Die Pufferungskurve von idealer Molke (MF-Permeat) – Teil I

Teil 1: Pufferung von Milch, MF-Permeat und Zitratspezies

Säure-Base Gleichgewichte sind sehr wichtig in Milchchemie und Molkereitechnologie. Jeder Milchverarbeitungsschritt, wie z.B. die Milcgsäuregärung, beeinflusst den Status der Milchsalze sowie die chemisch-physikalischen Gleichgewichte der Milchproteine, die durch die pH-Erniedrigung destabilisiert werden. Deswegen werden die titrierbare Säure, der pH-Wert und die Pufferung als Kriterien für die Erfasssung bestimmter, prozessinduzierter Veränderungen herangezogen. Pufferungskurven von Milch, die den Widerstand von pH-Änderungen durch zugeführte Säure oder Allkali zeigen, sind schon lang dargestellt worden, dagegen nicht für Milch-Mikrofiltrations (MF)-Permeat, sog. Ideale oder Edelmolke. Diese Kurve wird hier erstmals praktisch und theoretisch beschrieben und auf die Pufferkapazität der puffernden Benstandteile in MF- und UF-Permeat, sowie in Milch in vier Teilen eingegangen.

Die Pufferungskurve von Milch

»Puffer sind Stoffe, die einer Änderung des pH-Wertes Einen Widerstand entgegensetzen« (Töpel, 2007). Die Puffersubstanzen der Milch sind vor allem Salze und Proteine. Das ganze Konzept der Pufferung wurde von Van Slyke (1922) wissenschaftlich mathematisch abgehandelt: er bescheibt die Pufferkapazität ß (mol/L) = dB/dpH dals die Zahl an Äquivalenten Säure oder Base, die notwendig ist, den pH-Wert um eine Einheit zu verändern.

Schon vor ca. 85 Jahren wurden die ersten Versuche über die Pufferung von Milch publiziert (z.B. Buchanan; Peterson, 1927; Whittier, 1929). Wiley (1935) versuchte die Pufferungskurve der Milch durch die Titration von Kombinationen einzelner Systeme wie Phosphorsäure, Kalziumphosphat, Zitronensäure, Kalziumzitrat, usw. Nachzulbilden, was nicht möglich war. Er erkannte, dass Kalzium die Titrationskurve so beeinflusst, dass der pH der maximalen Pufferwirkung sich mit zunehmender Kalziumkonzentration zu erklären ist. Er konnte auch  feststellen, dass die Pufferwirkung des Systems Zitronensäure/Natriumzitrat im pH-Bereich 2,5 - 6,0 relativ konstant ist. Ebenso, dass Kalziumzitrat in Milch ca. 15% dissoziiert ist und dass gerade diese geringere Dissoziation die Ausfällung von Kalziumphosphat bei pH ~6,6 verhindert. Salaün et al. (2007) zeigten, wie wichtig der Mineraliengehalt der Milch für die Pufferung der Kaseinmizelle ist. Die Pufferwirkung ist stark von der ionischen Stärke des Milieus abhängig.

β =  dB  = (titriertes Volumen Säure bzw. Lauge in I) * (Normalität Säure bzw. Lauge in mol/L)           

      dpH                                   Milchvolumen in Probe in I) * ∆pH                                                         (1)

Röeder (1954) sowie Jenness & Patton (1959) fassten in ihren Standardwerken über Milchchemie und Technologie die damaligen Erkenntnisse über die Milchpufferung zusammen. Kirchmeier (1976) zeigte, dass die potentiometrische Säure-Base-Titration von Milch eine Hystereseschleife im pH Bereich 6,2 - 4,8 ergibt und dass der Ladungszustand der Polypeptidketten zeitlich nachhinkt und nicht synchron mit der Ladungszufuhr einhergeht; letzteres ist von der thermischen Behandlung der Milch stark abhängig. Däruber hinaus konnte Kirchmeier (1977) zeigen, dass die Bindung von klloidalem Kalziumphosphat an die Kaseinmizelle die Hauptursache der Hysteresiserscheinungen ist. Die Kurvenschaar der verschiedenen Pufferpaare haben Röeder (1954), Kirchmeier (1980), Töpel (2007) und Wolfschoon et al. (2012) abgebildet. Die Ursache der Pufferungskurvepeaks von Milch wurden von Lucey et al. (1993) sehr gut begründet. Marcelo & Rizvi (2008) untersuchten die physikochemischen Eigenschaften von idealem Molkeisolat, jedoch ohne auf die Pufferung einzugehen. Wir werden in dieser Arbeit erstmals die Pufferungskurve des MF-Permeates beschreiben. Zunächst und exemplarisch wird kurz die kurve für die Magermilch vorgestellt; aus dieser Milch haben wir ds Permeat durch Mikrofiltration gewonnen und analysiert.

