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Abschlussbericht AiF-FV 13733N 

Abschlussbericht zu AiF-FV 13733 N 

Kontinuierliche Gewinnung von Glykomakropeptid durch Membranverfahren 

und Einsatz seiner technologischen Funktionalität in Milch- und Diätprodukten 

Inhaltsverzeichnis 

1 Einführung und wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 

.........................................................................................................................................1 

1.1 Ausgangssituation..................................................................................................1 

1.2 Motivation für den Forschungsgegenstand............................................................6 

1.3 Forschungsziele und Lösungsweg.........................................................................6 

2 Analytik............................................................................................................................8 

2.1 Bestimmung der CMP-Fraktionen mittels RP-HPLC..............................................8 

2.1.1 Material und Methoden................................................................................9 

2.1.2 Ergebnisse und Diskussion.......................................................................10 

2.2 Bestimmung der GMP-gebundenen Sialinsäure..................................................11 

2.2.1 Material und Methoden..............................................................................12 


3 CMP-Gewinnung...........................................................................................................17 

3.1 Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke unter Berücksichtigung der Ausbeute 

und Reinheit von CMP .........................................................................................18 



3.1.2.1 Untersuchungen zur Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke mittels 

Zentrifugation.........................................................................................21 


Mikrofiltration .........................................................................................24 

3.2 Optimierung der CMP-Gewinnung mittels Membrantrenntechnik........................27 



3.2.2.1 Einfluss der Prozessbedingungen auf die CMP-Ausbeute....................33 

3.2.2.2 Einfluss der Molkeinhaltsstoffe auf die CMP-Ausbeute.........................46 

4 Technologisch-funktionelle Eigenschaften ...............................................................54 

4.1 Löslichkeitsverhalten von CMP in Abhängigkeit des pH-Wertes .........................55 

4.2 Hitzestabilität von CMP........................................................................................57 

4.3 Schaumeigenschaften von CMP..........................................................................58 



i


4.3.2.1 Produktspezifische Einflussfaktoren auf das Schaumergebnis .............60 

4.3.2.2 Einfluss von Proteinwechselwirkungen auf die Schaumeigenschaften .68 

4.4 Emulgiereigenschaften von CMP.........................................................................71 



4.4.2.1 Emulgieraktivität von CMP ....................................................................74 

4.4.2.2 Einfluss der Milieubedingungen auf die Emulgiereigenschaften von CMP 

..............................................................................................................76 

4.4.2.3 Einfluss von Proteinwechselwirkungen auf die Emulgiereigenschaften 79 

4.5 Untersuchungen zu den Gelbildungseigenschaften.............................................81 



4.5.2.1 Gel-Screening........................................................................................87 

4.5.2.2 CMP-Carrageenan-Mischgele ...............................................................90 

4.6 Einbindung von CMP in reale Lebensmittelsysteme............................................92 

4.6.1 Joghurt ......................................................................................................92 

4.6.2 Eiskrem .....................................................................................................96 

5 Schlussfolgerungen für praktische Umsetzung der Ergebnisse...........................100 

6 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens für kleine und mittlere 

Unternehmen..............................................................................................................102 

6.1 Nutzen der Forschungsergebnisse ....................................................................102 

6.2 Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der kmU.......102 

7 Transfer der wissenschaftlichen Ergebnisse ..........................................................104 

7.1 Vorträge .............................................................................................................104 

7.2 Poster.................................................................................................................105 

7.3 Veröffentlichungen .............................................................................................105 

8 Durchführende Forschungsstelle .............................................................................106 

9 Literatur.......................................................................................................................107 

ii


Forschungsthema 

Kontinuierliche Gewinnung von Glykomakropeptid durch Membranverfahren und Einsatz 

seiner technologischen Funktionalität in Milch- und Diätprodukten 

1 Einführung und wissenschaftlich-technische und wirtschaftliche Problemstellung 

1.1 Ausgangssituation 

Glykomakropeptid (GMP) zählt zu den ernährungsphysiologisch besonders relevanten Inhaltsstoffen 

in Milch. Es entstammt der äußeren Region der Caseinmicelle und bildet den 

hydrophilen Teil des κ-Caseins mit einem Anteil von 40 %. GMP entsteht durch enzymatische 

Hydrolyse von κ-Casein während der Labeinwirkung bei der Herstellung einer Vielzahl 

von Käsesorten, indem κ-Casein durch Chymosin selektiv in das hydrophobe para-κ-Casein 

und das hydrophile GMP gespalten wird. Hierbei geht das GMP im Gemisch mit den Molkenproteinen 

in die Süßmolke über, während das para-κ-Casein an der Caseinmicelle und 

somit im Käsebruch verbleibt. Die GMP-Konzentration in Süßmolke beträgt ca. 1,4 g GMP/l, 

ausgehend von einem Gesamtproteingehalt von 8 g/l (Clare, 1998, Hyslop, 2003, Smithers 

et al., 1991). In Deutschland beträgt der Molkenanfall insgesamt ca. 12 Millionen t/a, davon 

ca. 73 % Süßmolke (Richarts, 2001, Wietbrauck & Hahn, 2000) mit darin enthaltenen ca. 

11.000 t GMP. 

Der Begriff GMP hat sich in der Milchwissenschaft für den hydrophilen Teil des κ-Caseins 

eingebürgert. Dies vermutet den Eindruck, dass es sich um eine einheitliche Substanz handelt, 

was jedoch nicht zutrifft. Vielmehr kommt GMP als ein heterogenes Molekül mit jeweils 

gleichem Aminosäure-Grundgerüst innerhalb einer genetischen Variante vor. Diese Heterogenität 

ist zurückzuführen auf Variationen im Bezug auf Glykosylierungsgrad, -art sowie – 

position (Farrell et al., 2004, Minkiewicz et al., 1996, Molle & Leonil, 1995). Etwa ein Drittel 

der GMP-Moleküle enthält glykosidisch gebundene Kohlenhydratketten, die aus einem Mono-, 

Di-, Tri- oder Tetrasaccharid bestehen, welche jeweils aus Galaktose, N-Acetylgalactosamin 

und N-Acetylneuraminsäure (Sialinsäure) aufgebaut sind (Saito & Itoh, 1992): 

(A) Monosaccharid GalNAc-O-R 

(B) Disaccharid Gal β1�3 GalNAc-O-R 

(C) Trisaccharid NeuAc α2�3 Gal β1�3 GalNAc-O-R 

(D) Trisaccharid Gal β1�3 (NeuAc α2�6) GalNAc-O-R 

(E) Tertrasaccharid NeuAc α2�3 Gal β1�3 (NeuAc α2�6) GalNAc-O-R 

Das durchschnittliche Vorkommen der fünf Zuckkerreste im GMP ist wie folgt: A 0,8 %, B 

6,3%, C 18,4%, D 18,5% and E 56% (Saito & Itoh, 1992). 

1


Die übrigen zwei Drittel des GMP liegen nicht glykosyliert vor, so dass hier der Begriff GMP 

irreführend ist. Dennoch wird der Begriff GMP in der Literatur oft für die Gesamtheit aller 

Fraktionen des Makropeptides verwendet. Für die Gesamtheit aller glykosylierten und nichtglykosylierten 

Fraktionen wird im Folgenden daher der Begriff Caseinomakropeptid (CMP) 

verwendet. CMP umfasst die Gesamtheit aller CMP-Fraktionen, Glyco-CMP oder GMP die 

glykosylierten Fraktionen und aglyco-CMP die nicht glykosylierten Fraktionen (Bild 1-1). 

CMP weist interessante biologische und ernährungsphysiologische Eigenschaften sowie ein 

viel versprechendes technologisch-funktionelles Potenzial auf. Bisher ungenutzt ist das Potenzial 

zur Strukturbildung durch CMP, welches die biologischen Funktionen beim Produktdesign 

nachhaltig unterstützen kann. Der Wissensstand zum biologischen und technologisch-funktionellem 

Potenzial sowie zu den bisher eingesetzten Gewinnungsverfahren soll 

als Grundlage einleitend kurz erläutert werden. 

para-κ-Casein 

ca. 6 % des Gesamtproteins von Milch 

N-terminaler, hydrophoberTeil (AS 1-105) 

κ-Casein 


Das nutritive und biologische Potenzial 

Caseinomacropeptid (CMP) 


C-terminaler, hydrophiler Teil (AS 106-169) 

Glycomacropeptid 

(GMP oder glyco-CMP) 

ca. 30 % des Gesamt-CMP 

enthält glycosidisch gebundene 

Kohlenhydratketten 

Bild 1-1: Zusammensetzung von κ-Casein und seinem Makropeptid 

Nicht-glykosyliertes CMP 

(aglyco-CMP) 

ca. 70 % des Gesamt-CMP 

enthält keine 

Kohlenhydratketten 

CMP besitzt aufgrund seiner Aminosäuren-(AS)-Zusammensetzung und Kohlenhydratanteile 

interessante biologische Eigenschaften und ein viel versprechendes ernährungsphysiologisches 

sowie diätetisches Potenzial (Abd El-Salam et al., 1996, Brody, 2000). CMP ist reich 

an den essentiellen AS Threonin und Lysin, an verzweigtkettigen AS wie Valin und Isoleucin, 

es enthält keine der aromatischen AS (Phe, Try, Tyr) und nur geringe Mengen an Methionin. 

CMP kann daher als Inhaltsstoff diätetischer Lebensmittel für an Phenylketonurie leidenden 

Patienten sowie zur Behandlung von Lebererkrankungen eingesetzt werden. Als Vorteil von 

2


mit CMP als originärem Milchinhaltsstoff hergestellten Präparaten zur Behandlung dieser 

Krankheiten wird vermutet, dass CMP das Mundgefühl und den Flavour von Proteinen erzielen 

kann. Des Weiteren kann CMP bei der Herstellung hypoallergener Produkte eingesetzt 

werden. 

In der Literatur wird berichtet, dass CMP aufgrund des Vorhandenseins von Sialinsäure im 

GMP-Molekül das Wachstum von Bifidobakterien im Darm fördert und somit der Kolonisation 

von pathogenen Bakterien vorbeugen kann (Idota et al., 1994, Janer et al., 2004). CMP besitzt 

auch die Eigenschaft, die Magensäuresekretion reduzieren und somit zu einer Steigerung 

des Sättigungsgefühls beitragen zu können (Pedersen et al., 2000, Yvon et al., 1994). 

Auch die Anwendung zur Kariesprophylaxe wird beschrieben, denn CMP kann die Anhaftung 

von Keimen auf der Zahnoberfläche hemmen (Guggenheim et al., 1999, Neeser et al., 1988, 

Neeser et al., 1994, Schüpbach et al., 1996). 

In-vitro-Tests deuten an, dass CMP die Osteoklastenaktivität, d.h. die Knochenresorption 

hemmt, während es gleichzeitig die Osteoblastenaktivität und die Knochenkalzifizierung fördert 

(Neeser, 2000). CMP wird somit ein Potenzial zur Osteoporoseprophylaxe zugeschrieben. 

Eine weitere interessante Eigenschaft von CMP ist, dass seine Aminosäuresequenz 

106-110 sowohl strukturelle als auch funktionelle Ähnlichkeiten zu dem Dodecapeptid von 

Fibrinogen aufweist (Jolles et al., 1978, Jolles et al., 1986, Manso et al., 2002). Es wurde 

gefunden, dass CMP dem Entstehen von Thrombose entgegen wirken kann, indem es die 

Bindung von Fibrinogen an Thrombozyten hemmt. Ferner ist beschrieben, dass CMP die 

Bindung von Cholera-Toxin sowie E. coli-Enterotoxin LT-I und LT-II an die jeweiligen Rezeptoren 

hemmt (Kawasaki et al., 1992, Oh et al., 2000). Somit kann CMP als Inhaltsstoff diätetischer 

Lebensmittel präventiv gegen z.B. durch Vibrio cholerae verursachte gastroenteritische 

Erkrankungen oder möglicherweise sogar als pharmazeutisches Präparat eingesetzt 

werden. Des Weiteren ist bekannt, dass CMP die Hämagglutination durch Influenza-Viren 

inaktiviert und somit vor Effekten einer Infektion schützt (Kawasaki et al., 1993a). 

Dem gegenüber ist die Abwesenheit von CMP in Molke wünschenswert, welche für Formelnahrungen 

für Neugeborene, insbesondere für Frühgeborene, verarbeitet wird. Bei diesen 

handelsüblichen Formelnahrungen, die vorwiegend aus Süßmolke hergestellt bzw. mit Süßmolkekonzentraten 

angereichert werden steht CMP im Zusammenhang mit deren hohen 

Threoningehalten und wird im Hinblick auf Hyperthreoninemie diskutiert (Boehm et al., 1998, 

Castagne et al., 1993, Castagne et al., 1994, Darling et al., 1999, Rigo et al., 2001). Diese 

Produkte enthalten somit im Vergleich zu Humanmilch ca. 20 % mehr Threonin. Für das 

Herstellen von Muttermilchersatzpräparate mit einem der Muttermilch ähnlichen Proteinmuster 

ist folglich die Abwesenheit von CMP in Süßmolke als Rohstoff anzustreben. 

3


Das technologisch-funktionelle Potenzial 

Der oben beschriebene chemisch-molekulare Aufbau von CMP deutet neben einer hohen 

physiologischen Wirksamkeit auf ein viel versprechendes technologisch-funktionelles Potenzial 

hin. Der glykosidische Aufbau und der amphiphile Charakter versprechen hohe Grenzflächenaktivität. 

Es lassen sich also gute Schaum- und Emulsionsbildungseigenschaften erwarten. 

Allerdings ist über das Potenzial zur Strukturbildung durch CMP nur ein sehr karges 

Wissen vorhanden. So wurden zwar von (Smithers et al., 1991) und (Marshall, 1991) erste 

Untersuchungen zu Schaum- und Gelbildungseigenschaften von GMP durchgeführt. Im Vergleich 

zu Hühnereiweiß wurde z.B. ein größeres Schaumvolumen erzielt. Weitere Details 

hinsichtlich der zu erwartenden technologischen Funktionalität ergeben sich allerdings weder 

aus diesen Arbeiten noch aus der weiterführender wissenschaftlichen Literatur. Nichtsdestoweniger 

liegt aber gerade hier ein neues Einsatzgebiet, indem die nutritiven Funktionen mit 

den Möglichkeiten zur Produktgestaltung im Zusammenhang mit Milchprodukt- bzw. Lebensmittelstrukturen 

kombiniert werden können. 

Gewinnungsverfahren 

Im Markt befindliche CMP-Produkte werden vorwiegend über patentgeschützte, chromatographische 

Prozesse gewonnen, welche das CMP aus dem Gemisch mit den Molkenproteinen 

in einer vergleichsweise teuren, aufwändigen und wegen der Austauschersäulenregeneration 

auch umweltbelastenden Weise abtrennen (Etzel, 2001, Kawakami et al., 1992, 

Kawasaki et al., 1994, Nielsen & Tromholt, 1994, Shimatini et al., 1993, Tanimoto et al., 

1990). Diese Verfahren beruhen auf der unterschiedlichen Adsorption der Moleküle in Abhängigkeit 

von ihrer Ladung. CMP besitzt bei einem pH < 4 eine negative Nettoladung, während 

Molkenproteine positiv geladen sind. Daher adsorbieren Molkenproteine an einem Kationenaustauscher 

(Shimatini et al., 1993), während sich CMP im Eluat befindet bzw. vice versa 

bei dem Einsatz von Anionenaustauschern (Kawasaki & Dosako, 1994). Es ist jedoch auf 

die nötige pH-Einstellung hinzuweisen, wodurch die technologischen und ernährungsphysiologischen 

Eigenschaften von CMP negativ beeinflusst werden können. 

Neben chromatographischen Methoden sind auch Gewinnungsverfahren mittels Membrantrennverfahren 

beschrieben. Allerdings basieren diese Methoden auf der pH-abhängigen 

Veränderung des Molekularvolumens (MV) von CMP, wodurch pH-Einstellungen nötig sind, 

durch welche die technologischen und ernährungsphysiologischen Eigenschaften von CMP 

negativ beeinflusst werden können. 

Rein rechnerisch liegt das Molekulargewicht von CMP in der Größenordnung der Molekular- 

gewichte von α-Lactalbulin und β-Lactoglobulin (Tabelle 1-1). Dies macht eine Trennung von 

CMP aus dem Gemisch mit den Molkenproteinen mittels Membrantrenntechnologie in nati- 

4


vem Zustand unmöglich. Jedoch weist CMP bei einem pH-Wert von 3,5 ein MV von 10-20 

kDa auf, während bei einem pH-Wert von 7 das MV 20-50 kDa beträgt (Kawasaki et al., 

1993b, Minkiewicz et al., 1996). Diese pH-abhängige Veränderung des molekularen Volumens 

von CMP ist darauf zurückzuführen, dass bei niedrigem pH-Wert die elektrostatischen 

Abstoßungskräfte zwischen Carboxylgruppen und Sialinsäure sowie die negative Nettoladung 

abnehmen und folglich ein niedriges MV vorliegt. Wohingegen im basischen pH- 

Bereich die negative Ladung und der hydrophilen Charakter zunimmt, wodurch die intramolekularen 

sterischen und elektrostatischen Abstoßungskräfte zunehmen und folglich eine 

offene, lang gestreckte Struktur mit höherem MV vorliegt (Minkiewicz et al., 1996). 

Tabelle 1-1: Molekulargewichte (MG) der verschiedenen CMP-Fraktionen und der majoren Molkenproteinen 

Protein MG [Da] 

aglyco CMP 7.000 

glykosyliertes CMP 7.000 – 10.000 

α- Lactalbumin 14.200 

β- Lactoglobulin 18.000 

Dies ermöglicht das CMP aufgrund der Unterschiede im MV in Abhängigkeit vom pH-Wert 

von anderen Molkenproteinen mittels Membrantrenntechnik zu trennen. Kawasaki et al. 

(1993b) sowie Martin-Diana et al. (2002) haben die pH-Abhängigkeit des MV von CMP für 

die Gewinnung von CMP mittels Ultrafiltration ausgenutzt. Süßmoke wurde mit HCl auf pH 

3,5 eingestellt und mittels UF (50 kDa cut-off) filtriert. Dabei wurden die Molkenproteine zurückgehalten, 

während CMP mit einem MV von 10-20 kDa permeierte. Das CMP-haltige UF- 

Permeat wurde mit NaOH neutralisiert und erneut mittels UF (10 kDa cut-off) filtriert, wodurch 

das CMP mit einem MV von 20-50 kDa im Retentat verblieb und aufkonzentriert werden 

konnte. 

Jedoch sind bei den beschriebenen Gewinnungsverfahren pH-Einstellungen nötig, durch 

welche der native Zustand von CMP nicht gewährleistet werden kann sowie die technologischen 

und ernährungsphysiologischen Eigenschaften von CMP negativ beeinflusst werden 

können. 

1.2 Motivation für den Forschungsgegenstand 

Aus dieser Grundlage ergibt sich die Motivation für dieses Vorhaben. Dieses Vorhaben soll 

einen neuen, kontinuierlichen, umweltfreundlicheren und KMU zugänglichen Prozess zur 

5


Gewinnung von CMP in nativem Zustand mittels Membrantrenntechnik entwickeln, mit dem 

auch größere Mengen an CMP entweder mit hohem Reinheitsgrad oder im Gemisch mit 

Molkenproteinen bzw. Caseinen gewonnen werden können. Eine Nutzung von CMP erscheint 

im Lichte neuer biofunktionaler Produktkonzepte von großem Anreiz. Das gut belegte 

ernährungsphysiologische Potenzial von CMP begründet die Motivation für das Erarbeiten 

der technologischen Basis für neue nutritive Produktkonzepte. 

1.3 Forschungsziele und Lösungsweg 

Für den Einsatz von CMP für die Entwicklung innovativer Milchprodukte mit gesundheitsförderndem 

Zusatznutzen ist es erforderlich zunächst das CMP in nativer Form zu gewinnen 

und seine technologisch-funktionellen Eigenschaften zu kennen. Diese Plattform ermöglicht 

es, das CMP effizient in Produktmatrices einzubinden, indem neben seinem ernährungsphysiologischen 

auch dessen technologisch-funktionelles Potenzial ausgenutzt wird. Des Weiteren 

erlauben diese Kenntnisse auch Schlussfolgerungen auf den Einfluss von CMP auf die 

Funktionalität von Produkten auf Molkenproteinbasis. Ein Beitrag hierzu soll mit diesem Forschungsvorhaben 

geleistet werden, indem folgende Forschungsziele verfolgt und Lösungswege 

erarbeitet werden: 

� CMP-Analytik 

Für die Durchführung des Forschungsvorhabens war es essentiell, zunächst eine standardisierte 

Methode zur Bestimmung der einzelnen CMP-Fraktionen simultan mit den 

majoren Molkenproteinen zu etablieren. Da hierzu bereits eine Methode zur Bestimmung 

von CMP im Rahmen des Vorprojektes FEI-Forschungsfond-Vorhaben FEI-FF 05 entwickelt 

wurde und am Institut eine Methode zur Bestimmung der Molkenproteine vorhanden 

war, bestand die Aufgabe darin, die Methoden weiterzuentwickeln, dass eine simultane 

Bestimmung von CMP und den majoren Molkenproteinen möglich werde. Vorrangig 

ging es um eine Methode, die CMP quantitativ und qualitativ erfassen sollte. 

� Gewinnung von CMP 

Ausgehend von einem Casein-MF-Retentat (Bild 1-2) und anschließender Labbehandlung 

war es das Ziel, ein Verfahren zur Anreicherung von CMP mittels Mikrofiltration 

(MF) und Ultrafiltration (UF) im Diafiltrationsmodus zu entwickeln und diejenigen Anlagen- 

und Verfahrensparameter zu eruieren, welche eine möglichst vollständige Permeation 

von CMP bei der MF und Retention bei der UF, eine hohe Permeationsleistung, eine 

maximale Reinheit und Ausbeute ermöglichen. Dabei dient die MF der Abtrennung der 

Caseinkoagulatbruchstücke, die bei der Labgelbehandlung in das Serum übergegangen 

sind. So soll ein hoher Reinheitsgrad der gewonnenen CMP-Fraktion erzielt werden. 

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Magermilch 

MIKROFILTRATION 

0,1 µm 

Caseinkonzentrat 

MF-Permeat 

UF-Permeat 

ULTRAFILTRATION 

25.000 Da 

Molkenproteinkonzentrat 

Bild 1-2: Schema der kontinuierlichen Fraktionierung von Milchprotein 

� Technologisch-funktionelle Eigenschaften 

Die technologisch-funktionellen Eigenschaften, insbesondere die Hitzestabilität, das rheologische, 

Löslichkeits-, Gelbildungs- und Grenzflächenverhalten von CMP sollten mit 

dem Ziel untersucht werden, CMP als aktives Ingrediens zur Strukturbildung in Produktmatrices 

von Milch- und Molkenprodukten einzubringen. 

� Wechselwirkungen zwischen CMP, Molkenproteinen, Casein und Hydrokolloiden 

Des weiteren sollte die Funktionalität von CMP im Vergleich zu bzw. im Gemisch mit den 

Molkenproteinen und/oder Caseinen sowie Hydrokolloiden betrachtet und die Auswirkungen 

der An- bzw. Abwesenheit von CMP in Molkenderivaten auf deren funktionelle 

Eigenschaften überprüft werden. Dabei sollte festgestellt werden, wie sich die Funktionalität 

von möglichst reinem CMP in Abhängigkeit von den Vorbehandlungsbedingungen 

verhält bzw. in welcher Konzentration und in welchen Kombinationen mit anderen Milchproteinen 

bzw. Hydrokolloiden sich eine optimale Funktionalität bei der Gestaltung von 

Produkten ergibt. 

� Strukturbeeinflussung durch Einbringen von CMP in Produktmatrices 

Die gewonnenen Ergebnisse zur Strukturbildung von CMP sollten an realen Produktsystemen 

angewandt werden, um Kenntnisse zum Prozessverhalten sowie zu den funktionellen 

Eigenschaften von CMP in komplexeren Matrices unter praxisübliche Bedingungen 

zu erhalten. 

Die eingesetzten Materialien und Methoden sowie die erzielten Ergebnisse werden im Folgenden 

nach den einzelnen Arbeitspaketen des Vorhabens dargestellt. 

7


2 Analytik 

Für die Durchführung des Forschungsvorhabens war es essentiell, zunächst eine standardisierte 

Methode zur Bestimmung der einzelnen CMP-Fraktionen simultan mit den majoren 

Molkenproteinen zu etablieren. Zudem war es erforderlich die Einflüsse der Prozesse und 

Milieubedingungen auf die Glykosylierung des CMP zu bestimmen. Da Sialinsäure der dominante 

Zuckerrest am GMP ist und zudem für die biologische Funktionalität von CMP eine 

bedeutende Rolle spielt, wurde zu diesem Zwecke eine Methode zur Bestimmung der am 

GMP gebundenen Sialinsäure erarbeitet. 

2.1 Bestimmung der CMP-Fraktionen mittels RP-HPLC 

Zur analytischen Bestimmung von CMP werden in der Literatur verschiedene Reversed- 

Phase High-Performance-Liquid-Chromatography(RP-HPLC)-Methoden beschrieben. Die 

meisten Methoden dienen dem Nachweis von Labmolkepulver in Milch- oder Buttermilchpul- 

ver (Ferreira & Oliveira, 2003, 1989) sowie der Verfolgung der κ-Caseinhydrolyse während 

dem Labprozess (Calvo, 2002, Reid et al., 1997, Coolbear et al., 1996, Sharma et al., 1993). 

Bei diesen Methoden wird jedoch lediglich das nicht-glykosylierte CMP der genetischen Variante 

A als einzelner Peak oder die Gesamtheit aller CMP-Fraktionen in mehreren, nicht von 

einander getrennten Peaks analysiert. Ein weiterer Nachteil dieser Methoden ist, dass diese 

mittels Trichloressigsäure (TCA) die Proben vorbehandeln, um die Molkenproteine und restlichen 

Caseine auszufällen. Bereits van Hooydonk et al. (1984) stellten fest, dass durch eine 

TCA-Endkonzentration > 2 % bereits CMP an Löslichkeit verliert. Jedoch findet bei den meisten 

Methoden eine Endkonzentration von 8 % TCA Anwendung (Sharma et al., 1993, Leonil 

& Molle, 1991, Olieman & Vanriel, 1989), da erst bei dieser TCA-Konzentration alle Molkenproteine 

präzipitieren. Die simultane Analyse von CMP und Molkenproteinen, wie bei Elgar et 

al. (2000) und Leonil et al. (1997) beschrieben, resultiert in nicht klar von einander getrennten 

Peaks der nicht-glykosylierten und glykosylierten Fraktionen des CMP sowie der genetischen 

Varianten von β-Lactoglobulin (β-Lg). 

Aus diesem Grund wurde bereits in dem Vorprojekt FEI-Forschungsfond-Vorhaben FF-05 zu 

diesem Forschungsvorhaben eine RP-HPLC-Methode zur Analyse von CMP etabliert, die 

sich dadurch auszeichnet, dass sie das CMP in seiner Gesamtheit erfassen kann. Bei dieser 

Methode wird bei der Probenvorbereitung weder die Zusammensetzung noch die zu analysierende 

Menge verändert sowie auf die Fällung mittels TCA verzichtet. Somit ermöglicht 

diese Methode, das CMP sowohl quantitativ als auch qualitativ zu erfassen. Ziel im Rahmen 

dieses Forschungsvorhabens war es, die Methode dahingehend weiterzuentwickeln, dass 

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neben CMP gleichzeitig vorhandene Molkenproteine (α-Lactalbumin, β-Lactoglobulin A und 

B) analytisch mit erfasst werden können. 

2.1.1 Material und Methoden 

CMP-, Molkenprotein- und Süßmolkeproben 

CMP-Proben wurden aus eingelabter Caseinlösung hergestellt. Hierzu wurde eine Caseinlösung 

mit einer Reinheit von 99,2 % (bezogen auf den Gesamtproteingehalt) durch eine Kombination 

aus MF und UF im Diafiltrationsmodus aus Magermilch (cCasein: 3 %) gewonnen 

(Kersten & Hinrichs, 2000). Die Caseinlösung wurde auf 32 °C temperiert, mit 0,02 % (w/v) 

Chymosin (Maxiren ® 180, DSM Food Specialties, Delft, Niederlande) versetzt und bei 32 °C 

für 90 min inkubiert. Anschließend wurden die Proben in einem Eisbad auf 4 °C abgekühlt 

und 15 min bei 6842 x g zentrifugiert. Der Überstand wurde lyophilisiert, über Aminosäurenanalyse 

quantifiziert und als Standard verwendet. Zur Analyse wurde das Lyophilisat mit einer 

Konzentration von 2 % in dest. Wasser gelöst und mittels 0,45 µm Spritzenvorsatzfilter 

(Schleicher & Schuell, Dassel, Deutschland) filtriert. 

Süßmolke wurde aus eingelabter Magermilch mittels Chymosin bei gleichen Bedingungen 

hergestellt. α-Lactalbumin und β-Lactoglobulin Standards wurden von Sigma-Aldrich (Taufkirchen) 

bezogen. 

Chemikalien 

Acetonitril, HPLC grade, Merk, Darmstadt 

Trifluressigsäure (TFA), Pierce, Perbio Science, Bonn 

RP-HPLC 

Säulen: Reversed-Phase Vor- und Hauptsäule PLRP-S, 8 μm, 300 Å 

Detektor: 

(Latek, Deutschland) 

UV-Dedektor, λ = 226 nm 

Arbeitsprinzip: Hochdruckgradientenanalyse 

Eluent A: 100 % Reinstwasser + 0,1 % TFA 

Eluent B: 20 % Reinstwasser + 80 % Acetonitril + 555 μl TFA 

Flussrate: 1 ml/min 

Säulentemperatur: 40 °C 

Injektionsvolumen: 20 μl 

Kalibrierung: 5 Punkt-Kalibrierung, R 2 ≥ 0,999 

9


2.1.2 Ergebnisse und Diskussion 

Bild 2-1 zeigt RP-HPLC-Chromatogramme des Molkenprotein-Mischstandards (Bild 2-1 (a)), 

des CMP (Bild 2-1 (b)) sowie einer Mischung aus beidem (Bild 2-1 (c)). 

Absorption 226 

1 

2 

3 

4 

10 15 20 25 30 

RT /min 

Bild 2-1: Superpositionsdarstelllung von RP-HPLC Chromatogrammen; einem Gemisch der 

Molkenprotein Standards α-La und β-Lg (a), einer Gesamtfraktion von CMP gewonnen 

aus eingelabter Caseinlösung (b) und einer Mischung aus beidem (c). Peak 1 und 

3: GMP gen. var. A und B, Peak 2: aglyco CMP gen. var. A, Peak 4: aglyco CMP 

gen.var. B, Peak 5: α-La, Peak 6: β-Lg gen. var. B, Peak 7: β-Lg gen. var. A. 

Das Elutionsprofil der Molkenproteine entspricht dem des IDF Standards (IDF, 1999). Die 

Elutionsreihenfolge der Molkenproteine und CMP-Fraktionen wird durch die jeweilige mittlere 

Hydrophobizität bestimmt, so dass die CMP-Fraktionen vor dem α-La gefolgt von dem β-Lg 

B und β-Lg A eluieren. Im Gegensatz zu den von Elgar et al. (2000) veröffentlichten Ergebnissen 

konnte die Trennung der CMP-Fraktionen GMP und aglyco-CMP sowie der genetischen 

Varianten von β-Lg deutlich verbessert werden. Dabei eluiert das GMP (glyco-CMP A 

+ B) als mehrere Peaks zwischen einer Retentionszeit (RT) von 12 und 16 min, welche auf 

ein Gemisch von unterschiedlich glykosylierten Fraktionen der genetischen Variante A und B 

zurückzuführen sind. Das nichtglykosylierte CMP der genetischen Varianten A und B (aglyco-CMP 

A bzw. B) eluiert jeweils als einzelner Peak nach dem GMP bei einer RT von 16,5 

bzw. 18,3 min. Die Molkenproteine eluieren in dem Bereich zwischen RT 21 und 29 min, wo- 

5 

6 

7 

(c) 

(b) 

(a) 

10


bei α-Lactalbumin mit einer RT von 21,5 min, β-Lactoglobulin B mit einer RT von 27 min und 

β Lactoglobulin A mit einer RT von 28 min detektiert wird. 

