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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines
fetthaltigen Milchprodukts als flüssiges Konzentrat oder als
Pulver.
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Bei
der Herstellung von Milchkonzentraten und -pulvern ist es wirtschaftlich,
die Produktion in Regionen zu konzentrieren, wo frische Milch in
großen
Mengen und zu einem wirtschaftlichen Preis zur Verfügung steht.
Es ist daher wünschenswert,
die Kapazität
existierender installierter Trockenausrüstungen, insbesondere von Sprühtrocknungstürmen, zu
erhöhen,
ohne in eine neue Ausrüstung
zu investieren. Ein Mittel, dieses Ziel zu erreichen, bestünde darin,
der Trocknungsstufe eine hoch konzentrierte Milch zuzuführen. Das
Problem ist jedoch, dass, sobald der Trockenmassegehalt eines Konzentrats
50 Gew.-% überschreitet,
die Viskosität eine
exponentielle Zunahme zeigt. Ein weiteres Problem besteht darin,
dass es bei der Behandlung einer hochkonzentrierten Milch zu einer
Verschlechterung der Produktqualität als Konsequenz einer Fett-Clusterbildung der
hochkonzentrierten Milch hauptsächlich
während
der Homogenisierung kommt. Eine Homogenisierung kann nicht weggelassen
werden, und zwar aufgrund der schlechten Löslichkeit von Pulvern, die
aus einer nicht-homogenisierten Milch hergestellt sind.
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US-5 223 299 beschreibt
die Herstellung einer Kondensmilch ohne stabilisierende Salze, wobei
ein Milchprodukt, das Phospholipide, die sich von Milch ableiten,
enthält,
mit einem Milchprodukt vermischt wird, das dann wärmebehandelt
wird und durch Verdampfung konzentriert wird.
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SU 1 308 309 beschreibt
einen getrockneten Vollmilchersatz, der hergestellt wird durch Konzentrieren von
Magermilch, Zugeben einer Fettmischung, Emulgieren und Trocknen
der Emulsion.
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GB 1 266 619 beschreibt
pulverförmige
Lebensmittel, insbesondere Milchprodukte, bei denen ein oberflächenaktives
Mittel als emulgierendes und benetzendes Mittel verwendet wird.
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US 3 773 519 beschreibt
ein Verfahren zur Behandlung eines pulverisierten fetthaltigen Milchprodukts, bei
dem ein Überzug
aus Lecithin auf Pulveragglomerate aufgebracht wird, um seine Rekonstitutionseigenschaften
zu verbessern.
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JP 73005028 bezieht sich
auf Mischungen, die Nichtfett-Trockenmilch
und ein Tensid, z.B. Lecithin, Fettsäureester von Polyoxyethylensäuresorbitan
oder Fettsäureester
von Zucker umfassen.
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JP 55135545 beschreibt
eine pulverförmige
Milch, die Sorbitanfettsäureester
von Rizinusöl
enthält.
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NL 7903483 offenbart ein
Verfahren, bei dem Lecithin zu konzentrierter Milch zugegeben wird
und die Mischung getrocknet wird, um ein Milchpulver zu enthalten.
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US-A-5 518 751 befasst
sich mit einem Verfahren zur Herstellung von rekombinierten eingedampften Milchkonzentraten
und Milchpulvern, das die Einführung
eines Pflanzenfetts in das flüssige
Konzentrat während
des Eindampfens umfasst, um dessen Gehalt an ungesättigten
Fettsäuren
zu erhöhen.
Bei einer Ausführungsform
zur Herstellung von Milchpulver wird die Mischung, nach der Einführung des
Fetts in der letzten Stufe des Eindampfers, homogenisiert, bevor
sie getrocknet wird.
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EP-A-0 627 169 betrifft
ein Verfahren zur Herstellung einer flüssigen eingedampften Milch,
bei dem die Vorerhitzungs- und Eindampfstufen innerhalb der Eindampfvorrichtung
erfolgen, und eine Homogenisation vor der Konzentration erfolgt.
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EP-A-0 873 690 befasst
sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines fetthaltigen Lebensmittels,
das die Zugabe einer Fettphase zu einer wässrigen Phase umfasst, wobei
das genannte Zugeben und das Homogenisieren zwischen zwei Verdampfern
einer Vielzahl von Verdampferstufen platziert ist. Der Zweck dieser
Stufe besteht darin, wärmeempfindliche Öle zu schützen. Für ein Instant-Milchpulver
würde es
keinen Sinn machen, das Fett vor dem Eindampfen von der Produktionsmilch
abzutrennen.