Abbildung 1 spiegelt die Pufferungskurve von Magermilch in dem technologisch relevanten pH der sauren Milchproduktherstellung wider. Einzelheiten der Titrationsmethode wurden vorher publiziert (Wolfschoon et al., 2012).

Abbildung 1 zeigt deutlich pH-Bereiche, in denen eine starke Pufferung auftritt. Der Peak (ßmax ~ 0,036 mol/L, Hintitration) um pH 5,2 - 5,3 ist auf die Säure-Base-Eigenschaften des bei der Ansäuerung gelösten anorganischen Phosphates (CCP) der Kaseine (Kirchmeier, 1980) zurückzuführen. Die Phosphationen kombinieren sich dabei mit H-Ionen und können H2PO4- und HPO42- bilden. Ferner ist der Abb. 1 zu entnehmen, dass die Pufferung etwas abschwächt aber weiter im pH Bereich ~3,5 - 4,5 wirkt, was auf die Molkenproteine und Zitrate zurückzuführen sein mag (auf diesen Punkt kommen wir später zurück).

 Der Peak (β= 0,022 mol/L) zwischen pH 6,3 - 6,8 der Rücktitration ist vor allen auf die Bildung verschiedener Kalziumphosphate [Dikalziumphosphat.Dihydrat (»Brushite«), Octakalciumphosphat, Hydroxiapatite, (Rice et al., 2010)] unter Freisetzung von H-Ionen zuzuschreiben, die sich mit OH-Ionen kombinieren und puffern Können (Wiley, 1935 ab; Kirchmeier, 1977; 1980; Lucey et al., 1993; Salaün et al., 2007; Wolfschoon et al., 2012); andere Pufferpaare sind auch in diesem Bereich wirksam. Salaün et al. (2005) publizierten eine Übersicht über die Pufferkapazität von Milch und anderen Molkereiprodukten.

In einer früheren Arbeit (Wolfschoon et al., 2012) wurde die theoretische Wirkung sämtlicher Pufferpaare der Milch bei dem pH-Wert 6,7 errechnet und dabei festgestellt, dass die in der Milch enthaltenden Pufferpaare sich mit unterschiedlicher Intensität je nach pH-Wert auswirken: das Puffersystem sek./tert.

Zitrat (pK 5,49) mit nur ~22% (und <2% für prim./sek. Zitrat mit pKs 4,39), stark die Kaseine inkl. CCP- bzw. Kohlensäure/Bikarbonat-Pufferpaare (25% bzw, 95%); noch stärker wirkten sich die Systeme Histidin (pk ~6,6), ß-Kaseinphosphoserin (pK ~6,8) und prim./sek. Phosphat (pK ~7,2) mit ~98% bis 73% aus. Die Pufferungskurve von Milch-Mikrofiltrations (MF)-Permeat (= Edelmolke, ideale Molke) ist in der milchwissenschaftlichen Literatur nicht beschrieben.

Die wässrige Phase der Milch bzw. deren Permeate  

In der wässrigen Phase der Milch sind alle echt gelöste Milchkomponenten enthalten. Die wässrige Phase wird Permeat genannt, wenn sie mittels Membranfiltrationstechnologie (MF, UF, usw.) gewonnen wird, und kann letztendlich gemaß des eingesetzten Membranttyps (Porengröße, Material, MF, UF, usw.) unterschiedliche Mengen an Bestandteilen beinhalten. Zu der Pufferung beitrangende Komponenten dieser Phase gehören die Molkenproteine und die Milchsalze, die vor allen aus Anionen von Säuren mit Kationen gebildet werden. Das MF-Permeat stellt diese Milchphase am Nähersten dar.

