Pufferkapazität mikrofiltrierter Magermilch-konzentrate

Die Pufferkapazität β von Magermilch (MM), von mokrofiltrieerten Magemilchkonzenytaten und von MM-Verdampfer-konzentrat wurde anhand einer titrimetrischen Methode und der van-Slyke-Gleichung bestmmt. Die Wirkung verschiedener Pufferpaare wurde durch individuelle Pufferungskurven und pKa-Werte abgebildet bzw. errechnet. Es zeigten sich lineare Korrelationen zwischen β und dem Casein-, dem Molkenprotein- und dem Aschegehalt. Höhere Trockenmasse-konzentrationen durch Konzentrierung mit Mikrofiltration sowie Verdampfung resultieren bei Säuretitration in höheren gemessenen Pufferkapazitäten.

Schlagwörter: Mikrofiltration, Milchkonzentrate, Pufferkapazität. 

Eingegangen: 23. Juli 2011; revidiert: 17.Januar 2012; akzeptiert: 24. Januar 2012.

1. Einleitung

Das fundamentale Massenwirkungsgesetz vom chemischen Gleichgewicht (Guldberg und Waage 1864, s. a. [1]) spielte bei der Entwicklung der analytischen und physikalischen Chemie eine bedeutsame Rolle. Aus diesem Gesetz leitete Henderson 1908 [2] eine mathematische Formulierung für die Beziehung zwischen der Dissoziation einer schwachen Säure und der Konzentration der Säure und ihres Salzes ab. Dieses als die Pufferung bekanntgewordene Konzept, das 1916 von Hasselbach [3] in der logaritmischen Form pH = pKa + log([Salz])/[Säure]) formuliert wurde, ging nachfolgend als Henderson-Hasselbalch-Gleichung in die Wissenschaft ein [4]. Im Jahr 1922 publizierte van Slyke [5] eine sehr detaillierte mathematische Abhandlung über die Bestimmung der Pufferung und über die Beziehung zwischen dem Pufferwert und der Dissoziationskonstanten des Puffers sowie der Konzentration und Reaktion der Pufferlösung. Diese Gleichungen findem noch heute in vielen Bereichen wissenschaftliche und praktische Anwendung. In der Milchverarbeitung spielt die Pufferung eine wichtige Rolle, denn sie stellt eine natürliche Barriere gegenüber einer spontanen Säuerung, aber auch gegenüber einer gewünschten Säuerung der Milch dar [6 – 10]. Die Begriffe Pufferwert, Pufferkapazität, Pufferintensität, Pufferungsvermögen und Pufferindex werden in der Literatur synonym gebraucht, obwohl es mathematische Unterschiede in der Begriff Pufferkapazität verwendet.

Ein Puffersystem besteht immer aus einer schwachen Säure und derem Salz (relevant bei der Ansäuerung des Systems) oder aus einer schwachen Base und derem Salz (relevant bei der Alkalisierung einer Probe) [5, 11, 12]. Jedes Puffersystem besutzt eine spezifische Dissoziationskonstante K bzw. einen spezifischen pH-Wert (pKa-Wert), an dem die Pufferkapazität dieses Systems am stärksten ist. Am pKa-Wert des Puffersystems herrscht ein Gleichgewicht zwischen Salz (A-) und Säure (HA) des Puffers: [A-] = [HA]; [5, 11, 12].

Die Pufferkapazität β = (dB/dpH) einer Probe steht für den Widerstand, den diese einer pH-Wert-Änderung entgegenbringt und definiert genau die Menge an Säure bzw. Base, die nötig ist, um den pH-Wert von einem Liter Probe um eine Einheit zu senken oder zu erhöhen [5, 12]. Gl. (1) dient der Berechnung der Pufferkapazität in einen definierten pH-Bereich [4, 5, 11, 12]:

                                        β = d Cb/d(pH) = – dCa/d(pH)                                          (1)

wobei Cb die Konzentration (Normalität) der zudosierten Base bzw. Ca die Konzentration der zudosierten Säure darstelt.

Die Pufferkapazität β ist immer positiv. Sie is eine kontinuierliche, nicht-lineare Funktion und stellt die Ableitung der pH-Wetänderung in Abhängigkeit von der zudosierten Konzentration an Base bzw. Säure dar [5, 11, 12]. Die Pufferkapazität setzt sich aus folgenden Termen zusammen:

                                        β = βOH- + βH+ + ∑βi                                                           (2)

wobei die ersten Zwei Terme Kombiniert die Pufferkapazität des Wassers darstellen; der lezte Term beinhaltet alle Pufferpaare der Lösung.

