Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Bei dieser Datei handelt es sich um ein Protokoll, das einen Vortrag im Rahmen des Chemielehramtsstudiums an der Uni Marburg referiert. Zur besseren

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Zudem stehen auf der Seite www.chids.de weitere Versuche, Lernzirkel und Staatsexamensarbeiten bereit.

Dr. Ph. Reiß, im Juli 2007

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Milch- und Milchprodukte, Skript

Gliederung

1.

Einleitung: Geschichtliches zum Thema Milch und Milchprodukte (Käse) H. Von der Milch zum Käse

1. Charakterisierung der Rohmilch a) Inhaltsstoffe

b) physikalisch - chemische Beschreibung; VIa, 1b

2. Der Eiweißgehalt der Milch als Maßstab für die Käseausbeute; V2 3. Bearbeitung der Rohmilch

a) Erhitzung; V3

b) Einsatz von Mikroorganismen als Kulturen V 4a, 4b c) ,,Dicklegen der Milch"

o)

Säurefällung V5

ß) Aufbau der Caseine - Calziumphosphatbrücken V6 y) Labfällung, Bruch

4. Abfallprodukt? Molke - Hauptinhaltsstoffe a) Molkenproteine, V 8a

b) Lactose, V 8b

Überblick über das Themengebiet

Das Gebiet Milch- und Milchprodukte ist äußerst umfassend.Das wird

beispielsweise deutlich, wenn man sich das Kühlregal eines großen Supermarktes vorstellt und einmal die Produktpalette vom Joghurt über Butter und Buttermilch, Schlagsahne, saure Sahne, bis hinzu den verschiedensten Käsesorten betrachtet.

Rahm

1

Butter

Vollmilch! Rohmilch

I

Buttermilch

---+, Konsummilch (Vorzugsmilch) Magermilch

1

Casein - - - - , - - - ,

Milch- produkte

Kondens- Sauer-

milch milch

Gesamtprotein (Copräzipitat)

Konsummilch

~

Molken- protein

Käse Molke

I ~

Laktose

Das macht verständlich, daß eine umfassende Behandlung des Themas Milch- und Milchprodukte innerhalb einer%Stunde nicht zu leisten ist. Daher behandelt dieser Vortrag den Weg von der Rohmilch zum Käse.

1.

Einleitung

Geschichtliches zu Milch und Käse

ca. 100000 v. Chr.:

ca. 3000 v.

Chr.:

300

D. ehr.:

Annahme: Menschen erjagten Jungtier

und fanden in seinem Magen den ersten Käse

älteste Darstellungen von Käse bei den Sumerern

erste Höchstpreisverordnung

für

Weichkäse durch Kaiser Diokletian

ca. 1100 - 1500: Käserei besonders

in

den Klöstern

1995

:

durchschnittlicher Verbrauch von

19,7 kg Käse pro Bewohner Deutschlands

Von der Milch zum Käse

Käse wird aus dickgelegter Milch durch Abscheidung von Molke und durch mehr oder weniger weitgehende Reifung mit Hilfe verschiedener Mikroorganismen gewonnen .

1.

Charakterisierung der Rohmilch

a)

Inhaltsstoffe

Milch ist der Rohstoff für die Herstellung eines jeden Käses. Die

Zusammensetzung der Milch schwankt in Abhängigkeit der Laktationsperiode, der Jahreszeit, Fütterung , Art, Rasse, usw. Die für die Käseherstellung

verwendete Milch muß Kuhmilch sein, anderenfalls muß die Tierart gekennzeichnet sein.

Tab.!:

Prozentuale Zusammensetzung der Inhaltsstoffe der Kuhmilch

Casein Molkenprotein

Zucker Fett Salze Wasser

2,6 ^% 0,6%

4,6% 3,9 % 0,7 % 87,6 0/ 0

b) physikalisch - chemische Beschreibung der Milch

Disperse Phasen der Milch

Milch besteht aus verschiedenen sog. dispersen Phasen:

disperses System, Definition:

Unter einem dispersen System versteht man ganz allgemein ein aus zwei (oder mehreren) Phasen bestehendes System, bei welchem die eine Phase ("disperse Phase") in der anderen ("Dispersionsmittel") fein verteilt ist.

Tab. 2:

Einteilung disperser Systeme

System Teilchendurchmesser der Inhaltsstoff der

dispersen Phase Milch

molekulardispers

<

10A ( 10

^-7

cm) z.B

.

Laktose, Salze kolloiddispers 100 - 1000 A (10

-4 -

10-

⁵

cm) Proteine

grobdispers

>

10000 A ( 10-

³

cm) Fette

Versuch 1 a) Milch als echte

Lösung

und als kolloiddisperses System

Zu den molekulardispers gelösten Milchbestandteilen gehören die echt gelösten Stoffe Laktose, sowie verschiedene Salze.

Geräte: Lampe Spaltblende Küvette

Pasteurpipette

Chemikalien:

enteiweißte und entfettete Milch (mittels Hg(N03)2) frische Vollmilch

Durchfiihrung: In die mit dest. Wasser gefüllte Küvette werden jeweils wenige Tropfen enteiweißte und entfettete Milch bzw.Vollmilch gegeben.

