Mikrofiltration,zwecks Reduzierung der Keimzahl nicht ausdrücklich vor. Betrachtet man jedoch dasMikrofiltrieren als einen Verfahrensschritt, der für die Reduzierung der Keimzahl(Entkeimung) von Milch eingesetzt wird, so sind die dabei vorgenommenen Entnahmen(Retentat) gemäß §4 Abs. 3 der Milchverordnung zulässig.

In Abhängigkeit von der mittleren Porengröße der Mikrofiltrationsmembranen (0,1 µmbis 5 µm) und der Membranstruktur werden mit dieser Trenntechnik nicht nur die in derMilch enthaltenen Mikroorganismen und somatischen Zellen abgetrennt, sondern auchMilchbestandteile wie Milchfett und Caseinmicellen (2, 3, 7, 8). Mit einer mittlerenPorengröße der Membran von 0,1µm kann z. B. das Casein aus der Magermilch nahezuvollständig abgetrennt werden (9). Da die an der Membranoberfläche sich bildendeDeckschicht einen zusätzlichen Filtrationseffekt hat, kann allein durch die Vorgabe derPorengröße keine exakte Trenngrenze zwischen den Milchbestandteilen und Mikroorga-nismen festgelegt werden. Weitere Membran- und Prozessgrößen, wie Aufbau derPorenstruktur, Membranmaterial, transmembrane Druckdifferenz, Wandschubspannungoder Konzentrationsgrad sind ebenso wenig geeignet, den Entkeimungsprozess zu

140

definieren. Abb.1 verdeutlicht bezüglich der Trennung von Milchinhaltsstoffen undMikroorganismen die Anwendungsbereiche verschiedener Membranverfahren in derMilchwirtschaft.

Abb. 1: Möglichkeiten der Abtrennung von Milchinhaltsstoffen mit unterschiedlichen Membran-trennverfahren; UO – Umkehrosmose, MF – Mikrofiltration, NF – Nanofiltration, UF -Ultrafiltration

Die bereits erwähnten zulässigen Entnahmen bei der Entkeimung von Milch (§4 Abs. 3der Milchverordnung) dürfen jedoch nicht zu einer wesentlichen Veränderung derKonzentration von Milchinhaltsstoffen führen. Insbesondere darf keine Eiweiß-standardisierung stattfinden. Eine präzise Angabe der zulässigen Veränderungen derMilchzusammensetzung, bedingt durch ein Entkeimungsverfahren, enthält die Milch-gesetzgebung nicht.

In der vorliegenden Arbeit werden zuerst die bisher aus der Literatur bekanntenAnlagenkonfigurationen zur Herstellung von Konsummilch mit vorgeschalteter Mikro-filtration dargestellt (Kapitel 2). Die mit den beschriebenen Anlagenkonfigurationenerzielten Ergebnisse bezüglich der chemischen und mikrobiologischen Veränderungenin der fertigen Milch werden diskutiert. Bezüglich der Angaben zu Keimreduktionen sei andieser Stelle darauf hingewiesen, dass alle folgenden Literaturdaten unverändert, alsoauch mit prozentual bewerteter Reduktion, zitiert werden. Grundsätzlich sind aus mikro-biologischer Sicht Prozentangaben zur Keimreduktion nur wenig aussagekräftig, da einenicht vorhandene Genauigkeit vorgetäuscht wird. Die Angabe der Reduktion um log10-Stufen ist unbedingt vorzuziehen. Im Kapitel 4 werden eigene Untersuchungen mit zweiAnlagenkonfigurationen, bei denen die Retentatphase nicht in der fertigen Konsummilchverwertet wird, vorgestellt. Auch dazu werden Ergebnisse von chemischen Veränderun-gen, Reduktion von Mikroorganismen und sensorische Eigenschaften von Milch darge-stellt und diskutiert.

Anwendungsspektrum von Membrantrennverfahren in der Milchindustrie

Partikeldurch-messer (µm)

Molekular-gewicht (Dalton)

Partikel-Charakteristik

Milch-bestandteile

Trenn-verfahren

Salze

Lactose/Deriv.

UO

NF

UF

MF

Vitamine

Molkenproteine

Caseinmicellen

Fettkügelchen

Bakterien

Perm.: H2O

100

Molkenproteinaggregate Käsestaub

Traditionelle Filtration

100 1000 10000 100000 500000

0,01 0,1 1,0 10

ionisch molekular makromolekular zellulär u. mikropartikuliert

Ionen

Perm.: H2O1-wert. Ionen

141

2. Herstellung von Konsummilch mit vorgeschalteter Mikrofiltration und Verwer-tung des Retentats

2.1 Literaturübersicht über Anlagenkonfigurationen und chemisch/mikrobiolo-gische Veränderungen in der behandelten Milch

Bei den meisten bisher durchgeführten Untersuchungen mit Verfahren zur Herstellungvon länger haltbarer Konsummilch (Konsummilch mit niedrigem Keimgehalt) mit vorge-schalteter Mikrofiltration wird Magermilch mikrofiltriert und das dabei anfallende Permeatund Retentat sowie der notwendige Rahm einer getrennten Wärmebehandlung unterzo-gen. Abschließend werden die Teilströme vermischt und abgefüllt. Das Verfahren basiertauf dem von Alfa-Laval entwickelten und patentierten bactocatch system (17). Bei diesemVerfahren werden, analog wie bei konventioneller Kurzzeiterhitzung mit Fettgehaltsein-stellung, keine Milchbestandteile entzogen (Abb. 2). Der Rahm wird in der Regelzusammen mit dem Retentat einer Hocherhitzung mit Temperatur-Zeit-Kombinationenzwischen 115 °C bis 130 °C für 4 bis 6 s unterzogen (1-4, 10-13, 19). Der Permeatstromwird entweder kurzzeiterhitzt oder unerhitzt dem hocherhitzten Retentat/Rahm-Stromzugemischt. Die Mikrofiltration ist für hohe axiale Strömungsgeschwindigkeiten zwischen6 bis 8 m/s mit einer Zirkulation auf der Permeatseite zwecks Einstellung einer konstantentransmembranen Druckdifferenz (UTP-Prinzip, uniform transmembrane pressure) längsdes Fließweges ausgelegt. Die ersten Versuche mit dem bactocatch system wurden mit1,4 µm-MembraloxTM-Membranen durchgeführt. Es konnte eine Sporenreduktion um3 log

10-Stufen erzielt werden. Bei der Anwendung von mehrschichtigen neuen Membra-

nen SteriloxTM mit der gleichen mittleren Porengröße war eine Sporenreduktion zwischen4 und 5 log10-Stufen möglich. Die Sporenreduktion wurde definiert als das Verhältniszwischen der Sporenanzahl in der Ausgangsmilch und der Anzahl der Sporen im Permeat(14).

Abb. 2: Anlagenkonfiguration des bactocatch systems (17) nach Alfa-Laval

Rohmilch

Separieren

Rahm Magermilch

Retentat

Permeat

Homogenisieren

Asept.

Abfüllen

Keimarme Milch

Kurzzeiterhitzen72 - 75°C15 - 30 s

Mikrofiltration1,4 µm, 50°C

Hocherhitzen125°C2 - 4 s

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Zur Unterbindung einer zu starken Belagschichtbildung auf der Retentatseite derMembran wird auch ein Rückspülverfahren eingesetzt (back-flushing). Dabei wird inbestimmten Zeitzyklen der Permeatstrom für ein kurzes Intervall (≤ 0,2 s) durch Druck-aufbau in umgekehrte Richtung geleitet, die Belagschicht dadurch gelockert und vomRetentatstrom abgetragen (26).

Aus der Literatur sind einige voneinander abweichende Anlagenkonfigurationen desbactocatch systems bekannt.

Abb. 3: Anlagenkonfiguration und Versuchsbedingungen zu Versuchen von Olesen u. Jensen(3), ∆p

Tr – transmembrane Druckdifferenz, d

P – Porendurchmesser

Abb. 3 zeigt die Anlagenkonfiguration, mit der in Dänemark von Olesen u. Jensen (3)Untersuchungen durchgeführt worden sind. Der hocherhitzte Retentat/Rahm-Stromwurde mit dem thermisch unbehandelten Permeat vermischt und anschließend kurzzeit-erhitzt. Die Erhitzungstemperatur bei der Hocherhitzung lag entweder bei 115 °C oder bei130 °C, während die Kurzzeiterhitzung beider Ströme mit 72-75 °C/15 s durchgeführt oderauch weggelassen wurde. Das Verhältnis vom Retentatmassenstrom zum Magermilch-massenstrom lag entweder bei 1:20 (5 % Retentatanteil) oder 1:30 (3,3 % Retentatanteil).Die transmembrane Druckdifferenz wurde auf 1,5 bar oder 1,8 bar eingestellt. Die mittlerePorengröße der verwendeten Aluminiumoxid-Membran lag bei 1,4 µm. Die Ergebnissehaben gezeigt, dass der Sporengehalt in der Ausgangsmilch einen signifikanten Einflussauf den Sporengehalt der mikrofiltrierten Milch hat. Unterschiedliche Aufkonzentrierungs-verhältnisse, transmembrane Druckdifferenzen oder Erhitzungstemperaturen bei Hoch-erhitzung und Pasteurisierung beeinflussen den Keimgehalt in der mikrofiltrierten Milcherstaunlicherweise nicht. Im Vergleich zur Ausgangsmilch waren in der mikrofiltriertenMilch

− die Gesamtkeimzahl um 99,99 %, also 4 log10

-Stufen,

Retentat

Separieren

Rahm Magermilch

Rohmilch

Mikrofiltration∆pTr= 1,5 oder 1,8 bar

dp = 1,4 µm

PermeatHocherhitzung115°C oder 130°C

Keimarme Milchpasteurisiert

Keimarme Milch

30:1oder20:1Magermilch

Retentat =

Kurzzeiterhitzung72-75°C / 15s

neinja

Retentat

Separieren

Rahm Magermilch

Rohmilch

Mikrofiltration∆pTr= 1,5 oder 1,8 bar

dp = 1,4 µm

PermeatHocherhitzung115°C oder 130°C

Keimarme Milchpasteurisiert

Keimarme Milch

30:1oder20:1Magermilch

Retentat =

Kurzzeiterhitzung72-75°C / 15s

neinja Kurzzeiterhitzung72-75°C / 15s

neinja

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− der Sporengehalt (B. cereus) um 99,95 bis 99,98 % und

− die laktatfermentierenden Bakterien (Cl. tyrobutyricum) auf < 18/l

reduziert.

Der Proteingehalt des Retentats lag um 0,43 % höher als der Proteingehalt desPermeats. Das Weglassen der Pasteurisierung, wie alternativ bei den Untersuchungenvorgesehen war, bedeutet, dass der Permeatstrom keiner Wärmebehandlung unterzo-gen wurde. Die gleiche Anlagenkonfiguration wurde in der Veröffentlichung von Larsen(27) beschrieben. Auch hier wurde eine Erhöhung des Proteingehaltes im Retentat von0,4 % ermittelt. Durch die Vermischung des hocherhitzten Retentats mit dem Permeatveränderte sich der Proteingehalt in der fertigen Milch nicht nennenswert gegenüber demder verwendeten Rohmilch (Abb. 4).

Abb. 4: Protein- und Fettgehalte beim integrierten MF/Hocherhitzungsprozess für 10000 l/hnach Larsen (27); TM - Trockenmasse

Bei Untersuchungen, die von Hoffmann et al. (13) beschrieben sind, wurde derPermeatstrom vor dem Vermischen mit dem hocherhitztem Retentat/Rahm pasteurisiert(Abb. 5). Die verwendete Membran hatte ebenfalls einen mittleren Porendurchmesservon 1,4 µm, die transmembrane Druckdifferenz wurde bei allen Versuchen konstantgehalten und lag bei 0,4 bar am Eingang und 0,2 bar am Ausgang des Membranmoduls.

RohmilchProtein 3,47 %Fett 4,05 %TM 12,92 %

MagermilchProtein 3,60 %Fett 0,05 %TM 9,26 %

RahmProtein 2,16 %Fett 40,00 %TM 45,40 %

RetentatProtein 3,98 %Fett 0,24 %TM 9,83 %

PermeatProtein 3,58 %Fett 0,04 %TM 9,23 %

HocherhitzungProtein 2,86 %Fett 24,71 %TM 31,72 %

Keimarme Milch nicht pasteurisiert

Protein 3,50 %Fett 3,00 %TM 11,94 %

450 l/h

450 l/h

1000 l/h

8550 l/h1170 l/h

280 l/h

720 l/h

8550 l/h

9000 l/h

9720 l/h

BACTOCATCH

MICROFILTRATION

Mikrofiltration

Separieren

144

Der Anstieg des Proteingehalts im Retentat gegenüber dem des Permeats lag zwischen0,19 % bis 0,31 %. Der Abfall des Proteingehalts im Permeat gegenüber der verwendetenMagermilch lag nur im Bereich einiger Promille. Versuche im Labormaßstab konntennicht rekontaminationsfrei durchgeführt werden (Test 1 und 2).

Abb. 5: Versuchsbedingungen und Anlagenkonfigurationen nach Hoffmann et al. (13)

Ein Versuch, der im großtechnischen Maßstab durchgeführt wurde, lief zumindestunter keimarmen Bedingungen ab (Produktionslinie). Die Gesamtkeimzahl wurde um99,64 % bis 99,95 % reduziert, also um 3 log10-Stufen. Die Veränderung der Gesamtkeim-zahl nach den einzelnen Prozessschritten ist in Abb. 6 dargestellt. Die Mikrofiltrationwurde bei einer Temperatur von 50 °C durchgeführt. Die Denaturierung von β-Lactoglobulinlag zwischen 6,8 % bis 22 %, je nach produzierter Fettstufe der Milch und Verfahrensweg(Abb. 7). Der Gehalt an gebildeter Lactulose lag bei 20 oder 30 mg/l in der fertigen Milchund entsprach etwa dem Gehalt in konventionell kurzzeiterhitzter Milch. Die Hoch-erhitzung des Retentat/Rahm-Stroms wurde bei 125 °C für 2 s durchgeführt.

Rohmilch

Kühlung

Separieren

Magermilch

Mikrofiltration1,4 µm

Rahm Retentat Permeat

Kurzzeit-erhitzung

Testlinie

Rahm-Retentat(20 % Fett)


Rahm-Retentat(17,5 % Fett)

Hocherhitzung Homogenisierung Hocherhitzung

Hocherhitzung

Homogenisierung

Rahm/Ret./Perm.(10 % Fett)

Kühlung Kühlung

Milch (1,5 % Fett)

Asept. Abfüllung Asept. Abfüllung Asept. AbfüllungProduktions-Linie Test- Linie (1) Test-Linie (2)

diskontinuierlich

Rohmilch

Kühlung

Separieren

Magermilch

Mikrofiltration1,4 µm

Rahm Retentat Permeat

Kurzzeit-erhitzung

Testlinie



Rahm-Retentat(17,5 % Fett)

Hocherhitzung Homogenisierung Hocherhitzung

Hocherhitzung

Homogenisierung

Rahm/Ret./Perm.(10 % Fett)

Kühlung Kühlung

Milch (1,5 % Fett)

Asept. Abfüllung Asept. Abfüllung Asept. AbfüllungProduktions-Linie Test- Linie (1) Test-Linie (2)

diskontinuierlich

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Abb. 6: Keimzahl nach den einzelnen Verfahrensschritten nach Hoffmann et al. (13)

Abb. 7: Gehalt von β-Lactoglobulin nach den einzelnen Verfahrensschritten nach Hoffmann etal. (13)

Ges

amtk

eim

zahl

/ m

l

100

101

102

103

104

105

Test-Linie (1) Test-Linie (2) Produktions-Linie

0-1

Rohmilch Magermilch Rahm Permeat nachHoch-erhitzung

Milch(1,5 % Fett)

ββ ββ-La

ctog

lobu

lin [m

g/kg

]

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Test-Linie (1) Test-Linie (2) Produktions-Linie

Rohmilch pasteur.Permeat

Rahm/Retentat(17,5 % Fett)nach Hoch-erhitzung

Zugabevon pasteur.Permeat(10 % Fett)

Milch(1,5 % Fett)

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In (1) und (19) beschreibt Kessler das von der Firma APV patentierte Verfahren (22) zurHerstellung von Kesselmilch, welches jedoch auch für die Herstellung von Konsummilchangewendet werden könnte (Abb. 8). Bei dem Verfahren wird das Retentat in denRohmilchvorlaufbehälter zurückgeführt und mit der frisch zulaufenden Rohmilch demSeparator zugeleitet. Der Rahm wird bei ca. 120 °C für 4 s hocherhitzt und mengenmäßig,entsprechend der gewünschten Fetteinstellung, dem Permeat zugemischt. Es findetkeine thermische Behandlung des Permeats statt. Um die erforderliche Fett- undKeimtrennung im Separator zu erzielen, müssen die Zeitintervalle bei der Entschlam-mung entsprechend eingestellt werden. Angaben zur Keimtrennung, sowohl im Separa-tor als auch durch die Mikrofiltration, konnten in der Literatur nicht gefunden werden.

