DE60314810T2

DE60314810T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Käse aus Milch

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Publication number: DE60314810T2
Application number: DE60314810T
Authority: DE
Inventors: Johannes Martinus Maria Cruijsen; Johannes Adrianus Henricus Petrus Bastiaans; Domenicus Jitte Flapper; Everhardus Jacobus Franciscus Van Arem
Original assignee: Friesland Brands BV
Current assignee: FrieslandCampina Nederland BV
Priority date: 2002-08-07
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2023-07-31
Also published as: ATE366517T1; NL1021232C2; DE60314810D1; EP1388291A1; ES2286381T3; EP1388291B1; DK1388291T3

Description

Die Übersetzung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Käse, insbesondere von hartem oder halbweichem Käse. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Käse. Insbesondere ist das Ziel auf die Qualität und die Effizienz bei einem durchgehenden Käseherstellungsprozess gerichtet.
Verfahren und Vorrichtungen zur Vorherstellung von Käse sind aus der Praxis weitläufig bekannt. Im Allgemeinen wird Käse dadurch hergestellt, dass aus Milch mit Rennin (Lab) eine Mischung aus geronnener Milch (Topfen) und Molke (Milchserum) zubereitet wird, die Molke danach abgeschüttet wird und dann aus der geronnen Milch junger Käse geformt wird.
Käse besteht insbesondere aus den festen Bestandteilen der Milch: Fett, Proteine, Vitamine und Mineralstoffe. Dies äußert sich auch durch die Abnahme des Volumens. Ungefähr 10 Kilo Milch sind notwendig, um ein Kilo Käse herzustellen. Im folgenden kann der junge Käse einer Salzlaugenbehandlung unterzogen werden, indem er für eine gewisse Zeit in ein Salzlaugenbad gebracht wird. Nachdem er die Salzlaugenbehandlung erhalten hat, wird der junge Käse gewöhnlich in einem Käselagerhaus aufbewahrt, um einen kontrollierten Reifungsvorgang zu durchlaufen.
Die Zusammensetzung des Käses ändert sich während des Prozesses. Der Feuchtigkeitsgehalt sinkt vom Anfang des Prozesses nach dem Formen, danach im Salzlaugenbad und dann während der Reifung. Ein vier Wochen alter Gouda-Käse enthält ungefähr 60% Trockenmasse.
In industriellem Ausmaß wird eine (große) Anzahl von Käse in Chargen gleichzeitig hergestellt, zumindest innerhalb einer kurzen Zeitspanne. Trotz des chargenweisen Ansatzes ist jedoch der Herstellungsvorgang im Allgemeinen, und der Reifungsvorgang im Besonderen, für jeden Käse in der Charge unterschiedlich. Insbesondere gibt es in jedem Käse eine Variation des Feuchtigkeitsgehalts, der von den direkten Umgebungsbedingungen mit abhängig ist, wie z.B. von der Temperatur und der relativen Feuchtigkeit. Darüber hinaus ist der Reifungsvorgang jedes einzelnen Käses in der Charge abhängig von der Lagerungsposition im Lagerhaus. Während des Reifungsvorgangs einer Charge von Käse im genannten Lagerhaus wechseln daher die Käse ihre Lagerposition regelmäßig, um so in der Charge eine möglichst gleichmäßige Qualität der Käse zu erzielen.
Während der Käseherstellung ist eine gute Kontrolle des Feuchtigkeitsgehalts in jedem Käse von hoher Bedeutung. Dies liegt daran, dass der Feuchtigkeitsgehalt einen großen Einfluss auf die Qualität und die Effizienz in der Käseherstellung besitzt. Um diesen Aspekt der Käseherstellung in industriellem Ausmaß unter Kontrolle zu bekommen, wird in der industriellen Praxis ein detailliertes Käsemanagementsystem verwendet. Gemäß diesem System wird pro Charge zu einem frühen Stadium; d.h. bevor der junge Käse die Salzlaugenbehandlung erfährt, eine Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts des jungen Käses getroffen, wenn er eine bestimmte Anzahl von Tagen alt ist (in den Niederlanden wird aufgrund des Gesetzes zur Qualität in der Landwirtschaft(Agricultural Quality Act) ein Zeitraum von 14 Tagen gehandhabt), und zwar auf der Basis des Gewichts des jungen Käses, des Proteingehalts und des Fettgehalts der Milch des Käses und den Umwandlungsfaktoren für Protein und Fett aus der Milch in den Käse. Es erweist sich als schwierig, das Verhältnis zwischen dem Gewicht des jungen Käses und den Umwandlungsfaktoren zu bestimmen. Somit kann eine Gewichtszunahme des jungen Käses bedeuten, dass der Feuchtigkeitsgehalt im Käse zugenommen hat, es kann jedoch auch bedeuten, dass die Umwandlung von Protein oder Fetten sich geändert hat. Es gilt weiter, dass die Umwandlungsfaktoren unter anderem von der Käseart, der Jahreszeit und der Käsezubereitung abhängig sind. Als Ergebnis dieser Abhängigkeiten und des kaum bestimmbaren Verhältnisses zwischen dem Gewicht des Käses und den Umwandlungsfaktoren ist die Vorhersage ungenau.
In dem genannten Käsemanagementsystem wird vom Feuchtigkeitsgehalt Gebrauch gemacht, der in einem jungen Käse der Charge bei einem Alter von 14 Tagen gemäß einer destruktiven Messmethode gemessen wird, und zwar auf Grundlage des genannten Gesetztes zur Qualität in der Landwirtschaft (Agricultural Quality Act) in den Niederlanden. Genauer gesagt wird bei dieser Messmethode eine Probe aus einem Käse entnommen, oft von Mitarbeitern eines staatlichen Kontrolldienstes, worauf der Feuchtigkeitsgehalt der Probe in einem Kontrolllabor bestimmt wird. Diese tatsächliche Bestimmung kann als eine Auswertung des vorhergesagten Werts verwendet werden.
Ein Nachteil dieses bekannten Käsemanagementsystems ist, dass es nicht möglich ist, den Prozess der Käseherstellung in einem frühen Stadium auf zuverlässige Weise zu kontrollieren. Denn erst nach mehr als 14 Tagen sind die tatsächlichen Messergebnisse, die der Vorhersage eine höhere Zuverlässigkeit verleihen, erhältlich. D.h., dass die vorhergesagten Werte aufgrund ihrer relativ großen Ungenauigkeit ungenügende Anhaltspunkte für den Feuchtigkeitsgehalt liefern, um mit ausreichender Sicherheit den Käseherstellungsprozess in einem sehr frühen Stadium zu ändern oder anzupassen. Des Weiteren ist es nicht möglich, den Käseherstellungsprozess in einem frühen Stadium auf Grundlage der tatsächlich durchgeführten Messungen durchzuführen, da der junge Käse hinsichtlich der Konsistenz und der Feuchtigkeitsverteilung noch nicht sehr dafür geeignet ist. Erst nach einer Anzahl von Tagen ist eine direkte Messung möglich, in denen noch dazu der Käse verloren geht. Die Messergebnisse sind daher erst nach einigen Tagen bekannt, sodass auf ihrer Grundlage auch keine direkte Anpassung des Vorgangs der Käseherstellung möglich ist. Dies bedeutet, dass in der Regel große Posten an Käse bereits hergestellt wurden, bevor die Anpassung des Prozesses stattfinden kann.
Der Vollständigkeit halber wird des Weiteren angemerkt, dass es zu Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts des Käses praktisch nicht möglich ist, Proben aus dem jungen Käse zu entnehmen, bevor er die Salzlaugenbehandlung erfährt, da zu diesem Stadium der junge Käse hauptsächlich aus einer stark inhomogenen Substanz besteht, die immer noch wenig Struktur und Kohärenz besitzt.
Ein weiterer Nachteil des eingesetzten Messverfahrens gemäß diesem bekannten Käsemanagementsystems ist, dass durch die Entnahme einer Probe aus dem Käse nicht nur der kommerzielle Wert des einzelnen Käses verloren geht, sondern dass für jeden Käse in der Charge andere Werte gelten. Aufgrund der individuellen Unterschiede in den Käsen besitzt die Messmethode daher den Nachteil, dass sie nicht ausreichend genau ist; die Probe muss nicht für die gesamte Charge oder die Tagesherstellung des Käses bezeichnend sein.
Beispiele von spekulativen und noch nicht entwickelten Verfahren, in denen Messungen an bereits zu einem gewissen Grad gereiften Käsen vorgenommen werden, wobei die Messungen daher als destruktive Messungen gelten, werden im Folgenden beschrieben.
