DE102012216990A1

DE102012216990A1 - Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß

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Publication number: DE102012216990A1
Application number: DE201210216990
Authority: DE
Inventors: Gerd Konrad; Thomas Kleinschmidt; Claudia Lorenz
Original assignee: HOCHSCHULE ANHALT FH
Current assignee: HOCHSCHULE ANHALT FH
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß. Molkenproteine mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 1–15 µm bewirken ein fettähnliches Mundgefühl und sind somit als Fettaustauscher, Lebensmittel-Zusatzstoff oder als Diätetikum geeignet. Aufgabe der Erfindung ist daher ein einfaches Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkenproteinen mit einer Partikelgröße von 1–15 µm anzugeben. Erfindungsgemäß werden zur Mikropartikulierung der Molkenproteine diese zur Proteinauffaltung unterhalb ihrer isoelektrischen Punkte erhitzt, wobei die Molkenproteinfällung erst erfolgt, wenn der pH-Wert nach der thermischen Proteinauffaltung in den isoelektrischen Bereich angehoben wurde, wobei der Proteingehalt < 0,60 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt des Ausgangssubstrates < 0,55 Gew.-% beträgt und sich die Mikropartikel ohne mechanische Beanspruchung bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß, d. h. eines aus Molke oder Molkenbuttermilch thermisch behandelten Molkenproteins, das aufgrund seiner durchschnittlichen Partikelgröße von 1–15 µm ein fettähnliches Mundgefühl bewirkt und somit als Fettaustauscher, Lebensmittel-Zusatzstoff oder als Diätetikum geeignet ist.
Es ist bekannt, dass Molkeneiweiß durch Mikropartikulierung auf eine Partikelgröße von 1–15 µm ein fettähnliches Mundgefühl erzeugt und somit als energiereduzierter Fettaustauscher verwendet werden kann. Das Verfahren der Mikropartikulierung beinhaltet zwei Verfahrensschritte, die Hitzedenaturierung und eine Scherung einer Proteindispersion für eine festgelegte Zeit, wodurch Proteinaggregate mit einer definierten Partikelgröße entstehen. Diese Verfahrensschritte können getrennt voneinander oder gleichzeitig realisiert werden. Die Mikropartikulierung der Proteine wird beeinflusst durch die Inhaltsstoffe (Proteinkonzentration, Lactosegehalt, Calciumkonzentration), den pH-Wert und die Erhitzungsbedingungen [Spiegel, T. und Huss, M. (2002) „Whey protein aggregation under shear conditions – effects of pH-value and removal of calcium", International Journal of Food Science and Technology 37: 559–568].
Eine Reduzierung der Calciumkonzentration führte zur Bildung von zu großen Proteinaggregaten. Im Regelfall werden Molkenproteinkonzentrate thermisch denaturiert und die Partikelgröße wird mechanisch eingestellt unter Verwendung von Homogenisatoren, Mikrofluidizern, Schabewärmeaustauschern, Doppelschnecken-Extrudern oder durch Rotor-Stator-Homogenisatoren bzw. mittels Ultraschall [PAQUIN, P. (1999) „Technological properties of high pressure homogenizers: the effect of fat globules, milk proteins, and polysaccharides" International Dairy Journal 9: 329–335; ZISU, B.; BHASKARACHARYA, R.; KENTISH, S.; ASHOKKUMAR, M. (2010) „Ultrasonic processing of dairy systems in large scale reactors" Ultrasonics Sonochemistry 17: 1075–1081].
Das ursprünglich von SINGER et al. ( EP 0 323 529 A1 ) entwickelte Verfahren basierte noch auf der Verwendung von Bovinem Serumalbumin, Hühnereiklar oder Sojaprotein mit Zusätzen, wie Lezithin oder Stabilisatoren (z. B. Xanthan). Diese Bestandteile wurden unter stark scherenden Bedingungen (z. B. im Mikrofluidizer) bei pH-Werten unterhalb der isoelektrischen Punkte der Proteine erhitzt, so dass aggregierte Proteinpartikel in der Größe von 0,1–2 µm entstanden. Diese Mikropartikulierung weiteten SINGER, et al. ( US 4 73 42 87 ; EP 0 250 623 A1 ) auf die Verwendung von Molkenproteinkonzentraten aus.
