KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA

REDACTIONEEL

EDITIE 35, MEI 2018

Duurzaam en gezond voedsel op basis van onderzoek aan minuscule druppels in emulsies

Tal van voedselproducten zijn emulsies, waarbij de olie als fijne druppeltjes in de waterfase is verdeeld. Dr. Claire Berton-Carabin, UD bij de leerstoelgroep Food Processing Engineering van de Universiteit Wageningen, onderzoekt wat er zich precies afspeelt op het grensvlak tussen olie en water. Die kennis is nodig om doelgericht tot gezondere en meer duurzame producten te komen. Hiervoor wordt in haar onderzoeksgroep ondermeer een apparaat gebruikt, dat druppeltjes met een diameter zo klein als 0,1 micrometer kan maken.

 

Claire Berton-Carabin, UD bij de leerstoelgroep Food Processing Engineering, onderzoekt wat er zich precies afspeelt op het grensvlak tussen olie en water in emulsies. Hiervoor gebruikt ze onder andere de M-110Y Microfluidizer, die door Salm en Kipp wordt onderhouden en, net als de opvolger LM-20, in Nederland op de markt wordt gebracht.

 

Het schoonmaken van je koelkast is niet altijd een onverdeeld genoegen, want menigmaal stuit je op voedselresten die ergens achterin zijn beland en daardoor veel te lang zijn onderworpen aan allerhande degeneratieprocessen. Zo ook de spreekwoordelijke ‘al maanden geleden aangebroken pot mayonaise’ die bij openen een wat ranzige geur prijsgeeft en het roomblanke oppervlak heeft ingeruild voor een felgele, wat hardere substantie. “De oxidatieve processen, zoals die in emulsies als mayonaise plaatsvinden, kunnen uitstekend worden tegengegaan door het toevoegen van anti-oxidanten. Maar voedselproducenten worden door de trends naar gezond, natuurlijk voedsel en ook regelgeving op dit gebied steeds terughoudender met het toevoegen van anti-oxidanten, zeker die op chemische basis”, constateert Claire Berton-Carabin.

“Tegelijkertijd proberen producenten het gehalte aan onverzadigde vetzuren te verhogen omdat die goed voor de gezondheid zijn, en is er zelfs recente regelgeving die producenten verplicht om meer onverzadigde vetzuren toe te voegen aan recepturen voor bijvoorbeeld babyvoeding. Die onverzadigde vetzuren oxideren echter relatief gemakkelijk. En, zoals eerder vermeld, zijn anti-oxidanten op chemische basis geen optie vanwege de clean label trend: consumenten willen geen E-nummers meer zien op de etiketten, dus ook geen synthetische anti-oxidanten. Juist de combinatie van meer onverzadigde vetzuren en minder anti-oxidanten maakt oxidatie tot een belangrijke uitdaging voor voedselproducenten.” Een andere trend die van invloed is op emulsies, en dan met name de fysische stabiliteit, is die van duurzaamheid. Je kunt bijvoorbeeld tot een duurzamer product komen door dierlijke eiwitten te vervangen door plantaardige eiwitten. Maar dat garandeert nog geen stabiele emulsie omdat de functionaliteit van de eiwitten erg kan verschillen. Een-op-een vervanging is geen optie.

 

Blik in één van de laboratoria van de leerstoelgroep Food Processing Engineering.

 

Verbeteren vanuit inzicht

Om de problemen rond oxidatie op te lossen en doelgericht te kunnen zoeken naar alternatieven voor dierlijke eiwitten is het volgens Claire essentieel om te begrijpen wat er zich op microniveau in de emulsie afspeelt. Hierbij legt ze de focus op de eigenschappen en structuur van het grensvlak tussen olie en water. “Een veelvuldig gehanteerde strategie om voedselproducten gezonder en/of stabieler te maken is het aanpassen of veranderen van de ingrediënten. Maar dat komt neer op trial-and-error, of om in vaktermen te blijven cook-and-look: je weet niet wat de consequenties zijn voor de structuur en de microstructuur van het product. Ik wil juist vanuit de structuur begrijpen wat er gebeurt. Om bijvoorbeeld een emulsie te maken die beter bestand is tegen vetoxidatie, probeer ik te achterhalen wat er gebeurt op het grensvlak, omdat dat de plek is waar de oxidatiereactie begint. De structuur wordt zodanig gemodificeerd dat we een product krijgen dat beter bestand is tegen oxidatie. Begrijpen hoe het werkt en van daaruit doelgericht verbeteringen doorvoeren, dat is de ➞ rode draad die door het werk binnen mijn onderzoeksgroep loopt.”