In dem Artikel in Food Marketing and Technology 16 (4) August 2002, Seiten 33 bis 34 und 36 beschreibt Millard Messungen mit Nahinfrarottechnologie. Der Artikel ist auf die Kontrolle und Beobachtung des Feuchtigkeitsgehaltes aller Arten von Lebensmitteln mithilfe von Nahinfrarotstrahlung gerichtet. Es wird ausgeführt, dass das on-line zu messende Material pulverförmig, kristallin, faserförmig oder flockenartig sein muss, was auf Transmissionsmessungen hindeutet. Es wird auf Messungen von Käse Bezug genommen, in denen neben dem Feuchtigkeitsgehalt auch wahlweise der Fett- und Proteingehalt bestimmt werden kann. Viele Details werden nicht gegeben. Diese Messungen werden at-line durchgeführt. Die Form, welche die Probe besitzen muss, erfordert, dass die Messung nur durchgeführt werden kann, wenn der Käse eine bestimmte feste Konsistenz besitzt. Dies und die Tatsache, dass die Messung nicht on-line sondern at-line durchgeführt wird, deutet auf eine destruktive Messung hin.
Im Übrigen schlägt auch die EP-A-0 038 254 ein Verfahren vor. Die EP-A-0 038 254 offenbart ein Verfahren, bei dem unter anderem Nahinfrarot-Messungen von geronnener Milch in einem Seitenstrom des primären Käseherstellungsprozesses durchgeführt werden.
Ein anonymer Artikel in Dairy Industries International, Teil 64, Nr. 4 (1996), Seite 21, führt auch aus, dass Nahinfrarotmessungen nur an Käse im fertigen Zustand durchgeführt werden. Es wird auf verpackten Käse Bezug genommen, und die auf dem Foto gezeigte Ausführungsform verwendet geriebenen Käse.
Der Abstract Nr. 87-1-04-p0039 in der Datenbank FSTA „on line", der auf einen Artikel von Brenne in Meieriposten, 73, Nr. 14/15 (1984), Seiten 410 bis 413 verweist, bezieht sich auf Analysen von getrockneter Milch und getrockneten Milchprodukten. Feuchtigkeits-, Fett- und Proteinmessungen können daran mit Nahinfrarot-Reflexionstechniken durchgeführt werden. Es wird spekuliert, dass diese Technik in der Zukunft für die Produktionskontrolle für beispielsweise Käsezubereitungen nützlich sein kann. Es wird bestenfalls eine destruktive Messmethode vorgeschlagen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Käse bereitzustellen, bei denen in einem frühen Stadium des Herstellungsprozesses der Feuchtigkeitsgehalt des jungen Käses auf genaue, zumindest genauere Weise bestimmt werden kann, sodass der Prozess der Käseherstellung auf zuverlässige Weise in einem frühen Stadium gesteuert werden kann. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, den Feuchtigkeitsgehalt einer ersten Charge von Käsen auf ausreichend genaue Weise zu bestimmen und auf Grundlage dieses bestimmten Feuchtigkeitsgehalts den Prozess der Käseherstellung für die nächste Charge von Käsen anzupassen oder anderweitig zu steuern.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass ein junger Käse einer nicht-destruktiven Feuchtigkeitsmessung unterzogen wird, bevor die Salzlaugenbehandlung stattfindet. Die Erfindung macht es in einem frühen Stadium der Herstellung möglich, Informationen über den Feuchtigkeitsgehalt des Käses vor der Laugenbehandlung bereitzustellen, nach welcher und mit welcher es möglich wird, den Prozess der Käseherstellung in einem relativ frühen Stadium anzupassen. Es gilt weiter, dass der junge Käse durch die Messung nicht verloren geht, da die Messung nicht-destruktiv ist, sodass eine relative große Anzahl an Messungen ohne die Schwierigkeit durchgeführt werden können, eine verlässliche Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts zu erhalten. Darüber hinaus kann die Messung durchgeführt werden, ohne Kontakt mit dem jungen Käse zu erfordern, mit all den dazugehörigen Vorteilen. Im Fall einer Charge junger Käse ist es zumindest prinzipiell möglich, an jedem jungen Käse eine oder mehrere Feuchtigkeitsmessungen durchzuführen. Dies trägt nicht nur zur Zuverlässigkeit der Bestimmung bei, sondern kann auch Einsicht in die Verteilung des Feuchtigkeitsgehalts über die verschiedenen jungen Käse in der Charge geben.
Insbesondere wenn Messungen an jedem Käse durchgeführt werden, macht es das Verfahren auf diese Weise möglich, besser eine konstante und hohe Qualität sicherzustellen. Das Risiko von abweichendem Feuchtigkeitsgehalt wird verringert und somit auch das Risiko von Rissbildungen im Querschnitt des Käses; von Schimmelbildung; von Abweichungen in der Konsistenz, wie zu große Nachgiebigkeit oder Weichheit; und von Geschmacksabweichungen, insbesondere zum Sauren und zum Bitteren.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird das nicht destruktive Messverfahren durchgeführt, indem infrarote Reflexionsspektroskopie und bevorzugt nahinfrarote Reflexionsspektroskopie verwendet wird.
Im Übrigen weist der Abstract Nr. 1999-00-p1350 in Datenbank FSTA „on line", der sich auf eine Veröffentlichung von Sorensen und Jepsen im International Dairy Journal 8 (10.11)(1998), Seite 863 bis 871 bezieht, auf die Verwendung von Nahinfrarotspektroskopie hin, um eine Vorhersage der Konsistenz und der Geschmackseigenschaften von Danbo-Käse zu treffen. Die einer Messung unterzogenen Käse sind 5, 7, 9 und 11 Wochen alt. Reflexionsmessungen ergaben bessere Ergebnisse als Transmissionsmessungen. Die Aufgabe der Messungen und der Messezeitpunkt unterscheiden sich vom vorliegenden Verfahren.
Des Weiteren lehrt die EP-A-0 668 020 die Verwendung von Mikrowellen zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts in „Schmelzkäse".
Die FR-A-2 663 747 offenbart die Beobachtung des Lab-Vorgangs in Milch, bei dem unter anderem Infrarotmessungen durchgeführt werden können.
Schließlich wird auf eine Arbeit von Dahlin verwiesen, die auf der „Second Biennial Marschall ... International Cheese Conference" vorgetragen wurde, welche vom 15. bis 18. September 1981 in Madison, Wisconsin (USA) gehalten wurde, und die in den „Proceedings from the Second Biennial Marschall International Cheese Conference" G (1981), Zikonix Corp., 224, Santa Ana Court, Sunnyvale, California 94086, USA, Seiten 362 bis 368 abgedruckt ist.
Dahlin macht zwei Vorschläge für Steuerungssysteme für den Käseherstellungsprozess, die noch weiter entwickelt werden müssen. Der erste Vorschlag bezieht sich auf die nicht herkömmliche, stetige Herstellung von Käse unter Verwendung eines Molke-Trennturms und einer Trocknungsvorrichtung. In diesem Vorschlag wird der Feuchtigkeitsgehalt zweimal mit Röntgenstrahlenreflexion durch den Hauptteil des blockförmigen Käses bestimmt, bevor ein Laugenbehandlungsschritt durch Laugeneinspritzung durchgeführt wird. Die erste Messung wird durchgeführt, nachdem der Käse beim Verlassen des Molke-Trennturms geformt wurde. Der gefundene Wert wird direkt zum Computer zurückgemeldet, der die Temperatur im Fermentationsgefäß steuert. Die zweite Messung wird nach der Trocknungsvorrichtung durchgeführt. Das ermittelte Signal führt zu einer Anpassung der Trocknungszeit.
Die einzige Sache, welche das (experimentelle) Messsystem im Übrigen zuzulassen scheint, ist eine direkte Feuchtigkeitsmessung und die Rückmeldung zum darauffolgenden Käseherstellungsschritt bei einem speziellen Verfahren zur Käeseherstellung, um den Feuchtigkeitsgehalt anzupassen. Jede Verbindung mit der zukünftigen Entwicklung des Feuchtigkeitsgehalts fehlt.
Der zweite Vorschlag bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Cheddar. Diese Verfahren ist auf die Messung des Salzgehalts gerichtet.
Das Verfahren gemäß der Erfindung mach es möglich, das Käseherstellungsverfahren auf Grundlage des für jungen Käse vor der Laugebehandlung bestimmten Feuchtigkeitsgehalts anzupassen. Daraus folgt, dass es möglich wird, den Feuchtigkeitsgehalt des Käses auf relativ genaue Weise zu bestimmen oder zu steuern. Dies besitzt direkten Einfluss auf die Effizienz der Käseherstellung im Vergleich mit bekannten Verfahren und bildet daher eine wichtige Verbesserung davon, was mit den bekannten Käsemanagementsystemen möglich ist. Um Käsespezialitäten mit hoher Wertschöpfung herzustellen, muss der Feuchtigkeitsgehalt in relativ engen Toleranzgrenzen gesteuert werden können. Das Verfahren gemäß der Erfindung ist daher zur Herstellung solcher Käsespezialitäten geeignet. In diesem Zusammenhang können insbesondere Käsearten wie Kollumer, Slankie und Cantenaar in Betracht gezogen werden. Jedoch ist auch für die Herstellung von „Standardkäse” in großem Ausmaß, wie z.B. Gouda, Edammer und Maasdammer-Käse, eine Steuerung innerhalb enger Grenzwerte ebenfalls (wirtschaftlich) sehr wichtig.