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NL-A-7 903 483 befasst
sich mit einem Verfahren zur Herstellung eines Milchpulvers, bei
dem ein Tensid, z.B. Lecithin, in den Strom des Einsatzproduktkonzentrats
zwischen dem Milchkonzentrat-Puffertank und dem Zerstäuber des
Sprühtrockners
eingeführt
wird.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Wir
haben gefunden, dass es möglich
ist, die Viskosität
von konzentrierter Milch drastisch zu vermindern und die Produktivität der Herstellung
von Milchpulver zu erhöhen,
indem man primär
frische Milch sprühtrocknet
sowie durch die Art und Weise, wie man die Pulverqualität beibehält oder
sogar verbessert.
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines konzentrierten
Milchprodukts, das eine Lösung
des Problems einer zu hohen Viskosität bei vorbekannten Milchkonzentraten
liefert. Somit gestattet die Kontrolle der Viskosität das Trocknen
eines Konzentrats mit einem Feststoffgehalt jenseits von 50 Gew.-%, ohne
dass die Qualität
des Pulvers, das nach dem Trocknen erhalten wird, beeinträchtigt wird.
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Das
Verfahren zur Herstellung einer konzentrierten Milch gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst:
Bereitstellen einer standardisierten Milch,
Pasteurisieren
und Homogenisieren der standardisierten Milch,
Mischen der
homogenisierten Milch mit einem negativ geladenen oder nicht-ionischen
Emulgator,
Homogenisieren der Mischung,
Einführen der
Milch in einen Verdampfer, der wenigstens eine Stufe aufweist, um
ein Konzentrat mit einem gesamten Feststoffgehalt von wenigstens
50 Gew.-% zu erhalten.
Bei einer anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
umfasst dieses:
Bereitstellen einer standardisierten Milch,
Pasteurisieren
der standardisierten Milch,
Einführen der pasteurisierten standardisierten
Milch in einen Verdampfer mit wenigstens einer Stufe, um ein Vorkonzentrat
zu erhalten,
Homogenisieren des Vorkonzentrats,
Mischen
des Vorkonzentrats mit einem negativ geladenen oder nicht-ionischen
Emulgator,
Homogenisieren der Mischung,
weiteres Eindampfen
der Mischung in einem Verdampfer mit wenigstens einer Stufe, um
ein Konzentrat mit einem gesamten Feststoffgehalt von wenigstens
50 Gew.-% zu erhalten.
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Bei
einer Ausführungsform
der Herstellung von getrockneten Produkten umfasst das Verfahren
die weitere Stufe des Sprühtrocknens
des Konzentrats.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Das
Prinzip hinter dieser Erfindung ist die Möglichkeit, ein Milchkonzentrat,
das eine Konzentration an Feststoffen bis zu etwa 65 Gew.-% enthält, sprühzutrocknen.
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Gemäß der Erfindung
wird frische Vollmilch auf ein gewünschtes Fett-zu-Nichtfett-Feststoffverhältnis standardisiert.
Diese Standardisierung wird im Allgemeinen durchgeführt, indem
man die geeignete Menge Magermilch zu der frischen Vollmilch zusetzt.
Sie kann auch durchgeführt
werden durch Komponieren von geeigneten Milchflüssigkeiten aus frischer Vollmilch,
insbesondere Magermilch, Sahne, Butter, Fett, Buttermilch usw. Die
Rekombination von Milch kann auch ausgehend von Milchpulver, Magermilchpulver,
Butterfett oder Pflanzenölen
mit der geeigneten Wassermenge durchgeführt werden. Gemäß einer
Variante kann auch Magermilch verwendet werden.
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In
Abhängigkeit
von der Qualität
der Milch wird die auf diese Weise standardisierte Milch dann ggf. durch
Zentrifugieren geklärt,
vorzugsweise nachdem sie auf etwa 40 °C bis etwa 45 °C erhitzt
wurde, um während
der Klärung
die beste Separier- und Reinigungswirksamkeit zu erhalten.
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Die
Milch wird dann pasteurisiert und homogenisiert. Ein negativ geladener
oder nicht-ionischer Emulgator, der in der Lage ist, Proteine zu
binden, wird dann der pasteurisierten Milch bei 60 °C zugesetzt.
Die auf etwa 65 °C
gehaltene Mischung kann in einer Colloid-Mühle behandelt werden, bis keine
festen Teilchen mehr sichtbar sind.
