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Voll- und Magermilchpulver
Chemische und physikalische Eigenschaften von Voll- und Magermilchpulver
Wichtige Qualitätsparameter für Milchpulver sind die mikrobiologische Qualität, die sensorischen und folgende physikalisch-chemische Eigenschaften:
- Wassergehalt
- Fettgehalt
- freies Fett
- Proteingehalt
- Mineralstoffgehalt
- titrierbare Säure
- Löslichkeit, Rekonstituierbarkeit
- Rieselverhalten
- Schüttgewicht
- Hitzebelastung bei Magermilchpulver (Anteil nicht denaturierte Molkenproteine)
- verbrannte Partikel
- Partikelgrössenverteilung
- Rest-Sauerstoffgehalt in der Verpackung
Das Trockungsverfahren hat einen zentralen Einfluss auf die Produkteigenschaften. Es muss daher zwischen sprühgetrocknetem und walzengetrocknetem Pulver unterschieden werden. Im nächsten Kapitel wird auf die Verfahren näher eingegangen. Tabelle 3 gibt eine Übersicht über die wichtigen physikalisch-chemischen Eigenschaften.
Milchpulver soll frei rieselfähig sein, wie Sand, ohne Knollenbildung. Die Rieselfähigkeit wird beeinträchtigt durch unvollständig kristallisierte Lactose, welche Wasser absorbiert. Ebenso beeinflussen die Partikelgrösse und –form, das Schüttgewicht und die elektrische Ladung das Rieselverhalten.
In Vollmilchpulver oder Pulver aus teilentrahmter Milch kann das Milchfett sich oxidativ verändern. Die Präsenz von hohen Sauerstoffkonzentrationen in der Verpackung, Licht und Metall-Ionen wie Kupfer und Eisen und in geringerem Mass weitere Metalle fördern diese Oxidation. In Tabelle 3 sind die Anforderungen für den maximalen Kupfer und Eisengehalt angegeben. Der Ausschluss von Sauerstoff mittels Vakuumverpackung oder Verpackung unter Schutzgas-Athmosphäre mit Stickstoff ist bei der Verpackung von fetthaltigen Milchpulvern wichtig zur Oxidationsverhinderung. Der Toleranzwert ist in Tabelle 3 ersichtlich. Eine gute Führung der Vorerhitzung während der Pulverherstellung vermindert die oxidativen Veränderungen im Endprodukt.
Verbrannte Partikel entstehen durch starke Maillard-Reaktion (Reaktion von Zuckern mit Aminosäuren – den Bausteinen der Proteine) während dem Trocknungsprozess, sofern Partikel zulange im Prozess verweilen.
Eine gewisse Bräunung durch Maillard Reaktion ist bei Milchpulver normal. Mit Walzentrockung ist die Maillard-Reaktion stärker als bei Sprühtrockung. Die Maillard-Reaktion läuft während der Lagerung weiter, daher sind die Lagerbedingungen (Temperatur, Dauer) für die Qualitätserhaltung von Milchpulver wichtig.
Herstellung / Technologie
Die Basis-Schritte in der Herstellung von Milchpulver sind die Eindampfung und die Trocknung.
Abbildung 3 zeigt den Herstellungsablauf. Milch von hoher Qualität wird selektioniert. Da bei der Pulverherstellung die Konzentration der gelösten und dispergierten Stoffe in der Milch steigt, muss die Mich eine hohe Stabilität aufweisen. Ansonsten können sich die Proteine destabilisieren und ausfallen. Ein Säuregrad von < 7.5°SH ist zu fordern. Es darf keine Kontamination mit Metall-Ionen, insbesondere Kupfer, vorhanden sein. Die Keimzahl-Anforderungen sind zu beachten. Die Milch wird in der Reinigungszentrifuge von Schmutzpartikeln befreit, wird gekühlt und anschliessend kühl gelagert. Je nach Pulverart wird ein Teil oder alles Milchfett als Rahm abzentrifugiert.
Es folgt eine Hitzebehandlung, die verschiedene Ziele verfolgt:
- Alle pathogenen Bakterien inaktivieren und die Keimzahl insgesamt reduzieren
- Inaktivieren der Enzxme, insbesondere der Lipase
- Aktivieren von SH-Gruppen in ß-Lactoglobulin zur Erhöhung der Oxidationsstabilität des Pulvers während der Lagerung.
Abbildung 2: Ansicht einer Eindampfanlage für Milch (Quelle: GEA Niro Inc.)
Hoch-Kurzzeitverfahren sind zu bevorzugen, da die gewünschten Effekte schonender erreicht werden und dabei vermehrt antioxidative Substanzen gebildet werden. Ebenso ist die Löslichkeit des Pulvers bei Verwendung eines Hoch-Kurzzeitverfahrens besser. Häufig wird auf 88-95°C während 15-30 Sekunden erhitzt, machmal mit Temperaturen bis 130°C.