Die Möglichkeit, den Feuchtigkeitsgehalt der Käse genau zu steuern, besitzt den weiteren Vorteil, dass die Konsequenzen einer Abweichung des Feuchtigkeitsgehalts im Käse, wie z.B. die Spaltbildung, die Bildung von Schimmel, Abweichungen in der Konsistenz und Abweichungen in Geschmack verhindert werden.
Darüber hinaus kann die genaue Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts des Käses verhindern, dass Regierungsbehörden, wie z.B. in den Niederlanden das Centraal Orgaan-Kwaliteitsaangelegenheden in de Zuivel (COKZ) (niederländische Kontrollbehörde für Milch und Milchprodukte), dem Käsehersteller Strafen auferlegen, weil er die festgelegten Grenzwerte für den Feuchtigkeitsgehalt der hergestellten Käse überschreitet, oder sie kann verhindern, dass anderweitiger wirtschaftlicher Schaden entsteht, z.B. durch Zurückweisung der Käseposten.
In einer Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung umfasst die nicht-destruktive Feuchtigkeitsmessung eine Reflexionsmessung von mindestens einer Reflexion eines auf den jungen Käse gerichteten Lichtstrahls, z.B. eines Infrarotlichtstrahls und bevorzugt eines Nahinfrarotlichtstrahls.
Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist eine von der Infrarotspektroskopie (IR) abgeleitete Technik und basiert auf dem Prinzip, dass organische Molekülverbindungen mithilfe von Nahinfrarotlicht in Vibrationen versetzt werden. Die unterschiedlichen Verbindungen absorbieren Licht bei charakteristischen Wellenlängen, sodass eine qualitative Analyse möglich ist. Im nahinfraroten Wellenlängenbereich (1.100 bis 2.500 nm) können unter anderem die harmonischen Oberschwingungen und Kombinationen der Vibrationen von Proteinen (-N-H), Wasser (-O-H) und Fett (-C-H) gemessen werden. Indem die Intensität des (diffus) reflektierten Lichts gemessen wird, können auch qualitative Unterschiede mithilfe von Reflexions-NIRS bestimmt werden.
Genauer gesagt kann der Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käse auf Grundlage der gemessenen Reflexion und eines vorbestimmten Kalibrierungsmodells bestimmt werden. Das Kalibrierungsmodell gibt einen Zusammenhang zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käse und der Reflexion des Lichtstrahls, wie z.B. des Infrarotlichtstrahls.
Da der Grad der Reflexion/Transmission nicht nur von der chemischen Zusammensetzung des Produkts bestimmt wird, sondern auch von den strukturellen Eigenschaften des Produkts (Partikelgröße, -form und -dichte) muss ein ausgedehnter Satz von Kalibrierungsproben gesammelt werden. Dann werden mithilfe von Rechentechniken (MLR, PLS, ANN) Modelle aufgestellt, mit denen unbekannte Proben auf zuverlässige quantitative Weise bestimmt werden können. Zu diesem Zweck wird auf Scheutelkamp und Frankhuizen, VMT Nr. 1/2 (2001), Seiten 41 bis 43 verwiesen.
Ein Beispiel eines Kalibrierungsmodells ist eine Kalibrierungslinie. Das genannte Kalibrierungsmodell kann z.B. auf Grundlage des Verhältnisses zwischen der Reflexion des (infraroten) Lichtstrahls von einem Eindringbereich des Strahls in den Käse, der Zusammensetzung des Käses im Eindringbereich, der Zusammensetzung des gesamten Käses und Umgebungsfaktoren, wie z.B. jahreszeitlichen Einflüssen bestimmt werden. Im Zuge eines Beispiels wird die Erfindung im Folgenden detaillierter für Nahinfrarotmessungen erläutert.
Abhängig von der Intensität der Strahlungsquelle wird der Nahinfrarotlichtstrahl im Allgemeinen nicht viel tiefer in den jungen Käse eindringen als ungefähr 4 cm. Das Verhältnis zwischen der Reflexion des infraroten Lichtstrahls vom Eindringbereich, der Zusammensetzung des Käses im Eindringbereich und der Zusammensetzung im gesamten Käse kann auf Grundlage von Experimenten bestimmt werden, bevor die Herstellung des Käses in industriellem Ausmaß stattfindet, wobei das Verhältnis auf Grundlage der während der Herstellung in industriellem Ausmaß durchgeführten Messungen angepasst werden kann.
Für diese Messung kann ein Nahinfrarot-Lichtstrahl mit nahinfrarotem Licht in dem Spektrum verwendet werden, das von den Wellenlängen 400 bis 2.500 nm bestimmt ist. Insbesondere haben die vorliegenden Erfinder sehr gute Ergebnisse aus Messungen im Bereich um die Wellenlänge 1.940 nm des charakteristischen O-H-Kombinationsbands und dessen harmonischen Oberschwingungen erhalten, wobei die jeweiligen Wellenlängen im Bereich von 1.450 nm, 980 nm und 750 nm liegen.
Entsprechend einer Ausführungsform eines Verfahrens gemäß der Erfindung gilt, dass auf Grundlage der nicht destruktiven Feuchtigkeitsmessung, z. B. mit einem Voraussagemodell, nach einem Zeitraum von einer spezifischen Anzahl von Tagen nach Beginn der Herstellung des jungen Käses ein Wert für den Feuchtigkeitsgehalt des jungen Käses bestimmt wird. Diese Bestimmung wird mit einem vorbestimmten Bezugswert verglichen. Die Wertbestimmung ist eine Funktion einer Anzahl von Parametern, oder verwendet diese zumindest, wie z. B. die Zusammensetzung des Käses, der Zeitraum, über welchen eine Vorhersage gemacht wird, die Umgebungsbedingungen, wie z. B. Temperatur und Feuchtigkeit. Z. B. kann als Vorhersagemodell ein lineares Multiregressionsmodell verwendet werden (ein Beispiel dafür ist ein PLS-Modell (Partial Least Squares Model, Modell der partiellen Quadrate) mit vier Faktoren). Dieses PLS-Modell ist eine Beschreibung des Vorhersagemodells, eine fortgeschrittene Art von „Kalibrierungslinie" im Computer.
Oft wird – zumindest in den Niederlanden der genannte Zeitraum von einer Anzahl von Tagen 14 Tage lang sein, so dass die Vorhersage für den Moment gilt, wenn Regierungsbehörden, wie z. B. die COKZ, aus einigen Käsen der jeweilige Charge Proben entnehmen und (destruktive) Feuchtigkeitsmessungen daran durchführen. In diesem Fall ist der vorbestimmte Bezugswert im Idealfall gleich dem oder in der Nähe des gemessenen Werts für den Feuchtigkeitsgehalt des Käses. Bevorzugt gilt, dass gemäß des Verfahrens gemäß der Erfindung eine erste Charge der jungen Käse hergestellt wird, während die Vorhersage für mindestens einen jungen Käse der ersten Charge mit dem Bezugswert verglichen wird, wonach eine zweite Charge von jungen Käsen hergestellt wird, während, wenn die genannte Vorhersage in Bezug auf den genannten Bezugswert eine Abweichung besitzt, die größer als eine vorbestimmte Toleranz ist, die Herstellung der jungen Käse der zweiten Charge auf Grundlage der Vorhersage und des Bezugswert angepasst wird. Es ist z. B. möglich, dass wenn die Vorhersage größer als der Bezugswert ist, eine zusätzliche Menge an Molke aus der Mischung der jungen Käse der zweiten Charge herausgepresst wird, so dass der Feuchtigkeitsgehalt der jungen Käse der zweiten Charge vor der Laugenbehandlung in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt der jungen Käse der ersten Charge vor der Laugenbehandlung verringert wird.
Entsprechend einer fortgeschrittenen Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung gilt, dass mindestens in der Praxis jeder hergestellte junge Käse einer oder mehreren nicht-destruktiven Feuchtigkeitsmessungen unterzogen wird. Gemäß dieser Ausführungsform kann eine genaue Analyse sowie Statistiken über die Verteilung des Feuchtigkeitsgehalts der unterschiedlichen Käse einer Charge durchgeführt werden. Detaillierte Informationen in Bezug auf die Verteilung des Feuchtigkeitsgehalts der unterschiedlichen Käse können weitere Einsichten in den Herstellungsprozess gewähren und zu Verbesserungen des Prozesses zur Käseherstellung führen.
Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Käse, die eine Anzahl von Formen zur Aufnahme von geronnener Milch, ein Presssystem zum Einpressen der geronnen Milch in die jeweiligen Formen zur Herstellung von jungen Käsen in den Formen, ein Salzlaugenbad für die Laugenbehandlung der jungen Käse und eine Messsystem für die nicht destruktive Messung des Feuchtigkeitsgehalts der Charge der jungen Käse umfasst, wobei das Messsystem mit mindestens einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls und mindestens einem Sensor zur Messung einer Reflexion des Lichtstrahls auf dem vom Lichtstrahl bestrahlen jungen Käse versehen ist. Mit dieser Vorrichtung kann das Verfahren gemäß der Erfindung durchgeführt werden.
