Anwendungshinweis | CoaguSens™ Flex

Prüfung der Schmelzfähigkeit und Funktionalität von Schmelzkäse

Schmelzkäse spielt in der Lebensmittelindustrie eine wichtige Rolle und wird aufgrund seiner gleichbleibenden Qualität, seiner langen Haltbarkeit und seiner vielseitigen Verwendungsmöglichkeiten in Produkten wie Sandwiches, Soßen, Fertiggerichten und Backwaren geschätzt. Eines der entscheidenden Merkmale, das seine Leistungsfähigkeit in Lebensmittelanwendungen bestimmt, ist die Schmelzfähigkeit. Diese Eigenschaft beeinflusst direkt die Textur, das Mundgefühl und die optische Anmutung, wenn der Käse erhitzt wird, und ist somit ein entscheidender Faktor sowohl bei der Produktentwicklung als auch bei der Qualitätskontrolle.

Funktionalität von Schmelzkäse

Die einzigartige Funktionalität von Schmelzkäse ist das Ergebnis einer sorgfältig ausgewogenen Rezeptur und eines kontrollierten Herstellungsprozesses. Durch das Vermischen von Naturkäse mit Emulgatorsalzen, Wasser und anderen Zutaten unter Hitzeeinwirkung können Hersteller Konsistenz, Geschmack und Verarbeitbarkeit über alle Chargen hinweg standardisieren. Diese Kontrolle ermöglicht gezielte Anpassungen, um spezifischen Marktanforderungen gerecht zu werden – wie beispielsweise eine verbesserte Schmelzfähigkeit für Pizzabeläge oder eine verbesserte Schnittfestigkeit für Burger. Die Möglichkeit, die Schmelzfähigkeit präzise anzupassen, ohne dabei die Stabilität zu beeinträchtigen, ist einer der Gründe, warum Schmelzkäse im Gastronomiebereich und in industriellen Anwendungen weit verbreitet ist.

Schmelzfähigkeit: ein wesentliches Qualitätsmerkmal bei Schmelzkäse

Unter der Schmelzbarkeit von Schmelzkäse versteht man seine Fähigkeit, bei Hitzeeinwirkung weich zu werden und zu fließen. Diese Eigenschaft wird durch Faktoren wie Feuchtigkeitsgehalt, pH-Wert, Fett-Eiweiß-Verhältnis sowie Art und Menge der verwendeten Emulgatorsalze beeinflusst. Eine optimale Schmelzfähigkeit gewährleistet eine gleichmäßige Verteilung auf erhitzten Lebensmitteln, verhindert übermäßiges Auslaufen von Fett und sorgt für die gewünschten Dehnungs- oder Fließeigenschaften. Ein uneinheitliches Schmelzverhalten kann zu Produktmängeln wie Blasenbildung, ungleichmäßiger Verteilung oder unerwünschter Textur führen, was sich sowohl auf das Erscheinungsbild als auch auf die Akzeptanz beim Verbraucher auswirkt.

Festigkeit und Textur

Die Festigkeit von Schmelzkäse steht in engem Zusammenhang mit seiner Schmelzfähigkeit, da beide Eigenschaften durch das Eiweißnetzwerk und die Wasserverteilung des Käses bestimmt werden. Während festere Käsesorten beim Erhitzen ihre Struktur beibehalten können, kann eine übermäßige Festigkeit die Streichfähigkeit einschränken und zu einer zähen Konsistenz führen. Umgekehrt können weichere Konsistenzen zwar das Schmelzverhalten verbessern, bergen jedoch die Gefahr, dass der Käse unter Hitzeeinwirkung zusammenfällt. Die Hersteller erzielen die gewünschte Festigkeit durch Anpassung des Eiweißgehalts, der Emulgatorsalzkonzentration sowie der Verarbeitungsparameter wie Erhitzungszeit und Schergeschwindigkeit.

Konsistenz

Unter Konsistenz versteht man die Gleichmäßigkeit der Eigenschaften von Schmelzkäse – sowohl innerhalb einer Charge als auch über verschiedene Produktionsläufe hinweg. Aus funktionaler Sicht gewährleistet die Konsistenz, dass Schmelzverhalten, Festigkeit und Textur während der Verarbeitung vorhersehbar bleiben. Zu den Faktoren, die die Konsistenz beeinflussen, zählen die gleichmäßige Vermischung der Zutaten, eine stabile pH-Regulierung sowie die Vermeidung einer Phasentrennung während der Herstellung. Die Aufrechterhaltung einer hohen Konsistenz fördert nicht nur die Zuverlässigkeit der Marke, sondern reduziert auch Ausschuss und Verarbeitungsprobleme für industrielle Anwender.