Fazit: 

Mit der entwickelten HPLC-Methode ist eine qualitative und quantitative Charakterisierung 

von CMP hinsichtlich der einzelnen CMP-Fraktionen (GMP, aglyco CMP A, aglyco CMP B) 

möglich. Zudem ist bei der simultanen Detektion mit den Molkenproteinen eine gute Trennung 

von α-Lactalbumin und β-Lactoglobulin realisiert. Das Verfahren liefert eine analytische 

Basis für weiterführende technologisch-funktionelle Untersuchungen. Somit ist es möglich 

die Einflüsse von Prozess- und Milieufaktoren sowohl auf die einzelnen CMP Fraktionen als 

auch auf die majoren Molkenproteine sowie gegebenenfalls Wechselwirkungen zwischen 

CMP und den Molkenproteinen zu eruieren. Mit dieser Methode ist somit eine Plattform vorhanden, 

die es ermöglicht allgemein gültige Ergebnisse hinsichtlich Qualität und Quantität zu 

erarbeiten. 

2.2 Bestimmung der GMP-gebundenen Sialinsäure 

Für die biologische Funktionalität spielt insbesondere der Anteil an GMP-gebundener Sialinsäure 

(SA) eine große Bedeutung. In Bild 2-2 ist die Strukturformel von Sialinsäure dargestellt. 

Sialinsäure ist die Sammelbezeichnung für acylierte Derivate der Neuraminsäure und 

wird auch als Acetylneuraminsäure bezeichnet. Im GMP-Molekül kommt vor allem die N- 

Acetylneuraminsäure vor (Saito & Itoh, 1992). Sie ist eine starke organische Säure mit einem 

pK-Wert von 2,2, was eine hohe negative Nettoladung begründet. Sie dienen u.a. zur Stabilisierung 

von Glykoproteinen gegen Denaturierung und Proteolyse sowie zum Transport positiv 

geladener Verbindungen (Reutter, Köttgen, Bauer, & Gerok, 1982). 

Ac HN 

Bild 2-2: Strukturformel von Sialinsäure 

OH 

OH 

OH 

O 

COOH 

OH OH 

11


Daher war es Ziel, Einflüsse der Prozess- und Milieubedingungen auf den Gehalt an CMPgebundener 

Sialinsäure bestimmen zu können. 

Zunächst ergab sich folgende Problemstellung: Die in der Literatur beschriebenen photometrischen 

Methoden zur Bestimmung von Sialinsäure (Schauer & Corfield, 1982) eignen sich 

entweder zur Bestimmung der gesamten Sialinsäure ohne Differenzierung hinsichtlich gebundener 

bzw. freier Sialinsäure (Reuter & Schauer, 1994, Schauer, 1978, Jourdian et al., 

1971, Böhm et al., 1954), oder lediglich zur Bestimmung von frei vorliegender Sialinsäure 

(Nakano & Ozimek, 1999, Marier et al., 1963, Warren, 1959). Die gebundene Sialinsäure 

kann nur aus der Differenz der ermittelten Werte für gesamte und freie Sialinsäure berechnet 

werden, jedoch führt die Verrechnung von Werten, die aus zwei unterschiedlichen Methoden 

ermittelt werden zu erheblichen Ungenauigkeiten. Daher stellte sich die Frage, wie mittels 

ein und derselben Methode zwischen gebundener und freien Sialinsäure mit hoher Genauigkeit 

unterschieden werden kann. 

Nach eingehender Literaturstudie wurde die Sialinsäurebestimmung mittels Bialsreagenz am 

Institut etabliert, da sie sich durch eine hohe Spezifität und Reproduzierbarkeit auszeichnet 

(Reuter & Schauer, 1994). Diese Methode erlaubt jedoch herkömmlich lediglich die Bestimmung 

des gesamten Sialinsäuregehaltes in einer Probe. Um zwischen gebundener und freier 

Sialinsäure unterscheiden zu können, wurde die Bials-Methode dahingehend modifiziert, 

dass in der Probenvorbereitung die freie und gebundene Sialinsäure mittels Membranzentri- 

fugation (Macrosep ® MWCO 10K, Pall) voneinander getrennt werden. 


CMP 

CMP wurde wie in Kapitel 2.1.1 beschrieben hergestellt und analysiert. 

Für die Stammlösung wurden 0,3 % CMP in bi-destilliertem Wasser gelöst und über Nacht 

bei 4 °C quellen gelassen. 

Sialinsäurestandard 

N-Acetylneuraminic acid C11H19O9, synthetisch, > 98 %, Fluka, Buchs 

Für die Stammlösung wurden 0,04 % Sialinsäure in bi-destilliertem Wasser gelöst und bei 

-18 °C gelagert. 

Bialsreagenz 

5-Methylresorcin C7H8O2, 97 %, Sigma-Aldrich, Taufkirchen 

Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat FeCl3·6H2O, 97%, Sigma-Aldrich, Taufkirchen 

12


Salzsäure HCl, 37 % rauchend, Merck, Darmstadt 

0,4 g 5-Methylresorcin wurden in 4 ml einer 1 %igen wässrigen Eisen(III)-chlorid-Hexahydrat- 

Lösung gelöst. Der Ansatz wurde mit 162,8 ml Salzsäure versetzt und mit bidest. Wasser auf 

200 ml aufgefüllt und lichtgeschützt bei 4 °C gelagert. 

Weitere Chemikalien 

Isoamylalkohol (3-Methyl-1-butanol), ≥ 98 %, Merck, Darmstadt 

Orcinol/Fe3+/HCl Assay zur Bestimmung von Sialinsäure 

Nach der Methode von Reuter & Schauer (1994) wurde die freie als auch die gebundene 

Sialinsäure quantitativ bestimmt. Die Detektionsgrenze lag bei 20 µg und es ergab sich ein 

linearer Zusammenhang bis zu einem Sialinsäuregehalt von 80 µg/1000 µl Testvolumen. 

1 ml Probe wurde mit 1 ml Reagenz versetzt, auf dem Vortex-Mischer homogenisiert und 

15 min bei 95 °C im Wasserbad erhitzt. Hierbei reagieren die Sialinsäuremoleküle in der Gegenwart 

von Salzsäure zu Hydroxymethylfurfural, das zusammen mit Orcin nach Abkühlung 

der Probe (5 min, Eiswasserbad) violette Kondensationsprodukte bildet (Bild 2-1). Anschließend 

wurde die organische von der anorganischen Phase durch die Zugabe von 7 ml Isoamylalkohol 

und 5 min Zentrifugation bei 3000*g getrennt. Der organische Überstand wurde in 

Einmalküvetten (No./REF 67.742, 10x4x4,5 mm, Sarstedt, Nümbrecht) bei 572 nm im Photometer 

(Lambda 25 UV/VIS Spectrometer, Perkin Elmer) gegen den Blindwert gemessen. 

Es wurden 5-Punkt-Kalibrierkurven für CMP und Sialinsäure erstellt, indem ein Blindwert aus 

Wasser sowie 1:4, 1:1, 4:1 und 0:1 Verdünnungen aus den Stammlösungen hergestellt und 

wie oben beschrieben behandelt wurden. 

Bild 2-3: Reaktionsgleichung des Orcinol-Assay 

13


Trennung von freier und gebundener Sialinsäure 

Es wurde ein Verfahren entwickelt, um die freie und gebundene Sialinsäure mittels 

Membranzentrifugation voneinander zu trennen. 

10 ml Probe wurde in ein Membranzentrifugenröhrchen (Macrosep ® MWCO 10K, Pall) pipet- 

tiert und 60 min bei 4000 g zentrifugiert. Die Probe wird dabei in Retentat, das die gebundene 

Sialinsäure und das CMP enthält, und Permeat, das die freie Sialinsäure enthält, getrennt. 

Anschließend wurde das Retentat auf den Gehalt an gebundener Sialinsäure und das 

Permeat auf den Gehalt an freier Sialinsäure mittels Bials-Reagenz untersucht. 


Bei allen untersuchten Proben konnte nachgewiesen werden, dass das gesamte CMP im 

Retentat verbleibt, während 100 % der freien Sialinsäure permeierten. Wie Bild 2-4 zeigt, 

zeichnet sich die Methode zudem durch eine sehr geringe Schwankungsbreite (R 2 = 0,999) 

aus. 

Extinktion λ = 572 nm 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

y = 2,4196x 

R 2 = 0,9997 

0.0 

0.00 0.05 0.10 

Sialinsäure / mg/ml 

0.15 0.20 

Bild 2-4: Kalibriergerade der Sialinsäurebestimmung mittels Orcinol/Fe 3+ /HCl Assay 

In Bild 2-5 ist der Sialinsäuregehalt in Abhängigkeit der CMP-Konzentration dargestellt. 

14


Sialinsäure / mg/ml 

0.20 

0.15 

0.10 

0.05 

y = 0.0533x 

R 2 = 0.999 

0.00 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 

CMP / mg/ml 

Bild 2-5: Sialinsäuregehalt in Abhängigkeit der CMP-Konzentration 

Es wurde mit dieser Methode der Einfluss des pH-Wertes bei Raumtemperatur sowie nach 

einer Erhitzung bei 120 °C für 60 sec auf den Gehalt an gebundener Sialinsäure pro mg 

GMP untersucht. Die Ergebnisse in Bild 2-6 und Bild 2-7 zeigen, dass mit abnehmendem 

pH-Wert der Gehalt an gebundener Sialinsäure abnimmt. 

gebundene SA / µg/mg GMP 

80 

60 

40 

20 

0 

9 

8 

7 

6 

pH / - 

Bild 2-6: Gehalt an GMP-gebundener Sialinsäure (SA) in Abhängigkeit des pH-Wertes bei 

20 °C 

5 

4 

3 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

2 

gebundene SA / % 

15


Bei den unerhitzten Proben nimmt der Gehalt von 98 % bei pH 7 auf 54 % bei pH 2 ab. Bei 

den erhitzten Proben liegt bereits bei pH 7 lediglich 84 % der Sialinsäure an GMP gebunden 

vor und nimmt bis zu 21 % bei pH 2 ab. Diese Ergebnisse korrelieren mit den Veränderungen 

der glykosylierten Fraktion im HPLC-Fingerprint bei saurem pH-Wert. Daraus kann geschlussfolgert 

werden, dass es unter sauren Milieubedingungen zu einer sauren Hydrolyse 

der gebundenen Zuckermoleküle in Abhängigkeit des pH-Wertes, der Temperatur und der 

Einwirkzeit kommt. 

Bild 2-7: Gehalt an gebundener Sialinsäure (SA) in Abhängigkeit des pH-Wertes nach einer 

Hitzebehandlung bei 120 °C für 60 sec im Vergleich zu 20 °C 

Fazit: 

gebundene SA / µg/mg GMP 

80 

60 

40 

20 

0 

9 

20 °C 

120 °C/ 60 s 

8 

7 

6 

pH / - 

Es wurde eine modifizierte Methode nach Reuter & Schauer (1994) zur Bestimmung von 

freier und an GMP gebundener Sialinsäure entwickelt. Die Bials-Methode wurde dahingehend 

modifiziert, dass in der Probenvorbereitung die freie und gebundene Sialinsäure mittels 

Membranzentrifugation (Macrosep ® MWCO 10K, Pall) voneinander getrennt werden. Bei 

allen untersuchten Proben konnte nachgewiesen werden, dass das gesamte CMP im Retentat 

verbleibt, während 100 % der freien Sialinsäure permeierten. Des Weiteren wurde der 

Einfluss von pH und Temperatur auf den Gehalt an GMP-gebundener Sialinsäure untersucht. 

Mit sinkendem pH-Wert und zunehmender Temperatur kam es zu einer Abnahme der 

gebundenen Sialinsäure. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass es unter diesen Bedingungen 

zu einer sauren Hydrolyse der gebundenen Zuckermoleküle kommt. Das kann 

sowohl die technologischen als auch die bioaktiven Funktionalitäten von CMP beeinflussen. 

5 

4 

3 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

2 

gebundene SA / % 

16


3 CMP-Gewinnung 

Ausgehend von einem Casein-MF-Retentat und anschließender Labbehandlung war es das 

Ziel, ein Verfahren zur Anreicherung von CMP in 'nativem' Zustand mittels Mikrofiltration 

(MF) und Ultrafiltration (UF) im Diafiltrationsmodus zu entwickeln. Dabei sollten diejenigen 

Anlagen- und Verfahrensparameter eruiert werden, welche eine möglichst vollständige Permeation 

von CMP bei der MF und Retention bei der UF, eine hohe Permeationsleistung sowie 

eine maximale Reinheit und Ausbeute ermöglichen. Dabei dient die MF der Abtrennung 

der Caseinkoagulatbruchstücke, die bei der Labgelbehandlung in das Serum übergegangen 

sind und bestimmt maßgeblich den Reinheitsgrad der gewonnenen CMP-Fraktion. Darüber 

hinaus ist der Reinheitsgrad abhängig von der Effizienz der Molkenproteinabtrennung bei der 

Diafiltration von Milch zur Herstellung des Casein-MF-Retentats, die den Anteil an Molkenproteinen 

in der CMP-Fraktion bestimmt. Daher wurden im ersten Schritt Untersuchungen 

durchgeführt, um die Caseinkoagulatbruchstücke abzutrennen. Im zweiten Schritt galt es, die 

Gewinnung von 'nativem' CMP mittels Membrantrenntechnik in Hinsicht auf die CMP- 

Ausbeute zu optimieren. 

3.1 Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke unter Berücksichtigung der Ausbeute 

und Reinheit von CMP 

Ziel war, eine reine CMP-Fraktion mit hoher Ausbeute zu gewinnen. Der Reinheitsgrad der 

gewonnenen CMP-Fraktion ist vor allem von der Effizienz der Abtrennung der Caseinkoagulatbruchstücke 

abhängig. Die Abtrennung der Caseinpartikel wurde mittels Zentrifugal- und 

mittels Membrantrenntechnik untersucht. 


Magermilch 

Frische pasteurisierte Magermilch wurde von der Staatl. Molkerei Weihenstephan bezogen. 

Die Trockenmasse betrug durchschnittlich 9,6 %. Der Proteingehalt lag durchschnittlich bei 

3,4 % mit einem Caseingehalt von durchschnittlich 3,0 %. Der pH-Wert der Magermilch war 

im Bereich zwischen 6,6 und 6,8 (ϑ = 20 °C). 

Casein-MF-Retentat 

Das Casein-MF-Retentat wurde mittels MF-Diafiltration mit UF-Permeat als Diafiltrationsmedium 

aus Magermilch nach Kersten & Hinrichs (2000) hergestellt. Die Reinheit an Casein 

betrug durchschnittlich 99,2 % bezogen auf den Gesamtproteingehalt. 

17


Molkenprotein freie Süßmolke 

Molkenprotein freie Süßmolke wurde aus dem Casein-MF-Retentat (cCasein: 3 %) hergestellt. 

Hierzu wurde das Casein-MF-Retentat bei 32 °C temperiert, mit 0,02 % (w/v) Chymosin 

(Maxiren ® 180, DSM Food Specialties, Delft, Niederlande) versetzt und bei 32 °C für 90 min 

inkubiert. Die entstandene Gallerte wurde mit Käsehafen in haselnussgroße Bruchkörner 

geschnitten und nachgebrannt, indem unter Rühren die Temperatur innerhalb 30 min von 

32 °C auf 40 °C erhöht wurde. Anschließend wurde die Molke vom Bruch abgetrennt. In 

Tabelle 3-1 ist die durchschnittliche Zusammensetzung der Molkenprotein freien Süßmolke 

zusammengefasst. Der pH-Wert der Molke wurde je nach Bedarf mit Milchsäure auf den gewünschten 

pH-Wert eingestellt. 

Tabelle 3-1: Durchschnittliche Zusammensetzung Molkenprotein freier Molke 

Chemikalien 

Milchsäure, Merck (Art.Nr. 366), Darmstadt 

Bestandteil Gehalt [%] 

Trockenmasse 5,4 

Laktose 3,9 

Salze 0,2 

CMP 0,2 

Casein 0,2 

Salzsäure, J.T. Baker (Art.Nr. 6167), Phillipsburg, USA 

Kontinuierliche Zentrifugation 

Zur Abtrennung der Caseinpartikel wurde die Molke kontinuierlich in einer Biofuge 17 RS 

(Heraeus, Osterode) mit einem Durchlaufrotor 8575 (Heraeus, Osterode) zentrifugiert. Dabei 

wurden folgende Einstellungen variiert: 

� die Zentrifugalbeschleunigung (g-Zahl): 4.000, 10.000, 15.000, 20.000, 65.000 g 

� die Verweilzeit (VWZ): 3, 5, 8, 10 min 

� der pH-Wert der Molke: 6,5 - 5,5 - 4,5 - 3,5 

� die Temperatur: 20 °C, 60 °C 

In den abzentrifugierten Überständen wurde der CMP-Gehalt mittels RP-HPLC (s. Kapitel 2) 

analysiert. Der Proteingehalt wurde mittels Stickstoffanalysator FP-528 (Leco, Mönchengladbach) 

nach der modifizierten Aufschlussmethode von Dumas bestimmt und der Caseingehalt 

wie folgt ermittelt: 

cCasein cGesamtprotein 

−cCMP 

−c 

Molkenproteine 

= (Formel 3.1) 

18


Milkrofiltrationsanlage 

Die Funktionsweise der verwendeten Mikrofiltrations-Pilotanlage basiert auf dem Uniform- 

Transmembrane-Pressure(UTP)-Prinzip. Für die Fraktionierung kam ein MF-Modul (7P19- 

40L, APV, Silkeborg, Dänemark) mit einer Trenngrenze von 0,1 bzw. 1,4 µm und einer Gesamtfilterfläche 

von 1,68 m² zur Anwendung. Das Modul besteht aus sieben keramischen 

Röhrenmembranen (SCT, Societe des Ceramiques Techniques, Bezet, Frankreich) in Form 

von Multi-Kanalelementen, deren aktive Trennschicht aus Zirkoniumoxid besteht und auf 

eine Trägerschicht aus Aluminiumoxid aufgebracht ist. 

Die Pilotanlage besitzt ein 140 l fassendes Vorlaufgefäß, von dem das Produkt mit Hilfe einer 

Kreiselpumpe (0,8 kW, Hilge, Bodenheim) direkt in den Filtrationskreislauf gefördert wird. Die 

Produktförderung im Retentat- bzw. Permeat-Kreislauf erfolgt durch zwei frequenzgesteuerte 

Pumpen (Fa. Abel, Büchen, Deutschland) mit einer Leistung von 11 kW bzw. 7,5 kW. Bild 3- 

1 zeigt den schematischen Aufbau der MF-Anlage. Die Betriebsparameter der MF während 

der Diafiltration sind Tabelle 3-2 zu entnehmen. 

Bild 3-1: Schema der Mikrofiltrations-Pilotanlage 

Tabelle 3-2: Durchschnittliche Betriebsparameter der Mikrofiltration während der Diafiltration 

Retentatseite Permeatseite 

Temperatur [°C] 55 55 

Druck vor der Membran [MPa] 3,12 2,72 

Druck nach der Membran [MPa] 1,62 1,22 

Resultierender Druckverlust [MPa] 1,50 1,50 

Transmembrane Druckdifferenz [MPa] 0,4 0,4 

Volumenstrom [m 3 /l] 0,8 0,12 

19


Ultrafiltrationsanlage 

Die Ultrafiltration zum kontinuierlichen Entziehen des Diafiltrationsmediums der MF- 

Diafiltration wurde mit einer Anlage der Fa. APV (Silkeborg, Dänemark) durchgeführt. Es 

kam ein Platten-Rahmen System mit 40 einzelnen organischen Membranen aus Polysulfon 

(Fa. APV, Typ GR 60 PP, Silkeborg, Dänemark) mit einer Trenngrenze von 25 kDa und einer 

Gesamtfilterfläche von 3,0 m² zur Anwendung. Mit Hilfe einer Kreiselpumpe (Hilge, Bodenheim, 

Deutschland) erfolgt die Umwälzung des Produktes. 

In Bild 3-2 ist das Fließschema der Mikrofiltration-Diafiltration zum Entfernen von Caseinstaub 

dargestellt. Je Diafiltrationsschritt wurde der CMP-Gehalt im MF- und UF-Retentat 

sowie im MF- und UF-Permeat mittels RP-HPLC ermittelt. Zudem wurde der Gesamtproteingehalt 

analysiert. Die CMP-Ausbeute A wurde aus der CMP-Konzentration im UF-Retentat 

(CUF-Retentat) und der CMP-Konzentration im Ausgangsprodukt (d.h. im CMP-reichen Serum 

vor der MF/UF-Diafiltration) wie folgt ermittelt: 

C 

A[%] 

= 

UF −Retentat; 

t 

C 

0 

⋅100 

mit CUF-Retentat: CMP-Konzentration im UF-Retentat nach Diafiltrationsschritt t; 

C0: CMP-Konzentration im Ausgangsprodukt; 

t: Anzahl der Diafiltrationsschritte. 

VE-Wasser 

Magermilch 

CMP-haltiges Serum 

MF-Diafiltration 

Ultrafiltration 

UF- 

Retentat 

MF-Permeat 

CMP, Laktose, Salze 

(Formel 3.2) 

MF-Retentat 

Caseinstaub 

UF-Permeat 

Wasser, Laktose, 

Salze 

Bild 3-2: Fließschema der Mikrofiltration-Diafiltration zum Entfernen von Caseinstaub 

20




Zentrifugation 

Bei der Zentrifugalmethode wurden die Zentrifugalbeschleunigung, die Verweilzeit sowie der 

pH-Wert der Molke auf Abtrennung der Caseinpartikel und der CMP-Ausbeute bei kontinuierlicher 

Zentrifugation untersucht. Dabei wurde sowohl der CMP- als auch der Caseingehalt in 

den abzentrifugierten Überständen analysiert. 

In Bild 3-3 (a) ist der Einfluss der g-Zahl auf die CMP-Ausbeute bei pH 7,0 und einer VWZ 

von 10 min dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die g-Zahl keinen Einfluss auf die CMP- 

Ausbeute hat. Bei kürzen VWZ von 3, 5 und 8 min war dementsprechend ebenfalls kein Verlust 

an CMP im Überstand festzustellen, d.h. die VWZ hat ebenfalls keinen Einfluss auf die 

CMP-Ausbeute. Dem gegenüber wiesen die g-Zahl sowie die VWZ einen Einfluss auf die 

Abtrennung der Caseinpartikel auf (Bild 3-3 (b)). Mit zunehmender g-Zahl und VWZ stieg die 

Caseinpartikel-Abtrennung. 

(a) (b) 

1,2 

Molke nach 10 min VWZ 

1,2 

CMP ct/c0 [-] 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

0 4 10 15 20 

1.000 * g [-] 

65 

Casein ct/c0 [-] 

4 10 15 20 65 

1.000 * g [-] 

Bild 3-3: Relativer CMP-Gehalt (a) und Caseingehalt (b) im Überstand der abzentrifugierten 

Molke in Abhängigkeit der g- Zahl bei pH 7,0 nach 3 und 10 min VWZ bei 20 °C; ct: 

CMP- bzw. Caseinkonzentration zur VWZ t, c0: CMP bzw. Caseinkonzentration der 

Ausgangsmolke 

Analog hierzu zeigte sich, dass der pH-Wert der Molke die Ausbeute an CMP nicht beeinträchtigt, 

jedoch die Abtrennung der Caseinpartikel (Bild 3-4 (a) und Bild 3-4 (b)) beeinflusst. 

Dieses Ergebnis deutet bereits auf ein gutes Löslichkeitsverhalten von CMP hin, da durch 

Erniedrigen des pH-Wertes keine abtrennbaren Produkte wie z. B. Präzipitate gebildet werden. 

Das Löslichkeitsverhalten von CMP wird in Kapitel 4 eingehend erläutert. Ein Absenken 

des pH-Wertes führt jedoch zu einer Verschiebung bzw. Abnahme im elektrostatischen Po- 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

0 

Molke 

nach 3 min VWZ 

nach 10 min VWZ 

21


tenzial (Zeta-Potenzial) an der Oberfläche der noch vorhanden Caseinmicellen und Caseinpartikeln 

und bewirkt die Aggregation der Caseinfragmente. Die Ergebnisse zeigen, dass in 

den so entstandenen und teilweise abzentrifugierten Caseinpartikelaggregaten kein CMP 

eingeschlossen wird. Die Effizienz der Caseinpartikel-Abtrennung nahm mit zunehmender g- 

Zahl und Verweilzeit sowie abnehmendem pH-Wert zu, wohingegen die untersuchten Parameter 

keinen Einfluss auf die CMP-Ausbeute hatten. Das Absenken des pH-Wertes zeigte 

den größten Einfluss auf die Abtrennung der Caseinpartikel, jedoch war keine vollständige 

Abtrennung der Caseinpartikel möglich. 

CMP ct/c0 [-] 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

Molke 

vor 

Zentrifu- 

gation 

nach 10 min VWZ, 65.000 g 

6,5 5,5 4,5 

pH [-] 

3,5 

Casein ct/c0 [-] 

0 

vor 

Zentrifugation 

Bild 3-4: CMP-Gehalt (a) und Caseingehalt (b) relativ im Überstand der abzentrifugierten Molke 

in Abhängigkeit des pH-Wertes nach 10 min VWZ bei 65.000 g bei 20 °C; ct: CMP- 

bzw. Caseinkonzentration zur VWZ t, c0: CMP- bzw. Caseinkonzentration der Ausgangsmolke 

Um die Abtrennung der Caseinpartikel mittels Zentrifugation zu steigern, wurde eine Versuchsreihe 

bei 60 °C durchgeführt (Bild 3-5). Durch die erhöhte Temperatur nehmen die hydrophoben 

Wechselwirkungen zu, wodurch eine bessere Abtrennung der Caseinpartikel vermutet 

wird. Dabei kam es lediglich zu einer geringfügigen Steigerung der Caseinpartikel- 

Abtrennung, jedoch nicht zu einer vollständigen Abtrennung. Mittels Zentrifugation kann unter 

den untersuchten Bedingungen kein reines CMP-Präparat aus labgefällter Caseinlösung 

gewonnen werden. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass eine hohe Reinheit von CMP keine 

Voraussetzung für den Einsatz von CMP in Produkten darstellt. Die erforderliche Reinheit 

ist je nach Anwendungszweck zu bewerten bzw. festzulegen. 

1,2 

1,0 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

Molke nach nach 10 10 min min VWZ 65.000 g 

6,5 5,5 4,5 

pH [-] 

3,5 

22


ct/c0 [-] 

1,2 

1 

0,8 

0,6 

0,4 

0,2 

0 

vor 

Zentrifu- 

gation 

20.000 * g 

20 °C 

CMP Casein 

20.000 * g 

60 °C 

Bild 3-5: Casein- und CMP-Gehalt relativ im Überstand der abzentrifugierten Molke in Abhängigkeit 

der Zentrifugationstemperatur nach 10 min VWZ bei 20.000 g; ct: Casein- bzw. 

CMP-Konzentration zur VWZ t, c0: CMP-Konzentration der Ausgangsmolke 


Mikrofiltration 

Alternativ zur Zentrifugaltrenntechnik wurden Untersuchungen zur Caseinpartikel- 

Abtrennung mittels Mikrofiltration (MF) durchgeführt. Die Caseinpartikel sollten von der MF- 

Membran vollständig zurückgehalten werden, während das CMP vollständig permeieren sollte. 

Zusätzlich wurde das CMP durch Diafiltration (DF) mit enthärtetem Wasser aus der Molke 

bzw. dem MF-Retentat ausgewaschen, wobei das zugeführte Wasser kontinuierlich mittels 

Ultrafiltration (UF) wieder entzogen wurde. 

In Bild 3-6 ist die Ausbeute an CMP während der Filtration des CMP-reichen Serums mit 

einer CMP-Ausgangskonzentration c0 von ca. 2 g/l bei Einsatz der 0,1 µm Membran dargestellt. 

Die Reinheit des CMP im so gewonnenen UF-Retentat betrug ca. 95 % bezogen auf 

den Proteingehalt. Jedoch konnte nach acht Diafiltrationsschritten lediglich eine Ausbeute 

von ca. 38 % CMP erzielt werden. 

23


Ausbeute [%] 

100 

90 

Δp=0,4 bar 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

τ=1,5 bar 

ϑ=55°C 

0 2 4 6 8 10 

DF-Waschschritte (WS) 

Bild 3-6: Ausbeute an CMP bei der Mikrofiltration-Diafiltration eines CMP-reichen Serums mit 

c0/CMP = 2 g/l durch eine MF-Membran mit einer Trennschärfe von 0,1 µm 

Um die Ausbeute an CMP zu steigern, wurden verschiedene Strategien verfolgt, deren Ergebnisse 

in Bild 3-7 zusammengefasst sind. Da die Permeation eines Stoffes u.a. von dessen 

Konzentration in dem zu filtrierenden Medium abhängt, wurde das CMP-reiche Serum 

zuvor mittels UF um den Faktor 1,6 aufkonzentriert und anschließend der MF-DF (0,1 µm) 

unterzogen. Dabei konnte die Ausbeute mit einem Reinheitsgrad von ca. 95 % lediglich auf 

65 % gesteigert werden (Bild 3-7, b). Eine weitere Steigerung der Ausbeute auf 88 % konnte 

durch den Einsatz der 1,4 µm-MF-Membran erzielt werden (Bild 3-7, c), jedoch bei gleichzeitigem 

Verlust an Reinheit, die lediglich 65 % betrug. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei 

dieser Membran feine Caseinpartikel teilweise permeieren können. Die Permeation von CMP 

kann jedoch von einer - trotz UTP-Prinzip - sich bildenden Deckschicht aus Caseinpartikeln 

negativ beeinflusst werden. Daher wurde ein durch Filtration (1,4 µm-Membran) vorgeklärtes 

MF-Permeat anschließend durch die 0,1 µm-Membran filtriert. Dabei konnte eine Reinheit 

von ca. 95 % erzielt werden, jedoch lediglich eine Ausbeute an CMP von 50 % (Bild 3-7, d). 

Wurde hingegen ein caseinpartikelfreies CMP-Serum, das durch Filtration mit der 0,1 µm- 

Membran und anschließendem Aufkonzentrieren mittels UF gewonnen wurde, einer Filtration 

mit der 0,1 µm-Membran unterzogen, so konnte eine Ausbeute an CMP von ca. 75 % nach 

dem ersten DF-Waschschritt erzielt werden (Bild 3-7, e). 

24


100 

Ausbeute [%] 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

• 

(e) 

0 

0 2 4 6 8 10 

Waschschritte (WS) 

Δp=0,4 bar 

τ=1,5 bar 

ϑ=55°C 

Bild 3-7: Ausbeute an CMP bei der Mikrofiltration-Diafiltration eines CMP-reichen 

Serums mit c0/CMP = 2 g/l; (a) 0,1 µm Membran; (b) aufkonzentriertes CMP-Serum 

(c0/CMP = 3,2 g/l), 0,1 µm Membran; (c) 1,4 µm Membran; (d) vorgeklärtes CMP- 

Serum, 0,1 µm Membran; (e) caseinpartikelfreies CMP-Serum 0,1 µm Membran 

Fazit: 

Bei der Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke mittels Zentrifugaltrenntechnik konnte 

kein Einfluss der Zentrifugalbeschleunigung, der Verweilzeit, des pH-Wertes sowie der Temperatur 

auf die CMP-Ausbeute festgestellt werden. Die Effizienz der Caseinpartikel- 

Abtrennung nahm mit zunehmender g-Zahl und Verweilzeit sowie abnehmendem pH-Wert 

und steigender Temperatur zu, jedoch war keine vollständige Abtrennung der Caseinpartikel 

möglich. 