Beobachtung:

Im Falle der enteiweißten Milch erhält man

im

Lichtstrahl eine optisch leere Lösung, im Falle der Vollmilch wird der Lichtstrahl durch die Lösung sichtbar.

Auswertung:

Abb. 1: Milchprotein schematisch

1 Protein

2 innere Helmholtz - Schicht

Der innere Kreis symbolisiert einen Proteinkörper, an dessen Oberfläche sich als charakteristische funktionelle Gruppen Amino- und Carboxylatgruppen anordnen.

Beim natürlichen pH - Wert der Rohmilch (pR ~6,8) entsteht dadurch durch die Carboxylatgruppen eine innere, negativ geladene Helmholtz - Schicht.

Äuquivalent zur negativen Ladung der Carboxylgruppen, die die innere Helmholtz - Schicht bilden, lagern sich dieser Ca

^{2+ -}

Ionen an, die die äußere Helmholtz - Schicht bilden. Durch diese Ladungen bildet sich eine Hydrathülle aus, und das Protein ist kolloidal in der Lösung stabilisiert.

Versuch I b) Milch als Emulsion - Aufrahmverhalten des Milchfettes

Geräte: Spatel

Reagenzglasständer

2 Demonstrationsreagenzgläser Stopfen

Chemikalien: 20 ml Frischmilch Sudanrot

Durchfiihnmg: In 20 ml Frischmilch (Vollfett) wird eine kleine Spatelspitze Sudanrot gelöst. Zu 20 ml Leitungswasser wird dieselbe Menge Sudanrot gegeben, um zu beweisen, daß der Farbstoff nicht wasserlöslich ist.

Die Reagenzgläser werden jeweils mindestens 12 h stehengelassen. Dann hat sich eine deutliche Rahmschicht ausgebildet. Durch Schütteln wird diese nun zerstört und der Aufrahmprozeß kann erneut beginnen.

Auswertung:

H

( ) N=N ( ) N=N

Sudanrot (Ceresinrot)

Durchmesser der Fettkügelchen: 0,1 - 22 um

Abb. 2:Fettkügelchen der Milch, schematisch;

aus:Töpel, Chemie und Physik der Milch, S.264

----I

Formel

' - - - - 0

--- ^---

bydrophob hydrophil

Schmuztische Darstellung

hydrophiler Molekülteil hydrophober

MolekGlteil

H

I

C1 7H 3J - C O - O - C - H

CuH3 1 - C O - O - C - H

I

0

I U

H-C-o-P-O-CH1 - C H1-N+(CHJ)J

I I

H 0(-)

Lecithin

1

2

3

Triglyceridmoleküle Phosphatidmoleküle

Fettkügelchenhüllprotein - Membran

4 5

Mikrosome Membranlipase

Von einem Öl in Wasser System wie Milch würde man innerhalb kurzer Zeit eine vollständige Phasentrennung erwarten. Das Milch eine stabile Emulsion darstellt erklärt sich aus dem besonderen Aufbau der Fettkügelchen:

Wesentlich ist hierbei die Lecithinschicht, die aufgrund ihres besonderen Aufbaus aus einem hydrophoben und einem hydrophilen Molekülteil Emulgatorfunktion besitzt und eine Hydratisierung der Fettkügelchen ermöglicht.

In Abhängigkeit von der Temperatur bildet sich innerhalb ca. 30 min eine deutliche Rahmschicht aus. Die Aufrahmgeschwindigkeit folgt ungefähr dem Gesetz nach Stokes:

Autrahmgeschwindigkeit nach dem Gesetz von Stokes

v

~;+ 2(Pl ~P2)g

v: Aufrahmgeschwindigkeit in c ms'

PI : Dichte der entrahmten Milch (1,034 g ml" bei 20°C) P2 : Dichte des Milchfettes (0,931 g

ml"

bei 20°C) r: Radius der Fettkügelchen in cm

11: Viskosität der Milch in Pascalsekunden (Pas) g: Erdbeschleunigung (9,81 ms")

Ursache des Aufrahmens ist demnach der Dichteunterschied zwischen der entrahmten Milch und dem Milchfett. Wesentliches Kriterium für die

Aufrahmgeschwindigkeit ist der Radius der Fettkügelchen, der immerhin mit seinem Quadrat in die Gleichung eingeht. Zusätzlich rahmt das Milchfett in Abhängigkeit von der Viskosität der Milch bei höheren Temperaturen schneller auf.

Berechnet man die Aufrahmgeschwindigkeit nach dem Gesetz von Stokes, so würde es mehrere Stunden dauern, bis das Milchfett um 1 cm aufgerahmt ist.

In

der Realität ist bereits nach 12 h eine deutliche Aufrahmung zu beobachten.

Dieser Effekt ist auf eine Traubenbildung zurückzuführen: Größere Fettkügelchen

rahmen entsprechend schneller auf, treffen dabei auf kleinere und durch Adhäsion

(bewirkt durch spezielle Proteine der Fettkügelchenhülle) bilden sich Trauben, die

entsprechend ihres somit vergrößerten Radius schneller aufrahmen.

Abb. 3: Aufrahmverhalten der Milch;aus: Töpel,Chemie und Physik der Milch,8.267

vor während

-=_IL.- _ -_?:..=-_

~-_-=0__- _ - ...Jr.

nach dem Aufrahmen

DerFettgehalt des Käses

Der Fettgehalt des Käses ist von besonderer Wichtigkeitfür seinen Geschmack.

