Forskere ser for første gang ”flødeost” i 3D – Københavns Universitet

Videresend til en ven Resize Print Bookmark and Share

FOOD > Nyheder > 2016 > Forskere ser for først...

01. april 2016

Forskere ser for første gang ”flødeost” i 3D

Banebrydende forskning:

Forskere fra Københavns Universitet har for første gang skabt et 3D-billede af en fødevare på nanometerskala. Den banebrydende nye metode, de har brugt, har vide perspektiver, da en mere detaljeret viden om strukturen i komplicerede fødevaresystemer potentielt kan spare fødevareindustrien for store summer og mindske det madspild, der sker på grund af fejlproduktioner.

Skrevet af Lene Hundborg Koss, FOOD Kommunikation

Computeranimation/video:  Liborius ApS. (Varighed 0:33)

Forskerne fandt frem til, at 98 % af alle fedtpartiklerne i det flødeostelignende fødevaresystem er kittet sammen i et sammenhængende 3D-netværk, som de har visualiseret ved hjælp af samme teknikker, som bruges i computeranimerede film. Det sammenhængende netværk af fedtkugler (ca. 25 %) ses i videoen som den sammenhængende gule struktur, mens den sammenhængende struktur af vand fylder området mellem fedtet ud (dette område er ikke farvegivet). De små områder af fedt eller vand, som ikke hænger sammen med den øvrige struktur, er røde, henholdsvis blå. De grå områder er fødevareingrediensen mikrokrystallinsk cellulose, som er tilsat prøven. Det viste netværk er ca. 20 mikrometer i diameter og bygget af ca. 1 mikrometer små fedtkugler. 

”Der er stadig meget, vi ikke ved, om strukturen i fødevarer, men det her er et godt skridt på vejen til at forstå og finde frem til løsninger på en række problemer, der handler om fødevarers konsistens, og som koster fødevareindustrien mange penge,” siger lektor Jens Risbo fra Institut for Fødevarevidenskab på Københavns Universitet. Han er en af forfatterne bag en netop offentliggjort videnskabelig artikel i tidskriftet Food Structure, som omhandler den nye banebrydende indsigt i 3D-strukturen i fødevarer.

Foto: Merete Bøgelund Munk

Forskerne har brugt en fløde baseret på vegetabilsk fedt som udgangspunkt for forskningen. Flødesystemet er et godt forsøgsmateriale, da det kan repræsentere strukturerne i en større gruppe fødevaresystemer, fx ost, yoghurt, iscreme, smørbare spreads, men også i den mere faste chokolade. I alle de omtalte produkter er der flydende vand eller fedt samt små partikler af faste materialer, som kitter sig sammen og danner tredimensionelle strukturer – dvs. netværk som giver den konsistens, vi godt kan lide ved ost, yoghurt eller chokolade. I ost og yoghurt er det kaseinpartikler, som danner netværk. I chokolade er det fedtkrystaller, og i iscreme og flødeskum er det kugler af fast fedt.

”Det handler om at forstå madens struktur og tekstur. Hvis man forstår strukturen, kan man ændre på den og opnå præcis den konsistens, man vil,” siger Jens Risbo.

Elektroner med nær lysets hastighed skaber intense røntgenstråler

For at skabe en tredimensional model af fødevaren og omsætte den til billeder og videohar forskerne været i Schweiz, hvor de har benyttet synkrotronen Swiss Light Source (SLS) på Paul Scherrer Instituttet.

Foto taget inde i Swiss Light Source-bygningen. Man kan se en del af den ring, som elektronerne suser rundt i, og som er afskærmet af betonelementer. Foto: Paul Scherrer Institute

Der er tale om en synkrotron røntgenkilde, hvor elektroner accelereres op til næsten lysets hastighed. Røntgenstrålingen bruges bl.a. til forskning i materialevidenskab indenfor fx biologi og kemi. Metoden, som forskerne har benyttet sig af, hedder ”Ptychographic X-ray computed tomography”. Der er tale om en ny metode til at skabe billeder på nanometerskala, som samtidig giver en høj kontrast i biologiske systemer. Synkrotronen i Schweiz er et af de førende steder i verden indenfor denne metode, og det var første gang i verden, den blev anvendt indenfor fødevarevidenskab.

