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Viskosität

Wichtige Eigenschaft bei der Entwicklung neuer Produkte

Wie ist das Fließverhaltens einer Mayonnaise, wie stark verdickt sich eine Suppe beim Kochen und wie verhält sich ein Teig im Extruder? Die Antwort auf derartige Fragen erhält man durch die Bestimmung der Viskosität mit Hilfe rheologischer Messmethoden.

Die sensorischen Eigenschaften eines Produktes sind von sehr großer Bedeutung. Das Mundgefühl und das Verhalten eines Produktes im Mund beim kauen und Schlucken, wird maßgeblich von dem Fließverhalten bestimmt. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Produktentwicklung ist aber auch, dass sich ein Produkt gut aus der Verpackung entnehmen lässt. Die Tatsache, dass dies nicht immer problemlos funktioniert, bringt den Verbraucher hautnah mit den Gesetzen der Rheologie in Berührung. Wie oft ärgern wir uns über das ewige Dilemma mit dem Ketchup, das nicht aus der Flasche fließen will und nach ungeduldigem Schütteln letztendlich den halben Teller füllt. Hier begegnen wir einerseits dem Phänomen der Fließgrenze, andererseits demonstriert dieses Beispiel das Zusammenspiel von Krafteinwirkung, Deformation und Fließfähigkeit.

Fließverhalten von Flüssigkeiten

Unter Einwirkung einer mechanischen Beanspruchung zeigen verschiedene Substanzen ein ganz unterschiedliches Fließverhalten.

Es gibt einige Fluide im Lebensmittelbereich, bei denen die Scherspannung (auch Schubspannung genannt) proportional zur Schergeschwindigkeit ansteigt. Die Viskosität verändert sich dabei nicht. Man bezeichnet dies als idealviskoses oder newtonsches Verhalten. Beispiele hierfür sind Flüssigkeiten wie Wasser, Milch, Öle und verdünnte Lösungen. Anders verhalten sich die so genannten nichtnewtonschen Fluide, denn sie zeigen ein nichtproportionales Fließverhalten unter mechanischer Beanspruchung. Nichtnewtonsche Fluide lassen sich danach einteilen, ob sich die Viskosität mit zunehmender Scherung oder mit der Zeit ändert. Bei pseudoplastischen (strukturviskosen) und dilatanten Fluiden ist die Änderung der Viskosität bei einer bestimmten Scherrate immer gleich - unabhängig von der Zeit der Einwirkung.

Andere Substanzen benötigen für die durch Scherung herbeigeführten strukturellen Änderungen eine bestimmt Zeit, die als Zeitabhängigkeit der Viskosität messbar ist: Bei thixotropen und rheopexen Fluiden beobachtet man bei konstanter Scherrate, dass sich die Viskosität mit zunehmender Zeit verändert. Dieses Phänomen darf aber nicht verwechselt werden mit einer strukturellen Änderung, die durch eine chemische oder enzymatische Reaktion erfolgt, denn die Ursache für thixotropes und rheopexes Verhalten ist ausschließlich die Scherung.

Weder dilatantes noch rheopexes Verhalten haben in der Lebensmittelindustrie nennenswerte Bedeutung.

