FLANDERS' FOOD RADAR

Vetkristallisatie monitoren via oscillatorische reologie

Via oscillatorische reologie kunnen de verschillende stappen in het kristallisatieproces van vetten opgevolgd worden. Deze techniek levert niet enkel informatie over de primaire kristallisatie maar ook over de aggregatie en netwerkvorming en bijgevolg over de macroscopische eigenschappen van het levensmiddel.

Inzicht verkrijgen in de microstructuur gevormd door gekristalliseerd vet is cruciaal in de productie van vele levensmiddelen. Hun sensorische eigenschappen worden immers in sterke mate bepaald door de mechanische sterkte van het onderliggende vetkristalnetwerk. Het kristallisatieproces van vetten kan worden opgedeeld in 3 fasen die te maken hebben met respectievelijk primaire kristallisatie, microstructurele opbouw en macroscopische eigenschappen. Primaire kristallisatie omvat nucleatie (kernvorming) en kristalgroei maar ook polymorfie (het voorkomen van verschillende kristalvormen) en polymorfe transities. Het primair kristallisatiegedrag van vetten wordt beïnvloed door de chemische samenstelling (triacylglycerolen en minorcomponenten) en de procescondities (tijd, temperatuur, afschuiving). De primaire kristallen groeien vervolgens aan tot grotere microstructurele eenheden (~6µm) die verder aangroeien (~100µm) door aggregatie. Dit proces leidt tot slot tot de vorming van een driedimensionaal kristalnetwerk dat de finale macroscopische eigenschappen van het product zal bepalen.

In het verleden werden verschillende technieken toegepast om primaire kristallisatie te bestuderen: differentiële scanning calorimetrie (DSC), gepulseerde nucleaire magnetische resonantie (pNMR), en X-stralen diffractie (XRD). Deze technieken hebben echter hun beperkingen: DSC levert enkel informatie over primaire kristallisatie onder statische condities, pNMR kan niet online gebruikt worden en tijdsgeresolveerde XRD analyses vereist synchrotron radiatie. De microstructuur wordt verder klassiek opgevolgd via microscopische technieken zonder dat veel aandacht besteed wordt aan het kwantificeren van de microstructurele opbouw.

Bij oscillatorische reologie wordt een staal onderworpen aan een sinusoïdaal variërende vervorming en de resulterende spanning wordt geregistreerd. Belangrijk is wel dat deze metingen worden uitgevoerd binnen het linear visco-elastisch gebied waarbinnen vervorming en spanning zich lineair verhouden. Binnen dit gebied treedt geen structuurafbraak op zodat informatie bekomen wordt over de bestaande microstructuur. De verhouding van totale spanning ten opzichte van de totale vervorming wordt weergegeven door de complexe modulus G* (Pa) en is een maat voor de rigiditeit van het systeem. G* kan worden opgesplitst in de elastische modulus G’ (Pa) (= maat voor het elastisch karakter van het staal) en de opslag modulus G” (Pa) (= maat voor het viskeus karakter van het staal). De verhouding van G” tot G’ zit vervat in de fasehoek δ (°). In een puur viskeus systeem zoals een plantaardige olie of volledig vloeibaar vet bedraagt de fasehoek 90°. Zodra nucleatie start en kristallen gevormd worden, daalt de fasehoek om uiteindelijk bij een volledig vast materiaal 0°C te bedragen.

Figuur 1 toont de fasehoek en complexe modulus als functie van de isotherme tijd voor palmolie kristallisatie bij 18°C en 25°C. Hieruit blijkt dat de vetkristallisatie bij 18°C in twee stappen verloopt, versus in één stap bij 25°C. Figuur 2 geeft de vergelijking tussen oscillatorische reologie en DSC en pNMR voor palmolie kristallisatie bij 18°C. Hieruit blijkt dat alle technieken de twee stappen in de primaire kristallisatie detecteren, maar dat enkel oscillatorische reologie nog bijkomende informatie verschaft. Er treedt namelijk een verdere daling van de fasehoek en stijging van de complexe modulus op daar waar geen veranderingen meer worden waargenomen met DSC of pNMR. Hieruit kan besloten worden dat oscillatorische reologie ook informatie oplevert met betrekking tot de microstructurele opbouw en de macroscopische eigenschappen daar waar DSC en pNMR beperkt zijn tot het opvolgen van de primaire kristallisatie.


Figuur 1: Verloop van de fasehoek δ () en complexe modulus G* () tijdens statische isotherme kristallisatie van palmolie bij (links) 18°C en (rechts) 25°C


Figuur 2: Verloop van de fasehoek δ () in vergelijking met (A) de warmtestroom gemeten met DSC  (---) en (B) het vast vetgehalte (SFC) gemeten met pNMR voor palmolie kristallisatie bij 18°C

Nuttige links