Milch- und Molkenkonzentrate - Ökologisch und ökonomisch sinnvoll

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1 Milch- und Molkenkonzentrate - Ökologisch und ökonomisch sinnvoll M.Sc. Melanie Marx, Dipl.-Ing. Joseph Dumpler, Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik Lehrstuhl für Lebensmittel- und Bioprozesstechnik, TU München-Weihenstephan Dipl. Kauffr. Verena Depping, M.Sc. Bryndís Stefánsdóttir, Prof. Martin Grunow Lehrstuhl für Produktion und Supply Chain Management, TU München Nahezu ein Drittel der rund 32 Mio. t Rohmilch, die im Jahr 2014 in Deutschland erzeugt wurden, dienten der Produktion von diversen Pulvern aus Milch und Milcherzeugnissen entlang ihrer Wertschöpfungskette (BLE, 2016). Dabei fließen 25 Prozent der in der Milchindustrie verbrauchten Energie in die Produktion von Milch- und Molkenpulver. Da Trockenmilch zur weiteren Verwendung meist wieder in Wasser gelöst wird, liegt es nahe, stattdessen flüssige Milch- oder Molkenkonzentrate einzusetzen. Das BMEL-Projekt Neue ressourcen- und energiesparende Prozesse zur Herstellung von Milch- und Molkenkonzentraten als Ersatz für Milch- und Molkenpulver setzt genau hier an und wird vom Bundesministerium für Ernährung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz seit Juni 2012 bis September 2016 mit rund 1,5 Millionen Euro gefördert. Einsparpotentiale durch Konzentrat statt Pulver Würde man auf den Trocknungsschritt verzichten und direkt Konzentrate einsetzen, so ergäbe sich in Deutschland ein Energiereduktionseffekt von etwa 1000 GWh/a. Es gibt keine andere einzelne Grundoperation im Bereich der Milchindustrie, die eine vergleichbare große Chance zur Energieeinsparung in sich birgt. Haltbare Konzentrate sind den Pulvern auch funktional überlegen, da sie direkt einsetzbar sind ohne die bei Pulvern häufigen Qualitätsprobleme durch Verklumpen und Schaumbildung beim Rückverdünnen zu zeigen. Darüber hinaus entfällt die benötigte Prozesstechnik für das Rückverdünnen. 25 1

2 Technologische Herausforderungen für haltbare Konzentrate Ein Wechsel hin zu Konzentraten erfordert innovative Methoden zur Haltbarmachung und neue Formen der Logistik. Ein Ziel dieses Projektes ist, die dafür nötigen Membrantrennverfahren und Erhitzungsverfahren für Milch- und Molkenkonzentrate für einen möglichst breiten 30 Einsatzbereich zu entwickeln. Dabei soll 31 der Wassergehalt soweit als möglich 32 reduziert werden, um das Transportge- 33 wicht von Konzentraten zu senken 34 (Abbildung 1). Den energetischen Vor- Molke Magermilch 35 teilen von flüssigen Konzentraten mit 36 möglichst niedrigem Transportgewicht 37 stehen jedoch bedingt durch den hohen 38 Trockenmassegehalt auch Herausforde- 39 rungen entgegen, für die technologische 40 Lösungsansätze im Rahmen des Pro- 41 jektes gefunden werden mussten. Flüs- 42 sige Milch- und Molkenkonzentrate sind 43 im Gegensatz zu Pulvern auf Grund 44 ihres vergleichsweise hohen Restwas- Abbildung 1. Verbleibendes Transportgewicht von Milch- und Molkekonzentraten in Abhängigkeit 45 der sergehaltes leicht verderblich, was eine Trockenmasse. 