Milch: Zusammensetzung, Eigenschaften und industrielle Verarbeitung

Physikalische Eigenschaften der Kuhmilch

Kuhmilch hat eine durchschnittliche Dichte von 1032 g/L (oder 1,032 g/cm³). Sie ist eine komplexe heterogene Mischung, bestehend aus einem kolloidalen System mit drei Phasen:

• Lösung: Mineralstoffe und Kohlenhydrate sind in Wasser gelöst.
• Suspension: Eiweißstoffe sind in Wasser suspendiert.
• Emulsion: Das Fett liegt als Öl-in-Wasser-Emulsion vor.

Milch enthält einen erheblichen Anteil an Wasser (ca. 87 %). Der Rest ist die Trockenmasse (ca. 130 Gramm (g) pro Liter), wovon 35 bis 45 g Fett sind. Weitere wesentliche Bestandteile sind: Laktose (Kohlenhydrate), Proteine und Lipide. Die organischen Bestandteile (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine, Vitamine) und mineralischen Komponenten (Ca, Na, Mg, Cl) sind enthalten. Die organischen Stoffe (Kohlenhydrate, Lipide, Proteine) sind in etwa gleichen Mengen vorhanden und bilden die wichtigste Energiequelle. Diese Nährstoffe werden in Bauelemente (Protein) und energiereiche Verbindungen (Kohlenhydrate und Lipide) gespalten.

Chemische Eigenschaften und pH-Wert

Der pH-Wert der Milch ist leicht sauer (pH-Wert zwischen 6,6 und 6,8). Eine weitere wichtige chemische Eigenschaft ist der Säuregrad bzw. der Gehalt an Milchsäure, der in der Regel 0,15–0,16 % der Milch ausmacht.

Proximate chemische Analyse der Milch verschiedener Säugetiere

Durchschnittliche Zusammensetzung der Milch in Gramm pro Liter:

Proteine und Enzyme in der Milch

Proteine sind chemisch die wichtigsten Substanzen in der Milch. Sie werden in zwei Hauptgruppen eingeteilt: Kaseine (ca. 80 % des Gesamtproteins) und Molkenproteine (ca. 20 %), sowie Enzyme.

Die Enzymaktivität hängt von der Temperatur und dem pH-Wert ab. Wichtige Enzyme sind:

• Phosphatase: Ein Indikator für die Pasteurisierung. Ihre Inaktivität zeigt an, dass die Pasteurisierung erfolgreich war.
• Reduktase: Wird durch Mikroorganismen außerhalb der Milch erzeugt; ihre Anwesenheit deutet auf Verunreinigung hin.
• Xanthioxidase: Hemmt in Kombination mit Kaliumnitrat (KNO₃) das Wachstum von Butterfettbakterien.
• Lipase: Oxidiert Fette, verleiht den Produkten einen ranzigen Geruch und wird durch Pasteurisierung gehemmt.
• Katalase: Steigt bei Mastitis an und wird als mikrobiologischer Indikator verwendet.

Allgemeine Zusammensetzung der Milch

Unmittelbar nach der Geburt produziert das weibliche Säugetier in den ersten zwei oder drei Tagen Kolostrum (Erstmilch). Danach synthetisiert das Tier während der Stillzeit die eigentliche Milch. Die Stillzeit dauert 180 bis 300 Tage (abhängig von vielen Faktoren), mit einer durchschnittlichen täglichen Produktion von 3 bis 25 Litern (bei Kühen). Milch wird hauptsächlich in der Milchdrüse synthetisiert, aber ein Großteil ihrer Bestandteile stammt aus dem Blutserum. Die chemische Zusammensetzung ist sehr komplex und umfassend, was ihre Bedeutung für die Ernährung der Jungen unterstreicht. Die Zusammensetzung der Milch hängt von den spezifischen Bedürfnissen der jeweiligen Spezies während der Brutzeit ab.

Laktose: Das Hauptkohlenhydrat

Hauptartikel: Laktose

Laktose ist ein Disaccharid, das hauptsächlich in der Milch vorkommt und das wichtigste und einzige Kohlenhydrat ist. Es wurden jedoch auch kleine Mengen von Glukose, Galaktose, Saccharose und aus Aminosäuren abgeleitete Hexosamine (Zerebroside) identifiziert.

