Visualisatie van microstructuur en ingrediënten

Uit Agrofoodwiki

Ga naar: navigatie, zoeken

Vrijwel alle eigenschappen van samengestelde levensmiddelproducten hangen nauw samen met de manier waarop de componenten samen een ruimtelijke structuur vormen en de wijze waarop deze structuur zich gedraagt onder invloed van externe factoren, zoals opgelegde krachten, temperatuurveranderingen en oplosmiddelen. Veel inzicht kan worden verkregen door visualisatie van de ruimtelijke structuur van samengestelde levensmiddelen onder statische en dynamische condities en dit inzicht kan een belangrijke rol spelen in het oplossen van product problemen en productontwikkeling.


Inhoud

Omschrijving

Methoden voor visualisatie van microstructuren kunnen worden geclassificeerd naar de lengteschaal en de selectiviteit voor componenten, de mate waarin de techniek ruimtelijke informatie (“diepte”) en de mate waarin de techniek waarop de dynamiek (“tijdschalen”) van een structuur vastgelegd kunnen worden. Visuele waarneming met het blote oog op leesafstand is geeft structurele informatie voor lengteschalen tussen ongeveer 100 µm en 1 m, is onderscheidend voor spectrale verschillen (kleuren) in lichtabsorptie in het zichtbare gebied van golflengten tussen 400 en 800 nm, geeft door met twee ogen te kijken ruimtelijke informatie en laat bovendien de dynamica zien op tijdschalen van enige tienden van seconden tot minuten. Statische informatie kan met een standaard fotocamera vastgelegd worden, waarbij een tweedimensionale afbeelding wordt verkregen (met een geringe selectiviteit voor diepte). Dynamische informatie kan met een videocamera worden vastgelegd. Door met twee camera’s te visualiseren kan ruimtelijke informatie (diepte) vastgelegd worden. In het directe verlengde van de waarneming met het blote oog ligt de lichtmicroscopie. Een standaard stereomicroscoop bestaat uit twee aparte microscoop eenheden, een voor ieder oog, waardoor een dieptebeeld verkregen wordt. Met dit type microscoop kunnen vergrotingen tot ongeveer 100x verkregen worden. Bij microscopen die geschikt zijn voor hogere vergrotingen wordt vaak via een binoculaire opzet hetzelfde beeld aan beide ogen gepresenteerd, en geeft daardoor geen dieptebeeld. Voorbeelden van deze typen research microscopen zijn hieronder afgebeeld.

Fout bij het aanmaken van de miniatuurafbeelding: Het bestand lijkt niet aanwezig te zijn: /var/www/vhosts/agrofoodwiki.nl/httpdocs/images/c/ce/Microscopen.jpg
Voorbeelden van lichtmicroscopen voor research toepassing zoals aanwezig op NIZO food research

In de onderstaande tabel wordt een overzicht gegeven van de meest gangbare visualisatietechnieken die toegepast worden om de structuur van levensmiddelen te karakteriseren.

Visualisatie technieken.jpg


Confocal Scanning Laser Microscopy (CSLM) Een visualisatietechniek die sterk in opmars is voor toepassing op levensmiddelen is Confocal Laser Scanning Microscopy, ook wel Confocal Scanning Laser Microscopy (CSLM) genoemd. Het gebruik van CSLM heeft diverse voordelen boven het gebruik van conventionele lichtmicroscopie:

CSLM wordt vaak met een geinverteerde microscoop uitgevoerd (microscoop objectief onder het preparaat), wat als voordeel heeft dat er veel werkruimte aanwezig is boven het preparaat. Twee voorbeelden van deze instrumenten worden in de onderstaande afbeelding gegeven.

Fout bij het aanmaken van de miniatuurafbeelding: Het bestand lijkt niet aanwezig te zijn: /var/www/vhosts/agrofoodwiki.nl/httpdocs/images/4/4d/Microscoop_CSLM.jpg

Confocale lichtmicroscopie is gebaseerd op het microscopisch afbeelden van fluorescerend licht verkregen door op het preparaat gestraald ultraviolet licht (zie figuur). Doordat het ultraviolette licht scherp op het preparaat gefocusseerd via het microscoop objectief op plaats van waarneming is de fluoresentie ruimtelijk scherp gelokaliseerd op het brandpunt van het objectief, hetgeen de resolutie ten goede komt. Om een afbeelding te krijgen wordt het brandpunt van het ultraviolette in een tweedimensionaal vlak door het preparaat bewogen, waardoor als optische doorsnede een tweedimensionaal fluorescentie beeld wordt verkregen. Voor een ruimtelijk beeld wordt een reeks doorsneden op verschillende diepte in het preparaat software-matig op elkaar gestapeld. Omdat de meeste levensmiddelingrediënten niet of nauwelijks fluoresceren, moeten fluorescente kleuringen toegepast worden. Vaak worden fluorescente probes toegepast voor kleuring van vet en eiwit, voor specifiekere kleuringen moeten fluorescente chromatoforen coalent gekoppeld worden aan moleculen die specifiek binden aan ingrediënten of structuur elementen.

