Dispergeren

Uit Agrofoodwiki

Ga naar: navigatie, zoeken

Dispergeren is het maken van een dispersie. Een dispersie bestaat uit een fijne verdeling van een stof in een continue vloeibare fase van een andere stof. Als de gedispergeerde deeltjes zich voldoende voldoende traag, door oproming of sedimentatie afscheiden van de continue fase, dan wordt het systeem ook wel suspensie genoemd. Indien de gedispergeerde fase een vloeistof is, wordt de dispersie meestal een emulsie genoemd. In een colloidale dispersie of emulsie zijn de deeltjes zodanig klein (diameter tussen de 1 en de 1000 nm) dat sedimentatie en oproming onder invloed van de Brownse beweging grotendeels verhinderd is.


Inhoud

Omschrijving

Dispersies kunnen op diverse manieren gemaakt worden. Sommige biologische materialen zijn van nature dispersies, zoals bloed, melk en microbiele suspensies, terwijl anderen gemaakt moeten worden, zoals smoothies (dispersie van cellen en celwandmaterial in sap dat vrijkomt bij het vermalen van vruchten) en chocola (dispersie van cacao en suiker deeltjes in een continue fase van cacao boter) . Voorbeelden van dispergeringsmethoden zijn homogeniseren, blenden en malen. Door het verschil in lichtsnelheid tussen de gedispergeerde fase en de continue fase, gekarakteriseerd door de brekingsindices van de twee fasen, wordt licht verstrooid door de gedispergeerde deeltjes. Dit geeft een troebel uiterlijk aan de dispersie, ook wel optische dichtheid of verstooiend vermogen genoemd. Een veel gebruikte manier om de verdeling van deeltjesgrootten te bepalen is door meting van de van de licht-verstrooiiende eigenschappen, vooral door bepaling van de intensiteit van het verstrooide licht als functie van de verstrooingshoek en door bepaling van (Brownse) bewegelijkheid van de deeltjes door meting van fluctuaties van de intensiteit van het verstooide licht. De eigenschappen van een dispersie zijn sterk afhankelijkvan de grootte van de deeltjes, de rheologische eigenschappen van de continue fase, de interacties tussen de deeltjes en de interacties tussen de deeltjes en de continue fase. In veel dispersies worden de interacties tussen de deeltjes onderling en tussen de deeltjes en de continue fase in belangrijke mate bepaald door de eigenschappen van een laagje geadsorbeerd materiaal op het oppervlak van de deeltjes.

Toepassingsgebied

De meeste levensmiddelen zijn dispersies, en veel van deze dispersies moeten door middel van een dispergeringstechologie bereid worden. Het primaire doel is het verkrijgen van een homogene verdeling van de ingrediënten oven het levensmiddel, ook wanneer deze ingrediënten niet onderling oplosbaar zijn. Voorbeelden zijn het dispergeren van een olie in een waterrijke fase, voor deze toepassing ook wel emulgeren of homogeniseren genoemd. Voor veel levensmiddelen is het maken van de dispersie pas de eerste stap in de bereiding van een min of meer stevige consistentie van het product door de gedispergeerde deeltjes samen te laten binden in een ruimtelijke structuur in het uiteindelijke product. Voorbeelden hiervan zijn het structureren van opgeloste melkeiwitten (caseines) door fermentatieve verzuring van melk. Tijdens dit proces wordt de pH van de continue fase verlaagd tot nabij het isoelectrische punt van de eiwitten, die daardoor onoplosbaar worden en aggregeren tot een fijnmazig netwerk van het eiwit. Fijnmazige netwerken zijn in staat om de vloeibare continue fase te binden, waardoor een volumineuze stevige eiwitstructuur ontstaat (stand yoghurt). Door deze structuur op te roeren wordt het eiwitnetwerk opgebroken in kleine eiwit aggregaatjes, die in de vloeibare fase gedispergeerd blijven, en het systeem een viskeuze consistentie leveren. Andere voorbeelden van het structuren van producten door middel van aggregatie van gedispergeerde deeltjes zijn vaste vetten, waarbij een dispersie van individuele vetkristallen aaneengroeien tot en matrix van gekristalliseerd vet die het vloeibare vet kan vasthouden (boter, margarine).