Abb. 8: Mikrofiltration bei der Herstellung von Kesselmilch ohne Wärmebehandlung des Retentats;Rückführung des Retentats in den Rohmilchvorlaufbehälter (APV-System patentiert(22))

Kelly et al. (20) veröffentlichten Ergebnisse von Versuchen, die mit Mikrofiltration inIrland durchgeführt worden sind. Die Anlagenkonfiguration basierte wieder auf dembactocatch system (Abb. 9). Bei den Untersuchungen sollten die Fragen nach derNotwendigkeit der Pasteurisierung des Permeats, der Auswahl einer geeigneten Tempe-ratur/Zeit-Kombination bei der Hocherhitzung vom Retentat/Rahm-Strom und nach derRückführung des Retentats in den Rohmilchvorlaufbehälter beantwortet werden. AlsVergleich wurde die Reduktion (Abtötung) von Mikroorganismen durch konventionelleKurzzeiterhitzung von Magermilch herangezogen. Die Ergebnisse von 11 Untersuchun-gen bezüglich der Reduktion von mesophilen und thermoduren Mikroorganismen beiderBehandlungsarten sind in Tab. 1 zusammengestellt.

Separieren

RohmilchRohmilch

KeimarmeKesselmilchKeimarme

Kesselmilch

SchlammSchlamm

Hocherhitzung

Magermilch

Rahm

Permeat

Retentat

Mikrofiltration

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Abb. 9: Anlagenkonfiguration und Betriebsbedingungen bei Untersuchungen nach Kelly et al.(20)

Tab. 1: Reduktion von mesophilen und thermoduren Mikroorganismen durch die Mikro-filtration nach Kelly et al. (20)

Produkt Anzahl der Mittelwert Anzahl der Mittelwertmesophilen thermoduren

Mikroorganismen/ml Mikroorganismen/ml

Ausgangs- 2700 - 287 000 840 - 1763magermilch

Pasteurisierte 425 - 2230 1246 250 - 455 348Magermilch(Kontrolle)

Mikrofiltrierte 22 - 275 117 4 - 18 11Magermilch(Permeat)

Reduktion 98,7 - 99,5 % 99,1 % 98,4 - 99,9 % 99,3 %

Demnach fällt generell die Reduktion von Mikroorganismen durch die Mikrofiltration umeine Zehnerpotenz stärker aus als bei konventionell behandelter kurzzeiterhitzter Mager-milch. Die Anzahl von mesophilen aeroben Sporen in der unbehandelten Magermilch lagbei den Untersuchungen zwischen 10 bis 500 KbE/ml. In vier von insgesamt achtdurchgeführten Untersuchungen konnten keine mesophilen aeroben Sporen mehr im

Rohmilch

Separieren

Magermilch Rahm

Mikrofiltration

Permeat Retentat

Hocherhitzung90 °C oder 120 °C

4s

AbfüllungKeimarme Milch

Pasteurisation janein

Retentat-rückführung(alternativ)

Rohmilch

Separieren

Magermilch Rahm

Mikrofiltration

Permeat Retentat

Hocherhitzung90 °C oder 120 °C

4s

AbfüllungKeimarme Milch

Pasteurisation janein Pasteurisation janein

Retentat-rückführung(alternativ)

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Permeat gefunden werden. Bei drei der Untersuchungen wurde 1 Spore/ml und bei einerUntersuchung 2 Sporen/ml gefunden. Die mittlere Reduktion von Sporen lag bei 99,1 %(2 log10-Stufen) und war niedriger als die von Olesen u. Jensen (3) gefundenen 99,95 bis99,98 % (4 log

10-Stufen). Die Erklärung hierfür ist wohl die höhere Ausgangszahl der

Sporen von B. cereus, die in den Untersuchungen von Olesen u. Jensen (3) eingesetztwurden. Die Veröffentlichung enthält keine Angaben über die verwendete Membran beider Mikrofiltration. In der Zusammenfassung in (20) wird darauf hingewiesen, dass dieMikrofiltration allein keine ausreichende Sicherheit bei der notwendigen Eliminierung derpathogenen Keime bietet. Damit ist bei der Herstellung von Konsummilch beim Einsatzvon Mikrofiltration stets eine Wärmebehandlung erforderlich.

In einer Veröffentlichung von Maubois (21) wurde eine weitere Variante des bactocatchsystems vorgestellt, die in Frankreich entwickelt worden ist. Sie sieht vor, die Herstellungvon länger haltbarer Milch mit Hilfe von zweifacher Mikrofiltration durchzuführen. Dabeiwird das Permeat keiner Wärmebehandlung unterzogen. Das Retentat wird dagegeneiner weiteren Mikrofiltration unterzogen und dabei entstehendes Permeat II ohneWärmebehandlung dem Permeat I zugemischt. Das Retentat aus der zweiten Mikro-filtration wird zur Tierfütterung verwendet. Hocherhitzt wird nur der Rahm (115 °C, 3 s),der dem Permeat I und II zugemischt wird (s. Abb. 10).

Abb. 10: Zweifache Mikrofiltration, nach Maubois (21)

In der Veröffentlichung von Guerra et al. (14) wurden ausführlich Ergebnisse vonUntersuchungen, die sich nur auf den Verfahrensschritt der Mikrofiltration von pasteuri-sierter Magermilch beschränkten, dargestellt. Für die Versuche wurden keramische undpolymere Membranen mit unterschiedlicher Porengröße verwendet. Die nominalen

Retentat I

Separieren

Rahm Magermilch

Rohmilch

Mikrofiltration I1,4 µm, 30-45 °C

Permeat I85,5

Hocherhitzung115°C , 3 s

TierfütterungKeimarme Milch

99,55

Homogenisieren

Mikrofiltration II

Permeat II4,05

Retentat II0,45

AseptischeAbfüllungDezimal-Reduktion

Gesamtkeimzahl: 2,5Listeria u. Staphylococcus: 2,3Salmonella: 3,3

Retentat I

Separieren

Rahm Magermilch

Rohmilch

Mikrofiltration I1,4 µm, 30-45 °C

Permeat I85,5

Hocherhitzung115°C , 3 s

TierfütterungKeimarme Milch

99,55

Homogenisieren

Mikrofiltration II

Permeat II4,05

Retentat II0,45

AseptischeAbfüllungDezimal-Reduktion

Gesamtkeimzahl: 2,5Listeria u. Staphylococcus: 2,3Salmonella: 3,3

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Porengrößen lagen bei 1µm für die keramische Membran und 0,87 µm sowie 0,54 µm fürdie Polymermembran. Die Versuchseinrichtung war zusätzlich mit einer backflushing-Einheit ausgerüstet. Es wurde festgestellt, dass mit ansteigender transmembranerDruckdifferenz (∆pTR) der Flux bis zu einem Maximum bei 0,25 bar ansteigt und beiweiterer Erhöhung von ∆p

TR abfällt. Bei Rücknahme der ∆p

TR steigt der Flux wieder an,

jedoch nicht auf den ursprünglichen maximalen Wert (Hysterese). Der Hystereseeffektverstärkt sich, wenn die axiale Strömungsgeschwindigkeit des Retentats kleiner wird. Dieaxiale Strömungsgeschwindigkeit wurde bei den Versuchen im Bereich zwischen 0,5 m/sbis 2 m/s variiert. Eine Zusammenstellung der erzielten Ergebnisse mit keramischerMembran, hinsichtlich der Proteinkonzentration im Retentat und Permeat sowie derReduktion von Sporen (Bacillus cereus) bei einer transmembranen Druckdifferenz von0,1 bar, gibt die Tab. 2 wieder.

Tab. 2: Proteinkonzentration und Sporenzahl ( Bacillus cereus) im Retentat und Permeatnach der Mikrofiltration mit keramischer Membran, ∆∆∆∆∆pTR = 0,1 bar, nach Guerra etal. (14)

Betriebs- Proteinkonzentration ( %) Sporenanzahlbedingungen Permeat Retentat Permeat Retentat Reduktion

Sporen/ml Sporen/ml

mit Rückspülungwl = 0,5 m/s 2,7 2,5 1,3 2,5 E+5 2 E+5

ohne Rückspülungwl = 0,5 m/s 2,9 2,9 0,7 2,1 E+5 3 E+5

mit Rückspülungwl = 2 m/s 2,9 2,9 0,8 1,9 E+5 2 E+5

mit Rückspülungwl = 2 m/s 2,9 2,9 0,6 2,0 E+5 3 E+5

Aus den von Guerra et al. (14) durchgeführten Versuchen folgt:

− eine Kontrolle der transmembranen Druckdifferenz (∆pTR) bei der Mikrofiltration vonMagermilch ist notwendig. Für keramische Membranen fällt der Permeatflux, wennder ∆p

TR über den Wert von 0,3 bar steigt,

− die Anwendung einer backflushing-Einheit steigert den Permeatflux in keramischenMembranen bis auf 100 %. Eine Abnahme des Permeatfluxes in Abhängigkeit von derProduktionszeit wurde jedoch beobachtet. Bei höheren axialen Strömungsgeschwin-digkeiten war es möglich, die Magermilch 13 h ohne Reinigung zu mikrofiltrieren,

− bei der Anwendung von Membranen mit äußerer Filtrationsschicht und einer Poren-größe kleiner als 0,8 µm wurde eine Proteinanreicherung in der Trägerschicht derMembran beobachtet, die von der Höhe des Permeatfluxes und der Protein-konzentration auf der Retentatseite abhängig war,

− bei Membranen mit einer Porengröße von 0,87 µm und backflushing-Einheit konnteMagermilch mit hohem Permeatflux mikrofiltriert werden, auch bei niedrigeren axialenStrömungsgeschwindigkeiten zwischen 0,5 bis 1 m/s. Ab einem kritischen Flux von600 kg/hm2 wurde eine verstärkte Proteinbelagbildung festgestellt, die sich auf derInnenseite der Trägerschicht der Membran gebildet hatte,

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− eine Mikrofiltration über 13 h bei einem Permeatflux von 400 l/hm2 war möglich. Mitbeiden Membranen konnte eine vollständige Proteintransmission und eine Sporen-reduktion um 4 bis 5 log10-Stufen erreicht werden.

Tab. 3: Reduktion von unterschiedlichen Mikroorganismen durch Mikrofiltration undBactofugation, veröffentlicht von te Giffel et al. (28)

Ausgangs- Produkt Prozess Art der Reduktion Lit.milch Mikroorganismen (%)

Magermilch Permeat MF Gesamtkeimzahl 99,3 1

Magermilch Permeat MF Thermodure Bacterien 99,1 1

Magermilch Permeat MF Gesamtkeimzahl 99,88-99,99 1

Rohmilch Kesselmilch APV-Verf. Gesamtkeimzahl 99,85-99,94 1

Magermilch Permeat MF Psychrotrophe 99,96-99,99 1

Rohmilch Kesselmilch APV-Verf. Psychrotrophe 99,85-99,99 1

Magermilch Permeat MF Lactobacillen 99,97-99,99 1

Rohmilch Kesselmilch APV-Verf. Lactobacillen 99,79-99,98 1

Rohmilch Kesselmilch APV-Verf. aerobe Sporen 98,2-98,7 1

Rohmilch Kesselmilch APV-Verf. anaerobe Sporen 93,0-95,2 1


Rohmilch Kesselmilch Bactocatch Clostridium Sporen 93,3 30



Rohmilch Kesselmilch Bactocatch Gesamtkeimzahl 99,8-99,9 30

Magermilch Permeat MF Bacillus cereus Sporen 99,98 3

Magermilch Permeat MF Bacillus cereus Sporen 99,85 3

Magermilch Permeat MF Clostridium tyrobutyricum >98,36 3


Magermilch Permeat MF Citrobacter intermedius 99,93 23

Magermilch Permeat MF Propionibacterium 99,34 23acidipropionici

Magermilch Permeat MF Clostridium tyrobutyricum 99,90 23

Magermilch Permeat MF Streptococcus thermo- 99,94 23philus

Magermilch Permeat MF Lactobacillus helveticus 99,98 23

Magermilch Permeat MF Pseudomonas fluorescens 99,92 23

Magermilch Permeat MF Micrococcus varians 99,66 23

Rohmilch bactofugierte Bactofugation Mesophile Lactobacillen 80,5-92,2 31Milch

Rohmilch bactofugierte Bactofugation Gesamtkeimzahl 86,0-92,0 31Milch

Kesselmilch bactofugierte Bactofugation Sporen von Buttersäure- 97,4-98,7 31Milch bakterien

Kesselmilch bactofugierte Bactofugation aerobe Sporenbildner 94,1-97,7 31Milch

151

Weder der Permeatflux noch die Filtrationszeit hatten Einfluss auf die vollständigeProteintransmission. Dieses Ergebnis weicht von allen bisher durchgeführten Messun-gen ab, die generell einen Anstieg des Proteingehaltes im Retentat zeigen.

Eine sehr umfangreiche Zusammenstellung zur Reduktion verschiedener Mikroorga-nismen mit Hilfe der Mikrofiltration und vergleichsweise mit Hilfe der Bactofugation wurdevon te Giffel et al. (28) veröffentlicht. Tab. 3 gibt die Zusammenstellung wieder.

Pafylias et al. (16) stellen Ergebnisse von Mikrofiltrationsversuchen von Milch miteinem Fettgehalt von 0,05 % und 1 % vor, die mit einer 1,4 µm Membralox-Membrandurchgeführt worden sind. Gewählt wurde sowohl die Verfahrensweise mit konstanter alsauch mit variabler transmembraner Druckdifferenz. Die axiale Strömungsgeschwindig-keit lag bei 5 m/s und die Temperatur bei 50 °C. Die Konzentrationen der einzelnenMilchbestandteile in der Ausgangsmagermilch sowie im Permeat und Retentat gebendie Abb. 11 und Abb. 12, die Reduktion der Gesamtkeimzahl die Abb. 13 wieder.

Abb. 11: Veränderungen von Fett-, Lactose-, Asche- und Trockenmassegehalt im Permeat undRetentat bei Mikrofiltration mit nicht konstanter transmembraner Druckdifferenz(∆p

TR≠const.) und konstanter transmembraner Druckdifferenz (∆p

TR=const.) nach Pafylias

et al. (16)

Permeat RetentatFett0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0Asche

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Kon

zent

ratio

n (%

)

∆pTR≠const.Mager-milch

6

5

4

3

2

1

0

Lactose

10

8

6

4

2

0

Trockenmasse

∆pTR=const. ∆pTR≠const. ∆pTR=const.Mager-milch

Permeat RetentatFett0,30

0,25

0,20

0,15

0,10

0,05

0Asche

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Kon

zent

ratio

n (%

)


6

5

4

3

2

1

0

Lactose

10

8

6

4

2

0

Trockenmasse


152

Abb. 12: Veränderung von Casein-, Gesamtprotein-, Molkenprotein- und NPN-Gehalt im Permeatund Retentat bei Mikrofiltration mit nicht konstanter transmembraner Druckdifferenz(∆pTR≠const.) und konstanter transmembraner Druckdifferenz (∆pTR=const.) nach Pafyliaset al. (16)

Abb. 13: Veränderung der Gesamtkeimzahl im Permeat und Retentat bei Mikrofiltration vonMagermilch nach Pafylias et al. (16)

Permeat Retentat

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Kon

zent

ratio

n (%

)

Molkenprotein

Casein

Kon

zent

ratio

n (m

g/1

00g)

Kon

zent

ratio

n (%

)

5

4

3

2

1

0

Protein

10

20

30

0

NPN



Permeat Retentat

3,5

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0

Kon

zent

ratio

n (%

)

Molkenprotein

Casein

Kon

zent

ratio

n (m

g/1

00g)

Kon

zent

ratio

n (%

)

5

4

3

2

1

0

Protein

10

20

30

0

NPN



109

Mager-milch

108

107

106

105

104

103

102

101

Sta

ndar

d P

late

Cou

nt (K

bE/m

l)

Permeat Retentat

Gesamtkeimzahl

109

Mager-milch

108

107

106

105

104

103

102

101

Sta

ndar

d P

late

Cou

nt (K

bE/m

l)

