Fraunhofer-Allianz ErnährungswirtschaftPasteurisierung von Milch durch Mikrowellen
Für die Haltbarmachung von Milchprodukten müssen darin enthaltenen Mikroorganismen durch die Erhöhung der Produkttemperatur ganz oder teilweise abgetötet werden. Entsprechend der Temperatur-Zeit-Verläufe unterscheidet man verschiedene Verfahren wie Pasteurisierung, Thermisierung oder Sterilisierung (UHT).
Die gängigste Technik der Wärmezufuhr ist das Erhitzen mittels Plattenwärmetauscher. Diese hat den Nachteil, dass sich aufgrund des Temperaturgradienten zwischen Tauscheroberfläche und Produkt Ablagerungen auf den Oberflächen der Wärmetauscher (Fouling) bilden können. Die Wärmetauscher müssen daher regelmäßig gereinigt werden, was in der Folge zu erheblichen Kosten durch Stillstandzeiten und den Verbrauch von Energie und Hilfsstoffen führt. Ziel der Milchindustrie ist es daher, die Reinigungszeiten der Anlagen zu minimieren, die Produktionszeiten zu maximieren und gleichzeitig Wasser und Energie einzusparen.
Projekt MicroMilk – Mikrowellenpasteurisierung
In dem von der EU geförderten Projekt MicroMilk hat ein paneuropäisches Konsortium mit kleinen und mittleren Unternehmen aus Molkereiwesen, Mikrowellentechnologie und Automatisierungstechnik, zwei Forschungsinstituten und einer Universität eine vielversprechende Technologie zur Erhitzung von Milch mittels Mikrowellen entwickelt. Aufgrund des volumetrischen Energieeintrags arbeitet die MicroMilk-Technologie sehr effizient. Da bei diesem direkten Erhitzungsverfahren keine Wärmetauschergrenzfläche existiert, ist die Bildung von Ablagerungen minimiert.
Verfahrensentwicklung und Versuchsanlage
Nach einer Analyse gängiger Erhitzungsverfahren wurden verschiedene Konzepte zur Mikrowellenerwärmung von Milch erarbeitet und durch Simulation überprüft und optimiert. Primäres Entwicklungskriterium war eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung. Es wurde eine Versuchsanlage konzipiert, entwickelt und gebaut sowie erste Feldversuche in der Versuchsmolkerei der Universität Hohenheim durchgeführt, um Prinzipien des Verfahrens zu validieren und Daten zu Prozessparametern zu ermitteln.
Industrieller Prototyp
Auf Basis der Ergebnisse mit der Versuchsanlage wurde in Zusammenarbeit mit den Projektpartnern aus der Industrie und unter Nutzung der QFD-Methodik ein industrieller Prototyp zur Mikrowellenpasteurisierung entworfen. Neben fertigungs- und materialtechnischen Aspekten wurden als Entscheidungskriterien die HACCP- und GMP-Richtlinien für lebensmitteltechnische Apparate berücksichtigt, um eine sofortige Integration in Produktionen zu ermöglichen.
Für das Produkt »Milch« war die zentrale Aufgabe, die mikrobiologische, ernährungsphysiologische und organoleptische Qualität zu erhalten und dennoch die Haltbarkeit der Milch zu verbessern. Das System ist modular aufgebaut, so dass es sowohl als Nachrüstung in bestehende Systeme integriert, als auch als eigenständige Anlage eingesetzt werden kann.
Qualitätsmerkmale und Vorteile
Durch Benchmark-Vergleiche mittels analytischer Referenzmethoden zwischen konventioneller indirekter Erhitzung und Mikrowellenerhitzung konnten wir relevante Qualitätsmerkmale untersuchen. Zu diesem Zweck wurde die Mikrowellenversuchsanlage in ein existierendes Pasteurisierungssystem der Versuchsmolkerei der Universität Hohenheim integriert (Abb. 1), einschließlich der neu entwickelten Automation (Abb. 2).
Mit der integrierten Versuchsanlage wurden die Auswirkungen des Gradienten der Temperaturerhöhung (dT/dt) auf die Erwärmung der Milchbestandteile untersucht. Mit der Mikrowellenerwärmung wurde ein dreifach schnellerer Temperaturanstieg im Vergleich zur konventionellen indirekten Erhitzung über Wärmetauscher erreicht (unter vergleichbaren Durchfluss- und Haltezeitbedingungen).
Die physikalisch-chemischen (z. B. Furosine und HMF-Bildung), mikrobiologischen, ernährungsphysiologischen (z. B. Vitamin B1) und organoleptischen Eigenschaften (Farbe und Geschmack) der Milch zeigten bei beiden Verfahren keine signifikanten Unterschiede. Die mittels Mikrowellenpasteurisierung erreichte Produktqualität ist demnach der durch herkömmliche Pasteurisierung vergleichbar.
Durch den Wegfall der Wärmetauscherfläche kann die Betriebszeit zwischen den Reinigungszyklen verlängert werden. Dies spart Wasser und Energie und erhöht die betriebliche Effizienz.
Ausblick
Die bisherige Entwicklung fokussierte sich auf die Pasteurisierung von Milch, das auf dem mitteleuropäischen Markt am häufigsten zur Haltbarmachung von Milch angewandte Verfahren. Die Vorteile der Mikrowellenerhitzung in Bezug auf die Milchqualität und die verminderte Bildung von Ablagerungen kommen jedoch bei der UHT-Erwärmung noch wesentlich stärker zum Tragen. Eine Erweiterung des Verfahrens auf UHT und andere thermische Anwendungen, insbesondere für hochviskose Milchprodukte mit niedrigem pH-Wert, ist angestrebt. Darüber hinaus kann das MicroMilk-System auf viele weitere Lebensmittel und Getränke übertragen werden.
Weitere Informationen
Abkürzungen
UHT: Ultra High Temperature (Ultrahocherhitzung)
HACCP: Hazard Analysis and Critical Control Points (Gefahrenanalyse und kritische Kontrollpunkte)
HMF: Hydroxymethylfurfural
GMP: Good Manufacturing Practice (Gute Herstellungspraxis)
QFD: Quality Function Deployment (Qualitätsfunktionendarstellung)