Im Gegensatz zur Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke mittels Zentrifugaltrenntechnik 

konnte mittels MF-Diafiltration unter Verwendung einer 0,1 µm-Membran eine Reinheit von 

ca. 95 % bezogen auf den Proteingehalt erzielt werden, d.h. es war möglich eine vollständige 

Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke zu erzielen. Jedoch mussten hierbei hohe Verluste 

an der CMP-Ausbeute verzeichnet werden. Eine Steigerung der Ausbeute konnte durch 

den Einsatz der 1,4 µm-MF-Membran erzielt werden, jedoch bei gleichzeitigem Verlust an 

Reinheit. Das deutet darauf hin, dass die Caseinpartikel durch die Bildung einer Deckschicht 

die Permeation des CMP negativ beeinträchtigen. Zudem verändert sich durch die Diafiltration 

mit enthärtetem Wasser kontinuierlich der Gehalt an serumgelösten Bestandteilen wie 

Salze, was sich auf die Deckschichteigenschaften auswirken kann. Dieser Sachverhalt wird 

(c) 

(b) 

(d) 

(a) 

25


bei der Optimierung der CMP-Gewinnung im Hinblick auf die CMP-Ausbeute in Kapitel 3.2 

näher untersucht. 

Die Gewinnung von CMP mit hoher Reinheit ist vor allem für wissenschaftliche Zwecke bzw. 

für pharmazeutische Anwendungen notwendig. Eine hohe Reinheit ist unabdingbar, um die 

funktionellen Eigenschaften von CMP untersuchen zu können und in Mischprodukten wie 

WPCs beurteilen zu können. In der Praxis der Lebensmittelherstellung ist wahrscheinlich 

eine hohe Reinheit nicht erforderlich, die Aufarbeitung also nicht so kostspielig. 

3.2 Optimierung der CMP-Gewinnung mittels Membrantrenntechnik 

In den in Kapitel 1 dargelegten Grundlagen werden verschiedene Verfahren zur Gewinnung 

von CMP mittels Membrantrenntechnik vorgestellt. Hierbei bildet das pH-abhängige Molekularvolumen 

von CMP die Basis zur Gewinnung von CMP (Kawasaki et al., 1993, Martin- 

Diana et al., 2002, Minkiewicz et al., 1996, Nakano & Ozimek, 1998, Xu et al., 2000). Es gibt 

jedoch keine Kenntnis darüber, ob durch die Änderung der Milieubedingungen die Konformation, 

und somit die bioaktiven Eigenschaften von CMP beeinflusst werden. 

Ausgehend von einem Casein-MF-Retentat und anschließender Labbehandlung war es das 

Ziel, ein Verfahren zur Anreicherung von CMP in 'nativem' Zustand mittels Mikrofiltration 

(MF) und Ultrafiltration (UF) im Diafiltrationsmodus zu entwickeln, bei dem auf die pH- 

Einstellungen verzichtet werden kann. Dabei sollten diejenigen Anlagen- und Verfahrensparameter 

sowie Einflüsse von Molkenproteinen und Serumbestandteile eruiert werden, welche 

eine möglichst vollständige Permeation von CMP bei der MF und Retention bei der UF, eine 

hohe Permeationsleistung sowie eine maximale Reinheit und Ausbeute ermöglichen. 


Die verwendeten Materialien und Methoden sind in Kapitel 3.1 beschrieben. 

Versuchsdurchführung 

1.) Variation der Prozessbedingungen bei der MF-Diafiltration 

Zunächst sollte untersucht werden, wie sich die Änderungen der Prozessbedingungen auf 

die CMP-Ausbeute auswirken. Dazu wurden die transmembrane Druckdifferenz ΔpTM sowie 

die Wandschubspannung τW variiert und die gewonnenen Ausbeuten an CMP miteinander 

verglichen. 

Als Ausgangsprodukt wurde ein standardisiertes Molkenproteinkonzentrat der Molkerei 

Sachsenmilch AG in Leppersdorf eingesetzt. Um einen eventuellen Einfluss von Salzen auf 

die CMP-Ausbeute ausschließen zu können, wurden zunächst aus dem Konzentrat in sechs 

26


Waschschritten Lactose und Salze mittels UF-Diafiltration mit Wasser als Diafiltrationsmedium 

ausgewaschen. In einem weiteren Schritt wurde der Caseinstaub mittels MF-Diafiltration 

in sechs Waschschritten aus dem Konzentrat entfernt (siehe Kapitel 3.1). Dazu wurde das 

Salz- und Lactose freie Molkenproteinkonzentrat auf eine Protein-Konzentration von 4 g/l 

entsprechend dem Proteingehalt in Molke zurück verdünnt und bei einer konstanten Temperatur 

von 55 °C diafiltriert. Dabei wurde das MF-Permeat kontinuierlich in die UF-Anlage geleitet 

und das anfallende UF-Permeat diente als Diafiltrationsmedium. Im MF-Retentat 

verblieb der Caseinstaub, während das CMP im UF-Retentat gesammelt wurde. Die MF- 

Diafiltration wurde bei verschiedenen transmembranen Druckdifferenzen und Wandschubspannungen 

durchgeführt, wobei zunächst die transmembrane Druckdifferenz bei einer konstanten 

Wandschubspannung von 80 Pa variiert wurde. Anschließend erfolgte bei der optimalen 

transmembranen Druckdifferenz die Variation der Wandschubspannung von 40 bis 

110 Pa. Die folgende Tabelle (Tabelle 3-3) zeigt die verwendeten Variationen dieser Parameter 

und Bild 3-8 veranschaulicht den Versuchsablauf. 

Tabelle 3-3: Variation der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM sowie der Wandschubspannung 

τW 

ΔpTM [bar] τW [Pa] 

0,15 80 

0,3 80 

0,6 80 

0,15 40 

0,15 60 

0,15 90 

0,15 110 

27


enthärtetes 

Wasser 

Caseinstaub 

Molkenproteinkonzentrat 

UF-Diafiltration 

UF-Retentat 

Salz und Lactose freies 

Konzentrat 

MF-Permeat 

MF-Diafiltration Ultrafiltration 

UF-Permeat 

Bild 3-8: Fließschema zur Variation der Prozessparameter 

enthärtetes Wasser, 

Lactose, Salze 

UF-Retentat 

CMP 


2.) Untersuchungen zum Einfluss der Molkeinhaltsstoffe auf die CMP-Ausbeute 

In einer weiteren Versuchsreihe sollte untersucht werden, inwieweit die Molkeinhaltsstoffe 

(Molkenproteine, Salze, Lactose) den Gewinnungsprozess, und damit die CMP-Ausbeute, 

beeinflussen. Der CMP-Gewinnungsprozess gliedert sich in folgende Schritte und ist in 

Bild 3-9 schematisch dargestellt: 

a) Herstellung der Caseinlösung mittels MF-Diafiltration 

Aus Magermilch werden zunächst mittels MF-Diafiltration die Molkenproteine nach 

der bei Kersten & Hinrichs (2000) beschriebenen Methode ausgewaschen. Die so 

gewonnene micellare Caseinlösung wird mit UF-Permeat auf die in Milch natürlich 

vorkommende Caseinkonzentration von 3 % eingestellt und bis zur Labfällung bei 

4 °C gelagert. 

b) Labfällung 

Molkenprotein freie Süßmolke wird aus dem Casein-MF-Retentat (cCasein: 3 %) hergestellt. 

Hierzu wird das Casein-MF-Retentat bei 32 °C temperiert, mit 0,02 % (w/v) 

Chymosin (Maxiren ® 180, DSM Food Specialties, Delft, Niederlande) versetzt und 

bei 32 °C für 90 min inkubiert. Die entstandene Gallerte wird mit Käsehafen in hasel- 

28


enthärtetes 

Wasser 

nussgroße Bruchkörner geschnitten und nachgebrannt, indem unter Rühren die 

Temperatur innerhalb 30 min von 32 °C auf 40 °C erhöht wird. Anschließend wird die 

Molke vom Bruch abgetrennt und bis zum nächsten Gewinnungsschritt bei 4 °C gelagert. 

c) Entfernen von Caseinstaub mittels MF/UF-Diafiltration 

Der Caseinstaub wurde mittels MF-Diafiltration wie in Kapitel 3.1 beschrieben abgetrennt. 

d) Aufkonzentrieren der CMP-Lösung mittels UF 

Die CMP-Lösung wird für weitere Anwendungen mittels UF aufkonzentriert. 

Casein- 

coagulat 

MF-Retentat 

Caseinstaub 

Magermilch 

UTP-MF-Diafiltration Ultrafiltration 

Caseinkonzentrat 

Labfällung 

CMP haltige Molke 

Bild 3-9: Fließschema der CMP-Gewinnung 

MF-Permeat 

MF-Permeat 

UF-Permeat 


UF-Retentat 

CMP 

2.1) Untersuchungen zum Einfluss der Molkenproteine auf die CMP-Ausbeute 

UF-Retentat 


UF-Permeat 



Der Einfluss der Molkenproteine auf die CMP-Ausbeute wurde beurteilt. Hierzu wurde der 

Gewinnungsprozess von CMP ausgehend von Molkenkonzentrat (cProtein= 4 g/l) durchgeführt. 

Es wurde eine zusätzliche UF-Diafiltration zum Auswaschen von Salzen und Lactose mit 

29


enthärtetem Wasser als Diafiltrationsmedium in sechs Waschschritten durchgeführt, um einen 

möglichen Einfluss von Salzen und Lactose auszuschließen. Dabei gelangten Salze und 

Lactose ins Permeat, während im Retentat das CMP sowie Caseinpartikel zurückgehalten 

wurden. Die Gewinnungsschritte von CMP sahen bei diesem Prozess demnach folgendermaßen 

aus und sind in Bild 3-10 schematisch dargestellt: 

a) Auswaschen von Salzen und Lactose mittels UF 

b) Entfernen von Caseinstaub mittels MF-Diafiltration 

c) Aufkonzentrieren der CMP-Lösung mittels UF 

enthärtetes 

Wasser 

enthärtetes 

Wasser 

MF-Retentat 

Caseinstaub 

Molkenkonzentrat 

UF-Diafiltration 

Lactose und Salz freies 

Serum 

MF-Permeat 

Wasser 



UF-Retentat 

CMP 


Bild 3-10: Fließschema der CMP-Gewinnung zur Untersuchung des Einflusses von Molkenproteinen 

auf die CMP-Ausbeute 

2.2) Untersuchungen zum Einfluss von Salzen und Lactose auf die CMP-Ausbeute 

UF-Permeat 



In einem weiteren Versuch sollte der Einfluss von Salzen und Lactose auf die CMP- 

Ausbeute untersucht werden. Dazu wurde der Gewinnungsprozess von CMP mit vorgeschalteter 

UF-Diafiltration zum Auswaschen von Salzen und Lactose (Bild 3-10) mit dem Gewinnungsprozess 

ohne vorgeschaltete UF-Diafiltration ausgehend von einem Molkenproteinkonzentrat 

(cProtein= 4 g/l) verglichen. Hierbei wurde folgendermaßen vorgegangen (Bild 

3-11): 

30


a) Entfernen von Caseinstaub mittels MF-Diafiltration 

b) Aufkonzentrieren der CMP-Lösung mittels UF 

enthärtetes 

Wasser 

MF-Retentat 

Caseinstaub 

Bild 3-11: Fließschema der CMP-Gewinnung zur Untersuchung des Einflusses von Salze und 

Lactose auf die CMP-Ausbeute 

Es sei angemerkt, dass bei den Untersuchungen zum Einfluss von Lactose und Salzen auf 

die Entfernung der Molkenproteine verzichtet wurde. Die vorangegangenen Versuche hatten 

gezeigt, dass die Anwesenheit von Molkenproteinen keinen Einfluss auf die Permeationseigenschaften 

sowie die CMP-Ausbeute hat. 


Molkenkonzentrat 

MF-Permeat 


UF-Retentat 

CMP 


UF-Permeat 



Zur Gewinnung von CMP werden bisher Membrantrennverfahren eingesetzt, die auf der Änderung 

des molekularen Volumens von CMP in Abhängigkeit des pH-Wertes beruhen. Es ist 

jedoch nicht bekannt, ob dies zu molekularen Veränderungen führt, welche die bioaktiven 

Eigenschaften von CMP negativ beeinflussen können. Daher ist es von Bedeutung das CMP 

in seinem nativen Zustand zu gewinnen, um gezielt Einflüsse der Milieubedingungen auf die 

Bioaktivität sowie die technologische Funktionalität studieren zu können. 

Das im Rahmen dieses Forschungsvorhabens entwickelte Verfahren zur Gewinnung von 

CMP mittels Membrantrenntechnik bietet die Möglichkeit das CMP nativ, d. h. ohne Beeinflussung 

seiner Eigenschaften, herzustellen. 

31


Des Weiteren war es das Ziel, dieses Verfahren in seiner Effizienz zu steigern, indem diejenigen 

Anlagen- und Verfahrensparameter optimiert wurden, welche eine möglichst vollständige 

Permeation von CMP bei der MF und Retention bei der UF, eine hohe Permeationsleistung, 

eine maximale Reinheit und Ausbeute ermöglichen. Dazu wurden die transmembrane 

Druckdifferenz sowie die Wandschubspannung variiert, um die optimalen Prozessbedingungen 

festzulegen. Zudem wurde der Einfluss der Molkeinhaltsstoffe auf die 

CMP-Ausbeute bei den optimalen Protzesparametern untersucht. In Bild 3-12 sind die 

durchgeführten Variationen des Gewinnungsprozesses schematisch dargestellt. 

Gewinnungsprozess Variationen bzw. zusätzliche Prozesse 

Magermilch 

Labfällung 

Molke 

MF-Diafiltration 

CMP 

Bild 3-12: Fließschema des Gewinnungsprozesses von CMP mit durchgeführten Variationen 

3.2.2.1 Einfluss der Prozessbedingungen auf die CMP-Ausbeute 

Im folgenden Kapitel werden die Einflüsse der Prozessbedingungen auf die Permeationseigenschaften 

und die Ausbeute von CMP vorgestellt. Als Ausgangsstoff wurde ein standardisiertes 

Molkenproteinkonzentrat eingesetzt, dem mittels UF-Diafiltration Salze und Lactose 

entzogen wurden. Zusätzlich wurde es auf einen konstanten Protein-Gehalt von ca. 4 g/l eingestellt 

wurde. 

Die MF-Diafiltration wurde mit einer nominalen Trenngrenze von 0,1 µm bei einer konstanten 

Temperatur von 55 °C durchgeführt. Dabei wurden folgende Einflussgrößen variiert: 

� Wandschubspannung τW 40 bis 110 Pa 

� Transmembrane Druckdifferenz ΔpTM 0,15 bis 0,6 bar 

Molkenproteinentfernung mittels DF 

Auswaschen von Salzen und Lactose 

mittels UF-Diafiltration 

� Transmembrane Druckdifferenz ΔpTM 

� Wandschubspannung τW 

32


Transmembrane Druckdifferenz 

Mit zunehmender transmembraner Druckdifferenz ΔpTM steigt der Flux und im Idealfall die 

Permeation der gelösten Substanzen. Wird jedoch ein bestimmter Druck überschritten, so 

findet keine Steigerung mehr statt und es kann zu verstärktem inneren Fouling kommen. 

Dadurch wird die Permeation und schließlich auch die Ausbeute negativ beeinflusst. 

Bild 3-13 zeigt den Einfluss der transmembranen Druckdifferenz auf den Flux exemplarisch 

bei einer Wandschubspannung τW von 80 Pa. Die Lage der Druckmessfühler lag nicht unmit- 

telbar am Modulanfang bzw. Modulende, daher schneidet die Kurve die Abszisse nicht im 

Nullpunkt. Der Flux nahm erwartungsgemäß mit zunehmender transmembraner Druckdiffe- 

renz von 100 l/hm² bei ΔpTM von 0,15 bar auf 375 l/hm² bei ΔpTM von 0,6 bar zu. Der Druck- 

bereich in Bild 3-13 kann in drei Phasen eingeteilt werden. Bis etwa 0,2 bar liegt eine lineare 

Abhängigkeit vor, ab 0,2 bar befindet sich die Übergangsphase, die bei höheren Drücken in 

eine stationäre Phase, dem vollständig deckschichtkontrollierten Bereich, mündet. Der 

Transmembrandruck, bei dem der Übergang zum deckschichtkontrollierten Bereich stattfindet, 

wird als kritischer Transmembrandruck bezeichnet. Im ersten Diafiltrationsschritt betrug 

der kritische Transmembrandruck ΔpTM, krit 0,6 bar (Bild 3-13). Oberhalb dieses Trans- 

membrandruckes nahm der Flux hingegen wieder ab, was auf ein schlechteres Abtragen der 

Ablagerungsschicht bei höheren Druckdifferenzen zurückzuführen ist. 

Der kritische Transmembrandruck sollte idealerweise über die gesamte Diafiltration konstant 

beleiben, damit die Filtration nicht in einen deckschichtkontrollierten Bereich übergeht, wodurch 

eine optimale Permeation der zu fraktionierenden Substanzen nicht mehr gewährleistet 

werden kann. 

Flux [l/hm²] 

400 

300 

200 

100 

0 

55 °C, τW = 80 Pa 

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 

transmembrane Druckdifferenz [bar] 

Bild 3-13: Flux als Funktion der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM vor Beginn der MF- 

Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung (cProtein = 

4 g/l) 

33


In Bild 3-14 ist der Flux im Laufe der Diafiltration in Abhängigkeit von der transmembranen 

Druckdifferenz dargestellt. Mit zunehmender Druckdifferenz nahm der Flux zu. Gleichzeitig 

stieg auch der Druck auf die Membran, der die Deckschichtbildung verstärkt. Bei höheren 

Druckdifferenzen (0,3 und 0,6 bar) lag der Flux zu Beginn der Diafiltration bei 275 bzw. 

375 l/hm², nahm jedoch in den ersten Diafiltrationsschritten schnell ab und konnte sich ab 

dem zweiten Diafiltrationsschritt für 0,3 bar und ab dem fünften Diafiltrationsschritt für 0,6 bar 

bei etwa 200 l/hm² stabilisieren. Dieses Verhalten erklärt sich damit, dass sich mit zunehmender 

Filtrationsdauer eine Deckschicht bildete, die den Volumenstrom erniedrigte. Nach 

einer gewissen DF-Zeit stellte sich jedoch für die Deckschicht ein Gleichgewichtszustand ein, 

was durch das konstante Verhalten deutlich wird. Bei einem niedrigen ΔpTM von 0,15 bar 

blieb der Flux hingegen über die gesamte Diafiltrationsdauer bei etwa 100 l/hm² konstant. In 

diesem Fall ist die Deckschicht lockerer aufgebaut und befindet sich außerhalb des deckschichtkontrollierten 

Bereichs. 

Flux [l/hm²] 

400 

300 

200 

100 

0 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 

Diafiltrationsschritte 

55 °C, τW = 80 Pa 

0,6 bar 

0,3 bar 

0,15 bar 

Bild 3-14: Flux bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung 

(cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM 

Aufgrund des molekularen Volumens von CMP bei pH 6,5 (entsprechend einem Molekül mit 

einem Molekulargewicht von ca. 30 kDa) war zu vermuten, dass bei einer Trenngrenze von 

0,1 µm das CMP ungehindert permeieren kann. Die Permeation von CMP nimmt jedoch mit 

zunehmender transmembranen Druckdifferenz ab (Bild 3-15). Dies lässt darauf schließen, 

dass sich während der Diafiltration eine Deckschicht bildet, die einen Teil an CMP zurückhält, 

wodurch die Permeation verschlechtert wird. 

34


Bild 3-15: Permeation von CMP bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 

freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der transmembranen 

Druckdifferenz ΔpTM 

Die geringste Permeation ergab sich für eine transmembrane Druckdifferenz von 0,6 bar. 

Hier betrug die Permeation zu Beginn lediglich 28 % und sank im Verlauf der Diafiltration 

kontinuierlich auf unter 10 % ab. Die Permeation bei 0,3 bar war deutlich höher, betrug zunächst 

47 % und fiel im Verlauf der Diafiltration kontinuierlich auf 25 % ab. Demgegenüber 

konnte die Permeation bei ΔpTM von 0,15 bar während der gesamten Diafiltration konstant 

gehalten werden. 

Permeation [%] 

60 

50 

40 

30 

20 

55 °C, τW = 80 Pa 

0,15 bar 

0,3 bar 

10 

0,6 bar 

0 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


Bei dieser Betrachtung wird der Flux J nicht berücksichtigt, woraus sich keine Aussage über 

die permeierenden Mengen ergibt. Daher wurde neben der Permeation der flächenbezogene 

Permeatmassenstrom m& betrachtet. Dieser berechnet sich aus dem Produkt des Fluxes mit 

der entsprechenden CMP-Konzentration im Permeat cPermeat. Da die Ausgangskonzentration 

von CMP in einem Bereich zwischen 0,85 und 1,33 g/l schwankt, ist ein direkter Vergleich 

der Massenströme bei verschiedenen transmembranen Druckdifferenzen nicht möglich. Aus 

diesem Grund wird der Permeatmassenstrom auf die Ausgangskonzentration des jeweiligen 

Waschschritts cRetentat bezogen (Formel 3.3) und als spezifischer Massenstrom bezeichnet. 

cPermeat 

m& 

⋅J 

= p ⋅ J = 

cRe 

tentat 

cRe 

tentat 

(Formel 3.3) 

In Bild 3-16 ist der spezifische Massenstrom in Abhängigkeit der Diafiltrationsschritte dargestellt. 

35


spezif. Massenstrom [g/m²h*(g/l) -1 ] 

Bild 3-16: Spezifische Massenstrom bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 



Zu Beginn der Diafiltration war der spezifische Massenstrom für die transmembrane Druck- 

differenz von 0,3 bar mit 120 g/m²h⋅(g/l) -1 am höchsten, gefolgt von 80 g/m²h⋅(g/l) -1 für 0,6 bar 

und 58 g/m²h⋅(g/l) -1 für 0,15 bar. Im Verlaufe der Diafiltration nahm allerdings der spezifische 

Massenstrom bei ΔpTM von 0,3 und 0,6 bar ab, was mit der abnehmenden Permeation so- 

wie mit dem abnehmendem Flux bei diesen Einstellungen zusammenhängt (Bild 3-14, Bild 3- 

15). Demgegenüber blieb bei ΔpTM von 0,15 bar der spezifische Massenstrom über die ge- 

samte Diafiltration konstant. 

140 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


55 °C, τW = 80 Pa 

0,15 bar 

0,3 bar 

0,6 bar 

Während der Diafiltration wurde der Gehalt an CMP im MF-Retentat kontinuierlich reduziert, 

während die Caseinstaubkonzentration unverändert blieb (Bild 3-17). Es konnte festgestellt 

werden, dass das CMP je nach transmembraner Druckdifferenz unterschiedlich stark ent- 

fernt wird. Während bei ΔpTM von 0,15 oder 0,3 bar der CMP-Gehalt von 100 % zu Beginn 

der Diafiltration auf etwa 7 % nach dem sechsten Waschschritt zurückging, betrug er bei 

0,6 bar nach dem sechsten Waschschritt noch über 25 %. Allerdings verlief die Reduktion 

über die Diafiltration nur bei ΔpTM von 0,15 bar gleich bleibend. Das bedeutet, dass die pro- 

zentuale Abnahme an CMP pro Waschschritt gleich ist. Bei ΔpTM von 0,3 und 0,6 bar war die 

Reduktion dagegen nicht gleich bleibend, was am Knick beim dritten Diafiltrationsschritt zu 

erkennen ist. Dies ist analog zu den bereits diskutierten Ergebnissen zum Flux in Abhängig- 

keit von ΔpTM. Bei hohen transmembranen Druckdifferenzen steigt der Flux, wodurch die 

Caseinstaubartikel an die Membran gepresst werden und es somit zu einer deckschichtkontrollierten 

Filtration kommt. Des Weiteren kann die Ungleichmäßigkeit der Reduktion auf äußere 

Einflüsse wie Konzentrationspolarisation oder Adsorptionsvorgänge zurückgeführt wer- 

36


den. Dies hat zur Folge, dass ein Teil des CMP nicht permeieren kann und somit im MF- 

Retentat verbleibt. 

CCMP, Retentat/CCMP, 0 [-] 

10 0 

10 -1 

10 -2 

55 °C, τW = 80 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


Bild 3-17: Relative CMP-Konzentration im MF-Retentat von CMP-haltiger, Salz und Lactose 



In Bild 3-18 ist die Ausbeute an CMP, d. h. die Zunahme an CMP im UF-Retentat (bezogen 

auf die Ausgangskonzentration) in Abhängigkeit der transmembranen Druckdifferenz dargestellt. 

Gemäß den bereits vorgestellten Ergebnissen wurde die höchste Ausbeute an CMP 

von > 80 % für ΔpTM von 0,15 bar erhalten. Während bei ΔpTM von 0,6 bar die CMP-Ausbeute 

nach dem sechsten Diafiltrationsschritt lediglich ca. 40 % betrug, wurde bei 0,3 bar eine 

Ausbeute von etwa 80 % erreicht. Bei niedrigen transmembranen Druckdifferenzen ist der 

Flux kleiner, wodurch die Deckschichtbildung aufgrund einer schwachen Konzentrationspolarisation 

nicht so stark ausgeprägt ist. Dadurch kann eine größere Menge an CMP permeieren, 

was sich positiv auf die CMP-Ausbeute auswirkt. Vergleicht man die Ergebnisse der 

Reduktion an CMP im MF-Retentat mit der Zunahme an CMP im UF-Retentat direkt, so ist 

ersichtlich, dass die Ausbeute nicht mit der Reduktion gleichgesetzt werden kann. Bei einer 

transmembranen Druckdifferenz von 0,3 bar befand sich beispielsweise im MF-Retentat am 

Ende der Diafiltration noch etwa 10 % an CMP, somit müssten etwa 90 % im UF-Retentat 

gewonnen worden sein. Tatsächlich wurden jedoch nur etwa 80 % gewonnen. Dies deutet 

an, dass dieser Teil an CMP aufgrund der Deckschichtbildung und/oder Adsorptionsvorgängen 

an der Membran zurückgehalten wird, so dass ein CMP-Verlust von etwa 10 % entstellt. 

Dieser Effekt ist für ΔpTM von 0,6 bar noch größer. 

0,6 bar 

0,3 bar 

0,15 bar 

37


Bild 3-18: CMP-Ausbeute im UF-Retentat bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und 

Lactose freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der transmembranen 


Fazit 

CMP-Ausbeute [%] 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

Die Erhöhung der transmembranen Druckdifferenz hat eine Zunahme des Volumenstroms 

zur Folge. Der erhöhte Druck auf die Membran führt jedoch zu einer erhöhten Deckschichtbildung 

und somit zu einer beschleunigten Abnahme des Volumenstromes über die Zeit der 

Diafiltration. Dieser Effekt ist des Weiteren an der Permeationsleistung und am spezifischen 

Massenstrom zu beobachten. Bei Betrachtung der CMP-Ausbeute wurden die höchsten Aus- 

beuten bei ΔpTM von 0,15 erzielt. Daraus folgt, dass die optimale transmembrane Druckdiffe- 

renz für die Gewinnung von CMP im untersuchten Bereich bei ΔpTM von 0,15 bar liegt. 

Wandschubspannung 

0 

55 °C, τW = 80 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


0,15 bar 

0,3 bar 

0,6 bar 

Für Filtrationsverfahren ist die Wandschubspannung entlang der Membran und der Deck- 

schicht ein bedeutender Parameter. Die Wandschubspannung τW beeinflusst vor allem die 

Dicke der Deckschicht. Sie stellt ein Maß für den Schereffekt an der Deckschichtoberfläche 

dar. Um den Einfluss der Wandschubspannung auf die Ausbeute an CMP zu untersuchen, 

wurde die Wandschubspannung in einem Bereich von 40 bis 110 Pa variiert. 

Wie in Bild 3-19 zu erkennen ist, nahm der Flux bei entsalzter Molke im untersuchten Be- 

reich mit zunehmender Wandschubspannung τW stark ab. Für τW von 40 Pa wurden 185 

l/hm² ermittelt, während für τW von 110 Pa nur noch 26 l/hm² gemessen wurden. Eine Steige- 

rung der Wandschubspannung sollte zu einer dünneren Ablagerungsschicht und somit zu 

einem erhöhten Flux führen. Erreicht wurde im untersuchten Bereich das Gegenteil. Die Abnahme 

des Flux in Bild 3-19 ist darauf zurückzuführen, dass es bei höheren Wandschubspannungen 

zu einer Klassierung der Partikel der Größe nach kommt. Größere Partikel wer- 

38


den von der Deckschicht abgetragen, was zu einer Anreicherung kleinerer Partikel an der 

Membran und somit zu einer dichteren Deckschicht führt. (Kersten und Hinrichs, 2000) 

Flux [l/hm²] 

200 

160 

120 

80 

40 

0 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar 

0 20 40 60 80 100 120 

Wandschubspannung [Pa] 

Bild 3-19: Flux als Funktion der Wandschubspannung τW zu Beginn der Diafiltration von CMPhaltiger, 

Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) 

In Bild 3-20 ist der Flux im Verlauf der Diafiltration in Abhängigkeit der Wandschubspannung 

dargestellt. Es ist zu erkennen, dass der Flux bei τW von 40, 60 und 90 Pa innerhalb der ers- 

ten drei Diafiltrationsschritte von anfangs 90, 160 bzw. 186 l/hm² jeweils um ca. 40 l/hm² abfiel 

und sich anschließend stabilisierte. Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich zu Beginn 

der Diafiltration eine Deckschicht an der Membran ausbildet, die den Flux erniedrigte. Nach 

drei Diafiltrationsschritten stellt sich ein Gleichgewicht ein, so dass der Flux konstant bleibt. 

Bei τW von 80 Pa hingegen ist der Flux im Verlauf der Diafiltration von Anfang an konstant. 

Es hatte sich bereits während der Versuchsdurchführung gezeigt, dass τW von 110 Pa für die 

CMP-Gewinnung nicht geeignet ist, da der Flux nicht aufrechtgehalten werden kann. Vielmehr 

nahm er rapide ab, so dass der Flux bereits vor dem ersten Waschschritt zum Erliegen 

kam. 

Wird die Permeation von CMP bei verschiedenen Wandschubspannungen während der Diafiltration 

betrachtet, so ist zu vermuten, dass mit steigender Wandschubspannung der Deckschichtabtrag 

größer wird. Dadurch nimmt die Dicke der Deck- und Konzentrationspolarisationsschicht 

ab, was eine positive Wirkung auf die Permeation zur Folge haben sollte. 

39


Flux [l/hm²] 

Bild 3-20: Flux bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung 

(cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der Wandschubspannung τW 

Die Permeation von CMP bei den verschiedenen Wandschubspannungen bewegt sich in 

gleicher Größenordnung (Bild 3-21). Dabei nehmen die Permeationswerte während der Diafiltration 

für alle Wandschubspannungen leicht ab, was auf die zunehmende Deckschichtdicke 

zurückzuführen ist. Die niedrigste Permeation von ca. 27 % wird zu Beginn der Diafiltra- 

tion bei der höchsten Wandschubspannung von 110 Pa erreicht. Lediglich bei τW von 80 Pa 

ergibt sich eine konstante Permeation über die gesamte Diafiltration. Mit der Dauer der Diafiltration 

nimmt des Weiteren die Ablagerung von Partikeln an der Membran zu, wodurch es 

zu einer Ausbildung einer Deckschicht kommt. Bei höheren Wandschubspannungen werden 

sich vornehmlich nur kleinere Partikel als Deckschicht ablagern können und somit eine kompaktere 

Schicht bilden, die zu einem reduzierten Flux führt. Bei kleineren Wandschubspannungen 

dagegen kann die Deckschicht nicht ausreichend abgetragen werden, so dass sich 

eine dickere Deckschicht bildet, die den Flux reduziert. 