Permeat Retentat

Gesamtkeimzahl

153

2.2 Zusammenfassung der bisher bekannten Anlagenkonfigurationen und Er-gebnisse

Die Literaturübersicht (Pkt. 2.1) zeigt, dass bereits ein umfangreiches Wissen über dieHerstellung von Konsummilch mit vorgeschalteter Mikrofiltration vorliegt. Zusammenfas-send können folgende Feststellungen gemacht werden:

a) Werden nach der Mikrofiltration das wärmebehandelte Retentat und das Permeatwieder vermischt, sowie entsprechend der gewünschten Fetteinstellung wärme-behandelter Rahm zugesetzt, was dem zu Grunde liegenden bactocatch system vollentspricht, ergeben sich von der chemischen Zusammensetzung der fertigen Milch,bis auf die bereits bekannten hitzeinduzierten, keinerlei Veränderungen gegenüberder verwendeten Ausgangsmilch. Inwieweit die getrennten und von den Temperatur-Zeit-Bedingungen unterschiedlichen Wärmebehandlungen einzelner Teilströme aufdie Veränderung von Hitzeindikatoren und Milchinhaltsstoffen Einfluss nehmen,wurde bisher nicht untersucht (s. dazu auch Kap. 3).

b) Hinsichtlich der Reduktion von Mikroorganismen ist das Vorschalten der Mikro-filtration von Vorteil (längere Haltbarkeit der fertigen Milch), wobei dieser Vorteil nurbei Vermeidung von Rekontaminationen und bei anschließender Kühlung des Pro-duktes erhalten bleibt. Gegenüber der Kurzzeiterhitzung verstärkt die Mikrofiltrationdie Reduktion von den in der Ausgangsmilch vorhandenen Mikroorganismen erheb-lich. Bezogen auf die Gesamtkeimzahl liegt die Reduktion zwischen 3 und 4 log

10-

Stufen, bezogen auf die Reduktion von Sporen sogar bei bis zu 5 log10-Stufen. Sohohe Reduktionsraten sind mit thermischen Verfahren erst bei Erhitzungstemperaturenoberhalb von 135 °C erreichbar. Da pathogene Mikroorganismen durch die Mikro-filtration zwar stark reduziert, aber nicht sicher eliminiert werden, bietet diesesVerfahren allein aber keine ausreichende Produktsicherheit. Außerdem ist dasAuftreten von Membrandefekten im laufenden Prozess nicht erkennbar. Damit istbeim Einsatz der Mikrofiltration eine nachfolgende Wärmebehandlung unverzichtbar.

c) Bei der überwiegenden Anzahl von durchgeführten Untersuchungen wurden Mem-branen mit einem mittleren Porendurchmesser von 1,4 µm verwendet. Der Einflussder Porenstruktur in der filtrierenden als auch der Trägerschicht auf die Reduktion vonMikroorganismen und chemische Veränderungen im Permeat und Retentat wurdennicht erfasst bzw. konnten nicht erfasst werden. Dies liegt an den nicht eindeutigdefinierten Membranstrukturen. Sie sind abhängig von Hersteller, Material undHerstellungsart. Trotz unterschiedlicher Membranen, die bei den Untersuchungenverwendet wurden, weichen insbesondere die gefundenen Reduktionsraten vonMikroorganismen nur unwesentlich voneinander ab.

Für weitere Untersuchungen sollten zwei Anlagenkonfigurationen A und B angewendetwerden, die bisher nicht untersucht worden sind. Sie unterscheiden sich von denbekannten Konfigurationen dadurch, dass das Retentat als entkeimungsbedingte Ent-nahme betrachtet wird und mit dem Permeat nicht vermischt wird. Abb. 14 stellt dasFließschema der Variante A und Abb. 15 das der Variante B wieder, s. dazu Pkt. 4.1 und4.2. Für die gewählten Anlagenkonfigurationen sollten nur Membranen mit einer Poren-größe von 1,4 µm verwendet werden. Es sollte nach Möglichkeit eine Vielzahl vonKombinationen aus transmembraner Druckdifferenz, Wandschubspannung und demAufkonzentrierungsverhältnis bei den Vorversuchen mit Wasser eingestellt und dieBilanzen von Milchinhaltsstoffen in den Permeat/Retentat-Strömen ermittelt werden.

154

3. Aspekte zur Charakterisierung und Bestimmung von hitzeinduzierten Milch-inhaltsstoff-Veränderungen bei der Herstellung von Konsummilch mit vorge-schalteter Mikrofiltration

3.1 Analytische Untersuchungen

Zur Charakterisierung der hitzeinduzierten Veränderungen und der durch Mikro-filtration bedingten Proteingehaltsveränderungen der einzelnen Teilströme mikrofiltrierterMilch werden folgende analytische Untersuchungen vorgeschlagen:

a) Zur Charakterisierung der Wärmebelastung von Konsummilch liegen umfangreicheUntersuchungen vor (32), bei denen jedoch von einem einheitlichen Wärmebe-handlungsverfahren, wie z. B. der Kurzzeiterhitzung, ausgegangen wird. Bei derCharakterisierung der Wärmebehandlung mikrofiltrierter Milch stellt sich insbesonde-re die Frage nach den unterschiedlichen Wärmebehandlungsmöglichkeiten dereinzelnen Teilströme (Retentat, Permeat, Rahm). Zum Nachweis von z. B. hoch-erhitztem Retentat oder Rahm in mikrofiltrierter Milch liegen erste Untersuchungs-ergebnisse vor, die einen Nachweis von hocherhitztem Rahm in mikrofiltrierter Milchdurch unterschiedliche Furosingehalte in einzelnen Proteinfaktionen (Milchfett-kugelmembranproteine im Vergleich zum Gesamtprotein) möglich erscheinen lassen(33). Ein besonderer Klärungsbedarf besteht für den Einfluss der Mikrofiltration aufdie Zusammensetzung der Proteinfraktionen, wie z. B. dem Verhältnis Casein/Molkenprotein und der Verteilung einzelner Proteine auf die bei der Mikrofiltrationerhaltenen Teilströme (Retentat, Rahm, Permeat).

b) Inwieweit eine Charakterisierung der Wärmebelastung mikrofiltrierter Milch durchgeeignete Hitzeindikatoren in Hinblick auf eine Mindesterhitzung und Festlegung vonErhitzungsobergrenzen unter der Problematik unterschiedlich erhitzter Fraktionenerfolgen kann, und inwieweit die Mikrofiltration einen Einfluss auf die Zusammenset-zung der Proteinfraktionen ausübt, wurde in systematischen Untersuchungen geklärt,s. dazu Kap. 4. Die Bestimmungen der Aktivität milchoriginärer Enzyme sind alsIndikatoren einer erfolgten Wärmebehandlung von Milch und Milcherzeugnissengeeignet. Die in der Milchverordnung definierten Temperatur-Zeit-Kombinationen derKurzzeit- bzw. Hocherhitzung von Konsummilch werden über die Inaktivierung derAlkalischen Phosphatase (ALP, EC 3.1.3.1) bzw. Lactoperoxidase (LP, EC 1.11.1.7)gekennzeichnet. Die thermische Stabilität der Gamma-Glutamyltransferase (γ-GT,EC 2.3.2.2) liegt zwischen der von ALP und LP (35). Adenosindesaminase (ADA, EC3.5.4.4) unterliegt bei der Milchwärmebehandlung einem thermisch induziertenAktivierungs-/Inaktivierungs-Mechanismus: so liegt in kurzzeiterhitzter Milch aktivier-te ADA, in hocherhitzter Milch jedoch inaktivierte ADA vor. Die thermisch bedingteEnzyminaktivierung wurde in fetteingestellter Milch reaktionskinetisch ausgewertet.ADA ist thermostabiler als ALP und γ-GT. Die direkte ADA-Aktivitätsbestimmung kannzur Unterscheidung von kurzzeiterhitzter und hocherhitzter Milch angewendet wer-den. In Rahmproben mit unterschiedlichen Fettgehalten konnte eine zunehmendeADA-Aktivität mit ansteigendem Fettgehalt bestimmt werden. In Magermilch liegt einegeringere ADA-Aktivität im Vergleich zur Rohmilch vor. In Mikrofiltrationspermeat(0,1 µm mittlere Porengröße) konnte keine ADA-Aktivität bestimmt werden (34, 35,36). Bei der Wärmebehandlung von Milch sind z. T. sehr große Ribonucleosid-Gehaltsveränderungen zu beobachten. Die thermisch induzierte Bildung desRibonucleosids N6-Methyladenosin (m6Ado) konnte in Milchproben des oberenHocherhitzungsbereichs bis zum Sterilbereich (F

0 = 0,5 – 22 min) reaktionskinetisch

beschrieben werden, so dass die m6Ado-Bildung als ein Hitzeindikator für diegenannten Temperatur-Zeit-Bereiche angesehen werden kann (37).

155

3.1.1 Bestimmungsmethoden

Die Bestimmung der ALP-Aktivität erfolgt mit Hilfe der Fluorophos®-Methode (DIN ENISO 11816-1 (2000)). Die γ-GT-Aktivität wird durch Umsetzung mit γ-Glutamyl-p-nitroanilid(Sigma, Deisenhofen) und spektrophotometrische Quantifizierung des entstehenden p-Nitroanilin bestimmt (46). Die Charakterisierung der LP-Aktivität erfolgt durch Umsetzungeines organischen Redoxindikators zu einer blauen Verbindung und deren reflekto-metrische Quantifizierung (Reflectoquant®, Merck, Darmstadt). Die Aktivitätsbestimmungvon ADA und der Nachweis der Ribonucleosid-Gehalte werden mit Hilfe eines etabliertenZwei-Säulen-HPLC-Analysensystems ausgeführt (34). Zur Bestimmung säurelöslicherGehalte einzelner Molkenproteine in Milch liegt eine HPLC-Methode vor (38, 40, 41), diezum Nachweis von Gehaltsveränderungen in mikrofiltrierter Milch genutzt wurde. DieDerivativspektroskopie zur Charakterisierung des Casein/Molkenprotein-Verhältnisseswurde zur Untersuchung der möglichen technologisch bedingten Veränderung derProteinfraktionen eingesetzt. Die Bestimmung des Hitzeindikators Furosin nach saurerHydrolyse in Milch war mittels einer Ionenpaar-Umkehrphasen Flüssigkeitschromato-graphie (42, 43) möglich.

3.1.2 Probenahme

Um Stoffgehalte, stoffliche Veränderungen (Proteine, Ribonucleoside) und Hitze-indikatoren (Furosin, ADA, ALP, LP, γ-GT) exakt quantifizieren und bilanzieren zukönnen, ist die Probenahme vor und nach jedem Prozessschritt unbedingt erforderlich.Im Vergleich zu den Ergebnissen (Bildungs-, Denaturierungs- bzw. Inaktivierungskinetik)bei der Wärmebehandlung von (fetteingestellter) Rohmilch ist hier bei der Bestimmungder genannten analytischen Parameter mit Unterschieden zu rechnen, da Permeat,Retentat, Rahm und Magermilch unterschiedliche Matrices aufweisen. Prinzipiell ist dievolumetrische und/oder gravimetrische Aufteilung des eingesetzten Rohmilch-Volu-mens in Magermilch und Rahm, bei der Mikrofiltration in Permeat und Retentat, exakt zubeachten, um − unter Berücksichtigung der erhaltenen Messdaten vor und nach jedemProzessschritt − den Nachweis im Produkt (mikrofiltrierte Milch) eindeutig führen zukönnen.

3.2 Kenntnisstand und Fragestellungen

Die heute in Europa üblichen Verfahren der Herstellung von Konsummilch unterEinsatz der Mikrofiltration führen zu Produkten, die kaum noch ALP-, aber hohe LP-Aktivitäten aufweisen. Dabei wird die Magermilch in der Regel kurzzeiterhitzt, wohinge-gen der Rahm vor der Zumischung zur Magermilch hocherhitzt wird. Über das Aktivitäts-verhalten der ADA in Retentaten (mit und ohne Wärmebehandlung) und über Ribo-nucleosid-Gehaltsveränderungen sowie über die m6Ado-Bildung bei der Wärmebe-handlung der Teilströme (Retentat, Permeat, Rahm) liegen keine Erkenntnisse vor. DieBeeinflussung anderer als Erhitzungsobergrenzen im Pasteurisierungsbereich diskutier-ter Hitzeindikatoren, wie z. B. Furosin und der säurelösliche Gehalt von β-Lactoglobulin,durch die unterschiedliche Erhitzung der Teilströme ist ebenfalls weitgehend ungeklärt.Hieraus ergibt sich die Fragestellung, inwieweit die genannten analytischen Parameterals Hitze- und Bearbeitungsparameter bei der Herstellung mikrofiltrierter Milch angewen-det werden können. Zu Proteingehaltsveränderungen liegen einige Veröffentlichungenvor (z. B. 16, 39). Untersuchungsergebnisse insbesondere zum Verhalten minorerProteinfraktionen, wie z. B. Serumalbumin, Lactoferrin und den Immunglobulinen, liegenbislang nicht vor. Daher sollte untersucht werden, inwieweit das Casein/Molkenprotein-

156

verhältnis sowie das Verhalten der genannten minoren Proteinfraktionen als Bearbeitungs-parameter bei der Mikrofiltration angewendet werden können und inwieweit die Bestim-mung des Furosingehaltes bei der Mikrofiltration beeinflusst und zum Nachweis einerHocherhitzung von Retentat und/oder Rahm in mikrofiltrierter Milch genutzt werden kann.

4. Herstellung von Konsummilch mit vorgeschalteter Mikrofiltration ohne Ver-wertung des Retentats (eigene Versuche)

4.1 Versuchsumfang

Es wurden zwei Versuchsvarianten A und B (Abb. 14 und Abb. 15) gewählt, die nochnicht ausreichend untersucht waren, jedoch in der Praxis zum Einsatz kommen könnten.Bei beiden Varianten wird das keimangereicherte Retentat der Mikrofiltration nicht für dasEndprodukt verwendet.

Die Versuche wurden mit der im Institut für Chemie und Technologie der Milchvorhandenen Mikrofiltrationseinheit realisiert, nachdem diese zunächst mit Wasserströmungstechnisch analysiert und optimiert worden war. Bei den Versuchen zurEntkeimung von Konsummilch wurden die Ausgangs-, Zwischen- und Endproduktemikrobiologisch und chemisch-analytisch untersucht. Bei den Inhaltsstoffen waren dieGesamtproteinbilanz, die jeweilige Zusammensetzung der Proteinfraktionen sowie dieverschiedenen Indikatoren zur Charakterisierung der Wärmebelastung von besonderemInteresse. Zu diesen Indikatoren gehörten milchoriginäre Enzyme ebenso wie säure-lösliche Molkenproteine, bestimmte Verbindungen der NPN (Nicht-Protein-Stickstoff)-Fraktion oder Produkte der Maillardreaktion. Nicht zuletzt wurden die Endproduktesensorisch beurteilt.

Abb. 14: Verfahrensweg und Probenahmestellen für Versuch A

Retentat

Rohmilch

Kurzzeit-erhitzung

73,5 °C / 20 s

Hocherhitzung125 °C / 4,5 s

Abfüll-behälter

FI1

PI4

FI2 PI

1

PI3

PI2

SI1

SI2

MF

Homo

MagermilchMagermilch-RetentatMagermilch-Permeat

Rahmeingestellte Milch

keimarmeAbfüllung3,5 % Fett

A1

A7

A6

A4

B1A5

A2

A3

UHT-Erhitzung

A9a

A9b

143 °C / 1,1 s

150 °C / 1,1 s

A8

Versuch A

50 °C

Sepa-

rator

Permeat

157

4.2 Gewählte Versuchsanordnungen

Bei der Versuchsvariante A wurde der Rahm zunächst mit mikrofiltriertem Permeat aufeinen Fettgehalt von 15 % eingestellt und dann homogenisiert, hocherhitzt und mit derübrigen, schon kurzzeiterhitzten Permeatmenge vermischt. Das Retentat wurde nicht fürdas Endprodukt verwendet, aber mit zwei unterschiedlichen Temperatur/Zeit-Kombina-tionen ultrahocherhitzt und untersucht. Der Verfahrensweg für Variante A mit dengewählten Erhitzungstemperaturen und den Probenahmestellen A1 bis A9b ist in Abb. 14dargestellt.

Auch bei der Variante B wurde das Retentat der Mikrofiltration entnommen. ImUnterschied zu der Variante A wurde der die Zentrifuge verlassende Rahm nichthocherhitzt, sondern mit dem Permeat der Mikrofiltration auf 3,5 % Fett eingestellt. Erstdiese Mischung wurde dann homogenisiert, kurzzeiterhitzt und abgefüllt. In Abb. 15 ist derVerfahrensweg für diesen Versuch mit den Probenahmestellen B1 bis B7 wiedergege-ben.