Für den Fettgehalt besteht Kennzeichnungspflicht. Er wird imAllgemeinen als Fett i.Tr. (im Trockengewicht) oder in Form sog.Fettgehaltsstufen angegeben, die sich ebenfalls auf den Fettgehalt pro Trockenmasse beziehen.

Tab. 3: Einteilung der Käse nach Fettgehaltstufen

FETTGEHALTSTUFE FETTGEHALT IN DER TROCKENMASSE Doppelrahmstufe mind.60 0/0, höchstens 85 %

Rahmstufe mind. 50 %

Vollfettstufe mind.45 %

Fettstufe mind.40 %

Dreiviertelfettstufe mind.30 % Halbfettstufe mind. 200/0 Viertelfettstufe mind. 10% Magerstufe weniger als 10 %

Ist der Trockenmassengehalt eines Käses bekannt und der Fettgehalt pro

Trockenmasse, so läßt sich auf den absoluten Fettgehalt eines Käses schließen.

Tab. 4: Einteilung der Käsesorten nach dem Trockenmassengehalt

Gruppe Trockenmassengehalt Käsearten - Beispiele

Hartkäse mind.600/0 Allgäuer Emmentaler,

Trockenmasse Allgäuer Bergkäse,Chester Schnittkäse mind. 49 % Gouda,Edamer, Tilsiter,

Trockenmasse Wilstermarschkäse

halbfester mind.40 % Butterkäse,Edelpilzkäse, Schnittkäse Trockenmasse Steinbuseher,Weißlacker Weichkäse mind. 35 % Cammenbert, Brie,Romadour,

Trockenmasse Limburger

Frischkäse mind. 18% Quark,

Trockenmasse Doppelrahmfrischkäse Sauermilchkäse nicht vorgeschrieben Mainzer, Harzer, Korbkäse,

Handkäse, Olmützer Quargel

Der Eiweißgehalt der Milch als Maßstab für die Käseausbeute

Neben dem Fettgehalt eines Käses istfür seine Konsistenz sein Eiweißgehalt von besonderer Bedeutung. In Molkereien, sowie in Käsereien ist es üblich, den Eiweißgehalt der Milch zu bestimmen, um auf die mögliche Käseausbeute bezüglich einer bestimmten Menge Milch schließen zu können.

Die Bestimmungen sind jedoch, wie meistens

in

der Lebensmittelchemie,nur ungefähre, da mit empirisch ermittelten Standartfaktoren gearbeitet wird.

Versuch 2:Bestimmung des Eiweißgehaltes der Milch durch Fonnoltitration

Chemikalien:

Natronlauge c (NaOH) = 0,143 N Natronlauge c (NaOH)= 0,25 N Phenolphtaleinlösung 2%ig K2C204 - Lösung 28%ig Kobaltsulfatlösung 5 %ig

neutralisiertes Formalin:

Fonnaldehydlösung, 37 %ig

Ausrührung:

a) neutralisiertes Formalin

60 ml Formaldehydlösung (37 %ig) werden mit 0,5

ml

der Phenolphthaleinlösung versetzt und mit 0,143 N NaOH bis zum Farbumschlag nach schwach rosa titriert.

b) Farbstandart

In einen 250

ml

Erlenmeyerkolben werden 50

ml

der Milch gegeben.Dazu werden 2 ml Kaliumoxalatlösung gegeben. Nach Hinzufiigen von 1 ml

Kobaltsulfatlösung ist der Farbstandart erreicht. (Die Lösung muß immer frisch angesetzt werden!)

c) Probe

In einen 250

ml

Erlenmeyerkolben werden 50

ml

der Milch gegeben. Dazu werden 2

ml

Kaliumoxalatlösung gegeben. Nach Zugabe von 2,0 ml

Phenolphthaleinlösung wird bis zum Farbvergleich mit 0,25 N NaOH titriert.

Daraufwerden 10 ml des Formalin hinzugefiigt und mit 0,143 N NaOH bis zum Vergleichston titriert.

Vorteil der Methode:

Durch die Formoltitration läßt sich relativ rasch ohne großen apperativen Aufwand der Eiweißgehalt der Milch bestimmen.

Nachteile:

Die Milchproteine unterscheiden sich in ihrem Aminostickstoffgehalt, daher ist der Relationsfaktor Formoltiter : Proteingehalt nicht konstant.

Die Endpunktabschätzung ist somit schwierig.

Durch Zugabe von Kaliumoxalat wird das Calzium ausgefällt, so daß man die Eiweiße vollständiger erfaßt.

Die Genauigkeit der Methode wird mit ca. 5 % angegeben, was allerdings

für

den Zweck einer groben Abschätzung völlig genügt.

Erklärung :

2+ 2-

Ca + C204

Calciumoxalat

Ausschnitt aus einem Protein

~ ~ ~ ~

----~-<;:-C-N-~----· = RI

H b R'

mögliche Struktur der Reste:

z. B. neutrale Aminosäuren mit polarar Seitengruppe, z.B . Asparagin

...-NH2

o

^{= - CH2- C}

~o

z.B. basische Aminosäuren, z.B. Lysin

Reaktionsmechanismus exemplarisch:

nucleophile Addition

RI

(tH

2)4

I

^H

H-N-t-oH

~w ~

..

