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

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. 

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