Lebensmitteltribologie
aus: DLG-Lebensmittel 04/2018, Seite 13ff.
Welche Chancen bietet die Tribologie bei der Produktentwicklung zur Entlastung humansensorischer Panels und welchen Beitrag kann sie zur strategischen Umsetzung kommender Reformulierungsziele leisten?
Der haptische Eindruck von Lebensmitteln in der Mundhöhle entsteht durch die Aneinanderreihung mehrerer Unterprozesse. Die Charakterisierung des ersten Bisses mittels Texturanalyse und die des Schluckens mittels rheologischer Messungen sind gut bekannt, doch bilden sie lediglich den Anfang und das Ende der Prozesskette ab. Die Lebensmitteltribologie bietet das Potenzial, über eine technologische Näherung des Zunge-Gaumen-Kontaktes und die Erfassung von Reibungsdaten eine objektive Beschreibung der Vorgänge dazwischen zu liefern und damit die Lücke zwischen Texturanalyse und rheologischen Messungen zu schließen.
Die Tribologie oder auch Reibungslehre beschreibt das Reibungsverhalten eines Systems, welches aus einem Grundkörper besteht, über den mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit ein Gegenkörper reibt. Zwischen diesen beiden Körpern kann sich ein Fluid befinden. Darüber hinaus umfasst das System noch die Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Der Fokus der tribologischen Messung kann auf dem für die Körper verwendeten Material liegen oder auf dem Fluid. Das gesamte System wird durch den Reibungskoeffizienten µ beschrieben. Tribologische Messungen bieten einen innovativen Ansatz, sich durch die Erfassung des Reibungskoeffizienten den Vorgängen im Kontakt zwischen Zunge und Gaumen zu nähern (Glaskugel auf Silikonpins). Eine hohe Reibung wird sensorisch tendenziell mit Rauigkeit, eine geringe Reibung mit Cremigkeit in Verbindung gebracht wird.
Einsatzbereiche
Die klassische Tribologie ist traditionell im Maschinenbau verortet. Dort stellt ein typisches System z. B. das Getriebe eines Kraftfahrzeuges dar. Mittels tribologischer Messungen kann der Frage nach dem Verschleißverhalten der Zahnräder oder der nach der Schmierfähigkeit des jeweilig verwendeten Getriebeöls auf den Grund gegangen werden. Stammt das untersuchte System aus einem Organismus oder soll es in oder auf diesem verwendet werden, so befindet man sich im Bereich der Biotribologie. Innerhalb eines Organismus liegt der Fokus oft auf dem Verschleiß und der Frage, wie langlebig das System unter welchen Belastungen ist. Typische Systeme sind künstliche Knie- oder Hüftgelenke sowie Zahnfüllungen. Außerhalb interessiert man sich eher für das Schmierungsverhalten, z. B. von Creme auf Haut oder der Seidigkeit von Haaren nach dem Verwenden von Pflegeprodukten.
Ein Teil der Biotribologie ist die Lebensmitteltribologie. Diese noch eher junge Disziplin findet Anwendung, wenn das Reibverhalten von Lebensmitteln oder die Reibung zwischen Zunge und Gaumen betrachtet werden soll. Dabei stellt der Gaumen den Grundkörper, die Zunge den Gegenkörper und das Lebensmittel das Fluid dar.
Die Lebensmitteltribologie soll dabei helfen, die Vorgänge im Mund („oral processing“) objektiv zu beschreiben und die durch das Panel induzierten Fehler zu verringern (Abb. 1).
Haft.- (I), Gleit.- (II), Misch.- (III) und hydrodynamische Reibung (IV) und den jeweiligen Übergangsbereichen Losbrechpunkt (X1), Gleit- zu Mischreibung (X2) und Ausklinkpunkt (X3)
Es ist möglich, den Reibungskoeffizienten µ über eine definiert gesteigerte Gleitgeschwindigkeit vs zu bestimmen. In diesem Fall werden die gemessenen Reibungsdaten zur Erstellung einer sogenannten erweiterten Stribeck-Kurve verwendet, welche eine Art Reibungsprofil darstellt. Die erweiterte Stribeck-Kurve beschreibt die Veränderung des Reibverhaltens des Systems in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindigkeit. Konkret lässt sich dadurch die erweiterte Stribeck-Kurve in die verschiedenen Reibbereiche, d. h. in die Haft-, Gleit-, Misch- und hydrodynamische Reibung, unterteilen (Abb. 2).
Im Fall der Lebensmitteltribologie ist es möglich, diese Bereiche mit den verschiedenen Bereichen im Zunge-Gaumen-Kontakt zu korrelieren. Um dies aussagekräftig durchführen zu können, sind vergleichende tribologische und sensorische Messungen notwendig. Eine Herausforderung dabei ist es sich darüber im Klaren zu sein, worauf der Fokus der jeweiligen Fragestellung liegen soll. Geht es eher um die Wahrnehmung von Partikeln auf der Zungenspitze, die Cremigkeit auf der Zungenmitte oder das Schluckverhalten am Zungenende? Dabei ist immer zu beachten, dass das tribologische System lediglich eine Näherung an den Zungen-Gaumen-Kontakt darstellt. Eine weitere Herausforderung stellt die Weiterentwicklung der verwendeten Materialien dar. Die Nachbildung der verschiedenen Elastizitäten von Zunge und Gaumen sowie der jeweiligen Oberflächenbeschaffenheit stellt einen attraktiven Ansatz dar, um sich dem wahren System noch besser zu nähern.
