Überwachung von Milchsäure und pH-Wert bei der Joghurtfermentation

Warum der Endpunkt der Fermentation wichtig ist

Bei der Joghurtherstellung wird wärmebehandelte Milch mit Streptococcus thermophilus und Lactobacillus delbrueckii subsp. bulgaricus beimpft, die synergistisch Lactose in Milchsäure umwandeln und den pH-Wert der Milch senken; die Bildung des Joghurtgels beruht auf der isoelektrischen Fällung des Caseins bei sinkendem pH-Wert [1]. Der Codex-Standard für fermentierte Milcherzeugnisse definiert Joghurt über diese symbiotische Kultur und legt eine titrierbare Mindestsäure von 0,6 % (m/m), ausgedrückt als Milchsäure, fest [2]. Für Molkereien ist die Entscheidung, wann die Säuerung beendet wird, daher sowohl eine Frage der Textur als auch der Zusammensetzung.

Die Fermentation wird durch Kühlen beendet. Eine Übersichtsarbeit zur Joghurtverarbeitung beschreibt das Abkühlen auf etwa 5 °C, sobald der pH-Wert etwa 4,7–4,3 erreicht, wodurch die Starterkultur gehemmt und ein weiterer Säureanstieg verhindert wird; schnelles einstufiges Kühlen unter 10 °C ergibt eine geringere Viskosität als zweistufiges Kühlen, das zudem die Synärese begrenzt [1]. Auch frühere Bedingungen spielen eine Rolle: Lee und Lucey fanden, dass Permeabilität, Porengröße und Molkenabscheidung von Joghurtgelen bei geringerer Impfrate und höherer Bebrütungstemperatur (etwa 46 °C gegenüber 40 °C) zunahmen [3], und ihre spätere Übersichtsarbeit setzt die Joghurttextur in Beziehung zu Trockenmasse, Wärmebehandlung und Bebrütungstemperatur [4].

Referenzmessungen: pH-Wert und titrierbare Säure

Zwei Referenzgrößen beschreiben die Säuerung. Der pH-Wert ist der Prozesswert, bei dem das Kühlen eingeleitet wird [1], und in der industriellen Joghurtherstellung ist er normalerweise die einzige Messung, die inline als Echtzeit-Überwachungssignal eingesetzt wird [6]. Die titrierbare Säure ist das Zusammensetzungskriterium: Der Codex-Grenzwert wird als Prozentsatz Milchsäure ausgedrückt [2], und ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 legt ein potentiometrisches Verfahren zur Bestimmung der titrierbaren Säure von Natur-, aromatisiertem, Frucht- und Trinkjoghurt, Frischkäse, Buttermilch und anderen fermentierten Milcherzeugnissen fest [5]. Die titrierbare Säure ist jedoch eine Labortitration an einer Probe, die dem Tank entnommen wird.

Svendsen et al. stellen fest, dass Hersteller von einer Inline-Technik profitieren würden, die mehr als den pH-Wert liefert, etwa Zusammensetzung, Textur oder Kontamination [6].

Was Inline-Nahinfrarotstudien berichten

Cimander et al. kombinierten in Joghurtfermentationen im Labor eine elektronische Nase, ein Nahinfrarotspektrometer (NIR) und Standard-Bioreaktorsonden; ein neuronales Netz sagte Lactose, Galactose und Lactat sowie Prozesszustände wie den Beginn der Koagulation oder den Erntezeitpunkt mit einer Genauigkeit vorher, die mit der Offline-Referenzbestimmung vergleichbar war [7]. Grassi et al. verglichen Fourier-Transform-NIR-Spektren (FT-NIR), ausgewertet mittels Hauptkomponentenanalyse, mit Rheologie, pH-Wert, titrierbarer Säure sowie Zucker- und Milchsäurekonzentrationen und fanden FT-NIR für die Echtzeitbewertung der Gelentwicklung nützlich [8]. In einer Folgestudie mit 18 Fermentationen mit drei Starterkulturen bei 37, 41 und 45 °C ergab die multivariate Kurvenauflösung (MCR-ALS) von Inline-FT-NIR-Spektren drei Profile, die den Koagulationsphasen entsprachen, und die Konzentrationsprofile hingen in Übereinstimmung mit den pH- und Rheologieergebnissen von Starterkultur und Temperatur ab [9].