Stabiliteit van een dispersie

Dispersies zijn van nature instabiel vanwege de neiging van de deeltjes om samen te klonteren tot een fase die zich daarmee afscheid van de continue fase. Dit gedrag kan in sterke mate geremd worden door de deeltjesgrootte te verkleinen (dit vermindert de aantrekkende interacties tussen de deeltjes, zoals de van der Waals attractie) en de snelheid van oproming en sedimentatie aan te verlagen. De stabiliteit kan ook in hoge mate beïnvloedt worden door het oppervlakken van de deeltjes te veranderen. Daarvoor zijn diverse methoden bekend. Bij bijvoorbeeld NIZO food research is ervaring aanwezig om het aggregatie gedrag te sturen door middel van de elektrische wandpotentiaal van de deeltjes (zoutconcentratie, calcium ionen, pH, covalent binden van ongeladen suikergroepen aan geladen aminozuurgroepen), het aanbrengen van een afschermende polysaccharide laag op het oppervlak (sterische hindering), het complexeren van het oppervlak met andere moleculen, en enzymatische verandering van het oppervlak (meer hydrofiele of meer hydrofoob). Het onderstaande figuur illustreert het effect van de pH op de wandpotentiaal en het effect op eiwitaggregatie. Tenslotte kan een hoge concentratie aan opgeloste polymeren in de continue fase een reversibele (delpletie vlokking ) of irreversibele vorm (bridging flocculatie) van aggregatie opleveren.

Wandpotentiaal eiwit dispersie.jpg

Wandpotentiaal van en een eiwitdispersie als functie van de pH van de waterfase, en het effect op stabiliteit (bron NIZO food research).


Gecontroleerde aggregaatgrootte in eiwit dispersies

Veel eiwitten zijn wateroplosbaar doordat de waterminnende (hydrofiele) aminozuur segmenten zich aan de buitenkant van het eiwitmolecuul of eiwitdeeltjes bevinden en daarmee de watermijdende (hydrofobe) aminozuursegmenten afscheiden van de waterfase. Wanneer deze structuur verbroken wordt, dan wordt het oppervlak van het gedispergeerde eiwitdeeltje meer hydrofoob, waardoor het de neiging krijgt om met andere eiwitdeeltjes te gaan aggregeren. Deze verandering in structuur kan op diverse wijzen optreden, waarbij vooral hitte denaturatie (algehele irreversibele structuurverandering van het eiwit molecuul), verandering van de pH van de waterfase in de richting van het isoelectrische punt (waardor hydrofiele geladen aminozuursegmenten veranderen in electrisch neutrale hydrofobe segmenten) en enzymatische hydrolyse (waardoor de hydrofiele aminozuursegmenten afgesplitst worden van het oppervlak van het eiwitmolecuul). Door deze veranderingen kan het opgeloste eiwit aggregaten tot een netwerkstructuur van kleine eiwitdeeltjes. In de vorm van een eiwitgel kan zo’n netwerkstructuur gebruikt worden voor het binden van water en het vormen van een structuur in een levensmiddel. Typische voorbeelden zijn kaas, kwark, yoghurt, tahoe en andere eiwitgelen. Cruciaal voor het optimaal vormen van een dergelijke gegeleerde eiwitstructuur is een goede controle van de aggregaat grootte: te kleine aggregaten leveren onvoldoende structuur, te grootte aggregaten leveren een te grove structuur, met onvoldoende waterbindende capaciteit en in de mond voelbare deeltjes. Het onderstaande diagram illustreert het effect van de tijdsduur van enzymatische afbraak van eiwitten op de verkregen gemiddelde deeltjesgrootte.


Afbraak eiwitten.jpg


Het effect van de tijdsduur van enzymatische afbraak van eiwitten op de verkregen gemiddelde deeltjesgrootte (bron: NIZO food research).