.. ..

Titration: Indikator: Phenolphthalein H30+

+

OH- _~ 2 H₂₀

Auswertung:

c

(NaOH)

=

0,143 mol / I

Eiweißtiter: %Gesamteiweiß der Milch Eiweißtiter =

v

2

I ^v= ml l

^IEiweißtiter = % Gesamteiweiß!

Bearbeitung der Rohmilch

Eine Erhitzung der Rohmilch ist in den meisten Fällen und zur Herstellung der meisten Käsesorten zwingend vorgeschrieben

.

Ausnahmen bilden dabei z.B. der Verkauf ab dem eigenen Hofbzw. der Verkauf sog. Vorzugsmilch

.

Die Erhitzung kann nach verschiedenen Verfahren und auf unterschiedliche Temperaturen erfolgen.

a) Pasteurisation

nach Louis Pasteur, 1822 - 1895

1.

Dauererhitzung mind

.

30 min auf 63 - 65 "C

2.

Kurzerhitzung mind. 40 Sek. auf 71 - 74 "C

3. Hocherhitzung mind. 10 Sek. auf 85 "C

4.

Uperisation ca. 1 Sek auf 150 "C mit sofortiger Kühlung

b)

Sterilisation

1.

60 Min. bei 100 -c

2.

30 Min. bei 130 -c

Folgen der Erhitzung a) erwünschte

• Abtöten möglicherweise pathogener Mikroorganismen

Mikrobiologische Charakterisierung der Rohmilch

• Milch im Euter: praktisch steril

• Milch, unter guten hygienische Bedingungen ermolken: 10

³ -

10

⁴

Keime I ml

• Milch, unter schIechen hygienischen Bed. ermolken:

>

10

⁵

Keime I ml

• bei 25° e verdoppelt sich die Keimzahl alle 30 - 40 Minuten

• normale Milchflora: überwiegend grampositive Streptokokken und

Laktobacillen

• daneben psychrophile Bakterien, Mikrokokken, Organismen der Coligruppe

• mögliche Krankheitserreger, durch kranke Tiere ausgeschieden:

Tuberkulose, Bucellose (Abortus Bang), Eutererkrankungen (Mastis, gelber Galt)

• weitere mögliche Krankheitserreger

Abb.4: Inaktivierung einiger Milchenzyme und Mikroorganismen durch Hitzebehandlung;

aus:Kiermeier, Lechner, Milch und Milcherzeugnisse, S.106

80 85 90

Temperaturen"C 10 75

65

1s ..._ ..._ _....~ _. . ._~Ioooo-_.L.-_....

60 Zeit

2.5 h _ - _ - -__--~---r""--.,..--___.

21\

1 h 30min

20 min~~-+-_----::Ilp-~

10min

5mint-"'o~~ ---+-~~---+---+---f

10$

2min

1minf""T--..Jll

Die Abtötung der Mikroorganismen ist abhängig von der Erhitzungstemperatur und - dauer. Bei einer Erhitzungfür

lOs

auf 85°C werden, wie die Grafik erkennen läßt, selbst hitzeresistente Mikroorganismen abgetötet.

Dadurch werden pathogene Mikroorganismen in der Verbrauchsmilch ausgeschlossen. Die natürliche Milchsäurebakterienflora wird durch die

Behandlung ebenfalls abgetötet. In Sauermilchprodukten und Käse werden sie als Kulturen wieder zugefügt, um gewisse Aroma- oder Konsistenzbildungen zu erhalten. Während gesäuerte Rohmilch verzehrbar bleibt, siedeln sich in säuernder erhitzter Milch Verderbniserreger an und die Milch ist nicht mehr genießbar.

b) unerwünschte

• Veränderungen der Milchinhaltsstoffe, z.B. Proteine und Zucker

• Abtötung der natürlichen Milchsäurebakterien

Versuch 3: Nachweis der Hocherhitzung durch die Storch - Reaktion ("Pfeffer und Salz " - Nachweis)

Zu je 10 ml Frischmilch, pasteurisierter und hocherhitzter Milch werden jeweils eine kleine Spatelspitze p - Phenylendiamin und ein Tropfen 1 %iges H

₂₀₂

gegeben.

Chemikalien:

p - Phenylendiamin

Wasserstoffperoxidlösung (H

202,

1 %ig)

Geräte:

großer Reagenzglasständer 3 Demoreagenzgläser Pasteurpipette

Spatel

Menge der Peroxidase in Milch: bis zu 1% des gesamten Sarumproteins der Milch

Das pH - Optimum der Milchperoxydase liegt bei pH

⁼

6,8.

Auswertung:

Es handelt sich bei dieser Reaktion um einen Nachweis auf ausreichende

Hocherhitzung. Ist Peroxidaseaktivität feststellbar, so ist die Milch nicht als

hocherhitzt zu bezeichnen. Bei einer positiven Reaktion muß innerhalb weniger Sekunden eine Färbung nach blau oder braun eintreten. Später auftretende Verfärbungen sind auf Reaktion mit dem Luftsauerstoff, nicht aber auf eine enzymkatalysierte Reaktion zurückzuführen.