Abb. 15: Verfahrensweg und Probenahmestellen für Versuch B

4.2.1 Wasservorversuche und verfahrenstechnische Charakterisierung derMikrofiltrationseinheit

Die vorhandene Pilotanlage zur Mikrofiltration (MFS-1, TetraPak, Glinde) mit internenKreisläufen auf der Permeat- und Retentatseite enthielt zur Keimabtrennung ein ein-schichtiges Al2O3-Keramikmodul mit einer Austauschfläche von 0,2 m² und einer mittle-ren Porenweite von 1,4 µm (Membralox P19-40, SCT, Frankreich, s. Abb. 16).

Retentat

Rohmilch

keimarmeAbfüllung3,5 % Fett

Kurzzeit-erhitzung

FI2 PI

1

PI3

PI2

SI2

PI4

FI1

SI1

MF

Homo-genisierung

MagermilchMagermilch-RetentatMagermilch-Permeat

Rahmeingestellte Milch

Versuch B

B1

B7B6

B4

B1B5

B2

B3

73,5 °C /20 s

50 °C

Sepa-

rator

Permeat

158

Abb. 16: Membralox-Einzelelement zur Mikrofiltration und Modul aus 19 Elementen

Durch den Kreislauf auf der Retentatseite wird erreicht, dass ein Teil der zugeführtenMagermilch mehrfach an der Filtrationsfläche vorbeiströmen und damit die Filtrations-leistung erhöht werden kann. Der Umlaufvolumenstrom in diesem Kreislauf wird durch diePumpe SI/1 bestimmt. Die Leistung der Pumpe kann in einem weiten Bereich über dendrehzahlgesteuerten Antriebsmotor geregelt werden. Im Einlaufbereich des Mikro-filtrationsmoduls befindet sich eine Überlaufleitung mit eingebautem Regelventil für dieEntnahme des Retentats.

Durch den internen Kreislauf auf der Permeatseite wird mit Hilfe der Pumpe SI/2 einhöherer Druck im oberen Bereich des Moduls (Einlaufbereich für das Retentat) aufge-baut. Damit wird eine annähernd konstante Druckdifferenz zwischen der Retentat- undPermeatseite längs des Fließweges und damit ein gleichmäßiger Permeatstrom erreicht.Die Pumpe SI/2 ist ebenso über die Motordrehzahl in ihrer Leistung steuerbar (Abb. 17).

Die ablaufende Permeat- und Retentatmenge ist, außer von den herrschendenDrücken, von der Einstellung der Regelventile V1 und V2 abhängig, wobei die beidenMassenströme mit Hilfe von Schwebekörpern im Durchfluss gemessen werden. Fernerwerden die Drücke am Ein- und Auslauf im Retentatkanal (p

4, p

2) sowie im Permeatkanal

(p1, p3) kontinuierlich gemessen.

Bei den Vorversuchen im Wasserbetrieb wurden unterschiedliche Verhältnisse desabfließenden Retentats zu der zulaufenden Magermilch eingestellt. Sie lagenbei 3,2 %, 3,6 %, 4,8 % und 6,5 % und erfassten den bekannten praxisrelevanten Bereich.Für diese Einstellungen wurde jeweils das Verhältnis der Pumpenleistungen SI/1 zu SI/2(= R/P) mit 100/100, 80/100, 60/100, 100/80 und 100/60 variiert. Aus den dabeigemessenen Drücken wurden die jeweiligen transmembranen Druckdifferenzen nachder Gleichung

und die Wandschubspannungen im Retentatkanal nach der Gleichung

MmRm &&

2

pp

2

ppp 3124

TR+−+=∆

159

ermittelt, wobei d der Durchmesser und L die Länge des Kanals sind. Die Wandschub-spannung ist ein Maß für die Scherung über die Membran und der darüber befindlichen,sich bildenden Deckschicht.

Nach Möglichkeit sollte die transmembrane Druckdifferenz über die Länge der Mem-bran konstant klein und die Wandschubspannung groß sein. Beides unterdrückt eineschnelle Bildung der unerwünschten Deckschicht und verzögert so einen Abfall imPermeatflux. Abb. 17 stellt alle gemessenen Druckverläufe im Retentat- und Permeatkanalin Abhängigkeit von und dem Leistungsverhältnis der Retentat- und Permeat-umwälzpumpen R/P dar.

Abb. 17: Schaltung der Mikrofiltrationsanlage

( )L4

ppd 24W

−=τ

MR mm &&

Retentat

FI1

PI4

FI2

PI1

PI3

PI2

SI1

SI2

MF1,4µm

MagermilchRetentatPermeat

50 °C

Magermilch

Permeat

V2

V1 mR

mP

mM = mP+mR

Küh

ler

SI/1 RetentatumlaufpumpeSI/2 PermeatumlaufpumpeMF MikrofiltrationsmodulmR Retentatmassenstrom [kg/h]mP Permeatmassenstrom [kg/h]mM Magermilchmassenstrom [kg/h]

160

Abb. 18: Druckverlauf und Wandschubspannung im Mikrofiltrationskanal bei Variation von R/P(Verhältnis Pumpenleistung Retentat/Permeat) und ; s. Abb. 17;

Druckverlauf im Permeatkanal (p1-p3)Druckverlauf im Retentatkanal (p2-p4)

Eine Verringerung der Pumpenleistung im Retentatkreislauf von 100 % (Maximum) auf80 bzw. 60 % verschob den Druckbereich im Permeatkanal und verringerte denDruckabfall im Retentatkanal (Abb. 18 a-c). Dabei blieb der Druck am Auslauf desRetentatkanals (p2) annähernd konstant. Das Variieren von verschob dieDruckverläufe auf der Permeatseite parallel. Die Verringerung der Pumpenleistung imPermeatkreislauf auf 80 bzw. 60 % veränderte zwar den Druckabfall auf der Permeatseite,beeinflusste jedoch nicht den Druckverlauf auf der Retentatseite (Abb. 18 d und e). Ausden gewählten Einstellkombinationen von R/P und bot die in Abb. 18 b dar-gestellte Variante die gleichmäßigste transmembrane Druckdifferenz längs des Fließ-weges. Die Einstellungen in Abb. 18 c, d, e waren für einen optimalen Betrieb ungeeignet,

MR mm &&

MR mm &&

MR mm &&

Druck [bar]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Läng

e de

s M

odul

s

0

1

3,6 %3,2 %4,8 % 6,5 %

:MmRm &&

p3

p2p1

p4

Pa247W =τ

R/P 100/100

Druck [bar]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Läng

e de

s M

odul

s

0

1

3,6 %3,2 %4,8 % 6,5 %

:MmRm &&

p3 p4

p2p1

Pa94W =τ

R/P 60/100

p3 p4

Druck [bar]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Läng

e de

s M

odul

s

0

1

3,6 %3,2 %4,8 % 6,5 %

:MmRm &&

p2p1

Pa155W =τ

R/P 80/100

Druck [bar]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Läng

e de

s M

odul

s

0

1

3,6 %3,2 %4,8 % 6,5 %

:MmRm &&

p3

p2p1

p4

Pa247W =τ

R/P 100/80

Druck [bar]

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Läng

e de

s M

odul

s

0

1

3,6 %3,2 %4,8 % 6,5 %

:MmRm &&

p3

p2 p1

p4

Pa247W =τ

R/P 100/60

a) b)

c) d)

e)

161

da sie jeweils zu einer ungleichmäßigen transmembranen Druckdifferenz führten, diezudem im Ein- und Auslaufbereich der Fließkanäle ein negatives Vorzeichen aufwies. Indiesen Bereichen konnte das Permeat auf die Retentatseite fließen. Für die Versuche mitMilch wurde die Variante aus Abb. 18 a gewählt (maximale Pumpenleistung), da sieneben einer relativ gleichmäßigen transmembranen Druckdifferenz die höchste Wand-schubspannung aufwies. Dies war für die Verlangsamung der Deckschichtbildung vonVorteil und garantierte längere Betriebszeiten.

4.2.2 Versuchsablauf

Für den Versuch A wurden 200 kg frische Rohmilch (Sammelmilch) aus dem Versuchs-gut Schädtbek der BFEL, Standort Kiel, eingesetzt. Die Rohmilch wurde bei ca. 48 °C inMagermilch und Rahm separiert. Zur Mikrofiltration, die über ca. 1,5 h lief, diente das inKapitel 4.2.1 beschriebene Modul. Homogenisierung und Wärmebehandlung (Platten-wärmetauscher, Durchfluss 120 l/h) erfolgten ebenfalls auf Pilotanlagen (APV Deutsch-land, Unna). Abgefüllt wurde bei keimarmen Bedingungen unter einer Sterilbank inautoklavierte Glasflaschen mit Schraubverschluss und 1 l Inhalt. Die Abfülltemperaturbetrug ca. 12 °C.

Bei Versuch B, der verfahrenstechnisch etwas einfacher gestaltet war als Variante Aund der keine spezielle Retentaterhitzung vorsah, wurden nur 100 kg frische Rohmilchaus Schädtbek eingesetzt. Die Mikrofiltration lief über ca. 45 min. Ansonsten wurden diegleichen Prozessanlagen und die gleiche Abfülltechnik wie bei Versuch A verwendet.Leider trat bei der Mikrofiltration in der Anfahr- und/oder Ausfahrphase eine Verwässe-rung von Retentat und Permeat ein, die aber rechnerisch erfasst werden konnte. Sie lagbei ca. 5,0 %, im Endprodukt durch die Einstellung mit nicht verwässertem Rahm bei ca.4,5 %. Auch durch die Bestimmung des Gefrierpunktes konnte die Verwässerung imVerlauf der Mikrofiltration mit max. 5 % analytisch bestätigt werden.

4.3 Verfahrenstechnische und chemische Ergebnisse

4.3.1 Massenbilanz

Die Massenbilanzen wurden in Sankey-Diagrammen dargestellt (Abb. 19 und Abb. 20).Die Diagramme zeigen den jeweiligen analysierten Fettgehalt von der Rohmilch bis zumEndprodukt (Werte in Klammern) und den quantitativen Verlauf der Produktströmewährend der Versuche.

Bei Versuch A betrug der entnommene Retentatanteil 3,9 % (A4), bezogen auf dieeingesetzte Rohmilchmenge (= 100 %). Da der zentrifugierte Rahm nicht in seinergesamten Menge zur Einstellung des gewünschten Fettgehaltes von ≥ 3,5 % imEndprodukt benötigt wurde, verringerte sich die mengenmäßige Ausbeute insgesamt auf92,45 % (A8). Fast ein Viertel (23,3 %) der abgefüllten Vollmilchmenge war hocherhitztworden (A6), der übrige Teil kurzzeiterhitzt.

Der Retentatstrom bei Versuch B war mit einem quantitativen Anteil von 3,6 % (B4)etwas geringer als bei Versuch A. Da die Rohmilch (B1) zudem einen etwas geringerenFettgehalt aufwies und der Überschussrahm etwas fetthaltiger war, lag die mengenmä-ßige Gesamtausbeute für die kurzzeiterhitzte Vollmilch mit 93,8 % (B7) höher als beiVersuch A.

162

Abb. 19: (oben) und 20 (unten): Sankey-Diagramme zur Massenbilanz bei Versuch A und B (dieProbennahmestellen entsprechen denen aus Abb. 14 und 15)

3,65 %13,9 %Rahm

(31,5 % Fett)

10,25 %

11,30 %

21,55 %

Rahm (15,0 % Fett)

Homogenisierung

Hocherhitzung

A6

MM-Retentat3,9 % A4

MassenbilanzVersuch A

Mikrofiltration

MM-Permeat (0,03 % Fett)


Magermilch (0,03 % Fett)

Rohmilch (4,40 % Fett)

92,45 %

A3

Kurzzeiterhitzung

Vollmilch (3,52 % Fett) A8

100 % A1

86,1 % A2

82,2 % A5

70,9 % A7

A9a / A9b

UHT-Erhitzung

2,6 % 12,4 %Rahm (33,5 % Fett)

B7

MM-Retentat3,6 % B4

MassenbilanzVersuch B

Mikrofiltration


Magermilch (0,04 % Fett)

Rohmilch (4,19 % Fett)

93,8 %

B3

Vollmilch (3,54 % Fett)

Homogenisierung

Kurzzeiterhitzung

Vollmilch (3,54 % Fett)

100 % B1

87,6 % B2

84 % B5

93,8 % B6

9,8 %

163

4.3.2 Eiweißmengenbilanz

Auch diese Mengenbilanzen wurde über Sankey-Diagramme visualisiert (Abb. 21 und22). In den beiden Rohmilchproben von Versuch A und B waren analytisch (Gesamt-stickstoff x 6,38, nach Kjeldahl) 3,30 % bzw. 3,38 % Eiweiß gemessen worden (Angabenin Klammern). Diese Werte dienten als Bezugsgröße bei den einzelnen Zwischenproduk-ten mit ihren aus der Massenbilanz bekannten Anteilen und dem ermittelten jeweiligenEiweißgehalt, so dass der quantitative Eiweißstrom berechnet werden konnte.

Berechnungsbeispiel: Bei Versuch A resultierten nach der Zentrifuge mengenmäßigaus 100 % Rohmilch (A1) 86,1 % Magermilch (A2) mit 3,45 % Eiweiß und 13,9 % Rahmmit 2,39 % Eiweiß. Daraus ergab sich für die Magermilch ein Eiweißanteil von (0,861 x 3,45 =)2,97 %, für den Rahm entsprechend (0,139 x 2,39 =) 0,33 %. Bezogen auf die Rohmilchsind dies (2,97/3,30 =) 90,0 % bzw. (0,33/3,30 =) 10,0 % Eiweißanteil. Da die nachKjeldahl ermittelten Analysendaten für das Eiweiß immer eine bestimmte Wiederholbar-keit (Differenz der Ergebnisse) aufweisen, muss die Eiweißmengenbilanz nicht immersummarisch exakt passen (0,01 % Eiweiß im Produkt ergeben ca. 0,3 % in derEiweißmengenbilanz!).

Abb. 21: Sankey-Diagramm zur Eiweißmengenbilanz bei Versuch A

Wie Abb. 21 für Versuch A zeigt, enthielt das Retentat (A4) einen Eiweißgehalt von3,88 % (nach Kjeldahl). Daraus ergab sich, dass bei der Mikrofiltration 4,6 % derGesamteiweißmenge über das Retentat abgetrennt wurde, während gleichzeitig aber nur3,9 % der gesamten Milchmenge (s. Abb. 19) entfernt wurden. Die bei der Magermilchdurch die Filtration gefundene Abnahme im Eiweißgehalt (von 3,45 % bei A2 auf 3,42 %

2,7 %10,0 %

11,7 %

19,1 %

A6

MM-Retentat (3,88 % Eiweiß)4,6 % A4

EiweißbilanzVersuch A

Mikrofiltration

MM-Permeat (3,42 % Eiweiß)


90,0 % A2Magermilch (3,45 % Eiweiß)

Rohmilch (3,30 % Eiweiß)100 % A1

92,2 %

85,2 % A5

A3

73,5 % A7

Kurzzeiterhitzung

Vollmilch (3,29 % Eiweiß) A8

Rahm (2,93 % Eiweiß)

Rahm (2,39 % Eiweiß)

7,3 %

Homogenisierung

Hocherhitzung

164

bei A5) war analytisch zwar zu erfassen, lag jedoch im Bereich der Wiederholbarkeit von0,03 %. Proteinabreicherungen in dieser Größenordnung könnten bei Ringuntersuchungennicht immer signifikant nachzuweisen sein. In der abgefüllten Vollmilch (A8) wurden mit3,29 % Eiweiß sogar nur 0,01 % weniger gefunden als in der Rohmilch.

Aus Abb. 22 für Versuch B ist zu entnehmen, dass der Magermilch (B2) durch dieMikrofiltration 0,02 % Protein entzogen wurden (bei Berücksichtigung der Verwässerung(s. 4.2.2). Das Retentat (B4) war um 0,45 % Eiweiß gegenüber dem Permeat (B5)angereichert. Dies bestätigt die Ergebnisse von Versuch A. Bei der mengenmäßigenAusbeute für die abgefüllte Vollmilch (B7) wurde ein Wert von 93,8 % berechnet, der überdem bei Versuch A liegt. Die größere Ausbeute ist durch den verringerten Eiweißabflussüber das Retentat und über den Überschussrahm bedingt. Wie die identischen Eiweiß-gehalte von Ausgangs- und Endprodukt zeigen, kann der Eiweißentzug über dasRetentat analytisch nicht nachgewiesen werden.

Abb. 22: Sankey-Diagramm zur Eiweißmengenbilanz bei Versuch B

4.3.3 Molkenproteinanteil im Gesamtprotein

Mit der Bestimmung des Molkenproteinanteils im Gesamtprotein (Derivativspektroskopienach DIN 10470, modifizierte Methode mit GNA-Puffer/EDTA zur Herstellung derMesslösung und Berechnung mit der 2. Ableitung, Formel 2) sollte überprüft werden, obdie Mikrofiltration das Verhältnis der beiden Eiweißfraktionen Molkenprotein und Caseinbeeinflusst.