Die Mikropartikulierung wurde oft modifiziert, wobei das Hauptaugenmerk immer auf der Scherung des denaturierten Proteins lag. HUSS und SPIEGEL ( DE 199 06 379 B4 ) beschreiben, wie Süßmolke im Bereich von pH 5,0 bis 6,5 und bei Temperaturen von 75 bis 150 °C im Schabewärmeaustauscher mikropartikuliert wird. Der Proteindenaturierungsgrad soll bei 95 % liegen. Anschließend wird die thermisch behandelte Molke mittels Ultrafiltration aufkonzentriert und gegebenenfalls getrocknet. Nachteilig ist, dass die Hitzebehandlung der Molkenproteine unmittelbar mit der mechanischen Zerkleinerung im Wärmeaustauscher gekoppelt ist und somit die gegenläufigen Verfahrensschritte der Wärmeübertragung und der mechanischen Scherung für die Erzielung von Mikropartikeln nicht voneinander unabhängig vorgegeben und praktiziert werden können. Dadurch ist die Einstellung von definierten Partikelgrößen mit einem engen Größenverteilungsspektrum nur sehr schwer möglich. Außerdem muss der Schabewärmeaustauscher mit einer möglichst hohen Drehzahl betrieben werden, was einen hohen Energieaufwand erfordert und den Verschleiß des Rotors stark erhöht.
KRÜSEMANN ( WO 2006/024395 A1 ) will diese Nachteile beseitigen, indem die Proteindenaturierung des Molkenproteinkonzentrates in einer separaten Wärmebehandlungsvorrichtung mit einer Verweilstrecke durchgeführt wird und getrennt davon die Scherung in einem Schabewärmeaustauscher oder Homogenisator erfolgt.
In der WO 2008/063115 A1 wird das Verfahren modifiziert und das heiße Proteinkonzentrat mit einem Homogenisator in eine Heißhaltestrecke gedrückt, um die Partikel anschließend im Homogenisator zu zerkleinern.
Basierend auf dem Verfahren von HUSS und SPIEGEL ( DE 199 06 379 B4 ) entwickelte die Firma APV einen speziell für die Mikropartikulierung konzipierten Schabewärmeaustauscher ( EP 1 775 542 ; WO 2006/024395 A1 ).
Nachteilig an diesen Verfahren ist, dass sie wegen der definierten Scherung technisch aufwendig sind und dass als Rohstoff in der Regel Molkenproteinkonzentrate benötigt werden.
BURGER ( WO 2010/072203 A3 ) beschreibt ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkenproteinkonzentraten, bei dem während der Dispergierung in einem Rotor-Stator-Homogenisator Dampf zur Proteindenaturierung direkt zugeführt wird. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass es sehr schwer kontrollierbar ist und definierte Partikelgrößen kaum zu realisieren sind.
Noch komplizierter als die diskutierten Verfahren ist die Mikropartikulierung über eine zweistufige Emulgierung, kombiniert mit einem thermischen Schritt sowie zwei Zentrifugationen und mehreren Waschschritten [SAĞLAM, D.; VENEMA, P.; de VRIES, R.; SAGIS, L.M.C.; van der LINDEN, E. (2011) „Preparation of high protein micro-particles using two-step emulsification" Food Hydrocolloids 25: 1139–1148].
Eine partielle Mikropartikulierung wasserlöslicher, hitzedenaturierbarer Proteine, vorrangig Molkenproteine, hat EP 0 347 237 B1 zum Inhalt. Dabei werden Molkenproteinkonzentrate oder Molke mit maximal 15 % Trockensubstanz unter neutralen Bedingungen erhitzt und die denaturierten Proteine durch Absenken des pH-Wertes auf pH 4,7 gefällt. Die Proteinaggregate haben eine Partikelgröße bis zu 50 µm, weshalb die großen von den kleinen durch Zentrifugation abgetrennt werden müssen. Abschließend werden die mikropartikulierten Proteine aufkonzentriert. Dieses Verfahren ist zwar leicht durchführbar, die gewünschte Partikelgröße von 0,1–15 µm ist aber ohne nachgeschaltete Zentrifugation nicht realisierbar. Außerdem treten dadurch größere Proteinverluste auf.
Auf dem gleichen Verfahrensprinzip basiert die Mikropartikulierung eines mit α-Lactalbumin angereicherten Molkenproteins ( EP 0 412 512 A1 ). Dieses modifizierte Molkenprotein wird unter Verzicht auf eine starke Scherung nur durch eine thermische Behandlung unter neutralen Bedingungen und Fällung bei pH 4,8 mikropartikuliert. Wie sich definierte Partikelgrößen einstellen lassen, bleibt offen. Ein weiterer Nachteil ist die aufwendige Anreicherung des Molkenproteins mit α-Lactalbumin.