• Enzymatische Katalyse durch Milchenzym Peroxidase

Reduktion

H202

+ 2

H₃₀₊

+ 2e-

_~ 4 H₂₀

Oxidation

p - Phenylendiamin

-e ..

p - Chinondiimin Polymerisation

..

- NH~

..

..

Mikrobiologie der Rohmilch

Versuch 4 a) Demonstration von Milchsäurebakterien

• Eintrag von Milchsäurebakterien in Rohmilch,z:B.durch Stalluft

• z. B.Gattungen Lactobacillus und Streptococcus

• Morphologie: Stäbchen, Kokken

• Einsatz als Kulturen, z.B.inKäse, Sauermilch,Joghurt

• Effekte bei Käse:Säurebildung, Konservierung, Aromabildung, Reifung, Lochbildung, Ausfällung von Milchproteinen

Tab. 5: Mirkroorganismen, die als Kulturen verwendet werden

Mikroorganismen Effekt Produkt

Propionsäurebakterien

Geruch, Geschmack, Hartkäse Lochbildung

Lactobacillus bulgaricus

Säurebildung Joghurt,Kefir

Lactobacillus lactis

Geschmack / Aroma Käse

Lactobacillus helveticus

Geschmack / Aroma Käse

Lactobacillus casei

Reifung Käse

Lactobacillus

Säurebildung Acidophilus - Milch

acidophilus

Streptococcus

Säurebildung Joghurt, Hartkäse

thermophilus

Streptococcus

Säurebildung, Geschmack Butter,Sauerrahm,

diacetylactis

/ Aroma Sauermilch, Käse

Streptococcuslacits

Säurebildung Käse, Sauerrahm

Streptococcus cremoris

Säurebildung Sauermilch, Butter

Leuconostoc citrovorum

Geschmack / Aroma Butter, Sauerrahm

Leuconostoc

Geschmack / Aroma Sauermilch, Käse

deutranicum

Geräte:Mikroskop Objektträger Deckglas

Milchsäurebakterien (Lactobacillus acidophilus) wurden aus einem Joghurt kultiviert und unter dem Mikroskop beobachtet.

Versuch 4b) Nachweis der Säuenmg durch Milchsäurebakterien

Geräte:

pneumatische Wanne

Magnetrührer mit Rührfisch und Kontaktthermometer Stativmaterial

Klemme nach Kaufinann 1 I Becherglas

200 ml Becherglas Eßlöffel

pH - Meter

Chemikalien:

600 ml Rohmilch 1 Eßlöffel saure Sahne

DurchfÜhrung:

600 ml Milch werden im Wasserbad auf 35° C erhitzt. Der pH - Wert der Rohmilch wird mit einem pH - Meter bestimmt. 1 Eßlöffel saure Sahne werden untergerührt und der pH - Wert wird abermals bestimmt.

Nach ca. 15 - 20 min erfolgt eine erneute pH - Messung'

Abbauwege der Milchsäurebakterien:

1.

Spaltung des Dissacharides Lactose

in Monosaccharide

OH OH

~ ^HO~

^{OH OH 1-1.20,}

^ß-

Galactosidase

HO 0 ~

OH

OH

Lactose (4-0-(

ß

-D-Galactopyranosyl)- D-glycopyranose))