Das Puffersystem der Milch setzt sich aus verschiedenen Pufferpaaren der Milchsalze und der Milchproteine zusammen [6 – 10, 13]. (Abb. 1). Die Übersicht der Pufferungskurvenschar in den verschiedenen pH-Bereichen verdeutlicht, dass die Milch eine complexe Pufferwirkung hat. In dem Maße wie Milchsäure aus der Lactosevergärung durch Milchsäurebakterien gebildet wird, werden die Protonen von den Puffersystemen einschließlich der Polypeptidketten des Caseins zwischen pH ~4,7 (isoelektrischer Zustand) abgefangen [6, 8, 10, 14]. Für einen Komplexen Puffer, in dem mehrere Puffersystemevorhanden sind, drückt man die Pufferkapazität wie folgt aus:

wobei Kw für die Dissoziationskonstante des Wassers steht, Ka für die Dissoziationskonstante der verschiedenen Pufferpaare und Cbuf für die Konzentration jedes Pufferpaars. Im Fall von Milch ist diese Kalkulation kaum realisierbar, da zu viele pKa-Werte und Interaktionen involviert sind; jedoch kann man praktisch die Pufferkapazität anhand von Säure-Base-Titrationen ermitteln.

Mithilfe von Grundoperationen wie Trennen oder Fraktionnieren mittels Membranverfahren werden die inneren Eingenschaften der Milch verändert, wobei man daran interessiert, ist das Zusammenspiel der Endprodukte (Komponenten) der Fraktionierung gezielt zu nutzen bzw. zu beeinflussen [15].

Die Mikrofiltration (MF) ist ein Trennverfahren zur Konzentrierung der Proteinkomponente Casein. Es werden Milchproteinkomponenten unterschiedlicher Größe voneinander getrennt, wobei die Partikelgröße zunächst der wesentliche Trennparameter ist. Aus diesem Membrantrennverfahren resultieren ein MF-Retentat (sog. natives Casein), das den Teil der Magermilch (MM) darstellt, der die Membran (Porengröße 0,1 bis 1,4μm) nicht passiert und ein MF-Permeat, das aus den Substanzen der Milch besthet, die aufgrund ihrer kleineren Partikelgröße (z. B. Molkenproteine, Lactose, Mineralien und Wasser) fähig sind, die MF-Membran zu passieren. Da Casein aufgrund seiner strukturbildenden Eigenschaften ein technologisch wertvolles Substrat der Milch ist, ist die Gewinnung dieses Proteins von Interesse [15].

Über die Puffereigenschaften von mittels MF hergestellten, flüssigen Magermilchkonzentraten sind bisher Keine Arbeiten bekannt. Sie könnten sich wesentlich von Milch unterscheiden, da durch die Anreicherung von Caseinen einerseits und die partielle Abtrennung der Molkenproteine anderesseits, eine Veränderung des Puffersystems resultieren Kann. Die Ansäuerung von solchen Mikrofiltrationskonzentraten stellt eine gewisse Herausforderung dar, wie schon frühere Arbeiten mit Retentaten aus der Ultrafiltration (UF) gezeigt haben [16 – 18]. Die Arbeit von Solanki und Rizvi [19] über die chemisch-physikalischen Eigenschaften von MF-Magermilchkonzentraten berücksichtigt nicht die Pufferkapazität. Hier liefert die Kenntnis über die Pufferkapazität der Milch und des Caseinkonzentrates einen entscheidenden Beitrag für eine bessere Vorhersagbarkeit von derem Eigenschaften in in Produktionsprozessen. Die olgende Arbeit sich daher mit der Ermittlung der Pufferkapazität von MM-Konzentraten, die mittels Mikrofiltration teilweise von Molkenproteinen befreit wurden. 

4. Schlussfolgerung

Die Erhöhung der Trocknmassekonzentration der Mager milch durch Konzentrierung mittels Mikrofiltration resultiert bei Säure-Base-Titrationen in einer Zunahme der gemessenen Pufferkapazitäten, was auf eine Erhöhung der molekularen Konzentration (C) des Puffers zurückzuführen ist (Tab. 3). Hauptverantwortlich für die erhöhte Pufferkapazität bei Ansäuerung (Säuretitration, Milchsäuregärung) ist der Caseingehalt (Abbn. 1,2 und 4) und das in der Caseinmizelle kolloidal gebundene Calciumphosphat, das zunächst solubililisiert und protoniert wird. Dabei verschiebt sich das Pufferungsmaximum zu tieferen pH-Wertn. Da bei der Mikrofiltration von Magermilch das Casein die Membran nicht passiert und somit konzentriert wird, spielt es eine zentrale Rolle bei der Ansäuerung von MF-Retentaten. Dies ist wichtig für die Herstellung von angesäuerten Molkereiprodukten anhand neuer Technologien (Membranfraktionierung).