 

Minuscule druppeltjes

Om de experimenten met het gecontroleerde grensvlak goed uit te kunnen voeren is het essentieel om ook op een gecontroleerde manier de benodigde emulsies te maken. Hiervoor zijn in de laboratoria van de leerstoelgroep Food Processing Engineering (FPE) diverse apparaten te vinden, waarbij afhankelijk van de flowcondities (turbulent of laminair) verschillende structuren kunnen worden gemaakt, simpelweg omdat de moleculen op verschillende wijze naar het grensvlak worden getransporteerd. Een voorbeeld van een relatief milde techniek is de rotorstator homogenisator, die relatief grote druppeltjes produceert, in de ordegrootte van enkele tientallen tot honderden micrometers. Een heel andere milde methode om emulsies te maken, is in de FPElaboratoria ontwikkeld. Bij EDGE (Edge based Droplet Generation) wordt gestart met een aparte olieen waterfase, en geen grove emulsie zoals gebruikelijk in andere methoden. In kleine kanalen (microfluidica) wordt een constant drukverschil tussen de olie- en de waterfase aangelegd, waardoor de olie over een ondiep verbindingsstuk stroomt (het plateau). Zodra de olie aan de rand (de edge) van dat plateau komt worden druppels gevormd die zodra ze een bepaalde omvang hebben spontaan los laten en in de langsstromende waterfase ‘vallen’.

Binnen een vrij groot drukgebied zijn die druppeltjes altijd van exact hetzelfde formaat. Als druppels nodig zijn van minder dan een micrometer, dan is nog andere technologie nodig zoals de Microfluidizer M-110Y van Microfluidics. Deze hoge-druk homogenisator is wat het maken van kleine druppeltjes betreft ongeëvenaard: 0,1 tot 0,2 micrometer diameter, bij goed regelbare temperaturen. De hoge druk (tot meer dan 1500 bar) zorgt voor een heel ander principe dan beschreven voor de EDGE-apparaten. De vloeistofstroom die in dit geval bestaat uit een grove emulsie wordt door een aantal in de interactiekamer parallel geconfigureerde microkanalen geperst, die minder dan een haar dik zijn. De druppeltjes in de stroom botsen hierbij op elkaar, waardoor ze effectief in nog kleinere druppeltjes worden omgezet door de gegenereerde afschuifkrachten (shear). De pre-emulsie wordt bijvoorbeeld in de rotorstator homogenisator gemaakt en verder verfijnd in de Microfluidizer.

Het met vetdeeltjes stabiliseren van de interface levert een zo sterke hechting op dat de normaliter thermodynamisch gunstigste bolvorm van de druppels niet mogelijk is.

 

Biobased deeltjes als stabilisator

Een trend, waar menig voedingsbedrijf onderzoek naar doet, is het gebruik van deeltjes om de oliedruppeltjes fysisch te stabiliseren. Tot nu toe gebeurt dat vooral met eiwitten en surfactants, zoals lecithines. Het gebruik van deeltjes is niet nieuw, want honderd jaar geleden werd al met anorganische deeltjes, zoals silica, geëxperimenteerd. Dergelijke deeltjes hebben door hun affiniteit voor zowel de olie als het water de neiging om zich in het grensvlak te nestelen en omdat ze het daar zo naar hun zin hebben, kost het veel energie om ze te verwijderen. Dit resulteert in emulsies die fysisch extreem stabiel zijn. Omdat anorganische deeltjes als gevolg van de clean label trend kansloos zijn, is er sinds een jaar of tien het idee om voor het stabiliseren van het grensvlak deeltjes te gebruiken, die zijn gemaakt van biobased materialen, zoals eiwitten, polysacchariden en ook vetten.

Anja Schröder, één van de PhD-studenten die door Claire wordt begeleid, maakt voor haar onderzoek kleine vetdeeltjes. Hiervoor gebruikt zij de Microfluidizer. Het vet wordt op temperatuur gebracht, zodat het smelt en in een preemulsie kan worden verwerkt, en als vloeistof door de interactiekamer kan worden geperst. Dit leidt tot deeltjes van enkele tienden van een micrometer. Daarna wordt gekoeld, zodat de vetdeeltjes vast worden. Bij lage temperaturen worden deze deeltjes vervolgens gemengd met een olie, waarna deeltjes-gestabiliseerde druppeltjes kunnen worden gevormd. “Als we deze emulsie analyseren met ondermeer gepolariseerd licht, zien we haarfijn de vetkristalletjes op de druppels. Grappig is ook dat we in tegenstelling tot bij eiwitten en surfactants geen perfect ronde ring om de druppels zien, maar een meer langgerekte. Dat is als volgt te verklaren: als twee druppels samensmelten, zie je normaal dat de druppel weer rond wordt omdat surfactants uit het grensvlak gaan (dat is thermodynamisch gezien de beste optie). Maar als die druppels bedekt zijn met deeltjes lukt dat niet omdat het door de sterke hechting van die deeltjes te veel energie kost om deeltjes te verwijderen en tot de bolvorm te komen.”

