Samenvatting Reologie
1. Inleiding
Reologie als wetenschap: Studie van vloei en vervorming van materialen
Reologie bestudeert het verband tussen de vervorming van een materiaal en de corresponderende
krachten die daarmee verband houden in functie van de tijd waarbij het materiaal wordt onderworpen aan
deze krachten.
Reologie kent vele applicatiedomeinen naast voeding: polymeren, composietmaterialen, bodem, cosmetica
etc. De reologische eigenschappen van levensmiddelen zijn uitermate belangrijk, ondermeer bij:
1. Het ontwerpen van processen (pompen, leidingen, mixers,…)
2. Het evalueren van ingrediëntfunctionaliteit (productontwikkeling)
3. Het controleren en beoordelen van de kwaliteit van grondstoffen, intermediaire en eindproducten
4. Het instrumenteel evalueren van de textuur ter ondersteuning van de organoleptische beoordeling van
een levensmiddel (vb in houdbaarheidstesten)
5. Fundamenteel onderzoek van de levensmiddelstructuur mbv reologische modellen
Het meten van de reologische eigenschappen vormt een wetenschap op zich. Hierbij moet onderscheid
gemaakt worden tussen enerzijds:
• Fundamentele reologische eigenschappen: bekomen meetwaarde is onafhankelijk van de meettechniek
(ideaal)
• Empirische reologische eigenschappen: bekomen meetwaarde is afhankelijk van de gebruikte
meettechniek; standaardisatie van instrument en procedure zijn cruciaal
Reologisch gedrag
• Ideaal viskeus: Irreversibele vervorming
• Visco-elastisch: Gedeeltelijk reversibele vervorming
• Ideaal elastisch: Volledig reversibele vervorming
Viskeus vs. elastisch gedrag
• Elastisch gedrag (elastic behavior)
o Onmiddellijke vervorming (strain) van het materiaal bij toepassing van een spanning (stress)
o Na wegnemen van de spanning, herstelt het materiaal volledig
o Voorbeelden: hardgekookt ei, gelatinepudding, kristalsuiker
• Vloeigedrag of viskeus gedrag (viscous behavior)
o Onmiddellijke vervorming van het materiaal bij toepassing van een spanning (stress) / kracht
o Na wegnemen van de spanning blijft het materiaal vervormd (geen herstel)
o Voorbeelden: water, olie, melk, suikerstroop
• Visco-elastisch gedrag (visco-elastic behavior)
o Complex
o Combinatie van viskeuze en elastische eigenschappen
o Meeste producten
o Grens elastisch – viskeus niet altijd duidelijk
o Voorbeelden: brooddeeg, chocolademelk, vanillepudding, vleespastei en confituur
Interactie krachten tussen componenten op nano- and micro-schaal
• Ideaal viskeus: Waterstofbruggen = zwakke elektrostatische krachten; 100% water
• Visco-elastisch: Disulfide bindingen = sterke covalente bindingen, Vochtgehalte: 35-40%
• Ideaal elastisch: Amorf glas, Vochtgehalte: 1-3%, Onder glastransitie
1
,Structurele hiërarchie
Viskeus gedrag: Vloeigedrag vloeistoffen afhankelijk van samenstelling en microstructuur
Elastisch gedrag: Vervormingsgedrag van vaste stoffen hangt
af van samenstelling en microstructuur
Inleiding
Macrostructuur bepaalt de smaakbeleving van een levensmiddel Link structuur en flavour release
• Smeuïgheid
• Knapperigheid
• Hardheid
• Plakkerigheid
• Plasticiteit
Link structuur en biobeschikbaarheid nutriënten
Kracht = zwaartekracht
Korte tijd: geen vervorming
Lange tijd: vloei
2
, Pekdruppelexperiment
Het pekdruppelexperiment meet het vloeien van een stuk pek over vele jaren. Het materiaal ziet er bij kamert° uit als
een vaste stof, maar is in werkelijkheid vloeibaar. Het is alleen heel dik in vergelijk met andere vloeistoffen.
Natuurkundige Thomas Parnell begon in 1927 het beroemde experiment in Queensland om dat te illustreren. Hij
verhitte pek en deed het in een glazen trechter met een stop erin. Nadat het materiaal drie jaar lang had stilgestaan,
haalde Parnell de stop eruit zodat het pek begon te stromen. Sindsdien valt er eens per tien jaar een druppel pek uit
de trechter. De negende druppel wordt dit jaar verwacht. Zowel Parnell als John Mainstone, de huidige opzichter van
het Queensland-experiment, hebben nooit een druppel zien vallen. Bij het Trinity-college hadden de onderzoekers
meer geluk. Bergin besloot vorig jaar een webcam op de trechter te richten zodat iedereen ter wereld kon meekijken.
