Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Schwingungen während der Milchfermentation – Mechanismus und Potenziale zur Steuerung der Mikrogelpartikelgröße und -anzahl

In fermentierten Milchprodukten bilden sich in Abhängigkeit von den technologischen Parametern, wie z.B. der Formulierung, der Erhitzungs- und der Kühltemperatur u.a., zum Teil große und feste Partikel aus. Solche Partikel sind in Joghurt- und Frischkäseprodukten, von denen Konsumenten ein cremiges Mundgefühl erwarten, allgemein unerwünscht. Die Partikel sorgen für eine sensorisch grießige Textur oder sie werden visuell durch eine raue Oberflächentextur wahrgenommen. Partikel sind allerdings nicht per se negativ, sondern bieten auch Potenzial für die Entwicklung neuer Produkttexturen. Dies erfordert allerdings ein besseres Verständnis der Partikelbildung und ihrer Steuerung.

Ziel des Vorhabens ist es, aufbauend auf den Ergebnissen des IGF-Vorhabens 17535 N, die Mechanismen der schwingungsinduzierten Partikelbildung zu identifizieren, die Randbedingungen für deren gezielte Erzeugung und die notwendige Dämpfung zu deren Vermeidung zu ermitteln. Durch ein besseres Verständnis der Effekte von Frequenz- und Schwingungsenergie auf die initiale Phase der Gelbildung der Fermentation könnte die Anzahl und Größe von Partikeln im Endprodukt gesteuert werden. Einerseits, indem durch adaptive Inline-Dämpfer zwischen Erregern und Fermentationstanks die Schwingungseinträge minimiert oder verhindert werden und andererseits, indem aktiv Schwingungen eingekoppelt werden, um gezielt Inhomogenitäten im sich bildenden Gel zu erzeugen. Letzteres soll genutzt werden, um sich in Milchkonzentraten bildende Milchgele so zu schwächen, dass deren Prozessierbarkeit verbessert wird.

KMU der Milchindustrie stehen national wie international in einem starken Wettbewerb. Die Ergebnisse könnten den Herstellern die Möglichkeit eröffnen, zum einen auf kostenintensive Nachbehandlungsverfahren zu verzichten und zum anderen gezielt mikrogel-partikelhaltige Texturen für neue fermentierte Milchprodukte mit Schwingungen zu erzeugen.

Ergebniszusammenfassung:

In Molkereien wurden Schwingungsmessungen an Fermentationsanlagen durchgeführt. Pumpen sowie Reinigungs- und Sterilisationsvorgänge stellten relevante Quellen für Vibrationen dar, die zu unterschiedlichen Anregungsniveaus am Tank führten. Entscheidende Faktoren sind das Anlagendesign, die verwendeten Maschinen, deren Betriebszustand, sowie Details in der Konstruktion.

Ein Versuchsaufbau wurde konstruiert, um den Einfluss von Vibrationen während der Fermentation systematisch zu untersuchen. Die Vibration wurde durch einen Shaker erzeugt. Mittels Particle Image Velocimetry (PIV) wurden die durch Vibration hervorgerufenen strömungsmechanischen Effekte untersucht. Anhand der großen Datenmengen aus den Fermentationsexperimenten wurde geschlussfolgert, dass Vibrationen die Gelbildung sowohl kurz vor als auch nach dem Gelpunkt (pH ~5,3) stören. Einerseits, indem eine verstärkte Aggregation der Proteine erfolgt (pH 5,6–5,3), andererseits, indem die auftretenden mechanischen Spannungen nicht-kovalente Wechselwirkungen der Netzwerkstränge aufbrechen (pH 5,3–5,1), was zu mehr Umstrukturierungen im Gel führt. Somit entsteht ein gröberes Netzwerk mit eingebetteten Proteinclustern, wodurch das gerührte Produkt eine geringere Wasserhaltekapazität und Scherviskosität aufweist. Durch diese Erkenntnisse können zukünftig gezielt Partikel erzeugt oder mittels Dämpfung vermieden werden.

Zur Schwingungsdämpfung wurde ein Inline-Pulsationsdämpfer konzipiert, dessen Wirkung auf einem flexiblen Schlauch (PVC, EPDM, Silikon) im Innern beruht. Die jeweilige Dämpfleistung wurde im Prüfstand erprobt. Silikonschläuche erzielten die beste Dämpfung (Restpulsation < 15%). Durch solch einen Dämpfer kann die vibrations-induzierte Partikelbildung minimiert werden.

Zuletzt zeigte sich, dass Vibrationen in Form von Ultraschall (US) gezielt positiv eingesetzt werden können. Durch mechanische Nachbehandlung mittels US wurde die Struktur von konzentrierten Mikrogelsuspensionen (Skyr) erheblich verbessert.