Die Ergebnisse (Abb. 23) zeigen bei beiden Versuchen, dass das Molkenprotein/Casein-Verhältnis im Retentat (A4 und B4) durch die Filtration verringert wurde. DieserEffekt ist auf eine Anreicherung der Caseine zurückzuführen, da sich der HPLC-

1,8 % 8,8 %

Rahm B3 (2,40 % Eiweiß)

MM-Retentat (3,95 % Eiweiß)

EiweißbilanzVersuch B

Mikrofiltration


Magermilch (3,52 % Eiweiß)

Rohmilch (3,38 % Eiweiß)

93,8 %

Homogenisierung

Kurzzeiterhitzung

Vollmilch (3,38 % Eiweiß)

100 % B1

91,2 % B2

87 % B5

93,8 % B6

Vollmilch (3,38 % Eiweiß) B7

4,2 % B4

7,0 %

165

analytisch gemessene Gehalt an säurelöslichen Molkenproteinen im Prozess nichtveränderte (s. 4.3.4), der Gesamteiweißgehalt im Retentat aber deutlich erhöht war. Beiallen übrigen untersuchten Proben aus beiden Versuchsabläufen konnten jedoch keineVeränderungen im Verhältnis von Molkenprotein zu Casein nachgewiesen werden. Sowar hier auch die abgefüllte Vollmilch (A8, B7) − im Rahmen der analytisch bedingtenSchwankungen – nicht von der Rohmilch (A1, B1) zu unterscheiden.

Abb. 23: Molkenproteinanteil (MPA) am Gesamtprotein

4.3.4 Säurelösliche Molkenproteine

Mit der Bestimmung der Gehalte einzelner säurelöslicher Molkenproteine sollte zumeinen der Einfluss der Mikrofiltration auf Proteingehaltsveränderungen in Retentat undPermeat untersucht werden, zum anderen die Wärmebelastung der einzelnen Teilströmebis zum Endprodukt charakterisiert werden. Nach einer Säurefällung der Caseine unddenaturierten Molkenproteine bei pH 4,6 wurden die säurelöslichen Molkenproteine α-Lactalbumin, β-Lactoglobulin, Immunglobuline, Lactoferrin und Serumalbumin mittelsUmkehrphasen-HPLC analysiert (38, 40, 41), s. auch Kap. 3.

Die Ergebnisse (s. Tabellen im Anhang, exemplarisch Abb. 24-26) ließen im Vergleichvon Retentat (A4/B4) und Permeat (A5/B5) bei beiden Versuchen A und B keinesignifikanten, über die analytischen Schwankungsbereiche hinausgehenden Unter-schiede erkennen. Die Gehalte an säurelöslichen Molkenproteinen wurden damit ledig-lich durch die jeweilige Wärmebehandlung bei den einzelnen Verfahrensschritten nach-weisbar beeinflusst. Je nach Hitzestabilität der einzelnen Molkenproteine wurden hierunterschiedliche Auswirkungen beobachtet. Das besonders hitzestabile α-Lactalbumin(Abb. 24) wurde durch die Kurzzeiterhitzung in Probe A7 bzw. B7 nicht nachweisbardenaturiert. Lediglich im hocherhitzten Rahm (A6) und den UHT-erhitzten Retentaten(A9a und b) wurden Denaturierungsgrade von 30-40 % erreicht, die nach Rück-vermischung des Rahmes mit dem kurzzeiterhitzten Permeat im Endprodukt (A8) aber

Probenbezeichnung

A1/B1 A2/B2 A4/B4 A5/B5 A7/B6 A8/B7

MP

A a

m G

esam

teiw

eiß

(%

)

13,0

13,5

14,0

14,5

15,0

15,5

16,0

16,5

17,0

17,5

18,0Versuch AVersuch B

166

nicht mehr nachweisbar waren. Auch β-Lactoglobulin (Abb. 25) wurde durch die Kurzzeit-erhitzungen in beiden Versuchen nicht signifikant denaturiert. Die Denaturierung imhocherhitzten Rahm (A6) und im UHT-erhitzten Retentat (A9a und b) erreichte dagegennahezu 90 %, so dass nach Rückvermischung mit dem hocherhitzten Rahm im Endpro-dukt (A8) ein im Vergleich zu Probe A7 geringerer Gehalt an β-Lactoglobulin nachzuwei-sen war. Zur Charakterisierung pasteurisierter Milch wird als maximale thermischeBelastung für pasteurisierte, Peroxidase-positive Milch ein Mindestgehalt von 10 % β-Lactoglobulin bezogen auf den Gesamtproteingehalt diskutiert. Dieser Grenzwert wurdeauch im Endprodukt (A8) trotz der Hocherhitzung des Rahms in diesem Versuch nichtunterschritten (11,1 %).

Die hitzelabileren Molkenproteine Serumalbumin, Lactoferrin und Immunglobuline(Abb. 26) ließen sich im hocherhitzten Rahm (A6) und den UHT-erhitzten Retentaten (A9aund b) nicht mehr nachweisen. Durch die Kurzzeiterhitzung in beiden Versuchen wurdeSerumalbumin nicht signifikant, Lactoferrin und Immunglobuline jedoch um ca. 20 %denaturiert. Im Endprodukt A8 war durch die Ergänzung mit dem hocherhitzten Rahm(A6) eine Denaturierung der hitzelabileren Molkenproteine von 20 bzw. 40 % zubeobachten. In Hinblick auf die großen biologischen Schwankungsbreiten der einzelnenMolkenproteine war aber selbst hier ein sicherer Erhitzungsnachweis ohne Kenntnis derAusgangsgehalte nicht möglich.

Der noch relativ hohe Anteil an säurelöslichen Molkenproteinen in den EndproduktenA8 bzw. B7 lag in Größenordnungen, wie sie für kurzzeiterhitzte Milch charakteristischsind. Ein Nachweis unterschiedlicher Erhitzungen der einzelnen Teilströme, wie z. B. dieHocherhitzung des Rahms, konnte durch Analyse der säurelöslichen Molkenproteine inder Vollmilch nicht erfolgen.

Abb. 24: Einfluss einzelner Verfahrensschritte auf den Gehalt an säurelöslichem α-Lactalbuminim Verlauf von Versuch A und B

Probenbezeichnung

A1/B1 A2/B2 A3/B3 A4/B4 A5/B5 A6 A7/B6 A8/B7 A9a A9b

αα αα-L

acta

lbu

min

(m

g / 1

00 m

l)

0

20

40

60

80

100

120

140Versuch AVersuch B

167

Abb. 25: Einfluss einzelner Verfahrensschritte auf den Gehalt an säurelöslichem β-Lactoglobulinim Verlauf von Versuch A und B

Abb. 26: Einfluss einzelner Verfahrensschritte auf den Gehalt der säurelöslichen Immunglobulineim Verlauf von Versuch A und B; n.u.: nicht untersucht

Probenbezeichnung


ββ ββ-La

ctog

lobu

lin (

mg

/ 100

ml)

0

100

200

300

400

500

600

Versuch AVersuch B

Probenbezeichnung


Imm

ungl

obul

in (m

g / 1

00 m

l)

0

10

20

30

40

50

60

70

Versuch AVersuch B

n.u. n.u.n.u.

168

4.3.5 Alkalische Phosphatase

Abb. 27: Aktivität der Alkalischen Phosphatase in den Proben A1-A5 und B1-B5

Die Bestimmung der Aktivität der Alkalischen Phosphatase (ALP) in Milch dient demNachweis einer Wärmebehandlung. Durch eine Pasteurisierung wird die ALP vollständiginaktiviert. Die in den Proben A1-A5 sowie B1-B5 gefundenen Enzymaktivitätswerte sindin Abb. 27 dargestellt. Die höchsten Werte wurden im Rahm (B3, 33,5 % Fett) bzw. in mitPermeat eingestellten Rahm (A3, 15,0 % Fett) gemessen. Dieses Ergebnis kann nichtüberraschen, da die ALP in Milch mehrheitlich mit der Fettkugelmembran assoziiertvorliegt. Nach der Mikrofiltration der Magermilch (A2/B2) wurde im Retentat (A4/B4) eineerhöhte Enzymaktivität bestimmt, im Permeat (A5/B5) dagegen eine leicht verminderte.Durch die entsprechend den Versuchsplänen ausgeführte Kurzzeit- bzw. Hocherhitzungwurde die ALP vollständig inaktiviert, so dass auf eine Darstellung in der Abb. 27verzichtet werden konnte.

4.3.6 Lactulose

Zur Charakterisierung der Wärmebelastung mikrofiltrierter Milch stellte sich die Fragenach dem Nachweis für die unterschiedlichen Wärmebehandlungsverfahren bei deneinzelnen Teilströmen (Retentat, Permeat, Rahm). Um die Hocherhitzung des Rahms(A6) nachzuweisen, wurde dessen Lactulosegehalt und der des Endproduktes (A8) inVersuch A bestimmt. Die Analyse erfolgte enzymatisch (amtliche Methode gemäß § 35LMBG L-01.0031, s. auch Kap 3). Die Eignung des Hitzeindikators Lactulose wird durchdie Nachweisgrenze der Analysenmethode begrenzt, die je nach verwendeter Milchzwischen 10 und 30 mg/kg liegt. Der Lactulosegehalt des Endproduktes (A8) lag mit18 mg/kg im Bereich dieser Nachweisgrenze, der des hocherhitzten Rahms (A6) mit55 mg/kg deutlich darüber, so dass hier die Hocherhitzung sicher nachgeweisen werden

Probenbezeichnung

A1/B1 A2/B2 A3/B3 A4/B4 A5/B5

Alk

alis

che

Pho

spha

tase

(un

its/l)

0

500

1000

1500

2000


169

konnte. Aber erst eine Hitzebelastung, die im Rahm zu Lactulosegehalten deutlich über140 mg/kg führen würde, könnte bei gleichbleibenden Massenströmen durch den Anstiegdes Lactulosegehaltes auch im Endprodukt nachgewiesen werden.

4.3.7 Furosin

Durch die Bestimmung des Hitzeindikators Furosin sollte der Frage nachgegangenwerden, inwieweit die Maillard-Reaktion bei der Mikrofiltration beeinflusst wird und ob derNachweis einer Hocherhitzung von Rahm oder Retentat möglich ist. Furosin wurde nachsaurer Hydrolyse in Milch mittels Ionen-Umkehrphasen-Flüssigkeitschromatographie(42, 43) analysiert, s. auch Kap. 3.

In Rohmilch liegt in der Regel ein Furosingehalt zwischen 5-7 mg/100 g Protein vor. Diefür die Versuche verwendete Rohmilch wies mit 5,3 (Versuch A) und 5,6 mg/100 g Protein(Versuch B) annähernd gleiche Ausgangsgehalte auf (s. Tabellen im Anhang). Mitzunehmender Versuchsdauer bei A und B wurde ein geringfügiger Anstieg des Furosin-gehaltes im Rahm und in der Magermilch, ebenso im Retentat und Permeat beobachtet,der im Versuch A deutlicher ausgeprägt war (Abb. 28). Dieser leichte Anstieg desFurosingehaltes vor der eigentlichen Erhitzung ist vermutlich auf die thermische Bela-stung der Milch während der Zentrifugation und der Mikrofiltration, die bei 48 bzw. 50 °Cohne Zwischenkühlung durchgeführt wurden, zurückzuführen. Der höhere Anstieg desFurosingehaltes in Versuch A ist durch die längere Laufzeit des Versuches A gegenüberVersuch B erklärbar. Ein signifikanter Einfluss der Mikrofiltration war nicht erkennbar. Dietendenziell geringeren Furosingehalte in den Retentaten beider Versuche (A4/B4)können auf den höheren Caseinanteil am Gesamtprotein der Retentate (siehe 4.3.3)zurückzuführen sein. In vorangegangenen Untersuchungen wurde in Rohmilch eineunterschiedliche Reaktivität der einzelnen Proteinfraktionen bei der nicht-enzymatischenGlycosylierung in vivo nachgewiesen, die zu einer bevorzugten Reaktion der Molken-proteinfraktion und zu höheren Furosingehalten der Molkenproteine gegenüber denCaseinen in Rohmilch führte.

Die Kurzzeiterhitzung des Permeats (Versuch A) bzw. der eingestellten Vollmilch(Versuch B) führte zu einem Anstieg des Furosingehalts von ca. 1 mg/100 g Protein.Durch die thermische Vorbelastung des Permeates im Versuch A wurde hier derGrenzwert für pasteurisierte, Peroxidase-positive Milch von 8,5 mg/100 g Protein imkurzzeiterhitzten Permeat (A7) geringfügig überschritten, während bei Versuch B dasEndprodukt (B7) unterhalb dieses Grenzwertes blieb. Im hocherhitzten Rahm (A6) undin den UHT-erhitzten Retentaten (A9a und b) wurden deutlich erhöhte Furosingehalte von28,2 bis 143,5 mg/100 g Protein gemessen. Durch den erhöhten Furosingehalt im Rahmwar auch ein weiterer deutlicher Anstieg des Furosingehaltes im Endprodukt (A8) auf11,9 mg/100 g Protein festzustellen.

Während des Herstellungsverfahrens für mikrofiltrierte Konsummilch kann also einestärkere Wärmebelastung einzelner Teilströme, z. B. durch eine Hocherhitzung desRahmes oder durch Rückführung von stark erhitztem Retentat, zu erhöhten Furosingehaltenim Endprodukt führen, die den diskutierten Grenzwert für pasteurisierte, Peroxidase-positive Milch von 8,5 mg/100 g Protein überschreiten. Erhöhte Furosingehalte inpasteurisierter Milch können jedoch nicht nur auf eine höhere Wärmebelastung der Milchoder einzelner Milchfraktionen hinweisen, sondern auch auf eine – analytisch sonst kaumnachzuweisende − Verwendung von Milchpulver bei der Herstellung von Trinkmilchzurückzuführen sein. Im Hinblick auf die Qualitätssicherung von Trinkmilch könnte eineKlassifizierung von mikrofiltrierter Konsummilch, die erhöhte Furosingehalte, ansonstenjedoch analytisch Charakteristika kurzzeiterhitzter Milch aufweist, Probleme aufwerfen.

170

Eine Unterscheidungsmöglichkeit zwischen kurzzeiterhitzter Milch, die mittels hoch-erhitztem Rahm hergestellt wurde, und Milch, die unter Verwendung von stärker erhitzterMilch oder Milchpulver hergestellt wurde, kann die Bestimmung des Furosingehaltes vonMilchfettkügelchenmembranproteinfraktionen (MFGM) darstellen, die aus der Milchisoliert werden. Bei Verwendung von hocherhitztem Rahm sollte der Furosingehalt dieserisolierten Fraktionen durch die höhere Wärmebelastung der in der Membran gebunde-nen Proteine höher sein als der Furosingehalt der Milch selbst.

Abb. 28: Einfluss einzelner Verfahrensschritte auf die Furosingehalte im Verlauf von VersuchA und B

Es wurden daher bei Versuch A die MFGM aus der Rohmilch (A1), dem Rohrahm (A3),dem hocherhitzten Rahm (A6) und dem Endprodukt (A8) isoliert und die jeweiligenFurosingehalte bestimmt. Zum Vergleich wurde auch aus Versuch B die Rohmilch (B1)und das kurzzeiterhitzte Endprodukt (B7) fraktioniert und entsprechend analysiert. DieIsolierung der MFGM erfolgte nach Zentrifugation der Proben in Magermilch (MM) undRahm. Der Rahm wurde dann mit Seralwasser (1:10) gewaschen und erneut zentrifugiert.Er wurde dann über Nacht bei -20 °C eingefroren, wieder aufgeschmolzen und diewässrige Fraktion (MFGM) abzentrifugiert und analysiert. Der Furosingehalt wurdejeweils auf den Proteingehalt (nach Kjeldahl) bezogen (Publikation in Vorbereitung).