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Die
Mischung wird dann einer Homogenisation unterzogen. Die Homogenisation
kann in einer oder in zwei Stufen durchgeführt werden. Der Druck der ersten
Stufe des Homogenisators beträgt
von etwa 50 bis etwa 250 bar. Vorzugsweise beträgt der Druck von etwa 100 bar
bis etwa 200 bar. Der Druck in der zweiten Stufe des Homogenisators
beträgt
von 0 bis etwa 150 bar. Vorzugsweise beträgt der Druck von etwa 20 bis etwa
60 bar. Der Gesamtdruck des Homogenisators beträgt von etwa 120 bar bis etwa
300 bar. Vorzugsweise beträgt
der Gesamtdruck des Homogenisators von etwa 150 bar bis etwa 250
bar.
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Nach
der Homogenisierung wird die Mischung vorzugsweise einer Wärmebehandlung
unterzogen. Die Wärmebehandlung
kann in zwei Stufen durchgeführt
werden, wie es üblich
ist, und zwar durch Vorerhitzen und dann Erhitzen mit einer geeigneten
Verweilzeit.
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Die
wärmebehandelte
Milch wird dann in einen Verdampfer eingeführt. Überraschenderweise vermeidet
die Zugabe von negativ geladenen oder nicht-ionischen Emulgatoren
die starke Viskositätszunahme,
zu der es kommt, wenn man die Milch auf eine Feststoffkonzentration
von über
50 Gew.-% konzentriert, und gestattet eine spätere Sprühtrocknung bei einem Gesamt-Feststoffgehalt
von vorzugsweise etwa 55 bis etwa 65 Gew.-%. Das Sprühtrocknen
bei einem derartig hohen Gesamt-Feststoffgehalt war früher unmöglich, weil
die Viskosität
so hoch war, dass das Produkt nicht transportiert werden konnte.
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Ohne
zu wünschen,
an einer Theorie festgehalten zu werden, können wir ein Modell vorschlagen,
um den Effekt von Emulgatoren auf die Milchviskosität zu erklären. Vor
der Homogenisierung und den Erwärmungsprozessen
kann Milch als eine Mischung aus drei Phasen angesehen werden: der
Lipidphase in Form von Fettkügelchen,
der wässrigen
Phase, die u.a. Molkenproteine enthält, und der Colloidphase, die
mizelluläres
Casein enthält.
Beim Erhitzen entfalten sich die Molkenproteine und legen ihre hydrophoben
Gruppen frei. Diese werden Wechselwirken, wie es auch das mizelläre Casein
mit Fettkügelchen
während
der Homogenisation tut, was die Größe der Fettkügelchen
vermindert und daher die Oberfläche
erhöht.
Das Ergebnis dieser hydrophoben Wechselwirkung besteht darin, dass
eine Proteinschicht die Oberfläche
der Fettkügelchen überzieht.
Wenn sich an diesen Prozess eine Eindampfstufe anschließt, nimmt
die Konzentration der unterschiedlichen Bestandteile der Milch zu
und begünstigt
Assoziationen zwischen den mit Protein überzogenen Fettkügelchen
selbst sowie auch zwischen mit Protein überzogenen Fettkügelchen
und löslichen
Proteinen und Mizellen. Das führt
zu einer Erhöhung
der Milchviskosität.
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Wenn
vor oder während
des Eindampfprozesses, jedoch nach der Homogenisierung, ein Emulgator zugesetzt
wird, wird dessen hydrophober Schwanz mit den am leichtesten zugänglichen
Komponenten Wechselwirken: Casein-Mizellen und Molkenproteinen in
der Lösung
oder in der Schicht, die die Fettkügelchen überzieht. Wenn der Emulgator
eine saure funktionelle Gruppe enthält, z.B. Lecithin-Fraktionen,
die reich sind an sauren Phospholipiden, wie beispielsweise Phosphatidsäure oder
Phosphatidylinosit, die bevorzugte Emulgatoren darstellen, die gemäß der Erfindung
verwendet werden, ist die neue Schicht, die durch den Emulgator auf
den Proteinen oder auf der Proteinschicht gebildet wird, die die
Fettkügelchen überzieht,
ausschließlich
negativ geladen und führt
zu einer Abstoßung
zwischen überzogenen
Teilchen. Im Ergebnis wird die Viskosität abnehmen. Das gilt in einem
geringeren Ausmaß auch
in dem Fall, wenn nicht-ionische Emulgatoren, z.B. Polyoxyethylensorbitanderivate,
z.B. Fettsäureester,
die kommerziell als Tweens bekannt sind, verwendet werden, die stark
an die hydrophoben Gruppen von Proteinen binden.