Schematische weergave van CSLM
Illustratie van de werking van CSLM op een zuivel desssert

Nieuwe applicaties van CSLM

Binnen NIZO zijn diverse nieuwe applicaties van CSLM beschikbaar, waarin rheologische metingen gecombineerd worden met CSLM visualisatie:

Shear opstelling.jpg

Shear band.jpg

Continue shear opstelling. De CSLM foto (links)laat de structuur van een ontmengend systeem van twee polymeeroplossingen onder shear zien. De lichtblauwe druppels zijn vervormd tot lange strengen in het shear veld, en scheiden zich af als lange banden. Rechts: gebruikte opstelling. Beneden 3D beeld van een shear band. Bron: NIZO food research.

Dynamische shear cel.jpg

Dynamische shear cell, gecombineerd met CSLM en een DWS probe. Bron: NIZO food research.

Optische tribologie.jpg


Optical Tribological Configuration. In deze opstelling wordt een stukje material (bijvoorbeeld een stukje varkenstong, kaas, vlees of rubber ) tegen een glazen plaat gewreven, waarbij de vrijwingskracht gemeten kan worden en gelijktijdig met CSLM het contactpunt gevisualiseerd kan worden. Bron: NIZO food research.

Toepassingsgebied

Structuur van consumptieijs

Het onderstaande figuur illustreert de structuur van consumptieijs, zoals waargenomem met CSLM. Duidelijk is te zien hoe vetbolletjes een dikke geadsorbeerde laag vormen op de luchtbellen, met het eiwit opgelost in de continue fase.

Structuur ijs.jpg

Structuur van vleesproducten

CSLM vlees.jpg


Structuur van kaas

Het onderstaande figuur illustreert de structuur van Mozarella kaas, zoals waargenomem met CSLM. Duidelijk is de speciefiek structuur van eiwitstrengen zichtbaar, die onstaan door de specifieke processing van Mozarella. De vetdruppels zijn in de structuur samengeklonterd.

Structuur kaas.jpg

Structuur en functionaliteit van zetmeel

De functionaliteit van zetmeel is sterk afhankelijk van de verandering van de zetmeelkorrel structuur door processing. Door verhitting van zetmeelkorrels in een product raken de zetmeel polysaccharide (amylose en amylopectine) gehydrateerd, waardoor de zetmeelkorrel opzwelt tot een zacht bolletje, waaruit een deel van het amylose kan vrijkomen. De zachte gezwollen zetmeel bolletjes kunnen de levensmiddelstructuur ruimtelijk vullen en daarmee een stevige massa vormen. Overmatige hittebelasting en mechaniche bewerking kan de bolletjes structuur echter verbreken, waardoor het systeem vloeibaarder wordt. Door crosslinking kan de bolstructuur verstevigd worden. Deze effecten zijn goed zichtbaar te maken met CSLM.

Structuur zetmeel.jpg

Figuur: De functionaliteit van zetmeel is afhankelijk van de zetmeelbron, modificaties en hittebelasting. Natieve en gecrosslinkte aardappelzetmeel was gedurende verschillende tijden in rust verhit tot 115°C. Natief aardappelzetmeel desintegreert volledig binnen 5 minuten, terwijl de korrelstructuur van het gecrosslinkte zetmeel nog zichtbaar zijn. De viscositeit en het mondgevoel van de het product wordt gedomineerd door de morfologie van zetmeelkorrels. CSLM visualisatie geeft een duidelijk beeld van het effect van hittebehandeling en mechanische bewerking op de korrelstructuur in zowel modelsystemen als commerciële producten. Bron: NIZO food research.


Visualisatie van structuur veranderingen die het mondgevoel bepalen Het mondgevoel (beschreven door onder meer romigheid, plakkerigheid, slijmerigheid) van een levensmiddelproduct wordt bepaald door de structuur en het rheologisch gedrag van het product in de mond, en die is vaak veranderd ten opzicht van het oorspronkelijke product voor inname.