Tabelle 1 zeigt die typische Zusammensetzung der idealen Molke zusammen mit einigen Daten des dazugehörenden Membranprozesses. Daraus entnimmt man, dass die Trockenmasse zwischen 5,93% und 6,30% varriert. Aus dem Arbeitskreis von Barbano in USA ergeben sich ähnliche Werte für die allgemeine Zusammensetzung (Trockenmasse, Gesamteiweiß, NPN, Fett, Laktose und Asche), wenn auch andere Membrantypen (Keramik UTP, Gradient Pore, polymerische Membranen und gleicher Konzentrationsfaktor, Temperatur und variable Porengröße -0,1 bis 0,3 µm) eingesetzt wurden (Nelson und Barbano, 2005; Zulewska et al., 2009). Aus Tabelle 1 ist ferner zu entnehmen, dass der Laktosegehalt den hauptquantitativen Bestandteil des MF-Permeates darstellt, gefolgt von den Molkenproteinen, Asche und Zitronensäure sowie Phosphaten (als Phosphor in der Tabelle).

Pufferungskurve von idealer Molke (MF-Permeat)   

Die Pufferungskurve (Abb. 2) von einem MF-Permeat zeigt eine ausgeprägte Wirkung (βmax ~0,016 mol/l) in dem pH-Nereich zwischen ~3,8 und 4,8 und nicht bei pH 5,0 – 5,5 wie bei Milch (Abb. 1). Grund dafür ist der minimal vorkommende (<0,1%) Kaseingehalt, der Dank des mizellaren Kalziumphosphatgehaltes stark bei dem hohen pH-Bereich puffert. Die Alkali-Titration des MF-Permeates ergibt eine Kurve mit etwa ähnlichem Verlauf wie die Hintitration, wobei bei pH-Intervall 6,3 = 6,7 eine sehr schwache Pufferung (β ~0,009 mol/l) im Vergleich zu Milch (β ~0,022 mol/l, Abb. 1) auftritt. Die maximale Pufferwirkung (βmax) ist bei pH ~4,42 (4,1-4,7) aus Abb. 2 ersichtlich, was auf den Molkenproteingehalt sowie aud die Milchsalze zurüchzuflühren sein dürfte. Das UF-Permeat stellt die wässrige Phase ohne die Molkenproteine dar und besteht aus Wasser, Milchsalzen und Laktose; es ist also in dem MF-Permeat der Milch enthalten. Zitronen-, Phosphor- und Karbonsäurespezies zusammen mit Ca2+, Mg2+, Na+ um K+ sind die Hauptkomponenten der Milchsalze (Tab. 2).

Tabele 2 gibt die theoretische Konzentration verschiedener Ionen der wässrigen Phase der Milch wieder (Holt, 1997); die Zitronensäure(Zitrat)-, Phophorsäure-(Phosphat) und Karbonsäurespeziesverteilung bei pH 6,7 ist dabei aufgeführt; neueste Angaben von Mekmene (2010) weichen Knapp davon ab, sind aber nicht so vollständig. Es ist zu erwarten, dass ähnliche Bedingungen in dem MF-Permeat vorhanden sind, da es die wässrige Phase der Milch darstellt.

Die Zitronensäure und die Pufferung

Wir werden die Pufferungskurve (Abb. 2 und Abb. 3) der Zitrate in drei pH-Bereichen analysieren: pH ~6,7 (normaler pH Vert MF-Permeat/Milch), ph ~5,25 (βmax Milch) und pH ~4,4 (βmax MF-Permeat). Wenn man Tabelle 2 näher betrachtet, stellt mn fest, dass bei dem angegebenen pH-Wert von 6,7, Keine nennenswerte Menge an freier Zitronensäure (H3 Zit) und Dihydrogenzitrat (H2 Zit-1, primäres Zitrat), vorhanden ist, dagegen Zitrat (als Hydrogenzitrat HZit- und Zit3-, tertiäres Zitrat) in Assoziation mit verschiedenen Kationen, (z.B. ~6,96 mmol als Kalziumzitrat). Die Summe aller Zitratspezies in Tabelle 2 ergibt 9,4 mmol; dagegen bestimmen Bijl et al. (2013) 8,33 mmol für die wässrige Phase der Milch.

