Investigations into Structure Formation of Dairy Products [Elektronische Ressource] / Monika Stephanie Brückner-Gühmann. Betreuer: Bernhard Senge

Brueckner

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• Publié par: technische_universitat_berlin
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 33
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 7 Mo

Extrait

Investigations into Structure Formation of
Dairy Products





vorgelegt von
Diplom-Ingenieur
Monika Stephanie Brückner-Gühmann
aus Overath





Von der Fakultät III – Prozesswissenschaften
der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.-Ing.


genehmigte Dissertation





Promotionsausschuss:

Vorsitzender: Prof. Dr. sc. techn. F. Thiemig
Berichter: Prof. Dr. sc. techn. B. Senge
Berichter: Prof. Dr. habil. St. Drusch

Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 13.10.2011


Berlin 2011

D 83

Zusammenfassung
Eine gleichbleibend hohe Produktqualität determiniert maßgeblich die Akzeptanz beim
Verbraucher und den Erhalt der Marktstellung. Dieses Ziel lässt sich nur realisieren,
wenn eine Qualitätskontrolle der involvierten Prozesse und Rohmaterialien erfolgt.
Vielfach existieren zur Qualitätsbeurteilung nur aufwendige analytische Methoden, die
eine schnelle Kontrolle und ein unmittelbares Eingreifen verhindern. Mit dieser Arbeit
sollen die Strukturbildung und -änderung im Verlauf verschiedener Prozesse in der
Produktionstechnologie der Milchindustrie untersucht und Prüfprocedere entwickelt
werden, die als Schnellmethoden ein kurzfristiges Bewerten der Rohstoffe und ein
Eingreifen in den Produktionsprozess ermöglichen.
Die labinduzierte Gerinnung wurde sowohl mit Rohmilch gesunder Kühe und Ziegen
als auch mit Milch euterkranker Kühe durchgeführt. Ziel der Untersuchungen war eine
Analyse der biochemischen Veränderungen des Caseins und der
Strukturierungsmechanismen. Der Untersuchungsschwerpunkt umfasst die zeitliche
Abfolge und Kopplung zwischen biochemischen Reaktionen am Casein und den
Strukturveränderungen von der Milch zum Labgel durch inline-online-Erfassung der
Prozessviskosität. Die Kinetik der enzymatischen Reaktion am Beispiel der Freisetzung
von Caseinmakropeptid und die resultierenden Strukturbildungsmechanismen wurden
untersucht und modelliert. Es zeigt sich ein deutlich abweichendes Verhalten der Milch
von euterkranken Kühen. Durch Kopplung der Strukturparameter mit den Ergebnissen
der hydrophoben Interaktionschromatographie werden Veränderungen am Caseinprofil
der Milch von euterkranken Kühen nachgewiesen. Daher sollte diese im Rahmen der
Promotion entwickelte Analytik in eine Eingangskontrolle der Milch aufgenommen
werden. Bezüglich der Optimierung der Käseproduktion bietet die rheologische
Methode eine Möglichkeit den optimalen Schneidezeitpunkt nicht mehr visuell zu
beurteilen, sondern objektiv anhand der Endviskosität zu bestimmen.
Die Untersuchungen zur Labgerinnung von Ziegenmilch dienen der Überprüfung der
Übertragbarkeit der rheologischen und spektrophotometrischen Methode. Es werden
klare Unterschiede zum Gerinnungsverhalten von Kuhmilch vor allem bei der
Gelausbildung gefunden.
Üblicherweise wird bei dem Prozess der Säuregerinnung (Joghurtproduktion) die
Trockensubstanz der Prozessmilch erhöht, was unter anderem durch Zugabe von
Molkenproteinkonzentratpulvern geschehen kann. Aus der Industrie ist das Auftreten
einer erheblichen Anzahl von Fehlfermentationen bekannt, die in einer mangelhaften
Funktionalität der Pulver begründet sind. Thermisch denaturierte Molkenproteinpulver
bilden Partikelgele aus, was sich wiederum als Störgröße auf den Technologieablauf
und die Produktqualität (Synärese) auswirkt. Es besteht daher ein großes
wirtschaftliches Interesse an einer Schnellmethode zur Bewertung der Pulverqualität.
In der vorliegenden Arbeit wird die Laserdiffraktometrie als Verfahren zur Bewertung
des Lösungsverhaltens gewählt und die Anwendbarkeit durch eine umfassende
Methodenentwicklung und verschiedene Untersuchungen bestätigt.
Als wichtige dritte Produktionstechnologie in der Milchindustrie wird die
Sprühtrocknung am Beispiel der Herstellung von Quarkpulver betrachtet. Hierbei muss
besonders beachtet werden, dass es sich um ein plastisches, nicht-NEWTON`sches
System handelt. Die Produktionstechnologie wird im Folgenden untersucht, wobei
kritisch angemerkt werden muss, dass anstatt der üblichen Zerstäubung für
hochkonsistente Produkte über eine Scheibe eine Düse gewählt wurde, die
ursprünglich zur Trocknung von Magermilchkonzentrat ausgelegt war. Zudem wurde