Voorkomen van sedimentatie en oproming door aanpassing van de rheologische eigenschappen van de continue fase

Het sedimentatie of opromingsgedrag van dispersies kan ook aangepast worden door verandering van het rheologische gedrag van de continue fase. De werking van verdikkingsmiddelen zoals locus bean gum (LBG) en xantaan gom is voornamelijk gebaseerd op het verhogen van de viscositeit van de waterfase, waardoor sedimentatie en oproming geremd, maar niet gestopt wordt. Als het verdikkingmiddel ook in staat is een zwak gel te vormen, waarvan yield stress voldoende sterk is om de zwaartekracht op het deeltje te overwinnen, dan kan sedimentatie en oproming in principe stopgezet worden. Meetinstrumenten waarmee opromings en sedimentatie gedrag bepaald kunnen worden zijn onder meer de Turbiscan en de Lumifuge. De Turbiscan® kan worden gebruikt om het sedimentatiegedrag in de normale zwaartekracht te bepalen, terwijl de schijnbare zwaartekracht verhoogd wordt door een centrifugale opstelling in de Lumifuge®.

Turbiscan.jpg

Turbiscan ® Bron: Turbiscan

Lumifuge.jpg Lumifuge 2.jpg

Het onderstaande figuur illustreert de toepassing van de LUMiFuge op synergistische effect van LBG en Xantan gom op sedimentatie van deeltjes.

Sedimentatie deeltjes.jpg

Toepassing van de LUMiFuge op synergistische effect van LBG en Xantan gom op sedimentatie van deeltjes (bron: NIZO food research).

Emulsie stabiliteit

Voor veel levensmiddelen is er een belangrijke rol voor de stabiliteit van emulsies. De onderstaande figuur illustreert de belangrijkste mechanismen die tot instabiliteit van een emulsie kunnen leiden. Analoog aan dispersies van vaste materialen is er een belangrijke rol voor de druppelgrootte, de aanwezigheid van een geadsorbeerde laag op de druppels en de eigenschappen van de continue fase. Daarnaast zijn ook de eigenschappen van de gedispergeerde fase van belang. In levensmiddelen bestaat deze gedispergeerde fase voornamelijk uit triglyceriden. Afhankelijk van de triglyceriden samenstelling kan deze fase vloeibaar, gedeeltleijk gekristalliseerd of geheel vast zijn, en dat bepaald of the emulsiedruppels kunnen samenvloeien na breuk van de geadsorbeerde lagen op aanliggende druppels (coalescentie). Als de triglyceride fase onvoldoende vloeibaar is, dan kan het samenvlooene is het samenvloeien beperkt plaatsvinden, waardoor er in plaats van een grote bolvormige druppel een meer volumineuze klont van nog gedeeltelijk herkenbare druppels ontstaat. Dit proces heet partiële coalescentie, en kan een belangrijke bijdrage geven aan de structuurvorming in emulsieproducten zoals room, slagroom en ijs.

Destabilisatie emulsies.jpg

Schematische weergave van de voornaamste destabiliseringsmechanismen in emulsies (bron: NIZO food research).

Productkwaliteit

Dispergeren heeft een groot effect op de productkwaliteit. Zaken als mondgevoel en textuur, maar ook waargenomen kwaliteit hangen samen met de aard en stabiliteit van de dispersie.

Voor- en nadelen

Vanwege het groot aantal mogelijkheden om dispersies in voedingsmiddelen te brengen, en het feit dat het hier een onderzoeksdienst betreft, kunnen geen voor of nadelen gegeven worden.

Beschikbaarheid van apparatuur

De in dit artikel beschreven apparatuur is aanwezig bij NIZO, evenals specialisten die met de apparatuur overweg kunnen en de resultaten kunnen interpreteren.

Kosten

Vanwege het feit dat dit een onderzoeksdienst betreft, kunnen geen kosten gegeven worden. Voor een offerte kunt u contact opnemen met NIZO food research

Externe links

Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Ondersteund door
Hulpmiddelen