46 Erhitzung zur Verlängerung der Haltbarkeit unabdingbar macht. Die Erhitzung der Konzentrate führt durch die niedrigen ph-werte sowie durch die hohen vorherrschenden Salz- und Proteinkonzentrationen zu einer unerwünschten Strukturveränderung der Proteine. Durch die Konzentrierung von Milch oder Molke kommt es zu einer starken Anreicherung der ohnehin schlecht löslichen Bestandteile Laktose und Calciumphosphat, weshalb es nach Überschreiten der Löslichkeitsgrenzen zur Bildung von Kristallen kommt. Besonders bei Milchkonzentraten stellen auch enzymatische Restaktivität sowie altersbedingte Nachverdickung eine Hürde dar. Wo liegen die Grenzen der Erhitzbarkeit von Konzentraten? Konzentrate aus Magermilch sowie Molke zeigen einen niedrigeren ph-wert als die Ausgangsmilch, der Gehalt an vegetativen Mikroorganismen und Sporen nimmt pro Volumeneinheit zu, die Viskosität steigt an und Laktose und Milchsalze tendieren vermehrt zur Kristallisation. Erhitzungsprozesse von Magermilchkonzentraten sind durch vermehrte Ansatzbildung auf 2

3 Erhitzeroberflächen und das Problem der hitzebedingten Aggregation der Caseinmicellen unter dem Einfluss des erhöhten Protein- und Salzgehaltes gekennzeichnet. Durch die hitzeinduzierte Aggregation der Caseine bei zu starker Erhitzung bilden sich Partikel im Konzentrat aus, die ein mehliges bis körniges Mundgefühl hervorrufen. Während der 64 Lagerung trennt sich dann das 65 destabilisierte Konzentrat in eine 66 proteinreichere von einer pro- 67 teinärmeren molkeähnlichen 68 Phase, wie in Abbildung 2, dar- 69 gestellt. Bei gleicher Heißhalte- 70 zeit und gleicher Trockenmasse Abbildung 2. Zentrifugenröhrchen mit Magermilchkonzentrat mit 27% Trockenmasse nach der direkten Erhitzung und Zentrifugation bei 4000g für 10 min. Von links nach rechts wurde die 71 nimmt der Anteil an Sediment mit 72 steigender Temperatur zu, wobei Erhitzungstemperatur im Bereich von 117 bis 149 C variiert. 73 bis zu einer kritischen Temperatur keine Sedimentbildung zu beobachten ist. Erhitzungstemperaturen im UHT-Bereich über 135 C für 10 s sind bei Magermilchkonzentraten über 22 % Trockenmasse ohne weitere technologische Maßnahmen aufgrund der Hitzeinstabilität des Magermilchkonzentrates bisher nicht möglich. Abbildung 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Trockenmasse von Magermilchkonzentrat und der Sedimentbildung durch Proteinaggregation bei konstanter Heißhaltezeit von 9,5 s. Die Erhitzbarkeit nimmt mit steigender Trockenmasse linear ab. Der weiße Bereich zeigt die Temperaturen und Trockenmassen, in denen keine Sedimentbildung auftritt. In diesem Bereich können lagerstabile Konzentrate erhalten werden, bei niedrigeren Trockenmassen steril, bei höheren Trockenmassen frei von vegetativen Keimen sind Abbildung 3. Linien gleichen Sedimentanteils in Prozent bei der direkten Erhitzung von Magermilchkonzentrat mittels 95 Dampfinjektion in Abhängigkeit der Trockenmasse bei 9,5 s 3 Heißhaltezeit. Bisher wurde versucht, die Partikelbildung bei zu starker Erhitzung durch eine nachfolge aseptische Homogenisierung wieder zu beheben. Dies führt jedoch bei hohen Trockenmassen und einer Erhitzung im UHT-Bereich zu einer puddingartigen Konsistenz des erhitzten Konzentrates ähnlich einem Mikropartikulat. Die schonende ESL-Hocherhitzung, die eine Kühllagerung der Konzentrate bedingt, kann