DE WIT ( DE 30 43 691 C2 ) entwickelte ein ähnliches Verfahren zur Herstellung löslicher, denaturierter Molkenproteine bei dem Molke oder entsalzte Molke unter neutralen bis leicht alkalischen Bedingungen erhitzt und nach Abkühlen bei pH 4 bis 5 aufkonzentriert wird. Die so erhitzte Suspension ist zwar partiell löslich, die Partikelgröße wird aber nicht angegeben und beim Nacharbeiten der Beispiele war auch keine Variante dabei, bei der der Partikel-Größenbereich von 1–15 µm getroffen wurde.
SAFFON et al. (1011) [SAFFON, M.; BRITTEN, M.; POULIOT, Y. (2011) „Thermal aggregation of whey proteins in the presence of buttermilk concentrate" Journal of Food Engineering 103: 244–250] erzeugten aus einer durch Mikro- und Ultrafiltration aufkonzentrierten Mischung aus Molke und Buttermilch Mikropartikel, indem sie das Gemisch bei pH 4,6 auf 90 °C erhitzten anschließend das Präzipitat homogenisierten. Eine zusätzliche Ultraschallbehandlung beschleunigte noch die thermische Aggregation, hatte aber auf die Partikelgröße keinen Einfluss.
Eine partielle thermische Denaturierung eines Molkenproteinkonzentrates bei pH 6,0 bis 6,5 beschreibt WO 1992020239A1 sowie die Verwendung des Produktes vorrangig in Eiskrem. Die partiell denaturierten Molkenproteine sind thermostabil und koagulieren nicht bei der Pasteurisierung des Eiskremmixes. Definierte Partikelgrößen des Molkenproteins werden in dieser Patentschrift nicht genannt und es ist aus langjähriger Erfahrung heraus auch nicht zu erwarten, dass so Partikel mit einer Größe von 1–15 µm entstehen.
Aus US 5 750 183 A ist ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkenprotein bekannt, bei dem die Molke zunächst bei pH 4,7 von Caseinspuren durch Zentrifugation befreit wird, und anschließend erfolgt die Mikropartikulierung durch eine Ethanolfällung unter neutralen pH-Bedingungen. Hierzu ist eine große Menge an unvergälltem Alkohol notwendig, die abschließend wieder entfernt werden muss.
Die WO 2006/034857 A2 offenbart die Erzeugung von Nanopartikeln aus Molkenprotein. Dazu werden Molkenproteinisolat und reines β-Lactoglobulin, die vergleichsweise zu Molke praktisch salzfrei sind, zu Nanopartikeln durch einstufiges Erhitzen bei unterschiedlichen pH-Werten verarbeitet. Die so gebildeten Nanopartikel rufen mit abnehmender Partikelgröße ein schnell abnehmendes fettähnliches Mundgefühl hervor. Problematisch ist zudem, dass die verwendeten Ausgangsstoffe kostenintensiv sind.
Die US Pat. 4 188 411 A offenbart die partielle Denaturierung zur Viskositätserhöhung von Molkenproteinkonzentrat durch Erhitzen unter sauren Bedingungen. Dieses modifizierte Molkenproteinkonzentrat wird Frischkäse zugegeben. Das Molkenproteinkonzentrat wird beim Erhitzungsschritt auf Proteinkonzentrationen von >10 Gew.-% eingestellt.
Weiterhin bekannt ist die Denaturierung von Molkenprotein als Basis für eine Modifizierung der funktionellen Eigenschaften (Konrad, G. und Lieske, B.: Gezielte thermische Denaturierung – ein alternativer Weg zu funktionellerem Molkenprotein. In: Deutsche Milchwirtschaft, Bd. 45, 1994, H.23, S. 1130–1134). Darin wird beschrieben, wie sich eine zweistufige Denaturierung nach Modler und Emmons (Modler, H.W. und Emmons, D.B.: Properties of Whey Protein Concentrate Prepared by Heating Under Acidic Conditions. In: Journal of Diary Science, Bd. 60, 1977, H. 2, S. 177–184) auf die Funktionalität des Molkenproteins auswirkt. Es wird dabei festgestellt, dass nach einer solchen Behandlung das Molkenprotein noch wasserlöslich aber hochviskos ist. Weiter wird berichtet, dass sich derartig modifiziertes Protein durch Anwendung von hohen Drücken mikropartikulieren lässt. Unter Verwendung von normaler Molke entstehen nach einer zweistufigen thermischen Fällung jedoch viel zu große Partikel. Ohne nachfolgende physikalische Scherverfahren lassen sich diese Präzipitate auch nicht zerkleinern.