Laktose wird in der Brustdrüse durch ein Enzymsystem, an dem α-Lactalbumin beteiligt ist, synthetisiert und geht dann in die Muttermilch über. Sie ist 15 % weniger süß als Saccharose und trägt zusammen mit den Salzen zum allgemeinen Geschmack bei.

Es gibt bestimmte Bevölkerungsgruppen (meist Schwarze und lateinamerikanische Mestizen), die Milch aufgrund ihres Laktosegehalts nicht vertragen (Laktoseintoleranz). Dies liegt daran, dass die Dünndarmschleimhaut nicht das Enzym Laktase produziert, welches die glykosidische Bindung zwischen Glukose und Galaktose hydrolysiert.

Wenn Laktose den Dickdarm erreicht, fermentiert sie und produziert Wasserstoff, Kohlendioxid und Milchsäure, was den Körper reizt. Zusätzlich wird Wasser im Darm resorbiert, um den osmotischen Druck auszugleichen. All dies kann zu Durchfall, Blähungen und Bauchkrämpfen führen. Um dieser biochemischen Anomalie abzuhelfen, fügen Hersteller dem Permeat (Molke) das Enzym Laktase hinzu, das das Disaccharid in seine Monosaccharide hydrolysiert und von laktoseintoleranten Gruppen gut vertragen wird.

Die Laktaseproduktion beim Menschen beginnt mit dem Stillen und nimmt später ab, da die Muttermilch in ihrer Grundstruktur nach der frühen Kindheit biologisch nicht mehr zwingend notwendig ist (70 bis 80 % der Erwachsenen kommen ohne sie aus).

Lipide und Fette in der Milch

Die Eigenschaften der Milch sind ein Spiegelbild der enthaltenen Fettsäuren. Es gibt mehrere Gruppen von Lipiden in der Milch: Triglyceride, Diacylglyceride, Monoacylglyceride, Phospholipide, freie Fettsäuren, Sterine und ihre Ester sowie einige Kohlenwasserstoffe.

Lipidzusammensetzung der Milch

Die Triglyceride liegen als kleine Partikel, sogenannte Fettkügelchen, vor. In Kuhmilch wurden fast 400 verschiedene Fettsäuren identifiziert. Milch ist das Lebensmittel mit der komplexesten Lipidzusammensetzung. Dennoch bestehen 96 % der Gesamtfette aus nur 14 Fettsäuren, wobei Myristinsäure, Palmitinsäure und Ölsäure die größten Anteile ausmachen. Der hohe Fettgehalt ist auf die Fütterung der Rinder und die intensive Aktivität des Pansens zurückzuführen. Bei menschlicher Milch hängt der Fettgehalt von der ausgewogenen Ernährung der Frau während der Schwangerschaft und Stillzeit ab.

Kasein und die mizellare Struktur

Von allen Proteinen in der Milch sind die häufigsten und repräsentativsten die drei Kaseine: αs1-Kasein, β-Kasein und κ-Kasein. In der Milchindustrie ist κ-Kasein sehr wichtig, da es unter anderem folgende Merkmale aufweist:

κ-Kasein ist hauptsächlich für die Käseherstellung relevant (Milch von Kühen ist am reichsten an dieser Art von Kasein, während menschliche Milch am ärmsten ist). Wenn es durch Rennin hydrolysiert wird, entsteht κ-Parakasein, das mit Kalzium reagiert und Kalziumparakaseinat bildet.

Die mizellare Phase

Die Kaseine interagieren miteinander und bilden eine kolloidale Dispersion aus kugelförmigen Partikeln, genannt Mizellen, mit einem Durchmesser von üblicherweise 60 bis 450 nm (Durchschnitt 130 nm). Trotz umfangreicher Literatur gibt es keinen Konsens über die genaue Struktur einer Mizelle. Ein vorgeschlagenes Modell geht davon aus, dass die Mizelle wiederum aus Untereinheiten mit einem Durchmesser zwischen 10 und 20 nm besteht.