4 für die Haltbarkeitsverlängerung von Magermilchkonzentrat bis 28 % Trockenmasse angewandt werden. Die Direkterhitzung von Magermilchkonzentraten bietet dabei den Vorteil, dass neben erwartbaren höheren Standzeiten der Erhitzungsanlage zwischen zwei Reinigungszyklen, die die Aufheiz- und Abkühlphasen und deren Einfluss auf die hitzebedingte Aggregation und damit die Hitzedestabilisierung der Caseine entfällt. Zusätzlich entsteht eine Verdünnung während der Heißhaltung um ca % durch das Dampfkondensat, das die Hitzestabilität in dem Bereich der Erhitzung der Konzentrate erhöht, wo die Aggregationsreaktion auftritt. Bei Betrachtung von Molkenkonzentraten zeigen sich bezüglich der Nichtproteinbestandteile die gleichen Schwierigkeiten wie bei Milchkonzentraten. Bezüglich der Erhitzbarkeit der Proteinfraktion von Molkenkonzentraten ist die Problematik der Haltbarmachung von eine völlig andere als bei Milchkonzentraten. Die thermisch labilen Molkenproteine stellen die hauptwertgebende und wertvollste Komponente von Molkenkonzentraten dar. Ziel ist es, die Molkenproteine zu einem möglichst hohen Anteil in nativer Form in den Molkenkonzentraten mit Trockenmassen von bis zu 30% zu erhalten, damit die Funktionalität der Proteine für die nachfolgende Verwendung als Lebensmittelzusatzstoff bestmöglich erhalten bleibt. Da bei einer Erhitzung im UHT-Bereich die Molkenproteinfraktion nahezu vollständig hitzedenaturiert wird und dabei außerdem unlösliche Proteinaggregate entstehen, stellt dies keine sinnvolle Option für die Haltbarmachung von Molkenkonzentraten dar. Die Molkenproteine in überwiegend nativer Form zu erhalten, ist allerdings unter physiologischen Bedingungen bei Erhitzungstemperaturen oberhalb von 90 C und einer Heißhaltezeit von 5 s bereits nicht mehr realisierbar. Der im Vergleich zu Molke erhöhte Proteingehalt von Molkenkonzentraten führt bereits bei Temperaturen knapp oberhalb des Pasteurisierungsbereiches zu einer um etwa 30% verstärkten Molkenproteindenaturierung bei einer Steigerung der Trockenmasse von 6 auf 30%. Deshalb muss hierfür auf schonendere Verfahrensalternativen zurückgegriffen werden, die allerdings keine Lagerung der Konzentrate bei Raumtemperatur ermöglichen. Verfahrensalternativen für die Haltbarmachung von Milch- und Molkenkonzentraten Neben dem klassischen Weg, der für Milchkonzentrate zunächst die Konzentratherstellung mittels Eindampfung oder energetisch vorteilhafter mittels Umkehrosmose vorsieht und anschließend die Erhitzung, erscheint es aus der Sicht der Umgehung hitzebedingter Aggregationsreaktionen ins-besondere bei Konzentraten hoher Trockenmasse sinnvoll, die Erhitzung vor der Konzentrierung durchzuführen. Dadurch können selbst thermophile bakterielle Sporen ausreichend inaktiviert werden. Zugleich lässt sich eine Eiweißstabilisierung durch- 4

5 führen, die zu einer Erhöhung der Hitzestabilität bei der zweiten Erhitzung führt. Milcheigene Enzymaktivität, vor allem Milchplasmin, lässt sich durch eine bei der indirekten Ultrahocherhitzung ohnehin erforderlichen Vorheißhaltung soweit reduzieren, sodass die hohe proteolytische Aktivität in den Konzentraten nicht zum Verderb durch Bitterpeptide, Offlavour und Gelbildung führt. Nach der Konzentrierung erfolgt dann eine zweite Erhitzung, die sich nach der Trockenmasse bzw. der Hitzestabilität des Konzentrates richtet. Mögliche Prozessalternativen für die Herstellung von Magermilchkonzentraten nach dem vorgeschlagenen Verfahren sind in Abbildung 4 dargestellt. Aus technologischer Sicht haben sich Milchkonzentrate mit fettfreien Trockenmassen von % als sehr günstig herausgestellt. Die Haltbarmachung durch Erhitzung ist bei diesen Trockenmassen noch ausreichend möglich, alle Milchinhaltsstoffe sind noch löslich und eine Lagerstabilität von 6 Wochen bei Raumtemperatur ohne mikrobielles Wachstum sowie von bis zu 4 Monaten unter Kühllagerung der Konzentrate < 8 C konnte erreicht werden. Das Nachdicken der Magermilchkonzentrate