Met betrekking tot het mondgevoel van producten met zetmeel is ook de interactie met een zetmeel afbrekend enzym, amylase, in speeksel van groot belang. Het onderstaande figuur visualiseert het effect van de inwerking van speeksel op vla, zoals waargenomen met CSLM.

Speeksel.jpg

Figuur: Sequentie van CSLM beelden die het effect van de inwerking van speeksel op vla illustreert. Door de werking van amylase uit speeksel wordt ze zetmeel structuur binnen enkele seconden geheel afgebroken, waardoor de stevigheid en viscositeit van het product in de mond sterk afneemt. Ten gevolge daarvan wordt vla als veel minder dik en romig beoordeeld dan zou worden voorspeld op basis van het rheologisch gedrag van het oorspronkelijke product. Bron: NIZO food research.

Een ander voorbeeld in relatie tot mondgevoel is de sappigheid van gegeleerde producten. Deze sappigheid is gerelateerd in de mate waarin, tijdens de verwerking in mond, water uit het product kan uittreden. Het is gebleken dat deze vochtuitreding voor gelen met een vergelijkbare stevigheid in sterke mate bepaald wordt door de microstructuur, en de reden daarvoor wordt direct herkenbaar door CSLM visualisatie, zoals geïllustreerd in de onderstaande figuren. De vrije waterfase in de gel met de gesloten structuur is geheel ingebed in een gegeleerde matrix, en wordt daardoor niet gemakkelijk vrijgegeven door mechanische bewerking. Daarentegen kan het vrije water gemakkelijk vrijkomen uit de gel met de open structuur. Ten gevolge hiervan wordt de gel met de open structuur als veel sappiger beoordeeld dan de gel met de gesloten structuur.

Visualisatie gels.jpg

Productkwaliteit

Door de microstructuur en de plaats van de ingredienten in de matrix te visualiseren, kan beter begrepen worden wat voor effecten onder welke omstandigheden een rol spelen op de microstructuur en plaats van ingredienten in de matrix. Deze kennis kan dienen om de productkwaliteit te verbeteren.

Voor- en nadelen

Vanwege het groot aantal mogelijkheden om visualisatie van microstructuur en ingredienten in voedingsmiddelen te doen, en het feit dat het hier een onderzoeksdienst betreft, kunnen geen voor of nadelen gegeven worden.

Beschikbaarheid 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

  1. Paques, M., Tromp, H. and van Aken, G.A., Micro-rheology, a new approach in the study of structure/function-relationships in food systems, Scanning 22 (2000) 114-115.
  2. Nicolas, Y., Paques, M., Knaebel, A., Steyer, A., Munch, J.-P., Blijdenstein, T.B.J., van Aken, G.A., Microrheology: structural evolution under static and dynamic conditions by simultaneous analysis of confocal microscopy and diffusing wave spectroscopy, Review of Scientific Instruments, 74 (8) (2003), 3838-3844.
  3. Nicolas, Y., Paques, M., van den Ende, D., Dhont, J.K.G., van Polanen, R.C., Knaebel, A., Steyer, A., Munch, J.-P., Blijdenstein, T.B.J., van Aken, G.A., Microrheology: new methods to approach the functional properties of food, Food Hydrocolloids 17 (2003) 907–913.
  4. van Aken, G.A., Aeration of emulsions by whipping, Colloids and Surfaces A 190 (2001) 333-354.
  5. Van Vliet, T., Van Aken, G.A., De Jongh, H.H.J., Hamer, R.J., Colloidal Aspects of Texture Perception, Adv. Colloid Interface Sci., 2009, 150(1), 27-40.
  6. van den Berg, van de Velde et al., Food Hydrocolloids 21 (2007) 961
  7. De Hoog, E.H.A., Prinz, J.F., Huntjens, L., Dresselhuis, D.M., van Aken, G.A., Lubrication of oral surfaces by food emulsions: the importance of surface characteristics, Journal of Food Science, 71 (2006).337-341.
  8. Dresselhuis, D.M.; De Hoog, E.H.A.; Cohen-Stuart, M.A.; Van Aken, G.A., Application of oral tissue in tribological measurements in an emulsion perception context, Food Hydrocolloids, 22 (2008), 323-335.
  9. NIZO food research[[Category: Soepen en Sauzen]
Persoonlijke instellingen
Naamruimten
Varianten
Handelingen
Navigatie
Ondersteund door
Hulpmiddelen