Anschliessend gelangt die Milch in die Eindampfanlage. Unter Vakuum wird Wasser bei Temperaturen von 45–75°C schonend abgedampft bis eine Konzentration von 33–35% bzw. 40–50% an Milchtrockensubstanz erreicht wird. Der erste Bereich gilt für anschliessende Walzentrockung), der zweite für anschliessende Sprühtrockung. In den Eindampfanlagen wird Energie durch mehrfache Nutzung effizient eingesetzt. Die Milch und das entstehende Milchkonzentrat verweilen dank der Dünnfilmtechnik nur sehr kurz in der Anlage bei erhöhter Temperatur. Abbildung 2 zeigt eine Ansicht einer Eindampfanlage und Abbildung 4 deren Funktionsweise.
Abbildung 3: Fliess-Schema der Herstellung von Milchpulver
Abbildung 4: Schema eines Fallfilmverdampfers (Quelle: GEA Niro Inc.)
Homogenisation wird teilweise bei der Herstellung fetthaltiger Milchpulver durchgeführt. Ziel ist die Reduktion des freien Fettes. Freies Fett ohne schützende Membran reduziert die Löslichkeit von Milchpulver und erhöht das Risiko der Fettoxidation. Nach dem Eindampfen wird mit Drücken von 50-150 bar homogenisiert.
Trocknung
Es kommen zwei verschiedene Haupt-Verfahren zum Einsatz, einerseits die Walzentrocknung, andererseits die Sprühtrockung. Bei der Walzentrocknung wird das Milchkonzentrat in dünner Schicht auf eine heisse Oberfläche aufgetragen. Dabei verdampft ein Grossteil des Wassers innert weniger Sekunden. Bei der Sprühtrocknung wird das Milchkonzentrat fein versprüht und mit heisser Luft vermischt. Das Wasser verdunstet dabei aus den Tröpfchen.
Walzentrocknung
Milchkonzentrat von 30 - 35% Trockensubstanz wird in dünner Schicht auf die sich drehenden Trocknungswalzen aufgetragen. Diese sind von innen mit Dampf beheizt und weisen eine Temperatur von bis zu 145°C auf. Innert weniger als 3 Sekunden ist ein Restwassergehalt von nur 4% erreicht und die getrocknete Milch wird mit Messern von den Walzen abgeschabt. Die Pulverblätter fallen in eine Förderschnecke und werden anschliessend in einer Hammermühle zerkleinert, gekühlt, gesiebt und dann verpackt. Abbildung 5 zeigt ein Schema einer Walzentrockungsanlage. Walzentrocknungsanlagen sind im Vergleich zu Sprühtrocknungsanlagen relativ kompakt und in der Investition günstiger. Abbildung 7 zeigt die Mikrostruktur von Milchpulver. Aufgrund des Trocknungsverfahrens sind die Partikel bei der Walzentrockung schuppenartig-flach.
Abbildung 5: Schema der Walzentrocknung (Quelle: Simon Dryers)
Bei der Walzentrocknung von Milch gehen gewisse irreversible Änderungen vor sich. Die hohen Temperaturen bewirken eine Denaturierung der Milchproteine, eine Karamelisierung von Lactose, Bräunung durch Maillard-Reaktion. Walzengetrocknetes Pulver hat wegen der Proteindenaturierung eine schlechtere Löslichkeit in Wasser als sprühgetrocknetes Pulver. Für gewisse Anwendungen sind die Eigenschaften von walzengetrocknetem Milchpulver vorteilhaft, wie z.B. bei der Schokoladeherstellung.
Sprühtrocknung
Die Sprühtrocknung ist die mengenmässig dominierende Trocknungsmethode für Milchpulver.
Abbildung 6: Sprühtrocknungsanlage, 2-stufig, mit Fliessbett-Nachtrocknungsstufe unter dem Turm. (Quelle: GEA Niro Inc.)
Abbildung 6 zeigt ein Schema einer Sprühtrocknungsanlage. Milchkonzentrat wird im oben in einem mehrere Stockwerke hohen Trocknungsturm mittels Düsen oder drehenden Telllern in kleine Tröpfchen eines Durchmessers von 50-80 µm versprüht.