”Vi har brugt tomografiprincippet, som også kendes fra en CT-scanner. Prøven med fødevaresystemet drejes rundt og flyttes sidelæns frem og tilbage med nanometer-præcision, mens vi sender en meget kraftig og fokuseret røntgenstråle igennem. Røntgenstrålerne afbøjes ved at støde ind i elektroner i maden, og der optages en masse billeder af de mønstre, som de afbøjede røntgenstråler danner. Mønstrene kombineres i en kraftig computer, der rekonstruerer et 3D-billede af prøven. Det særlige, som schweizerne har skabt, er det apparat, som kan flytte og rotere prøven med ultra-høj præcision, hvilket muliggør at vi kan se de små detaljer,” siger videnskabelig assistent Mikkel Schou Nielsen, som netop har fuldført et ph.d.-studium ved Niels Bohr Institutet omkring tomografiske metoder anvendt på fødevarer.

Røntgenstråler fokuseres ned til et tværsnit på seks mikrometer ved passagen gennem flødeprøven. Flødeprøven er placeret i et tyndt kapillarrør på mellem 20 og 30 mikrometer i diameter, og prøvens position kontrolleres med nanometers nøjagtighed ved en kombination af piezo-motorer og laserinterferometri. Røntgenstrålerne afbøjes ved sammenstød med elektronerne i flødematerialet og det dannede mønster optages. Ved at flytte prøven gennem røngtenstrålen og rotere til forskellige vinkler, kan et 3D billede af prøven beregnes ud fra de målte mønstre. Illustration: Mikkel Schou Nielsen

Antallet af elektroner afslører de forskellige fødevarekomponenter

Det rekonstruerede 3D-billede kan beskrives som en tredimensionel tabel med tal der beskriver elektrontætheden (antallet af elektroner per volumen) gennem hele prøven. De forskellige fødevarekomponenter, som vand og fedt, har forskellige vægtfylder og dermed også forskellige elektrontætheder. Vand er tungere end fedt, hvilket man kender fra olie, der lægger sig ovenpå vandet, og det er denne kontrast i vægtfylde og elektrontæthed, som får røntgenstråler til at afbøje og danne 3D-billederne af prøven. På figur 1 nedenfor ses en 2D skive af den tredimensionelle struktur. Områder med højere elektrontæthed fremstår lysere på 2D-skiven. Vand fremstår således lysegråt, mens fedt fremstår mørkegråt, og glasset omkring prøven med en høj tæthed ses som en hvid ring. Man kan nu bruge elektrontætheden (gråskalaen) til at identificere de forskellige fødevarekomponenter og studere deres placering og struktur.

Figur 1. Gråskala, der viser elektrontætheden i de forskellige fødevarekomponenter, og som også afslører deres placering og struktur.

Et kompliceret fødevaresystem

Den vegetabilsk baserede fløde, som metoden er brugt på, består af flere ingredienser. Foruden vand og vegetabilsk fedt indeholder fløden protein, stabilisatorer samt emulgatorer. Ved at justere tilsætningen af emulgatorer, kan man opnå, at fløden bliver ved med at være flydende, indtil man vil piske den til skum, hvorved alle fedtdråberne omorganiseres og klistrer sammen udenpå luftboblerne i et tredimensionelt system (se figur 2).

Figur 2. Strukturer af henholdsvis en stabil flydende emulsion og luftboble indfanget i et delvist sammensmeltet fedtnetværk i skum. Illustration: Merete Bøgelund Munk

”Det er en svær balance, fordi man kun vil have fedtpartiklerne til at klistre sig sammen, når fløden piskes – ikke hvis den blot bliver udsat for rystelser eller høje temperaturer. Når fedtpartiklerne alligevel begynder at klistre sig sammen i utide – fx på grund af for mange rystelser under transport – får fløden en konsistens, som minder om flødeost. Den bliver til en forholdsvis hård klump, som man kan skære i,” siger postdoc Merete Bøgelund Munk fra Institut for Fødevarevidenskab.

