Bildung großer kolloidaler Partikel durch Einkopplung von Schwingungen während der Milchfermentation

In der Produktion fermentierter Milchprodukte gibt es einige Störenfriede wider Willen: Rührwerke, Umschaltventile oder Pumpen erzeugen Schwingungen, die in die Fermentationstanks übertragen werden können – und so die sensible „Prozess-Struktur-Funktions-Beziehung“ von Joghurt oder Käse stören.

Hier setzt ein aktuelles Forschungsprojekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) an, das zwei Forschungsteams der Universität Hohenheim sowie der Universität Erlangen-Nürnberg durchführen: Ziel ist es, herauszufinden, in welchem Maße Schwingungen bzw. Vibrationen den empfindlichen Prozess der Strukturbildung stören. Ebenso soll im Labor- und Technikumsmaßstab untersucht werden, welche Prozess- und Zeitabschnitte dabei besonders kritisch sind.

Forschungsziel:
In fermentierten Milchprodukten, wie Joghurt und Frischkäse, wirken sich verschiedene technologische Parameter auf die Bildung z. T. großer und fester kolloidaler Partikel aus (vgl. FEI-Projekte AiF 14088 N und AiF 15584 N). Diese Partikel sind meist unerwünscht, da sie sensorisch für eine grießige Textur sorgen oder visuell durch eine raue Oberflächentextur wahrgenommen werden. Inzwischen wurden die Ursachen für das Entstehen solcher Partikel weitgehend erklärt, und es wurden Verfahren zur Entfernung bzw. Zerkleinerung solcher Partikel entwickelt. Nichts desto trotz wird in Unternehmen bei ansonsten konstanten Prozessbedingungen in manchen Chargen eine vermehrte Partikelbildung festgestellt, die durch die bisherigen experimentellen Erkenntnisse nicht erklärt werden können.

In der industriellen Produktion gibt es andererseits zahlreiche Quellen, z. B. Maschinen, Apparate oder mechanisch eingebrachte Steuerfunktionen für Schwingungen, die über das Fundament oder Anbauten in Fermentationstanks eingekoppelt werden können. Eine Erklärungshypothese, die durch Vorversuche der Forschungsstellen untermauert wurde, ist, dass solche mechanischen Schwingungen die Aggregation und Gelbildung während der Batch-Fermentation im Tank stören können und damit zur Bildung unerwünschter großer und fester kolloidaler Partikel führen, die die Ausbildung des fermentierten Milchgels stören.
Ziel des Forschungsvorhabens ist es, mit einem gezielten Schwingungseintrag im Labor- und Technikumsmaßstab die Auswirkungen auf die Prozess-Struktur-Funktions-Beziehung fermentierter Milchprodukte zu untersuchen, um zu verstehen, in welchem Maß Schwingungen bzw. Vibrationen den empfindlichen, strukturbildenden Prozess stören und welche Prozess- bzw. Zeitabschnitte besonders kritisch sind. Daraus sollen Empfehlungen für die Praxis abgeleitet werden, wie Produktstörungen in bestehenden Prozessen und Anlagen vermieden werden können. Des Weiteren soll eine wissenschaftliche Basis gelegt werden, um zukünftig den „Produktschutz“ beim Design von Maschinen und Apparaten und ganzen Prozesslinien berücksichtigen zu können. Wirtschaftliche

Bedeutung:
Im Jahr 2010 erwirtschaftete die milchverarbeitende Industrie ein Umsatzvolumen von etwa 19 Mrd. € und erzielte damit knapp 14 % des Gesamtumsatzes der deutschen Lebensmittelindustrie, wobei insbesondere die in diesem Bereich tätigen kleineren Unternehmen im starken internationalen Wettbewerb stehen und gefordert sind, kostengünstig qualitativ hochwertige fermentierte Milchprodukte zu produzieren.
Treten nach der Fermentation gehäuft sichtbare Partikel auf, wird das Produkt z. T. geschert. Durch das Scheren werden jedoch nicht nur die groben Partikel, sondern zum Teil auch die aufgebaute Mikrogelstruktur zerstört, was wiede-rum durch einen erhöhten Rohstoffeinsatz oder durch Hydrokolloide kompensiert werden muss. Durch Minimierung unerwünschter schwingungsinduzierter Partikelaggregate könnten die Rohstoffkosten gesenkt und eine gleichmäßige Produktqualität sichergestellt werden. Überdies erlaubt eine Überwachung hinsichtlich des Auftretens von Vibrationen eine Steuerung der Fermentation. Diese Kenntnisse könnten in neue oder spezialisierte Ausrüstungsprodukte für den Anlagenbau münden.

Beteiligte Institute:
Universität Hohenheim Institut für Lebensmittelwissenschaft und Biotechnologie FG Lebensmittel tierischer Herkunft
Universität Erlangen-Nürnberg – Department für Chemie- und Bioingenieurwesen – Lehrstuhl für Prozessmaschinen und Anlagentechnik
Koordinator: Forschungskreis der Ernährungsindustrie e.V. (FEI)