Diesen bekannten Verfahren ist gemeinsam, dass sie entweder auf der Verwendung von im Vergleich zu Molke teuren Molkenproteinkonzentraten basieren oder dass sie auch nicht ohne eine mechanische Zerkleinerung der denaturierten Proteinpartikel auskommen, was die Mikropartikulierung verkompliziert und verteuert. Bekannte Verfahren, die auf der zweistufigen Hitzedenaturierung basieren, können ohne selektive Zentrifugation keine Proteinaggregate mit enger Partikelgrößenverteilung generieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß anzugeben, das es ermöglicht, Molke oder Molkenbuttermilch thermisch so zu behandeln, dass Proteinpartikel mit einer definierbaren Größe im Bereich von 1–15 µm ohne zusätzliche Schereinwirkung oder selektive Zentrifugation entstehen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß vorgeschlagen, bei dem die Molkenproteine unterhalb ihrer isoelektrischen Punkte erhitzt werden und die Aggregation erst erfolgt, wenn der pH-Wert nach der thermischen Proteinauffaltung in den isoelektrischen Bereich angehoben wird. Erfindungsgemäß wird hierzu Molke oder Molkenbuttermilch mit einem Reinproteingehalt < 0,60 Gew.-% (Bestimmung nach KJEDAHL: Gesamtstickstoff – Nicht-Protein-Stickstoff·6,38) und einem Mineralstoffgehalt < 0,55 Gew.-% als Ausgangsmaterial verwendet.
In einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß durch thermische Fällung von Molkenprotein die folgenden Schritte:

– Proteinauffaltung durch Erhitzung der Molkenproteine bei pH < 4.0 auf Temperaturen von > 75 °C,
– scherungsfreie Fällung der Molkenproteine bei pH > 4.4 und bei > 60 °C,
– Aufkonzentrierung der gefällten, mikropartikulierten Molkenproteine und
– Trocknung des Mikropartikulats.

In einer Ausführungsform der Erfindung werden alle Molkenarten, einschließlich rekonstituiertem Molkenpulver, als Ausgangsmaterial verwendet.
In einer Ausführungsform der Erfindung dienen als Rohstoffe Süß- oder Sauermolke und Molkenbuttermilch.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden Molke oder Molkenbuttermilch mit einem Reinproteingehalt < 0,60 Gew.-% und einem Mineralstoffgehalt < 0,55 Gew.-% zweistufig thermisch so behandelt, dass man die molekulare Auffaltung der Proteine von der Aggregation zeitlich trennt, indem das Molkeneiweiß bei pH < 4.0 auf Temperaturen von > 75 °C, vorzugsweise 80 bis 95 °C, prädenaturierend erhitzt und die Fällung bei pH > 4.4 und bei > 60 °C scherungsfrei durchgeführt wird, wonach eine Aufkonzentrierung erfolgt.
Als Molke wird im Sinne der vorliegenden Erfindung die Flüssigkeit bezeichnet, welche bei der Abtrennung des Caseins aus Milch, Rahm und Magermilch anfällt. Dabei wird zwischen Süß- und Sauermolke unterschieden, wobei Süßmolke das Milchserum ist, das durch Abscheiden des Caseins nach überwiegender Labeinwirkung anfällt. Als Sauermolke wird hingegen das Milchserum bezeichnet, welches durch isoelektrische Fällung des Käsestoffs nach überwiegender Säureeinwirkung gewonnen wird.
Molke besteht üblicherweise zu etwa 94,5 Gew.-% aus Wasser, zu 4 bis 5 Gew.-% aus Milchzucker und ist nahezu fettfrei. Außerdem enthält sie Milchsäure, die Vitamine B1, B2 (dies bewirkt die grünliche Farbe) und B6 sowie Kalium, Calcium, Phosphor und andere Mineralstoffe und vor allem 0,65 bis 0,7 Gew.-% Molkenprotein als Reinprotein. Der Rohproteingehalt (Reinprotein + Nicht-Protein-Stickstoff) liegt bei 1,0 Gew.-%.
In einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der Reinproteingehalt der Molke oder Molkenbuttermilch < 0,60 Gew.-%, vorzugsweise < 0,50 Gew.-%. Je geringer der Reinproteingehalt ist, desto kleinere Partikel werden nach der zweistufigen Hitzebehandlung erhalten.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Molkenproteinkonzentrat mit einem Reinproteingehalt < 1,0 Gew.-% und einem Mineralstoffgehalt < 0,55 Gew.-% als Ausgangsmaterial verwendet. Molkenproteinkonzentrate werden durch Ultrafiltration von Molke gewonnen. Da die Mineralstoffe überwiegend durch die Membranen ins Permeat übergehen, sind Molkenproteinkonzentrate im Vergleich zu Molke salzarm. Sie lassen sich deshalb im Vergleich zu Molke mit einem etwas höheren Reinproteingehalt mikropartikulieren.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird bei Verwendung von Lab- oder Sauermolke der Reinproteingehalt vorzugsweise < 0,50 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt auf vorzugsweise < 0,45 Gew.-% vor der thermischen Behandlung reduziert.
Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass Molke oder Molkenbuttermilch ohne mechanische Scherung mikropartikuliert werden kann, wenn Molke oder Molkenbuttermilch mit einem Reinproteingehalt < 0,60 Gew.-% und einem Mineralstoffgehalt von < 0,55 Gew.-% zweistufig thermisch so behandelt werden, dass während der Proteindenaturierung die molekulare Auffaltung von der Aggregation zeitlich getrennt wird.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist das bevorzugte Substrat Molkenbuttermilch. Diese entspricht in ihrer Zusammensetzung einer Molke, die um den Anteil des Fettgehaltes des Ausgangs-Molkenrahms verdünnt ist und somit ideal für das angestrebte Ziel geeignet und zudem sehr kostengünstig ist. Der Reinproteingehalt der Molkenbuttermilch liegt bei 0,4–0,5 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt bei 0,45–0,55 Gew.-%.
Durch Variieren der Erhitzungsbedingungen lassen sich definierte Partikelgrößen der Proteinaggregate aufbauen. Die verwendete Molke oder Molkenbuttermilch darf nur einen Reinproteingehalt < 0,60 Gew.-% und einen Mineralstoffgehalt < 0,55 Gew.-% aufweisen, weil sonst nach der zweistufigen thermischen Behandlung Präzipitate mit zu großer Partikelgröße entstehen.
Zu erwarten war dieser Effekt nicht, da während der thermischen Fällung der Molkenproteine in unbearbeiteter Lab- oder Sauermolke wegen des zu hohen Protein- und Aschegehaltes immer Partikel mit sehr unterschiedlicher Größenverteilung erhalten werden, die einen Partikeldurchmesser von weit über 20 µm aufweisen. Für die Erzeugung von Mikropartikeln mit Partikelgrößen von 1–15 µm ist immer ein zweiter selektiver mechanischer Zerteilungsschritt notwendig. Dadurch, dass unter sauren pH-Bedingungen Molkenproteine wegen des ausbleibenden Disulfidaustausches und wegen der einheitlichen kationischen Ladung beim Erhitzen nicht ausfallen, lässt sich ein definierter Denaturierungsgrad des Molkenproteins exakt einstellen. Dieser sollte so hoch wie möglich sein, um hohe Ausbeuten realisieren zu können. Der erniedrigte Protein- und Mineralstoffgehalt sorgt dafür, dass ohne Rühren oder Scheren nur kleine Partikel mit Partikelgrößen von 1–15 µm entstehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kommt mit einem minimalen technischen Aufwand aus. Komplizierte Ausrüstungen, wie Schabewärmeaustauscher, Ultraschall-Homogenisatoren, Mikrofluidizer oder Hochdruckhomogenisatoren werden nicht benötigt. Es ist zudem nicht erforderlich, Molke oder Molkenbuttermilch vor der thermischen Behandlung durch Ultrafiltration zu einem Molkenproteinkonzentrat aufzukonzentrieren.
Wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass der Reinproteingehalt um mindestens 0,1 Gew.-% geringer als in Molke ist und der Mineralstoffgehalt der Ausgangssubstrate < 0,55 Gew.-% beträgt. Dies erreicht man bei Verwendung von Molke, indem im einfachsten Fall durch Verdünnen, etwa mit Wasser oder mittels Nanofiltration bzw. Ionenaustausch oder Elektrodialyse der Mineralstoffgehalt eingestellt wird. Molkenproteinkonzentrate und Isolate können verwendet werden, wenn sie mit Wasser vor der Mikropartikulierung auf einen Reinproteingehalt < 1,0 Gew.-% verdünnt werden. Der Eiweißgehalt kann deswegen bis 1 Gew.-% gewählt werden, da diese Rohstoffe vergleichsweise arm an Mineralstoffen sind. So enthält ein Molkenproteinkonzentrat mit 35 Gew.-% Protein nach Verdünnen auf 1,0 Gew.-% Protein nur 0,25 Gew.-% Mineralstoffe. Aus wirtschaftlichen Überlegungen heraus ist das aber nicht die bevorzugte Ausführungsform.