Theoretisch kann man die verschiedene Formem des Zitrts berechnen, wenn man die reale saure Dissoziationskonstante (pKs) kennt und somit auch die Pufferwirkung bei unterschiedlichen pH-Werten, da pH = pKs gilt, wenn die maximale Pufferung erreicht ist (van Slyke, 1922). Eine eigene vereinfachte chemisch-physikalische Berechnung, unter Zugrundelegung der Dissoziationskonstanten pKS1 = 2,93 (Asuero, 2007), pKS2 = 4,1 und pKS3 = 4,74 (Walstra & Jenness, 1984) und des Wertes von 8,33 mmol lässt die folgende molaren Konzentrationen des Zitrates bei pH 6,7 errechnen: ~8,24 mmol als (Zit3-) und ~0,09 mmol als HZit2. Abbildung 3 gibt sowhol den Molenbruch der verschiedenen Zitronensäurespezies als auch die errechnete Pufferunskurve β in Abhängigkeit des pH-Wertes unter Zugrundelegung von 8,33 mmol wieder. Die β-Werte wurde mit der Formel nach ban Slyke (1922) für polyprotische Säuren einschließlich der Wasserwirkung und der Molenbruch wurde nach der Beschreibung von Assuero (2007) errechnet.

Die Anwesenheit der Zitronensäurespezien (HZit2- /H2Zit- und Zit3-/ HZit2-) ruft durch derem 2. und 3. pKS eine starke Pufferung (Abb. 3) hervor, die in etwa demselben Bereich wie die der βmax des MF-Permeates liegt. Der gesamte Pufferwert von einer Lösung bei beliebigem pH Wert kann als β = β1 + β2 + β3 ausgedrückt werden (Hastings & van Slyke, 1922). Jeness & Patton (1959). Hastings & van Slyke (1922) bzw. Asuero (2007) geben unterschiedliche, pKS-Werte für die Zitronensäure an. Es ergeben sich leicht verschiedene Salz- bzw. Säureanteille bei z.B. pH 6,7 im Vergleich zu den von uns verwendeten Werten, die untem fett markiert sind:

Jennes & Patton:          

pKS1 3,08      pKS2 4,74      pKS3 5,40

Hastings & van Slyke:

pKS1 3,08      pKS2 4,39      pKS3 5,49

Asuero:   

pKS1 2,93      pKS2 4,36      pKS3 5,49

Walstra & Jenness:

pKS1 3,00      pKS2 4,10      pKS3 4,74 

Rechnerisch dürfte die Zitronesäure bei pH 4,4 dank ihrem ersten pKS (=2,93, Assuero, 2007) über ~96% dissoziiert sein und aufgrund der anwesenden Ca2+ Ionen Kalzium-Zitratkomplexe (CaHZit, CaZit-) bilden, die bei der Hin-Titration protoniert werden müssten. Zitronensäure ist eine triprotische Säure mit relativ symmetrisch verteilten pK-Werten, was eine vereinfachte mathematische graphische Ableitung der Maxima und Minima erlaubt (Asuero, 2007).

Aus Abb. 3 ist ersichtlich, dass alle Zitratspezies in einem bestimmten pH-Intervall vorhanden sind. Ferner erzeugen die Überlappung der Peaks nicht die Übereinstimmung der Maxima mit den pK-bzw. pH-Werten; dies ist auf die gegenseitige Inferferenz der Pufferpaare durch derem benachbarten pK-Werte (Rodriguez-Laguna et al., 2014) bedingt. Laut Asuero (2007) streckt sich die wirksame Pufferung dieser Säure in dem Bereich pKS2 + 1,8. Die maximale Pufferkapazität (β) für polyprotische Systeme haben wir nach van Slyke (1922) wie folgt berechnet (C = Pufferkonzentration in mol):

β = 2,3 [H+] (C1 KS1/(KS1 + [H+])2 + C2

KS2/(KS2 + [H+])2 + ....) + 2,3 ([H+] + [OH+])                                                               (2)

Aus Abb. 3 ist zuentnehmen, dass bei pH ~4,4 β~0,0091 mol/l beträgt, in dem Bereich, in dem die Pufferkurve des MF-Permeates auch ihr Maximum ziegt. Demnach macht Zitrat ~58% der Pufferung (βmax ~0,0158 mol/l bei pH ~4,4, Abb. 2) aus; bei pH ~5,25 ~50% (0,0048/0,0095) der Pufferwirkung. Außerdem kann man den Wert von β~0.0003 mol/L aus Abb. 3 bei pH ~6,74 ablesen, was ~3% von β~0,0093 mol/l des MF-Permeates ausmacht. Die Pufferung der Phosphatspezies, der Karbonsäure, (somit der »gesamten« Milchsalze) der Laktose und Wasser werden wir im nächsten Teil diskutieren.

2014            116 – Die Pufferungskurve von idealer Molke (MF-Permeat) – Teil II[1]

A. F. Wolfschoon-Pombo

D. W. Ribeiro

Serie: Pufferung der Phosphatspezies, der Kohlensäure, der gesanten Milchsalze, Laktose und Wasser.