In Tabelle 4 sind die Furosingehalte der 6 Ausgangsproben den Furosingehalten derdaraus isolierten Magermilch (MM), des Rahms und der MFGM-Fraktion gegenübergestellt. Auf eine Mittelwertbildung der Ergebnisse, die auch aus länger tiefgefrorenenProben resultierten, wurde verzichtet, da ein Einfluss der Lagerdauer trotz der niedrigenTemperatur von -20 °C auf die Analysendaten nicht auszuschließen war (ein leichterAnstieg des Furosingehaltes konnte im Verlauf einer längeren Tiefkühllagerung beieinigen Proben beobachtet werden). Tabelle 4 zeigt, dass in der Regel keine signifikanten


Fur

osin

(m

g/1

00g

Pro

tein

)

0

5

10

40

80


Grenzwert: 8,5mg/100g Protein

Probenbezeichnung

171

Unterschiede zwischen dem Furosingehalt der Ausgangsprobe und der isolierten Frak-tionen (MM, Rahm und MFGM) vorlagen, obwohl tendenziell der Gehalt der Rahmprobemeist geringfügig über dem Ausgangswert und der Gehalt der MFGM-Fraktion, insbeson-dere bei beiden Rohmilchproben, etwas unter dem Ausgangswert bestimmt wurde. BeimEndprodukt A8, in dem kurzzeiterhitztes Permeat mit hocherhitztem Rahm vermischtwurde, zeigten sich dagegen deutliche Unterschiede in den Furosingehalten der Gesamt-probe und der Magermilch im Vergleich zu den Gehalten im Rahm und in der MFGM-Fraktion. Der Furosingehalt der MFGM-Fraktionen, die aus A8 isoliert wurden, war trotzdes geringeren Furosingehaltes der Gesamtprobe vergleichbar mit dem Gehalt derMFGM-Fraktionen der hocherhitzten Rahmprobe (A6).

Tab. 4: Furosingehalte (mg/100 g Protein) von 6 ausgewählten Proben und den darausjeweils nach Zentrifugation gewonnenen Magermilch- (MM) und Rahmfraktionen,sowie von der aus dem Rahm isolierten MFGM

Probe Furosingehalt (mg/100 g Protein) der ProbenZentrifugieren u. Analyse A1 MM Rahm MFGM

Am Tag von Versuch A 5,3 5,1 6,8 3,6Nach 15 d bei –20 °C 3,7Nach 48 d bei –20 °C 6,1 5,8 7,9 3,7

A3 MM Rahm MFGM

2 d nach Versuch A 6,9 7,0 - 7,9

A6 MM Rahm MFGM2 d nach Versuch A 28,2 27,5 31,5 21,9Nach 77 d bei –20 °C 30,1 24,8 31,1 27,2Nach 77 d bei –20 °C 27,6 23,5 31,1 26,6

A8 MM Rahm MFGM1 d nach Versuch A 11,9 10,8 22,9 20,5Nach 48 d bei –20 °C 13,3 11,5 21,8 23,8Nach 48 d bei –20 °C 22,6

B1 MM Rahm MFGM

1 d nach Versuch B 5,6 5,5 6,6 2,6Nach 15 d bei –20 °C 5,7 7,0 3,2Nach 15 d bei –20 °C 5,4 7,5 3,3

B7 MM Rahm MFGM1 d nach Versuch B 7,8 7,3 9,0 6,62 d nach Versuch B 7,0 7,6 6,2*Nach 13 d bei –20 °C 7,6 10,3 6,5Nach 13 d bei –20 °C 7,7 8,9 10,2*

* Proteingehalt aufgrund geringer Probenmenge aus Parallelversuch übernommen

Diese Ergebnisse machen deutlich, dass abweichende Furosingehalte in einer Konsum-milch und den daraus isolierten MFGM-Fraktionen als ein Nachweis für eine unterschied-liche Wärmebelastung einzelner Teilströme bei der Herstellung der Konsummilch ge-nutzt werden können.

172

4.3.8 Adenosindesaminase und Ribonucleoside

Adenosindesaminase (ADA, EC 3.5.4.4) zeigt in Kuhmilch ein thermisch-bedingtesAktivierungs/Inaktivierungsverhalten, so dass z. B. im Bereich der Kurzzeiterhitzungaktivierte ADA, im Bereich der Hocherhitzung hingegen inaktivierte ADA vorliegt (34-36).Die Bestimmung der ADA-Aktivität (Inkubation bei 37 °C, direkte Bestimmung desenzymatischen Produkts Inosin mittels Ribonucleosid-Zwei-Säulen-HPLC) wurde daherzum Nachweis einer erfolgten Wärmebehandlung und zur möglichen Beurteilung derMikrofiltration ausgeführt, s. auch Kap. 3.

Die Ergebnisse der ADA-Aktivitätsbestimmungen sind in den Abb. 29 (Versuch A) und30 (Versuch B) dargestellt.

In den Proben A3/B3 wurde im Vergleich zu den jeweiligen Rohmilchproben A1/B1 einethermisch-bedingte ADA-Aktivitätserhöhung im Verlauf der Zentrifugation (Temp. ca. 48 °C)beobachtet, ebenso die Abhängigkeit der ADA-Aktivität vom Fettgehalt im Vergleich zuden Magermilchproben A2/B2. Nach der Mikrofiltration wurden bei beiden Versuchen inden Retentatproben A4/B4 höhere ADA-Aktivitäten bestimmt als in den entsprechendenPermeatproben A5/B5. Eine thermisch-bedingte ADA-Aktivitätserhöhung, verursachtdurch eine höhere Wärmebelastung des Retentats im Vergleich zum Permeat, konnteweitestgehend ausgeschlossen werden.

Im eingestellten und hocherhitzten Rahm (A6) lag die ADA-Aktivität erwartungsgemäßunterhalb der Nachweisgrenze der angewendeten Bestimmungsmethode (13 mU/l bei37 °C). Die Kurzzeiterhitzung führte bei beiden Versuchen A und B zu einem thermisch-bedingten Anstieg der ADA-Aktivität. Beim Vergleich der Endprodukte A8/B7 fiel auf,dass die ADA-Aktivität in A8 mit 0,52 U/l (37 °C) geringer war als in handelsüblichenkurzzeiterhitzten Milchproben (ca. 0,7-0,9 U/l), dies war auf die Zugabe des hocherhitztenRahms (A6) zurückzuführen. Im Endprodukt B7 lag die ADA-Aktivität hingegen imBereich handelsüblicher kurzzeiterhitzter Milchproben.

Ribonucleosid-Gehalte: In den unter UHT-Bedingungen wärmebehandelten Retentat-Proben A9a und A9b wurde der Hitzeindikator N6-Methyladenosin (m6Ado) nachgewie-sen, die bestimmten m6Ado-Konzentrationen lagen in der für UHT-Trinkmilch zu erwar-tenden Größenordnung (37), s. Tabellen im Anhang.

In den einzelnen Proben der Versuche A und B lagen Veränderungen der Ribonucleosid-Gehalte vor, die – nach derzeitigem Kenntnisstand – durch enzymatische Aktivitätenverursacht werden (s. Anhang). Auffällig waren die Cytidin-Gehaltszunahmen in denRahmproben A3 und A6, dem kurzzeiterhitzten Permeat A7, im Endprodukt A8 und in denProben B3-B7. Die Inosin-Gehaltszunahmen in A4, A5, A7, A8 und in den Proben B4-B7konnten nicht allein durch die ADA-Aktivität erklärt werden: Bei beiden Versuchsanord-nungen wurden in den Permeatproben A5/B5 höhere Inosingehalte bestimmt als in denentsprechenden Retentatproben A4/B4, obgleich in den Permeatproben geringere ADA-Aktivitäten vorlagen.

Die Verwässerung von Retentat und Permeat bei der An- und Ausfahrphase derMikrofiltration wurde berücksichtigt.

173

Abb. 29: Aktivität (U/l bei 37 °C) der Adenosindesaminase (ADA) bei Versuch A; < NWG: unterhalbder Nachweisgrenze

Abb. 30: Aktivität (U/l bei 37 °C) der Adenosindesaminase (ADA) bei Versuch B

Probenbezeichnung

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9a A9b

AD

A-A

ktiv

ität [

U/l

(37

°C)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

< N

WG

< N

WG

< N

WG

Probenbezeichnung

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

AD

A-A

ktiv

ität [

U/l

(37

°C)]

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

174

4.3.9 Weitere Inhaltsstoffe

Die jeweiligen Analysen der Gehalte an NPN, Lactose, Asche und Calcium ergaben beibeiden Versuchen keine wesentlichen Erkenntnisse, so dass auf deren Kommentierungverzichtet wird. Sie sind aber im Anhang aufgeführt.

4.4 Keim- und somatischer Zellgehalt

4.4.1 Gesamtkeimzahl und Gehalt an thermoduren Keimen

Hier wurden die Gesamtkeimzahlen und die Anzahl der thermoduren Keime, dieüblicherweise die Kurzzeiterhitzung überleben, mit Hilfe von Standardmethoden (44, 45)bestimmt. Keimfreiheit wird danach im folgenden über eine Nachweisgrenze von 10 KbE/mldefiniert. Die Ergebnisse zeigen die Abb. 31 und 32.

In Versuch A (Abb. 31) war die rohe Sammelmilch (A1) mit einer Gesamtkeimzahl von<104/ml von sehr guter mikrobiologischer Qualität; diese an sich positive Situation war füreine Überprüfung des Entkeimungseffektes durch Mikrofiltration allerdings ungünstig.Nach der Mikrofiltration hatte sich die Keimbelastung der Magermilch (A2) um ca. 2 log

10-

Stufen verringert (A5), das Retentat (A4) war entsprechend angereichert. Durch dieKurzzeiterhitzung veränderte sich die Keimzahl des Permeats nicht weiter, da offensicht-lich fast ausschließlich thermodure Keime vorhanden waren (A7). Nach Hocherhitzungdes eingestellten Rahms (A3) konnten keine Keime oberhalb der Nachweisgrenzefestgestellt werden (A6). Durch die Zugabe dieses Rahms wurde die ohnehin schongeringe Keimzahl des Permeats nur noch unwesentlich verringert und lag im Endprodukt(A8) bei 24 KbE/ml. Dieses Ergebnis und die lange Haltbarkeit der Lagerproben(sensorische Untersuchung und pH-Wert als Kriterien, s. 4.5) sind ein Hinweis auf dasFehlen einer Rekontamination während des Abfüllens und der nachfolgenden Lagerung.

Abb. 31: Mikrobiologische Untersuchungsergebnisse bei Versuch A

Probenbezeichnung

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8

lg K

eim

zahl

/ m

l

0

1

2

3

4

5

6

GesamtkeimzahlThermodure

175

Bei Versuch B (Abb. 32) wies die rohe Sammelmilch (B1) mit 2,6x104 KbE/ml eine umetwa 1 log10-Stufe höhere Gesamtkeimzahl als bei Versuch A auf. Durch die Keim-konzentrierung im Retentat (B4) konnte über die Mikrofiltration die Keimbelastung derMagermilch (B2) diesmal um ca. 3 log

10-Stufen reduziert werden und erreichte mit

30 KbE/ml (B5) das Niveau von Versuch A. Über die Einstellung des Fettgehaltes mitRohrahm (B3) stieg die Keimzahl der Milch mit 3,5 % Fett auf > 10³ KbE/ml (B6), bevordurch die Kurzzeiterhitzung die Gesamtkeimzahl auf < 100 KbE/ml in der abgefülltenVollmilch verringert wurde (B7). Trotz dieser nur wenig höheren Keimbelastung gegen-über Versuch A erreichte die Vollmilch nicht die dort erzielte sehr lange Haltbarkeit inbezug auf die sensorische Akzeptanz und einen unveränderten pH-Wert (s. 4.5). Bei denLagerungsproben wurden allerdings keine mikrobiologischen Untersuchungen durchge-führt, so dass nicht ausgeschlossen werden kann, dass die kürzere Haltbarkeit auch aufRekontamination beim Abfüllen bzw. während der Lagerung zurückzuführen ist. Alswesentliche Ursache für die geringere Haltbarkeit der Proben von Versuch B ist aber zuberücksichtigen, dass hier der Rahm nicht hocherhitzt wurde.

Abb. 32: Mikrobiologische Ergebnisse bei Versuch B

4.4.2 Somatische Zellen

Bei Versuch B wurde für ausgewählte Proben auch der Gehalt an somatischen Zellenmit 2 unterschiedlichen Messgeräten bestimmt. Danach enthielt die Rohmilch etwa200.000 Zellen/ml und die Magermilch vor der Mikrofiltration 50.000 Zellen/ml. DieDifferenz kann durch das Abzentrifugieren von Zellen in den Zentrifugenschlamm und −als Folge der starken mechanischen Beanspruchung − durch einen Zerfall von Zellenbedingt sein, die dann messtechnisch nicht mehr erfasst werden können. Nach derMikrofiltration konnten im Permeat keine Zellen mehr nachgewiesen werden, währendim Retentat ca. 220.000 Zellen/ml zurückblieben.

Probenbezeichnung

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

lgK

eimzahl / m

l 0

1

2

3

4

5

6


Probenbezeichnung

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7

lgK

eimzahl / m

l 0

1

2

3

4

5

6


176

4.5 Lagerversuche

4.5.1 Sensorische Untersuchungen

Die in den Versuchen A und B hergestellte Vollmilch war bei keimarmen Bedingungenunter einer Sterilbank in autoklavierte Glasflaschen mit Schraubverschluss und 1 l Inhaltabgefüllt worden (s. 4.2.2). Unmittelbar nach der Abfüllung wurden die Flaschen inEiswasser auf 5 °C abgekühlt und bei dieser Temperatur für ca. 18 h gelagert. Die weitereLagerung erfolgte bei 6,5 bis 7,5 °C.

Eine wöchentliche Verkostung der Lager- sowie Vergleichsproben aus dem Handelwurde im Sensoriklabor der Bundesforschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel,Standort Kiel, durchgeführt. Dazu wurde die Milch bei Raumtemperatur langsam auf20 °C angewärmt. Eine halbe Stunde vor der Verkostung wurden von allen Proben jeweilsca. 100 ml in Plastikbecher mit Deckel umgefüllt, die mit dreistelligen Zahlen codiertwaren. Die Verkostung wurde als sensorische Profilanalyse durchgeführt. Dabei wurdendie von den 8 bis 10 Prüfern wahrgenommenen Sinneseindrücke in einer 6-Punkte-Skale(von 0 = nicht vorhanden, bis 5 = sehr stark) mit Hilfe der Software FIZZ elektronischquantifiziert. Die anschließende Auswertung erfolgte über das Programm MS-Excel.Dabei wurden nur die Sinneseindrücke einbezogen, die von mindestens der Hälfte der ander Verkostung beteiligten Prüfer angesprochen wurden. Aus diesen Daten wurden diejeweiligen Mittelwerte gebildet und in Form von Spinnennetz-Diagrammen dargestellt.Drei dieser Diagramme sind im folgenden dargestellt. Die bei Geruch, Aussehen undGeschmack bewerteten Sinneseindrücke folgen jeweils im Uhrzeigersinn der Spinnen-netze.

Abb. 33 zeigt das Verkostungsergebnis der 1 Tag (d) alten Milch von Versuch A imVergleich mit drei unterschiedlich behandelten Vollmilchproben aus dem Handel (kurz-zeiterhitzt, hocherhitzt, mikrofiltriert). Offensichtlich wich die frische Versuchsmilch kaumvon den übrigen Proben ab.

Abb. 33: Mittelwerte häufig bewerteter Sinneseindrücke bei der Profilanalyse von Vollmilch-proben;

Milch Versuch A, 1 d alt; kurzzeiterhitzte Handelsmilch; hocher-hitzte Handelsmilch; mikrofiltrierte Handelsmilch aus Luxemburg

0

1

2

3

4

5

süß

vollmundig

kochig

weiß / milchtypisch

süß

kochig

fettig

AussehenGeschmack

Geruch

177


Milch Versuch A, 21 d alt; Milch Versuch B, 1 d alt; kurzzeiter-hitzte Handelsmilch; hocherhitzte Handelsmilch


Milch Versuch A, 42 d alt; Milch Versuch B, 22 d alt; kurzzeiter-hitzte Handelsmilch; hocherhitzte Handelsmilch

0

1

2

3

4

5sauer

wässrig / leer

weiß / milchtypisch

gelblich

leer / wässrig

kochig

fruchtig

voll / milchtypisch

fettig

gesamt Intensität

Geruch

Aussehen

Geschmack

0

1

2

3

4

5sauer

Stallgeruch

wässrig / leer

gesamt Intensität

milchtypisch

leer / wässrig

süß

fruchtig

voll / milchtypisch

sahnig

Aus sehen

Geschmack

Geruch

178

In Abb. 34 wurde eine 21 Tage gelagerte Milchprobe des Versuchs A gemeinsam miteiner gerade einen Tag gelagerten des Versuchs B sowie zwei kurz vorher eingekauftenHandelsproben verkostet. Auch hier zeigten sich keine nennenswerten Unterschiede.

Bei der letzten Verkostung nach 42 Tagen (6 Wochen) waren im Vergleich mitwiederum kurz vorher gekauften Handelsproben erneut keine insgesamt relevantenAbweichungen der beiden Versuchsmuster zu erkennen (Abb. 35). Lediglich der Ge-schmack von Probe A wurde diesmal als weniger voll/milchtypisch beurteilt.

