Die Käseherstellung besteht darin, die Proteine und das Fett der Milch zu konzentrieren, indem die wässrige Fraktion, das sogenannte "Molke", entfernt wird. Dieser Prozess beruht auf der enzymatischen Gelierung der Milch und der Destabilisierung der „Kaseinmizellen“, natürliche Kolloide, die den Großteil der Milchproteine konzentrieren.
Nach der Bildung durchlaufen die enzymatischen Milchgele einen spontanen Reifungsprozess, der als Alterung bezeichnet wird, bei dem sich ihre mechanischen Eigenschaften mit der Zeit verstärken. Diese Verstärkung ermöglicht das Schneiden der Gele in kleine Stücke und die Einleitung der Synärese, also die Kontraktion des Proteinnetzwerks und die Ausstoßung der Molke.
Während der Alterung ist der Zeitpunkt des Anschneidens entscheidend, nicht nur für die Kontrolle des Wassergehalts im Käse, sondern auch für die Herstellungserträge und den Verlust von Proteinen und Fett in der Molke. Trotzdem bleiben die Verarbeitungsverfahren heute weitgehend empirisch, da die Mechanismen der Gelbildung und -reifung noch nicht vollständig verstanden sind.
In einer kürzlich durchgeführten Studie haben Forscher des Laboratoire de Physique der ENS de Lyon (LPENSL, CNRS / ENS de Lyon) die Möglichkeiten der zeitaufgelösten mechanischen Spektroskopie genutzt, einer neuen Technik, die eine vollständige und schnelle Charakterisierung der rheologischen Eigenschaften von Materialien ermöglicht.
Durch die Kombination dieser rheometrischen Messungen mit strukturellen Charakterisierungen konnten sie erstmals zeigen, dass das mikroskopische Szenario, das die makroskopische Dynamik enzymatischer Milchgele bestimmt, zwei sequentielle Schritte umfasst. Erstens verdichtet sich das partikuläre Netzwerk, das am kritischen Gelierpunkt gebildet wird, was zu einer schnellen Zunahme der Festigkeit oder „Elastizität“ der Gele führt. Zweitens erstarrt die Mikrostruktur des Gels und die weitere Alterung erfolgt durch eine Veränderung der Kontakte zwischen den Partikeln, die das Gel bilden.
Charakteristische Elastizität (G0) enzymatischer Milchgele im Verlauf der Alterung und bei verschiedenen Volumenfraktionen (Φ0).
Dargestellt in Abhängigkeit von einer dimensionslosen Zeit (t), die die Gelierzeit berücksichtigt, zeigt die Entwicklung der Elastizität zwei unterschiedliche Regime, getrennt durch eine kritische Zeit (~20').
Die Mikroskopiebilder zeigen die Verdichtung des Partikelnetzwerks, die gleichzeitig mit der Zunahme der Elastizität der Gele erfolgt. Ein Bild der Gelstücke unmittelbar nach dem Schneiden ist ebenfalls dargestellt.
© T. Gibaud.
Die Entdeckung dieser beiden Alterungsregime, die durch eine kritische Zeit (in der Größenordnung von etwa zwanzig Minuten) getrennt sind, ist eine vielversprechende Entwicklung für die Käseindustrie. Die Herausforderung besteht nun darin, in Pilotversuchen dieses Wissen in Herstellungsrichtlinien zu überführen, um die ersten Schritte der Käseherstellung zu optimieren und zu automatisieren. Darüber hinaus hat diese Studie Auswirkungen, die weit über die Lebensmittelwissenschaften hinausreichen.
Zum ersten Mal zeigen diese Ergebnisse das makroskopische Signaturbild der Alterung eines kolloidalen Gels, die durch die Entwicklung der Kontakte auf Teilchenebene hervorgerufen wird. Das ursprüngliche Alterungsszenario enzymatischer Milchgele steht im Gegensatz zu anderen kolloidalen Gelen aus festen Partikeln, bei denen die Gesamtstruktur des Netzwerks während der gesamten Alterung konstant bleibt.
Dies unterstreicht die zusätzliche Komplexität dieser biologischen Systeme, die aus weichen Partikeln bestehen, und erfordert neue theoretische Rahmenbedingungen zu ihrer Beschreibung. Diese Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Materials veröffentlicht.
Referenz:
Two-step aging dynamics in enzymatic milk gels,
Physical Review Materials, veröffentlicht am 9. Juli 2024.
Doi: 10.1103/PhysRevMaterials.8.L072601
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