Viskosität

Die Viskosität spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des Fließverhaltens von Schmelzkäse während des Schmelzvorgangs. Sie beeinflusst, wie sich der Käse auf erhitzten Oberflächen verteilt, seine Dehnbarkeit sowie seine Fähigkeit, sich mit anderen Lebensmittelkomponenten zu verbinden. Eine geringere Viskosität fördert ein gleichmäßiges Fließen und eine gleichmäßige Verteilung, während eine höhere Viskosität den Erhalt der Struktur in geschichteten oder gefüllten Produkten unterstützt. Zur Erreichung der angestrebten Viskositätswerte werden üblicherweise Anpassungen des Feuchtigkeitsgehalts, der Emulgatorsalze und der Fettverteilung vorgenommen.

Das Verständnis und die Steuerung von Schmelzbarkeit, Festigkeit, Konsistenz und Viskosität sind von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass Schmelzkäse die Leistungserwartungen sowohl der Verbraucher als auch der Industriekunden erfüllt. Diese Parameter bilden die Grundlage für die Bewertung der Funktionalität und dienen als Orientierung für Rezepturverbesserungen, um den sich wandelnden Marktanforderungen gerecht zu werden.

Im nächsten Abschnitt werden wir im Rahmen unserer Fallstudie „Prüfung der Schmelzfähigkeit von Schmelzkäse“ praktische Ansätze zur Bewertung dieser Eigenschaften in realen Anwendungssituationen untersuchen .

Fallstudie: Prüfung der Schmelzfähigkeit von Schmelzkäse

Gerät: CoaguSens™ Flex – Präzise Prüfung der Festigkeit und Schmelzbarkeit von Schmelzkäse

CoaguSens™ Flex ist ein Präzisionsanalysegerät, das für die Milchwirtschaft entwickelt wurde, um die rheologischen und viskoelastischen Eigenschaften von Milchgelen und Käse zu charakterisieren. Es ermöglicht die Echtzeitüberwachung enzymatischer und säurebasierter Gerinnungsprozesse in Milch und quantifiziert die Gelfestigkeit sowie die Strukturentwicklung unter kontrollierten thermischen Bedingungen. Das System ermöglicht zudem Untersuchungen zur Schmelzbarkeit von Käse (Natur- oder Schmelzkäse) durch die Messung temperaturabhängiger viskoelastischer Reaktionen und liefert reproduzierbare Daten zur funktionellen Leistungsfähigkeit.

Durch die Ermittlung präziser rheologischer Parameter unterstützt CoaguSens™ Flex Lebensmittelwissenschaftler, Technologen und Verfahrenstechniker bei der Optimierung von Rezepturen und der Dosierung von Zutaten. Seine analytischen Fähigkeiten erleichtern die Anpassung von Prozessparametern, um definierte funktionale Ziele – darunter Textur, Festigkeit und Schmelzverhalten – konsistent zu erreichen.

CoaguSens™ Flex vereint Vielseitigkeit mit hoher analytischer Genauigkeit und eignet sich sowohl für Forschung und Entwicklung– wo es das Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen in Milchverarbeitungssystemen fördert – als auch für die der Qualitätskontrolle, wo es die Produktgleichmäßigkeit gewährleistet, Schwankungen reduziert und die Einhaltung industrieller Leistungsstandards sicherstellt. Das Gerät misst die folgenden Parameter in Abhängigkeit von der Temperatur:

der Scherelastizitätsmodul (G′): Maß für die Festigkeit des Gels;
der Scherverlustmodul (G’’): zur Messung des viskosen Verhaltens des Gels;
Der Verlustfaktor [tan(δ)]: definiert als das Verhältnis G’’/G’, das den Anteil des viskosen Verhaltens im Vergleich zum elastischen Verhalten der Probe angibt.

Ergebnisse

Schmelzkinetik

Abbildung 1: Vergleich der Schmelzprofile (zeitliche Entwicklung des Elastizitätsmoduls bzw. der Festigkeit) der Schmelzkäse „Velveeta“, „Laughing Cow“, „Cheese Whiz“ und „Kraft Single“ im Temperaturbereich von 4 °C bis 70 °C.