4.5.2 pH-Wert

Die kalt gelagerten Proben der Versuche A und B wurden vor der jeweiligen Verkostungimmer auf ihren jeweiligen pH-Wert untersucht. Dabei wiesen alle Muster von Versuch Abis 50 Tage nach Herstellung einen pH-Wert von > 6,70 auf, wobei Parallelproben ummax. 0,01 pH voneinander abwichen. Nach 57 Tagen waren die pH-Werte der nochvorhandenen Muster mehr oder weniger deutlich abgefallen. Bei den Proben von VersuchB war bis 22 Tage nach Herstellung der pH-Wert stets > 6,70, eine Woche später dagegendeutlich unter diesem Wert.

Damit war die Haltbarkeit der Versuchsmuster, die unter keimarmen, aber nichtaseptischen Bedingungen abgefüllt worden waren, deutlich länger als die einer üblichenkurzzeiterhitzten Milch. Die Proben von B erreichten eine Haltbarkeit, die mit der vonhocherhitzter Handelsmilch vergleichbar war, während die von Versuch A sogar etwa3 Wochen darüber hinausging. Offensichtlich war die Kombination aus hocherhitztemRahm und mikrofiltriertem, kurzzeiterhitztem Magermilchpermeat besonders effektiv.

4.6 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen eigener Versuche

Zur Herstellung von mikrofiltrierter Konsummilch mit 3,5 % Fett wurden zwei Versuchemit den im Institut für Chemie und Technologie der Milch vorhandenen Pilotanlagen zurEntrahmung, Wärmebehandlung, Homogenisierung und Mikrofiltration durchgeführt.Dabei erfolgte die Mikrofiltration im Crossflow-Verfahren über eine einschichtige Mem-bran mit einer mittleren Porengröße von 1,4 µm. Die Anlage wurde zunächst in Vorver-suchen im Wasserbetrieb strömungstechnisch analysiert und optimiert. Ziel war einekonstant niedrige transmembrane Druckdifferenz und eine möglichst hohe Wandschub-spannung (Maß für die Scherung an der Membran), um die Bildung einer unerwünschtenDeckschicht zu verzögern.

Bei der Versuchsvariante A wurde der aus frischer Rohmilch separierte Rahm mitmikrofiltriertem Magermilchpermeat auf 15 % Fett eingestellt, dann homogenisiert undhocherhitzt. Das übrige Magermilchpermeat wurde kurzzeiterhitzt und diente mit demhocherhitzten Rahm zur Fetteinstellung der Vollmilch (3,5 % Fett), die dann unterkeimarmen Bedingungen abgefüllt wurde. Bei Variante B wurde Rohrahm in der zurFetteinstellung notwendigen Menge gemeinsam mit dem Magermilchpermeat homoge-nisiert, kurzzeiterhitzt und abgefüllt. In beiden Versuchen wurde das bei der Mikrofiltrationangefallene keimangereicherte Retentat nicht für die Konsummilch verwendet. Seinmengenmäßiger Anteil lag bei 3,9 bzw. 3,6 %, bezogen auf die Rohmilch.

Durch den Mikrofiltrationsschritt wurde der Eiweißgehalt (nach Kjeldahl) der Mager-milch um 0,03 bzw. 0,02 % im Permeat verringert. Da die aus den Versuchen resultieren-de Vollmilch aber deutlich fettärmer war als die eingesetzte Rohmilch (> 4 % Fett), hattesie einen nur 0,01 % geringeren (Versuch A) bzw. gleich hohen Eiweißgehalt (VersuchB) im Vergleich zur Rohmilch. Auch im Verhältnis von Molkenprotein zu Casein konnten

179

zwischen Rohmilch und abgefüllter Vollmilch keine Veränderungen nachgewiesenwerden. Der relativ hohe Anteil an säurelöslichen Molkenproteinen in den beidenEndprodukten war für kurzzeiterhitzte Milch charakteristisch. Ein Nachweis unterschied-licher Wärmebehandlungen der einzelnen Teilströme während des Herstellungsprozesses,wie z.B. die Hocherhitzung des Rahmes, konnte daher durch die Analyse der säure-löslichen Molkenproteine in der Vollmilch nicht erfolgen.

Neben der Bestimmung thermolabiler Eiweißfraktionen wurden auch andere Indikato-ren für die thermische Belastung der Milch herangezogen. Erwartungsgemäß konnte inder abgefüllten Vollmilch keine Aktivität der Alkalischen Phosphatase mehr nachgewie-sen werden. Bei der Vollmilch aus Versuch A lag der Gehalt an gebildeter Lactulose trotzder Rahmhocherhitzung im Bereich der Nachweisgrenze. Erst ein etwa dreifach höhererLactulosegehalt im Rahm hätte sich auch im Endprodukt nachweisen lassen. Durch dieBestimmung von Furosin sollte geprüft werden, inwieweit die Maillard-Reaktion durchden Herstellungsprozess beeinflusst wurde. Während ein signifikanter Einfluss durch dieMikrofiltration auf den Furosingehalt von Permeat und Retentat nicht erkennbar war,überschritt das Endprodukt von Versuch A aufgrund der Hocherhitzung des Rahms denFurosin-Grenzwert für pasteurisierte, Peroxidase-positive Milch deutlich. Durch dieBestimmung des Furosingehaltes der isolierten Proteinfraktionen der Milchfettkügelchen-membranen im Vergleich zum Furosingehalt der Vollmilch konnte die Rahmhoch-erhitzung sicher nachgewiesen werden. Auch die Bestimmung des Enzyms Adenosin-desaminase, das ein thermisch bedingtes Aktivierungs- und Inaktivierungsverhaltenzeigt, erschien zum Nachweis einer partiellen Hocherhitzung bei der Herstellung mikro-filtrierter Milch geeignet.

Von besonderem Interesse waren die mikrobiologischen Analysenergebnisse. BeiVersuch A erwies sich die verwendete Rohsammelmilch des Versuchsguts Schädtbekmit einer Gesamtkeimzahl von < 104/ml von sehr guter Qualität. Die Keimbelastung derMagermilch konnte durch die Mikrofiltration um 2 log10-Stufen verringert werden, währenddie Hocherhitzung des Rahms zu seiner Keimfreiheit (Nachweisgrenze: 10 KbE/ml)führte. Bei Versuch B enthielt die Rohmilch eine um etwa 1 log

10-Stufe höhere Keim-

belastung, die Keimreduzierung durch die Mikrofiltration erreichte hier 3 log10

-Stufen.Wenngleich die Keimzahl der abgefüllten Vollmilch von Versuch A nur unwesentlichgeringer war als die der B-Milch, erzielte sie mit ca. 7 Wochen bei ca. 7 °C eine mehr alsdoppelt so lange Haltbarkeit, bezogen auf die sensorische Akzeptanz und einen pH-Wert> 6,70. Obwohl eine Rekontamination der Milch von Versuch B nicht ausgeschlossenwerden kann, ist als wesentliche Ursache für die kürzere Haltbarkeit anzunehmen, dassder Rahmanteil hier nicht hocherhitzt wurde. Bei den wöchentlich durchgeführtenVerkostungen, die als sensorische Profilanalyse durchgeführt wurden, unterschiedensich die Versuchsproben über den gesamten Haltbarkeitszeitraum kaum von parallelgetesteten Proben aus dem Handel, die kurzzeiterhitzt, hocherhitzt oder auch mikro-filtriert waren. Abschließend ist noch zu bemerken, dass somatische Zellen die Mikro-filtrationsmembran nicht passieren konnten.

Aus den Ergebnissen beider Versuchsvarianten, bei denen das angefallene Retentatder Mikrofiltration (Anteil < 4 %) nicht ins Endprodukt gelangte, können einige Schluss-folgerungen über den Filtrationseffekt gezogen werden:

a) Durch die Mikrofiltration mit einer einschichtigen Membran der mittleren Porengröße1,4 µm wurden die Gesamtkeimzahlen der Magermilch um 2-3 log

10-Stufen auf < 100

KbE/ml reduziert. Eine dreischichtige Membran mit einer gleichen mittleren Poren-größe von 1,4 µm, aber einer engeren Porengrößenverteilung, könnte die Keim-entfernung noch verbessern. Entsprechende Versuche sind geplant. In der Literatur

180

wurde bei Verwendung einschichtiger Membranen eine Verringerung von 3-4 log10

-Stufen nachgewiesen (28), wobei die mikrobiologische Qualität der zu filtrierendenMilch zum Teil schlechter war als in den hier durchgeführten Versuchen.

b) Während Mikroorganismen nicht vollständig durch die Mikrofiltrationsmembran zu-rückgehalten wurden, konnten somatische Zellen die Membran nicht passieren.Zellfreie Milch deutet damit auf eine vorangegangene Filtration hin.

c) Die Verringerung des Eiweißgehaltes in der Magermilch um 0,02 bzw. 0,03 % durchdie Mikrofiltration wird durch Literaturangaben (13, 27) bestätigt. Bei dieser geringenEntnahme kann nicht von einer Eiweißstandardisierung gesprochen werden. Würdeman die Werte auf die deutsche Jahresproduktion an Konsumvollmilch von etwa2,5 Mio. t hochrechnen, so würden ca. 400-600 t Eiweiß pro Jahr entnommen.

d) Das Verhältnis von Casein zu Molkenprotein im Magermilchpermeat entsprach demin der Magermilch. Auch der Gehalt an säurelöslichen Molkenproteinen wurde durchdie Mikrofiltration, die bei 50 °C Produkttemperatur durchgeführt wurde, nicht verän-dert. Von den übrigen Indikatoren zur Charakterisierung der Wärmebelastung bliebder Furosingehalt praktisch unverändert, während die Aktivität der AlkalischenPhosphatase im Permeat etwas abnahm. Die Aktivität der Adenosindesaminase, dieein thermisch bedingtes Aktivierungs/Inaktivierungs-Verhalten zeigt, nahm im Retentatstärker zu als im Permeat, obgleich eine höhere Wärmebelastung des Retentats imVergleich zum Permeat ausgeschlossen werden kann.

e) Untersuchungen zum Einfluss der Mikrofiltration auf möglicherweise ernährungsphy-siologisch wichtige minore Inhaltsstoffe wurden nicht durchgeführt.

Wird der Gesamtprozess zur Herstellung von mikrofiltrierter Konsummilch betrachtet,so ergeben sich folgende Schlussfolgerungen:

1) Die in beiden Versuchen hergestellte mikrofiltrierte Konsumvollmilch unterschied sichin Bezug auf den Anteil ihrer Hauptinhaltsstoffe praktisch nicht von einer kurzzeit-erhitzten Vollmilch. Der Fettgehalt ist vorgeschrieben, der Eiweißgehalt nur minimalüber die Mikrofiltration reduziert und im Verhältnis der verschiedenen Protein-fraktionen unverändert. Gleiches gilt für die Lactose und Mineralstoffe.

2) Ein Unterscheidungsmerkmal zur kurzzeiterhitzten Milch war, dass die hergestellteVollmilch durch ihren hohen mikrofiltrierten Anteil von > 85 % (Magermilchpermeat)einen niedrigen Gehalt an somatischen Zellen aufwies.

3) Der Nachweis der Hocherhitzung eines Teilstroms während des Herstellungsprozesseskonnte mit einer – allerdings sehr aufwendigen - Furosinbestimmung in den Protein-fraktionen der Fettkügelchenmembranen geführt werden. Dies erschien auch miteiner Bestimmung der Adenosindesaminase-Aktivität möglich, während andereIndikatoren im Endprodukt ungeeignet erschienen.

4) Bei der sensorischen Profilanalyse, die von den kalt gelagerten Versuchsproben undverschiedenen Handelsproben einmal wöchentlich durchgeführt wurde, zeigten sichüber die gesamte Haltbarkeitsdauer keine nennenswerten Unterschiede im Vergleichzu kurzzeiterhitzter oder hochpasteurisierter Milch.

5) Die mikrofiltrierte Vollmilch besaß gegenüber kurzzeiterhitzter Vollmilch eine deutlichverlängerte Haltbarkeit. Kriterien für die Haltbarkeit waren die sensorische Akzeptanzund ein definierter pH-Bereich der Milch (> 6,70) nach einer keimarmen Abfüllung undeiner Lagerung bei ca. 7 °C. Wurde der Rahm in der zur Fettgehaltseinstellung (auf15 %) notwendigen Menge gemeinsam mit einem Teil der mikrofiltrierten Magermilchhocherhitzt (125 °C/ 4,5 s) und das übrige Magermilchpermeat kurzzeiterhitzt, so

181

erreichte die resultierende Vollmilch eine Haltbarkeit von 7 Wochen. Wurde dagegennicht wärmebehandelter Rahm und Magermilchpermeat zur Vollmilch zusammenge-setzt und dann abschließend nur kurzzeiterhitzt, so verringerte sich die Haltbarkeit auf3 Wochen und lag damit im Bereich der kommerziellen hocherhitzten Konsummilch.

5. Anhang mit chemisch-analytischen und mikrobiologischen Ergebnissen

siehe Seite 182 bis

182 Versuch A (Abb. 14), Zusammenstellung der Ergebnisse

Herstellung von Vollmilch aus mikrofiltrierter kurzzeiterhitzter (KE) Magermilch (MM) und hocherhitztem (HE) Rahm

Versuch A Membran 1,4 µm, einschichtig HE: 125 °C/4,5 s KE: 73,5 °C/20 s

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9a A9b

Rohmilch MM nach eingestell- MM-Ret. MM- eingestellter Permeat Endpro- Ret. nach Ret. nachZentrifuge ter Rahm (Anteil 4 %) Permeat Rahm n. HE nach KE dukt 143 °C/1,1 s 150 °C/1,1 s

GN x 6,38 (%) 3,30 3,45 2,93 3,88 3,42 3,29Kjeldahl

NCN/NPN 0,111/0,022 0,115/0,023 0,118/0,021 0,117/0,023 0,096/0,020

Fett (%) Köhler 15,0 3,525

Lactose-Mono- 4,96 5,14 5,01 5,15 5,09 4,86hydrat (%)

Fett/Eiweiß/Tr. 4,40/3,29 0,03/3,47 0,03/3,42 3,52 3,29(MilkoScan) % 13,31 9,37 9,20 12,43

Asche (%) 550°C 0,75 0,61 0,79 0,74 0,71

Calcium (%) komplex. 0,126 0,101 0,137 0,132 0,130

Gefrierpunkt (°C) -0,527 -0,528 -0,517 -0,517 -0,519 -0,517

Molkenproteinanteil (%) 16,15 16,37 14,74 16,32 16,26 16,48

Lactulose (mg/kg) 55 18

Alkal. Phosphatase (U/l) 731,5 390,9 1176,1 782,3 314 0,012 0,0138 0,0136

Adenosindesaminase 0,27 0,32 0,61 0,83 0,56 < 0,013 0,71 0,52 < 0,013 < 0,013(U/l, 37°C)

Furosin (g/l Milch) 1,84/2,14 2,06 2,03/2,29 2,84 2,83 8,27/8,81 3,30/3,44 4,08/4,24 29,02 48,66*/44,34/4,57 /42,09

Furosin (g/100 g 5,3/6,1 5,8 6,9/7,8 7,1 8,0 28,2/30,1 9,4/9,8 11,9/12,3 85,6 143,5*/130,8Protein) /13,3 /124,1

Bei Furosin: 2. und 3. Untersuchung zu späterem Zeitpunkt; *: Wiederholbarkeit überschritten (Probe A9b)

183

Versuch A (Abb. 14), Zusammenstellung der Ergebnisse

Herstellung von Vollmilch aus mikrofiltrierter kurzzeiterhitzter (KE) Magermilch (MM) und hocherhitztem (HE) Rahm

Versuch A Membran 1,4 µm, einschichtig HE: 125 °C/4,5 s KE: 73,5 °C/20 s

A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7 A8 A9a A9b

Rohmilch MM nach eingestell- MM-Ret. MM- eingestellter Permeat Endpro- Ret. nach Ret. nachZentrifuge ter Rahm (Anteil 4 %) Permeat Rahm n. HE nach KE dukt 143 °C/1,1 s 150 °C/1,1 s

Ribonucleoside (µmol/)

Cyd 5,39 6,25 10,34 7,67 9,25 10,36 13,13 13,04 12,01 10,15

Urd 14,86 16,46 16,90 13,22 14,47 14,94 17,10 16,15 16,27 15,13

m1Ado 0,31 0,33 0,33 0,26 0,29 0,29 0,33 0,30 0,28 0,27

Ino n. d. 0,10 0,15 0,51 1,75 0,24 2,41 2,32 0,79 0,77

Guo 0,07 0,17 0,11 0,13 0,46 0,28 0,71 0,70 0,35 0,33

Ado 0,21 0,21 0,15 0,16 0,14 1,50 0,13 0,10 1,08 1,01

m6Ado n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. 0,05 0,07

t6Ado 0,38 0,38 0,42 0,40 0,37 0,37 0,37 0,40 0,37 0,39

m6,2Ado n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d.