Die Auffaltung der Proteinmoleküle erfolgt durch Erhitzen unter sauren Bedingungen.
Dabei spielt der Molkentyp keine Rolle, da die Hauptmolkenproteine in Süß-, wie Sauermolke gleich verteilt sind.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegt der pH-Wert bei der Proteinauffaltung durch Erhitzen auf Temperaturen > 75 °C zwischen pH 2.0 und pH 4.0, bevorzugt zwischen pH 2,5 und 3,5. Zur pH-Einstellung kann jedes lebensmittelrechtlich zugelassene Säuerungsmittel verwendet werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung richtet sich die anzuwendende Temperatur bei der Proteinauffaltung nach der gewünschten Partikelgröße des mikropartikulierten Molkenproteins und liegt > 75 °C, vorzugsweise bei 80 bis 95 °C. Mit zunehmender Erhitzungstemperatur steigt die Partikelgröße. Wird z. B. Molkenbuttermilch bei pH 3,0 auf 80 °C für 5 min erhitzt und bei pH 5,0 gefällt, so steigt die Partikelgröße von 1,63 µm auf 4,73 µm bei 95 °C und 5 min Heißhaltung. Einen ähnlichen Einfluss auf die Partikelgröße hat eine verlängerte Heißhaltezeit. Darüber hinaus nimmt die Partikelgröße auch mit sinkendem Reinprotein- und Mineralstoffgehalt ab. Die Erhitzung und Heißhaltung erfolgt ohne scherendes Rühren.
In einer Ausführungsform erfolgt die Proteinfällung nach Anheben des pH-Wertes auf pH 4,6 bis 5,5. Diese pH-Werte liegen in der Nähe der isoelektrischen Punkte der Hauptmolkenproteine und garantieren eine nahezu vollständige Ausfällung.
In einer Ausführungsform der Erfindung liegen die Fälltemperaturen bei 80 °C bis 90 °C. Je höher diese Temperatur gewählt wird, desto kürzer kann die Verweilzeit gewählt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung erfolgt die scherungsfreie Fällung des Molkenproteins bei pH 4,7 bis 5,2 und bei Temperaturen zwischen 85 °C und 88 °C mit 5 min Heißhaltung. Während der Heißhaltung soll das Substrat nicht gerührt werden.
Während der zweistufigen Hitzefällung des Molkenproteins bilden sich Proteinpartikel in der Größe von 1 bis 15 µm. Der bevorzugte Größenbereich liegt zwischen 1,5 bis 5 µm. Das Verfahren ist so durchzuführen, dass möglichst keine Partikel gebildet werden die > 20 µm sind, da diese sensorisch als „sandig“ empfunden werden.
Das mikropartikulierte Molkenprotein kann angereichert werden durch Zentrifugation oder Membranfiltration. Besonders geeignet ist für das erfindungsgemäße Produkt eine Abtrennung mittels Dekanter oder Mikrofiltration. Das mikropartikulierte Proteinkonzentrat kann wahlweise direkt verwendet oder gegebenenfalls getrocknet werden. Der Einsatz von vorzugsweise Sprüh-, Warmluft- oder Gefriertrocknern ist möglich.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte mikropartikulierte Molkenprotein zu einem Pulver verarbeitet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältliches mikropartikuliertes Molkenprotein mit ≥ 90 Gew.-% Protein und ≤ 5 Gew.-% Mineralstoffe, welches eine mittlere Partikelgröße von 1–15 µm, vorzugsweise 1,5 bis 5,0 µm aufweist. Das mikropartikulierte Molkenprotein wird beispielsweise durch Sprühtrocknung getrocknet und ist aufgrund des geringen Mineralstoff- und Lactosegehalts geschmacksneutral.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte mikropartikulierte Molkenprotein eignet sich zur Verwendung als Lebensmittel-Zusatzstoff, Diätetikum oder zur Herstellung von fett- und energiereduzierten Lebensmitteln.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Molkenproteinisolat mit einer Partikelgröße von 1–15 µm, vorzugsweise 1,5–5 µm. Das Molkenproteinisolat zeichnet sich durch einen, Proteingehalt im getrockneten Isolat von ≥ 90 Gew.-% und einem Mineralstoffgehalt von ≤ 5 Gew.-% aus.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele eingehender erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele sollen die Erfindung dabei beschreiben ohne sich auf diese zu beschränken.
