Online-Messsystem für perfekten Milchschaum  [21.10.20]

Ein leckerer, cremiger und feinporiger Milchschaum sind bei ihnen ein absolutes Muss: Latte Macchiato, Cappuccino oder auch die Wiener Melange erfreuen sich einer ständig steigenden Beliebtheit unter deutschen Kaffeetrinkern. Doch immer wieder lassen sich einzelne Produktionschargen von ansonsten einwandfreier H-Milch nicht zufriedenstellend aufschäumen und führen zu Reklamationen bei den Herstellern. Noch ist der genaue Auslöser dafür unbekannt. In einem Forschungsprojekt geht die Uni Hohenheim der Ursache auf den Grund und entwickelt ein Onlineüberwachungs-System für die Produktion von H-Milch. Ziel ist es, möglichst früh solche Produktveränderungen zu erkennen, die zu einer verschlechterten Aufschäumbarkeit führen.

In loser Folge präsentiert die Reihe „Schwergewichte der Forschung“ herausragende Projekte mit einem finanziellen Volumen von mindestens 350.000 Euro für apparative Forschung bzw. 150.000 Euro für nicht-apparative Forschung. Insgesamt akquirierten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Uni Hohenheim 2019 für Forschung und Lehre 33,9 Millionen Euro an Drittmitteln.

Milch richtig aufzuschäumen ist eine Kunst für sich. Der Milchschaum soll möglichst cremig und feinporig sein und nicht zu schnell zusammenfallen. Für die Zubereitung von Kaffeespezialitäten in einem Café oder einer Bar verwenden Baristas gerne eine fetthaltige H-Milch, die über ihre gesamte Haltbarkeitsdauer neben guten geschmacklichen Eigenschaften auch über eine gleichbleibende Aufschäumqualität verfügen muss.

Doch einzelne Produktionschargen von fetthaltiger H-Milch weisen nicht die gewünschte Barista-Qualität auf: Sie lassen sich nicht so gut aufschäumen wie von Gastronomie, Cateringfirmen und Verbrauchern gefordert. Treten Reklamationen auf, wird die Marke im Gastronomie- und Cateringsektor gemieden bzw. die Produkte werden im Handel nicht mehr geführt.

Milch ist ein komplexes Naturprodukt mit großer Variationsbreite

Zwei Teams von der Uni Hohenheim sind auf der Suche nach Ursachen und Lösungen. Prof. Dr.-Ing. Jörg Hinrichs vom Fachgebiet Milchwissenschaft und -technologie erklärt die Problematik: „H-Milch ist ein bewährtes Produkt, dessen Herstellung schon lange etabliert und bewährt ist. Doch jetzt werden zusätzliche Anforderungen an dieses Produkt gestellt, die bisher keine Rolle spielten – wie eben die Aufschäumbarkeit.“

„Milch ist ein Naturprodukt, das großen Schwankungen unterworfen sein kann“, fährt er fort. „Das betrifft nicht nur ihre Zusammensetzung, die durch viele Faktoren wie beispielsweise das Futter oder die Jahreszeit beeinflusst wird, sondern auch die Frage, wie sie vor der Verarbeitung behandelt wird. So steht die Milch nach dem Melken am Wochenende ggf. länger bis zur weiteren Verarbeitung als unter der Woche. Allein das macht schon einen Unterschied. Und auch haltbar gemachte Milch verändert sich während der Lagerung.“

Viele Faktoren können die Milchschaumbildung beeinflussen

Zudem sei die genaue Ursache für die nicht zufriedenstellende Aufschäumbarkeit noch unbekannt, erklärt Hinrichs. „Deswegen haben wir zunächst einmal ein Standardmessverfahren entwickelt, um herauszufinden, was warum nicht funktioniert. Weil die verschiedenen Maschinen für das Milchaufschäumen alle leicht unterschiedlich funktionieren, ist es sonst sehr schwer, den Grund zu finden. Wir können dann nicht sagen, ob das Problem an der Milch oder an der Maschine liegt.“

Aus den Forschungsergebnissen leitet er mit seinem Team Empfehlungen für die Unternehmen ab, wie sie Produktveränderungen minimieren und eine H-Milch mit möglichst gleichbleibendem Aufschäumverhalten herstellen können – angefangen bei der Behandlung der Rohmilch, über verschiedene Verarbeitungsprozesse wie Homogenisieren und Erhitzen, bis hin zur Abfüllung und Lagerung.