Meist ebenfalls oben im Turm wird filtrierte heisse Luft mit einer Temperatur von 150-300°C eingeblasen. Dies erlauft eine schonende Trocknung. Beim Versprühen bilden sich runde Tröpfchen, welche während des Trocknungsprozesses ihre Form beibehalten. Daher weist sprühgetrocknetes Pulver kugelförmige Partikel auf (siehe Abbildung 7). Eingeschlossene Luft in den Partikel bewirkt ein geringeres Schüttgewicht. Das Wasser in den feinen Tröpfchen verdunstet rasch, innerhalb 100-stel bis 10-tels Sekunden. Dadurch werden die Partikel und die Luft rasch abgekühlt. Die maximale Partikeltemperatur am Ende der Trocknung beträgt nur 65-75°C. Nach dem Austrag aus dem Trocknungsturm und der allfälligen Nachtrocknung im Fliessbetttrocker wird das Pulver in mehreren Schritten und auch mit Hilfe von Zyklonen von der Trocknungsluft abgetrennt und mit kalter Luft gekühlt.
Abbildung 7: Mikrostruktur von Milchpulver (Elekronenmikroskopische Aufnahme), links Walzengetrocknet, rechts sprühgetrocknet; Partikelgrösse: walzengetrocknets Pulver Hauptpartikel ca. 250–500 µm, sprühgetrocknetes Pulver Hauptpartikel 25–50 µm Durchmesser. (Quelle: Livstek)
Verpackung und Lagerung
Für die Qualitätserhaltung von Milchpulver ist eine angepasste Verpackung wichtig. Die Packung hat das Milchpulver vor Feuchtigkeit, Luft, Licht und Verschmutzung zu schützen. Dazu sind natürlich die logistischen Anforderungen zu erfüllen. Häufig kommen Papier mit Bitumenpapierschicht, mehrschichtige Kartons oder Boxen mit Polyethylen-Einlage, Metall-Fässer mit Polyethyleneinlage oder Dosen mit Aluminumfolie-Deckel zum Einsatz. Die Haltbarkeit kann verlängert werden durch den Entzug von Sauerstoff mittels Schutzgasathmosphäre oder Vakuumverpackung. Milchpulver wird bei Umgebungstemperatur gelagert. Vollmilchpulver kann wegen der möglichen Fettoxidation weniger lange gelagert werden als Magermilchpulver.
Besonderheiten Magermilchpulver
Im Flowsheet der Abbildung 3 sind die Unterschiede der Magermilchpulver-Herstellung im Vergleich zu Vollmilchpulver ersichtlich. Es wird vollentrahmt, die Hitzebehandlung wird auf eine schonende Pasteurisation reduziert (low-heat), bzw. auf 15-30 min verlängert (high-heat). Die Konzentration nach dem Eindampfen liegt für die Walzentrockung von Magermilch wesentlich tiefer als beim Trocknen von Vollmilch. Magermilchpulver wird jedoch meist mit dem Sprühverfahren hergestellt.
Low heat – high heat: Magermilchpulver wird nach deren Hitzebelastung und dadurch erfolgter Proteindenaturierung eingeteit (vgl. Tabelle 4). Die Fabrikation von Low-Heat Pulver erfolgt mit möglichst geringer Hitzebelastung der Milch, des Konzentrates und des Pulvers. Bereits bei der Entrahmung wird für Low-Heat-Pulver mit Kaltmilch-Separatoren gearbeitet. Die Verweilzeiten bei erhöhter Temperatur werden möglichst kurz gehalten. So wird auch nur eine schonende Pasteurisation und keine intensive Hitzebehandlung angewandt. High-heat Pulver hat eine intensive Erhitzung durchlaufen. Dabei werden möglichst viele Molkenproteine denaturiert. Dies ist z.B. für den Einsatz in Backwaren erwünscht.
Eine rasche Kühlung nach der Trocknung ist bei Magermilchpulver besonders wichtig wegen deren Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit und wärmebedingten Reaktionen.
In hermetisch verschlossenen Packungen ist Magermilchpulver bei 21°C über 1 Jahr haltbar. Da nur sehr wenig Fett enthalten ist, ist die Gefahr der Oxidation klein.
Instantisierung
Bei der Auflösung von Milchpulver in Wasser zur Rekonstituierung laufen an den Pulverpartikeln verschiedene Vorgänge ab:
1.
Wasser an der Oberfläche absorbieren (Benetzbarkeit - wettability)
2.
Durchdringen des Wasserfilms an der Teilchenoberfläche (penetrability)
3.
Einsinken in Wasser (sinkability)
4.
Verteilung der Teilchen ohne Klumpen zu bilden (dispersibility)
5.
Auflösen der Teilchen (rate of dissolving)
Die Instantisierung von Milchpulver hat zum Ziel, die Geschwindigkeit und Vollständigkeit der Pulverrekonstituierung zu verbessern. Durch die folgenden Methoden gelingt es, einige der aufgelisteten Teilvorgänge zu verbessern bei gegebener Löslichkeit (rate of dissolving) eines Pulvers.