In Teil 1 wurde die Pufferungskurve von MF-Permeat dargestellt und mit der Kurve von Magermilch verglichen. Dabei wurde die Beziehung der wässrigen Phase der Milch und des Mikrofiltrationspermeates zu der Pufferungskurve des MF-Permeates unter besondere Berücksichtigung der Zitratspezies erläutert. In Teil 2 wird die Pufferwirkung der Phosphatspezies, der Kohlensäure, der gesamten Milchsalze, der Laktose und Wasser im MF-Permeat näher beschrieben.

Die Pufferung der Phosphate   

Der Phosphorgehalt der Milch kommt in unterschiedlichen Formen (löslich, unlölisch, kolloidal, anorganisch, organisch) von um dementsprechend auch als Teil des Salzsystems der wässrigen Milchphase. Die Phosphatester, die mit dem Kasein als Serinphosphat gebunden vorliegen, dürften in der Pufferung des MF-Permeates Keine Rolle spielen, da der Kaseingehalt (< 0,03 % - 0,15 %). Die angeführten Phosphatester in Tab. 2 (Teil 1) dürften den löslichen organischen (nicht Kasein gebunden) Phosphatestern wie N-Acetylglukosamin-1-P, Galactose-1-P, Glycero-1-P, Glycerophosphocolin, Glucerophosphoethanolamin usw., die in der wässrige Phase der Milch enthalten sind (de la Fuente et al., 2004; Walstra & Jenness, 1984), entsprechen. Die Summe aller Phosphatspezies in Tab. 2 ergibt 12,4 mmol; der Phosphorgehalt im MF-Permeat ist laut Tab. 1 ~12,95 (bzw. Pi = 9,8) mmol. Mekmene et al. (2010) bzw. Bijl et al. (2013) errechneten 10,3 bzw. 10,1 mmol für lösliches anorganisches P in Milch. Aus Tab. 2 ist ferner ersichtlich, dass bei pH 6,7 freies Dihydrogenphosphat und Hydrogenphosphat nicht in gleicher Menge vorkommen. Hydrogenphosphat liegt mehr in Assoziation mit Kationen (z.B. 0,34 mmol mit Magnesium) vor. Insbesondere kommen beide Ionen hauptsächlich frei vor: 7,50 mmol Dihydrogenphosphat und 2, 65 mmol Hydrogenphosphat. Änhlich wie bei Zitronensäure kommt Phosphorsäure bei dem natürlichen pH-Wert der idealen Molke (und Milch) nicht vor. Eine eigene änhliche chemisch-physikalische Berechnung wie die für die Zitratspezies und unter Zugrundlegung der folgenden pKS1 = 2,1; pKS2 = 6,75 bzw. pKS3 = 11,71 (Rodriguez-Laguna, 2014) und der Konzentration von 10,3 mmol (Mekmene et al., 2010) lässt die folgende molare Phosphatkonzentrationen in dem MF-Permeat bei pH 6,7 errechnen: 0 mmol Phosphorsäure, ~5,45 mmol Dihydrogenphosphat, ~4,85 mmol Hydrogenphosphat und mmol für tertiäres Phosphat (PO43-), Weil letzteres nur unter stark basischen Bedingugen vorliegt. Es liegen also die folgenden drei pH-abhängige Gleichgewichtsreaktionen mit entsprechenden pK-Werten vor:

Der Dissoziationsgrad (α) der Phosphorsäure kann nach Lindenström-Lang (1924) berechnet werden. Hydrogen- und Dihydrogenphosphat im Verhältnis ~0,89 sind die vorherrschenden Formen.

In anderen Worten im MF-Permeat, in dem schwach »basisch« und schwach saure Bedingungen vorliegen, befinden sich die Anionen als Hydrogenphosphat-Anion (sekundäres Phosphat, HPO42-) bzw. als Dihydrogenphosphat-Anion (primäres Phosphat, H2PO42-) und zwar bei pH 6,75 in exakt gleicher Konzentration (Molenbruch 0,5 x 10,3 mmol). CaH2PO4 und CaHPO4 liegen in recht geringeren Mengen vor (Rice et al., 2010). Abb. 4 zeigt die Verteilung des Molenbruchs der Phosphatspezies sowie die theoretisch errechnete Pufferung ß als f(pH) für C = 10,3 mmol in pH-Intervall von 1,0 - 9,0.       