Det er bl.a. Merete Bøgelund Munks Ph.d.-projekt om fysisk stabilitet af piskbare olie-i-vand-emulsioner, som ligger til grund for forskningen. Ph.d.-projektet er lavet som et samarbejde mellem Institut for Fødevarevidenskab og Palsgaard A/S.

Denne uønskede flødeostelignende tilstand af det vegetabilske flødesystem er ikke desto mindre super interessant for forskerne.

”Organiseringen af fedtkugler og netværksstrukturen efter fløden er blevet omdannet til et ”flødeoste-lignende” produkt er spændende, fordi massen nu er skærbar, selvom systemet består af 65 % vand og kun 25 % fedt plus nogle øvrige ingredienser og sukkerstoffer. Det vil sige, vi har en netværksstruktur, der fastlåser en masse vand. Sagen er, at man har mange fødevarer med lignende netværkssystemer af noget fast i noget flydende, hvor det flydende typisk, men ikke altid, er vand. Det gælder alle halvfaste og faste produkter som fx chokolade, smør, ost og smørbare produkter. Netværket i ”flødeosten” er altså en model for noget generelt i vores mad,” siger lektor Jens Risbo.

Lektor Jens Risbo fra Institut for Fødevarevidenskab ved den opstilling hos Swiss Light Source i Schweiz, som fokuserer røntgenstråler og holder prøven. Foto: Mikkel Schou Nielsen

Det er strukturen af netværkene, som danner en konsistens, der gør, man har lyst til at bide i et stykke chokolade og skære sig et stykke ost. Men strukturen og netværkene er lidt af et mysterium, fordi man indtil i dag kun har kunnet se overfladen eller kun lidt inde under overfladen af fødevarematerialet på mikrometerskala og de billeder, man har opnået, kun har været todimensionelle. 

Hidtil har man kun kunnet se strukturen af det skærebare fødevaresystem som et todimensionelt mikroskopibillede, som giver et billede af overfladen og området lige under. De fremskridt forskerne har gjort, betyder, at man nu kan begynde at forstå, hvordan de forskellige ingredienser hænger sammen i et tredimensionelt netværk. Foto: Merete Bøgelund Munk

”Det handler om at kunne forstå teksturen i maden. Hvis man på længere sigt vil komme til at forstå strukturen af chokolade, kan man ændre den og opnå præcis den konsistens, man vil. Rigtig mange penge går til spilde, fordi konsistensen af chokolade er rigtig svær at styre, så slutproduktet ikke bliver godt nok og må kasseres. Ved en evt. fremtidig forståelse af krystalnetværket i chokolade vil man måske kunne udvikle komponenter, der forhindrer chokoladen i at blive grå og smuldrende, og dermed usælgelig. Det er bestemt en mulighed, at tomografiske metoder kan udvikles, så man kommer til at forstå chokoladens mysterier,” siger Jens Risbo.

Sådan fungerer tomografien

”Metoden kan sammenlignes en CT-scanner på et hospital, da vi ligesom en CT-scanner laver tomografi. I stedet for, man får et billede af en patients organer, kan vi så se ind i fødevaren. Men i modsætning til CT-scanneren kan vi gå ned på nanometerskala,” siger Jens Risbo.

Selve prøven med flødeostesystemet, som forskerne røntgenfotograferede, var ca. 20 mikrometer tyk, hvilket der er gode grunde til.

”Både beregningsmæssigt og tidmæssigt bliver det for voldsomt, hvis man skulle have en nanometeropløsning af flødesystemet svarende til en hel pakke flødeost fra køleskabet. Mængden af informationer og beregninger ville simpelthen blive for stor. Selvom røntgenstråler næsten kan gå igennem alting, taber man også intensiteten af strålerne, jo mere de skal skyde igennem,” siger Jens Risbo.