Tabelle 3. Theoretische molare Konzentration C (mol L-1) an Puffersubstanzen und molare Salz- und Säurekonzentrationen (mol L-1) pKa-Wert (Puffermaximum) sowie molare Konzentrationen.

a) berech aus der ermittelten prozentualen Wirkung der Salz- und Säureanteile der jeweiligen Puffersysteme.

Mittels durchgeführter Berechnungen zur Charakterisierung des Puffersystems Milch bzw. MF-Konzentrat ergeben sich hohe Wirkungsanteile (≈ 90% bzw. 80%) des Pufferpaars sek./tert. Citrat, eng gefolgt vom Puffersystem Casein inkl. CCP (86% bzw. 76%), sowie vom Pufferpaar prim./sek. Citrat (45% bzw. 55%) und danach von der titrierbaren Carboxylgruppe der Glutaminsäure (32% bzw. 40%). In frischer Milch mit pH 6,7 (Tab. 1), wirken als Puffer vor allem die folgende Gruppen in der Reihenfolge: Phosphatgruppen der β-Caseine, die Imidazolgruppe des Histidins, das Kohlensäure/Bicarbonat-Paar, das Puffersystem prim./sek. Phosphat, die titrierbare endständige α-Aminogruppe und das Casein inkl. CCP. Der Anstieg der Pufferkapazität unterhalb von pH 5,6 in Milch und Milchkonzentraten ist vor allem auf die Solubilisierung des kolloidalen Calcium-phosphates aus den Caseinmizellen zurück zu führen. Daraus entsteht vermutlich ein neues Puffer(salz)system, dessen zusätzliche Wirkung bei pH ~4,7 liegt.

Tabelle 1. Theoretische Anteile von Salz und Säure von wirkenden Puffersystemen in pasteurisierter Magermilch bei pH 6,7 und am Puffermaximum (pH = 5,21)

a) [A-]/[AH] = 1 entsprocht 100% Pufferwirkung. Je näher der Wert »Differenz zu p Ka« an 0 liegt, umso größer ist die Pufferwirkung.

Milchsäure wird erst während der biologischen Säuerung gebildet, ist also in frischer Milch nicht als Pufferpaar vorhanden. Sie löst das CCP aus der Caseinmizelle und liegt mit einem pKa von etwa 3,86 überwiegend in angesäuerten Produkten in der Salzform, also als Lactat, vor. Dieses verhindert bzw. verlangsamt die weitere Säuerung der Produkte.

Mit dem in Abb. 1 gezeigten Kurven der Puffersysteme Können in Verbindung mit den Pufferungskurven (Abb. 2) der untersuchten Proben die relativem Anteile an Salz und Säure der Puffersysteme an den Puffermaxima der Proben ermittelt werden.     

Dies erfolgte durch das Ablesen der Salz-anteile am jeweiligen pH-Wert. Das die für alle Proben aus den experimentellen Pufferungskurven bzw. bekannten pK-Werten berechneten, prozentualen Anteile der Salz- und Säurekonzentrationen der Pufferungspaate voneinander abweichen, deitet darauf hin, dass der exakte pKa-Wert in einem etwas tieferen pH-Bereich liegen müsste, damit Salz- und Säurekonzentration gleich sind. Es ist anzunehmen, dass die verwendenten pKa-Wert nicht den tatsächlichen pKa-Werten entsprechen, da die ionisierbaren Gruppen auf der Proteinoberfläche durch z. B. Coulombshe Interaktionen (elektrostatische Anziehungskräfte), innere Wasserstoffbrücken, Born-Effekt [41 – 43] zu tieferen pH-Werten hin verschoben erden können.

Der Einfluss der Molkenproteinkonzentration im pH-Bereich 6,7 – 4,0 auf die Pufferkapazität der MF-Konzentrate und der Magermilch ist vergleichbar niedrig (< 10%). Ein Grundf dafür ist, dass sich das Verhältnis Casein zu Molkenprotein in den genutzten MF-Konzentraten mit zunehmendem Konzentrationsfaktor, bei nahezu gleichbleibender Molkenproteinkonzentration, zu Gunsten des Caseins er höht. Der genaue Beitrag der Molkenproteine zur Pufferkapazität der MF-Retentate solte noch mittels Diafiltrationsversuchen weiter untersucht werden, insbesondere in Kombination mit UF- und EV-Konzentraten.

Zusammengefasst kann festgestellt werden, dass bei der Herstellung von Milchprodukten die Einführung der Membranfiltration eine neue Betrachung zu Fragen der Pufferungskapazität erfordert. Dazu liefert diese Studie Einen ersten Beitrag.       

Literatur

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