100 

80 

60 

40 

20 

0 

200 

160 

120 

80 

40 

0 

110 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


55 °C, ΔpTM = 0,15 bar 

40 Pa 

60 Pa 

80 Pa 

90 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


55 °C, ΔpTM = 0,15 bar 

Bild 3-21: Permeation von CMP bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 

freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der Wandschubspannung 

τW 

40 Pa 

60 Pa 

80 Pa 

90 Pa 

110 Pa 

40


Unter Berücksichtigung des Fluxes wurde der spezifische flächenbezogene Permeatmassenstrom 

für die verschiedenen Wandschubspannungen berechnet (Formel 3.3), der in Bild 

3-22 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass bei allen Wandschubspannungen der Massenstrom 

im Laufe der Diafiltration analog zum Flux und der Permeation linear abnimmt. Zu Beginn 

der Diafiltration ist bei der größten Wandschubspannung von 110 Pa der niedrigste 

Massenstrom von etwa 3 g/m²h⋅(g/l) -1 zu verzeichnen. Bei τW von 40 und 90 Pa verläuft der 

Massenstrom während der Diafiltration nahezu gleich und beträgt zu Beginn 25 bzw. 29 

g/m²h⋅(g/l) -1 . Bei sehr hohen Wandschubspannungen werden sich vornehmlich nur kleinere 

Partikel als Deckschicht ablagern können und somit eine kompaktere Schicht bilden, die zu 

einem reduzierten Massenstrom führt. Bei den mittleren Wandschubspannungen von 80 und 

60 Pa wurde der höchste konzentrationsbezogene Massenstrom ermittelt, welcher zu Beginn 

der Diafiltration etwa 41 bzw. 55 g/m²h⋅(g/l) -1 betrug. 

spezif. Massenstrom [g/m²h*(g/l) -1 ] 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

110 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 

Diafiltartionsschritte 

55 °C, ΔpTM = 0,15 

60 Pa 

80 Pa 

40 Pa 

90 Pa 

Bild 3-22: Spezifischer Massenstrom bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 

freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit von der Wandschubspannung 

τW 


während die Caseinstaubkonzentration unverändert blieb (Bild 3-23). Es konnte festgestellt 

werden, dass der Einfluss der Wandschubspannung auf die Reduktion der CMP- 

Konzentration im MF-Retentat von geringer Bedeutung ist. Am Ende der Diafiltration lag die 

CMP-Konzentration für alle Einstellungen unter 10 %. Die Reduktion verlief weitgehend 

gleich bleibend, d.h. einer exponentiellen Abnahme folgend. 

41



Bild 3-23: Spezifische CMP-Konzentration im MF-Retentat bei der MF-Diafiltration von CMPhaltiger, 

Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) in Abhängigkeit 

von der Wandschubspannung τW, logarithmische Darstellung 

In Bild 3-24 ist die Ausbeute an CMP in Abhängigkeit der Wandschubspannung dargestellt. 

Gemäß den bereits vorgestellten Ergebnissen, wurde die höchste Ausbeute an CMP von 

> 80 % für τW von 80 Pa erhalten. 


10 0 

10 -1 

10 -2 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 


55 °C, ΔpTM = 0,15 bar 

90 Pa 

80 Pa 

40 Pa 

60 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 


Bild 3-24: CMP-Ausbeute in Abhängigkeit von der Wandschubspannung τW bei der MF- 

Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose freier Molkenproteinlösung (cProtein = 

4 g/l) 

Vergleicht man die Kurvenverläufe der Ausbeute bei den verschiedenen Wandschubspan- 

nungen während der DF miteinander, so ist zu erkennen, dass für τW von 40, 60 und 90 Pa 

die Ausbeuten am Anfang der DF annähernd gleich verlaufen. Nach dem dritten Diafiltrationsschritt 

steigen die Werte weiterhin an, jedoch weichen sie immer mehr voneinander ab. 

So wurde nach dem sechsten Diafiltrationsschritt für τW von 90 Pa eine CMP-Ausbeute von 

80 Pa 

90 Pa 

40 Pa 

60 Pa 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar 

42


ca. 70 %, für τW von 40 Pa von ca. 60 % und für τW von 60 Pa von nur ca. 50 % erreicht. 

Eine Abgrenzung zu den anderen Wandschubspannungen stellte τW von 80 Pa mit einer 

Ausbeute von über 80 % dar. Diese Ergebnisse lassen sich wiederum dadurch erklären, 

dass bei kleineren Wandschubspannungen die Deckschicht nicht ausreichend abgetragen 

werden kann, wohingegen bei höheren Wandschubspannungen es zu einer Ausbildung einer 

kompakten und wenig porösen Deckschicht kommt, durch die das CMP nicht vollständig permeieren 

kann. 

Fazit 

Mit zunehmender Wandschubspannung nimmt der Volumenstrom ab, da es dabei zu einer 

Klassierung der Partikel nach der Größe kommt. Größere Partikel werden abgetragen, was 

zu einer Anreicherung kleinerer Partikel an der Membran und somit zu einer dichteren Deckschicht 

führt. Bei zu kleinen Wandschubspannungen dagegen können die Partikel nicht ausreichend 

abgetragen werden. Für einen effizienten Fraktionierungsprozess sollte deshalb 

eine mittlere Wandschubspannung genutzt werden. Demzufolge hat sich τW von 80 Pa als 

optimale Wandschubspannung für die Gewinnung von CMP erwiesen. Hierbei werden die 

höchsten Massenströme erreicht wurden und auch die höchste Ausbeute an CMP erzielt 

werden konnte. 

Zusammenhang zwischen ΔpTM und τW 

In diesem Kapitel werden die Zusammenhänge der Prozessparameter ΔpTM und τW auf den 

Flux, die Permeation sowie die CMP-Ausbeute betrachtet. Bild 3-25 zeigt ein dreidimensionales 

Diagramm, in dem der Flux über die Wandschubspannung und die transmembrane 

Druckdifferenz aufgetragen ist. Aus der Abbildung folgt, dass der Flux mit zunehmender 

Druckdifferenz konstant ansteigt. Bei großen Druckdifferenzen wird ein sehr hoher Flux erzielt, 

jedoch kann der Flux dabei nicht lange aufrechterhalten werden. Dagegen bleibt der 

Flux bei geringeren Druckdifferenzen über die gesamte Diafiltrationsdauer konstant. 

Bei größeren transmembranen Druckdifferenzen erreicht der Flux bei hohen Wandschubspannungen 

seine höchsten Werte, da aufgrund der erhöhten Scherung die Dicke der Deckschicht 

geringer wird. Bei niedrigen transmembranen Druckdifferenzen dagegen steigt der 

Flux mit abnehmender Wandschubspannung an. Dieses Verhalten erklärt sich dadurch, 

dass bei höheren Wandschubspannungen größere Partikel von der Ablagerungsschicht abgetragen 

werden und damit eine dichtere Deckschicht entsteht, welche einen höheren Permeationswiderstand 

darstellt. 

43


Flux [l/hm²] 

400 

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

0 

110 

100 

90 

80 

70 

60 

τ W [Pa] 

50 

Bild 3-25: Flux in Abhängigkeit von der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM und der Wandschubspannung 

τW bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose freier 

Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) 

Weiter sollte die Permeation in Abhängigkeit der Prozessparameter ΔpTM und τW betrachtet 

werden. Hier wurden die höchsten Werte bei geringeren transmembranen Druckdifferenzen 

sowie niedrigen Wandschubspannungen erreicht (Bild 3-26). Bei großen Druckdifferenzen ist 

der Flux hoch, wodurch die Deckschicht stark komprimiert wird, was sich negativ auf die Permeation 

auswirkt. Außerdem wird Fouling bei hohen Druckdifferenzen begünstigt, da es zu 

Wechselwirkungen zwischen der Membran und den Partikeln kommt (Weiß, 1999). 

Bei Verwendung geringer Wandschubspannungen ergibt sich der Vorteil, dass nicht ausschließlich 

kleinere Partikel angereichert werden. Die Deckschicht weist daher einen geringeren 

Deckschichtwiderstand auf. Bei sehr kleinen Wandschubspannungen ist zu erkennen, 

dass die Permeation wieder abnimmt. Dieses Verhalten ist darauf zurückzuführen, dass bei 

sehr niedrigen Wandschubspannungen die Partikel nicht ausreichend von der Membran abgetragen 

werden können und sich eine Deckschicht aufbaut, welche die Permeation von 

CMP behindert. 

40 

30 

20 

R² = 0,997 

0,1 

0,2 

0,3 

0,4 

0,5 

0,6 

Δp TM [bar] 

44


Bild 3-26: CMP-Permeation in Abhängigkeit von der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM und 

der Wandschubspannung τW bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 

freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) 

In Bild 3-27 ist die CMP-Ausbeute über die Wandschubspannung und die transmembrane 

Druckdifferenz dargestellt. Danach können die höchsten Ausbeuten an bei ΔpTM von 

0,15 bar und τW von 80 Pa gewonnen werden. 



100 

80 

60 

40 

20 

45 

40 

0 

35 

30 

25 

20 

15 

10 

5 

85 

50 

80 

60 

70 

75 

70 

τ W [Pa] 

80 

τ W [Pa] 

90 100 110 

0,1 

0,2 

0,3 

0,4 

0,5 

0,6 

Bild 3-27: CMP-Ausbeute in Abhängigkeit von der transmembranen Druckdifferenz ΔpTM und der 

Wandschubspannung τW bei der MF-Diafiltration von CMP-haltiger, Salz und Lactose 

freier Molkenproteinlösung (cProtein = 4 g/l) 

65 

60 

R² = 0,999 

0,1 

0,2 

0,3 

0,4 

0,5 

0,6 

R² = 0,999 

Δp TM [bar] 

Δp TM [bar] 

45


3.2.2.2 Einfluss der Molkeinhaltsstoffe auf die CMP-Ausbeute 

Im vorhergehenden Kapitel wurde der Einfluss von Prozessbedingungen auf den Flux, die 

Permeation sowie die Ausbeute von CMP untersucht. Dabei zeigte sich, dass bei konstanter 

Temperatur von 55 °C die höchste Ausbeute an CMP bei einer transmembranen Druckdifferenz 

von 0,15 bar und einer Wandschubspannung von 80 Pa gewonnen wird. 

Dem folgenden Versuch lag die Tatsache zugrunde, dass die Filtrationsleistung bei der 

Membranfiltration nicht nur von den Prozessbedingungen, sondern zusätzlich von den Inhaltsstoffen 

des zu filtrierenden Mediums zusammenhängt (Kersten & Hinrichs, 2000, Saboya 

& Maubois, 2000, Weiß, 1999). Durch die Membranfiltration bestimmter Stoffe oder 

Stoffgruppen sowie Wechselwirkungen der verschiedenen Inhaltsstoffe untereinander, kann 

es zu so genanntem Fouling kommen. Dadurch wird die Filtrationsleistung abgeschwächt, 

was sich in einer Abnahme der CMP-Ausbeute widerspiegeln könnte. 

Aus diesem Grund wurde untersucht, inwiefern die Molkeinhaltsstoffe (Salze, Lactose, Molkenproteine) 

die Permeation und somit die Ausbeute von CMP beim Gewinnungsprozess 

mittels UF/MF-Diafiltration (ΔpTM= 0,15 bar, τW= 80 Pa, T = 55 °C) beeinflussen. Dazu wur- 

den folgende Versuche durchgeführt und die Ergebnisse miteinander verglichen: 

1.) Gewinnung von CMP aus Molke in Anwesenheit der Molkenproteine sowie Abwesenheit 

von Lactose und Salzen 

2.) Gewinnung von CMP aus Molke in Abwesenheit der Molkenproteine sowie Abwesenheit 

von Lactose und Salzen 

Für die Beurteilung der Versuche wurden während des Gewinnungsprozesses Proben entnommen, 

die mittels RP-HPLC auf den CMP-, Molkenprotein- und Lactose-Gehalt untersucht 

wurden. Des Weiteren wurden die Proben auf ihren Salzgehalt mit Hilfe eines Flammenphotometers 

analysiert. 

Einfluss der Molkenproteine auf die CMP-Ausbeute 

Aus dem Vergleich des Herstellungsprozesses von CMP in An- und Abwesenheit der Molkenproteine 

lassen sich Schlüsse auf den Einfluss der Molkenproteine auf die Ausbeute an 

CMP ziehen. Dazu wurde zum einen eine Molkenlösung, aus der mittels UF-Diafiltration die 

Salze und Lactose ausgewaschen wurden (s. Bild 3-8) und zum anderen eine Molkenprotein, 

Salz und Lactose freie sowie CMP-haltige Molkenlösung eingesetzt, die aus Molkenprotein 

freier Caseinlösung gewonnen wurde (s. Bild 3-9). Während der MF-Diafiltration dieser Lösungen 

in Kombination mit Ultrafiltration wurde der spezifische CMP-Gehalt sowie die Permeation 

von CMP untersucht. 

46


In Bild 3-28 ist die Permeation von CMP während der MF-Diafiltration von Salz und Lactose 

freier Molkenlösung in An- und Abwesenheit von Molkenproteinen dargestellt. Es ist zu erkennen, 

dass die Permeation im Lauf der Diafiltration leicht abnimmt und in An- und Abwesenheit 

der Molkenproteine in einem ähnlichen Bereich verläuft. Die Abnahme der Permeation 

ist auf eine sich über die Zeit bildende Deckschicht aus Caseinstaubpartikeln zurückzuführen 

(s. auch Kapitel 3.2.2.1). In Abwesenheit der Molkenproteine nahm die Permeation 

von 60 % zu Beginn der Diafiltration auf ca. 50 % nach dem achten Diafiltrationsschritt ab. In 

Anwesenheit der Molkenproteine ist die Permeation von CMP unbedeutend geringer und 

nahm von ca. 55 % am Anfang auf 43 % am Ende der Diafiltration ab. 


80 

60 

40 

20 

0 

ohne Molkenproteine 

mit Molkenproteinen 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar, τW = 80 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 


Bild 3-28: Permeation von CMP bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit von Molkenproteinen 


während die Caseinstaubkonzentration unverändert blieb. In Bild 3-29 ist die Reduktion von 

CMP logarithmisch über die Diafiltrationsschritte aufgetragen. Eine gleich bleibende exponentielle 

Reduktion ist anhand einer Geraden in der logarithmischen Darstellung zu erkennen. 

Die Abnahme an CMP im Laufe der Diafiltration verlief nahezu gleich bleibend für beide 

Lösungen. Die CMP-Reduktion im MF-Retentat unterscheidet sich nicht signifikant in Anoder 

Abwesenheit der Molkenproteine. In beiden Fällen nahm das CMP im MF-Retentat von 

100 % zu Beginn bis auf unter 5 % am Ende der Diafiltration ab. Des Weiteren ist zu erkennen, 

dass der Fehlerindikator mit zunehmender Anzahl an Diafiltrationsschritten größer wird. 

Dies lässt sich dadurch erklären, dass sich mit fortschreitender Diafiltration die bei jedem 

Diafiltrationsschritt anfallenden Abweichungen aufsummieren und somit der Fehlerindikator 

mit zunehmenden Diafiltrationsschritten vergrößert. 

47


Bild 3-29: Relative CMP-Konzentration im MF-Retentat bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit 

von Molkenproteinen, logarithmische Darstellung 

In Bild 3-30 ist der Einfluss der Anwesenheit von Molkenproteinen auf die CMP-Ausbeute 

während der Diafiltration dargestellt. Nach acht Diafiltrationsschritten wurde eine Ausbeute 

an CMP von etwa 95 % erreicht. Beim Vergleich der Kurvenverläufe in An- und Abwesenheit 

der Molkenproteine ist zu erkennen, dass in Abwesenheit der Molkenproteine geringfügig 

bessere Ergebnisse erzielt wurden. Die Abweichungen können jedoch auf Differenzen während 

der Durchführung der Versuche (verändertes Volumen bei der Diafiltration) zurückgeführt 

werden. Der CMP-Ausbeute nach dem achten Diafiltrationsschritt kommt daher eine 

größere Gewichtigkeit zu und liegt für beide Lösungen im gleichen Bereich. 


120 

100 

80 

60 

40 

20 


0 

10 0 

10 -1 

10 -2 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar, τW = 80 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 


55 °C, ΔpTM = 0,15 bar, τW = 80 Pa 



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 




Bild 3-30: CMP-Ausbeute im UF-Retentat bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit von 

Molkenproteinen 

48


Fazit: 

Sowohl aus Bild 3-29 als auch aus Bild 3-30 ist deutlich zu erkennen, dass Molkenproteine 

keinen bedeutenden Einfluss auf die CMP-Ausbeute haben. Somit dient die Entfernung von 

Molkenproteinen lediglich der Gewinnung eines hochreinen CMP-Konzentrats, das z.B. Anwendung 

in Spezialprodukten für an PKU leidende Patienten finden kann. 

Einfluss von Lactose und Salzen auf die CMP-Ausbeute 

In einem weiteren Versuch wurde der Einfluss von Lactose und Salzen auf die CMP- 

Ausbeute untersucht. Hierzu wurde der MF-Diafiltrations-Prozess von Molke in Anwesenheit 

von Lactose und Salzen (s. Bild 3-11) mit dem gleichen Prozess, dem eine UF-Diafiltration 

zum Entfernen von Lactose und Salzen vorgeschaltet war (s. Bild 3-10), verglichen. 

Bild 3-31 zeigt die Abnahme von CMP im MF-Retentat in An- und Abwesenheit von Salzen 

und Lactose. In Abwesenheit von Lactose und Salzen nimmt die CMP-Konzentration im MF- 

Retentat nach acht Diafiltrationsschritten bis auf Werte < 5 % ab, wohingegen in Anwesenheit 

der Salze und Lactose der CMP-Gehalt auf nur ca. 15 % abnimmt. In Abwesenheit von 

Salzen und Lactose verläuft die Reduktion von CMP linear. Dagegen ist in Anwesenheit von 

Salzen und Lactose keine gleich bleibende Reduktion über die Dauer der Diafiltration gewährleistet. 


10 0 

10 -1 

10 -2 

mit Salzen und Lactose 

ohne Salze und Lactose 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar, τW = 80 Pa 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 


Bild 3-31: Relative CMP-Konzentration im MF-Retentat bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit 

von Salzen und Lactose, logarithmische Darstellung 

Wird die CMP-Permeation während der Diafiltration betrachtet (Bild 3-32), so ist zu erkennen, 

dass die Permeation von CMP abnimmt, was auf eine zunehmende Deckschichtbildung 

im Laufe der Diafiltration zurückzuführen ist. Zu Beginn der MF-Diafiltration lag die Permeation 

für beide Prozesse zwischen 50 und 60 %. Die Abnahme der Permeation von CMP ist in 

49


Anwesenheit von Salzen und Lactose deutlich stärker ausgeprägt. Sie nimmt zu Beginn der 

Diafiltration bis zum 3. Waschschritt rasch auf unter 20 % ab und sinkt bis auf 10 % nach 

dem achten Diafiltrationsschritt. Dem gegenüber verläuft die Abnahme der Permeation in 

Abwesenheit von Salzen und Lactose linear und nahm lediglich bis auf 50 % nach dem 8. 

Diafiltrationsschritt ab. Es ist daher anzunehmen, dass es in Anwesenheit von Salzen und 

Lactose aufgrund von Vernetzungen der Partikel an der Membran sowie Einschlüssen in der 

Deckschicht zu einer verstärkten Deckschichtbildung kommt. 


80 

60 

40 

20 

0 

55 °C, τW = 80 Pa, ΔpTM = 0,15 

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 



mit Salze und Lactose 

Bild 3-32: Permeation von CMP bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit von Salzen und 

Lactose 

Das CMP, welches aus dem MF-Retentat ausgewaschen wurde, soll idealerweise im UF- 

Retentat wieder zu finden sein (Bild 3-33). Dies trifft in Abwesenheit von Salzen und Lactose 

zu, wohingegen in Anwesenheit von Salzen und Lactose dies lediglich für die ersten zwei 

Diafiltrationsschritten der Fall war. Im weiteren Verlauf der Diafiltration wurde weniger CMP 

im UF-Retentat erhalten als im MF-Retentat ausgewaschen wurde. Dies deutet darauf hin, 

dass es an der MF-Membran zu Ablagerungen auf der Membran gekommen ist, so dass das 

CMP nicht vollständig permeieren kann. Beim Vergleich der CMP-Ausbeuten im UF-Retentat 

ist zu erkennen, dass am Ende der Diafiltration der CMP-Anteil ohne Salze und Lactose über 

90 % beträgt, während der Anteil mit Salzen und Lactose an lediglich 60 % Marke beträgt. 

50



120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

55 °C, ΔpTM = 0,15 bar, τW = 80 Pa 

mit Salzen und Lactose 


0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 


Bild 3-33: CMP-Ausbeute im UF-Retentat bei der MF-Diafiltration in An- und Abwesenheit von 

Salzen und Lactose 

Es ist anzunehmen, dass Lactose nur eine geringe Auswirkung auf die Filtrationseigenschaften 

hat. In der Literatur ist beschrieben, dass aufgrund der erhöhten Viskosität des Permeates, 

der Adsorptionseigenschaften sowie der Einlagerung in die Deckschicht die Lactose lediglich 

zu einer Abnahme des Volumenstromes beiträgt [Kersten, 2000]. Der bedeutendere 

Einfluss auf den Filtrationsprozess wird daher den Salzen zugeschrieben. Insbesondere Calcium 

kommt hierbei eine bedeutende Rolle zu, da es zwischen negativen Gruppen Ionenbrücken 

bildet. Dies führt zur Aggregation der vorhandenen Caseinpartikel und zu Wechselwirkungen 

mit Partikeln, die bereits an der Membran gebunden sind, was eine Verschlechterung 

der Trenngrenze zufolge hat und somit die CMP-Permeation negativ beeinflusst. 

Eine weitere mögliche Ursache für die nicht zufrieden stellende Ausbeute in Anwesenheit 

von Salzen und Lactose könnte darin liegen, dass sich durch die Diafiltration mit enthärtetem 

Wasser sich der Gehalt an serumgelösten Bestandteilen wie Salze kontinuierlich verändert. 

D.h., dass ohne vorgeschalterter UF beim Diafiltrationsprozess die Zusammensetzung im 

MF-Retentat sich kontinuierlich ändert, aufgrund des gleichzeitigen Auswaschens von CMP, 

Salze und Lactose. Hierbei ändert sich kontinuierlich die Größe der vorhandenen Caseinpartikel, 

da diese mit abnehmendem Salzgehalt einerseits quellen und sich andererseits ständig 

die Ladungsverhältnisse der sie umgebenen elektrischen Doppelschicht verändern. Zu Beginn 

der MF-Diafiltration liegt ein hoher Salzgehalt vor, so dass aufgrund der elektrischen 

Doppelschicht die Partikel zunächst einen kleineren Durchmesser haben als der kritische 

Partikeldurchmesser. Als kritischer Partikeldurchmesser wird derjenige Durchmesser bezeichnet 

bei dem die Partikel gerade noch von der Membran abgetragen werden können. 

Dadurch können die kleinen Partikel nicht abgetragen werden und lagern sich an die Membran 

ein. Sinkt die Salzkonzentration wird der Partikeldurchmesser größer als der kritische 

51


Partikeldurchmesser, so dass die Partikel von der Membran abtransportiert werden können. 

Es kommt zu einer Klassierung der Partikel vor der Membran. Hierbei ist die Deckschicht 

unmittelbar an der Membran kompakt, während sie mit zunehmendem Abstand lockerer und 

somit leichter zu entfernen ist. Dem gegenüber sind die Partikel nach der Salzentfernung 

größer. Größere Partikel bauen eine poröse Deckschicht auf, in der sich große Hohlräume 

befinden, so dass die Permeation von CMP nicht so stark behindert wird. 

Fazit 

Vor allem die Anwesenheit von Salzen hat einen bedeutenden Einfluss auf die Permeation 

von CMP bei der MF-Diafiltration und somit auf die Ausbeute an CMP. Einerseits können die 

noch vorhandenen Caseinstaubpartikel durch ionische Bindungen über Calcium mit einander 

vernetzt werden und somit eine kompakte Deckschicht bilden. Andererseits liegen die Caseinstaubpartikel 

in Anwesenheit von Salzen aufgrund der Ladungsverhältnisse und der sie 

umgebenen elektrischen Doppelschicht als kleinere Partikel vor. Es kommt zu einer Klassierung 

der Partikel an der Membran, wodurch eine wenig poröse und kompakte Deckschicht 

die Permeation von CMP behindert. In Abwesenheit der Salze liegen demgegenüber größere 

Partikel vor, die gut von der Membran abgetragen werden können und somit sehr hohe Ausbeuten 

an CMP (> 95 %) erzielt werden können. 

52


4 Technologisch-funktionelle Eigenschaften 

Der chemisch-molekulare Aufbau von CMP lässt neben einer hohen physiologischen Wirksamkeit 

auf ein viel versprechendes technologisch-funktionelles Potenzial vermuten. CMP 

besitzt keine Sekundärstruktur, was eine hohe Hitzestabilität zur Folge hat. Der hydrophile 

Charakter und die hohe negative Ladung über den gesamten pH-Bereich versprechen eine 

gute Löslichkeit, der glykosidische Aufbau und der amphiphile Charakter weisen auf ein aktives 

Grenzflächen- und Gelverhalten hin. Allerdings ist über das Potenzial zur Strukturbildung 

durch CMP nur wenig bekannt.. 

Ziel dieses Arbeitspaketes war es, CMP zunächst unabhängig von einer Produktmatrix sowie 

anderen Milchproteinen und Hydrokolloiden hinsichtlich seines technologisch-funktionellen 

Verhaltens zu charakterisieren. Insbesondere die Hitzestabilität, das Löslichkeitsverhalten 

sowie Schaum-, Emulgier- und Gelbildungseigenschaften von CMP sollten mit dem Ziel untersucht 

werden, CMP als aktives Ingrediens zur Strukturbildung in Produktmatrices von 

Milch- und Molkenprodukten einzubringen. Als Ausgangsstoff für die Untersuchungen der 

technologisch-funktionellen Eigenschaften diente ein CMP-Lyophilisat. Hierzu wurde zunächst 

ein CMP-Konzentrat mittels Mikrofiltration-Diafiltration in Kombination mit Ultrafiltration 

aus einem Molkenprotein freien CMP-Serum (wie unter Kapitel 3 beschrieben) hergestellt. 

Dieses CMP-Konzentrat wurde eingefroren und bei –25 °C, 0,632 mbar 48 h lyophilisiert. Die 

durchschnittliche Zusammensetzung des CMP-Konzentrates sowie des gewonnenen CMP- 

Lyophilisats sind Tabelle 4-1 zu entnehmen. 

Tabelle 4-1: Durchschnittliche Zusammensetzung des CMP-Konzentrates und des CMP- 

Lyophilisats, alle Angaben in % 

CMP-Konzentrat CMP-Lyophilisat 

Gesamtproteingehalt 1,7 79,1 

CMP gesamt 1,5 72,6 

Glykosyliertes CMP (GMP) 0,66 35,4 

Nicht-glyc. CMP A 0,59 26,5 

Nicht-glyc. CMP A 0,25 11,1 

Molkenproteine gesamt 0,2 6,5 

α-Lactalbumin 0,1 3,5 

β-Lactoglobulin A 0,06 2,0 

β-Lactoglobulin B 0,03 1,1 

Lactose 0,02 1,6 

Natrium 0,08 3,3 

Kalium 0,01 0,3 

Calcium 0,02 0,7 

53


Um die technologisch-funktionellen Eigenschaften von CMP beurteilen zu können, wurden 

folgende Referenzsubstanzen eingesetzt: 

� Whey Protein Isolate (WPI) der Firma DANISCO, Foods International, Inc.; 

� Natrium-Caseinat der Molkereigesellschaft Lauingen mbH; 

� ß-Lactoglobulin, hergestellt am Institut nach der Methode von MAUBOIS ET AL. (2001); 

In Tabelle 4-2 ist die Zusammensetzung aller Substanzen aufgeführt. 

Tabelle 4-2: Durchschnittliche Zusammensetzung der verwendeten Substanzen 

CMP- ß-Lacto- Na- 

Inhaltsstoffe/ % Pulver globulin Caseinat WPI 

Gesamtprotein 79,1 95,0 90,0 92,0 

Molkenproteine 6,5 95,0 0 92,0 

α-La 3,5 - - 23,3 

β-Lg B 2,0 - 32,2 

95,0 

β-Lg A 1,1 

- 36,5 

CMP 72,6 0 0 0 

GMP 35,4 - - - 

CMP A 26,5 - - - 

CMP B 11,1 - - - 

Lactose ≤ 2 ≤ 1 ≤ 1 ≤ 1 

Kalium 0,3 - 0 0,3 

Calcium 0,7 - 0,1 0,5 

Natrium 3,3 2,8 2,0 0,4 

Fett ≤ 0,5 ≤ 0,5 6 0,4 

Restwasser 2,5 0,9 5,0 6,4 

4.1 Löslichkeitsverhalten von CMP in Abhängigkeit des pH-Wertes 

Es wurden Versuche zum Löslichkeitsverhalten von CMP in Abhängigkeit vom pH-Wert in 

einem pH-Bereich von 1-9 durchgeführt. Dafür wurde CMP in enthärtetem Wasser so gelöst, 

dass die Konzentration an CMP in der Lösung 2 g/l entsprach. Diese Konzentration wurde 

gewählt, da sie der CMP-Konzentration in Molke entspricht und so die Proben außerdem in 

den Kalibrierungsbereich der RP-HPLC fallen. Dadurch ist keine weitere Probenaufbereitung 

nötig. Mittels Salzsäure bzw. Natronlauge wurde der jeweilige pH-Wert eingestellt. Die Proben 

wurden zwei Stunden bei dem jeweiligen pH-Wert bei Raumtemperatur equilibriert und 

anschließend zentrifugiert (30 min, 15.000 g). Der CMP-Gehalt im Überstand wurde mittels 

RP-HPLC analysiert und die Löslichkeit von CMP unter Berücksichtigung des jeweiligen 

Verdünnungsfaktors relativ zum Ausgangsgehalt ermittelt. Die Löslichkeit der einzelnen 

54


CMP-Fraktionen des mit enthärtetem Wasser verdünnten CMP-Konzentrats in Abhängigkeit 

des pH-Wertes sind in Bild 4-1 dargestellt. 

Löslichkeit % 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

0 1 2 2,6 3 4 5 6 7 8 9 10 

pH-Wert 

Bild 4-1: Löslichkeit der einzelnen CMP-Fraktionen von CMP-Konzentrat, gelöst in enthärtetem 

Wasser (cCMP = 2 g/l) 

Es ist zu sehen, dass zwischen pH 1-2 und pH 4-9 CMP eine nahezu vollständige Löslichkeit 

aufweist. Lediglich in dem Bereich zwischen pH 2-4 ist die Löslichkeit vorwiegend der nichtglykosylierten 

CMP-Fraktionen vermindert, was auf eine isoelektrische Fällung zurückzuführen 

sein könnte. In diesem pH-Bereich kommt es zusätzlich zu starken Veränderungen im 

RP-HPLC-Fingerprint des glykosylierten CMP (Bild 4-2), was auf Veränderungen im glykosylierten 

CMP durch Abspaltung von Sialinsäure infolge von partieller saurer Hydrolyse zurückgeführt 

werden kann (s. Kapitel 2). 