rs~o

⁺

HO~OH

OH D • Galactose

OH

HO~---q

OH

HO~OH

_OH

D - Glucose

HO

HO

Glykolyse

~~~~-'OH --- - -- -- --~

D - Glucose

Milchsäure-

gärung

--- ---.-

Auswertung: pR - Werte im Käsereiansatz:

Pyruvat

HI

H3C-C-COOH

OHI

D - Milchsäure

pR - Rohmilch

:

pR

=

pR - nach Kulturzugabe

:

pR

=

pR - nach wenigen Minuten bakterieller Aktivität:

L..,;;...

pR

= ...I

Substrat

für

die Milchsäurebakterien ist das Kohlenhydrat Laktose. Im sog.

homofermentativen Abbau wird Lactose zu Milchsäure abgebaut. Der Anteil an

D - und L - Milchsäure ist abhängig von der jeweiligen Enzymausstattung der Mikroorganismen. Beim heterofermentativen Abbau entsteht u.a. CO2, daß bei Käse z.B. zur Lochbildung führt. Die Darstellung ist stark vereinfacht.

"Dicklegen der Milch"

Stark vereinfacht kann man das

.Dicklegen"

der Milch als Eindickung des Milchproteinanteils Casein unter Abscheidung der Molke bezeichnen.

Das Milchprotein ist kein einheitlicher Bestandteil und läßt sich in Abhängigkeit von pH - Wert und verschiedenen Salzkonzentrationen in bestimmte Bestandteile trennen.

Tab. 6: Prozentuale Zusammensetzung der Hauptkomponenten der Kuhmilch

Proteinkomponente Anteil in

0/0

Kasein 77 - 85 %

Us - Kasein 40 - 55 %

ß-

Kasein 25 - 35

0/0

X - Kasein 8 - 15

0/0

y - Kasein 3 -7 %

Molkenproteine ca. 20 %

Albumine 9.7 - 18,3 %

u -Lactatalbumin 2- 5 %

ß-

Lactatalbumin 7 -12 %

Serumalbumin 0,7 - 1,3 %

Immunoglobulin 1,8 - 3,3 % Proteose - Pepton - Fraktion 2 -6 %

Membraneiweiß ca.4 %

• mögliche Trennung der Milchproteine Gesamtprotein (ca. 3,2 %)

I

Säuern auf pR⁼ 4,6; Filtrieren

1 1

Casein (ca.2,63 %)

Versuch 5) Säurefällung der Caseine

Molkenprotein (ca.0,57 %)

z.B.

a -

Lactalbumin,

ß -

Lactoglobulin

Chemikalien:

50 ml Frischmilch

wenige Tropfen Essigsäure (konz.)

Geräte:

Magnetrührer mit Rührfisch Pasteurpipette

300

m1

Becherglas

Durchfiihrung:

50 ml Frischmilch werden mit dest. Wasser auf200

m1

aufgefüllt. Dazu wird langsam Essigsäure bis zur deutlichen Flockenbildung getropft.

Bei weiterer Zugabe von Säure erhält man erneut eine Lösung.

Caseinfällung durch Säurezugabe

• bei säuern der Milch aufpR= 4,6 flocken die Caseine aus (I.E.P)

• bei weiterer Säurung löst sich der Niederschlag wieder auf

• pR der Rohmilch: ca. 6,8

,....---...-...,

, + '

/~ooc ^{NH3.-, :-.}

I

M

^{COO \}

t, HN +~

I 3 NH3 I

I I

\ ,

\·OOC COO~, '-,, NH3+ , ',,

..._----_...'

pH=4,6 isoelektrischer Bereich

Zwitterionenform

1 Caseinmicelle 2 innere Hydrathülle 3 äußere Hydrathülle

kationische Form

pH«4,6

anionische Form

Beim pH - Wert der Rohmilch liegen die Caseine in ihrer kationischen und somit gelösten Form vor. Ca. bei pH

=

4,6 wird der Bereich erreicht, wo die Caseine in ihrer Zwitterionenform vorliegen und somit ausfallen. Bei weiterer Säurezugabe wird die anionische

Form

der Caseine erreicht, die wiederum löslich ist.

• Säurefällung unterstützt durch: Austausch von Ca

²+

gegen

2

Ir

Die Caseine sind keine einheitliche Komponente, sondern aus einer Vielzahl verschiedener Komponenten zusammengesetzt.

• Zusammensetzung des Caseins:

Hauptkomponenten:

molares Verhältnis:

Usl /

ß +

Y/ K / U s2 ;

ca. 8/8/3/2

Man stellt sich die Caseinmicellen aus Caseinsubmicellen zusammengesetzt vor.

Zur genauen Zusammensetzung der Caseinmicellen gibt es verschiedene Modelle, die sich teilweise widersprechen.

Die Caseinsubmicellen tragen z.T. an ihrer Oberfläche Phosphoserinreste, über die sie sich mit Calcium über sog. Calciumphosphatbrücken verbinden.

Eine weiter Möglichkeit

zur

Verbrückung besteht durch Calciumbrücken zwischen den Carboxylgruppen.

• Micellbildung, z.T. über Calciumphosphatbrücken

• MicelIen aus 92 % Proteinund 8 %Mineralstoffen

Versuch 6)Phosphatnachweis aus enteiweißter Molke Geräte:Demonstrationsreagenzglas

Reagenzglasständer

Chemikalien:

Molke

(NRt)2S04 - Lsg. (konz.)

(NRt)~07024- Lösung, 15 %ig

HN03

(halbkonz.)

Durchfühnmg: Molke (hergestellt durch Caseinausfällung aus Frischmilch mittels Eisessig) wird durch kochen mit Ammoniumsulfatlösung und anschließend

filtriert. Zu wenigen Tropfen der Probe werden gleiche Volumina der

Salpetersäurelösung und der Ammoniumsulfatlösung gegeben. Eine Blindprobe dest. Wasser wird gleich behandelt.

Beobachtung:

Im Falle der Probe fällt beim Kochen ein gelber Komplex aus,

im

Falle der Blindprobe bleibt die Lösung klar.