Lebensmitteltribologie in der Produktentwicklung
Die Einsatzbereiche der Lebensmitteltribologie in der Produktentwicklung sind – wie bei den bereits bekannten instrumentellen Texturprüfungen – vielfältig. So bietet diese Methode im Anfangsstadium des Entwicklungsprozesses das Potenzial, über die Erfassung von Vorzugsvarianten entwickelter Produkt-prototypen den Probenumfang zu reduzieren und dadurch humansensorische Panels zu entlasten. Darüber hinaus liefert sie zusätzliche objektive materialwissenschaftliche Daten über die Lebensmittelmatrix, die neue Blickwinkel zur Bewertung bisheriger Rohstoffe, Zutaten und Verarbeitungstechnologien aufzeigen können. Im Kontext der Reformulierung, d. h. der sukzessiven Reduktion von Salz, Zucker und Fett, bieten sich damit vielversprechende analytische Möglichkeiten zur Begleitung der Rezepturgestaltung und bei der technologischen Produktoptimierung.
Dies ist sehr gut am Beispiel von getrockneten Orangenfasern zu erkennen, welche als Gelbildner Verwendung finden können. Auf Grund der sehr guten Fähigkeit zur Bindung von Wasser und Öl stellen Orangenfasern einen funktionellen Zusatzstoff dar. Darüber hinaus verfügen sie über einen hohen Anteil an löslichen (33 %) und unlöslichen (35 %) Ballaststoffen. Somit bieten sie die Möglichkeit zur ernährungsphysiologischen Aufwertung der Rezeptur und der Realisation eines Clean Label, da nur die Begriffe „Zitrusfaser“ oder „Orangenfaser“ verwendet werden brauchen.
Untersuchungen zur Einbringung dieser Fasern in ein Modellsystem verdeutlichen deren Potenzial. In eine Matrix aus Carboxymethylcellulose und Wasser, wurden unterschiedliche Konzentrationen an Orangenfasern eingebracht. Durch die tribologischen Messungen war deutlich zu erkennen, dass die Fasern zu einer Verschiebung der Wasserbindung von der Matrix hin zur Faser führten. In Folge dessen kam es zu einer veränderten Strukturierung der Matrix, wodurch ihre Schmiereigenschaften erhöht wurden. In der Summe konnte die Reibung im gesamten System erfolgreich reduziert werden. Es ist anzunehmen, dass sich der sensorische Eindruck bei solch einem Effekt tendenziell von rau in Richtung cremig verändert.
Wie groß die Herausforderungen bei der Reformulierung sind, zeigt eine weitere Untersuchung: Für diese wurden die Fasern in Joghurt als Beispiel für ein komplexes Lebensmittel mit partikulärer Netzwerkstruktur eingebracht. Die Orangenfasern wurden während der Joghurtherstellung hinzugegeben und prozessiert. Das Ergebnis der Untersuchung verdeutlichte, dass die Fasern bei der Ausbildung des Partikelgels als Inhibitoren wirken. Die tribologischen Messungen und Texturanalysen zeigten deutliche Veränderungen im Reibungsverhalten und im Bruchpunkt des Joghurtgels. Mit Hilfe zusätzlich durchgeführter Profilprüfungen konnten die zuvor gemessenen Ergebnisse bestätigt werden. Die Erhöhung der Orangenfaserkonzentration führte bei der sensorischen Bewertung zu merklichen Veränderungen der Attribute Mundgefühl und Cremigkeit.
Die Untersuchungen im Modellsystem und im komplexen Lebensmittel zeigen sehr klar, wie groß die Herausforderungen sind, die mit der Veränderung der Rezeptur einhergehen und wie stark der Erfolg der Produktentwicklung von den materialwissenschaftlichen Eigenschaften der Matrix abhängt. Tribologische Messungen liefern verschiedene Ansätze, um diese Herausforderungen zu bewältigen. Sie könnten zum Beispiel für ein konstantes Monitoring der Textureigenschaften hinsichtlich des Eindruckes im Zunge-Gaumen-Kontakt verwendet werden, um so die rezeptorischen Veränderungen in der Lebensmittelmatrix abzubilden, welche sich aus den modifizierten cross-modalen Interaktionen variierender Zutaten und Verarbeitungstechnologien ergeben. Im Ergebnis lassen sich damit Rezepturen und Produktionsverfahren sukzessive adaptieren und modifizieren.
Die Lebensmitteltribologie hat das Potenzial, die Lücke zwischen Texturanalyse und rheologischen Messungen zu schließen und Aussagen über das Verhalten von sensorisch veränderten Lebensmitteln während des Verzehrsprozesses in der Mundhöhle zu treffen. Um mit dieser technologischen Näherung noch weiter an das reale System zu gelangen, ist weitere Forschung im Bereich der verwendeten Oberflächen notwendig. Als instrumentelle Messmethode kann die Tribologie eine Entlastung humansensorischer Panels ermöglichen und zusätzliche objektive materialwissenschaftliche Daten über die Lebensmittelmatrix liefern. Vor dem Hintergrund der multisensorischen Interaktion der Lebensmittelinhaltsstoffe bieten die Ergebnisse einen hohen Nutzen bei der Entwicklung und Modifikation von Produkten im Hinblick auf das ernährungsphysiologische Profil und die sensorische Genusserwartung, bzw. die Verbraucherakzeptanz unter Berücksichtigung eines anspruchsvollen Rezepturmanagements, sowie bei der Messung und Bewertung cross-modaler sensorischer Eigenschaften.
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