Bevorzugt ist das Messsystem ein Nahinfrarotmesssystem, die Lichtquelle ist eine Nahinfrarotlichtquelle und der Lichtstrahl ist ein Nahinfrarotlichtstrahl. Das Nahinfrarotmesssystem kann ein Mehrkanal-Spektrofotometer oder ein Spektrometer mit Filtern umfassen. Mit solch einem Messsystem kann ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis mit einer Messzeit von wenigen Sekunden erhalten werden, z. B. 5–15 Sekunden. Mit dem Messsystem kann der Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käse auf hygienische, berührungslose Weise gemäß einem nicht-destruktiven Messverfahren bestimmt werden.
Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung auch mit einem Computersystem versehen ist, um den Feuchtigkeitsgehalt der Käse auf Grundlage der Reflexionsmessungen der bestrahlten jungen Käse und eines Kalibrationsmodells zu bestimmen, das zuvor in das Computersystem eingegeben wurde. Auf Grundlage des bestimmten Feuchtigkeitsgehalts der Charge kann der Feuchtigkeitsgehalt einer nächsten Charge vom Computersystem gesteuert werden, indem z. B. das Zuführsystem der geronnen Milch und/oder das Presssystem der Vorrichtung gesteuert werden. Auf diese Weise wird eine stark automatisierte Herstellungsanlage für Käse mit einer sehr kurzen Rückmeldezeit erhalten. Dies macht es möglich, mit hoher Zuverlässigkeit eine genaue Steuerung des Feuchtigkeitsgehalts der Käse zu erzielen. Das Computersystem kann so gestaltet sein, dass mögliche destruktive Messergebnisse der Feuchtigkeitswerte von beispielsweise 14 Tage altem Käse eingegeben und verarbeitet werden. Das Computersystem kann diese eingegebenen Messungen mit den vom Computersystem bestimmten Vorhersagen vergleichen und im Fall von strukturellen Abweichungen eine Modellanpassung und/oder Parameteranpassungen des Vorhersagemodells realisieren.
Die Erfindung wird nun detaillierter mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert, in denen:
1a eine diagrammatische perspektivische Darstellung der Herstellung einer Charge von jungen Käsen ist, während geronnene Milch von Zuführsystemen in eine Anzahl von Formen gebracht wird;
1b eine diagrammatische perspektivische Darstellung der Charge nach 1a ist, die ein Presssystem zum Einpressen der Mischung in die jeweiligen Formen zeigt;
1c eine diagrammatische perspektivische Darstellung eines Infrarotmesssystems zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts eines jungen Käses aus der Charge von Käsen gemäß 1a ist;
2 eine diagrammatische Seitenansicht eines Infrarotmesssystems zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts eines jungen Käses ist;
3 einen Teil einer Vorrichtung zur Herstellung von Käse gemäß der Erfindung zeigt, in dem das Infrarotmesssystem mit einem Computersystem der Vorrichtung gekoppelt ist;
4 eine Draufsicht eines Käses zeigt, auf dem neun Messpositionen für Reflexionsmessungen gezeigt sind;
5 ein Histgramm zeigt, in dem Messungen der relativen Feuchtigkeit der Käse in einer Charge von Käsen dargestellt sind;
6 ein Histogramm zeigt, in dem Messungen der relativen Feuchtigkeit der Käse in einer Charge von Käsen gezeigt sind; und
7 eine mögliche Ausführungsform einer Messvorrichtung mit einem Messsystem gemäß der Erfindung zeigt.
In 1a–1c sind eine Anzahl von Schritten für ein bekanntes Verfahren zur Herstellung von Käse 2 aus Käsemilch diagrammatisch gezeigt, wobei die Käsemilch unter Einfluss des Labs (Rennins) eine Mischung 4 aus mindestens geronnener Milch und Molke ergibt. Wie in 1a gezeigt, wird die drainierte geronnene Milch über Zuführrohre des Zuführsystems 6 weg geleitet, um jeweils drei Formen 8 zu füllen. In dieser beispielhaften Ausführungsform sind die Formen 8 in einer Drainagewanne 10 ausgebildet. In diesem Beispiel ist die Drainagewanne 10 auf einem Förderband 12 platziert, mit welchem sie nach Befüllung der Formen mit der Mischung zu einem Presssystem 14 bewegt werden kann, um die Mischung in die jeweiligen Formen einzupressen (siehe 1b). In dieser beispielhaften Ausführungsform umfasst das Presssystem 14 drei Kolben, an denen Presskörper 13 befestigt sind, um die Mischung in jeweilige Formen zu pressen. Durch Pressen wird in diesem Fall eine Charge von drei jungen Käsen gebildet. Nach Entnahme der Käse werden sie vom Förderband 12 zu einem Nahinfrarotmesssystem 15 befördert, wie in 1c gezeigt. Durch das Nahinfrarotmesssystem kann jeder junge Käse einer nicht destruktiven Feuchtigkeitsmessung unterzogen werden, um den Feuchtigkeitsgehalt des jungen Käses zu bestimmen. Auf diese Weise kann der Feuchtigkeitsgehalt der Charge von jungen Käsen auf relativ genaue Weise bestimmt werden, wonach der Käse einer nicht gezeigten Laugenbehandlung unterzogen werden kann, indem in der Regel die Käse in ein Salzlaugenbad eingetaucht werden. Nach der Laugenbehandlung der Charge von jungen Käsen kann die Charge in einem Käselagerhaus zum weiteren Reifungsprozess gelagert werden.
In 2 ist das Nahinfrarotmesssystem 15 zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts der jungen Käse 2 detaillierter gezeigt. In diesem Beispiel ist das Nahinfrarotmesssystem 15 mit einer Nahinfrarotlichtquelle 18 versehen. Die Nahinfrarotlichtquelle 18 kann einen Nahinfrarotlichtstrahl 20 erzeugen, welcher auf den Käse 2 gerichtet wird. Des Weiteren umfasst das Infrarotmesssystem einen Nahinfrarotsensor 22 zur Messung der Reflexion 24 des Nahinfrarotlichtstrahls 20 am Käse.
Für den Nahinfrarotlichtstrahl 18 des Nahinfrarotmesssystems 15 kann ein Spektrum verwendet werden, welches mindestens im Wellenlängenintervall 400–2500 nm definiert ist. Mit solchen infraroten Lichtstrahlen kann eine Eindringtiefe von ungefähr 4 cm im Käse 2 erhalten werden. Vom gesamten Eindringbereich in den Käse gehen Reflexionen des auf den jungen Käse gerichteten Nahinfrarotlichtstrahls 20 aus, wobei die Reflexionen mit dem Sensor 22 des Messsystems 15 gemessen werden können. Da Reflexionen vom gesamten Eindringbereich gemessen werden, ergibt sich eine gewisse Mittelung über diesen Bereich. Dies erhöht die Zuverlässigkeit der Messungen für Verwendungen wie z. B. die Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts im gesamten Käse. Der Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käse wird bestimmt, indem die gemessenen Reflexionen mit vorbestimmten Kalibrierungsmodellen verglichen werden. Die Kalibrierungsmodelle ergeben einen Zusammenhang zwischen den Reflexionen eines infraroten Lichtstrahls und dem Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käse. Diese Kalibrierungsmodelle werden experimentell bestimmt, bevor der Prozess der industriellen Käseherstellung stattfindet. Für eine spezifische Wellenlänge im infraroten Spektrum wird gemessen, was die Reflexionsintensität eines mit einer bestimmten Intensität einfallenden Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des jungen Käses im Eindringbereich des infraroten Lichtstrahls ist. Des Weiteren wird in diesen Experimenten der Zusammenhang zwischen der Zusammensetzung des Käses im Eindringbereich und der Zusammensetzung des gesamten Käses bestimmt. Diese letzte Beziehung ist wichtig, da in diesem Stadium der junge Käse stark inhomogen und relativ fließend ist.
Wie in 2 diagrammatisch gezeigt ist, kann die Zuverlässigkeit der Feuchtigkeitsbestimmung (verglichen mit einer Messsituation mit einem Infrarotlichtstrahl lediglich an einer Stelle) erhöht werden, indem Nahinfrarotreflexionsmessungen an mehreren Stellen durchgeführt werden, z. B. indem mehrere Infrarotlichtstrahlen 20 bevorzugt gleichzeitig auf den jungen Käse 2 gerichtet werden und die zugehörigen Reflexionen 24 gemessen werden. Auf diese Weise werden Messungen an unterschiedlichen Stellen im Käse durchgeführt, so dass Variationen in der Zusammensetzung gemittelt werden können. Eine weitere Mittelung kann erhalten werden, indem das Förderband 12 während der Messungen mit einer fixierten, reproduzierbaren Geschwindigkeit bewegt wird. Es wird bemerkt, dass die jeweiligen Lichtstrahlen 20.i (i = 1, 2, 3) unterschiedlichen Frequenzen im infraroten Spektrum besitzen können, um ein fortgeschrittenes Messsystem zu erhalten. Es ist z. B. möglich, dem Lichtstrahl 20.1 eine Wellenlänge von 1940 nm in Entsprechung mit einer Erregungsfrequenz des O-H-Kombinationsbands zu verleihen und dem Lichtstrahl 20.2 eine Wellenlänge von 1450 nm (in Übereinstimmung mit einer ersten harmonischen Oberschwingung des O-H-Kombinationsbands) zu geben und schließlich dem dritten Lichtstrahl 20.3 eine Wellenlänge von 980 nm (entsprechend einer zweiten harmonischen Oberschwingung des O-H-Kombinationsbands) zu geben. Danach ist es möglich, die jeweiligen Infrarotsensoren 22.i (i = 1, 2, 3) mit jeweiligen Filtern zu versehen, so dass jeder der Sensoren nur in einem begrenzten und z. B. verschiedenen Frequenzband empfindlich ist. Auf diese Weise können Paare von Lichtquellen 18.i und zugehörigen Sensoren 22.i (i = 1, 2, 3) gebildet werden.