Reaktionsgleichung summarisch:

12 CNHt)6Mo7024

+

_{7 H3P04}

+

_{51 HN03 ~} 7 CN"R!)3[P(Mo12040)] ~

+

Ammoniumheptamolybdat Ammoniumdodekamolybdophosphat 51 ~N03

+

36 H₂₀

Tab. 3: Mineralstoffgehalt der Milch (bezüglich Ca²+und PO/-)

Mineralstoff Gehalt in mg / 100 g Vollmilch

Calciumionen Ca2+ 120

Phosphat z.B.

pol- 100

Schema der CalciumphosphatbIiicken zwischen den Caseinsubmicellen

OH OH OH

p 2-0-~-0·

^{·0-P-O·Ca2+} ·0-J-0-CH2-

P

E

^Ca2+

E

p ~ ~

^o-n

~ ^P

T

O· OH ·0

/ "

T

·O-P-o·Ca 2+

...C

I Ca²+ I

"

^0#

D

₀

~

^o-m

^D

Micellenmodell

Abb.8:Schema einerCaseinmicelle;aus:Belitz,Grüsch,Lebensmittelchemie, S.264

,~

". .: Submizelle

r:

^{herausragende Kette .iC ~} (j(,re.11!\

- Calciumphosphat

Elektronenoptisch hat man erkannt,

daß

die Micellen eine brombeerartige Oberflächenstruktur aufweisen.Daraus hat man auf einen Aufbau aus

Submicellen geschlossen. Die Submicellen sind laut einem Modell dergestalt aufgebaut, daß sich die hydrophoben Reste

im

Inneren der Submicelle anordnen und die hydrophilen Reste an der Oberfläche der Submicellen angeordnet sind, was auch die Verbrückung durch besagte Calciumphosphatbrücken möglich macht.

Von den Caseinkomponenten der Milch ist allein das K - Casein bei dem

natürlichen Ca^{2+ -} Gehalt der Milch löslich. Ein Teil der SubmicelIen ist enthält an ihrer Oberfläche K - Casein. Dieses ordnet sich hauptsächlich an der

Micelloberfläche an und hält diese somit kolloidal in Lösung.

K - Casein wiederum besteht aus einem löslichen und einem unlöslichen Bestandteil, die das Lab selektiv voneinander dergestalt trennt, das an den Caseinmicellen oder Submicellen nur der unlösliche Anteil zurückbleibt. Somit wird das Micellsystem destabilisiert und die Hydrathülle gestört, wodurch es zur Ausbildung einer Milchgels kommt.

erwünscht zur Käseherstellung:

• Übergang der Caseine vom kolloidalen System zum Gel Mittel

Lab (Labferment, Chymosin, Rennin):

Herkunft • Labmagen von Kälbern

Versuch 7) Käserei,Labfällung und Schneiden des Bruchs Geräte: siehe V. 4b

Rührfischangel

Käseharfe (oder ähnliches)

Chemikalien:

Lab (flüssig)

Durchführung:

Die durch Zugabe der Sauermilchkulturen angeimpfte und angesäuerte Milch wird mit etwas Lab - Wasser Gemisch versetzt. Das Rühren muß direkt nach der Zugabe gestoppt werden und der Rührfisch durch die Rührfischangel entfernt, damit sich das Gel in "Ruhe" ausbilden kann.

Je nach Labmenge kann das Gel nach 15 - 30 min mit der Käseharfe in regelmäßige Säulen zerschnitten werden.Dann muß sich einige Minuten die Molke absetzen.Danach wird der Bruch untergehoben, so daß nur gleich große Stücke übrig bleiben. Wenn genügend Molke ausgeflossen ist wird der Bruch über einem Sieb durch ein Leinentuch abgepreßt. Somit erhält man Frischkäse.

Pyg ... Phe^{105 _} Met^{l O6}···Val

K - Casein Pyg: (Pyroglutaminsäure)

7

Pyg ... Phe¹⁰⁵

+

Met^J06 ... Val para - K - Casein Glykopeptid

Milchgel

Abb. 6: Ausbildung eines Milchgels, aus:Töpel,Chemie und Physik der Milch, S.281

1 2

Oberflächenhaut lIohlraurnvvasser

3

4

Kapillarwasser Adhäsionshaut

Voraussetzung für die Ausbildung des Ge/gerüstes:

• Aufhebung der gegenseitigen elektrischen Abstoßung

• Abnahme der Ladungszahl

• Hydrathüllenbleiben teilvveise erhalten und verhindern Koaleszenz

• Van - der - Waals - Anziehungkräfte übervviegen

• Haupt - und Nebenvalenzbindungen spielen eine Rolle (Einfluß der Calziumkonzentration)

• mechanische Bewegungführtzur Flockung

olke

als

Abfallprodukt?

Abgabe der Molke durch Synärese

Synärese

Der.: Synärese ist die spontane Wasserabgabe ohne Mitwirkung äußerer Kräfte unter gleichzeitiger Volumenkontraktion

• Kontraktion gleichförmig in Richtung eines einzigen Schnunpfungszentrums

Abb, 7: Schema der Volumenkontraktion;aus:Töpel, Chemie und Physik der Milch, S 283

11.0 1110 lilO HIO Htf) HtO li₁0 HrO lltO Htf) li₁0 HchlfO<jm",ru.~r

Frisches Gelgerüst IIohJraurnvvasser

Im Gelsystem ist Wasser in Form von Hohlraumwasser, Kapillarvvasser und Hydratwasser enthalten. Das Hohlraumwasser enthält die echt vvasserlöslichen Bestandteile der Milch und tritt in Abhängigkeit von der Zeit als Molke aus.

Die Synärese erfolgt nach dem Exponentengesetz nach Kirchmeier (T

=

16 - 45

°C) (bestimmt die Volumenveränderung)

v

^{= V} .e -K(T-To)t

V Volumen nach der Zeit t V

_o

Volumen nach 30 min

K Gelkonstante (=,225 • 10-

³

min

^-3