Beispiel 1
Molkenbuttermilch mit einem Gehalt von 0,52 Gew.-% Reinprotein und einem Aschegehalt von 0,41 Gew.-% wurde mit 5 M Salzsäure auf pH 3,0 eingestellt. Anschließend wurde auf 80 °C erhitzt und 10 min heißgehalten, bevor mit 5 M Natronlauge der pH-Wert auf pH 4,75 angehoben wurde. Das molekular aufgefaltete Molkenprotein präzipitierte mit definierter Partikelgröße, indem bei pH 4,75 für weitere 5 min die Molkenbuttermilch bei 80 °C ohne mechanische Bewegung heißgehalten wurde. Das Hauptmolkenprotein, β-Lactoglobulin, war zu 96,7 % denaturiert. Die Bestimmung der Partikelgrößenverteilung erfolgte mit einem Laserbeugungsspektrometer und die Bestimmung des Nativitätsgrades vom β-Lactoglobulin erfolgte spektrophotometrisch nach LIESKE; B. et al. (1997) [LIESKE, B.; KONRAD, G.; FABER, W. (1997): „A new spectrophotometric assay for native β-lactoglobulin in raw and processed bovine milk" International Dairy Journal 7: 805–812]. Der Sauterdurchmesser (d_3,2) betrug 1,65 µm und die Partikel waren monomodal verteilt. Das mikropartikulierte Molkenprotein ließ sich leicht mit einem Dekanter abtrennen und vakuumtrocknen. Im Zentrifugenüberstand verblieben 1,62 g/kg Reineiweiß das zu 55 % aus dem thermostabilen Caseinmakropeptid bestand. Das getrocknete Mikropartikulat hatte einen Sauterdurchmesser von 4,15 µm, wobei die Partikel monomodal verteilt waren.
Beispiel 2
Labmolke wurde mit Wasser im Verhältnis 3:1 (v/v) verdünnt, wodurch der Aschegehalt auf 0,39 Gew.-% und der Reinproteingehalt auf 0,49 Gew.-% reduziert waren. Anschließend wurde der pH-Wert mit 0,5 M Salzsäure auf pH 2,5 eingestellt und auf 90 °C für 2,5 min erhitzt. Nachdem der pH-Wert mit 5 M Natronauge auf pH 5,2 angehoben war, erfolgte eine Heißhaltung ohne Rühren bei 90 °C für 5 min. Der Sauterdurchmesser (d3,2) des Präzipitats betrug 4,14 µm und die Partikel waren bimodal verteilt, wobei ein zweiter kleiner Peak bei etwa 20 µm lag. Im Zentrifugenüberstand verblieben nur noch 1,44 g/kg Reineiweiß, wovon 62 % auf das thermostabile Caseinmakropeptid entfielen. Der Versuch zeigt, dass mit zunehmender Intensität der Erhitzung die durchschnittliche Partikelgröße des Präzipitats steigt und dass die zu erwartende Größenverteilung der Partikel breiter wird, bei gleichzeitig leicht erhöhter Ausbeute. Nach dieser zweistufigen Fällung des Molkenproteins ließ sich β-Lactoglobulin im Zentrifugenüberstand nicht mehr nachweisen. Weiter beweisen die Beispiele 1 und 2, dass sich der Sauterdurchmesser der Mikropartikel durch die Wahl der Erhitzungsbedingungen sehr gezielt und ohne jegliches Scheren einstellen lässt. Das mikropartikulierte Molkenprotein wurde mittels Mikrofiltration aufkonzentriert. Das anfallende Molkepermeat kann als Rohstoff für die Lactoseherstellung dienen. Nach Sprühtrocknung mit einer Lufteintrittstemperatur von 160 °C und einer Luftaustrittstemperatur von 75 °C betrug der Sauterdurchmesser 5,97 µm und die Verteilung der Partikel war monomodal.