Absorption226 

A [mAU] 

226 

GMP A+B 

Glyc- 

CMP 

Non-Glyc- 

CMP A 

Bild 4-2: RP-HPLC-Chromatogramme von CMP gelöst in enthärtetem Wasser (cCMP = 2 g/l) bei 

(a) pH 7,0 und (b) pH 3 

GMP 

CMP A 

CMP B 

20 °C 

CMP gesamt 

Non-Glyc- 

CMP B 

10 12 14 16 18 20 

RT [min] 

RT / min 

aglycoCMP A 

aglycoCMP B 

(a) 

(b) 

55


Fazit: 

CMP weist eine hohe Löslichkeit über einen breiten pH-Bereich (pH 1-9) auf. Zwischen pH 2 

und 4 kommt es zu einer Abnahme der Löslichkeit der nicht glykosylierten Fraktionen, was 

auf eine isoelektrische Fällung zurückzuführen ist, wohingegen das glykosylierte CMP auch 

bei pH 2-4 löslich bleibt. 

4.2 Hitzestabilität von CMP 

Die Hitzestabilität von CMP wurde in einem Temperaturbereich von 80 °C bis zu 120 °C und 

einer Heißhaltezeit bis zu 20 min untersucht. Nach der Hitzebehandlung wurden die Proben 

filtriert und der Gehalt an CMP mittels RP-HPLC ermittelt. In Bild 4-3 ist der Gehalt an CMP 

relativ zur Ausgangsprobe in Abhängigkeit der Heißhaltezeit bei 120°C dargestellt. Es ist zu 

erkennen, dass bis zu einer Heißhaltezeit von 10 min keine Verluste an CMP auftreten, d.h. 

keine Denaturierung infolge der Hitzeeinwirkung erfolgt. Erst bei Heißhaltezeiten über 10 min 

nimmt der CMP-Gehalt der Proben leicht ab. Bei einer Heißhaltezeit von 20 min wurde lediglich 

ein Verlust von 10 % des gesamten CMP ermittelt. Davon war nahezu ausschließlich 

der Gehalt der nichtglykosylierten Fraktionen betroffen, während der Gehalt an glykosylierten 

Fraktionen konstant blieb. Auch die RP-HPLC-Fingerprints wiesen keine Veränderungen auf, 

d.h. das Glykosylierungsmuster war unverändert. Bei niedrigeren Temperaturen konnte innerhalb 

einer Heißhaltezeit von 20 min kein Verlust an CMP ermittelt werden. 

Bild 4-3: Gehalt der einzelnen CMP-Fraktionen relativ zur Ausgangsprobe nach einer Hitzebehandlung 

bei 120 °C in Abhängigkeit der Heißhaltezeit 

Fazit: 

c t /c 0 [-] 

1,2 

1,2 

1,2 

1,1 

1,1 

1,0 

1,0 

1,0 

0,9 

0,9 

0,8 

0,8 

0,8 

0,7 

0,7 

0,6 

0,6 0,6 

0,5 

0,5 

0,4 

0,4 

0,4 

0,3 

0,3 

0,2 

0,2 

0,2 

0,1 

0,1 

c 0 (CMP gesamt) = 2 g/l 

c 0 (Glyco-CMP) = 0,87 g/l 

c 0 (CMP A) = 0,81 g/l 

c 0 (CMP B) B) = 0,32 g/l 

CMP gesamt 

Glyco-CMP 

CMP A 

CMP B 

0,0 

0,0 

0,0 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 10 10 12 12 14 14 16 16 18 18 20 

20 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 

Heißhaltezeit [min] 

120 °C 

CMP weist eine hohe Hitzestabilität auf, was auf das Fehlen einer Sekundärstruktur des Moleküls 

zurückzuführen ist. 

56


4.3 Schaumeigenschaften von CMP 

Proteine zählen zu den amphoteren Emulgatoren, die sowohl positiv als auch negativ geladene 

Gruppen sowie hydrophile und hydrophobe Bereiche aufweisen. Daher sind Proteine 

grenzflächenaktive Substanzen, die zur Stabilisierung von geschäumten Produkten eingesetzt 

werden können. CMP erfüllt diese molekularen Voraussetzungen, allerdings ist über 

das Potenzial zur Schaumbildung durch CMP nur wenig bekannt. 

Für die Herstellung von Schäumen sind insbesondere die Schaumbildungskapazität und die 

Schaumstabilität von Bedeutung. Diese werden durch Struktur der Inhaltsstoffe, chemischphysikalische 

und technologische Parameter beeinflusst. Diese Einflussfaktoren treten wiederum 

miteinander in Wechselwirkung, so dass Interaktionen bzw. Abhängigkeiten zwischen 

den einzelnen Faktoren berücksichtigt werden müssen. 

Daher wurde CMP systematisch auf seine Schaumeigenschaften zu untersucht. Variable 

waren zum einen verschiedene Milieufaktoren, die nach Erkenntnissen über andere Proteinschäume 

Einfluss auf die Schaumeigenschaften haben. Zum anderen wurden Wechselwirkungen 

mit anderen Proteinen betrachtet. 


Herstellung der Schäume 

Die verwendeten Proteinlösungen wurden jeweils am Vortag der Schaumerzeugung hergestellt 

und über Nacht bei 4 °C quellen gelassen. Das eingewogene Proteinpulver wurde dazu 

mit einer entsprechenden Menge bi-destilliertem Wasser versetzt und auf einem Magnetrührer 

vollständig gelöst. Für Versuche mit pH-Wert-Einstellung wurde die, für diesen Zweck 

überkonzentrierte, Proteinlösung anschließend unter Zugabe von Salzsäure bzw. Natronlauge 

auf den entsprechenden pH-Wert eingestellt. 

Zum Herstellen der Proteinschäume wurden die Proteinlösungen in einem Thermomixer 

TM21 (Vorwerk, Wuppertal, Deutschland) bei den in Tabelle 4-3 angegebenen Einstellungen 

aufgeschlagen und direkt anschließend die Schaumeigenschaften der erzeugten Schäume 

untersucht. 

Tabelle 4-3: Grundeinstellungen der Schaumerzeugung mittels Thermomix TM21 

Aufschlagseinstellungen 

Produkttemperatur 5 °C 

Produktmenge 250 ml 

Aufschlagszeit 90 s 

Aufschlagsdrehzahl 1000 U/min 

57


Schaumanalysen 

Bei Schäumen handelt es sich um sehr empfindliche Strukturen. Deshalb wurden alle Analysen 

direkt nach der Herstellung vorgenommen. 

Overrun 

Der Overrun (OV) bzw. Aufschlag ist ein Maß für den im Schaum enthaltenen Gasanteil und 

dient zur Strukturbeschreibung eines Schaums. Zur Bestimmung des Overruns wurde ein 

Behälter mit 200 ml Volumen zunächst mit der Ausgangslösung gefüllt und gewogen, anschließend 

wurde die Masse des gleichen Volumens Schaum bestimmt. Der Overrun berechnet 

sich aus Formel 4.1. 

OV = 

m 

Drainage 

(Formel 4.1) 

Die Stabilität der Schäume wurde über die Drainage (DR) ermittelt. Dazu wurden Plastikbecher 

mit Schaum befüllt und gewogen. Nach einer Lagerzeit von 30 min bei Raumtemperatur 

wurde die bis dahin abgesetzte Flüssigkeit vorsichtig abgegossen. Aus dem Verhältnis der 

Masse der abgeschiedenen Flüssigkeit zur Masse des Schaums lässt sich die Drainage in % 

berechnen (Formel 4.2). 

Festigkeit 

Lösung 

m 

DR 

= 

m 

m 

− m 

Schaum 

Drainage, 

30 min 

Schaum 

Schaum 

⋅ 100 % 

(Formel 4.2) 

Direkt nach dem Aufschäumen wurde mittels Textureanalyser (Fa. Stevens & Son, Surrey, 

Großbritannien) die Festigkeit des Schaums bestimmt. Bei diesem Penetrationstest dringt 

ein Prüfkörper mit Fadenkreuzgeometrie bestehend aus einem inneren (Durchmesser 

= 25 mm) und äußerem (Durchmesser = 50 mm) Drahtring (Stärke = 1 mm) mit einer 

Geschwindigkeit von 0,2 mm/s bis zu einer Tiefe von 30 mm in den Schaum ein. Die zum 

Eindringen in den Schaum benötigte Kraft wird bestimmt und kann unter Einbezug der Erdbeschleunigung 

g in die entsprechende Schaumstärke [N] umgerechnet werden. 

Oberflächenspannung 

⋅100% 

mitV 

konst. 

Die Oberflächenspannung σ charakterisiert das Schaumbildungsvermögen. Sie wurde mit 

dem Tropfenvolumentensiometer TVT2 (Fa. Lauda, Dr. R. Wobser GmbH & Co. KG, Lauda- 

Königshofen, Deutschland) gemessen. Das Messprinzip beruht auf einer genauen Bestimmung 

des Volumens eines aus einer Kapillare ausgeschobenen Tropfens. Erreicht der Tropfen 

ein kritisches Volumen, kann er nicht mehr an der Kapillare gehalten werden und reißt 

ab. Dabei ist die Gewichtskraft des Tropfens proportional zur Oberflächenspannung σ (For- 

58


mel 4.3). Mit steigender Oberflächenspannung steigt auch das Volumen des gebildeten 

Tropfens, da mehr Flüssigkeit festgehalten werden kann. Die Oberflächenspannung sinkt mit 

steigendem Tropfenalter, wodurch das kritische Tropfenvolumen vermindert wird. 

V g 

2 r f ⋅ ⋅ 

⋅ Δρ 

⋅ 

σ 

= 

π 

cap ⋅ 

[mN/m] 


4.3.2.1 Produktspezifische Einflussfaktoren auf das Schaumergebnis 

(Formel 4.3) 

Die Schaumbildung und Stabilität wir in entscheidendem Maße von den Eigenschaften der 

kontinuierlichen Phase und der chemisch-physikalischen Struktur der grenzflächenaktiven 

Substanzen bestimmt. Für den Zusammenhang zwischen der Proteinstruktur und der Funktionalität 

spielen die Konzentration der Proteine und die Milieubedingungen eine entscheidende 

Rolle, da sie Funktionalität der grenzflächenaktiven Substanz modifizieren und die 

Interaktionen innerhalb der kontinuierlichen Phase beeinflussen,. 

Im Folgenden werden die Ergebnisse der wesentlichen produktspezifischen Einflussgrößen 

auf das Schaumergebnis beim Aufschäumen von CMP im Vergleich zu WPI beschrieben. 

Konzentration der grenzflächenaktiven Substanz 

Je mehr grenzflächenaktives Material vorhanden ist, desto schneller erfolgt die Grenzflächenbesetzung 

bei gleichgroßer Grenzfläche. Dies ist darauf zurückzuführen, dass alle diffusiven 

Stofftransportvorgänge mit steigender Konzentration schneller ablaufen und die Grenzflächenbelegung 

zu Beginn des Grenzflächenbesetzungsprozesses direkt proportional zur 

Konzentration des grenzflächenaktiven Stoffes ist (Richert, 1979). 

Die Untersuchungen zum Einfluss der Konzentration auf die Schaumeigenschaften ergaben, 

dass CMP im untersuchten Konzentrationsbereich (2,5-10 %) einen deutlich höheren Overrun 

im Vergleich zu WPI ergibt (Bild 4-4). Für WPI ergab sich eine Zunahme des Overrun bis 

zu einer Konzentration von 8 %. Dieses Ergebnis deckt sich mit den Ergebnissen von Bals 

(2002), Britten & Lavoie (1992) sowie Richert (1979), die feststellten, dass der Overrun beim 

Aufschlagen einer Molkenproteinlösung mit zunehmender Proteinkonzentration bis zu einem 

Maximum in einem Bereich von 10 % Protein zunimmt. Bei niedriger Molkenproteinkonzentration 

ist offenbar noch nicht die ausreichende Proteinmenge gegeben, um die gebildeten 

Blasen zu stabilisieren, so dass Koaleszenz auftritt. Im Falle von WPI ist ab einer Proteinkonzentration 

von 10 % eine ausreichende Stabilisierung gewährleistet. Dies lässt sich zudem 

durch die globuläre Struktur der Molkenproteine begründen, die sich nach der Adsorpti- 

59


Overrun / % 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

2 4 6 8 10 12 

CProtein / % 

Bild 4-4: Overrun von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit von der Proteinkonzentration 

on an die Grenzfläche zunächst entfalten, bevor sie eine größere Fläche an der Grenzfläche 

belegen. Eine höhere Proteinkonzentration bewirkt durch die gestiegene Molekülanzahl bei 

gleicher Grenzfläche eine schnellere Besetzung und Stabilisierung der Grenzfläche. CMP 

erzielt im Gegensatz dazu bereits bei der niedrigsten Konzentration von 2,5 % einen hohen 

Overrun. Ab einer Konzentration ≥ 5 % nimmt allerdings der Overrun von CMP im Gegensatz 

zu WPI wieder ab. CMP ist im Gegensatz zu den Molkenproteinen ein lang gestrecktes Molekül, 

das in Abwesenheit einer Sekundärstruktur keiner Konformationsänderung an der 

Grenzfläche unterliegt. Es legt sich aufgrund der diffusen Verteilung seiner hydrophoben und 

hydrophilen Molekülanteile vermutlich mit seiner gesamten Länge an die Grenzfläche an. 

Dadurch ist bereits bei geringer Konzentration ein großer Anteil der Grenzfläche belegt. Bei 

CMP ist eine geringe Konzentration im Vergleich zum WPI daher bereits ausreichend, um 

einen großen Gasanteil im Schaum zu halten. Mit zunehmender Konzentration behindern 

sich die Proteine sowohl bei der Diffusion als auch bei der Adsorption an der Grenzfläche. 

Neben der sterischen Behinderung kommt es zu erhöhten Abstoßungskräften zwischen den 

Molekülen aufgrund der hohen negativen Ladung. Des Weiteren deformieren sich die Proteine 

teilweise gegenseitig. Britten & Lavoie (1992) vermuten zudem den gefundenen Abfall in 

der Schaumexpansion von Proteinen in einer Korrelation mit steigender Unlöslichkeit des 

Proteinanteils. Dies könnte ebenfalls eine Erklärung für den sinkenden Overrun von CMP bei 

hoher Konzentration sein. 

Der höhere Overrun durch CMP im Vergleich zu WPI lässt sich auch durch die Ergebnisse 

der Oberflächenspannung erklären (Bild 4-5). CMP senkt die Oberflächenspannung deutlich 

weiter herab als WPI. 

CMP 

WPI 

60


Grenzflächenspannung / mN/m 

80 

75 

70 

65 

60 

55 

50 

45 

c Protein : 5 % 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 

Zeit/ s 

Bild 4-5: Dynamische Oberflächenspannung von CMP- und WPI-Schäumen bei einer Proteinkonzentration 

cProtein von 5 % 

Während es für den Overrun in Abhängigkeit von der Proteinkonzentration ein Maximum 

gibt, nimmt die Stabilität der Proteinschäume erwartungsgemäß mit steigender Proteinkonzentration 

zu (Britten & Lavoie, 1992). In Bild 4-6 ist die Drainage und die Festigkeit als Kriterium 

der Schaumstabilität in Abhängigkeit der Proteinkonzentration dargestellt. Wie zu erkennen, 

nimmt die Drainage der Schäume mit zunehmender Proteinkonzentration ab. Wenn 

die Konzentration an grenzflächenaktivem Material hoch ist, werden mehrschichtige Grenzflächenfilme 

gebildet, die gegenüber Koaleszenz resistent sind (Kinsella, 1981). Weiterhin 

intensivieren sich die Interaktionen zwischen den Proteinmolekülen, wodurch die Grenzflächenviskosität 

erhöht wird. Zudem steigt das Wasserbindevermögen innerhalb der Schaumlamellen, 

was der Drainage entgegen wirkt (Britten & Lavoie, 1992). Die Drainage der CMP- 

Schäume lag im gesamten untersuchten Konzentrationsbereich niedriger als bei den WPI- 

Schäumen, was durch eine bessere Wasserbindungskapazität von CMP zu erklären ist. Die 

Schaumfestigkeit verhielt sich erwartungsgemäß gegensätzlich zur Drainage. Mit zunehmender 

Proteinkonzentration nahm die Festigkeit zu. Ein zusätzlicher Effekt einer höheren 

Proteinkonzentration ist die Abnahme der prozentualen Löslichkeit der Proteine. Somit können 

die Grenzflächen durch unlösliche Proteine stabilisiert werden, so dass sich die 

Schaumlamellen gegenseitig stützen und so eine sterische Stabilisierung der Grenzflächen 

erfolgt. Die ermittelten Festigkeiten für CMP lagen dabei unter den erzielten Werten für WPI. 

Dies lässt sich dadurch erklären, dass es bei Molkenproteinen zu einer so genannten Grenzflächendenaturierung 

kommt. Adsorbierte Proteinmoleküle verändern ihre Konformation nach 

der Grenzflächenbesetzung, um die freie Grenzflächenenergie zu reduzieren. Dies hat eine 

Stabilisierung der Grenzflächen zur Folge, die sich in einer erhöhten Festigkeit wiederspiegelt 

(Britten & Lavoie, 1992, Dickinson, 1991, Richert, 1979). 

WPI 

CMP 

61


Drainage / % 

100 

80 

60 

40 

20 

(a) 140 (b) 

0 

2 4 6 

CProtein / % 

8 10 

Bild 4-6: (a) Drainage und (b) Festigkeit von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit der 

Proteinkonzentration 

Einfluss der Milieubedingungen 

CMP 

WPI 

0 

2 4 6 8 10 

C Protein / % 

Proteinmoleküle sind amphotere Emulgatoren und reagieren sehr empfindlich auf Veränderungen 

der Milieubedingungen. Es war daher von Interesse, den Einfluss des pH-Wertes und 

der Ionenstärke auf das Aufschäumverhalten von CMP zu untersuchen. 

Proteinmoleküle verfügen über geladene Gruppen und verändern in Abhängigkeit vom pH- 

Wert ihre Eigenschaften. Der pH-Wert wirkt sich auf die Konformation der Proteine aus, da er 

die Exposition der hydrophilen und hydrophoben Gruppen beeinflusst. Auch das Aggregationsverhalten 

der Proteine ist maßgeblich durch den pH-Wert bedingt (Verheul & Roefs, 

1998). Folglich ist eine Beeinflussung der Schäumungseigenschaften durch eine pH-Wert- 

Änderung zu erwarten. 

Der Einfluss des pH-Wertes wurde in dem Bereich von 2-9 beim Aufschäumen 5 %iger Proteinlösungen 

untersucht. Während der Overrun von Molkenproteinschäumen vom pH-Wert 

beeinflusst wurde, konnte bei CMP kein Einfluss festgestellt werden (Bild 4-7). Die Molkenproteinschäume 

wiesen einen erhöhten Overrun am IEP auf. Der pH-Wert übt seinen Einfluss 

auf die Schaumeigenschaften über eine Beeinflussung der Ladung der Proteingruppen 

aus. Am IEP liegt keine Nettoladung mehr vor, wodurch die elektrostatische Abstoßung zwischen 

den einzelnen Proteinen minimal ist. Dementsprechend wird die Assoziation der Proteine 

begünstigt. Durch die Strömungsvorgänge unter Rühren wird die Diffusion der Proteine 

konvektiv unterstützt, wodurch große, denaturierte Proteinstrukturen ausreichend schnell an 

die Grenzfläche gebracht werden. Eine Koaleszenz der Blasen noch während der Schaumbildung 

kann durch nah nebeneinander liegender Proteine und schnelle Grenzflächenbeset- 

Foam rigidity / mN 

120 

100 

80 

60 

40 

20 

WPI 

CMP 

62


zung reduziert werden (Kinsella, 1994). Am IEP ergibt sich zudem eine gewisse Volumenzunahme 

aufgrund der erhöhten Steifigkeit de Proteinmoleküls, die durch intramolekulare 

Wechselwirkungen zustande kommt. Insgesamt ergibt sich aufgrund dieser Strukturänderungen 

der höhere Overrun für WPI am IEP. Auch im basischen pH-Bereich war ein Anstieg 

des Overruns zu verzeichnen. Bei diesen pH-Werten liegen die Molkenproteine als Monomere 

vor, die schnell an die Grenzfläche diffundieren können. Eine Erhöhung des Overruns in 

diesem Bereich ist außerdem auf die Ausbildung von Disulfidbrücken und auf die Filmbildung 

zurückzuführen (Phillips et al., 1990, Richert, 1979). Dem gegenüber ist die Nettoladung von 

CMP über den gesamten pH-Bereich negativ. Dadurch ändert sich auch die elektrostatischen 

Abstoßung weniger stark, wie dies bei Molkenproteine der Fall ist. Weiterhin unterliegt 

die Molekülstruktur von CMP keinen Konformationsänderungen. Es kommt nicht zu pHabhängigen 

Denaturierungsprozessen, welche die Belegung der Grenzfläche durch CMP 

beeinflussen würden. Das Schaumvolumen von CMP-Schäumen ist daher nahezu unabhängig 

vom pH-Wert. 

Overrun / % 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

100 

CMP 

WPI 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

pH-Wert / - 

Bild 4-7: Overrun von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit des pH-Wertes 

Der insgesamt höhere Overrun für CMP-Schäume lässt sich u.a. mit Hilfe der ermittelten 

Oberflächenspannung erklären. Die Oberflächenspannung nimmt für WPI mit sinkendem pH- 

Wert ab (Bild 4-8 a). Die Oberflächenspannung ist am IEP minimal. Für CMP ergibt sich keine 

eindeutige Änderung der Oberflächenspannung in Abhängigkeit des pH-Wertes (Bild 4-8 

b), sie wird in Abhängigkeit vom pH jedoch weiter herabgesenkt als bei WPI. Die schnelle 

und stärkere Senkung der Grenzflächenspannung kann eine Koaleszenz der Blasen verhindern 

und hat somit einen höheren Gasanteil im Schaum zur Folge. 

63



80 

75 

70 

65 

60 

55 

50 

45 

c cProtein Protein : 5 % (a) WPI c Protein : 5 % 

(b) CMP 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

Zeit / s 

pH 9 

pH 6,5 

pH 4,5 

0 

0 50 100 150 200 250 300 

Zeit / s 

Bild 4-8: Dynamische Grenzflächenspannung von Proteinlösungen aus WPI (a) und CMP (b) in 

Abhängigkeit des pH-Wertes 

In Bild 4-9 ist die Schaumfestigkeit in Abhängigkeit des pH-Wertes dargestellt. 

Schaumstärke/ mN 

200 

150 

100 

50 

c cProtein Protein : 5 % 

Bild 4-9: Schaumfestigkeit von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit vom pH-Wert 

Die Schaumfestigkeit von WPI-Schäumen erreicht ein Maximum im Bereich des IEP. Wie 

bereits erwähnt, liegen an diesem Punkt die geringsten Abstoßungskräfte vor, wodurch sich 

dicke Grenzflächenfilme ausbilden können. Zudem werden im Bereich des IEP Protein- 

Protein-Interaktionen begünstigt, wodurch es zur Ausbildung stabiler Grenzflächenfilme mit 

einer hohen Filmelastizität und –viskosität kommt (Kinsella, 1994). Weiterhin blockieren unlösliche 

Molkenproteine das Abfließen aus den Lamellen. Im basischen Bereich erfolgt ebenfalls 

eine Festigkeitszunahme, was auf eine erhöhte scheinbare Viskosität in diesem Bereich 

Grenzflächenspannung/ mN/m 

80 

75 

70 

65 

60 

55 

50 

45 

0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

pH-Wert 

CMP 

WPI 

pH 1-9 

64


zurückgeführt werden kann (Bild 4-11). Je höher die Festigkeit des Schaums, desto niedriger 

ist folglich die Drainage (Bild 4-10). 

Drainage/ % 

100 

80 

60 

40 

20 


0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

pH-Wert 

Bild 4-10: Drainage von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit vom pH-Wert 

Die Schaumfestigkeit von CMP-Schäumen weist eine ähnliche Abhängigkeit vom pH-Wert 

auf wie die WPI-Schäume, lediglich weniger stark ausgeprägt (Bild 4-9). Die Erhöhung der 

Festigkeit im mäßig-sauren pH-Bereich kann auf die erhöhte scheinbare Viskosität in diesem 

Bereich zurückgeführt werden (Bild 4-11). Dadurch lässt sich die relativ hohe Schaumstabilität 

in diesem pH-Bereich erklären. Da weiterhin die Proteinlöslichkeit von CMP, insbesondere 

der nicht-glykosylierten Fraktionen, in diesem Bereich am geringsten ist, erfolgt eine Verminderung 

der Drainage durch unlösliche Proteine in den Schaumlamellen (Bild 4-10). CMP 

zeigt eine Konstante Schaumstabilität gegenüber dem pH-Wert bis zu einem pH von 7. Die 

negative Ladung ist im basischen Bereich am stärksten ausgeprägt, wodurch sie zur Erhöhung 

der Schaumstabilität führt. Die elektrostatischen Abstoßungskräfte sind also sehr hoch, 

wodurch es auch zu einer Abstoßung der Grenzflächen untereinander kommt. 

Viskosität η η100 100 1/s / mPas 

14 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

CMP 

WPI 

pH / - 

Bild 4-11: Einfluss des pH-Wertes auf die Viskosität von CMP- und WPI-Schäumen 

CMP 

WPI 


0 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 

65


Ionen beeinflussen ebenfalls die geladenen Gruppen der Proteine. Sie treten mit entgegengesetzt 

geladenen Gruppen in Wechselwirkung. Der Einfluss der Ionenstärke auf die 

Schaumeigenschaften wurde durch Zugabe von NaCl um 40, 120 bzw. 200 mM und durch 

Zugabe von CaCl2 um 60, 120 und 300 mM CaCl2 bei pH 7 untersucht und ist in Bild 4-12 zu 

sehen. 

Overrun / % 

700 

600 

500 

400 

300 

200 


CMP/NaCl 

CMP/CaCl2 

WPI/CaCl2 

WPI/NaCl 

100 

0 50 100 150 200 250 300 350 

Ionenstärkeerhöhung / mmol/l 

Bild 4-12: Overrun von CMP- und WPI-Schäume in Abhängigkeit der Ionenstärkeerhöhung 

Es konnte kein signifikanter Einfluss einer Erhöhung der Ionenstärke weder durch NaCl noch 

durch CaCl2 auf den Overrun von CMP-Schäumen im untersuchten Bereich detektiert werden. 

Bei WPI-Schäumen stieg durch Zusatz von NaCl der Overrun bis zu einer Ionenstärkeerhöhung 

von 40 mM um 100 Prozentpunkte an. Eine höhere Ionenstärke blieb ohne weiteren 

Einfluss auf den Overrun. Für CaCl2 ergab sich ebenfalls ein leichter Anstieg des Overruns 

bis zu einer Ionenstärkeerhöhung von 60 mM um 45 %, mit anschließender Konstanz. 

Bei niedriger Ionenstärke erfolgt aufgrund der zusätzlichen elektrostatischen Abstoßungskräfte 

eine Stabilisierung des Schaums, höhere Konzentrationen führen zu verringerter Löslichkeit 

und Präzipation, die zu schlechteren Schaumqualitäten führen können. 

Ähnlich verhält es sich für die Schaumstabilität (Bild 4-13). Für CMP-Schäume konnte im 

untersuchten Bereich kein Einfluss der Ionenstärkeerhöhung auf das Schaumergebnis festgestellt 

werden (Bild 4-13 a). Im Gegensatz dazu nahm die Schaumfestigkeit für WPI- 

Schäume mit zunehmender NaCl-Konzentration stetig zu, während mit steigender CaCl2- 

Konzentration bei einer Erhöhung der Ionenstärke um 50 mmol/l zunächst ein Maximum erreicht 

wird und bei höheren Ionenstärken die Schaumfestigkeit wieder abnimmt. Die Drainage 

verhielt sich erwartungsgemäß gegensätzlich zur Schaumfestigkeit (Bild 4-13 b). Der Zusatz 

von NaCl wirkt sich weniger stark auf die Drainage aus, wohingegen die Drainage mit 

66


zunehmender CaCl2-Konzentration um über 50 % abnimmt und ab einer Ionenstärke von ca. 

100 mmol/l ein Plateau erreicht. 

Schaumefstigkeit / mN 

350 

300 

250 

200 

150 

100 

50 

WPI/CaCl2 

WPI/NaCl 

CMP/CaCl2 

CMP/NaCl 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 


100 

(a) (b) 

0 

0 50 100 150 200 250 300 350 


Bild 4-13: Schaumfestigkeit und Drainage von CMP- und WPI-Schäumen in Abhängigkeit von 

der Ionenstärkeerhöhung 

Durch den Zusatz von Salz wird die Diffusion und Auffaltung der Molkenproteine beschleunigt 

und die Aggregation der Proteine an der Grenzfläche gefördert (Halling, 1981). Zudem 

reduzieren Salze die Dicke von elektrostatischen Doppelschichten und das Zetapotenzial der 

Gasblasen. Die proteingeladene negative Grenzfläche wird, ähnlich einer geladenen Feststoffoberfläche 

von Kationen aus der kontinuierlichen Phase umgeben. Bei hoher Ionenstärke 

befinden sich die Gegenionen im Mittel näher an den polaren Proteinregionen. Daraus 

folgt eine Verminderung der gegenseitigen Abstoßung und eine Zunahme der Anziehungskräfte 

der Proteine. Es kommt zu einer dichteren Grenzflächenbelegung. Je höher die Grenzflächenbelegung 

ist, desto stabiler ist der Grenzflächenfilm. Bei einer zu hohen CaCl2- 

Konzentration werden die Aggregationszentren blockiert, was die Abnahme der Schaumfestigkeit 

für eine Ionenstärke > 50 mmol/l erklärt. 

4.3.2.2 Einfluss von Proteinwechselwirkungen auf die Schaumeigenschaften 

Durch den hohen Anteil von CMP am Gesamtproteingehalt von 25 % in Süßmolke ist es insbesondere 

von Interesse, inwieweit CMP die Funktionalität von Molkenproteinprodukten beeinflusst 

bzw. inwieweit Wechselwirkungen zwischen CMP und Molkenproteinen für die 

Strukturbildung ausgenutzt werden können. Bis dato wurde CMP in Produkten auf Molkenproteinbasis 

keine Beachtung geschenkt, jedoch kann es aufgrund seiner technologischfunktionellen 

Eigenschaften einen erheblichen Einfluss auf die Funktionalität dieser Produkte 

ausüben. 

Drainage / % 

80 

60 

40 

20 

CMP/NaCl 

CMP/CaCl2 

WPI/NaCl 

WPI/CaCl2 

67


Die Untersuchungen wurden an Mischschäumen der Verhältnisse WPI:CMP von 4:1; 2:1; 1:1 

sowie 1:2 bezogen auf 5 % Gesamtprotein durchgeführt. Das Verhältnis von 4:1 entspricht 

dabei dem Verhältnis von CMP zu Molkenproteinen in Süßmolke. 

In Bild 4-14 ist der Overrun in Abhängigkeit der CMP-Konzentration am Gesamtproteingehalt 

dargestellt. Für eine leichtere Einordnung der Ergebnisse ist als Referenzlinie der Overrun 

einer 5 %igen Hühnereiweißlösung angegeben. 

Overrun/ % 

700 

600 

500 

400 

300 

200 

c Protein : 5% 

100 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

C CMP /C /Ctotal total total Prot. / - 

Eiweiß 

Bild 4-14: Overrun von Proteinmischschäumen aus CMP und Molkenproteinen in Abhängigkeit 

der CMP-Konzentration am Gesamtproteingehalt 

Mit steigendem CMP-Anteil ergibt sich ein erhöhter Overrun. Dies lässt sich auf die stärkere 

Senkung der Oberflächenspannung durch CMP zurückführen. Wie in Bild 4-15 erkennbar, 

sinkt die Grenzflächenspannung mit zunehmender CMP-Konzentration immer weiter ab. 