Die Untersuchung der Festigkeit und der Schmelzgeschwindigkeit von Schmelzkäse mit dem CoaguSens™ Flex liefert präzise rheologische Erkenntnisse, die es Herstellern ermöglichen, Rezepturen, die Emulgatorbilanz und das thermische Verhalten zu optimieren, um eine gleichbleibende Textur, eine kontrollierte Schmelzfähigkeit und eine verbesserte Leistung in industriellen, kulinarischen und Verbraucheranwendungen zu erzielen. Die mit dem CoaguSens™ Flex ermittelten Schmelzfähigkeitskurven liefern zahlreiche Anhaltspunkte:

Kraft-Scheibe Es beginnt als die festeste Probe (~100.000 Pa), was auf eine dichte Protein-Emulgator-Matrix hindeutet, schmilzt jedoch auch am schnellsten, wobei der G′-Wert in weniger als 2 Minuten unter 20.000 Pa absinkt. Es weist unter Hitzeeinwirkung eine hohe Steifigkeit und eine mäßige Strukturbeständigkeit auf.

Velveeta Es beginnt mit einer mäßig hohen Festigkeit (~50.000 Pa) und schmilzt schnell, wobei sich die Elastizität auf einem niedrigen Niveau einpendelt. Es bietet ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Anfangsfestigkeit und schneller Fluidisierung und eignet sich somit ideal für Anwendungen, bei denen eine glatte, gleichmäßige Schmelze erforderlich ist.

Laughing Cow weist eine geringere Anfangsfestigkeit (~35.000 Pa) auf, behält jedoch seine Struktur etwas länger bei, wobei der G′-Abfall langsamer und allmählicher verläuft. Am Ende weist es eine höhere Restelastizität auf, was auf eine weichere, aber stabilere Schmelzstruktur hindeutet.

Cheez Whiz ist von Anfang an am wenigsten fest (<5.000 Pa) und weist einen vernachlässigbaren Strukturabbau auf, sodass es sich im Wesentlichen durchgehend wie eine Flüssigkeit verhält. Bei seiner Rezeptur wird der Gießbarkeit Vorrang vor der Gelfestigkeit eingeräumt.

Abbildung 2: Vergleich des Elastizitätsmoduls (Härtegrad) der Schmelzkäse „Velveeta“, „Laughing Cow“, „Cheese Whiz“ und „Kraft Single“ bei 4 °C und 70 °C.

Abbildung 3: Verlusttangens [tan(δ)] und viskoses Verhalten der Schmelzkäse „Velveeta“, „Laughing Cow“, „Cheese Whiz“ und „Kraft Single“ bei 4 °C

Abbildung 4: Verlusttangens [tan(δ)] und viskoses Verhalten der Schmelzkäse „Velveeta“, „Laughing Cow“, „Cheese Whiz“ und „Kraft Single“ bei 70 °C

Velveeta

Velveeta ist ein pasteurisiertes Schmelzkäseprodukt aus Milch, Molke, Emulgatorsalzen und Ölen, das homogenisiert und wärmebehandelt wird, um Stabilität und eine cremige Konsistenz zu gewährleisten. Aufgrund seiner gleichmäßigen Schmelzeigenschaften wird es häufig in Soßen, Dips und verarbeiteten Lebensmitteln verwendet.

Bei 4 °C weist Velveeta eine mäßige Festigkeit (~45.000 Pa) mit vorwiegend elastischem Verhalten (tan(δ) ~0,3) auf. Eine Erwärmung auf 70 °C führt zu einem drastischen Strukturverlust (<2.000 Pa) und einem starken Anstieg von tan(δ) (~0,7), was einen Übergang zu einem viskosdominanten Verhalten kennzeichnet. Dies erklärt seine glatte, gleichmäßige Schmelzbarkeit.

Laughing Cow

„Laughing Cow“ ist ein portionierter Schmelzkäseaufstrich, der durch die Vermischung von Naturkäse mit Sahne, Milchpulver und Emulgatorsalzen hergestellt und anschließend zur Verlängerung der Haltbarkeit hitzesterilisiert wird. Das Ergebnis ist ein streichfähiges, cremiges Produkt, das üblicherweise als Snack verzehrt oder auf Brot und Cracker gestrichen wird.

„Laughing Cow“ weist bei 4 °C eine mäßig feste Konsistenz auf (~35.000 Pa) und behält bei Erwärmung eine beträchtliche Elastizität bei (~7.000 Pa bei 70 °C). Sein tan(δ)-Wert bleibt stabil bei ~0,3, was auf einen stabilen viskosen Anteil bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des strukturellen Gleichgewichts hindeutet. Dies führt zu einer weichen, streichfähigen Konsistenz, jedoch nicht zu vollständiger Fließfähigkeit.