Der Proteingehalt des getrockneten Mikropartikulats betrug 91,2 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt 4,3 Gew.-%. Lactose war nur noch in Spuren nachweisbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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US 4734287 [0004]
EP 0250623 A1 [0004]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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PAQUIN, P. (1999) „Technological properties of high pressure homogenizers: the effect of fat globules, milk proteins, and polysaccharides“ International Dairy Journal 9: 329–335 [0003]
ZISU, B.; BHASKARACHARYA, R.; KENTISH, S.; ASHOKKUMAR, M. (2010) „Ultrasonic processing of dairy systems in large scale reactors“ Ultrasonics Sonochemistry 17: 1075–1081 [0003]
SAĞLAM, D.; VENEMA, P.; de VRIES, R.; SAGIS, L.M.C.; van der LINDEN, E. (2011) „Preparation of high protein micro-particles using two-step emulsification“ Food Hydrocolloids 25: 1139–1148 [0011]
SAFFON, M.; BRITTEN, M.; POULIOT, Y. (2011) „Thermal aggregation of whey proteins in the presence of buttermilk concentrate“ Journal of Food Engineering 103: 244–250 [0015]
Konrad, G. und Lieske, B.: Gezielte thermische Denaturierung – ein alternativer Weg zu funktionellerem Molkenprotein. In: Deutsche Milchwirtschaft, Bd. 45, 1994, H.23, S. 1130–1134 [0020]
Modler, H.W. und Emmons, D.B.: Properties of Whey Protein Concentrate Prepared by Heating Under Acidic Conditions. In: Journal of Diary Science, Bd. 60, 1977, H. 2, S. 177–184 [0020]
LIESKE, B.; KONRAD, G.; FABER, W. (1997): „A new spectrophotometric assay for native β-lactoglobulin in raw and processed bovine milk“ International Dairy Journal 7: 805–812 [0054]

Claims

Verfahren zur Mikropartikulierung von Molkeneiweiß durch thermische Fällung von Molkenprotein, dadurch gekennzeichnet, dass die Molkenproteine zur Proteinauffaltung unterhalb ihrer isoelektrischen Punkte erhitzt werden und die Molkenproteinfällung erst erfolgt, wenn der pH-Wert nach der thermischen Proteinauffaltung in den isoelektrischen Bereich angehoben wurde, wobei der Proteingehalt < 0,60 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt des Ausgangssubstrates < 0,55 Gew.-% beträgt und sich die Mikropartikel ohne mechanische Beanspruchung bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend – Proteinauffaltung durch Erhitzung der Molkenproteine bei pH < 4.0 auf Temperaturen von > 75 °C, – scherungsfreie Fällung der Molkenproteine bei pH > 4.4 und bei > 60 °C, – Aufkonzentrierung der gefällten, mikropartikulierten Molkenproteine und – Trocknung des Mikropartikulats.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Proteinfällung nach Anheben des pH-Wertes auf pH 4,6 bis 5,5 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Proteinauffaltung bei 80 °C bis 95 °C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Proteinauffaltung bei pH 2.0 bis pH 4.0, bevorzugt zwischen pH 2,5 und 3,5 erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass alle Molkenarten, einschließlich rekonstituiertem Molkenpulver, als Ausgangsmaterial verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Molkenproteinkonzentrat mit einem Reinproteingehalt < 1,0 Gew.-% und einem Mineralstoffgehalt < 0,55 Gew.-% als Ausgangsmaterial verwendet wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von Lab- oder Sauermolke der Reinproteingehalt vorzugsweise < 0,50 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt auf vorzugsweise < 0,45 Gew.-% vor der thermischen Behandlung reduziert wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Mineralstoffgehalt des Ausgangssubstrates durch Verdünnen, Ionenaustausch, Elektrodialyse oder Nanofiltration eingestellt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzungsbedingungen so gewählt werden, dass das Molkenprotein mit einer mittleren Partikelgröße von 1–15 µm, vorzugsweise 1,5–5,0 µm gefällt wird.
Verfahren nach Patentanspruch 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkonzentrierung durch Zentrifugation oder Membranfiltration erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Trocknung, bevorzugt Sprühtrocknung, die Partikelgrößen monomodal verteilt sind.
Verwendung eines nach einem Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 12 hergestellten mikropartikulierten Molkenproteins als Lebensmittel-Zusatzstoff, Diätetikum oder zur Herstellung von fett- und energiereduzierten Lebensmitteln.
Molkenproteinisolat mit einer Partikelgröße von 1–15 µm, vorzugsweise 1,5–5 µm, dadurch gekennzeichnet, dass der Proteingehalt im getrockneten Isolat ≥ 90 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt ≤ 5 Gew.-% beträgt.
Mikropartikuliertes Molkenprotein erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Proteingehalt im getrockneten Partikulat ≥ 90 Gew.-% und der Mineralstoffgehalt ≤ 5 Gew.-% beträgt.