70 

65 

60 

55 

50 

0 50 100 150 200 

Zeit / s 

WPI 

4:1 WPI:CMP 

2:1 WPI:CMP 

1:1 WPI:CMP 

1:2 WPI:CMP 

CMP 

Bild 4-15: Dynamische Oberflächenspannung von Proteinmischschäumen aus CMP und WPI 

68


Durch das schnellere Senken der Oberflächenspannung kann mehr Gas im Schaum gehalten 

werden und gleichzeitig der Koaleszenz entgegengewirkt werden. Die Molkenproteine 

benötigen mehr Zeit zur Exposition hydrophober Gruppen und der damit verbundenen 

Grenzflächendenaturierung (s. Kapitel 4.3.2.1). Für die Schaumstabilität ergeben sich in 

Mischverhältnissen von CMP und WPI synergistische Effekte, gekennzeichnet durch eine 

höhere Schaumstärke und geringere Drainage (Bild 4-16). Dabei ergibt sich ein Maximum 

der Schaumfestigkeit und ein Minimum der Drainage bei einem CMP:WPI Verhältnis von 1:1, 

die mit den Werten von Schäumen aus einer 5 %igen Hühnereiweißlösung vergleichbar sind. 

Offenbar übernimmt jede Fraktion eine eigenständige Aufgabe für die Schaumbildung, die 

sich synergistisch ergänzen. WPI werden dabei die Funktion der Stabilität, dem CMP der 

hohen Gashaltekapazität zugeschrieben. Durch WPI werden mit einer gewissen zeitlichen 

Verzögerung durch Auffaltung und Konformationsänderungen letztendlich sehr stabile Filme 

gebildet. Mit dem höheren Gasanteil und den stabilen Filmen ergeben sich bei der Kombination 

der Proteine bessere Schaumstabilitäten. Eine Reduktion der Drainage wird dabei auch 

durch die erhöhte Wasserbindungsaktivität und eine erhöhte Viskosität mit steigendem CMP- 

Anteil erreicht. 

Bild 4-16: Drainage und Festigkeit von Proteinmischschäumen aus CMP und Molkenproteinen 

in Abhängigkeit des CMP-Anteils am Gesamtproteingehalt 

Fazit: 

Drainage/ % 

100 

80 

60 

40 

20 

Eiweiß 

(Drainage) 

Eiweiß 

(Rigidity) 

Drainage 

Foam rigidity 

0 

0 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

C CMP /C total Pro. / - 

Die Untersuchungen zu den Schaumeigenschaften haben gezeigt, dass CMP ein sehr guter 

Schaumbildner ist. Im Vergleich zu WPI und Eiklar fällt die Stabilität bezüglich Schaumstärke 

und Drainage jedoch geringer aus. Typisch für niedermolekulare, ungeordnete Proteine zeigt 

CMP Schäume mit einem hohen Gashaltevolumen und geringer Schaumstabilität, da die 

250 

200 

150 

100 

50 

Foam rigidity / mN 

69


gebildeten Grenzflächenfilme dünn sind. Anhand der Untersuchungen zum Einfluss von Milieubedingungen 

auf die Schaumeigenschaften von CMP hat sich gezeigt, dass CMP sehr 

konstante, d.h. wenig vom Milieu beeinflusste Schaumeigenschaften besitzt. Vielfache 

Einsatzmöglichkeiten sind durch den geringen Einfluss der Milieubedingungen daher vorstellbar. 

Proteinmischschäume aus CMP und WPI zeigten synergistische Effekte in Bezug 

auf die Schaumeigenschaften. Insbesondere die Schaumstabilität kann durch den höheren 

möglichen Gaseintrag und die verminderte Drainage durch CMP sowie der Ausbildung stabiler 

Filme durch die Molkenproteine gesteigert werden. 

4.4 Emulgiereigenschaften von CMP 

Analog zu den Schaumeigenschaften wurden die Emulgiereigenschaften maßgeblich durch 

die Emulgierkapazität und die Emulsionsstabilität bestimmt. Um die Grenzflächeneigenschaften 

von CMP gegenüber Öl näher zu charakterisieren, wurden die Emulgiereigenschaften 

unabhängig von einer Produktmatrix von Ein-Komponenten-Systemen und Zwei- 

Komponenten-Systemen aus CMP und Molkenproteinen bzw. Natrium-Caseinat in vergleichenden 

Studien untersucht. 


Sonnenblumenöl (Cereol, Mannheim, Deutschland) 

Hilfsstoffe 

SDS, 0,5 % (C12H25O4S.Na), Serva Elektophoresis GmbH, Heidelberg, Deutschland) 

SDS wurde zur Messung der Partikelgrößenverteilung verwendet, um den tatsächlichen Partikeldurchmesser 

zu ermitteln. SDS wird verwendet, um zu gewährleisten, dass Fetttröpfchenaggregate 

vollständig dissoziieren. SDS lagert sich an die Öl-Wasser-Grenzschicht an 

und verdrängt dabei die Proteine von der Fetttröpfchenoberfläche, aufgrund der hohen negativen 

Ladung von SDS kommt es zu hohen Abstoßungskräften, wodurch eine Aggregation 

oder Koaleszenz verhindert wird. 

Essigsäure-Acetat-Puffer 

Essigsäure (CH3COOH), Merck, Darmstadt, Deutschland 

Natriumacetat-Trihydrat (Na (CH3COO) x 3 H2O), Merck, Darmstadt, Deutschland 

Herstellung der Emulsionen 

Es wurde jeweils eine Öl-in-Wasser-Emulsion hergestellt, indem zunächst eine Voremulsion 

aus 10 % Sonnenblumenöl in der jeweiligen Proteinlösung mittels Ultra Turax bei 9000 U/min 

70


für 60 sec hergestellt wurde, die anschließend mittels einstufigem Hochdruckhomogenisator 

(APV 1000) bei 500 bar emulgiert wurde. Um die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zu gewährleisten, 

wurden Emulsionen an zwei verschiedenen Tagen und jeweils in Doppelbestimmungen 

hergestellt. Bei Den Untersuchungen zum Einfluss der Milieubedingungen auf 

die Emulgiereigenschaften von CMP diente als wässrige Phase ein Acetat-Puffer, der auf die 

entsprechenden Ionenkonzentrationen und pH-Werte eingestellt wurde. 

Bestimmung der Partikelgrößenverteilung 

Über ein Laserspektroskop LS230 (Coulter, Krefeld) wurden der Partikelgrößendurchmesser 

d50,3, der volumenbezogene mittlere Durchmesser d43 und der oberflächenbezogenen mittleren 

Durchmesse d32 bestimmt. Der d50,3 gibt denjenigen Durchmesser an, unterhalb dem 50 

% der Tröpfchendurchmesser einer Volumenverteilung liegen. Der d32, auch Sauterdurchmesser 

genannt, ist der mittlere Tröpfchendurchmesser der Oberflächenverteilung. Er steht 

mit der spezifischen Fetttröpfchenoberfläche in direktem Zusammenhang und dient der Beurteilung 

von Koaleszenzvorgängen. Der d43 ist der mittlere Tröpfchendurchmesser einer Volumenverteilung, 

der vor allem zur Erfassung von Fettkugelaggregaten herangezogen wird. 

Zur Charakterisierung der Emulsionen wurden die Partikelgrößenverteilungen mittels Laserspektroskopie 

(Bild 3-6) in An- und Abwesenheit von 0,5 % SDS direkt nach Herstellung sowie 

nach 24 h Lagerung gemessen und aus den Ergebnissen der Aggregations- und Koaleszenzfaktor 

bestimmt. SDS wird zur Messung der wahren Partikelgrößen verwendet, die 

scheinbaren Partikelgrößen werden in Abwesenheit von SDS ermittelt. Der Koaleszenzfaktor 

ist definiert als der Quotient aus d32 der 24 h gelagerten Emulsion und dem d32 der frischen 

Emulsion jeweils bestimmt in Anwesenheit von SDS (Formel 4.1). Der Aggreagtionsfaktor 

stellt den Quotient aus scheinbarem zu wahrem volumenbezogenen Durchmesser d43 dar 

(Formel 4.2): 

Aggregationsfaktor 

Koaleszenzfaktor 

d43 

= 

d43 

d32 

= 

d32 

( − SDS) 

( + SDS) 

( SDS, 

24h) 

( SDS, 

frisch) 

Bestimmung der Emulsionsstabilität 

(Formel 4.4) 

(Formel 4.5) 

Als Maß für die Emulsionsstabilität wurde die Aufrahmung mittels multipler Lichtstreuung 

gemessen. Dafür wurde das Aufrahmen der Proben in Abhängigkeit von der Zeit mit Hilfe der 

Multiplen-Lichtstreumessung mittels TurbiScan Classic MA 2000 (Formulaction, Frankreich) 

bestimmt. Das Messprinzip beruht auf optischem Abscannen einer Probe entlang der Probenhöhe 

in vorgegebenen Zeitabständen, wobei die Intensität der Transmission und Rück- 

71


streuung im Verhältnis zur Intensität des eingestrahlten Lichtes ermittelt wird (Bild 4-17). 

Fetttröpfchen besitzen einen starken Einfluss auf die Transmission und Rückstreuung durch 

den Unterschied im Brechungsindex zwischen der Matrix und dem dispergierten Medium. 

Tritt eine Phasenseparation oder Veränderung der Phasengleichgewichte auf, verändert sich 

die Konzentration der dispergierten Phase (Öl) örtlich und damit die Transmission oder/und 

Rückstreuung in Abhängigkeit von der Höhe der Emulsion in dem Probenröhrchen. Das Aufrahmen 

wird wie folgt ermittelt: Im Falle von Aufklarung (Bild 4-18, a) wird die Höhe der aufgeklarten 

Phase zu der Gesamthöhe der Emulsion im Probenröhrchen ins Verhältnis gesetzt. 

Tritt hingegen innerhalb des untersuchten Zeitraumes keine Aufklarung ein (Bild 4-18, 

b), so wird die Höhe der aufgerahmten Phase zu der Gesamthöhe der Emulsion im Probenröhrchen 

ins Verhältnis gesetzt. 

Bild 4-17: Messprinzip der Multiplen-Lichtstreumessung mittels TurbiScan MA 

(a) (b) 

(a) Aufklarung [%] = 

hclear 

phase 

hsample 

hcreamlayer 

(b) Aufrahmung [%] = 

hsample 

Bild 4-18: Darstellung der Ermittlung der Aufrahmung (a) als Höhe der aufgeklarten oder (b) als 

Höhe der aufgerahmten Phase im Verhältnis zu der Gesamthöhe der Emulsion im Probenröhrchen 

× 100 

× 100 

72



4.4.2.1 Emulgieraktivität von CMP 

Proteine mit hoher Emulgieraktivität zeichnen sich dadurch aus, dass sie schnell an der 

O/W-Grenzfläche absorbieren. Die Emulgieraktivität ist von der Konzentration des Emulgators 

abhängig. Die Emulgieraktivität von CMP wurde ermittelt, indem der Partikeldurchmesser 

sowie das Aufrahmverhalten bei unterschiedlichen CMP-Konzentrationen beim Homogenisieren 

mit 10 % Sonnenblumenöl ermittelt wurde. Die CMP-Konzentrationen für die Emulsionsherstellung 

betrugen dabei 0,25/0,5/1,0/2,0/3,0 %. 

In Bild 4-19 ist der mittlere Tröpfchendurchmesser d50,3 von CMP-stabilisierten Emulsionen in 

Abhängigkeit von der Proteinkonzentration dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Durchmesser 

der emulgierten Fetttröpfchen mit steigender CMP-Konzentration bis zu einem 

Durchmesser von etwa 1 µm abnehmen. Dieser Wert wird bereits ab einer CMP- 

Konzentration von 1 % erreicht. 

d50.3 

d50,3 [µm] 

/ µm 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 

CcCMP CMP [%] / % 

Bild 4-19: Mittlerer Durchmesser der emulgierten Öltröpfchen d50.3 von CMP-stabilisierten O/W- 

Emulsionen in Abhängigkeit der CMP-Konzentration 

Die Aufrahmung als Maß für die Emulsionsstabilität in Abhängigkeit der Lagerzeit bei verschiedenen 

Konzentrationen von CMP-stabilisierten Öl-in-Wasser-Emulsion ist in Bild 4-20 

dargestellt. 

73


Aufrahmung [%] 

Creaming / % 

12 

10 

8 

6 

4 

2 

0.25% CMP 

0.5% CMP 

1.0% CMP 

2.0%; 3.0% CMP 

0 

0 5 10 15 

Zeit Time [h] / h 

20 25 

Bild 4-20: Aufrahmung der CMP-stabilisierten O/W-Emulsionen über die Lagerzeit in Abhängigkeit 

der CMP-Konzentration 

Je höher die CMP-Konzentration ist, desto kleiner sind die Öltröpfchen und desto langsamer 

erfolgt das Aufrahmen. Je mehr CMP vorhanden ist, desto vollständiger ist die Grenzfläche 

besetzt. So können Koaleszenz und Aggregation verhindert werden. Je größer die emulgierten 

Tröpfchen, desto schneller rahmen diese auf. Tritt Koaleszenz oder Aggregation ein, so 

wird die scheinbare Tröpfchengröße größer, wodurch das Aufrahmen begünstigt wird. Im 

Falle von CMP tritt bei einer zu geringen Grenzflächenbesetzung für eine stabile Emulsion 

Koaleszenz ein (Koaleszenzfaktor > 1, Bild 4-21), die zu größeren Öltröpfchen und folglich 

zu einer beschleunigten Aufrahmung führt. 

Koaleszenzfaktor Coalescence factor [-] / - 

2.5 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 

CCMP / % 

cCMP [%] 

Bild 4-21: Koaleszenzfaktor der CMP-stabilisierten O/W-Emulsionen in Abhängigkeit der CMP- 

Konzentration 

74


Im untersuchten Konzentrationsbereich kam es zu keiner Öltröpfchenaggregation (Aggregationsfaktor 

= 1, Bild 4-22). 

Aggregationsfaktor [-] 

Aggregation factor / - 

2.5 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 

CcCMP CMP [%] / % 

Bild 4-22: Aggregationsfaktor der CMP-stabilisierten O/W-Emulsionen in Abhängigkeit der CMP- 

Konzentration 

Sowohl bei den Ergebnissen der Partikelgrößenmessung als den Ergebnissen der Aufrahmung 

ist bei steigender Proteinkonzentration bis zu 1 % eine Verkleinerung der Fetttropfengröße 

und eine Verbesserung der Emulsionsstabililtät zu erkennen. Oberhalb einer CMP- 

Konzentration von 1 % konnten keine signifikant verbesserten Emulgiereigenschaften erzielt 

werden. Daher wurden die weiteren Versuche bei einer CMP-Konzentration von 1 % durchgeführt. 

4.4.2.2 Einfluss der Milieubedingungen auf die Emulgiereigenschaften von CMP 

Der Ladungszustand der Proteinmoleküle und damit die Grenzflächeneigenschaften werden 

neben dem pH-Wert auch von der Salzkonzentration und der sich daraus ableitenden Ionenstärke 

beeinflusst. Zudem wird das Abstoßungspotenzial der an der Grenzfläche adsorbierten 

Proteine reduziert. Konsequenz ist die Annäherung der emulgierten Tröpfchen und 

daraus resultierende Koaleszenz oder Aggregation. Weiterhin können durch zugesetzte Ionen 

zusätzliche Bindungen gebildet werden (McClements, 2004, Cayot & Lorient, 1997, Belitz 

& Grosch, 1992, Phillips et al., 1991). 

In Bild 4-23 ist der mittlere Tröpfchendurchmesser d50,3 von CMP- und WPI-stabilisierten 

O/W-Emulsionen in Abhängigkeit des pH-Wertes dargestellt. CMP-stabilisierte Emulsionen 

weisen direkt nach dem Emulgieren bei pH 4,5 mehr als 3-fach höhere Tröpfchendurchmesser 

als bei pH 6,5 auf. Dem gegenüber traten für WPI-stabilisierte Emulsionen keine Unterschiede 

im Tröpfchendurchmesser direkt nach dem Emulgierprozess auf. 

75

Aufrahmung Aufklarung [%] [%] 


d 50,3 [µm] 

4 

3 

2 

1 

0 

CMP 4,5 WPI 4,5 CMP 6,5 WPI 6,5 

pH-Wert 

Bild 4-23: Mittlerer Durchmesser d50.3 der emulgierten Öltröpfchen von CMP- und WPIstabilisierten 

O/W-Emulsionen bei pH 4,5 und 6,5 

100 

80 

60 

40 

20 

8 

(a) pH 4,5 

(b) 

0 

0 5 10 15 20 25 

Zeit [h] 

CMP 

WPI 

0 

0 5 10 15 20 25 

Zeit [h] 

Bild 4-24: Emulsionsstabilität der CMP- und WPI stabilisierten O/W-Emulsionen über die Lagerzeit 

bei (a) Aufklarung bei pH 4,5 und (b) Aufrahmung bei pH 6,5 

Bei pH 4,5 trat jedoch sowohl für CMP- als auch für WPI-stabilisierte Emulsionen eine Verminderung 

der Emulgierstabilität auf (Bild 4-24). Allerdings ist zu beachten, dass die Ergebnisse 

der Aufrahmung bei den unterschiedlichen pH-Werten nicht direkt miteinander verglichen 

werden können, da es bei den Proben bei pH 4, zu einer Aufklarung, d.h. Phasenseparation 

kommt (s. Bild 4-18 a), wohingegen bei pH 6,5 die Proben milchig-trüb blieben und 

aufrahmten (s. Bild 4-18 b). 

Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf die Emulgiereigenschaften ergaben, dass 

bei pH 4,5 CMP stabilisierte Emulsionen eine verminderte Emulgierkapazität sowie Emulsionsstabilität 

aufweisen. Dies kann zum einen damit begründet werden, dass bei pH 4,5 im 

Vergleich zu pH 6,5 die CMP-Moleküle ein deutlich kleineres Molekularvolumen (s. Kapitel 1) 


6 

4 

2 

pH 6,5 

WPI 

CMP 

76


aufweisen, was im Falle von einer 1 %igen Lösung zu einer geringeren Grenzflächenbesetzung 

führt (s. Kapitel 4.4.2.1). Zum anderen ist die negative Nettoladung bei pH 4,5 geringer 

als bei pH 6,5, wodurch die elektrostatische Abstoßung verringert ist und eine vermehrte 

Öltröpfchenaggregation auftritt (Bild 4-25 a). Für O/W-Emulsionen, die durch Molkenproteine 

stabilisiert sind, ist bekannt, dass diese bei pH-Werten nah an ihrem IEP von pH 5 instabil 

sind. Dies führt zu einer Verminderung der Abstoßungskräfte, wodurch die emulgierten 

Tröpfchen leichter aggregieren (Bild 4-25 a) (McClements, 2004, Dalgleish et al., 1997). Die 

Koaleszenz hingegen (Bild 4-25 b) blieb bei beiden Proteinsystemen unbeeinflusst vom pH- 

Wert. 


8 

6 

4 

2 

0 

2.5 

(a) (b) 

CMP 4,5 WPI 4,5 CMP 6,5 WPI 6,5 

pH-Wert 

CMP 4,5 WPI 4,5 CMP 6,5 WPI 6,5 

pH-Wert 

Bild 4-25: (a) Aggregationsfaktor und (b) Koaleszenzfaktor der CMP-stabilisierten O/W- 

Emulsionen in Abhängigkeit bei pH 4,5 und 6,5 

Der Einfluss der Ionenstärke durch Zusatz von NaCl auf die Emulgiereigenschaften ergab 

weder einen signifikanten Einfluss auf die Größe der emulgierten Öltröpfchen, noch auf die 

Emulsionsstabilität CMP stabilisierter Emulsionen bei pH 6,5. Jedoch ergab sich ein Einfluss 

der Salzkonzentration auf die Emulgiereigenschaften bei pH 4,5. In Bild 4-26 (a) ist der mittlere 

Tröpfchendurchmesser d50,3 von CMP- und WPI-stabilisierten O/W-Emulsionen in Abhängigkeit 

der Ionenstärke bei pH 4,5 dargestellt. Während bei pH 6,5 weder für CMP- noch 

für WPI-stabilisierte Emulsionen ein Einfluss der Ionenstärkeerhöhung auf die Emulgierkapazität 

in dem untersuchten Bereich detektiert werden konnte, nahm bei pH 4,5 für CMPstabilisierte 

Emulsionen der mittlere Öltröpfchendurchmesser mit zunehmender Ionenstärke 

ab. Dies widerspricht den Erwartungen, da mit zunehmender Salzkonzentration die gegenseitige 

Abstoßung der Proteine vermindert wird, Anziehungskräfte zwischen den Molekülen 

wirksam werden und somit vermehrte Öltröpfchenggregation zu erwarten ist. 

Koaleszenzfaktor [-] 

2.0 

1.5 

1.0 

0.5 

0.0 

77


d 50,3 [µm] 

4 

3 

2 

1 

0 

2.0 

(a) (b) 

0 40 120 

Ionenstärkeerhöhung [mmol/l] 

CMP 

WPI 

1.5 

pH 4,5 pH 4,5 

0 40 120 

Ionenstärkeerhöhung [mmol/l] 

Bild 4-26: (a) Mittlerer Durchmesser d50.3 der emulgierten Öltröpfchen und (b) Koaleszenzfaktor 

der CMP- und WPI-stabilisierten O/W-Emulsionen bei pH 4,5 in Abhängigkeit der 

Ionenstärkeerhöhung 

4.4.2.3 Einfluss von Proteinwechselwirkungen auf die Emulgiereigenschaften 

Bei Betrachtung der Emulgiereigenschaften von Zwei-Komponenten-Systemen aus CMP 

und WPI lagen die Emulgierkapazitäten im Bereich der Ein-Komponenten-Systeme. Die 

Zwei-Komponenten-Emulsionen weisen jedoch eine höhere Stabilität auf (Bild 4-27). Mit zunehmendem 

CMP-Anteil nimmt die Aggregation stetig ab. Der Koaleszenz kann durch einen 

geringen Molkenproteinanteil bereits schon entgegengewirkt werden. Liegt nur CMP als Emulgator 

im System vor, kommt es vermehrt zu Koaleszenz der emulgierten Öltröpfchen. Die 

verminderte Aggregations- und Koaleszenzneigung bei den Proteinmischemulsionen spiegelt 

sich in einem verminderten Aufrahmung wieder, in Bild 4-27 b ist hierfür exemplarisch das 

CMP:WPI Verhältnis von 2:1 dargestellt. Die synergistischen Effekte zwischen CMP und 

Molkenproteine zeichnen sich dadurch aus, dass Molkenproteine aufgrund stärkerer Verankerung 

und Auffaltungsvorgänge an der Grenzfläche Koaleszenz entgegenwirken, wobei 

CMP der Aggregation aufgrund hoher Abstoßungskräfte durch hohe negative Ladung entgegenwirkt. 

Die Ergebnisse zeigen, dass CMP einen bedeutenden Einflussfaktor auf die Emulgiereigenschaften 

von Molkenproteinprodukten ausübt. 

Koaleszenzfaktor [-] 

1.0 

0.5 

0.0 

CMP 

WPI 

78


(a) 2.0 

(b) 


Aggregation factor / - 

Coalescence Koaleszenzfaktor factor / - -[-] 

Bild 4-27: Emulgiereigenschaften von O/W-Emulsionen aus CMP und Molkenproteine; (a) Aggregation 

und Koaleszenz und (b) Aufrahmung über die Lagerzeit in Abhängigkeit der 

CMP-Konzentration am Gesamtproteingehalt 

Fazit: 

1.5 

1.0 

0.5 

C Protein : 1% 

ideal 

0.0 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

C CMP /C total Prot. / - 

cCMP/cGesamtprotein [-] 

Aggregation 

Coalescence 

0 

0 5 10 15 

Zeit [h] 

20 25 

Die Untersuchungen zu den Emulgiereigenschaften von O/W-Emulsionen haben gezeigt, 

dass CMP als guter Emulgator einzustufen ist. CMP weist eine hohe Emulgieraktivität auf 

und die Emulsionsstabilität nimmt dabei bei steigender CMP-Konzentration zu, da mehr 

Emulgator zur Belegung der Grenzfläche zur Verfügung steht. Im Gegensatz zu den 

Schaumeigenschaften werden die Emulgiereigenschaften von CMP durch die Milieubedingungen 

beeinflusst, obwohl es sich grundsätzlich um den gleichen Vorgang der Grenzflächenbesetzung 

handelt. Dies kann auf die Unterschiedlichen Medien der dispergierten Phasen, 

die verschiedenen Herstellungsprozesse und Analysenmethoden zurückgeführt werden. 

Untersuchungen zum Einfluss des pH-Wertes auf die Emulgiereigenschaften ergaben, dass 

bei pH 4,5 CMP stabilisierte Emulsionen eine verminderte Emulgierkapazität sowie Emulsionsstabilität 

aufweisen. Proteinmischemulsionen aus CMP und WPI zeigten synergistische 

Effekte in Bezug auf die Emulgiereigenschaften. Die synergistischen Effekte zwischen CMP 

und Molkenproteine zeichnen sich dadurch aus, dass Molkenproteine aufgrund stärkerer 

Verankerung und Auffaltungsvorgänge an der Grenzfläche Koaleszenz entgegenwirken, wobei 

CMP der Aggregation aufgrund hoher Abstoßungskräfte durch hohe negative Ladung 

entgegenwirkt. Diese Wechselwirkungen zwischen CMP und Molkenproteinen können für die 

Strukturbildung ausgenutzt werden. 


8 

6 

4 

2 

WPI 

CMP 

CMP:WPI 2:1 

79


4.5 Untersuchungen zu den Gelbildungseigenschaften 

Es liegen erste Hinweise von Smithers et al. (1991) und Marshall (1991) vor, die auf gute 

Gelbildungseigenschaften von CMP bei CMP-Konzentrationen ≥ 10% sowie in Anwesenheit 

von Carrageenan hindeuten. Allerdings lassen sich aufgrund der Molekülstruktur von CMP 

keine Gelbildungseigenschaften erwarten. Zum einen besitzt CMP keine schwefelhaltigen 

Aminosäuren und kann somit keine kovalenten Bindungen (Disulfidbindungen) ausbilden. 

Aufgrund des hohen Anteils an negativ geladenen Gruppen können die Moleküle wegen elektrostatischer 

Abstoßungseffekte nicht in Wechselwirkung miteinander treten. Dennoch 

aber wurde dieser Aspekt der funktionellen Eigenschaften einer Untersuchung unterzogen, 

da die Vermutung nahe liegt, dass eine Gelbildung aufgrund folgender Mechanismen induziert 

werden kann: Durch eine Erhöhung der Trockenmasse, aufgrund der guten Wasserbindungskapazität, 

durch eine Verringerung der Abstoßungskräfte durch Reduktion der negativen 

Ladung in Folge von pH-Absenkung oder Ionenstärkeerhöhung. 

Um die Gelbildungseigenschaften von CMP unabhängig von einer Produktmatrix zu charakterisieren, 

wurden Ein-Komponentensysteme und Zwei-Komponenten-Systeme aus CMP 

und dem Hydrokolloid Carrageenan untersucht. Des Weiteren wurden Versuche zum Einfluss 

von CMP auf Milchproteingele am Beispiel Joghurt durchgeführt (s. Kapitel 4.6.1). 

Milchproteingele gelten allgemein als sehr empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen 

Einflüssen. Dadurch kommt es zu unerwünschten Veränderungen des Netzwerkes, 

wie z.B. Synärese. Im Gegensatz hierzu zeigen Hydrokolloidgele keine oder nur eine geringe 

Synärese und erweisen sich als sehr unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Hydrokolloide 

wie Carrageenan werden deshalb beim Herstellen vieler Milchprodukte wie Pudding, 

Joghurt, Trinkjoghurt, Kakao und Eiskrem eingesetzt, um die Produkteigenschaften gezielt 

zu beeinflussen 


Hybrid Carrageenan 

Neben den angegebenen Proteinquellen (s. Tabelle 4-2) wurde für die Untersuchungen der 

Wechselwirkungen zwischen CMP und Hydrokolloiden bei der Gelbildung Hybrid Carrageenan 

der Fa. Danisco Cultor (Brabrand, Dänemark) eingesetzt. Dieses setzt sich aus κ- und ι- 

Strukturen innerhalb eines Carrageenanmoleküls (κ/ι -Verhältnis 0,6) und ca. 10 % λ- 

Carrageenan zusammen. Die Molmasse von Hybridcarrageenan beträgt 186280 Dalton. Das 

Produkt enthält außerdem 14,1 % Kalium, 0,9 % Calcium, 0,8 % Natrium, ≤ 3 % Protein, und 

29 % Asche. 

80


Herstellung der Gele 

Zunächst wurde für alle Proben eine Proteinstammlösung hergestellt. Hierzu wurde das jeweilige 

Proteinpräparat in der gewünschten Konzentration vollständig in bidest. Wasser bzw. 

UF-Permeat gelöst und für mind. 4 Stunden quellen gelassen. 

CMP-Gele ohne Carrageenan 

Die Herstellung von CMP-Gelen ohne Carrageenan war i.d.R. mit einer Einstellung des pH- 

Wertes verbunden. Dafür wurde die CMP-Stammlösung, deren CMP-Konzentration um den 

Faktor 1,2 höher war, als die gewünschte CMP-Konzentration im fertigen Produkt, mit 1 M 

HCl/NaOH bis zu dem erwünschten pH-Wert eingestellt und anschließend auf die jeweilige 

CMP-Endkonzentration eingestellt. Proben, bei denen bereits während der pH-Einstellung 

die Gelbildung einsetzte, wurden währenddessen mit Eiswasser gekühlt, wodurch die Gelbildung 

zeitlich verzögert werden konnte. Für Versuche mit einer Ionenstärkeerhöhung von 

500 mmol/l wurde Calciumchlorid-Dihydrat (M=147,02 g/mol) in der Stammlösung entsprechend 

mit einer 1,2 fachen Konzentration unter Rühren aufgelöst. Abschließend wurden die 

Proben in die dafür vorgesehenen Probengefäße überführt und bis zur Messung bzw. Erhitzung 

am Folgetag bei 4°C gelagert. Zur Herstellung temperaturinduzierter Gele wurden die 

Proben im Wasserbad bei Temperaturen von 50, 65 bzw. 80°C für 5 bzw. 20 min erhitzt und 

anschließend im Eiswasser abgekühlt. 

CMP-Carrageenan-Gele 

Zur Herstellung von CMP-Carrageenan-Gelen wurde Carrageenan in der Protein- 

Stammlösung gelöst. Anschließend wurden die Proben im Wasserbad bei 70°C unter Rühren 

für 20 min temperiert, um ein vollständiges Hydratisieren des Carrageenans zu gewährleisten. 

Eine gleich behandelte Probe ohne Carrageenanzugabe diente als Referenz. Anschließend 

wurden die Proben heiß in die entsprechenden Probengefäße abgefüllt und bis 

zur Messung am Folgetag bei 4°C gelagert. Für die Untersuchungen zum Einfluss des pH- 

Wertes und der Ionenstärke wurde analog zu der Herstellung der CMP-Gele ohne Carrageenan 

verfahren. 

Bestimmung der Wasserbindung 

Der Wasserbindungszustand wurde mittels niedrigauflösender, gepulster NMR (LR-NMR, 

LowResolution-NuclearMagneticResonance) ohne Stoffunterscheidung mit Hilfe des minispec 

mq 20. der Fa. Bruker Biospin GmbH (Rheinstetten) charakterisiert. NMR-Messungen 

erlauben Aussagen über Bindungs- und Energiezustände von Wassermolekülen in Abhängigkeit 

von Ort und Zeit. Als Messgröße wurde die Relaxationszeit (T2-Zeit) ausgewählt, die 

81


ein Maß für die Beweglichkeit von Protonen in einer Matrix ist (im Fall von wässrigen Systemen 

für die Bindung von Wasser an den Feststoff bzw. an die Feststoffmatrix). Eine längere 

T2-Zeit deutet auf eine größere Mobilität des Wassers hin. Details siehe Hinrichs (2004). 