stellt bei Konzentraten ohne mikrobielles Wachstum und geringer proteolytischer Aktivität letztendlich den limitierenden Faktor dar. Pasteurisierte Magermilch UHT-Erhitzung Indirekte Erhitzung Hocherhitzung Indirekte Erhitzung C/2-120s Umkehrosmose %TS Umkehrosmose %TS Umkehrosmose %TS Pasteurisation Hocherhitzung Injektion/Infusion C/6-13 s Hocherhitzung Indirekt C/2-10 s 146 Pasteurisiertes Magermilchkonzentrat Steriles Magermilchkonzentrat Länger haltbares Magermilchkonzentrat Abbildung 4. Verfahrensalternativen zur Herstellung von pasteurisiertem Magermilchkonzentrat mittels Konzentrierung und anschließender Erhitzung (links). Alternativ dazu eine vorangeschaltete Erhitzung zur Eiweißstabilisierung und Sterilisation der Milch, eine nicht-aseptische Konzentrierung mittels Umkehrosmose und anschließend eine Hocherhitzung zur Inaktivierung vegetativer Rekontaminationskeime und sporen analog zur Herstellung von Kondensmilch. Ob die Konzentrate nach der zweiten Erhitzung jedoch kommerziell steril sind, hängt von der Rekontamination der sterilen Magermilch mit Sporenbildnern während der Konzentrierung mittels Umkehrosmose (oder Eindampfung) ab. Vegetative Mikroorganismen spielen bei den anwendbaren Temperatur-Zeit-Kombinationen für Konzentrate selbst mit 32 % Trockenmas- 5

6 se erwartbar keine Rolle, sodass durch das vorgeschlagene Verfahren unter Kühllagerung in jedem Fall 3 Wochen Haltbarkeit erreicht werden können. Da bei Molkenkonzentraten einerseits durch die Konzentrierung eine hohe Keimbelastung zwischen 10 5 und 10 6 KbE/mL vorliegt und andererseits die thermisch instabilen Molkenproteine erhalten werden sollen, ist für die Haltbarmachung ein schonendes Verfahren mit ausreichender Keiminaktivierung erforderlich. Verfahrensalternativen für die Erhitzung von Molkenkonzentraten bei bestmöglicher Erhaltung der Molkenproteinnativität sind in Abbildung 5 dargestellt Abbildung 5. Verfahrensalternativen zur Herstellung von pasteurisierten Molkenkonzentraten mit hohem nativen Molkenproteinanteil Durch eine Pasteurisierung des Konzentrates bei C für 30 s wird der Keimgehalt abhängig von der Trockenmasse um drei bis fünf Zehnerpotenzen reduziert und unter Kühllagerung bei 4 C eine Haltbarkeit von 16 Wochen erzielt. Die Molkenproteindenaturierung liegt abhängig von der Trockenmasse bei maximal 15%, wobei mit zunehmender Trockenmasse eine Abnahme des Denaturierungsgrades auf 3% festgestellt wurde. Im Vergleich zur Pasteurisierung zeigt das Kombinationsverfahren aus mechanischer und thermischer Keimabtrennung bzw. inaktivierung eine höhere Keiminaktivierung, die durchschnittlich bei sechs Zehnerpotenzen liegt. Unter Kühllagerung wird hierbei eine Haltbarkeit von 20 Wochen erreicht. Gleichzeitig werden 85% der Molkenproteine im nativen Zustand im Konzentrat erhalten. Dieses an die Extended Shelf Life Technologie angelehnte Kombinationsverfahren aus Entkeimungsfiltration und Pasteurisierung zur Herstellung länger haltbarer Frischmilch und eignet sich demnach für die Haltbarmachung von Molkenkonzentraten bis zu einer Trockenmasse von etwa 27% besonders gut. Erst im Bereich einer Trockenmasse von etwa 30% kommt es zu verstärkter chemisch-physikalischer Instabilität der Proben, die vor allem durch Kristallisationsreaktionen von Laktose und Calciumphosphat hervorgerufen wird. 6

