Skum er en vigtig komponent i mange forskellige drikkevarer og fødevarer: fra et skummende ølhoved til kaffe krema, brød og is. På trods af deres allestedsnærværende er der faktisk kun kendt eller forstået lidt om disse meget komplekse systemer.
Samarbejde mellem Institut Laue-Langevin (ILL) og Aarhus University har forbundet unikke kapaciteter til at undersøge skum med kritisk relevante fødevarevidenskabelige udfordringer, hvilket bringer en grønnere fødevarer fremtid et skridt nærmere. Undersøgelsen er offentliggjort i Journal of Colloid and Interface Science.
At forstå skumets opførsel kræver karakterisering af strukturen. “Det er ikke let,” forklarer Leonardo Chiappisi, ILL -forsker og koordinator for Partnership for Soft Condensed Matter (PSCM).
For det første, fordi de relevante strukturelle parametre for skum spænder fra det makroskopiske ned til nanometerskalaen. Og for det andet på grund af den meget ustabile karakter af skum, der udvikler sig gennem dannelse, dræning og sammenbrud. “Du har kun fået et skud til at studere strukturen af en skumprøve, men alligevel kan ingen enkelt teknik give de nødvendige oplysninger på tværs af alle de forskellige længdeskalaer,” forklarer Chiappisi.
Evnen til at opnå en omfattende og fuldskala karakterisering af skum blev opnået ved ILL ved design af en innovativ eksperimentel opsætning sammen med udviklingen af metoder til analyse af de erhvervede data. “En prøve af skum genereres inden i vores enhed, og strukturen undersøges derefter in situ og på tværs af længdeskalaer ved samtidig at udføre småvinkelneutronspredning (SANS), billeddannelses- og elektrisk ledningsevne målinger,” forklarer Chiappisi.
SANS afslører strukturel information om en prøve ved fortolkning af spredningsmønsteret produceret ved interaktion af en stråle af neutroner med prøven.
“SANS er den eneste teknik, der er i stand til at levere strukturel information om nanoskala om skum,” forklarer Chiappisi. “D22- og D33 -diffraktometre hos ILL er imidlertid usædvanlige, idet begge er udstyret med flere detektorer. Dette gør det muligt at få alle relevante nanoskala -strukturelle oplysninger i et enkelt eksperiment, hvilket er særligt kritisk for ustabile systemer som skum.”
Derudover muliggør den relativt brede diameter af neutronstrålen hundreder af skumbobler kan sonderes ad gangen, hvilket resulterer i statistisk meningsfulde data uden at påvirke skumprøven takket være neutrons ikke-ødelæggende karakter. Væsentlig indsigt på tværs af skalaer med flere længder opnås ved at kombinere denne avancerede nano-skala-data med optisk billeddannelse, mens information om skumsammensætning-væsentlig til kvantitativ dataanalyse-leveres af elektriske ledningsevne målinger.
ILL er dedikeret til at levere samfundsmæssig indflydelse ved at udvide adgangen til de magtfulde teknikker, der er tilgængelige på instituttet til alle relevante områder inden for anvendt videnskab. De omfattende skumkarakteriseringsfunktioner er således blevet præsenteret på en række konferencer, herunder Linxs Northern Lights on Food Conference, som bringer fødevarevidenskabekspertise sammen med viden om banebrydende neutron- og røntgenkarakteriseringsmetoder.
“Fødevarevidenskab involverer meget komplekse systemer, og flere teknikker er nødvendige for at måle prøver in situ, med minimal forstyrrelse og på tværs af længdeskalaer for fuldt ud at forstå strukturen, funktionaliteten og interaktionerne mellem de forskellige komponenter,” forklarer Milena Corredig, professor i maden Videnskabsafdeling på Aarhus University. “Jeg var meget ophidset, da jeg så, hvad Leonardo kunne gøre.”
Det globale skift fra dyre- til plantebaserede fødevarer for at forbedre diæter og fødevareproduktionens bæredygtighed har skabt behovet for at forbedre forståelsen og fremskynde udviklingen af plante-afledte proteiner og deres tilknyttede processer. “Vi ved, hvordan man pisker fløde, men hvis du bare overfører denne proces til plantebaserede proteiner, er resultatet dårlig funktionalitet, dårlig smag, dårlig struktur, dårligt alt,” forklarer Corredig.
Ved at kombinere deres ekspertise arbejdede Chiappisi og Corredig for at bringe denne grønnere mad fremtid et skridt nærmere, idet han først fokuserede på PEA-albumin-et vandopløseligt protein ekstraheret fra ærter, der er blevet identificeret som en lovende kandidat til at skabe funktionelle skummende ingredienser i fødevarer.
“Mad er dybest set blødt stof, og neutronspredning er et meget kraftfuldt værktøj til at studere blødt stofmaterialer,” forklarer Chiappisi.
“Men kommer fra en madvidenskabelig baggrund, er det meget vanskeligt at oversætte vores problem til et forslag til et eksperiment på et anlæg som The Ill; vi taler ikke det samme sprog,” forklarer Corredig. “Jeg tænker heller ikke i Inverse Fourier -transformationer, så det er endnu sværere at analysere spredningsdataene.”
Samarbejde mellem ILL og Aarhus University – der involverer Ruifen Li (postdoktorisk forsker ved Aarhus University) og Julien Lamolinairie (ph.d. -studerende ved ILL) – har gjort det muligt for udviklingen af et fælles sprog til at fremme viden om skum, der er lavet med PEA -albuminer.
Der blev først udført et betydeligt arbejde på PSCM for at optimere rigelige forberedelsesprocedurer, design og demonstrere muligheden for SANS-undersøgelsen, før de anmodede om BeamTime, samt udviklingen af en omfattende model af PEA-albuminbaserede skum for at sikre en meningsfuld analyse af de erhvervede Spredningsdata. Den værdifulde indsigt, der leveres af den omfattende karakterisering af skum, der er lavet med ærtealbuminer, bringer ærterbaserede cappuccinos en kop nærmere.