Statt den oben besprochenen spezifischen Wellenlängen der jeweiligen Lichtstrahlen 20.i ist es auch möglich andere Wellenlängen für die Feuchtigkeitsmessung zu wählen. Der Ausgangspunkt bei dieser wird jener sein, das zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts von neu geformten Käsen die Wechselwirkung von Wasser und Protein (Wasserbindung) und der prozentuelle Fettgehalt wichtig sind. In diesem Sinne ist es vielleicht richtiger von Wasserkapazität zu sprechen anstatt von Feuchtigkeitsgehalt. In diesem Zusammenhang kann bemerkt werden, dass die Wasserkapazität von Käsen mit einem hohen Feuchtigkeitsgehalt auf einer anderen physikalischen/chemischen Beziehung basiert als die Wasserkapazität von Käsen mit einem durchschnittlichen Feuchtigkeitsgehalt.
Wie diagrammatisch in 3 gezeigt ist, ist das infrarote Messsystem 15 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 25 mit einem Computersystem 26 verbunden. Das Computersystem 26 ist angeordnet, um auf Grundlage der nicht-destruktiven Feuchtigkeitsmessungen, die mit dem Infrarotmesssystem 15 durchgeführt wurden, gemäß einem Vorhersagemodell eine Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts der jungen Käse 2 nach einem Zeitraum von mindestens einer Anzahl von Tagen nach Beginn der Herstellung des jungen Käses 2 zu treffen. Zu diesem Zweck umfasst das Computersystem 26 eine Datenbank, welche bevor die industrielle Herstellung der Käse stattfindet, mit Informationen versorgt werden kann, wie z. B. den genannte Kalibrierungsmodellen, und mit dem Vorhersagemodell mit vorbestimmten Parametern. Das Vorhersagemodell ist eine Funktion einer Anzahl von Parametern, wie z. B. der Zusammensetzung des Käses, des Zeitraums, über den die Vorhersage gemacht wird, der Umgebungsbedingungen, wie z. B. der Temperatur und des Feuchtigkeitsgehalts. Des Weiteren kann das Vorhersagemodell Parameter mit Informationen über die herzustellende Käseart, mit spezifischen Charakteristiken der Herstellungsanlage für die spezifische Käseart und mit Daten in Bezug auf die Jahreszeit umfassen, um jahreszeitliche Einflüsse zu verarbeiten. Das Vorhersagemodell ist unter anderem von der Käseart und dem Ort der Herstellung abhängig und muss daher auf empirischen Zahlen aus Käsemanagementsystemen basieren. Das Vorhersagemodell kann ein Multiregressionsmodell sein.
Das Computersystem 26 kann die Vorhersage mit einem vorbestimmten Bezugswert vergleichen. Der vorbestimmte Bezugswert kann z. B. Richtwerten entsprechen, die von behördlichen Kontrollorganen, wie z. B. dem niederländischen COKZ, für den Feuchtigkeitsgehalt von 14 Tage alten Käsen ausgegeben werden. Wenn die Vorhersage vom Bezugswert abweicht, dann ist es möglich, den Prozess der Käseherstellung zu ändern, so dass der Feuchtigkeitsgehalt der noch herzustellenden Käse angepasst werden kann. Da der Feuchtigkeitsgehalt mit dem Infrarotmesssystem 15 auf zuverlässige Weise bestimmt werden kann, ist es möglich, mit dem Computersystem 26 genaue Vorhersagen zu erzeugen. Es ist somit auch möglich, den Feuchtigkeitsgehalt der noch herzustellenden Käse zu steuern. Die Vorhersage gemäß der Erfindung kann von einem Computersystem 26 in einem frühen Stadium generiert werden, indem Messungen an Käsen durchgeführt werden, bevor die Käse einer Laugenbehandlung unterzogen werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung besitzt somit eine kurze Rückmeldedauer, so dass verhindert wird, dass große Mengen an Käse mit abweichendem Feuchtigkeitsgehalt hergestellt werden, bereits bevor ein Eingriff in den Herstellungsprozess gemacht werden kann.
In einigen Prozessen der Käseherstellung wird der junge Käse bereits nach wenigen Stunden einer Laugenbehandlung unterzogen. Dies bedeutet, dass auf Grundlage der Feuchtigkeitsmessung kurz vor der Laugenbehandlung vom Computersystem 26 eine Rückkopplung (Rückmeldung) zum Käseherstellungsprozess realisiert werden kann, und zwar bereits nach wenigen Stunden auf der Grundlage der vom Infrarotmesssystem 15 durchgeführten Feuchtigkeitsmessungen.
Insbesondere ist es möglich, dass eine erste Charge von jungen Käsen hergestellt wird, während die Vorhersage für einen jungen Käsen der ersten Charge mit dem Bezugswert verglichen wird, wonach eine zweite Charge von jungen Käsen hergestellt wird, während, wenn die genannte Vorhersage eine Abweichung in Bezug auf den genannten Bezugswert besitzt, die größer als eine vorbestimmte Toleranz ist, die Herstellung der jungen Käse der zweiten Charge auf Grundlage der Vorhersage und des Bezugswerts angepasst wird. Bevorzugt ist das Computersystem 26 mit dem Zuführsystem 6 und/oder dem Presssystem 14 verbunden. Auf diese Weise kann eine Rückkopplung in den Prozess der Käseherstellung über das Computersystem 26 realisiert werden, während das Computersystem das Presssystem 14 und/oder das Zuführsystem 6 so steuert, dass der Feuchtigkeitsgehalt des Käses geregelt wird. Dies kann z. B. bedeuten, dass wenn die genannte Vorhersage größer als der Bezugswert ist, während dem Pressen eine zusätzliche Menge an Molke aus der geronnen Milch 4 der zweiten Charge herausgepresst wird, so dass der Feuchtigkeitsgehalt kurz vor der Laugenbehandlung der jungen Käse 2 der zweiten Charge in Bezug auf den Feuchtigkeitsgehalt kurz vor der Laugenbehandlung der jungen Käse der ersten Charge verringert wird.
An dieser Stelle wird bemerkt, dass andere Rückkopplungen zwischen den gemessenen Feuchtigkeitsgehalt und den relevanten Herstellungsparametern möglich sind, z. B. durch Anpassung während der Herstellung der geronnen Milch.
Das Messsystem 15 ist so gestaltet, dass eine Feuchtigkeitsmessung im bestrahlten jungen Käse 2 innerhalb von nur wenigen Sekunden oder weniger durchgeführt wird. Diese Geschwindigkeit macht es möglich, prinzipiell alle Käse der Charge einer solchen Messung zu unterziehen. Wie diagrammatisch in 3 gezeigt ist, werden die jungen Käse in den Formen 4 vom Förderband 12 unter das Nahinfrarotmesssystem befördert. Das Band 12 kann eine gewisse Zeit angehalten werden, um die Messung durchzuführen, jedoch ist es auch möglich, das Band mit einer eingestellten Geschwindigkeit weiterlaufen zu lassen, während die Messung mit Hilfe des Messsystems 15 durchgeführt wird. Die Messdaten werden an das Computersystem 26 zur weiteren Verarbeitung und Speicherung in der Datenbank des Computersystems 26 weitergeleitet.
Während der industriellen Herstellung der Käse können Messdaten (die z. B. vom COKZ kommen) des 14 Tage alten (oder zumindest einige Tage alten) Käses in das Computersystem 26 eingegeben werden. Diese Messdaten können vom Computersystem 26 mit den erzeugten Vorhersagen verglichen werden. Auf Grundlage dieses Vergleichs kann das Computersystem beispielsweise Anpassungen im gehandhabten Vorhersagemodell oder den Parametern in diesem Vorhersagemodell vornehmen. Auf diese Weise können sich ändernde jahreszeitliche Einflüsse und/oder Änderungen in der Herstellungsanlage automatisch in das Vorhersagemodell eingearbeitet werden, so dass die nächsten Vorhersagen genauer durchgeführt werden können. Es ist weiter möglich, währen der industriellen Herstellung der Käse neue Bezugswerte in das Computersystem 26 einzugeben, wobei die Bezugswerte wahlweise wesentlich geringer als die gesetzlich bindenden Richtwerte oder die herkömmlichen Richtwerte für quantitativ gute Käse sein können. Diese Option kann wichtig sein, wenn unerwartet relativ große Abweichungen zwischen den vom Computersystem 26 ausgegebenen Vorhersagen und den destruktiv gemessenen Feuchtigkeitswerten auftreten. Denn es ist in diesem Fall gemäß dieser Option möglich, aus Sicherheitsgründen etwas weiter von den Richtwerten entfernt zu bleiben, so dass nicht erlaubte Überschreitungen vermieden werden. Des Weiteren kann die Option wichtig sein, wenn beispielsweise aufgrund eines technischen Fehlers starke Fluktuationen im Feuchtigkeitsgehalt in einzelnen Käsen einer Charge auftreten.