Op de video is te zien dat de druppel in twee fases valt. ‘Er was een grote val, en daarna viel een klein draadje dat nog
steeds vastzat’, beschrijft Bergin. Zijn collega’s analyseerden de beelden, en rekenden uit dat hun pek twee miljoen
keer zo stroperig is als honing, en twee miljard keer zo stroperig als water.
Conclusie: levensmiddelen: complexe structuren
• Textuur en mondgevoel • Stabiliteit en houdbaarheid
• Flavour release • Verteerbaarheid, afbraak, verzadiging en bio
beschikbaarheid
Conclusie: toepassingen reologie
Algemene reologische principes -> VM • Product stabiliteit/
• Productieprocessen houdbaarheid/kwaliteitscontrole
• Voedingsstructuur • Optimalisatie formulering
• Sensorische data
Fundamentele reologische grootheden
Volgens de definitie van reologie worden reologische grootheden bepaald door de vervorming en de
hiervoor benodigde kracht als functie van de tijd te meten. In principe kunnen materie op zeer veel
verschillende manieren aan een vervorming onderwerpen:
• Snel of heel langzaam
• Heel ingewikkelde of eenvoudige vervormingen
Hiervoor is het nuttig een volume-element van de materie te beschouwen, zoals een kubus waarvan de
afmetingen groot zijn t.o.v. de bouwstenen van de materie en klein zijn t.o.v. de afmetingen van het
monster dat aan de reologische meting wordt onderworpen. Wordt zo'n volume-element aan een
willekeurige vervorming onderworpen dan wordt het beschrijven van de krachten die op het volume-
element werken al gauw erg ingewikkeld. Op elk van de 6 vlakken van de kubus werkt een kracht
gekenmerkt door een welbepaalde grootte en richting. De grootte is onderling te vergelijken door de kracht
te delen door het oppervlak waarop deze inwerkt. De richting wordt vastgelegd door alle optredende
krachten te ontbinden in 3 componenten: 1 loodrecht op het vlak en 2 componenten in het vlak waarop de
kracht werkt. Voor de beschrijving van de krachten die op een volume-element werken hebben we dus 18
componenten nodig.
Voor het bestuderen van de reologische eigenschappen van LM kan men zich beperken tot relatief
eenvoudige vervormingen waarbij een groot aantal componenten van de krachten gelijk aan 0 is.
3 vervormingen worden behandeld:
1. Alzijdige compressie (tegengestelde: expansie)
2. Rek (tegengestelde: éénzijdige compressie)
3. Afschuiving
3
1. Inleiding
Reologie als wetenschap: Studie van vloei en vervorming van materialen
Reologie bestudeert het verband tussen de vervorming van een materiaal en de corresponderende
krachten die daarmee verband houden in functie van de tijd waarbij het materiaal wordt onderworpen aan
deze krachten.
Reologie kent vele applicatiedomeinen naast voeding: polymeren, composietmaterialen, bodem, cosmetica
etc. De reologische eigenschappen van levensmiddelen zijn uitermate belangrijk, ondermeer bij:
1. Het ontwerpen van processen (pompen, leidingen, mixers,…)
2. Het evalueren van ingrediëntfunctionaliteit (productontwikkeling)
3. Het controleren en beoordelen van de kwaliteit van grondstoffen, intermediaire en eindproducten
4. Het instrumenteel evalueren van de textuur ter ondersteuning van de organoleptische beoordeling van
een levensmiddel (vb in houdbaarheidstesten)
5. Fundamenteel onderzoek van de levensmiddelstructuur mbv reologische modellen
Het meten van de reologische eigenschappen vormt een wetenschap op zich. Hierbij moet onderscheid
gemaakt worden tussen enerzijds:
• Fundamentele reologische eigenschappen: bekomen meetwaarde is onafhankelijk van de meettechniek
(ideaal)
• Empirische reologische eigenschappen: bekomen meetwaarde is afhankelijk van de gebruikte
meettechniek; standaardisatie van instrument en procedure zijn cruciaal
Reologisch gedrag
• Ideaal viskeus: Irreversibele vervorming
• Visco-elastisch: Gedeeltelijk reversibele vervorming
• Ideaal elastisch: Volledig reversibele vervorming
Viskeus vs. elastisch gedrag
• Elastisch gedrag (elastic behavior)
o Onmiddellijke vervorming (strain) van het materiaal bij toepassing van een spanning (stress)
o Na wegnemen van de spanning, herstelt het materiaal volledig
o Voorbeelden: hardgekookt ei, gelatinepudding, kristalsuiker
• Vloeigedrag of viskeus gedrag (viscous behavior)
o Onmiddellijke vervorming van het materiaal bij toepassing van een spanning (stress) / kracht
o Na wegnemen van de spanning blijft het materiaal vervormd (geen herstel)