7 Bewertung entlang der Wertschöpfungskette In einem interdisziplinären Ansatz wird der Einsatz unterschiedlicher Technologien und Prozessvarianten in Kombination mit verschiedenen möglichen Trockenmassengehalten von Konzentraten entlang der Wertschöpfungskette evaluiert. Eine Arbeitsgruppe am Lehrstuhl für Produktion und Supply Chain Management von Herrn Prof. Martin Grunow analysiert hierfür die Markt- und Logistikanforderungen der Industrie und bewertet die ökologische Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit von Konzentraten. Zum Vergleich der Umwelteffekte von Pulver und Konzentrat wurde ein Life Cycle Assessment (LCA) durchgeführt. Das LCA umfasst jene Prozessschritte, die von dem Wechsel von Pulver hin zum neuen Produkt Konzentrat betroffen sind. Diese werden mit einer Ökobilanz-Software evaluiert. Konzentrate besitzen dabei über die Wertschöpfungskette hinweg einen deutlich niedrigeren kumulierten Energiebedarf als Pulver; je nach gewünschtem Trockenmassegehalt liegt das Reduktionspotential bei 19% bis 35%. Aufgrund der größeren Transportvolumina und der für die meisten Konzentrate erforderlichen Kühlung, nehmen die Umweltvorteile mit steigender Transportdistanz jedoch ab; die Break-Even Distanz in der Kategorie kumulierter Energiebedarf liegt bei circa 1000 km Distanz zwischen Molkerei und Kunden. Mit Hilfe von Supply Chain Planning Methoden wurde des Weiteren ein mathematisches Modell zur Bewertung der Wirtschaftlichkeit von Konzentraten erstellt. Dieses integriert die Auswahl von Produktionstechnologien und Produktdesigns mit relevanten Supply Chain Entscheidungen, wie Transportmengen von Rohmilch und Konzentrat und Investitionen in Anlagen. Im Modell werden drei praxisrelevante Unsicherheiten bezüglich der Nachfrage von Konzentraten berücksichtigt: die geforderte Haltbarkeit, die Nachfrage nach bestimmten Produkt-Trockenmassegehalten und das Nachfragevolumen. Die Ergebnisse zeigen, dass aus ökonomischer Sicht insbesondere Konzentrate von Vorteil sind, die mittels Umkehrosmose hergestellt werden und Trockenmassegehalte von 25 bis 30% besitzen. Diese Erkenntnisse stehen im Einklang mit den technologischen Ergebnissen der Gruppe von Herrn Prof. Ulrich Kulozik Umsetzung der Konzentrat-Technologie in die Praxis An dem Projekt beteiligen sich neben den Teams von Herrn Prof. Kulozik und Herrn Prof. Grunow auch zwei Unternehmen der deutschen Milchwirtschaft, die zum einen eine reale Datengrundlage für unterschiedliche Szenarien zur Verfügung stellen und zum anderen die entwickelten Prozesse in den industriellen Maßstab übertragen. So tragen Sie maßgeblich zum Gelingen des Projektes bei. Die Ergebnisse dieses Projektes sind insbesondere für 7

8 Molkereien und weiterverarbeitende Unternehmen interessant, die einen Wechsel hin zu Konzentraten in Erwägung ziehen Kontakt Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik Technische Universität München Lehrstuhl für Lebensmittelverfahrenstechnik und Molkereitechnologie Tel.: Danksagung Die Förderung des Vorhabens erfolgt aus Mitteln des Bundesministeriums für Ernährung, Landwirtschaft (BMEL) aufgrund eines Beschlusses des deutschen Bundestages. Die Projektträgerschaft erfolgt über die Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) im Rahmen des Programms zur Innovationsförderung. Literatur Bundesanstalt für Landwirtschaft und Ernährung (BLE) (2016): Marktsituation Milch und Milcherzeugnisse. URL: ndmilcherzeugnisse_node.html#doc bodytext5 Hinrichs, J., Boheim, C., & Kessler, H.-G. (1998). UHT-Erhitzen von Nanofiltrations-Milchkonzentraten. Deutsche Milchwirtschaft, 49,