Die Untereinheiten sind durch Kalziumionen miteinander verbunden. Es wird angenommen, dass Kalziumphosphat an die NH₂-Gruppen von Lysin bindet und Kalzium mit der ionisierten Carboxylgruppe (COO⁻) interagiert. Die Submizellen werden durch die ständige Interaktion zwischen α-, β- und κ-Kasein gebildet. Die stabilisierende Rolle des κ-Kaseins gegen die Kalziumausscheidung anderer Proteinfraktionen ist hervorzuheben. Die große Zahl physikalischer Modelle (Rose, Garnier und Ribadeau, Morr, Schmidt, Slattery, Waugh, Noble, etc.) stimmt darin überein, dass die hydrophoben Einheiten zwischen den Proteinmolekülen die Stabilität der Mizellen gewährleisten.

Molke: Süße und Saure Varianten

Aus 10 Litern Kuhmilch können 1 bis 2 kg Käse (hauptsächlich Kasein) und durchschnittlich 8 bis 9 kg Molke gewonnen werden. Molke ist der Teil der Milch, der nicht in die Gerinnung des Kaseins integriert wird. Je nach Art der Gerinnung unterscheidet man zwei Arten von Molke:

• Süße Molke: Entsteht bei der Gerinnung von Käse mit Lab. Sie enthält hauptsächlich Nicht-Protein-Stickstoff (22 % der Gesamtmenge) und hat eine hohe Konzentration an Laktose (etwa 4,9 %) sowie Proteinen (0,8 %), ist aber arm an Milchsäure (0,15 %). Der pH-Wert liegt zwischen 6,0 und 6,2.
• Saure Molke: Entsteht bei der Gerinnung von Käse mit Essigsäure (z. B. bei der Herstellung von weißem Käse und Quark). Sie hat einen hohen Säuregrad (0,75 % Milchsäure) und einen niedrigeren Proteingehalt (0,6 %). Die Laktosekonzentration ist geringer (4,3 %), da ein Teil der Laktose durch Gärung in Milchsäure umgewandelt wurde. Der pH-Wert (4,6) ist ätzend auf Metalle.

Laktat und Phosphat (häufige Salze in der Molke) helfen, das Säure-Basen-Gleichgewicht zu regulieren. Molke hat einen niedrigen Proteinanteil, aber einen höheren Nährwert als Kaseinkäse. Molkenproteine sind kompakt, kugelförmig und in einem weiten pH-Bereich löslich. Sie sind sehr sensibel gegenüber hohen Temperaturen (thermische Verfahren) und werden daher bei Prozessen wie Pasteurisierung oder UHT zuerst abgebaut. Die wichtigsten Molkenproteine sind:

1. α-Lactalbumin: Ist für die Synthese von Laktose erforderlich. Es denaturiert bei 63 °C.
2. β-Lactoglobulin: Unlöslich in destilliertem Wasser. Denaturiert und fällt bei unter 73 °C aus (hält Pasteurisierung nicht stand). Dieses Protein kommt nicht in menschlicher Muttermilch vor, ist aber bei Wiederkäuern häufig und gilt als verantwortlich für bestimmte allergische Reaktionen bei Säuglingen.
3. Whey Acidic Protein (WAP): Ein Bestandteil der Milch, der nur in der Kategorie Glires (Nagetiere und Hasenartige) gefunden wird. Es dient dem antimikrobiellen Schutz der Mundschleimhaut.
4. Immunglobuline: Machen 10 % der Gesamt-Serumproteine aus und stammen aus dem Blut des Tieres. Sie übertragen eine gewisse Immunität auf das Kalb (besonders reich im Kolostrum).

Mikrobiologische Eigenschaften und Bakterienarten

Frische Milch ist ein ideales Substrat für viele bakterielle Gattungen, von denen einige positiv und andere schädlich für das Lebensmittel und seine Eigenschaften sind:

Zur Qualitätskontrolle von Rohmilch wird vor der Verarbeitung analysiert, ob die Keimzahl größer als 100.000 KBE (Koloniebildende Einheiten) pro Milliliter ist. Es wird auch das Potenzial für Brucellose bestimmt.

Ernährungsphysiologische Bedeutung

Die Vielfalt der Bestandteile – Fette (meist gesättigte Triglyceride), Proteine (Kasein, Albumin und Molkenproteine) und Kohlenhydrate (Laktose) – macht Milch zu einem vollständigen Lebensmittel. Darüber hinaus ist Kuhmilch eine wichtige Quelle für Vitamine (insbesondere Vitamin D₃). Vitamin D ist wichtig für die Kalzium-Phosphat-Einstellung zur Stärkung von Zähnen und Knochen, weshalb Milch besonders für Kinder geeignet ist. Kolostrum ist eine gelbliche Flüssigkeit, die reich an Proteinen und Antikörpern ist und für die Immunisierung des Neugeborenen wesentlich ist.