Säurelösl. Molkenproteine (mg/100 ml)α-Lactalbumin 111,4 109,3 109,7 106,1 109,5 74,7/71,7 109,7 108,8 63,1 64,4/71,4Lactoferrin 15,3 13,5 16,5 16,2 17,2 13,2 9,1Serumalbumin 22,3 22,3 27,2 27,2 28,5 26,8 19,0β-Lactoglobulin B 244,6 240,2 238,4 235,3 238,3 19,2/21,0 230,9 194,3 25,7 28,9/31,3β-Lactoglobulin A 266 259,1 258,4 251,2 251,2 27,4/30,6 246,5 209,4 23,4 30,5/33,4β-Lactoglobulin A+B 462,9 452,8 450,4 441,3 444,0 42,2/46,7 433,1 366,1 44,6 53,9/58,7Immunglobuline 59,9 61,8 57,5 54,4 59,5 45,4 35,0Gesamtkeimzahl (KbE/ml) 3.600 9.500 1.500 58.000 59 0 40 24 0 1Thermodure (KbE/ml) 49 160 118 2.550 51 0 44 28 0

n.d.: nicht detektierbarAnmerkung: Bei t6Ado z.T. Abweichungen bei Doppelbestimmungen wegen coeluierender SubstanzpeaksBei α-Lactalbumin und β-Lactoglobulin (Proben A6 und A9) 2. Untersuchung zu späterem Zeitpunkt

184 Versuch B (Abb. 15), Zusammenstellung der Ergebnisse

Herstellung von Vollmilch aus mikrofiltrierter Magermilch (MM), deren Permeat anschließend mit der notwendigen Menge an Rohrahm vermischtund dann kurzzeiterhitzt wird

Versuch B Membran 1,4 µm, einschichtig KE: 73,5 °C / 20 s

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7Rohmilch MM Rahm MM-Retent., MM-Permeat eingestellte Endprodukt

nach Zentrifuge nach Zentrifuge Anteil 4,13 % Milch vor KE

GN x 6,38 (%) Kjeldahl 3,38 3,52 2,40 3,95 3,50 3,38

NCN (%) 0,112 0,116 0,120 0,118 0,100

Fett (%) Köhler 33,5 0,20 3,55

Lactose-Monohydrat (%) 4,91 5,21 5,17 5,11 5,00

Fett/Eiweiß/Tr. 4,19/3,38/ 0,04/3,52/ 0,03/3,34/ 3,54/3,24/(MilkoScan) % 13,14 9,35 8,94 12,29

Asche (%) 550 °C 0,77 0,49 0,81 0,76 0,72

Calcium (%) komplex. 0,137 0,080 0,139 0,135 0,125

Gefrierpunkt (°C) -0,528 -0,527 -0,507 -0,502 -0,503 -0,503

Molkenproteinanteil (%) 16,69 16,49 15,14 16,76 16,95 16,75

Alkal. Phosphatase (U/l) 784,3 508,4 2371,8 725 365 597 0,059

Adenosindesaminase 0,31 0,34 0,70 0,61 0,53 0,56 0,71(U/l, 37°C)

Furosin (g/l Milch) 1,88 2,20 1,77/1,86* 2,54 2,35 2,36 2,76

Furosin (g/100 g Protein) 5,6 6,1 6,1 6,2 6,5 6,8 7,8

*: Untersuchung zu späterem Zeitpunkt

Die Kjeldahl-Analysen und die ermittelten Gefrierpunkte zeigten, dass es bei der An- oder Ausfahrphase der Mikrofiltration zu einer Verwässerung von Retentat und Permeat kam. Daher wurde bei B4 undB5 ein Korrekturfaktor von 5,0 % berücksichtigt. Durch die Rahmzugabe verringert sich bei B6 und B7 dieser Faktor auf 4,5 %.

185

Versuch B (Abb. 15), Zusammenstellung der Ergebnisse

Herstellung von Vollmilch aus mikrofiltrierter Magermilch (MM), deren Permeat anschließend mit der notwendigen Menge an Rohrahm vermischtund dann kurzzeiterhitzt wird

Versuch B Membran 1,4 µm, einschichtig KE: 73,5 °C / 20 s

B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7Rohmilch MM Rahm MM-Retent., MM-Permeat eingestellte Endprodukt

nach Zentrifuge nach Zentrifuge Anteil 4,13 % Milch vor KE

Ribonucleoside (µmol/l)

Cyd 4,36 5,34 6,59 7,29 6,42 9,49 7,95Urd 14,09 14,11 11,43 13,60 12,63 15,86 12,62m1Ado 0,34 0,31 0,23 0,29 0,25 0,34 0,25Ino 0,16 0,17 0,14 0,43 1,28 1,13 1,94Guo 0,24 0,28 0,17 0,23 0,38 0,33 0,66Ado 0,35 0,24 0,18 0,26 0,17 0,17 0,08m6Ado n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d.t6Ado 0,42 0,44 0,37 0,43 0,39 0,43 0,39m6,2Ado n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d. n. d.

Säurelösl. Molkenproteine(mg/100 ml)α-Lactalbumin 109,2 114,8 115,8 114,8 114,0 112,1 122,4Lactoferrin 15,0 17,7 19,3 17,6 18,3 15,9 12,4Serumalbumin 21,6 25,3 31,6 27,2 26,1 25,0 26,3β-Lactoglobulin B 248,9 260,8 273,3 263,7 260,3 256,9 256,0β-Lactoglobulin A 262,4 275,5 284,8 277,6 273,9 268,3 259,3β-Lactoglobulin A+B 464,0 486,5 506,5 491,2 485,0 476,5 467,5Immunglobuline 57,0 62,5 66,5 64,2 58,8 60,3 46,9

Gesamtkeimzahl (KbE/ml) 25.700 29.000 23.400 214.000 30 1.780 73

Thermodure (KbE/ml) 113 168 60 1.830 10 17 16

Zellzahl/ml 204 50 220 0

n.d.: nicht detektierbarDie Ergebnisse berücksichtigen wieder den Korrekturfaktor wg. Verwässerung

186

Danksagung

Die Autoren danken besonders Frau U. Gelbke für die Erstellung der zahlreichenAbbildungen und für die umfangreichen Schreib- und Formatierungsarbeiten. Für dietechnische Vorbereitung und Durchführung der Versuche sei Herrn N. Johannsengedankt. Auch den Kolleginnen und Kollegen der beteiligten Arbeitsgruppen, die an derAuswertung der Versuche beteiligt waren, gebührt unser Dank.

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188

7. Zusammenfassung

Kiesner, Ch., Hoffmann, W., Lorenzen, P.Chr., Clawin-Rädecker, I., Martin, D., Meisel,H., Einhoff, K., Hammer, P. , Teufel, P., Suhren, G.: Anwendung der Mikrofiltration beider Herstellung von Konsummilch mit verlängerter Haltbarkeit . Kieler Milch-wirtschaftliche Forschungsberichte 57 (3) 139-190 (2005)

21 Milchwirtschaftliche Technologie (Konsummilch mit verlängerter Haltbarkeit, An-wendung der Mikrofiltration)

Die Anwendung von Mikrofiltration in der Milchverarbeitung ist seit den achtzigerJahren bekannt. Sie wurde zunächst als mechanisches Trennverfahren für die Reduktionvon Mikroorganismen aus der Magermilch eingesetzt. Die Abtrennung erfolgte in derRegel über keramische Membranen mit einer mittleren Porenweite von 1,4 µm. Durch diestarke Reduzierung der Keimzahl konnte die nachgeschaltete thermische Behandlungentsprechend schonender ausgeführt werden. Diese Vorbehandlung wird insbesonderein Skandinavien bei Käsereimilch eingesetzt. In Deutschland werden dafür überwiegendEntkeimungszentrifugen verwendet. Parallel zu dem Einsatz der Mikrofiltration in derKäseherstellung wurden Verfahren zur Herstellung von Konsummilch mit verlängerterHaltbarkeit entwickelt und in einigen Ländern in die Praxis eingeführt.

Im ersten Teil der vorliegenden Arbeit wird das aus der Literatur bekannte Wissen überdiese Verfahren zusammengestellt. Die bereits eingesetzten Anlagenkonfigurationenwerden vorgestellt und die Untersuchungsergebnisse bei Milch dargelegt. Im zweitenTeil der Arbeit werden Ergebnisse aus eigenen Anlagenkonfigurationen präsentiert, beidenen das anfallende Retentat nicht zur Herstellung von Konsummilch verwertet wurde.Begleitend wurden die Rohmilch, alle Zwischenprodukte und die hergestellte Konsum-milch chemisch und mikrobiologisch untersucht. Hierbei waren die Proteinbilanz und-zusammensetzung sowie verschiedene Indikatoren für die Wärmebelastung von beson-derem Interesse. Die hergestellte Konsummilch wurde während ihrer Haltbarkeit auchsensorisch untersucht. Alle Untersuchungen wurden am Standort Kiel der Bundes-forschungsanstalt für Ernährung und Lebensmittel im Hinblick auf die in der Praxis zuerwartende Anwendung dieser Anlagenkonfigurationen bei der Herstellung von Konsum-milch mit verlängerter Haltbarkeit durchgeführt.

Die in den beiden Versuchsvarianten hergestellte mikrofiltrierte Konsummilch unter-schied sich in Bezug auf den Anteil ihrer Hauptinhaltsstoffe praktisch nicht von einerkurzzeiterhitzten Vollmilch. Der Eiweißgehalt wurde nur minimal über die Mikrofiltrationreduziert und blieb im Verhältnis der verschiedenen Proteinfraktionen unverändert.Durch ihren hohen mikrofiltrierten Anteil von mehr als 85 % wies die Konsummilch einenniedrigen Gehalt an somatischen Zellen auf. Der Nachweis der Hocherhitzung einesTeilstroms während des Herstellungsprozesses konnte mit einer allerdings sehr auf-wändigen Furosinbestimmung im Protein der Fettkugelmembran geführt werden. Bei dersensorischen Profilanalyse von kalt gelagerten Versuchsproben und verschiedenenHandelsproben zeigten sich während der gesamten Haltbarkeitsdauer keine nennens-werten Unterschiede zu kurzzeiterhitzter oder hocherhitzter Milch. Die mikrofiltrierte

189

Konsummilch mit einem hocherhitztem Anteil von ca. 23 % besaß jedoch gegenüber denbeiden anderen Milchsorten eine deutlich verlängerte Haltbarkeit bei einer Lager-temperatur von ca. 7 °C.

Summary

Kiesner, Ch., Hoffmann, W., Lorenzen, P.Chr., Clawin-Rädecker, I., Martin, D., Meisel,H., Einhoff, K., Hammer, P., Teufel, P., Suhren, G.: Use of microfiltration at themanufacture of consumer milk with extended shelf life. Kieler MilchwirtschaftlicheForschungsberichte 57 (3) 139-190 (2005)

21 Dairy technology (consumer milk with extended shelf life, use of microfiltration)

Since the eighties, microfiltration has been used in milk processing. Microfiltration wasinitially used as a mechanical separation method to reduce the microorganisms in skimmilk. Usually, the separation is made via ceramic membranes with an average pore sizeof 1.4 µm. Due to the significantly reduced bacterial count the successive thermaltreatment could be carried out in a more careful way. In Scandinavia, this pre-treatmentis above all applied for cheese milk. In Germany, the use of bactofugation centrifuges iswidespread. Parallely to the use of microfiltration in cheese manufacture, procedures formanufacturing consumer milk with extended shelf life were developed and implementedinto practice in several countries.

The first part of this study deals with the existing knowledge on the mentionedprocedures in the literature. The plant configurations in use and the findings for milk arebeing presented. The second part of the study presents findings from own plantconfigurations where the accrued retentate had not been used for the manufacture ofconsumer milk. Simultaneously, raw milk, all intermediate products and the manufacturedconsumer milk were analyzed under chemical and microbiological aspects. Proteinbalance and protein composition as well as different indicators for heat load were ofspecial interest. During shelf life a sensory analysis of the produced consumer milk wasperformed, too. All the analyses were made at the Bundesforschungsanstalt für Ernäh-rung und Lebensmittel (Federal research Centre for Nutrition and Food), location Kiel,with a view to implement the plant configurations in practice for the manufacture ofconsumer milk with extended shelf life.

The microfiltered consumer milk of the two experimental variants was hardly differentfrom a HTST-heated whole milk as regards the main ingredients. The protein content wasminimally reduced by microfiltration and remained unchanged in the ratio of the differentprotein fractions. Due to the high microfiltered fraction of more than 85 % the consumermilk had a lower somatic cell count. The proof of the high-heating of a partial flow duringmanufacturing process was made with a very time consuming furosine determination inthe protein of the membrane of the fat globule. During the sensory profile analysis of coldstored trial samples and different commercial samples no significant differences betweenHTST-heated and high-heated milk were detectable during the whole shelf life. Themicrofiltered consumer milk with a high-heated fraction of approx. 23 % had a significantlylonger shelf life than the two other milk types at a storing temperature of approx. 7 °C.

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Résumé

Kiesner, Ch., Hoffmann, W., Lorenzen, P.Chr., Clawin-Rädecker, I., Martin, D., Meisel,H., Einhoff, K., Hammer, P., Teufel, P., Suhren, G.: Emploi de la microfiltration pour lafabrication du lait de consommation avec une durée de conservation prolongée .Kieler Milchwirtschaftliche Forschungsberichte 57 (3) 139-190 (2005)

21 Technologie laitière (lait de consommation avec une durée de conservation prolongée,emploi de la microfiltration)

La microfiltration pour le traitement du lait est connue depuis les années 80. Au début,elle était employée comme méthode de séparation mécanique pour réduire lesmicroorganismes dans le lait écrémé. En général, la séparation se faisait par desmembranes céramiques ayant une dimension moyenne des pores de 1,4 µm. Grâce àla forte réduction des teneurs bactériennes, le traitement thermique ultérieur pouvait êtreréalisé de manière plus indulgente. Le traitement préliminaire est avant tout employé enScandinavie pour le lait de fromagerie. En Allemagne, on emploie avant tout descentrifugeuses de dégermage. Parallèlement à l’emploi de la microfiltration dans lafabrication fromagère, des procédés de fabrication pour le lait de consommation à duréede conservation prolongée ont été développés et introduits dans quelques pays.

La première partie de cette étude contient un résumé des connaissances actuelles surces procédés décrites dans la littérature spécialisée. Les configurations actuellementemployées sont présentées ainsi que les résultats des examens obtenus pour le lait. Ladeuxième partie de l’étude présente les résultats obtenus avec des propres configurations,pour lesquels le rétentat obtenu n’est pas utilisé dans la fabrication de lait de consommation.En même temps, le lait cru, les produits intermédiaires et le lait de consommation fabriquésont soumis à des analyses chimiques et microbiologiques. Dans ce contexte, bilan etcomposition protéiniques ainsi que différents indicateurs sont d’un intérêt particulier.Pendant la durée de conservation, le lait de consommation fabriqué a également étésoumis à une analyse sensorielle. Tous les examens ont été réalisés au site Kiel du BFEL(Centre fédéral de la recherche nutritionnelle et alimentaire) en vue d’une mise enpratique de cette configuration dans la fabrication de lait de consommation à durée deconservation prolongée.

Le lait de consommation microfiltré, fabriqué dans les deux variantes, ne s’estpratiquement pas distingué d’un lait entier à pasteurisation courte en ce qui concerne lateneur en ingrédients principaux . La teneur en protéines n’était que minimalementréduite par la microfiltration et restait invariable par rapport aux différentes fractionsprotéiniques. Dû à une fraction microfiltrée élevée (< 85 %), le lait de consommation avaitune teneur réduite en cellules somatiques. La preuve pour la pasteurisation haute d’unflux partiel pendant le processus de fabrication ne pouvait être faite que par unedétermination compliquée de la furosine dans la protéine de la membrane des globulesgras. Lors de l’analyse de profile sensorielle des échantillons d’essai conservés à froidet de différents échantillons commerciaux, il n’y avait pas de différences substantiellespar rapport à du lait à pasteurisation courte ou à pasteurisation haute tout au long de ladurée de conservation. Le lait de consommation microfiltré avec une fraction àpasteurisation haute d’environ 23 % avait, par rapport aux deux autres types de lait, unedurée de conservation nettement prolongée à une température de stockage d’environ7 °C.

Documents

Anwendung von Mikrofiltration bei der Herstellung von Konsum- … · 2016. 9. 12. · 139 Anwendung von Mikrofiltration bei der Herstellung von Konsum-milch mit verlängerter Haltbarkeit