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Während oder
anschließend
an das Trocknen kann, um das Pulver zu instantisieren, eine Lecithinierung
mit Agglomeration der zurückgeführten Feinstoffe
im Trockner durchgeführt
werden, oder die Lecithinierung kann getrennt von dem Trockenturm
in einem Nachtrockner durchgeführt
werden, z.B. in einem Wirbelbett.
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Die
Verarbeitung des Milchpulvers nach der Zerstäubungsstufe, die ein Nachtrocknen,
eine Nachkühlung,
eine Lagerung, das Einfüllen
in Dosen oder Schachteln und eine Begasung umfasst, wird dann standardgemäß abgeschlossen,
wie dem Fachmann bekannt ist.
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Es
werden nunmehr lediglich beispielhaft Ausführungsformen der Erfindung
beschrieben. In den folgenden Beispielen werden Teile und Prozente
in Gewicht angegeben, es sei denn, es wird etwas anderes gesagt.
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Beispiel 1
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250
kg einer rohen standardisierten Vollmilch, die 3,5% Fett und 9,3%
Nichtfett-Milchfeststoffe enthielt, wurden durch indirektes Erhitzen
in einem Plattenwärmeaustauscher
auf ein Maximum von 80 °C
mit einer Haltezeit von 50 s oder weniger bei dieser Temperatur
pasteurisiert. Im Anschluss an die Pasteurisierung wurde die Milch
zweistufig homogenisiert bei 200 + 50 bar.
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Der
pasteurisierten und homogenisierten Milch von 50 °C wurden
0,1% Lecithin zugesetzt (Chocotop 100®, fraktioniertes
flüssiges
Sojalecithin, das bezüglich
saurer Phospholipide angereichert ist, bestehend aus einer Mischung
aus Triglyceriden und Phospho/Glycolipiden, die etwa 14% sauere
Phosphatide enthält;
Lucas Meyer GmbH), und zwar bezogen auf die Trockenmasse, und die
Mischung wurde in einem Zweistufen-Homogenisator bei 100 bar in
der ersten Stufe und 25 bar in der zweiten Stufe homogenisiert.
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Die
pasteurisierte Flüssigkeit
wurde dann den ersten Stufen eines Mehrstufen-Fallfilmverdampfers
zugeführt
und innerhalb von 90 min konzentriert, um eine konzentrierte Mischung
mit einem Trockenmassegehalt von 60% zu erhalten. Die scheinbare
Viskosität
des Konzentrats (gemessen in-line bei 54 °C und mit einem geschätzten Schergrad
von 230 s–1)
betrug 0,5 Pa·s.
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Sie
wurde dann von einer Hochdruckpumpe aufgenommen und in einem Trockenturm
durch Hochdruck-Verwirbelungsdüsen
bei einem Druck von 140 bar und einer Temperatur von 72 °C sprühgetrocknet.
Sie wurde agglomeriert und lecithiniert, um eine Instantisierung
zu erreichen, nachgetrocknet, nachgekühlt, in Verpackungen abgefüllt und
begast.
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Das
Pulver wies hervorragende Rekonstitutions- und physikalisch chemische
Eigenschaften auf.
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Beispiel 2
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Das
Verfahren von Beispiel 1 wurde mit dem Unterschied durchgeführt, dass
0,5% Lecithin (Chocotop 100°)
einem vorverdampften pasteurisierten Milchkonzentrat mit einem Trockenmassegehalt
von 40% zugesetzt wurden, in zwei Stufen bei 180 bar in der ersten
Stufe und dann bei 50 bar in der zweiten Stufe homogenisiert wurde
und die flüssige
Mischung auf einen Trockenmassegehalt von 59% konzentriert wurde.
Die Scheinviskosität
des Konzentrats (gemessen wie in den Beispielen 6 bis 9 weiter unten
angegeben wird) betrug 0,01 Pa·s.
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Nach
dem Sprühtrocknen
wie in Beispiel 1 war die Qualität
des Pulvers demjenigen, das in Beispiel 1 erhalten wurde, vergleichbar.
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Beispiel 3
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Das
Verfahren von Beispiel 1 wurde mit dem Unterschied durchgeführt, dass
0,4% Lecithin (Chocotop 100°)
dem voreingedampften entfetteten pasteurisierten homogenisierten
Milch-Vorkonzentrat von 40% Trockenmassegehalt zugesetzt wurden,
in zwei Stufen bei 180 bar in der ersten Stufe und dann 50 bar in
der zweiten Stufe homogenisiert wurde und die flüssige Mischung auf 49% Trockenmasse
konzentriert wurde.