Vielfalt an Inhaltsstoffen, die sich über die Zeit verändern können

„Die Qualitätssicherung in den Firmen überprüft heute mit zahlreichen Analysemethoden, ob die chemischen, physikalischen und mikrobiologischen Eigenschaften des fertig verpackten Produkts innerhalb bestimmter Grenzen liegen“, erläutert Prof. Dr. Bernd Hitzmann vom Fachgebiet Prozessanalytik und Getreidewissenschaft die Fragestellung, mit der sich sein Team in dem Projekt beschäftigt.

Doch dies kann nicht die Komplexität der Vorgänge bis zum Mindesthaltbarkeitsdatum widerspiegeln – eine Prognose, wie sich die Qualität des Produkts über die Zeit entwickelt, ist damit nur bedingt möglich. Durch eine Kombination verschiedener spektroskopischer Verfahren, wie Raman-, Nahinfrarot- und Fluoreszenz-Spektroskopie, kann unter anderem die Konzentration von verschiedenen Inhaltsstoffen bestimmt werden.

Automatisiertes Analyse-Verfahren hilft Kosten zu sparen

„Anhand der Spektren können wir sogar sehen, welche Milch von welchem Hersteller stammt. Damit werden aber auch Prognosen zu den Qualitätseigenschaften bis zum Mindesthaltbarkeitsdatum möglich“, erklärt Hitzmann die Vorteile des Analyseverfahrens.

Er fährt fort: „Weicht beispielsweise das spektrale Muster von den sonstigen Chargen ab oder ist es dem Muster einer Reklamation sehr ähnlich, kann die Qualitätssicherung sofort reagieren, ohne aufwendige und zeitintensive Analyseergebnisse abzuwarten.“

Langfristiges Ziel ist eine Automatisierung des Analyse-Verfahrens. Das System soll dann direkt in den Produktstrom vor dem letzten Behandlungsschritt und / oder der Abfüllung integriert werden und das flüssige Produkt online analysieren.

Aber Hitzmann denkt noch weiter: „Grundsätzlich lässt sich dieses Verfahren auch auf andere Produkte übertragen und sich zum Beispiel bei der Beurteilung von Produkteigenschaften oder zur Früherkennung von Instabilitäten in verschiedenen Rohstoffen, Halbfertigfabrikaten und bei der Verarbeitung anderer flüssiger Produkte einsetzen.“

Projekt „Entwicklung eines Onlineüberwachungs-Systems zur Früherkennung von Produktinstabilitäten am Beispiel fetthaltiger H-Milch und Prozessentwicklung für eine erhöhte Schaumstabilität zur ‚Barista‘-Anwendung“

Das Projekt der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) ist eine Kooperation der Fachgebiete Milchwissenschaft und -technologie sowie Prozessanalytik und Getreidewissenschaft an der Uni Hohenheim zur Steigerung der Produktivität, Optimierung der Produktqualität und Verbesserung der Prozessqualität bei der Produktion von fetthaltiger H-Milch. Projektbeginn war der 1. Juli 2018, voraussichtliches Ende wird der 31. Dezember 2020 sein.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) fördert das Vorhaben über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) und den Forschungskreis der Ernährungsindustrie e. V. (FEI) mit rund 443.000 Euro für beide Fachgebiete. Damit zählt es zu den Schwergewichten der Forschung in Hohenheim.

Text: Stuhlemmer