Bei einer NMR-Messung wird als Signal eine Spannung U erhalten. Diese induzierte 

Spannung fällt während der Messzeit t ab. Um Wasseranteile unterschiedlicher Mobilität 

(Phasen) in einer Probe detektieren zu können, wird die Spannung U als Funktion der Zeit 

mit Hilfe des Programms TableCurve 2D (SPSS Science, Chicago) angepasst. Dabei 

können bis zu 4 Phasen unterschiedlicher Protonenmobilität differenziert werden (Bild 4-28). 

Bild 4-28: Schematische Darstellung der 4 unterscheidbaren Mobilitätsphasen von Wasser mit 

Hilfe der NMR 

Für die NMR-Messungen wurden die Proben in spezielle NMR-Röhrchen aus protonenfreiem 

Glas pipettiert und 15 min vor der Messung in den Probenkopf eingebracht, um die Proben 

auf 10 °C zu temperieren und eine mögliche Konvektion auf Grund von Temperaturgradienten 

in der Probe zu vermeiden. Das Messergebnis umfasst eine Kurve, in der die Spannungsintensität 

(in %) über der Relaxationszeit (in ms) mit 19400 Punkten dargestellt ist. 

Für die Auswertung der Messkurven wurde das Programm Table Curve 2D Version 4 der Fa. 

Jandel Scientific Software (Erkrath) verwendet. Dabei wurden die 3 Phasen mit den Userfunctions 

exp., biexp. und gauss_biexp identifiziert und für jede Phase die T2 Zeit und der 

Phasenanteil ermittelt. 

Rheologische Messungen 

immobiles Wasser 

schwach mobiles Wasser in kleinen Kapillaren und kleinen Poren 

mobiles Wasser in mittleren Kapillaren und mittleren Poren 

stark mobiles Wasser in großen Kapillaren und großen Poren 

Alle rheologischen Analysen wurden unter Verwendung des Carri Med Rheometer AR 1000 

der Fa. TA Instruments (Alzenau, Deutschland) durchgeführt. 

82


Fließkurve 

In der vorliegenden Arbeit wurden von allen flüssigen Proben, die kein Gel bildeten, Fließkurven 

erstellt (Bild 4-29). Bei der verwendeten Messgeometrie handelte es sich um einen 

Acrylkegel mit einem Durchmesser von 60 mm und einem Winken von 2°. Ein Aliquot der 

Probe von 2 ml wurde auf die Peltierplatte aufgegeben. In der Aufwärtsrampe wurde die 

Scherrate in 180 s von 0 auf 500 1/s beschleunigt, anschließend wurde diese Scherrate für 

300 s gehalten und im letzten Schritt, während der Abwärtsrampe wurde die Geschwindigkeit 

in 180 s wieder auf Scherrate 0 1/s abgebremst. Alle Messungen wurden bei einer Temperatur 

von 10°C durchgeführt. Die scheinbaren Viskositäten bei Scherraten von 100 1/s und 500 

1/s sowie die Hysteresefläche wurden mit Hilfe der Herschel-Bulkley Methode als Thixotropie-Fläche 

berechnet. 

Bild 4-29: Typischer Verlauf einer Fließkurve 

Oszillationsmessung 

Scherspannung [Pa] 

40 

30 

20 

Viskosität bei 

Scherrate 100 1/s 

Viskosität 

nach 5 min Haltezeit 

bei Scherrate 500 1/s 

10 

0 

Aufwärtsrampe 

Haltezeit bei 500 1/s 

Abwärtsrampe 

0 100 200 300 400 

Scherrate [1/s] 

500 600 

Mit Hilfe der Oszillationtests kann das viskoelastische Verhalten von Substanzen ermittelt 

werden. Für die oszillatorische Messung wurde i.d.R. 15 ml Probe in einem verschließbaren 

Plastikbechern mit einem Fassungsvolumen von 20 ml gegeben. Diese Plastikbecher wurden 

auf dem auf 10 °C temperierten Peltierelement des Rheometers befestigt und das rheologische 

Verhalten der Proben über die Messgrößen Speicher- (G') und Verlustmodul (G'') 

sowie Phasenwinkel (δ) gemessen. Das Speichermodul G' beschreibt hierbei das elastische 

Verhalten, das Verlustmodul G'' das viskose Verhalten und der Phasenwinkel δ die Phasen- 

verschiebung zwischen der vorgegebenen sinusförmigen Schwingung und der sinusförmigen 

Messantwort. Der Verlustfaktor tan δ gibt das Verhältnis zwischen dem viskosen und elasti- 

schen Anteil des Deformationsverhaltens an. Für Gele gilt δ < 45°. 

83


Frequenzsweep 

Mit dem Frequenzsweep wird das zeitabhängige Scherverhalten der Probe bei konstanter 

Amplitude untersucht. Die hierfür verwendete Messgeometrie war ein Stempel aus Edelstahl 

mit einem Durchmesser von 20 mm. Nachdem der Stempel die Geloberfläche berührte und 

ein Anstieg der Normalkraft um 0,1 N gemessen wurde, startete die Schwingungsübertragung. 

Die Schwingungsfrequenz wurde im Frequenzsweep von 0,01 bis 10 Hz gesteigert. 

Die erforderliche Schwingungsamplitude wurde zuvor im Stresssweep (Amplitude 0,1 bis 100 

Pa, Frequenz 1 Hz, 10°C) ermittelt und betrug für alle Messungen des Frequenzsweeps 0,3 

Pa. Die Messgrößen Speicher- (G') und Verlustmodul (G'') sowie Phasenwinkel (δ) wurden in 

Abhängigkeit von der Frequenz erfasst und über den konstanten Bereich von 0,01 bis 1 Hz 

gemittelt. 

Temperatursweep 

Zur Messung der Sol/Gel-Übergangstemperatur wurde die flüssige Probe auf das Peltierelement 

aufgegeben. Die Messgeometrie bestand aus einem Aluminiumkegel (6 cm, 2°). Die 

oszillatorischen Schwingungen wurden mit konstanter Frequenz bei 1 Hz durchgeführt, während 

die Temperatur von 20 °C auf 90 °C mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 °C/min gesteigert 

wurde. Die Messgrößen Speicher- und Verlustmodul sowie Phasenwinkel wurden in 

Abhängigkeit von der Temperatur erfasst. 

Textur-Profil Analyse 

Die Bestimmung des Textur-Profils erfolgte mit dem TA X-T2 der Fa. Stable Micro Systems 

(Godalming, England). In der vorliegenden Arbeit wurde der sog. „Two-Bite-Test“ durchgeführt, 

bei dem der Prüfkörper zweimal hintereinander in die Probe eindringt, um den Eindringwiderstand 

zu bestimmen, den die Probe dem Prüfkörper entgegen bringt (Bild 4-30). 

Hierbei wurde die Maximalkraft F1 als Messgröße zur Auswertung der Textur der Proben 

herangezogen. Als Messgeometrie wurde ein Acryl-Zylinder mit einem Durchmesser von 13 

mm (Kontaktfläche 132,2 mm 2 ) eingesetzt, der mit einer Geschwindigkeit von 0,5 mm/s bis 

zu einer Tiefe von 7 mm in die Probe eindrang. 

84


Bild 4-30: Typischer Verlauf der Kraft, die ein Gel dem Prüfkörper entgegensetzt über der Messzeit 

eines "Two-Bite-Tests" der Textur-Profil-Analyse 

Visuelle Beurteilung 

Kraft [N] 

Zur Charakterisierung des Phasenzustandes der Proben (Sol/Gel) wurde ein visueller Gel- 

Kipp-Test angewendet. Dazu wurden 4 ml der Probe in ein Reagenzglas abgefüllt, mit Parafilm 

verschlossen und bis zum nächsten Tag bei 4°C aufbewahrt. Die Proben wurden in einen 

um 45° geneigten Reagenzglasständer anhand der Probenoberfläche als Flüssigkeit 

(Sol) oder Gel charakterisiert (Bild 4-31). Richtete sich der Meniskus beim Kippen um 45° 

nicht zur horizontalen Ebene aus, wurde es als Gel eingestuft. Passte sich die Oberfläche 

jedoch dem Neigungswinkel an, so handelte es sich um eine Flüssigkeit. Anhand dieser 

Charakterisierung konnte ein Phasendiagramm erstellt werden. 

Bild 4-31: Gel-Kipp-Test zur visuellen Beurteilung des Sol- bzw. Gelzustands der Proben 


Fläche 

A 1 

Maximalkraft 

A 2 

Meßzeit [s] 

Es wurde ein Screening zur Gelbildung von CMP in Abhängigkeit von der CMP-Konzentration, 

dem pH-Wert und der Temperatur durchgeführt, indem die CMP-Konzentration von 

1 bis 15 Gew. % in dem pH-Bereich von 2 bis 7 variiert wurde. Der Einfluss der Temperatur 

A 3 

85


wurde mittels Temperatursweep am Rheometer ermittelt. Eine weitere Charakterisierung der 

Gele erfolgte dann bei ausgewählten CMP-Konzentrationen im sauren pH-Bereich. 

4.5.2.1 Gel-Screening 

Erste Erkenntnisse von Marshall (1991) zur Anwendung von CMP in Apfelgel ergaben, dass 

CMP im sauren Milieu die Gelbildung positiv beeinflusst. Allerdings wurden hierzu keine systematischen 

Untersuchungen durchgeführt. Darauf basierend wurde im Rahmen dieses Projektes 

zunächst ein Screening zur Gelbildung von CMP in Abhängigkeit der CMP- 

Konzentration und des pH-Wertes durchgeführt. 

In Bild 4-32 ist das Phasendiagramm von CMP in Abhängigkeit der CMP-Konzentration und 

des pH-Wertes bei 20 °C dargestellt. 

pH 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

Kein Gel 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 

CMP Konzentration [%] 

Gel 

Bild 4-32: Phasendiagramm von CMP in Abhängigkeit der CMP-Konzentration und des pH- 

Wertes bei 20 °C 

Es konnte gezeigt werden, dass CMP erst bei hohen Konzentrationen ≥ 7 % im sauren pH- 

Bereich unter pH 4,5 Gele bildet. Bei niedrigen CMP Konzentrationen < 3 % und bei pH- 

Werten > 3 tritt keine Gelbildung ein. Es muss also eine bestimmte Mindestkonzentration an 

Molekülen vorhanden sein, damit diese untereinander in Wechselwirkung treten können. 

Zudem kommt es durch die Absenkung des pH-Wertes zur Exposition der hydrophilen und 

hydrophoben Gruppen und somit zur Förderung des Aggregationsverhaltens. In der Nähe 

des IEP der Proteine kommt es i.d.R. zu starken intra- und intermolekularen Wechselwirkungen, 

die die Gelbildung unterstützen. 

Es ist bekannt, dass eine Gelbildung neben Säure auch durch Temperatur induziert werden 

kann, da mit zunehmender Temperatur vermehrt hydrophobe Wechselwirkungen auftreten. 

86


Bei CMP-Konzentrationen zwischen 3 und 12,5 % und pH 2-3 konnte eine hitzeinduzierte 

Gelbildung festgestellt werden, deren Gelbildungstemperatur mit zunehmender CMP- 

Konzentration und sinkendem pH-Wert abnimmt. Da sich gezeigt hat, dass CMP keine Hitzedenaturierung 

aufweist (s. Kapitel 4.1), ist die Gelbildung ausschließlich durch die Ausbildung 

von Hydrophoben Wechselwirkungen und den zunehmenden Anziehungskräften mit 

sinkendem pH zu erklären. 

In Bild 4-33 sind die rheologischen Messgrößen in Abhängigkeit von der Temperatur exemplarisch 

dargestellt. Der Gelpunkt ist definiert als die Temperatur, bei der sich die Kurven für 

das Speichermodul G' und das Verlustmodul G'' schneiden und gleichzeitig der Phasenwin- 

kel δ 45° beträgt. 

Speichermodul G' [Pa] 

105 105 105 104 104 104 103 103 103 102 102 102 101 101 101 100 100 100 10-1 10-1 10-1 10-2 10-2 10-2 10-3 10-3 10-3 8,75 % CMP; pH 3 

20 40 44°C 

Gelpunkt 

60 80 

Temperatur [°C] 

Bild 4-33: Viskoelastische Eigenschaften einer 8,75 %igen wässrigen CMP-Lösung bei pH 3 in 

Abhängigkeit von der Temperatur (Temperatursweep) 

Eine überraschende Feststellung war bei der Herstellung der Proben das Phänomen der 

kälteinduzierten Gelbildung. Hierbei kommt es bereits bei CMP Konzentrationen von 2 % bei 

pH-Werten ≤ 4,5 zur Ausbildung eines Gels beim Auftauen der Proben. Es wird vermutet, 

dass dies auf die infolge des Einfrierens lokale Zunahme der CMP-Konzentration zurückzuführen 

ist, wodurch sich der Abstand der Moleküle verringert und diese in Wechselwirkungen 

treten können. Dieses Phänomen konnte im Rahmen des Vorhabens nicht weiter verfolgt 

werden, eröffnet jedoch interessante Perspektiven zum Einsatz von CMP in gefrorenen Produkten 

wie z.B. Eiskrem. Somit konnte das Phasendiagramm erweitert werden (Bild 4-34). 

Phasenwinkel δ [°] 

80 

60 

45 

40 

20 

0 

105 105 105 104 104 104 103 103 103 102 102 102 101 101 101 100 100 100 10-1 10-1 10-1 10-2 10-2 10-2 10-3 10-3 10-3 Verlustmodul G'' [Pa] 

87


pH 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

Kein Gel 

Kälteinduziert 

- 20 °C / 24 h 

74°C 

76°C 50°C 43°C 

Hitzeinduziert 

63°C 52°C 

CMP Konzentration [%] 

bei Raumtemperatur 

0 2 4 6 8 10 12 14 16 

Bild 4-34: Phasendiagramm von CMP in Abhängigkeit der CMP-Konzentration, des pH-Wertes 

und der Temperatur 

Der Einfluss der Erhitzungsbedingungen auf die Geleigenschaften wurde durch Variation der 

Temperatur (50-80 °C) und der Heißhaltezeit (5 -20 min) untersucht. Für Gele mit 5 % CMP 

bei pH 2 nahm die Gelfestigkeit und -stärke mit steigender Erhitzungstemperatur sowie zunehmender 

Heißhaltezeit zu. Für pH 3 trat die Gelbildung bei gleicher CMP-Konzentration 

erst bei einer Temperatur von 65 °C ein, und es zeigte sich hier eine stärkere Abhängigkeit 

von der Heißhaltezeit. Mit zunehmender CMP-Konzentration nahmen die viskoelastischen 

Eigenschaften und die Maximalkraft der gebildeten Gele zu (Bild 4-36). 

Speichermodul G' [Pa] 

106 106 105 105 104 104 103 103 102 102 106 106 Verlustmodul G'' [Pa] 

105 105 104 104 103 103 G' 

G'' 

F1 

10 

4 6 8 10 12 14 

2 

Heißhaltezeit 20 Min 

10 0 

4 6 8 10 12 14 

2 

Heißhaltezeit 20 Min 

0 

CMP- Konzentration [%] 

pH 3 

Erhitzungstemperatur 80°C 

Bild 4-35: Viskoelastische Eigenschaften und Maximalkraft von wässrigen CMP-Lösungen in 

Abhängigkeit der CMP-Konzentration 

10 

8 

Maximalkraft Maximalkraft F1 [N] 

6 

4 

2 

88


Weitere Untersuchungen ergaben, dass eine signifikante Erhöhung der Ionenstärke in Form 

von Calciumchlorid die Festigkeit von CMP-Gelen im saueren pH-Bereich erhöht und bei 

sehr hohen CMP-Konzentrationen (≥ 12 %) eine Gelbildung durch alleinige Salzzugabe im 

nativen pH Bereich ermöglicht. Dies lässt vermuten, dass die Gelbildung durch ionische Calcium-Brücken 

verstärkt wird. 

4.5.2.2 CMP-Carrageenan-Mischgele 

Interaktionen zwischen den zugesetzten Hydrokolloiden und Milchinhaltsstoffen führen je 

nach System oft zu einer nicht vorhersehbaren Inkompatibilität, die in Form von Komplexbildung 

oder Phasentrennung auftritt. Vor diesem Hintergrund stellte sich die Frage der Wechselwirkungen 

zwischen CMP und Carrageenan und inwieweit diese für die Strukturbildung 

ausgenutzt werden können bzw. störend wirken. 

Um den Einfluss von CMP und Carrageenan in Mischungen näher zu betrachten, wurde 

CMP mit Carrageenan in verschiedenen Konzentrationen gemischt. Es ist an Hand der T2m- 

Relaxationszeit der sehr mobilen Phase zu erkennen, dass mit steigender Trockenmasse die 

Wassermobilität abnimmt (Bild 4-37). Dabei führt eine Erhöhung des Carrgeenananteils zu 

einer größeren Mobilitätsabnahme der Protonen als eine Erhöhung des CMP-Anteils. Die 

Untersuchungen zeigten, dass mit zunehmender CMP-Konzentration weniger Carrageenan 

benötigt wird, um Gele zu bilden. Im nativen pH-Bereich ist aus den vorausgehenden Untersuchungen 

keine Gelbildung durch CMP selbst zu erwarten, weshalb dieser Effekt auf die 

Erhöhung der Trockenmasse durch CMP zurückzuführen ist. Dies wird durch die Viskosität 

der Proben bestätigt (Bild 4-37). 

Relaxationszeit T2m4 [ms] 

2000 

1800 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

0.2 

0.4 

Carrageenan [%] 

0.6 

Bild 4-36: Relaxationszeit der sehr mobilen Phase (T2m-4) von Mischungen aus CMP und Carrageenan 

in Abhängigkeit von den Konzentrationen der Einzelkomponenten, Messtemperatur 

10 °C 

0.8 

1.0 

10 

8 

6 

4 

2 

0 

CMP [%] 

89


Bild 4-37: Viskosität von CMP-Lösungen unterschiedlicher Konzentration in Abhängigkeit der 

Carrageenan-Konzentration 

Fazit: 

Viskosität [Pas . s] (Scherrate 100 s -1 ) 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

0 % CMP 

1,25 % CMP 

2.5 % CMP 

5 % CMP 

0.0 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 

cCarrageenan [%] 

Die Untersuchungen zu den Gelbildungseigenschaften von CMP haben gezeigt, dass CMP 

als Gelbildner eingestuft werden kann. Jedoch basieren die Gelbildungsmechanismen auf 

der Erhöhung der Trockenmasse, der hohen Wasserbindekapazität sowie durch eine Verringerung 

der negativen Ladung und somit der Abstoßungskräfte durch Absenkung des pH- 

Wertes oder Erhöhung der Ionenstärke. Allein durch die Anwesenheit von CMP werden le- 

diglich im sauren Milieu (pH ≤ 4,5) und erst bei sehr hohen CMP-Konzentrationen (cCMP > 7 

%) Gele gebildet. Durch zusätzliche Erhitzung können bereits ab CMP-Konzentrationen cCMP 

> 3 % im sauren Milieu Gele erzeugt werden. Die Anwendung von CMP als Gelbildner kann 

daher vor allem bei gesäuerten Produkten von Interesse sein. Zudem konnten unter diesen 

Milieubedingungen kälteindutzierte Gele beim Auftauen gefrorener CMP-Lösungen hergestellt 

werden, was sich evtl. zur Verbesserung der Struktur und Konsistenz von Eiskrem ausnutzen 

lassen kann. Im neutralen Milieu konnte unter Zugabe von CaCl2 bei sehr hohen 

CMP-Konzentrationen (cCMP > 12 %) eine spontane Gelbildung beobachtet werden, was auf 

die Ausbildung von Ca-Brücken zurückgeführt werden kann. Unter Verwendung von Carrageenan 

konnten ebenfalls im neutralen pH-Bereich Gele gebildet werden. Hierbei kam es im 

gesamten Untersuchungsbereich zu keiner Inkompatibilität. 

90


4.6 Einbindung von CMP in reale Lebensmittelsysteme 

In den vorangegangenen Kapiteln wurde gezeigt, welche technologisch-funktionellen Eigenschaften 

CMP aufweist und welche Faktoren einen Einfluss auf das Funktionalitätsverhalten 

bei vergleichbaren einfachen Modellsystemen nehmen. Bei realen Lebensmitteln sind andere 

und zusätzliche Einflüsse zu erwarten. 

Ziel war, die gewonnenen Ergebnisse zur Strukturbildung von CMP an realen Produktsystemen 

anzuwenden, um Kenntnisse zum Prozessverhalten sowie zu den funktionellen Eigenschaften 

von CMP in komplexeren Matrices unter praxisübliche Bedingungen zu erhalten. 

Das Verhalten von CMP wurde exemplarisch an Rühr- und stichfester Joghurt sowie Eiskrem 

untersucht. 

4.6.1 Joghurt 

Rühr- und stichfester Joghurt wurden mit CMP angereichert, indem pasteurisierte Magerbzw. 

Vollmilch um 1 % im Proteingehalt erhöht wurde. Dies erfolgte einerseits gänzlich durch 

CMP und Molkenproteine (WPI), andererseits durch eine Mischung aus CMP und Molkenproteine 

im Verhältnis 20:80, entsprechend dem Verhältnis in Süßmolke. Zum Vergleich mit 

einem Standardjoghurt wurde Magermilchpulver (Instant H, Fa. ALPAVIT Käserei Champignon 

Hofmeister GmbH & Co. KG, Heising, Deutschland) zur Erhöhung des Proteingehaltes 

verwendet. Rühr- und stichfester Joghurt wurden nach einem üblichen und standardisierten 

Verfahren hergestellt (Bild 4-38). 

Zur Herstellung der Joghurtproben wurde pasteurisierte Mager- (max. 0,05% Fett) sowie 

pasteurisierte und homogenisierte Vollmilch (3,5% Fett) von der Staatlichen Molkerei Weihenstephan 

eingesetzt. Der Gesamtproteingehalt wurde mittels Leco-Analyse bestimmt und 

betrug sowohl für Mager- als auch für Vollmilch 3,4%. Zur Fermentation der Joghurt- 

Prozessmilch wurde die Starterkultur ABT-21 ® von Fa. Christian Hansen GmbH (Nieburg/Weser, 

Deutschland) verwendet. Es handelt sich um eine thermophile probiotische Kultur 

aus den Milchsäurebakterien Streptococcus thermophilus, Lactobacillus acidophilus und 

Bifidobacterium sp., die in granulierter Form tiefgefroren gelagert wird. 

Die Charakterisierung der Joghurtproben erfolgte durch die Bestimmung des Serumbindevermögens, 

den rheologischen Eigenschaften (s. Kapitel 4.5.1) sowie über Sensorik. Zur 

Bestimmung des Serumbindevermögens wurden 45g Joghurt für 20 Minuten bei 10°C und 

1500 g in der Biofuge 28 Rs der Fa. Heraeus Sepatech GmbH (Osterode, Deutschland) 

zentrifugiert. Anschließend wurde die Menge an gebildetem Serum abgegossen und gravimetrisch 

bestimmt. Das Serumbindevermögen lässt sich wie folgt berechnen (Formel 4.6): 

91


Serumbindevermögen [%] =[1 (mSerum/mEinwaage)]*100 

(Formel 4.6) 

Für die sensorische Beurteilung wurde die Joghurtproben nach einer Woche Lagerung von 

10 Probanden anhand der Beurteilungskriterien Geschmack, Aussehen, Textur, Mundgefühl 

und Synärese auf einer 5-Punkte-Skala bewertet. Dabei galt für die Vergebung der Punkte 

(5…1): Geschmack (angenehm, typisch säuerlich…Fehlgeschmack), Aussehen (glatt, glänzend…grießig, 

matt), Textur (homogen mit typischer Festigkeit…zu fest, zu weich), Mundgefühl 

(glatt, cremig…grießig, dumpf), Synärese (wenig…viel). 

1 % Proteingehaltserhöhung 

Abfüllen 

Fermentieren 

42 °C bis pH 4,6 

Kühlen 

Stichfester 

Joghurt 

Bild 4-38: Fließbild der Joghurtherstellung 

Pasteurisierte 

Mager- bzw. Vollmilch 

Homogenisieren 

Wärmebehandlung 

95 °C, 3 min 

Beimpfen 

ABT-21 (Chr. Hansen) 

Fermentieren 

42 °C bis pH 4,6 

Rühren 

Kühlen 

Abfüllen 

Rührjoghurt 

Das Serumbindevermögen (Bild 4-39) von Rühr- und stichfestem Joghurt blieb zu einem 

CMP-Anteil von 25 % an der Proteingehaltserhöhung konstant. Bis zu 50 % CMP-Anteil 

konnte keine signifikante Änderung festgestellt werden. Mit zunehmendem CMP-Anteil verschlechterte 

sich das Serumbindevermögen sowohl für Voll- als auch Magermilch und sank 

unter den Wert des jeweiligen Standardjoghurts. Dabei konnten die Vollmilchjoghurts mehr 

Serum binden als die Magermilchproben, was auf den Fettgehalt zurückzuführen ist. Zwischen 

Rühr- und stichfestem Joghurt war kein Unterschied im Serumbindevermögen festzustellen. 

Diese Ergebnisse stützen die Erkenntnisse von Veith & Reynolds (2004), die eben- 

92


falls einen negativen Effekt von CMP auf die Ausbildung von Säuregelen aus Molkenproteinkonzentrat 

feststellten. Für die Verschlechterung des Serumbindevermögens der CMPhaltigen 

Joghurts liegt als Erklärung Nahe, dass sich das CMP nicht in das Gel-Netzwerk des 

Joghurts integrieren kann und mit anderen Proteinen um die Wasserbindung konkurriert. 

Serumbindevermögen [%] 

100 

80 

60 

40 

20 

Vollmilch 

0 

0 0,25 0,5 0,75 1 

c CMP /c Proteingehaltserhöhung [-] 

0 

0 0,25 0,5 0,75 1 


Bild 4-39: Serumbindevermögen von (a) Rührjoghurt und (b) stichfestem Joghurt aus Voll- und 

Magermilch in Abhängigkeit des CMP-Anteils an der Proteingehaltserhöhung 

Diese Messungen der Maximalkraft und der scheinbaren Viskosität bei Scherrate 100 1/s 

ergaben ebenfalls eine Verschlechterung der Festigkeit mit zunehmendem CMP-Anteil (Bild 

4-40). Der stichfeste Joghurt wies eine höhere Festigkeit als der Rührjoghurt auf, wobei jeweils 

der Vollmilchjoghurt höhere Werte erzielt. Bei der Herstellung von Rührjoghurt wird die 

gebildete Gelstruktur am Ende der Fermentation durch Rühren zerstört und es kommt nach 

dem Abfüllen zu einer erneuten Strukturverfestigung, die bei den CMP-angereicherten Proben 

gering ausfällt. 

Maximalkraft [N] 

0.5 

0.4 

0.3 

0.2 

0.1 

Vollmilch 

Bild 4-40: Maximalkraft (geschlossene Symbole) und scheinbare Viskosität (offene Symbole) 

von (a) Rührjoghurt und (b) stichfestem Joghurt aus Voll- und Magermilch in Abhängigkeit 

des CMP-Anteils an der Proteingehaltserhöhung 

Serumbindevermögen [%] 

100 

(a) (b) 

Magermilch 

Vollmilch 

Magermilch 

Magermilch 

0.0 

0 0,25 0,5 0,75 1 


0.6 

Viskosität100 1/s [Pa . Viskosität100 1/s [Pa s] . s] 

0.4 

0.2 

0.0 

Maximalkraft Maximalkraft [N] 

80 

60 

40 

20 

1.2 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

Vollmilch 

Magermilch 

0.8 

1.4 

(a) (b) 

Vollmilch 

Magermilch 

0.2 

0 0,25 0,5 0,75 1 

c CMP /c /cProteingehaltserhöhung Proteingehaltserhöhung [-] 

93


Diese Ergebnisse wurden durch Beurteilung der sensorischen Eigenschaften der Joghurtproben 

bestätigt (Bild 4-41). Obwohl der Geschmack des CMP-Joghurts sehr gut bewertet 

wurde, erzielte er hinsichtlich Textur, Mundgefühl und Aussehen die schlechtesten Beurteilungen, 

da der Rührjoghurt sehr dünnflüssig und der stichfeste Jogurt zu weich waren. Aufgrund 

der sehr festen, grieseligen Struktur schnitt der durch WPI im Proteingehalt erhöhte 

Joghurt ebenfalls vergleichsweise schlecht ab. Die Mischung aus CMP und WPI erzielte die 

besten Ergebnisse, da die Joghurtstruktur durch den Anteil von CMP feiner und die Festigkeit 

optimiert wurden. Lediglich der CMP-Vollmilchjoghurt, im Besonderen der stichfeste Joghurt, 

schnitt vergleichsweise gut ab, da hier durch die hohe Trockenmasse die anderen Joghurtproben 

bereits eine zu feste Textur aufwiesen. Der Standardjoghurt wurde durchweg 

mit 4 Punkten bewertet. 

(a-1) 

(a-2) 

Synerese 

Synerese 

CMP 

WPI 

CMP+WPI 

Mundgefühl 

CMP 

WPI 

CMP+WPI 

Mundgefühl 

Geschmack 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Geschmack 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Textur 

Textur 

Aussehen 

Aussehen 

Synerese 

Mundgefühl 

Synerese 

Mundgefühl 

Geschmack 

5 

4 

3 

2 

1 

0 

Geschmack 

5 

Textur 

Aussehen 

Bild 4-41: Sensorische Profile von (a) Rührjoghurt und (b) stichfestem Joghurt hergestellt aus 

(1) Magermilch und (2) Vollmilch mit 1 % Proteingehaltserhöhung unterschiedlicher 

Quellen 

(b-1) 

(b-2) 

4 

3 

2 

1 

0 

Textur 

Aussehen 

94


4.6.2 Eiskrem 

Aus physikalischer Sicht stellt Eiskrem ein komplexes Mehrphasensystem mit den Strukturelementen 

einer Emulsion, eines Schaums und eines Gels dar. Aufgrund der guten Schaumund 

Emulgiereigenschaften sowie der Ausbildung eines Gels beim Auftauen einer gefrorenen 

CMP-Lösung lag es nahe, diese Eigenschaften bei der Herstellung von Eiskrem auszunutzen. 

Zur Herstellung der Eiskremproben wurden folgende Rohstoffe für den Eismix verwendet: 

� Rahm mit einem durchschnittlichen Fettgehalt von 40 %, Staatl. Molkerei Weihenstephan, 

Freising 

� Sprühmagermilchpulver Alpavit, Fa. Käserei Champignon Hofmeister GmbH & Co. KG, 

Lauben/Allgäu 

� Handelsübliche feine Raffinade Zucker (EU-Qualität 1); 

� Cremodan 816 Creamline, Fa. Danisco, Kopenhagen, Dänemark, bestehend aus Monound 

Diglyceriden, Johannisbrotkernmehl; Guarkernmehl and Antioxidansien 

� Laktose, Fa. Meggle, Wasserburg 

� Glucono-δ-lacton, Fa. Sigma-Aldrich, Taufkirchen 

� Glukosesirup Isosweet 431, Fa. Amylum Group, Belgien 

Die verwendeten Eismixlösungen wurden jeweils am Vortag der Eisproduktion hergestellt 

und über Nacht bei 4 °C quellen gelassen. Alle Inhaltstoffe des Eismixes wurden je nach 

Rezeptur (Tabelle 4-4) abgewogen und gemischt. Dabei wurde Magermilchpulver durch 

CMP und Lactose ersetzt. Insgesamt wurden jeweils zwei Liter Eismix hergestellt. Anschließend 

wurden diese im Wasserbad auf 80 °C erwärmt und 1-stufig bei 170 bar homogenisiert. 