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Die
scheinbare Viskosität
des Konzentrats, verdünnt
auf 40% Trockenmasse, um die Messung zu erleichtern, und gemessen
wie in den nachfolgenden Beispielen 6 bis 9 angegeben wird, betrug
0,02 Pa·s.
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Beispiele 4 bis 5
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Das
Verfahren von Beispiel 2 wurde mit dem Unterschied durchgeführt, dass
die Zugabe von Chocotop 100° zu
einer pasteurisierten und homogenisierten Milch ersetzt wurde durch
diejenige von nicht-ionischen Emulgatoren wie beispielsweise Tween
20° (Beispiel
4) oder Tween 60° (Beispiel
5). Im Anschluss an die Tween-Zugabe, in beiden Fällen jeweils
0,5%, wurden die angereicherten Milchprodukte in zwei Stufen bei
180 bar in der ersten Stufe und dann 50 bar in der zweiten Stufe
homogenisiert, und die flüssigen
Mischungen wurden auf 60% Trockenmasse konzentriert. Die scheinbare
Viskosität
der Konzentrate (gemessen wie in den nachfolgenden Beispielen 6
bis 9 angegeben wird) betrug 0,35 Pa·s für die mit Tween 20° angereicherte
Variante (Beispiel 5) und 0,25 Pa·s für die Variante, die Tween 60° enthielt
(Beispiel 5). Zum Vergleich zeigte eine ähnlich behandelte Milch, jedoch
ohne Zugabe von Tween, eine scheinbare Viskosität von 0,57 Pa·s.
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Beispiele 6 bis 9
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150,
220 oder 250 mg der verschiedenen gereinigten sauren Phospholipide
wurden getrennt zu 500 g Proben von pasteurisierter und homogenisierter
Vollmilch zugegeben. Die resultierenden, mit Phospholipiden angereicherten
Milchproben wurden auf 60 °C
erhitzt und bei 180 bar in einer Stufe homogenisiert. Im Anschluss
an die Homogenisierung wurden die Milchproben in einen Rotations-Vakuumverdampfer
auf 60% Trockenmassegehalt konzentriert.
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Die
scheinbare Viskosität
der Konzentrate wurde wie folgt gemessen: Die Probe wurde in einem
Dewar-Isotherm-Kolben
gegeben, der mit Wasser auf 55 °C
vorerhitzt war. Das Dewar-Gefäß war mit
einer Aluminiumfolie bedeckt. Etwa 5 ml Probe wurden für jede Viskositätsmessung
entnommen, die durchgeführt
wurde mit einem Haake RS100-Rheometer, eingestellt bei 45 °C auf Scherraten
von 0 bis 500 s–1. Messungen wurden
dreifach wiederholt, und für
jede Messung wurde eine frische Probe aus der konzentrierten Milch
entnommen, die in dem Dewar-Gefäß aufbewahrt
wurde. Die Viskosität
in diesen Proben wurde mit der einer pasteurisierten Milch verglichen,
die auf 60% Trockenmasse konzentriert wurde (Referenzprobe).
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Die
Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1
| Beispiel | Phospholipid | Molare Dichte1) | Viskosität bei 500
s–1 (Pa·s) |
| 6 | Nathin
3KE2 ) | - | 0,07 |
| 7 | 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-phosphat (Na-Salz)3)4) | 133 | 0,03 |
| 8 | 1,2-Dioleoyl-sn-glycero-3-[phospho-L-serin]
(Na-Salz)3)5) | 120 | 0,09 |
| 9 | L-α-Phosphatidylinosit
(Pflanzlich)5)6) | 113 | 0,07 |
| Referenzprobe | - | - | 0,15 |
- Legende:
- 1) Molare Dichte von reinem Phospholipid (PL); d.h. μmol PPL/100
mg PL
- 2) Nathin 3KE von Stern, Deutschland, pulverisiertes entöltes Lecithin,
reich an sauren Phospolipiden, 200 mg
- 3) 200 mg
- 4) In Chloroform
- 5) Lyophilisiert
- 6) 150 mg
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Die
in den Beispielen 6 bis 9 verwendeten sauren Phospholipide wurden
unter Verwendung von Maltodextrin und Lösemitteln instantisiert. Diese
Spezies wurden geliefert von Avanti Polar Lipids Inc. (Birmingham,
AL, USA), gefroren in festem CO2 als schneeweiße Pulver
oder gelöst
in Chloroform.