Abb. 4 zeigt eine relativ starke Wirkung des Phosphates bei pH 6,7 + 0,1. Das Phosphatsustem verhält sich fast wie eine monoprotische Säure, Weil die einzelnen pK-Werte weit auseinander liegen (Asuero, 2007; Rodrigues-Laguna, 2014). Die maximale Pufferwirkung ist bei dem pH-Wert erreicht, bei dem sich Zwei Spezien Kreuzen bzw. der gleiche Molenbruch der betroffenen Spezies gleich 0,5 ist; demnach, wenn pK = pH gilt. Sie reduziert sich auf ~33 % dieses Wertes wenn pH – pKs = + 1 beträgt, wie Abb. 5 darstellt.

 Die Pufferung (β ~0,0059 mol/l) der Phosphatsalze (Abb. 4) bei pH 6,7 machen ~64 % der maximalen Pufferung (ß ~0,0093 mol/l) in idealer Molke (Abb. 2) aus. Dagegen puffern sie nur ~8 % (= 0,0007 mol/l) des ßmax (~0,0095 mol/l) bei pH 5,25 bzw. ~2 % (~0,00031 mol/l) bei pH 4,4. Das fehlende Puffersystem des kolloidalen Kalziumphosphats der Kaseine (Kirchmeier, 1980; Wolfschoon et al., 2012) in dem MF-Permet macht sich hier über die gesamte dB/dpH f(pH)-Kurve (Abb. 2) bemerkbar. Die aktive Konzentration an Phosphationen bei pH 4,40 (βmax) mit obigen pKs und C (~10,3 mmol) wurde nun wie folgt errechnet: 0,051 mmol für Phosphorsäure, 10,20 mmol für Dihydrogenphosphat, 0,046 mmol für Hydrogenphosphat und 0mmol für tertiäres Phosphat (PO43-) (Siehe Abb. 4 und vgl. Rice et al., 2010).

Das Karbonsäure-(Kohlensäure)-Hydrogenkarbonat Pufferpaar

Ein sehr wichtiges Puffersystem stellt das Kohlensäure / Hydrogenkarbonat-System in biologischen Flüssigkeiten dar und ist extrem wichtig für die Aufrechter-haltung des Blut-pH-Wertes. Nach Hotchkiss et al. (2006) liegt CO2 in Milch bei pH ~6.5 zu ca. 88 % als aufgelöstes CO2, 2 % als Karbonsäure und der Rest als Bikarbonat, vor; diese Autoren bestimmen 5,5 mmol für den CO2-Gehalt der Rohmilch. Laut Tab. 2 dürfte die wässrige Phase der Milch bzw. des MF-Permeates ~ 0,44 mmol Kohlenstoffdioxid enthalten. CO2 Hydratisiert sich (CO2 (g) ↔ CO2 (hyd.)) in der Milch und steht im Gleichgewicht mit H2CO3, eine Kinetisch langsame Reaktion wobei nu reine geringere Fraktion der aufgelöstes CO2 (hyd.) in Karbonsäure übergeht. Der größe Anteil liegr als CO2 (hyd.) vor. Das Gas entweicht irreversibel aus der Milch bzw. Permeat, weil die Luft eine sehr niedrige Konzentration an CO2 enthält und letztere eine geringere Löslichkeit bei normalen Umgebungsluftdruch hat. Kohlendioxid bildet das Kohlensäure-Hydrogenkarbonat-Puffersustem:

Das Hydrogenkarbonat ist eine schwache Säure (es dizosiiert in CO32-) mit Zwei Dissoziationskonstanten (K1 = 4,78 x 10-7 bzw. K2 = 4,68 x 10-11), wobei pK2 (~10,33) weit entfernt des (in Molkereitechnologie) technologich relevanten pH-Bereiches liegt. Darüber hinaus reduzieren Prozessschritte wie Hitzebehandlung, Rühren, usw. den Gehalt na Kohlenstoffdioxid. Wir betrachten die im MF-Permeat (bzw. Milch) anwesendem Hydrogenkarbonate bei pH < 8 als völlig dissoziiert (vgl. Abb. 6). Die ionisierten Formen können mit den verschiedenen Kationen (z.B. Ca2+, Mg2+, K+, Na+) je nach pH-Wert, (un)lösliche Komplexe bilden, aber laut Tab. 2 (pH 6,7) kommen sie hauptsächlich als freie Ionen vor. Die [H2CO3] ist proportional dem partialen Druck (Pco2) von Kohlendioxid der Luft: α= [H2CO3] / Pco2. Die [CO2] konzentration in der Luft ist mit der Gleichung [CO2]g = Pco2 x V/RT (Henry’s Gesetz) angegeben (Whitfield, 1974). Der pH-Wert kann durch die Gleichung