Abbildung 8: Mikrostruktur von agglomeriertem Milchpulver
Agglomerierung:
Die Agglomerierung bewirkt die Bildung von Hohlräumen zwischen Pulverpartikeln. So kann während der Rekonstituierung Wasser leicht und rasch in diese Hohlräume eindringen (vgl. Abbildung 8). Das verhindert die Bildung einer viskosen Schicht um gruppierte kompakte Pulverteilchen, wie es bei nicht instantisierten Pulvern geschieht. Eine solche viskose Schicht behindert bei nicht instantisierten Pulvern das weitere Eindringen von Wasser und verlangsamt damit die Rekonstituierung.
Das Verfahren der Agglomerierung beinhaltet die Benetzung der Partikeloberfläche mit Dampf, Wasser oder einem Gemisch der beiden, die eigentliche Agglomerierung, die Nachtrockung, das Kühlen und das Sichten, um zu feine und zu grobe Partikel zu entfernen. Es gibt grundsätzlich zwei Möglichkeiten, wie die Agglomerierung durchgeführt werden kann:
- Primäre Agglomerierung erfolgt direkt während der Sprühtrocknung durch das Rückführen von feinem Pulver in den Zerstäubungsnebel des Milchkonzentrates.
- Agglomerierung erfolgt durch Wiederbefeuchten des schon trockenen Pulvers
Lecithinierung
Bei fetthaltigen Pulvern genügt eine derartige Agglomierierung nicht. Freies Fett auf der Pulveroberfläche behindert die Benetzung. Deshalb wird zusatzlich zur Agglomerierung Lezithin-Lösung auf solche Pulver aufgesprüht.
Neue Erkenntnisse- Diverses
Vermehrt werden den Verwendungszwecken angepasste Spezialmilchpulver hergestellt. Anwendungsspezifisch wird dann nur jener Teil der Milch zur Pulverherstellung verwendet, der für die Anwendung gebraucht wird. So gibt es stark proteinangereicherte Milchproteinpulver oder auch proteinangereicherte Milchpulver mit erhöhten Kaseinanteil oder erhöhtem Molkenproteinanteil (siehe Kapitel 7.4) .
Eindampf- und Trocknungstechniken werden so optimiert, damit sich einerseits die Produktqualität erhöht und andererseits der Energieverbrauch und die gesamten Trocknungskosten reduzieren.
Bei der Magermilchpulverherstellung kann der erste Konzentrationsschritt durch Umkehrosmose erfolgen. Eine Konzentration auf ca. 25% Trockensubstanz ist damit möglich. Die weitere Konzentration erfolgt weiterhin durch Eindampfung. Die Umkehrosmose reduziert die Energiekosten.
Milchpulverwerke müssen grosse Mengen an Pulver herstellen, um rentabel arbeiten zu können. Daher wurden in der Schweiz im Rahmen der Strukturbereinigung diverse Milchpulverwerke geschlossen. Es sind im Jahre 2001 noch 6 Werke in Betrieb (Emmi Dagmersellen, Néstle Konolfingen, Nutritec Hochdorf, Swiss Dairy Food Sulgen, Thun und Lucens). Die Werke spezialisieren sich immer mehr und stellen vermehrt Spezialmilchpulver, z.B. massgeschneiderte Milchproteinpulver her.
Verwendung
Als sowohl ernährungsphysiologisch als auch technologisch-funktionell wertvolle Zutat ist Milchpulver in verschiedensten Lebensmitteln beliebt.
Vollmilchpulver
Vollmilchpulver wird in Wasser aufgelöst als rekonstituierte Mich verwendet. Insbesondere in Ländern mit wenig Milchproduktion ist ein grosser Markt dafür. Bedeutenden Mengen an Vollmilchpulver werden zusammen mit Kakaobestandteilen und Zucker für die Herstellung von feiner Milchschokolade verwendet. Weitere Süsswaren, Biskuits, Backwaren, Coatings und diverse Milchprodukte wie Speiseeis und Schmelzkäse sind ebenfalls Anwendungsgebiete.
Magermilchpulver
Magermilchpulver hat zahlreiche Anwendungen. Als rekonstituierte Magermilch gelangt es direkt zum Konsumenten. Die Lebensmittelhersteller verwenden es in Milchdesserprodukten, Speiseeis, Joghurt, Fleischwaren, fleischähnlichen vegetarische Produkten, für Coatings, Saucen, Mayonnaise, Instant-Frühstücksgetränken, etc.
Besonders schonend sprühgetrocknete Pulver aus Milch, die vor dem Trocknen der Muttermilch angepasst wurde, werden als Basis für Kindernährmittel/Säuglingsmilchen verwendet.