der Einfluss von Scherenergie und Wärme auf die Destrukturierung vor Trocknung
untersucht.
ii
Abstract
The production of dairy products of a consistently high quality significantly determines
consumer acceptance and will occupy a similarly important market position in the
future. This objective can be realized if a quality control of the involved processes and
raw materials is undertaken. In many cases, only elaborate analytical methods exist
which represent a barrier to a rapid control and direct intervention. In this work the
structure formation and structural changes in the course of various processes in dairy
production technology should be examined and methods should be developed, which
facilitate a rapid grading of the raw materials and intervention in the production
process.
Rennet-induced coagulation was investigated for raw bulk cow and goat milk as well as
for milk from infected udder quarters of cows. Experiments were carried out to gain
more scientifically-based information on biochemical changes of the casein and the
mechanism of structuring during rennet-induced coagulation. The main focus of the
research was the time-dependent coupling between the biochemical reaction of the
casein and the structural change from the fluid milk to the rennet gel by inline-online
detection of the process viscosity. The kinetics of the enzymatic reaction─the release
of caseinmacropeptide─and the resulting structuring mechanisms were examined and
modeled. A significantly different behavior of milk from infected udder quarters was
detected. The structure parameter in combination with the hydrophobic interaction
chromatography results proved an altered casein profile. It is imperative that the
analytical method which was developed as part of this thesis be included in milk
grading. Concerning an optimized cheese production, the rheological method offers the
possibility to determine the optimal cutting time not only from a subjective but also from
an objective position by calculated projection of the end viscosity after a definite time
period.
The investigations dealing with the rennet-induced coagulation of goat milk were done
to verify the transferability of the rheological and spectrophotometric method.
Significant differences were detected between the rennet-induced coagulation of cow
and goat milk especially between the gel formation.
Commonly, during the process of acid-induced coagulation (yoghurt production) dairy
powders are used to increase the dry matter of the process milk which is often done by
addition of whey protein concentrate powder. It was found that in the production flow a
large share of defective fermentations might occur, which are related to defective
functionality of the powders. Thermal denaturation of whey proteins leads to the
development of particle gels which act as a disturbance variable during the production
process and for the product quality (syneresis). As a result, the development of a rapid
method for the assessment of the powder quality is of great economic interest. The
principle of laser diffraction was chosen in the present work for the assessment of the
rehydration behavior and the applicability of this method has been confirmed by an
extensive method development and diverse experiments.
The third important production technology in the dairy industry─spray drying─is viewed
exemplarily for the production of quark powder. Attention should be paid to the fact that
quark is a plastic, non-NEWTONIAN system. In the following, production technology
systems are investigated. It has to be remarked here that atomization was done via
nozzle instead of the commonly used wheel atomization for highly consistent products.
The nozzle geometry typically was designed for the drying of skim milk concentrate.
Additionally, the influence of shear energy and temperature on the structure
deformation before drying was investigated.
iii
Acknowledgements
This thesis is based on experimental work at the Chair of Food Rheology at the
Technische Universität Berlin.
First and foremost, I would like to thank Prof. Dr. sc. techn. B. Senge for giving the
support, discussions, and guidance of the work.
I would like to acknowledge Prof. Dr. habil. St. Drusch for taking his time to be a
referee for my thesis and Prof. Dr. sc. techn. F. Thiemig for being the head of the
graduation commission.
A particular thanks to the team of Food Rheology Dr. R. Blochwitz, Dr. N. Hildebrandt,
and Dipl.-Ing. H. Kastner and to the team of Food Quality and Material Science Dr.
U. Einhorn-Stoll, Dipl.-Ing