bestimmt werden, wobei 0,030 mmol/-1 Torr-1 die Proportionalitätskonstante bei 38º C darstellt (Vodrazka, 1979); der Henry-Koefizient in Wasser (20º C bis 35º C)variiert von ~150 bis 200 MPa/Molbruch. Die Pufferkapazität β haben wir nach der Formed von Whitfield (1974) bzw. Urbanski & Schock (2000) für eine diprotische Säure wie folgt berechnet:

wobei [CO 2]T = Kohlenstoffkonzentration und KS1 und KS2 die Dissoziationskonstante darstellen. Abb. 6 zeigt die theoretische Molenbruchverteillung und die errechnete Pufferungskapazität, die aufgrund der geringeren Kozentration sehr schwach ausfällt. Wir setzten 1 mmol als Kolenstoffdioxidkonzentration ein.

Aus Abb. 6 ist ersichtlich, dass bei einer angenommenen Konzentration von 1 mmol (Variabilität: Siehe Hotchkiss et al. 2006) die Pufferungskurve eine relativ schwache Wirkung im pH-Bereich 3 – 9 zeigt, mit einem Maximum von nur ~0,00057 mol/bei pH ~6,37, bei dem der Molenbruch gleich 0,5ist βmax kann auch als 2,303C/4 mit C = [CO2]T errechnet werden (van Slyke, 1922). Die Maxima überlappen sich nicht, Weil die pK-Wert ~4 pH-Einheiten getrennt voneinander liegen. Die Werte für db/dpH in den pH-Bereichen 6,7, 5,25 und 4,4 betragen β= 0,0005 molL-1, β=0,00016 molL-1 und β=0,00012 molL-1. Der Beitrag dieses Pufferpaares zu den gesamten Milchsalzem im MF-Permeat bei pH 4,4 ist nur ~1 %. Bei pH 6,7 macht es ~5 %(0,0005/0,00093) der Pufferung im MF-Permeat aus (siehe auch Tab. 3).

Die gemeinsame Pufferung der Milchsalze, Laktose und Wasser

Permeatsalze und -asche sind nicht gleichzusetzen, denn bei der Veraschung des Permeates entstehen Verluste an Chlor und Kohlensäure. Darüber hinaus verbrennen Zitronensäure und Milchsäure (falls gebildet) und sind in der Asche nicht zu finden. Der Aschegehalt des Permeates und der Milch sind nicht gleich (Roeder, 1954; Walstra; Jennes, 1984; Töpel, 2007). Um dem gemeinsamen Beitrag der Milchsalze und Laktose zu der Pufferung des MF-Permeates zu bestimmen, wurde wie folgt gearbeitet: zunächt wurde eine Laktoselösung in bidistilliertem Wasser hergestllt und anschliessend mit Säure titriert. Laktose hat kaum eine Pufferwirkun (Abb. 7) und der Beitrag der reinen Laktoselösung zur Pufferintensität bei allen pH-Werten ist auf die Interaktion mit Wasser zurückzuführen (Abb. 7): β (mol/l-2) = 0,00024 (pH 6,7); 0,00030 (pH 5,25); 0,00048 (pH 4,4) und 0,00054 (pH 3,90). Der Anstieg der Pufferung in ph-Intervall 3,0 - 4,5 ist auf die Autolyse ([H+]) des Wassers (van Slyke, 1922) zurückzuführen. Für Wasser wurden folgenden β-Wertte (mol/l-1) aus der Graphik (Abb. 7) entnommen: 0,00014 (pH 6,7); 0,00026 (pH 5,25); 0,00037 (pH 4,4) und 0,00048 (pH 3,90). Der Beitrag der »reinen« Laktose ergibt sich aus dem Unterschied zwischen den Werten (siehe Tab. 3).