Cheese Whiz

Cheez Whiz ist eine Schmelzkäse-Sauce aus Käse, Molke, Ölen und Emulgatorsalzen, die thermisch verarbeitet wird, um ein lagerstabiles, gießfähiges Produkt mit gleichbleibender Konsistenz zu erhalten, das vor allem als Dip, Belag oder Geschmacksgeber in Fast-Food- und Fertiggerichten verwendet wird.

Cheez Whiz weist selbst bei 4 °C (~5.000 Pa) eine schwache Struktur auf, mit einem relativ hohen tan(δ)-Wert (~0,5), der auf vorwiegend viskose Eigenschaften hindeutet. Bei 70 °C fällt sein G′ unter 1.000 Pa, während tan(δ) hoch bleibt, was seine Beschaffenheit als gießfähige Emulsion mit minimaler Gelnetzwerkintegrität bestätigt.

Kraft Singles

Kraft Singles sind einzeln verpackte Schmelzkäsescheiben, die aus Naturkäse, Molke, pflanzlichen Ölen, Emulgatorsalzen und Stabilisatoren bestehen und pasteurisiert sind, um mikrobiologische Sicherheit und eine gleichbleibende Schmelzfähigkeit zu gewährleisten. Sie wurden speziell für die Verwendung in Sandwiches, Burgern und anderen verzehrfertigen Speisen entwickelt.

Kraft Slice weist im Kühlzustand den höchsten Druckwert auf (~100.000 Pa) und zeigt ein mäßig elastisches Verhalten (tan(δ) ~0,45). Bei Erwärmung auf 70 °C sinkt G′ steil auf ~4.000 Pa ab, und tan(δ) steigt in Richtung 0,55 an, was auf strukturelle Veränderungen während des Schmelzens hindeutet.

Verbesserung der Funktionalität von Schmelzkäse durch präzise Messungen

Schlussfolgerung

In dieser Studie wurden die Schmelzfähigkeit und die funktionellen Eigenschaften von Velveeta, Laughing Cow, Cheez Whiz und Kraft Singles unter Verwendung des CoaguSens™ Flex. Das Verhalten von Schmelzkäse hängt von Faktoren der Rezeptur ab, wie beispielsweise dem Protein-Fett-Verhältnis, Emulgatorsalzen, dem pH-Wert und dem Feuchtigkeitsgehalt. Zu den gemessenen Schlüsselparametern gehörten der Scherkraft-Elastizitätsmodul (G′), der Viskositätsmodul (G″) und der Verlustfaktor [tan(δ)], wodurch eine präzise Bewertung der Festigkeit und des Schmelzverhaltens über verschiedene Temperaturbereiche hinweg möglich war.

Bei 4 °C, war „Kraft Slice“ war am festesten (~100.000 Pa), gefolgt von Velveeta (~45.000 Pa) und Laughing Cow (~35.000 Pa), während Cheez Whiz war schwach strukturiert (<5.000 Pa). Durch Erhitzen auf 70 °C nahm die Festigkeit bei allen Proben ab, allerdings mit unterschiedlicher Kinetik: Kraft Slice schmolz schnell (~4.000 Pa), Velveeta verflüssigte sich vollständig (<2.000 Pa), Laughing Cow behielt teilweise seine Struktur bei (~7.000 Pa) und Cheez Whiz blieb durchgehend weich.

Das durch tan(δ) erfasste Viskositätsverhalten bestätigte diese Tendenzen. Velveeta wechselte von einem überwiegend elastischen Verhalten (~0,3) zu einem viskosen Verhalten (~0,7), Laughing Cow blieb stabil (~0,3), Kraft Slice stieg leicht an (0,45–0,55) und Cheez Whiz blieb unabhängig von der Temperatur viskos (~0,5).

CoaguSens™ Flex bietet eine schnelle, reproduzierbare und quantitative Methode zur Messung der Schmelzfähigkeit von Käse. Dank seiner Fähigkeit, die Festigkeit, die Schmelzgeschwindigkeit und das viskoelastische Gleichgewicht unter Wärmeeinwirkung zu erfassen, ist das Gerät ein unschätzbares Hilfsmittel für Entwicklung von Rezepturen in der Forschung und Entwicklung sowie Überwachung der Konsistenz durch die Qualitätssicherung, um sicherzustellen, dass die Produkte die funktionalen Leistungsanforderungen mit einem Minimum an Versuch und Irrtum erfüllen.

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