 

Niet meer zonder

Claire Berton-Carabin heeft als post-doc bij de Penn State University voor het eerst gewerkt met de Microfluidizer, voor het maken van emulsies met druppels van 0,1 tot 0,2 μm. “Collega’s daar vertelden mij dat als je eenmaal met zo’n apparaat had gewerkt, je niets anders meer wilde. En dat gold ook voor mij, want toen ik een kleine vijf jaar geleden bij Food Processing Engineering begon, stond een Microfluidizer hoog op mijn verlanglijstje.

De nauwe verdeling van de deeltjesgrootte, de reproduceerbaarheid van de gemaakte druppeltjes en het grip hebben op de warmte-ontwikkeling zijn hele gunstige eigenschappen voor het opzetten en uitvoeren van je experimenten.” Het werken met dit apparaat is niet echt moeilijk en gemakkelijk aan te leren. “Dat betekent dat het meestal wel goed gaat. Alleen willen gebruikers er wel eens te grote deeltjes in stoppen en dan raken de kanalen verstopt. Dat is eenvoudig op te lossen door de interactiekamer om te draaien.

Bovendien brengen we de gebruikers een zekere schoonmaakdiscipline bij. Het experiment zelf duurt maar een paar minuten, maar met schoonmaken (een sequentie van spoelen, detergentia toevoegen en weer spoelen) ben je zo 20 minuten bezig. Dat moet goed gebeuren, niet alleen om het apparaat in conditie te houden, maar zeker ook om vervolgexperimenten niet te verstoren”, vertelt Jos Sewalt, die als analist bij de leerstoelgroep werkt. Hij voert een deel van de experimenten uit, begeleidt studenten en PhD’s met woord en daad en zorgt ook voor het onderhoud van deze apparatuur.

Jos Sewalt, die als analist bij de leerstoelgroep werkt, voert een deel van de experimenten uit,
begeleidt studenten en PhD’s met woord en daad en zorgt ook voor het onderhoud van de apparatuur.

“Het is een robuuste machine. Onlangs heeft de service engineer van Salm en Kipp de Microfluidizer helemaal gedemonteerd en elk onderdeel apart compleet schoongemaakt en waar nodig gereviseerd. Sowieso was het al prachtig om te zien hoe ingenieus dat apparaat in elkaar zit, maar we waren ook aangenaam verrast toen hij de Microfluidizer weer in elkaar had gezet: hij liep weer als een zonnetje! Dan besef je dat ruim vier jaar intensief gebruik door een grote verscheidenheid aan studenten en onderzoekers toch wel een wissel op zo’n apparaat heeft getrokken. En dat regelmatig onderhoud door gekwalificeerde technici geen overbodige luxe is.”

 

Salm en Kipp

www.salmenkipp.nl

 

Food Processing Engineering

www.wur.nl

 

 

Food Processing Engineering

De leerstoelgroep Food Processing Engineering is onderdeel van het cluster Agrotechnologie en Food Sciences en richt zich op het vinden van duurzame processen en het produceren van producten die een uitstekende smaak combineren met betere voedingswaarde.

De groep, die onder leiding staat van Remko Boom, heeft zeven stafleden en vijf analisten. Gemiddeld werken er zo’n 25 PhD’s aan hun promotieonderzoek. Daarnaast voeren er jaarlijks ongeveer 40 masterstudenten en 25 bachelorstudenten een afstudeervak uit.

In deze dynamische onderzoeksomgeving komen zes thema’s aan de orde:

  • Enzymreacties, vertering en scheidingen voor meer begrip over menselijke vertering.
  • Nieuwe voedselstructuren voor bijvoorbeeld vleesvervangers.
  • Microtechnologie, membranen en modeleren om op kleine schaal processen te begrijpen.
  • Drogen van voedselingrediënten en duurzaamheidsanalyse.
  • Ontwikkeling van duurzame processen, die efficiënter zijn en minder energie vergen.
  • Emulsie, encapsulering en grensvlakken; het verbinden van microstructuur van voedselemulsies en hun fysische en chemische stabiliteit.