Um den Beitrag der Salze und Laktose ohne den der Molkenproteine insgesamt zu erklären, haben wir ein UF-Permeataus meat stellt die Proteinfreie wässrige Phase dar und die Pufferung ist vor allem auf die Milchsalze, die sich aus den Anionen der organischen Säure und die Wikung von Laktose und Wasser zurückzuführen. Wenn man die Pufferkapazität des UF-Permeates in Abb. 7 (Säuretitration) betrachtet, stellt man eine maximale Wirkung (blauers Pfeil) von β=0,0113 mol/l in pH-Intervall 4 - 5, fest. Sie beruht vor allem auf den Zitraten (~80 %) und etwas (~3 %) auch auf den Phosphatgehalt sowie auf die Nicht-Eiweiß-Stickstoffverbindungen bzw. (~4 %)den Laktose + Wassergehalt (Tab. 3).                                       

In Abb. 7 wird mit Einen Kleinen Pfeil darauf hingewiesen, wo bestmmte β-Werte bei Milch und MF-Permeat auftreten. Die auf dieser Weise graphisch und kalkulatorisch errechnete maximale Wirkung von β ~0,0113 mol/l für die wässrige Phase des UF-Permeates stimmt exakt mit dem Wert β ~0,011 mol/l überein, aus der einzigen uns bekannten publizierten Pufferungskurve eines UF-Permeates (Walstra; Jenness, 1984). Wiederum macht dieser Wert (0,0113 mol/l) 71,5 % des βmax des MF-Permeates (bei pH 4,4) und entspricht dem reinen Beitrag der Milchsalze, Laktose und Wasser (Tab. 3). Der kleine schwarze Pfeil in Abb. 7 zeigt den Anfangs-pH Wert der Hin-Titration des UF-Permeates an, basierend auf der Graphik von Walstra & Jenness (1984). ~80 % puffert die Zitronensäure im UF-Permeat bei pH 4,4. Die gemeinsame Pufferung der Milchsalze im UF-Permeat bei 4,4 besteht rechnerisch zu ~84 % (= (0,0095)/(0,0113)) aus der Summe der Beiträge von Zitraten, Phosphaten und Karbonaten (vgl. auch Abb. 3, 4 und 5). Die Milchsalze, Laktose und Wasser machen gemeinsam ~88,5 % aus. Das Kohlensäure-Hydrogenkarbont-Paar und Phosphat-Puffersystem wirken sich hier sehr schwach aus.

Laut Tab. 3 macht das UF-Permeat im Durchschnitt ~71,9 % (graphisch) bzw.68,9 % (redchnerisch) der Pufferungspeaks des MF-Permeates bei pH-Werten 6,7, 5,25, 4,4, 3,9 und 3,8 aus. Wir haben nun Einen Anteil der Pufferwirkung des MF-Permeates anhand des individuellen theoretischen rechnerischen Beitrages de puffernden Substanzen in dem UF-Permeat, also von den gesamten Milchsalzen (Zitrate, Phosphate, Karbonate), Laktose, und Wasser beschrieben. Gemeinsam und unter Vorbehalt können sie (rechnerisch) ~95,9 % der Pufferungspeaks im UF-Permeat in dem unterssuchten pH-Intervall erklären. Sie machen ~74,3 % der Pufferungspeaks im MF-Permeat bei pH 6,7 bzw. ~63,3 % bei pHJ 4,4 (Tab. 3) aus. Das UF-Permeat macht ~74,2 % bei pH 6,7 bzw. ~71,52 % bei pH 4,4 der Pufferungspeaks des MF-Permeat aus. Laktose und Wasser sind für zirka 2,6 % bzw. 3 % der Pufferungspeaks des MF-Permeates bei diesen pH-Werten verantwortlich; ihre Wirkung steigt mit abnehmendem pH-Wert. Graphisch und rechnerisch stimmen die Werte ziemlich gut miteinander überein.

 Aus Abb. 7 und Tab. 3 ist weiterhin zu entnehmen, dass die Differenz in dB/dpH von MF-Permeat und UF-Permeat als f(pHH) dem Beitrag der Molkenproteine entsprechen soll. Die nächste Ausgabe (Teil 3) befasst sich mit der Pufferwirkung der Molkenproteine, die den fehlenden Beitrag (=MF-UF) zur MF-Pufferkapazität erklären sollte. 

[1] WOLFSCHOON-POMBO, A. F.; RIBEIRO, D. W. Die Pufferungskurve von idealer Molke (MF-Permeat) – Teil II. DMZ, v. 23, p. 19-21, 2014.

[115] WOLFSCHOON-POMBO, A. F.; RIBEIRO, D. W. Die Pufferungskurve von idealer Molke (MF-Permeat) – Teil I. DMZ, v. 22, p. 26-29, 2014.