o Voorbeelden: water, olie, melk, suikerstroop
• Visco-elastisch gedrag (visco-elastic behavior)
o Complex
o Combinatie van viskeuze en elastische eigenschappen
o Meeste producten
o Grens elastisch – viskeus niet altijd duidelijk
o Voorbeelden: brooddeeg, chocolademelk, vanillepudding, vleespastei en confituur
Interactie krachten tussen componenten op nano- and micro-schaal
• Ideaal viskeus: Waterstofbruggen = zwakke elektrostatische krachten; 100% water
• Visco-elastisch: Disulfide bindingen = sterke covalente bindingen, Vochtgehalte: 35-40%
• Ideaal elastisch: Amorf glas, Vochtgehalte: 1-3%, Onder glastransitie
1
,Structurele hiërarchie
Viskeus gedrag: Vloeigedrag vloeistoffen afhankelijk van samenstelling en microstructuur
Elastisch gedrag: Vervormingsgedrag van vaste stoffen hangt
af van samenstelling en microstructuur
Inleiding
Macrostructuur bepaalt de smaakbeleving van een levensmiddel Link structuur en flavour release
• Smeuïgheid
• Knapperigheid
• Hardheid
• Plakkerigheid
• Plasticiteit
Link structuur en biobeschikbaarheid nutriënten
Kracht = zwaartekracht
Korte tijd: geen vervorming
Lange tijd: vloei
2
, Pekdruppelexperiment
Het pekdruppelexperiment meet het vloeien van een stuk pek over vele jaren. Het materiaal ziet er bij kamert° uit als
een vaste stof, maar is in werkelijkheid vloeibaar. Het is alleen heel dik in vergelijk met andere vloeistoffen.
Natuurkundige Thomas Parnell begon in 1927 het beroemde experiment in Queensland om dat te illustreren. Hij
verhitte pek en deed het in een glazen trechter met een stop erin. Nadat het materiaal drie jaar lang had stilgestaan,
haalde Parnell de stop eruit zodat het pek begon te stromen. Sindsdien valt er eens per tien jaar een druppel pek uit
de trechter. De negende druppel wordt dit jaar verwacht. Zowel Parnell als John Mainstone, de huidige opzichter van
het Queensland-experiment, hebben nooit een druppel zien vallen. Bij het Trinity-college hadden de onderzoekers
meer geluk. Bergin besloot vorig jaar een webcam op de trechter te richten zodat iedereen ter wereld kon meekijken.
Op de video is te zien dat de druppel in twee fases valt. ‘Er was een grote val, en daarna viel een klein draadje dat nog
steeds vastzat’, beschrijft Bergin. Zijn collega’s analyseerden de beelden, en rekenden uit dat hun pek twee miljoen
keer zo stroperig is als honing, en twee miljard keer zo stroperig als water.
Conclusie: levensmiddelen: complexe structuren
• Textuur en mondgevoel • Stabiliteit en houdbaarheid
• Flavour release • Verteerbaarheid, afbraak, verzadiging en bio
beschikbaarheid
Conclusie: toepassingen reologie
Algemene reologische principes -> VM • Product stabiliteit/
• Productieprocessen houdbaarheid/kwaliteitscontrole
• Voedingsstructuur • Optimalisatie formulering
• Sensorische data
Fundamentele reologische grootheden
Volgens de definitie van reologie worden reologische grootheden bepaald door de vervorming en de
hiervoor benodigde kracht als functie van de tijd te meten. In principe kunnen materie op zeer veel
verschillende manieren aan een vervorming onderwerpen:
• Snel of heel langzaam
• Heel ingewikkelde of eenvoudige vervormingen
Hiervoor is het nuttig een volume-element van de materie te beschouwen, zoals een kubus waarvan de
afmetingen groot zijn t.o.v. de bouwstenen van de materie en klein zijn t.o.v. de afmetingen van het
monster dat aan de reologische meting wordt onderworpen. Wordt zo'n volume-element aan een
willekeurige vervorming onderworpen dan wordt het beschrijven van de krachten die op het volume-
element werken al gauw erg ingewikkeld. Op elk van de 6 vlakken van de kubus werkt een kracht
gekenmerkt door een welbepaalde grootte en richting. De grootte is onderling te vergelijken door de kracht
te delen door het oppervlak waarop deze inwerkt. De richting wordt vastgelegd door alle optredende
krachten te ontbinden in 3 componenten: 1 loodrecht op het vlak en 2 componenten in het vlak waarop de
kracht werkt. Voor de beschrijving van de krachten die op een volume-element werken hebben we dus 18
componenten nodig.
Voor het bestuderen van de reologische eigenschappen van LM kan men zich beperken tot relatief
eenvoudige vervormingen waarbij een groot aantal componenten van de krachten gelijk aan 0 is.
3 vervormingen worden behandeld:
1. Alzijdige compressie (tegengestelde: expansie)
2. Rek (tegengestelde: éénzijdige compressie)
3. Afschuiving
3