Aus dem vorangehenden wird offensichtlich sein, dass mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß der Erfindung in einem frühen Stadium eine genaue Feuchtigkeitsbestimmung der jungen Käse stattfinden kann, welche darüber hinaus auf schnelle, berührungslose und hygienische Weise durchgeführt werden kann. Bevorzugt wird eine Reflexionsmessung verwendet, jedoch wird in diesem Zusammenhang bemerkt, dass es auch möglich ist, Transmissionsmessungen für die Bestimmung der Feuchtigkeit durchzuführen. Dies ist z. B. mit Käsen einer Dicke von bis zu 4 cm möglich.
Die Erfindung wird nun im größeren Detail mit Bezug auf die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
In einer Testfabrik wurden Goudakäse in kleinem Ausmaß gemäß einem herkömmlichen Verfahren mit Hilfe einer Drainagewanne 10 herstellt. Indem Herstellungsparameter, wie z. B. die Drainagezeit und der Pressdruck gesteuert wurden, wurden Käse mit einer gewissen Schwankung im Feuchtigkeitsgehalt (±5%) hergestellt.
Die geronnene Milch in der Drainagewanne 10 wurde in sechs gleiche in Gefäßen gebildete Blöcke unterteilt und in quadratische Käse von ungefähr 7,5 kg gepresst. Vor dem Pressen wurde eine „Käsemarkierung" auf der oberen Seite (= Markierungsseite) des Käses platziert (nicht in der Mitte und nicht an den Ecken, sondern zur Kante hin). Ungefähr 3 Minuten nachdem der Käse aus dem Gefäß entfernt wurde und mit der nicht markierten Seite nach oben auf das Förderband 12 gelegt wurde, wurden Reflexionsmessungen an den Käsen mit einem Messsystem 15 durchgeführt, welches in diesem Beispiel ein NIR-Spektrometer umfasste.
Die Bewegung der Käse (aus dem Gefäß zum Spektrometer und zum Saltzlaugenbad/zur Referenzmessung) wurde durchgeführt, während sie auf dem Förderband 12 lagen. Insbesondere wurden die Tests mit einem Zeiss Corona 45 NIR-Spektrometer durchgeführt. Dieses Spektrometer wurde über oder neben das Förderband 12 gestellt.
Für jeden Käse wurden die Reflexionsmessungen auf gleichmäßige Weise auf der nicht markierten Seite und an neuen vorbestimmten Positionen durchgeführt. In 4 ist ein Käse 2 diagrammatisch in Draufsicht gezeigt. 4 zeigt einen rechteckigen Käse 2, auf dem neun vorbestimmte Positionen 28.1 bis 28.9 für die Reflexionsmessungen diagrammatisch gezeigt sind.
Insgesamt wurden 396 Käse mit dem NIR-Spektrometer gemessen und von 198 Käsen wurde der Feuchtigkeitsgehalt des frisch gepressten Käses direkt mit den (destruktiven) Referenzfeuchtigkeitsmessungen ermittelt (siehe auch die folgende Beschreibung) und von 198 Käsen wurde der Feuchtigkeitsgehalt nach der Laugenbehandlung bei einem Alter von 14 Tagen mit einer (destruktiven) Feuchtigkeitsmessung ermittelt. Diese Messwerte sind in 5 und 6 dargestellt. 5 zeigt ein Histogramm, in dem die auf Grundlage der Referenzmessungen vor der Laugenbehandlung bestimmten Feuchtigkeitsgehalte der 198 Käse verarbeitet sind. In dem Histogramm der 5 ist der relative Feuchtigkeitsgehalt der Käse entlang einer horizontalen Achse in Prozent (30) aufgetragen und die Anzahl der Käse (32) mit einem vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt ist entlang einer vertikalen Achse aufgetragen. Das Histogramm in 6 zeigt den Feuchtigkeitsgehalt der anderen 198 Käse, der nach 14 Tagen auf Grundlage der Feuchtigkeitsmessungen bestimmt wurde. Entlang einer horizontalen Achse ist der relative Feuchtigkeitsgehalt in Prozent (34) aufgetragen und entlang einer vertikalen Achse ist die Anzahl der Käse mit einem bestimmten Feuchtigkeitsgehalt (36) aufgetragen.
Im Folgenden wird ein mögliches Messverfahren mit dem Messsystem 15 gemäß 7 detaillierter erläutert. Das Messsystem 15 gemäß 7 ist mit einer Verarbeitungseinheit 38 verbunden, um den Messvorgang zu automatisieren. Das Messsystem ist mit einem Computer 42 über eine Schnittstelle 40 verbunden. Der Computer 42 ist mit einer Datenbank unter anderem zur Speicherung der Messungen versehen. Die Schnittstelle 40 ist über eine Verbindung 44 mit einer (elektrischen) Zuführleitung verbunden und kann wahlweise auch mit einem externen Netzwerk verbunden werden. Die Schnittstelle ist auch über eine Verbindung 46 mit dem Computer 42 und über eine Verbindung 48 mit dem Messsystem 15 verbunden. Daneben ist die Schnittstelle direkt oder indirekt mit dem Förderband 12 über eine Verbindung 50.1, 50.2 verbunden, mit denen die Geschwindigkeit des Bands 12 gesteuert werden kann. Der Computer 42 ist mit einem Endgerät und einer Anzeige versehen. Über das Endgerät können Steuerungsbefehle von einem Benutzer eingegeben werden (z. B. um die Durchführung der Messungen durch das Messsystem zu starten und um das Förderband zu starten).
Pro Käse werden neun Messungen durchgeführt. Damit nicht neun Dateinamen eingegeben werden müssen, werden diese neun Messungen in einer sog. kinetischen Abfrage durchgeführt. Die Messungen werden in einem festen Rhythmus für eine bestimmte Zeit durchgeführt.
Bevorzugt wird der Käse gemäß demselben Rhythmus über das Förderband 12 bewegt. Direkt nach Vollendung der Messung kann der Käse zum nächsten Messort bewegt werden. Wenn die Messreihe vollendet ist, kann das Programm nach einem Dateinamen fragen, unter dem die Messdaten in der Datenbank zu speichern sind.
Wenn notwendig kann das Messsystem 15 für jede Messsession mit Hilfe von Kalibrierungsoberflächen (wie z. B. weißen und schwarzen Kalibrierungsoberflächen) kalibriert werden. Die Kalibrierungsoberflächen können an einen Messort gebracht werden, worauf eine Kalibrierungsreflexionsmessung mit dem Messsystem durchgeführt werden kann.
Für das Messsystem 15 können die folgenden Einstellungen gemacht werden. Eine Messung kann aus 40 Teilmessungen aufgebaut sein, die jeweils eine Dauer (Integrationszeit) von 24 ms besitzen. Die eingesetzten Wellenlängen können im Intervall von 944,96 bis 1698,64 nm liegen.
Das Messsystem 15 ist so angeordnet, dass der Abstand zwischen den infraroten Lichtquellen und den Käsen einstellbar ist. Pro Käse wird der Abstand einmal auf 15–20 mm eingestellt, abhängig davon wie hohl der Käse ist. Das Zeiss Corona 45 Spektrometer wurde auf einem Ständer höhenverstellbar gemacht, und die Käse werden bevorzugt unter einem Abstand von 18 mm gemessen.
Für einen Teil der Käse wurde direkt nach der berührungslosen nicht destruktiven Messung der Feuchtigkeitsgehalt mit der (destruktiven) Feuchtigkeitsmessung bestimmt (siehe oben).
Der Feuchtigkeitsgehalt des gepressten Käses wurde vor der Laugenbehandlung mit dem destruktiven Untersuchungsverfahren bestimmt, welches international standisiert ist (IDF 4A). Direkt nach der nicht destruktive Reflexionsmessung, welche gewöhnlich höchstens 10 Sekunden dauert, wird der Käse getestet, getrocknet und gewogen. Der frisch gepresste Käse wird als ganzer gewogen und dann in vier Viertel geschnitten. Ein Viertel wird in einen verschließbaren Eimer gelegt, gewogen und für mindestens 40 Stunden bei 7°C gelagert, die anderen Viertel werden aus der Wanne entfernt und die abgeschieden Feuchtigkeit des gesamten Käses wird gewogen. Nach mindestens 40 Stunden wird das Käseviertel gemahlen und im gemahlenen Käse wird der Feuchtigkeitsgehalt in Konformität mit dem Standardverfahren (IDF 4A) bestimmt. Die abgeschiedene Feuchtigkeit (abgegossene Molke) wird quantifiziert. Aus den Messdaten wird der durchschnittliche Feuchtigkeitsgehalt des gesamten Käses berechnet. Der Feuchtigkeitsgehalt des gesamten Käses („Feuchtigkeitskäse") wird berechnet, indem der Feuchtigkeitsgehalt in dem Viertel berechnet und somit der Feuchtigkeitsgehalt im gesamten Käse berechnet wird:

(¹Annahme: Trockenmasse in der Molke = 5%) wobei:
Feuchtigkeit geriebener Käse = der Feuchtigkeitsgehalt, der im geriebnen Käse gemäß der IDF 4A bestimmt wurde (in %)
Sektor = das Gewicht des Käseviertels, das in den verschließbaren Eimer gelegt wurde (in Gramm)
Ausgussmolke-Eimer = das Gewicht der Ausgussmolke im Eimer nach Entfernen des Käseviertels nach mindestens 40 Stunden (in Gramm)
Feuchtigkeits-Sektor = der Feuchtigkeitsgehalt im Sektor berechnet gemäß der obigen Formel (in %)
Käse = das Gewicht des ganzen Käses, wie der Herstellungsanlage entnommen (in Gramm)
Ausgussmolke-Wanne = das Gewicht der Ausgussmolke in der Wanne, abgeschieden während des Schneidens der vier Viertel
Feuchtigkeits-Käse = der Feuchtigkeitsgehalt im ganzen Käse, berechnet gemäß der obigen Formel (%)
0,95 = Korrekturfaktor für die Feuchtigkeit in der Ausgussmolke, bestimmt nach der Prüfung

Ein weitere Teil, der mit dem berührungslosen nicht-destruktiven NIR-Verfahren gemessenen Käse wird einer Laugenbehandlung unterzogen und direkt danach gemäß dem normalen Verfahren gelagert, wonach bei einem Alter von 14 Tagen gemäß der IDF 50C eine Probe entnommen wird, in der der Feuchtigkeitsgehalt mit Hilfe des Standardverfahrens IDF 4A bestimmt wird.
Mit Hilfe von multivariablen Rechentechniken werden Modelle erstellt, mit denen unbekannte Proben in-line, nicht-destruktiv und berührungslos gemessen werden können und mit welchen der Feuchtigkeitsgehalt des frisch gepressten Käses und des Käses bei einem Alter von 14 Tagen vorhergesagt werden kann.
Die Messdaten des Corona 45 werden mit Hilfe der Software GRAMS/32 Al Version 4.0 (mögliche Lieferanten sind Thermo Galatic, 395 Main Street, Salem, NH 03079 USA) in Datensätze (Trainingssätze) umgewandelt und vorverarbeitet (Normalisierung und Konversion der Spektren in abgeleitete Spektren). Mit Hilfe der Software Galactic PLSplus/IQ (mögliche Lieferanten sind: Thermo Galatic, 395 Main Street, Salem, NH 03079 USA) werden multivariable Berechnungen durchgeführt. Mit Hilfe der PLS werden die Datensätze (n = 198) des Durchschnitts aller neun Messungen pro Käse durchgerechnet. Vor den Berechnungen werden die Spektren durch Subtrahieren des Durchschnittsspektrums des gesamten Datensatzes von allen Spektren normalisiert (Mean Center (MC)). Die Berechnung wird mit den Rohspektren (MC) und mit Hilfe der zweiten abgeleiteten Spektren mit einer unterschiedlichen Intervallgröße (MC + 2D 1, 2, 5, 10 und 20) durchgeführt. Das Intervall ist die Anzahl der Datenpunkte, über die die Ableitung berechnet wird (2D2 bedeutet, dass die Ableitung über zwei Messpunkte berechnet wird, was bei dem Corona 2 × 6 nm = 12 nm bedeutet). Die Auswahl der Datenvorverarbeitung und die Anzahl der Faktoren basiert auf der Abnahme des Standardfehlers der Kreuzvalidierung (SECV, Standard Error of Cross Validation) in Beziehung zum F-Verhältnis (ein Hinweis der relativen Bedeutung eines hinzugefügten Faktors) und die visuelle Interpretierung des Beitrags der einzelnen Vektoren zu den wiederhergestellten Spektren und der Faktorgewichte dieser Vektoren. Als Validierung wird das sog. „Lass jeweils nur eine Probe weg"-Verfahren verwendet. Für alle Proben werden Vorhersagen getroffen, ohne Teil des Kalibrierungssatzes zu bilden (pro präsentierter SECV werden daher 198-1 Berechnungen durchgeführt).
Für die Feuchtigkeitsbestimmung wurde für den durchschnittlichen Datensatz 1–9 ein best fit direkt mit dem zweiten abgeleiteten Verfahren sowie einem Intervall von 5 (es befinden sich jedes Mal 5 Messpunkte in einer Mittelung = ungefähr 30 nm) mit einer SECV von 1,32% bei 4 Faktoren erhalten. Für die Feuchtigkeitsbestimmung nach 14 Tagen wurde für den Durchschnittsdatensatz von 1–9 ein SECV von 1,24% berechnet, ebenfalls mit Hilfe des zweiten abgeleiteten Verfahrens (Intervall 5, 4 Faktoren).
Beispiel 2
Mit Hilfe einer Messanordnung mit einem darin enthaltenen NIR-Spektrometer wurden in einer Käseherstellungsfirma der Feuchtigkeitsgehalt mit einem kontaktlosen, nicht destruktiven Verfahren gemessen. Die Käse wurden in-line im Herstellungsvorgang gemessen, nachdem der Käse geformt wurde und aus dem Gefäß entnommen wurde und bevor der Käse in das Salzlaugenbad gelegt wurde. Die Käse rollen entlang eines Förderbands mit der Markierungsseite nach unten. Bei einem Messpunkt liegt der Käse z. B. 8 Sekunden lang still. In diesem Zeitraum und an dieser Position im Verfahren findet die Messung mit Hilfe des NIR-Spektrometers statt. Als Alternative kann eine Messung an einem sich bewegendem Käse durchgeführt werden. Während der Messung kann das Förderband eine relativ geringe Geschwindigkeit aufweisen (< 10 cm/Sek.).
Die berührungslose nicht-destruktive Messung wird während der Herstellung unterschiedlicher Käse mit unterschiedlichem Feuchtigkeitsgehalt (von 30⁺ bis 48⁺) mit einem Gewicht von ungefähr 16,5 kg und einer rechteckigen Form durchgeführt.