Svendsen et al. überwachten joghurtähnliche Fermentationen mit Inline-NIR und stellten fest, dass die Viskositätsänderung die Lichtstreuung stark beeinflusst; das NIR-Signal spiegelt sowohl die Streuung, die mit der Textur zusammenhängt, als auch die Absorption wider, die mit der Biomassebildung und der Umwandlung von Zucker in Milchsäure zusammenhängt [6]. Muncan et al. nahmen über 8 Stunden Fermentation alle 15 Minuten NIR-Spektren (830–2500 nm) und alle 30 Minuten den pH-Wert auf und führten die mit der Säuerung beobachteten Basislinien- und Steigungsänderungen auf Wasserstruktur, Proteinveränderungen und Koagulation zurück [10]. Aktas et al. passten die Gompertz-Gleichung an Inline-FT-NIR-Daten an, um kinetische kritische Punkte der Joghurtfermentation zu bestimmen; diese lagen im Mittel etwa 18 % früher als die aus der Rheologie ermittelten [11].

Die meisten dieser Studien verfolgen den Fermentationsverlauf — Koagulationsbeginn, Phasen und kritische Punkte — in Labor- oder Pilotfermentationen [8][9][10][11]. Ein standortspezifisches quantitatives Modell für pH-Wert oder titrierbare Säure muss weiterhin an der eigenen Milch, den eigenen Kulturen und Rezepturen des Betriebs kalibriert und validiert werden.

Mittelinfrarot und Raman

Sivakesava et al. verglichen FT-MIR-, NIR- und FT-Raman-Spektroskopie für die At-line-Messung von Biomasse, Glucose und Milchsäure in Vollbrüheproben einer Fermentation mit Lactobacillus casei; FT-MIR-Modelle schnitten am besten ab, während die Vorhersagefehler von NIR und FT-Raman hoch waren [12]. Es handelte sich um eine Bioprozessbrühe und nicht um ein koagulierendes Milchgel, sodass sich die Rangfolge nicht direkt auf Joghurt übertragen lässt. Für diesen Artikel wurde keine begutachtete Inline-Raman-Studie zur Joghurtfermentation gefunden.

Praktische Hinweise für ein Säuerungssignal

• An den Referenzmethoden verankern. Prüfen Sie jedes spektroskopische Modell gegen den pH-Wert und die titrierbare Säure nach ISO/TS 11869 | IDF/RM 150 [5], da der Zusammensetzungsgrenzwert für Joghurt über die titrierbare Säure definiert ist [2].
• Textur und Chemie trennen. Da die Gelbildung die Lichtstreuung verändert [6] und die Fermentationskinetik von Starterkultur und Temperatur abhängt [9], sollte der Kalibriersatz die in der Produktion verwendeten Kulturen, Rezepturen und Bebrütungstemperaturen abdecken.
• Der NIR-Leitlinie für Milcherzeugnisse folgen. ISO 21543 | IDF 201 enthält Leitlinien für die Anwendung der NIR-Spektrometrie auf Milcherzeugnisse, einschließlich Kalibrierung und Validierung [13].

Der Ansatz von USTECH

Für die Inline-Messung ist der Prozess-FT-NIR-Analysator ProLine2550 für Flüssigkeiten und Suspensionen spezifiziert, und der ProLine17EC ist ein robuster Inline-NIR-Analysator in Schutzart IP65 mit einem Gehäuse aus Edelstahl 316 und Saphirfenster. Die Software caliX stellt die in den obigen Studien verwendeten PCA- und PLS-Werkzeuge bereit [8][12], und ProChem verbindet die Analysatorausgänge mit PLC/SCADA-Systemen, einschließlich Dashboards und Alarmen. Ob ein NIR-Signal die Endpunktentscheidung für ein bestimmtes Produkt stützen kann, wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben ermittelt und nicht aus veröffentlichten Ergebnissen abgeleitet.