Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Anwendungsspezifische Charakterisierung und Optimierung der Rehydratation von sprühgetrockneten Milchprodukten basierend auf physikalisch-mechanistischer Modellbildung

Die Löslichkeit sprühgetrockneter milchbasierter Pulver ist von entscheidender Bedeutung für deren Funktionalität und Vermarktbarkeit. Milchbasierte Pulver bieten für die Lagerung und den Transport entscheidende Vorteile gegenüber der Flüssigform und kommen in einer Vielzahl von Lebensmitteln zum Einsatz, z.B. in Süßwaren, Desserts oder Wurstwaren. Die Pulver werden vor der Anwendung gelöst, wobei sich die Produkte in ihrem Auflöseverhalten zum Teil erheblich unterscheiden. Im Rahmen der industriellen Weiterverarbeitung erfolgt dieses „Lösen“ unter Einsatz von Dispergierapparaten und einer definierten Temperaturführung. Hierbei sind die ungelösten Anteile und die notwendige Verweilzeit für eine ausreichende „Quellung“ der Produkte kritisch. Mit den aktuellen Löslichkeitstests werden weder die Bedingungen in den Dispergierapparaten, also der spezifische Energieeintrag, noch die Temperaturführung oder die Kinetik des Lösens ausreichend abgebildet. Die Ermittlung der Löslichkeit und die Möglichkeit, fundierte Aussagen zu deren Optimierung zu treffen, gestaltet sich demnach ausgesprochen schwierig, da nicht nur eine Reihe von Einflussparametern, sondern auch die Kinetik des Prozesses berücksichtigt werden muss.

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Standardmesstechnik zur Charakterisierung des Löseverhaltens milchbasierter Pulver. Die Messmethode soll die Parameter spezifischer Energieeintrag, Temperatur und Zeit abbilden und sowohl in der Produktentwicklung als auch in der Qualitätskontrolle und zur Produktspezifikation einsetzbar sein. Die Ergebnisse werden milchpulverproduzierenden Betrieben, insbesondere KMU, die Möglichkeit eröffnen, künftig gezielt entsprechende Pulverqualitäten herzustellen und sich damit besser auf den nationalen, aber insbesondere auch auf den internationalen Märkten zu positionieren.

Ergebniszusammenfassung:

Die Rehydratation von Magermilchpulver (MMP) kann in zwei Phasen unterteilt werden. Die erste Phase stellt die Desintegration der Partikel durch Auflösung der schnell löslichen Bestandteile (Lactose, Salze, natives Molkenprotein) und die Freisetzung der Caseinmizellen dar und ist schnell beendet. Mit Hilfe von Leitfähigkeits-, Trübungs- und FBRM-Messung wurden Lösezeiten von 4-300 s ermittelt. Diese primäre Lösezeit wurde hauptsächlich durch die Partikelporosität beeinflusst. Dies konnte durch Simulation des Lösens basierend auf röntgentomographischen Aufnahmen bestätigt werden. Die zweite Phase umfasst die Freisetzung von kolloidalem Calciumphosphat, was zu einer Abnahme der Trübung führt. Zudem findet für einige Magermilchpulver eine Änderung der Caseinmizellengröße statt. Der Großteil der Trübungsabnahme vollzieht sich innerhalb von 10-30 min. Diese Zeit wird benötigt, um den reversiblen Teil der dehydratationsbedingten Veränderungen rückgängig zu machen. Eine hohe Hitzebelastung und Konzentrierung in der Produktion führte zu erhöhter Trübung und Trübungsabnahme. Die Trübungsmessung kann entsprechend helfen, die Prozessbelastung abzuschätzen.

Das Löseverhalten von MMP wurde zudem in konzentrierten Systemen untersucht. Hierbei wurde eine Verzögerung des Lösevorgangs mit zunehmender Trockensubstanz beobachtet. Die Anwendbarkeit der für Magermilchpulver charakterisierten Messmethoden wurde für weitere Pulversysteme bestätigt.

Die Kombination aus Leitfähigkeits- und Trübungsmessung ist für die Gestaltung eines Messsystemes optimal, da somit beide Phasen der Rehydratation detailliert erfasst werden. Für schwer lösliche Pulver ist es sinnvoll das Messsystem zur Bestimmung des gelösten Anteils um eine Dichtemessung zu erweitern. Für hochkonzentrierte Systeme wird eine rheologische Charakterisierung empfohlen. Das vorgeschlagene Messystem kann zur Optimierung der Löslichkeit von sprühgetrockneten milchbasierten Produkten verwendet werden.