K für ein Zeitintervall von 30 min)

T Temperatur

T

_o

Nulltemperatur, bei der die Synärese stoppt (16

⁰

C)

t

Dauer der Synärese

Das bedeutet: das Bruchvolumennimmt pro Zeit exponentiell ab

Die in der Zeit austretende Molke ist daher der im Gel noch vorhandenen

Flüssigkeit proportional.

Der Vorgang wird durch das sog. Schneiden des Bruchs beschleunigt, indem die Hohlraumstruktur zerstört wird. Je kleiner der Bruch geschnitten wird, umso härter wird letztlich der Käse. Zur Hartkäseherstellung wird der Bruch zusätzlich gebrannt, d.h. ca. 30

min

auf 50° C erhitzt, um zusätzlich einen Teil des

Kapillarwassers auszutreiben. Der Bruch wird in der Folge abgeschöpft, gepreßt und im Salzbad eingelegt und der Käse reift durch weitere mikrobiologische und enzymatische Unsetzungen.

• Käseausbeute pro 100 kg Milch : ca. 8 kg Hartkäse oder 12 kg Weichkäse

Bei der Käseproduktion bleibt Molke in großen Mengen über. Aufgrund seines hohen Nährstoffanteils darf sie nicht in die Kanalisation abgegeben werden.

Aus dem gleichen Grund eignet sie sich zur Weiterverarbeitung in der Lebensmittelindustrie oder zur Rinderaufzucht.

Aufgrund seiner hochwertigen Proteine kann aus entwässerter Molke ein hochwertiger Käse hergestellt werden.

Inhaltsstoffe der Molke

Molkenproteine

Versuch 8 a) Nachweis der Molkenproteine durch Biuret - Reaktion

Geräte:

Demonstrationsreagenzgläser

Pipette

Chemikalien

Molke (Milch mit Eisessig enteiweißt, filtriert) NaOH c=

2

mol/l

CUS04 - Lösung

(I

%ig)

Durchfiihrung:

Etwas Molke wird in ein Reagenzglas gegeben und mit der halben Mende der Natronlauge versetzt. Nach Schütteln gibt man einige Tropen der CUS04 - Lösung (1 %ig) hinzu. Eine Violettfärbung zeigt das Protein an.Zum Vergleich wird eine Blindprobe mit desto Wasser durchgeführt.

Ausbildung des Biuret - Komplexes

/0' H R

~-6/I>O"

I

^{/0 0 \ "}

---~-NI IN-C---

I \ \ , /'

H \ ....

~

~~2+

ll.

,"" \. H

.... i I

---~-1\\l ⁰ o'/N-

r- ---

{} ^/T-~

^R

R H ,,(}

2-

Kupfer - Ionen bilden mit Eiweißen in alkalischer Lösung violett gefärbte Protein - Kupfer - Komplexverbindungen. Bei der Blindprobe ist kein Komplexbildner vorhanden und die Kupferionen fallen als blaßblaues Kupferhydroxid aus.

Tab. 6: Proteinwertigkeitvon Milcheiweiß und einigen anderen Nahrungsproteinen

Nahrungsprotein biologische Wertigkeit

Vollei 100 %

Kuhmilch 91 %

Casein 77%

Lactalbumin 1040/0

Rindfleisch 80%

Sojabohnen 74%

Milchzucker

Milchzucker oder Lactose ist ein weiterer Hauptbestandteil der Molke.. Lactose ist ein Disaccharid aus einem Glucose - und einem Galactosebestandteil.

.2,5 - 5,5

%Lactose in Kuhmilch

OH

OH

R=

HO

OH

OH OH

Lactose (4-0-(ß-D-Galactopyranosyl)-D-glycopyranose)

Mutarotation

Imwäßrigen Milleu stellt sich über die offene al- Form ein Gleichgewicht

zwischen a -Lactose und ß - Lactose ein. Die Lage des Gleichgewichtes erklärt sich aus den jeweiligen Stellungen der funktionellen Gruppen.

OH

OH

OH

ß -

^Lactose

62%

[a]D 20: +

34

°

imGleichgewicht: [a]D20⁼ 52,5°

al- Form a -Lactose

38%

Versuch 8 b) Lactose - Gehalt der Milch Chemikalien:

Milch (Frischmilch) Hg(N03)2

Geräte: Polarimeter

Ein bekanntes Vohnnen Milch wird durch Zugabe von Quecksilbemitrat

vollständig entfettet und enteiweißt. Die klare Lösung wirdindas Polarimeterrohr gefüllt und der Drehwinkel bestimmt.

Bestimmung des Lactosegehaltes der Milch:

I- c

a =[a]i-- 100

0.:

Beobachtete Rotation der Winkelgeraden I: Länge des Polarimeterrohres in

dm

c: Konzentration der optisch aktiven Substanz in g / 100ml

[ah

^t: spezifisches Drehvermögen der optisch aktiven Substanz bei der Temperatur t

1: Temperatur in °C, i.A.20°C

Berechnung:

eingesetztes Milchvolumen : 200 ml

[0.],.20

⁼ 52,6° 1= 1dm v = 60 ml

a -100

g

c= 52,6 100mi

vor dem Ankonzentrieren:

I

^{CMilch= C • 0,3 =}

^g/lOOml

^l

Verwertungmöglichkeiten der Molke:

• Kälberaufzucht (allgemein Tierfutter)

• Nahrungsmittelindustrie

Abb. 9: Vergleich verschiedener Zucker

Süßkraft verschiedener ZUcker in%

---·---··-'-- ··---- ..---:-··---1

100 90 80 70 60 50 40 30 20

10o ^{", iI<}

Saccharose Glucose Galactose Lactose

Um Lactose effektiv als Süßmittel verwenden zu können wird sie enzymatisch in ihre beiden Bausteine Glucose und Galactose gespalten.

Literatur

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Das Hobbythek Buch Nr. 5

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