Erfolgte eine Säuerung der Eismix wurde diese am Produktionstag mit 2 % Gluconodeltalacton 

durchgeführt. Sobald der Mix einen pH von 4,5 erreicht hat wurde dieser wie die ungesäuerten 

Eiskremmixturen in die Eismaschine eingefüllt und aufgeschlagen. 

Zur Herstellung der Eiskrem wurde ein horizontaler Chargenfreezer mit Kälteanlage und 3 l 

Gefrierkammervolumen (Fa. Carpigiani, Anzola dell'Emilia, Italien) verwendet. Der Produktausstoß 

beträgt 12-18 l/h und die Gefrierkammer fasst eine Füllmenge von 1,5-3 l. Der 

Eiskremmix wird in der Kältekammer mittels Rührwerk in ca. 15 Minuten eingefroren und 

wird durch eine Gitteröffnung abgelassen. Nach der Herstellung erfolgte die Abfüllung der 

Eiskrem in Plastikbecher, welche mit Aluplatinen versiegelt wurden. Diese wurden 1 Woche 

bei -40 °C und anschließend 1 Woche bei -20 °C gelagert. 

95


Tabelle 4-4: Rezepturen der hergestellten Eiskremproben 

Zutaten Referenz CMP 1,5% CMP 2,6% 

w/w % w/w % w/w % 

Rahm 40% Fett 24 24 24 

Magermilchpulver 7,45 3,73 0 

Zucker 9,3 9,3 9,3 

Glucosesirup 4,5 4,5 4,5 

CMP 0 1,63 3,26 

Lactose 0 2,1 4,19 

Cremodan 0,75 0,75 0,75 

Wasser 54 54 54 

Summe 100 100 100 

Proteingehalt: 2,6 2,6 2,6 

durch CMP: 0 1,5 2,6 

Zum Charakterisieren des Abschmelzverhaltens der Eiskremproben wurde ein Abschmelztest 

durchgeführt. Der Abschmelztest wurde in einer Klimakammer bei 18 °C und 75 % relativer 

Luftfeuchte durchgeführt. Die Probe wird auf ein an einem Stativ befestigtem Gitter aufgebracht, 

unter dem sich ein Trichter und ein Messzylinder befinden (Bild 4-42). Das abgetropfte 

Volumen wird auf das Ausgangsvolumen der Probe bezogen und als so genannter 

Abschmelzgrad in Prozent über der Zeit aufgetragen. Der Test wurde nach 300 min beendet. 

Zudem wurde der Overrun (OV) bzw. Aufschlag als Maß für die Menge der eingebrachten 

Luft wie in Kapitel 4.3.1 beschrieben bestimmt. 

Bild 4-42: Versuchsaufbau des Abschmelztests 

96


Bei Eiskrem befinden sich die Proteine in der nicht ausgefrorenen Restlösung. Somit lässt 

sich durch Austausch von Magermilchpulver durch CMP aufgrund der funktionellen Eigenschaften 

eine Veränderung in der Struktur und Konsistenz von Eiskrem erwarten. 

In Bild 4-43 ist der Abschmelzgrad der ungesäuerten und gesäuerten Eiskremproben mit 

unterschiedlichem CMP-Anteil dargestellt. Je geringer der Abschmelzgrad, desto stabiler die 

Eiskrem. Es ist zu erkennen, dass bei den ungesäuerten Proben durch den CMP-Anteil der 

Abschmelzgrad leicht verbessert werden kann. Dies ist auf die geringeren Protein-Wasser- 

Wechselwirkungen der Molkenproteine im Vergleich zu CMP zurückzuführen. Die daraus 

resultierende niedrigere Viskosität der nicht gefrorenen Restlösung führt somit zu den höheren 

Drainagewerten. Dieser Effekt wird bei den gesäuerten Proben deutlicher. Generell ist 

das Abschmelzverhalten der gesäuerten Proben im Vergleich zu den ungesäuerten Proben 

verbessert. Das ist auf eine erhöhte Wasserbindekapazität im sauren Milieu zurückzuführen. 

Des Weiteren geht aus den Versuchen zu den Gelbildungseigenschaften von CMP hervor, 

dass CMP beim Auftauen von gefrorenen Proben ein Gel ausbilden kann. Dadurch steigt die 

Viskosität der nicht ausgefrorenen Restlösung. Zudem wird durch die Gelbildung ein stabileres 

Netzwerk ausgebildet, was das Abfließen von Wasser verhindert und somit zu geringeren 

Abschmelzgraden führt. Dieser Effekt wird mit zunehmendem CMP-Anteil verstärkt. 

Abschmelzgrad [-] 

1.0 

0.8 

0.6 

0.4 

0.2 

1.0 

(a) Referenz 

1,5 % CMP 

(b) 

0.8 

0.0 

0 50 100 150 

Zeit [min] 

200 250 300 

Abschmelzgrad [-] 

0.0 

0 50 100 150 200 250 300 

Zeit [min] 

Bild 4-43: Abschmelzgrad von Eiskremproben Hergestellt mit CMP im Vergleich zur Referenzprobe 

(0 %) bei (a) pH 7,0 und (b) pH 4,5 

Wird zudem der Overrun der Proben betrachtet, so ist zu erkennen, dass die gesäuerte Referenzprobe 

einen niedrigeren Overrun im Vergleich zu der ungesäuerten Probe aufweist 

(Bild 4-44). Ist im Proteinanteil CMP vorhanden, so fällt der Overrun der ungesäuerten Probe 

geringer aus. Jedoch ist lediglich ein geringer Unterschied zwischen gesäuerter und unge- 

0.6 

0.4 

0.2 

Referenz 

1,5 % CMP 

2,6 % CMP 

97


säuerter Probe zu verzeichnen. Der Overrun gesäuerter Proben kann sogar durch CMP im 

Proteinanteil gesteigert werden. Dies lässt sich auf die guten Schaumeigenschaften von 

CMP im sauren pH-Bereich erklären (s. Kapitel 4.3) 

Bild 4-44: Overrun der Eiskremproben Hergestellt mit und ohne CMP bei pH 7 und pH 4,5 

Fazit: 

Overrun [%] 

100 

80 

60 

40 

20 

0 

0 

CMP Gehalt [%] 

pH 7,0 

pH 4,5 

Zur Einbindung von CMP in realen Lebensmittelsystemen wurden Untersuchungen an Joghurt 

und Eiskrem durchgeführt. Bei der Anwendung in Joghurt konnten keine signifikanten 

Einflüsse von CMP auf die Ausbildung der Säuregele bis zu einem CMP-Anteil von 50 % an 

der Proteingehaltserhöhung festgestellt werden. Bei höherem CMP-Anteil wurde jedoch die 

Gelbildung negativ beeinflusst. Für die Verschlechterung des Serumbindevermögens, der 

Festigkeit und Textur der CMP-haltigen Joghurts liegt Nahe, dass sich das CMP nicht in das 

Gel-Netzwerk des Joghurts integrieren kann und mit anderen Proteinen um die Wasserbindung 

konkurriert. Im Gegensatz dazu resultierten bei dem Einsatz von CMP bei der Herstellung 

von Eiskrem Verbesserungen hinsichtlich des Abschmelzverhaltens. Dies ist auf die 

höhere Wasserbindekapazität von CMP im vergleich zu Molkenproteinen sowie einer erhöhten 

Viskosität der nicht ausgefrorenen Restlösung durch zusätzliche Gelbildung zurückzuführen. 

Zudem führten die guten Schuambildungseigenschaften zu einer cremigen Struktur. 

CMP weist ein hohes technolgisch-funktionelles Potenzial auf. Es ist zu vermuten, dass insbesondere 

die glykosylierten Fraktionen für die Funktionalität verantwortlich sind. Es sind die 

Zuckermoleküle, die eine hohe Löslichkeit über den gesamten pH-Bereich bedingen. Vor 

allem die Anwesenheit von Sialinsäure mit ihrer hohen negativen Ladung hat einen bedeutenden 

Anteil an der Ladungsverteilung im Molekül und den daraus resultierenden Eigen- 

1,5 

98


schaften. Es sind ebenfalls die glykosylierten Fraktionen, welche für die Mehrzahl der bioaktiven 

Eigenschaften des Moleküls verantwortlich sind. Daher wäre es insbesondere von Interesse 

die Funktionalität der glykosylierten und nichtglykosylierten Fraktion unabhängig von 

einander zu untersuchen. Allerdings stehen derzeit keine Verfahren zur Verfügung, mit denen 

eine Trennung und Aufkonzentrierung dieser Fraktionen im großtechnischen Maßstab 

erzielt werden kann. Eine Nutzung von CMP und CMP-Fraktionen erscheint im Lichte neuer 

biofunktionaler Produktkonzepte von großem Anreiz. 

99


5 Schlussfolgerungen für die praktische Umsetzung der Ergebnisse 

Aus den im Laufe des Vorhabens gewonnenen Versuchsergebnissen zur Gewinnung von 

nativem CMP mittels Membrantrennverfahren und dessen technologisch-funktionellen Eigenschaften 

können folgende Schlussfolgerungen im Hinblick auf den Einsatz in der Praxis 

geschlossen werden: 

� Es wurde eine HPLC-Methode entwickelt, die eine qualitative und quantitative Charakterisierung 

von CMP-haltigen Proben hinsichtlich der einzelnen CMP-Fraktionen (GMP, 

aglyco CMP A, aglyco CMP B) ermöglicht. Zudem ist bei der simultanen Detektion mit 

den Molkenproteinen eine gute Trennung von α-Lactalbumin und β-Lactoglobulin realisiert. 

Diese Methode kann als Routineanalytik Anwendung in der Praxis finden. 

� Bisher fand der CMP-Anteil in der Produktspezifizierung von Molkenproteinprodukten 

keine Berücksichtigung. Allerdings beträgt der CMP-Gehalt in solchen Produkten bis zu 

25 % des Gesamtproteingehaltes. Mit der CMP-Analytik ist somit eine genauere Spezifikation 

möglich. Der CMP-Gehalt sollte standardmäßig mit aufgeführt werden, da gezeigt 

werden konnte, dass CMP einen maßgeblichen Einfluss auf die Funktionalität des Molkenprodukts 

ausübt. Somit können Schwankungen der Funktionalität vermieden und 

standardisierte Produkte gewährleistet werden. 

� Es konnte gezeigt werden, dass CMP eine hohe Hitzestabilität sowie eine hohe Löslichkeit 

in einem breiten pH-Bereich aufweist. Diese Eigenschaften können gezielt bei der 

Produktentwicklung ausgenutzt werden. 

� CMP weist gute technologisch-funktionellen Eigenschaften auf. Insbesondere sind hierbei 

die sehr guten Schaum- und Emulgiereigenschaften hervorzuheben. Das Aufschlagvermögen 

von CMP überstieg sogar das von Hühnereiweiß. Demgegenüber fielen die 

Gelbildungseigenschaften von CMP schlechter aus als bei konventionell eingesetzten 

Proteinsystemen. Somit sind die Gelbildungseigenschaften nicht von vordergründigem 

Interesse. Allerdings könnten die Eigenschaft der kälteinduzierten Gelbildung bei der 

Gestaltung gefrorener Produkte (z.B. Eiskrem) Anwendung finden. 

� Molkenproteinprodukte finden eine breite Anwendung in der gesamten Lebensmittelbranche 

als Zusätze zur Strukturbildung. Mischsysteme aus CMP und Molkenproteinen 

zeigen synergistische Effekte, die konstruktiv bei der Gestaltung von Lebensmittelschäumen 

und –emulsionen ausgenutzt werden können. 

� Mit dem in diesem Vorhaben optimierten Verfahren zur Gewinnung von CMP mittels 

Membrantrenntechnik kann das CMP in nativem Zustand, in hoher Reinheit und hoher 

Ausbeute gewonnen werden. Das hochreine CMP-Produkt eignet sich besonders für den 

100


Einsatz in Spezialprodukten wie beispielsweise in diätetischen Produkten. Die hierbei geforderten 

Produktspezifikationen können bisher mittels der sich im Markt befindenden 

CMP-Produkte nicht gewährleistet werden. 

� Für den Einsatz von CMP in der Lebensmittelindustrie ist allerdings keine so hohe Reinheit 

erforderlich, da die technologisch-funktionellen und bioaktiven Eigenschaften von 

CMP direkt im Gemisch mit den Molkenproteinen ausgenutzt werden können. Somit ist 

eine mehrfache Diafiltration zum Auswaschen der Molkenproteine nicht nötig, wodurch 

sowohl der Aufwand als auch die Kosten des Gesamtprozesses gesenkt werden können. 

� Proteinfraktionierung mittels Membrantrennverfahren stellt eine Grundlage für neue, innovative 

Verfahren und Produkte dar. Aufgrund der Möglichkeit, Membrananlagen beliebig 

zu erweitern, kann das Verfahren auch für höchste Durchsätze im großindustriellen 

Maßstab ausgelegt werden. Hierbei wäre es möglich, ab einem gewissen Durchsatz 

chromatographische Prozesse ökonomisch zu übertreffen. Unter Umständen können 

beide Konzepte in dem neuen Verfahren der Membranchromatographie vereinigt werden. 

� Aufgrund der hohen Hitzestabilität von CMP bietet sich die Möglichkeit, Molkenproteine 

thermisch aggregieren zu lassen und so CMP aus Molke zu gewinnen. Unter geeigneten 

Erhitzungsbedingungen denaturieren die Molkenproteine, während das CMP unverändert 

vorliegt. Die denaturierten Proteine können so mittels Membranverfahren vom CMP 

abgetrennt werden. 

Allgemein kann geschlussfolgert werden, dass CMP auf Grund seiner Eigenschaften die einzigartige 

Möglichkeit bietet, bei der Produktentwicklung in doppelter Hinsicht als innovative 

Komponente eingesetzt zu werden: 

- als stukturbildend aufgrund seiner guten Schaum- und Emulsionsbildungseigenschaften 

- als bioaktiv wegen seiner physiologischen Eigenschaften. 

Speziell für das Marktsegment Functional-Food bietet sich den Unternehmen somit ein interessanter 

Doppelnutzen. 

101


6 Wirtschaftliche Bedeutung des Forschungsvorhabens für kleine und mittlere 

Unternehmen 

6.1 Nutzen der Forschungsergebnisse 

Lebensmittel werden zunehmend durch neue Anforderungen an ihre sensorische und ernährungsphysiologische 

Wirkung geprägt. Milch und Milchprodukte weisen eine hohe Glaubwürdigkeit 

besonders hinsichtlich der letzteren Eigenschaft auf. Wenig Augenmerk wird jedoch 

heute noch den latenten nutritiven Eigenschaften insbesondere der minoren Milch- und Molkekomponenten 

gewidmet. 

Die Ergebnisse des Vorhabens werden vornehmlich in der Ernährungswirtschaft mit 

Schwerpunkt Lebensmitteltechnik genutzt werden. Insbesondere Milch und Milchprodukte 

üben unter anderem aufgrund des breiten Spektrums der ernährungsphysiologisch relevanten 

Inhaltsstoffe eine richtungweisende Leitfunktion für die gesamte Ernährungswirtschaft 

aus. Solche zukunftsweisenden Konzepte basieren auf der Anreicherung von Komponenten, 

um physiologische Wirkungen zu betonen bzw. zu modulieren. Das Vorhaben leistet einen 

wichtigen Beitrag zu deren technologisch-verfahrenstechnischer Realisierung leisten und 

stellt damit insbesondere den i.d.R. weniger forschungsintensiven KMU die notwendigen 

Kenntnisse zur Umsetzung der neuen Produkt- und Verfahrenskonzepte bereit. 

Darauf aufbauend kann über Produktneuentwicklungen das bisher ungenutzte Wertschöpfungspotenzial 

im Lebensmittelbereich aber auch in diätetischen und pharmazeutischen Präparaten 

ausgenutzt werden. Derzeit liegt der Verkaufspreis von CMP, wenn auch wegen der 

geringen Anzahl von Herstellern in einem sehr engen Markt, sehr hoch bei ca. $ 55/kg. Es 

wird erwartet, dass dieser Preis durch das Verfahren aus diesem Vorhaben gesenkt werden 

kann, eine konkrete Abschätzung ist aber von der jeweiligen betrieblichen Situation abhängig 

und ferner von den Prozessdetails abhängig, welche zu erarbeiten sind. 

Die neue Verfahrens- und Technologiebasis wird es erlauben, das biologische Potenzial von 

CMP als originärem Milchinhaltstoff sowie seine technologischen Eigenschaften gleichzeitig 

auszunutzen und damit „gesunde“ und auch sensorisch optimierte Produkte herzustellen. Es 

ist zu erwarten, dass sich dieses Potenzial ohne prinzipielle Schwierigkeiten mit den bestehenden 

regulatorischen Bestimmungen realisieren lässt. Für den Nicht-Lebensmittelbereich 

bieten sich Joint Ventures mit der Pharmaindustrie an. 

6.2 Beitrag zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der KMU 

Der Beitrag dieses Projektes zur Steigerung der Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit der 

KMU besteht neben den unter Kapitel 5 aufgeführten Aspekten vor allem darin, dass mit die- 

101


sem neuen Verfahren die Voraussetzungen für innovative Produkte mit nutritivem Potenzial 

und daher deutlich höherer Wertschöpfungsmarge geschaffen werden, welche aber von 

Großunternehmen eher als Nischen und damit als nicht ausreichend große Marktchance 

angesehen werden. Zudem können durch MF der Milch Milchproteine mit ihren nativen funktionellen 

Eigenschaften als neue Plattform zur Produktgestaltung gewonnen werden. Des 

Weiteren kann die gewonnene CMP-freie Molke als Basis für neue diätetische Produkte dienen. 

Insgesamt ergeben sich also mehrere Ansätze, um Nutzen aus dem Vorhaben zu ziehen, 

welche gerade von flexibleren KMU aufgegriffen und in dem sich entwickelnden Markt 

funktioneller Lebensmittel bzw. diätetischer Produkte schnell umgesetzt werden können: 

� Erzeugung von CMP zur Eigennutzung in Reinform oder in definierten, technologisch gut 

begründeten Mischungen mit Caseinen und/oder Molkenproteinen. Damit in Verbindung 

die 

� Entwicklung von innovativen, nutritiv begründeten Milchprodukt- bzw. sonstigen Lebensmittelkonzepten 

mit höherem Erlöspotenzial im Vergleich zu klassischen Milchprodukten 

sowie der 

� Verkauf von CMP als funktionelle Substanz für diätetische, medizinische bzw. pharmazeutische 

Produkte mit hohem Gewinnpotenzial und schließlich der 

� Erzeugung und Verkauf von CMP-freier Molke an Babynahrungshersteller. 

Große Bereiche der Lebensmittelindustrie, insbesondere die Milchwirtschaft profitieren hinsichtlich 

der Leistungsfähigkeit durch die in Kapitel 5 genannten Aspekte. 

102


7 Transfer der wissenschaftlichen Ergebnisse 

7.1 Vorträge 

Vorträge auf nationalen Kongressen, Tagungen und Seminare 

Thomä C.: Ansatz zur integrierten Nutzung von Milchinhaltsstoffen – Neue Möglichkeiten durch Fraktionierung 

unter Erhalt der nativen Moleküleigenschaften. In: Bremer Colloquium Produktionsintegrierte 

Wasser-/Abwassertechnik "Nachhaltige Produktion in der Getränke und Lebensmittelindustrie". 

Bremen, 16./17.09.2002 

Thomä C.: Gewinnung und Anwendungspotenziale von Glykomakropeptid - physiologische, biologische 

und technologisch-funktionelle Eigenschaften. In: Technologieseminar Weihenstephan – 

Nano- und Mikrostrukturen in Lebensmitteln. Freising-Weihenstephan, 14./15.10.2002 

Thomä C., Sperber E., Steinle S.: Einflüsse von Prozessfaktoren auf die Freisetzung von Caseinomakropeptid 

aus Caseinkonzentraten. In: Milchkonferenz 2003 der Dt. Ges. für Milchwissenschaft. 

Osnabrück, 18./19.09.2003 

Thomä C., Sperber E., Steinle S.: Gewinnung und technologische Nutzung des Caseinomakropeptids 

aus Milch. In: Weihenstephaner Milchwirtschaftliche Herbsttagung. Freising-Weihenstephan, 

09./10.10.2003 

Thomä C., Steinle S.: Neue Konzepte zum Gewinnen von Caseinomakropeptid durch Fraktionieren 

aus Milch und Molke. In: Technologieseminar Weihenstephan – Neue Technologien zum Gewinnen 

und Optimieren der Funktionalität von Proteinen aus Milch, Molke und Ei. Freising- 

Weihenstephan, 14./15.10.2003 

Thomä C., Steinle S., Sperber E.: Gewinnung und technologische Nutzung des Caseinomakropeptids 

aus Milch. In: 41. Wissenschaftlicher DGE-Kongress. Freising-Weihenstephan, 11./12.03.2004 

Rademacher B., Thomä C.: Eigenschaften und Gewinnung von Caseinmakropeptid aus Milch und 

Molke. In: 5. Ahlemer Fachtagung. Hannover, 4./5.05.2004 

Vorträge auf internationalen Kongressen, Tagungen und Seminare 

Thomä C.: Preparation and application of glycomacropeptide – nutritive and biological functions and 

food structure formation. In: Technologieseminar Weihenstephan – Design of Nano- and Microstructures 

in Food and Pharmaceutical Systems. Freising-Weihenstephan, 07./08.10.2002 

Thomä C.: Methods to obtain isolated caseinomacropeptide from milk and whey and functional properties. 

In: IDF World Dairy Summit & Centenary 2003. Brügge (Belgien), 7.-12.09.2003 

Thomä C., Tovarová I.: Separation of caseinomacropeptide released from renneted milk using membrane 

technique and its functional properties. In: Mléko a sýry 2004. Prag (Tschechien), 

22.01.2004 

Thomä C., Steinle S., Tovarová I.: Novel concepts to obtain caseinomacropeptide by fractionation of 

milk or whey. In: Technologieseminar Weihenstephan - Novel Technologies to obtain and to 

optimise the functionality of proteins from milk, whey and egg. Freising-Weihenstephan, 

01./02.07.2004 

Thomä C.: Technological and physiological properties of caseinomacropeptide. In: Technologieseminar 

Weihenstephan - Novel Technologies to obtain and to optimise the functionality of proteins 

from milk, whey and egg. Freising-Weihenstephan, 01./02.07.2004 

Thomä-Worringer C., Eichl S., Siegert N.: Caseinomacropeptide - a biologically active component with 

food structuring properties. In: IDF World Dairy Summit 2005. Vancouver (Canada), 19.- 

22.09.2005 

103


Vorträge im Rahmen der projektbegleitenden Ausschusssitzungen 

Thomä C.: Projektvorstellung - Kontinuierliche Gewinnung von Glycomacropeptid durch Membranverfahren 

und Einsatz seiner technologischen Funktionalität in Milch und Diätprodukten 13733 N. 

In: 1. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising- 

Weihenstephan, 27.11.2003 

Thomä C., Steinle S.: Untersuchungen zur Anwendbarkeit verschiedener instrumenteller Verfahren 

auf die CMP-Analytik. In: 1. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 

N. Freising-Weihenstephan, 27.11.2003 

Thomä C., Sperber E., Steinle S.: Einflüsse von Prozessfaktoren auf die Freisetzung von Caseinomakropeptid 

aus Caseinkonzentraten. In: 1. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für 

AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 27.11.2003 

Steinle S., Bretz A., Thomä C.: Untersuchungen zur Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke unter 

Berücksichtigung der Ausbeute und Reinheit von Caseinomacropeptid. In: 1. Sitzung des projektbegleitenden 

Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 27.11.2003 

Thomä C., Eichl S.: Untersuchungen zu den technologisch-funktionellen Eigenschaften von Caseinomacropeptid. 

In: 1. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 

27.11.2003 





Thomä C., Steinle S.: Simultane Analyse von CMP und Molkenproteinen mittels RP-HPLC. In: 2. Sitzung 

des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 

07.12.2004 

Thomä C.: Einfluss der Milieubedingungen auf den Gehalt an GMP-gebundener Sialinsäure. In: 2. 

Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 

07.12.2004 

Thomä C., Steinle S., Majchrzak J.: Untersuchungen zur Anreicherung von CMP mittels Membrantrennverfahren. 


07.12.2004 

Thomä C., Steinle S., Eichl S., Siegert N.: Untersuchungen zu den technologisch-funktionellen Eigenschaften 

von Caseinomacropeptid. In: 2. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für 

AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 07.12.2004 





Thomä C., Steinle S.: Simultane Analyse von CMP und Molkenproteinen mittels RP-HPLC. In: 3. Sitzung 

des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. Freising-Weihenstephan, 

12.10.2005 

Thomä C.: Einfluss der Milieubedingungen auf den Gehalt an GMP-gebundener Sialinsäure. In: 3. 


12.10.2005 

Thomä C., Steinle S., Majchrzak J.: Untersuchungen zur Anreicherung von CMP mittels Membrantrennverfahren. 


12.10.2005 

Thomä C., Siegert N.: Untersuchungen zu den Schaumeigenschaften von Caseinomacropeptid. In: 3. 


12.10.2005 

104


Thomä C., Eichl S.: Untersuchungen zu den Emulgiereigenschaften von Caseinomacropeptid. In: 3. 


12.10.2005 

Fichtner K., Morales-Castillo V., Thomä C.: Untersuchungen zu den Gelbildungseigenschaften von 

Caseinomacropeptid. In: 3. Sitzung des projektbegleitenden Ausschusses für AiF-FV 13733 N. 

Freising-Weihenstephan, 12.10.2005 

Fichtner K., Thomä C.: Untersuchungen zum Verhalten von CMP in Produktmatrices am Beispiel Joghurt. 



7.2 Poster 

Thomä C., Kulozik U.: Glycomacropeptid (GMP) - Ernährungsphysiologisches Potenzial und Gewinnung 

aus Milch. In: Wissenschaftstagung Lebensmittel und Gesundheit. Freising- 


Thomä C., Steinle S., Kulozik U.: Caseinomakropeptid - Gewinnung durch Membranverfahren und 

technologischer Einsatz zur Steigerung der ernährungsphysiologischen Funktionalität von 

Milchprodukten. In: Wissenschaftstagung Lebensmittel und Gesundheit. Freising- 


Thomä C.: Gewinnung von Caseinomacropeptid durch Membranverfahren. In: GVC- 

Fachausschussitzung "Lebensmittelverfahrenstechnik". Freising-Weihenstephan, 12.- 

14.03.2003 

Thomä C., Kulozik U.: Gewinnung von Glycomakropeptid durch Membranverfahren und technologischer 

Einsatz zur Steigerung der ernährungs-physiologischen Funktionalität von Milchprodukten. 

In: 21. DECHEMA-Jahrestagung der Biotechnologen. Garching, 02-04.04.2003 

Thomä C, Kulozik, U.: Caseinomakropeptid - Gewinnung durch Membranverfahren und technologischer 

Einsatz zur Steigerung der ernährungsphysiologischen Funktionalität von Milchprodukten. 

In: ANUGA FOODTEC, Messestand des Wissenschaftszentrum Weihenstephan der TU- 

München. Köln, 8.-11.04.2003 

Thomä C., Bretz A., Kulozik U.: Abtrennung von Caseinpartikeln aus Labmolke von Caseinkonzentraten. 

In: Milchkonferenz 2003 der Dt. Ges. für Milchwissenschaft, Osnabrück, 18./19.09.2003 

Thomä C., Steinle S., Kulozik U.: Neue Erkenntnisse zur Analytik von Caseinomacro-peptid. In: Milchkonferenz 

2003 der Dt. Ges. für Milchwissenschaft, Osnabrück, 18./19.09.2003 

Thomä C., Steinle S., Eichl S., Siegert N., Kulozik U.: Caseinomacropeptide - a biologically active 

component with food structuring properties. In: 4 th NIZO Dairy Conference "Prospects for 

health, well-being and safety". Papendal (Niederlande), 15-17.06.2005 

7.3 Veröffentlichungen 

Thomä C., Steinle S. (2002): Untersuchung der Anwendbarkeit der HPLC auf die Caseinomacropeptid-Analytik. 

Wissenschaftlicher Jahresbericht FML-Weihen-stephan, Forschungszentrum für 

Milch und Lebensmittel Weihenstephan, Zentrale Einrichtung der Technischen Universität 

München 

Thomä C, Sperber E., Ahrens M. (2002): Gewinnung von Caseinomacropeptid durch Membranverfahren 

und technologischer Einsatz zur Steigerung der ernährungsphysiologischen Funktionalität 

von Milchprodukten. Wissenschaftlicher Jahresbericht FML-Weihenstephan, Forschungszentrum 

für Milch und Lebensmittel Weihenstephan, Zentrale Einrichtung der Technischen Universität 

München 

Kulozik U., Kersten M., Tolkach A., Thomä C., Bulca S. (2002): Enrichment of health relevant components 

from complex systems by membrane fractionation technology. GIT-Labor- 

Fachzeitschrift, 46 (7), 790-792 

105


Tolkach A, Thomä C., Kersten M., Kulozik U. (2002): Membrane separation concentrating healthrelevant 

components from complex systems. G.I.T. Laboratory Journal, 4, 172-174 

Thomä C., Bretz A., Steinle S. (2003): Untersuchungen zur Abtrennung von Caseinpartikeln aus Molke 

unter Berücksichtigung der Ausbeute und Reinheit von Caseinomacropeptid. Wissenschaftlicher 

Jahresbericht FML-Weihenstephan, Forschungszentrum für Milch und Lebensmittel 

Weihenstephan, Zentrale Einrichtung der Technischen Universität München 

Thomä C., Sperber E. (2003): Einflüsse von Prozessfaktoren auf die Freisetzung von Caseinomacropeptid 

aus Caseinkonzentrat. Wissenschaftlicher Jahresbericht FML-Weihenstephan, Forschungszentrum 

für Milch und Lebensmittel Weihenstephan, Zentrale Einrichtung der Technischen 

Universität München 

Thomä C. (2003): Methods to obtain isolated caseinomacropeptide from milk and whey and functional 

properties. Proceedings IDF Dairy World Summit & Centenary, 7.-12.09.2003, Bruges (Belgium), 

143-147 

Thomä C., Kulozik U. (2003): Methods to obtain isolated caseinomacropeptide from milk and whey 

and functional properties. Bulletin of the IDF, 389, 74-77 

Tolkach A., Kulozik U. (2005): Fractionation of whey proteins and caseinomacropeptide by means of 

enzymatic crosslinking and membrane separation techniques. Journal of Food Engineering, 

67 (1-2), 13-20 

Thomä C. (2005): Caseinomacropeptide - a biologically active component with food structuring properties. 

Proceedings 4 th NIZO Dairy Conference "Prospects for health, well-being and safety", 15- 

17.06.2005, Papendal (Niederlande), P09 

Thomä C., Krause I., Kulozik U. (2005): Precipitation behaviour of caseinomacropeptides and their 

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Thomä-Worringer C., Sørensen J, López-Fandiño R. (2005): Review - Health effects and technological 

features of caseinomacropeptide. International Dairy Journal, accepted for publication 

8 Durchführende Forschungsstelle 

Institut für Milchwissenschaft und Lebensmittelverfahrenstechnik (LMVT), 

unbenannt in: 

ZIEL – Abteilung Technologie 

Technische Universität München, Außenstelle Freising-Weihenstephan 

Weihenstephaner Berg 1 

85354 Freising 

Institutsleitung: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Kulozik 

Projektleitung: Dipl. oec. troph. Corinna Thomä-Worringer 

106


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