Siehe auch: Ernährung von Säugetieren

Industrielle Verarbeitung von Milch

Rohmilch ist ohne bestimmte industrielle Prozesse nicht für den Verkauf und den Verzehr geeignet, da diese die mikrobiologische Belastung innerhalb sicherer Grenzen gewährleisten. Milch mit Gesundheitsgarantien muss mit modernen und hygienischen Methoden gemolken werden, bei denen kein physischer Kontakt mit der Milch besteht. Nach dem Melken muss sie gekühlt und in einem Milchtank mit Rührwerk gelagert und in isothermen Tankwagen zu den Verarbeitungsbetrieben transportiert werden.

In diesen Anlagen muss die Milch vor der Entladung analysiert werden, um sicherzustellen, dass sie die besten Eigenschaften für den Verzehr aufweist. Die Analyse umfasst die physikalisch-chemische Zusammensetzung (Fett, Feststoffe), die sensorische Prüfung (Geschmack) und die bakteriologische Untersuchung, um pathogene Bakterien und Antibiotika zu erkennen. Milch, die den Qualitätsanforderungen nicht entspricht, muss zurückgewiesen werden. Nachdem ein optimaler Zustand festgestellt wurde, wird die Milch in Tanks großer Kapazität gelagert und für die kommerzielle Verpackung vorbereitet.

Reinigung und Vorbereitung der Milch

Um die Qualität der Milch zu gewährleisten, durchläuft sie folgende Prozesse:

• Filtration: Wird verwendet, um Verunreinigungen wie Blut, Haare, Stroh oder Gülle zu entfernen. Es wird ein Filter oder ein Gitter verwendet.
• Homogenisierung: Ein physikalischer Prozess, der die Fetttröpfchen vor dem Erhitzen verkleinert (auf 1 Mikrometer im Durchmesser), um die Bildung einer Rahmschicht zu vermeiden. Wird bei 50 °C durchgeführt, um Denaturierung zu vermeiden.
• Standardisierung: Anpassung des Fettgehalts. Wenn die Milch den Test für den Fettgehalt nicht besteht, wird Milchpulver oder Pflanzenfett verwendet.
• Desodorierung: Entfernt Gerüche, die die Milch während der Verarbeitung aufgenommen haben könnte (z. B. Gülle). Hierfür wird eine Vakuumkammer verwendet.
• Bactofugation: Eliminiert Bakterien durch Zentrifugieren (Bactófuga). Die Milch sollte maximal 300.000 KBE/ml (Koloniebildende Einheiten pro Milliliter) aufweisen.
• Klärung: Trennt Feststoffe und unnötige Sedimente (Staub, Schmutz) ab.

Wärmebehandlungen zur Haltbarmachung

Nach der Reinigung kann die Milch durch Anwendung von Wärme behandelt werden, um Bakterien teilweise oder vollständig zu beseitigen. Je nach Ziel werden Thermisation, Pasteurisierung, Ultra-Pasteurisierung oder Sterilisation angewendet:

• Thermisation: Dieses Verfahren reduziert oder hemmt die Enzymaktivität.
• Pasteurisierung (SHT – Slow High Temperature): Erhitzt die Milch auf Temperaturen, die zur Beseitigung spezifischer Krankheitserreger (z. B. Streptococcus thermophilus) bestimmt sind.
• Ultrahocherhitzung (UHT – Ultra High Temperature): Dieses Verfahren verwendet höhere Temperaturen als die Pasteurisierung. Es eliminiert fast alle Milchsäurebakterien und erfordert keine Kühlung.
• Sterilisation: Die hohe Temperatur von 140 °C für 45 Sekunden eliminiert alle Mikroorganismen in der Milch. Die Milch kann dabei eine leichte Karamelisierung erleiden.

Marktpräsentation und Milchsorten

Die Präsentation der Milch auf dem Markt variiert, um den Vorlieben der Verbraucher gerecht zu werden. Eine sehr häufige Verarbeitung ist die Entwässerung (Gefriertrocknung) oder die Herstellung von Milchpulver für den einfachen Transport und die Lagerung. Es ist auch üblich, den Fettgehalt zu reduzieren, den Kalziumgehalt zu erhöhen und Aromen hinzuzufügen.

