Waterige oplossingen van eiwitten en koolhydraten scheiden zich in twee delen met een extreem `zacht' grensvlak ertussen. De grensvlakspanning hiervan is aan te passen door bijvoorbeeld de zuurgraad te veranderen. Dat kan onder meer van pas komen bij het ontwikkelen van emulsies van water in water, zoals vetvrije mayonaise. Leidse onderzoekers werkten mee aan het onderzoek. Physical Review Letters, 6 augustus 2015.

Leidse inbreng

De Leidse onderzoekers zorgden voor de theoretische onderbouwing en wel die van de onderzoeksgroep Colloid and Interface Science (CIS) van het Leids Instituut voor Chemie. Edgar Blokhuis legt uit: 'Beide delen bestaan voor 90% uit water bestaan. Daardoor kunnen kleine moleculen zoals ionen zonder probleem door het water-watergrensvlak bewegen. Vanwege hun lading worden de ionen aangetrokken door de eiwitmoleculen en zullen daarom voornamelijk naar het eiwit-deel gaan, hetgeen dan weer uit statistisch oogpunt ongunstig is. In samenwerking met de praktische uitvoerders is een theorie ontwikkeld die deze tweestrijd in kaart brengt. Uit de theorie volgt een onverwacht eenvoudige formule voor de verlaging van de grensvlakspanning die dan ook nog eens precies blijkt overeen te komen met de experimenten.'

Links: een oplossing van een koolhydraat en een eiwit is spontaan ontmengd in twee fasen, waarvan er een rijk is aan koolhydraat en een rijk is aan eiwit.

Midden: de grensvlakspanning kan worden bepaald uit de vorm van het water-watergrensvlak in de buurt van een wand.

Rechts: schematische weergave van het water-watergrensvlak, met koolhydraat in blauw en eiwit in rood.

Experimenten

Het onderzoek was het initiatief van wetenschappers van de Universiteit Utrecht en NIZO Food Research. Mark Vis, promovendus aan de Universiteit Utrecht en hoofdauteur van de publicatie, voerde zeer nauwkeurige experimenten uit met mengsels van eiwitten en koolhydraten in 90% water. Doordat de eiwitten en koolhydraten niet goed met elkaar mengen ontstaat een grensvlak met een grensvlakspanning die tot wel een miljoen keer lager kan zijn dan die tussen olie en water. De onderzoekers zijn erin geslaagd om de grensvlakspanning te manipuleren door de zuurgraad aan te passen. De zuurgraad heeft invloed op de elektrische lading van het eiwit en daardoor ontstaat er een elektrisch spanningsverschil tussen de twee delen. De invloed hiervan op de grensvlakspanning werd door de onderzoekers nauwkeurig bepaald.

Vetvrije mayonaise

Mengsels van eiwitten en koolhydraten zijn relevant voor toepassingen in de voedingsmiddelenindustrie. Het regelen van de grensvlakspanning is een belangrijke stap in het manipuleren van het ontmengingsgedrag van deze mengsels. In veel voedingsmiddelen komen eiwitten en koolhydraten voor, maar is het juist niet de bedoeling dat er ontmenging optreedt. In andere gevallen is een sterkere ontmenging juist wenselijk, om bijvoorbeeld mayonaise te kunnen ontwikkelen die niet bestaat uit oliedruppeltjes in water, maar uit waterdruppeltjes in water. Veel onderzoek naar dit soort systemen is puur empirisch: men probeert verschillende dingen uit en kijkt wat werkt. Het huidige onderzoek verschaft een theoretisch raamwerk waardoor het mogelijk is om gericht op zoek te gaan naar de omstandigheden waarmee de gewenste emulsie kan worden gemaakt.