• dilatant
  Je höher die Schergeschwindigkeit ist, umso viskoser verhält sich das Fluid. Im Englischen heißt dies „shear-thickening“. Die Zunahme der Viskosität entsteht durch eine Strukturänderung im Fluid, die dafür sorgt, dass die Wechselwirkung zwischen den einzelnen Fluid-Partikel stärker wird und sie daher schlechter aneinander vorbei gleiten können. Ein sehr anschauliches Beispiel für dieses Verhalten ist ein Brei aus Maisstärke und Wasser. Lässt man beim Umrühren den Löffel langsam durch den Brei gleiten, erscheint dieser wie eine Flüssigkeit, bei höherer Geschwindigkeit wird der Brei so zäh, dass er nicht mehr fließt, sondern fast ein Festkörper wird. Sobald nicht mehr gerührt wird, stellt sich wieder das flüssig Verhalten ein.
• pseudoplastisch oder strukturviskos
  Je stärker ein Fluid mechanisch beansprucht wird, desto dünnflüssiger ist es. Das bedeutet, die Viskosität sinkt bei hoher Schergeschwindigkeit. Im Englischen wird dafür der Begriff „shear-thinning“ verwendet. Die Abnahme der Viskosität entsteht durch eine Strukturänderung im Fluid, die dafür sorgt, dass die einzelnen Partikel besser aneinander vorbei gleiten können. Dies wird als angenehmes empfunden. Je schneller die Viskosität abgebaut wird, desto angenehmer wuird das Produkt im Mundgefühl empfunden. Dieses Verhalten ist typisch für Hydrokolloide.
• rheopex
  Nimmt die Viskosität bei Einwirken einer konstanten Scherkraft mit zunehmender Scherzeit zu, nennt man das Verhalten Rheopexie. Nach der Einwirkung der Scherkraft relaxieren diese Strukturänderungen nicht sofort.
• thixotrop
  Sinkt die Viskosität bei konstanter Scherkraft mit zunehmender Scherzeit, nennt man das Verhalten Thixotropie. Je länger man umrührt, desto dünnflüssiger wird die Flüssigkeit. Ein Beispiel ist Ketchup, das erst geschüttelt werden muss, bevor er aus der Flasche läuft. Die Struktur im Fluid ändert sich durch die mechanische Beanspruchung, so dass kleinere Wechselwirkungen zwischen den Partikeln auftreten.
• plastisch
  Ein weiteres nichtnewtonsches Verhalten ist das plastische Verhalten: Das Fluid verhält sich bei geringer Schergeschwindigkeit wie ein Festkörper und wird erst bei stärkerer Scherung flüssig. Ein Beispiel hierfür ist Mayonnaise. Die Fließfähigkeit setzt erst oberhalb einer bestimmten Schubspannung ein. Dies wird als Fließgrenze bezeichnet. Unterhalb der Fließgrenze verhält sich das Material fest-elastisch. Damit das Material fließt, müssen erst strukturbildende Haftkräfte wie Dipole, H-Brücken der Solvathüllen oder van-der-Waals-Kräfte überwunden werden.

Fließgrenze

Bei Systemen, die aus einer Flüssigkeit und darin dispergierten Feststoffen besteht, tritt häufig eine Besonderheit auf. Wenn sich die Feststoffe in einer bestimmten Formation zusammenlagern, tritt bei geringen Scherraten eine starke Fließbehinderung ein, die man als Fließgrenze bezeichnet.

Die Fließgrenze ist beispielsweise von Bedeutung, wenn versucht wird, aus einer Ketchupflasche, die längere Zeit nicht bewegt wurde, etwas Ketchup zu entnehmen. Entweder die aufgebrachte Scherbeanspruchung ist zu gering, um das Ketchup zum Fließen zu bringen, oder die Fließgrenze wird durch starke Beanspruchung überwunden, dann fließt schlagartig eine zu große Menge.

Ein Beispiel in der Lebensmittelindustrie, bei dem die Fließgrenze eine wichtige Rolle spielt, ist das Umhüllen eines Kerns mit einer Masse - wie etwa das Umhüllen eines Toffeekerns mit Schokolade oder das Umhüllen eines Fischstücks mit Teig. Ist die Fließgrenze des umhüllenden Materials zu gering, führt sein Eigengewicht dazu, dass es von den senkrechten Flächen des Kerns abfließt. Ist die Fließgrenze dagegen zu hoch, wird eine zu dicke Schicht aufgebracht.

Fließgrenze kann technologisch auch genutzt werden, um Teilchen in einer Flüssigkeit in der Schwebe zu halten, wie etwa bei einem Kräuterdressing.

Reversibel und irreversibel

Schließt sich nach der Scherung eine Ruhephase an, können zwei Fälle eintreten: die reversible und die irreversible Strukturänderung.

In den meisten Fällen erholt sich das Lebensmittel-System wieder nach Beendigung des Schervorgangs, so dass bei einer erneuten Messung dasselbe rheologische Verhalten messbar ist. Hier liegt eine reversible Strukturänderung vor.