Die Anforderungen für die verschiedenen Kategorien variieren je nach Land:

• Vollmilch: Hat einen Fettgehalt von 3,2 %.
• Magermilch: Fettgehalt von weniger als 0,3 %.
• Halbfettmilch: Fettgehalt zwischen 1,5 und 1,8 %.
• Aromatisierte Milch: Milch, die mit Zucker oder zusätzlichen Aromen wie Erdbeer, Kakao, Zimt, Vanille usw. gesüßt ist.
• Galalith: Hartplastik, gewonnen aus Kasein und Formaldehyd.
• Pulverisiert oder gefriergetrocknet: Bei dieser Milch wurden 95 % des Wassers durch Verdampfungs- und Zerstäubungsprozesse entfernt.
• Kondensiert, eingedickt oder verdampft: Der Milch wurde teilweise Wasser entzogen, wodurch sie viel dicker als herkömmliche flüssige Milch ist. Sie kann Zucker enthalten oder nicht.
• Angereichert: Milch, der zusätzliche Nährstoffe wie Vitamine, Kalzium, Phosphor, Omega-3 usw. hinzugefügt wurden.

Soziale Kontroversen und Milchkonsum

Obwohl Milch ein natürliches und nahrhaftes Lebensmittel ist, haben ihre Produktion, Aufbereitung, Verwaltung und Werbung zu Kontroversen geführt, die in den 1960er Jahren ihren Höhepunkt erreichten und sich bis heute fortsetzen.

Tierschutz und Produktionsmethoden

Der Hauptgrund für diese Kontroverse ist die Art und Weise, wie Milch von Tieren gewonnen wird. Das Leben einer Milchkuh basiert auf konstanter Besamung und Zucht, da weibliche Säugetiere nur nach der Geburt Milch geben. Viele moderne Methoden zur Sicherung der Milchmerkmale nutzen die künstliche Befruchtung.

Es wird argumentiert, dass die Tiere unter Stress leiden, wenn sie an unbekannte Orte gebracht werden (z. B. zur Schlachtung). Ebenso wird der Verlust des Kalbes als schmerzhaft für die Kuh empfunden. Die Internationale Liga für Tierrechte definierte 1977 die Art und Weise, wie Tiere genutzt werden dürfen. Die Zucht für Lebensmittel bleibt in allen Ländern legal. Männliche Kälber sind für die Fleischindustrie bestimmt, während weibliche Kälber dazu bestimmt sind, ihre Mütter in der Milchproduktion zu ersetzen.

Gesundheitliche Bedenken beim Milchkonsum

Einige Autoren halten Kuhmilch für schädlich für den Menschen, da ihre Proteine und ihr Kalzium angeblich schwer zu assimilieren sind. Vegetarier lehnen den Konsum tierischer Produkte, einschließlich Milch, ab. Die meisten Experten halten Milch jedoch für vorteilhaft für die menschliche Ernährung.

Potenzielle Probleme, die Milch bei bestimmten Personen verursachen kann:

• Laktoseintoleranz aufgrund von Laktase-Mangel.
• Allergie gegen Kuhmilchprotein (APLV).
• Proteinunverträglichkeit von Kuhmilch (IPLV).

Wissenschaftliche Studien legen einen Zusammenhang zwischen Milchkonsum und einem erhöhten Risiko für die Parkinson-Krankheit nahe.

Die aktuelle wissenschaftliche Perspektive

Trotz aller Kontroversen ist der Mensch das einzige Säugetier, das während des gesamten Lebens Milch trinken kann. Diese Tatsache wurde im siebzehnten Jahrhundert von Francis Glisson nachgewiesen, der entdeckte, dass Kinder, die keine Milch konsumierten, an Rachitis (Knochenentmineralisierung) litten.

Heute ist bekannt, dass Milch Vitamin D und Kalzium enthält. Das Hormon Thyroxin (von der Schilddrüse sezerniert) nutzt diese Ressourcen, um sowohl Kalzium als auch Phosphor in den Knochen einzulagern. Der Konsum von Milch hilft, Arthritis, Osteoporose und andere Erkrankungen der Knochendemineralisierung zu verhindern. Ernährungswissenschaftler empfehlen daher eine tägliche Dosis.