Um ein Kalibrierungsmodell zu entwickeln, wurden 388 Käse mit dem NIR-Spektrometer gemessen. Von diesen Käsen wurden 110 direkt danach aus dem Verfahren entnommen und mit Hilfe des destruktiven Messverfahrens auf ihren Feuchtigkeitsgehalt geprüft. Die anderen Käse fuhren im Herstellungsvorgang fort (Laugenbehandlung, Lagerung), wonach von 278 Käsen der Feuchtigkeitsgehalt bei einem Alter von 14 Tagen bestimmt wurde. Tabelle 1 gibt eine Übersicht der Käsearten, für welche Modelle bestimmt wurden. Tabelle 1 – Käsearten und -anzahlen zum Aufstellen des Kalibrierungsmodells für den Feuchtigkeitsgehalt in frisch gepresstem Käse

Art	Relative Feuchtigkeit in %	Relative Streuung %	Anzahl
Foil 48⁺	43,08–44,49	1,41	20
Nature 48⁺	45,29–47,67	2,38	20
Foil Msd¹ 45⁺	42,14–44,72	2,58	20
Nature 40⁺	48,31–51,51	3,20	20
Foil 40⁺	46,45–49,05	2,60	20
Foil 48⁺ LS²	42,01–42,78	0,77	10

1 Msd: Maasdammer
2 LS: Niedriger Salzgehalt (low salt)

Die folgenden Parametervariablen für die Kalibrierungsmodelle wurden hiermit gefunden (basierend auf 129 Käsen):

	Modell „neu"	Modell „wie in Beispiel 1 entwickelt"
R2	0,91	0,81
SECV	0,82	1,07
N	129	108
Daten	Mittlere Zentrierung (Mean Centering)	Mittlere Zentrierung (Mean Centering)
Vorbehandlung	Zweites abgeleitetes Intervall 10	Zweites abgeleitetes Intervall 10
Anzahl der PLS-Faktoren	4	2

Dies ist das Ergebnis, das mit den Käsen der oben genannten Arttabelle und den gegebenen Softwareeinstellung, Datenvorverarbeitungen und der PLS erhalten wurde. Das Modell „neu" zeigt das verbesserte und auf diese Weise für den jeweiligen Herstellungsort angepasste Modell im Vergleich mit der Verwendung des in Beispiel 1 entwickelten Vorhersagemodells.

Das Kalibrierungsmodell zur Vorhersage des Feuchtigkeitsgehalts von frisch gepresstem Käse wird mit einem Validierungssatz von 59 Käsen validiert. Tabelle 2 – Käsearten und -anzahlen für die Validierung des neu berechneten Kalibierungsmodells

Art	Relative Feuchtigkeit in %	Relative Streuung %	Anzahl
Foil 48⁺	43,33–46,00	2,67	20
Nature 48⁺	47,17–48,53	1,36	10
Foil Msd 45⁺	44,46–45,49	1,03	10
Nature 40⁺	50,30–52,15	1,85	10
Foil 40⁺	47,49–48,34	0,85	9

Die obige Tabelle ergibt Daten (Eigenschaften) über die für den Validationssatz verwendeten Käse. Die statistischen Ergebnisse nach Verarbeitung mit der Software sind unten aufgeführt.
Für diesen Validierungssatz von 59 Käsen wurden die folgenden statistischen Ergebnisse erhalten:

R² 0,86

SEP 0,94

Verzerrung (Durchschnittliche Differenz) 0,27

Steigung (Richtung) 0,856

Schnittpunkt (Kreuzungspunkt) 0,495
Schließlich wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die besprochenen Ausführungsformen beschränkt ist. Es ist demnach auch möglich, andere Anzahlen (infraroter) Lichtquellen und/oder Sensoren zu verwenden, während die Anzahl der Sensoren nicht der Anzahl der Lichtquellen gleich sein muss. Es gilt weiter, dass eine Lichtquelle sowohl monochromatisch als auch nicht-monochromatisch sein kann und dass die Sensoren dementsprechend mit Filtern versehen sein können. Filter können ebenfalls verwendet werden, um den Einfluss von Umgebungslicht zu begrenzen. Diese und andere Aspekte werden als für den Fachmann offensichtliche Abwandlungen der besprochenen Ausführungsformen angesehen.

Claims

Verfahren zur Zubereitung von hartem und halbweichem Käse, wobei ein junger Käselaib aus geronnener Milch geformt wird, wobei der junge Käselaib einer Laugenbehandlung unterworfen wird, wobei der junge Käselaib, bevor die Laugenbehandlung stattfindet, einer zerstörungsfreien Feuchtigkeitsbehandlung unterworfen wird und wobei auf Grundlage der zerstörungsfreien Feuchtigkeitsbehandlung ein Wert für den Feuchtigkeitsgehalt des jungen Käselaibs nach einem Zeitraum von mehreren Tagen nach Beginn der Zubereitung des jungen Käselaibs bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zerstörungsfreie Feuchtigkeitsbehandlung eine Reflexionsmessung mindestens einer Reflexion eines auf den jungen Käselaib gerichteten Lichtstrahl und bevorzugt eines Lichtstrahls im nahen Infrarotbereich ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käselaib auf Grundlage der gemessenen Reflexion und eines vorbestimmten Kalibrierungsmodells gemessen wird, wobei das Kalibrierungsmodell eine Verbindung zwischen dem Feuchtigkeitsgehalt im jungen Käselaib und der Reflexion des Lichtstrahls umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der auf Grundlage der zerstörungsfreien Feuchtigkeitsmessung bestimmte Wert nach dem genannten Zeitraum mit dem tatsächlichen Feuchtigkeitsgehalt verglichen wird, wobei auf Grundlage dieses Vergleichs wenn nötig die Zubereitung der jungen Käselaibe einer nächsten Charge angepasst wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest praktisch jeder zubereitete junge Käselaib jeder zuzubereitenden Käsecharge der zerstörungsfreien Feuchtigkeitsmessung unterzogen wird.
Vorrichtung zur Zubereitung von Käse, umfassend mehrere Formen zur Aufnahme von geronnener Milch, ein Presssystem für die geronnene Milch in den jeweiligen Formen, um junge Käselaibe in den Formen zuzubereiten, ein Laugenbad zur Laugenbehandlung der Charge von jungen Käselaiben, und ein Messsystem, bevorzugt ein Nahinfrarotmesssystem, zur Messung des Feuchtigkeitsgehalts der jungen Käselaibe vor dem Laugenbad, wobei die Messmethode mit mindestens einer Lichtquelle zur Erzeugung eines Lichtstrahls und mindestens einem Sensor zur Messung einer Reflexion des Lichtstrahls auf einem von dem Lichtstrahl beleuchteten jungen Käselaib versehen ist.
Vorrichtung zur Zubereitung von Käse nach Anspruch 6, wobei die Vorrichtung auch mit einem Computersystem zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehalts der Käselaibe auf Grundlage der Reflexionsmessungen der beleuchteten jungen Käselaibe und eines zuvor in das Computersystem eingegebenen Kalibrierungsmodells versehen ist.
Vorrichtung zur Zubereitung von Käse nach Anspruch 7, wobei das Computersystem so ausgestaltet ist, dass es auf Grundlage des bestimmten Feuchtigkeitsgehalts der Käselaibe den Feuchtigkeitsgehalt einer nächsten zuzubereitenden Käsecharge steuert, indem die Zusammensetzung der geronnenen Milch und/oder das Drucksystem eingestellt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei das Computersystem so ausgestaltet ist, dass es eine Feuchtigkeitsmessung zumindest für praktisch jeden jungen Käselaib durchführt, bevor er eine Laugenbehandlung erfährt, und dass es den bestimmten Feuchtigkeitsgehalt in einer Datenbank des Computersystems speichert.