Bei anderen Lebensmitteln aber auch solche, bei denen sich der ursprüngliche Zustand nicht wieder herstellt, weil eine irreversible Strukturänderung erfolgt ist. Dies ist etwa der Fall bei stichfestem Joghurt, bei dem durch Umrühren die gelartige Struktur irreversibel zerstört wird. Eine durch Scherung entstandene irreversible Strukturänderung kann aber auch durchaus gewollt sein und zu einer Qualitätsverbesserung oder eventuell sogar zu einem neuen Produkt führen.

Möglichkeiten der rheologischen Messung

Neben einigen idealviskosen Lebensmitteln, zeigen Lebensmittelsysteme wie Dispersionen, Emulsionen oder Gele sehr häufig nichtnewtonsches Fließverhalten. Welches Fließverhalten genau, das kann mithilfe von rheologischen Messmethoden ermittelt werden. Rheologische Messungen sollten unter denselben Bedingungen hinsichtlich Schergeschwindigkeit und Temperatur durchgeführt werden, die es auch in der Realität erfährt - wie etwa beim Kauen und Schlucken, Ausgießen, Schütteln, Rühren oder anderen Aktionen, die erfordern, dass das Material in irgendeiner Weise bewegt wird.

Die rheologischen Messinstrumente lassen sich grob in Absolutrheometer und empirische Methoden unterteilen. Mit Absolutrheometern wird Viskositätsmessung im klassischen Sinn durchgeführt - bei klar definierter Scherrate und Temperatur, gemessen wird die Schubspannung. Messergebnisse von Absolutrheometern sind unabhängig vom Gerät und der Durchführung. Damit lassen sich allerdings nicht die rheologischen Verhältnisse während eines Herstellungsprozesses darstellen.

Empirische Methoden liefern dagegen keine absoluten Werte, sondern gerätebezogene Einheiten, die sich allerdings gut mit der Produktqualität korrelieren lassen. Im allgemeinen ist eine bestimmte Methode nur für eine sehr spezifische Aufgabenstellung anwendbar. Der große Vorteil empirischer Methoden liegt in der einfachen Messung ohne aufwändige Probenvorbereitung, die innerhalb relativ kurzer Zeit ein Messergebnis erzielt.

Absolutrheometer

Das ganz unterschiedliche Verhalten der Substanzen erfordert auch sehr unterschiedliche Messprinzipien. So werden zum Beispiel Kapillarviskosimeter zur Viskositätsbestimmung bei newtonschem Fließverhalten eingesetzt. Allerdings gibt es nicht sehr viele Lebensmittel, die newtonsches Verhalten zeigen.

Bei nichtnewtonschem Verhalten wird das Prinzip des Rotationsviskosimeters eingesetzt. Rotationsrheometer können komplexe rheologische Verhalten präzise charakterisieren. Die unterschiedlichen Messgeometrien - Zylinder-Becher, Kegel-Platte oder Platte-Platte - decken einen weiten Bereich von Scherraten und Viskositäten ab.

Hat man zunächst keine Kenntnis darüber, ob sich die Viskosität eines Material zeitabhängig oder scherabhängig ausbildet, bietet sich als erstes eine Messung bei konstanter Schergeschwindigkeit und konstanter Temperatur an. Ergibt diese Messung einen konstanten Wert für die Viskosität, zeigt das Material zeitabhängiges Fließverhalten. Ergibt diese Messung eine Zu- oder Abnahme der Viskosität, handelt es sich um scherabhängiges Fließverhalten. Ebenfalls zu fundamentalen Methoden zählt der Oszillograph, mit dem man über Spannungs-Relaxations-Versuche und Oszillationsmessungen das viskoelastische Verhalten von Teig zu ermitteln kann.

Empirische Messmethoden

Viele Lebensmittel sind so komplex, dass es nicht praktikabel oder sogar unmöglich ist, sie mit fundamentalen Methoden zu messen. Nur empirische Methoden liefern hier brauchbare Ergebnisse. Typisches Anwendungsgebiet für empirische Methoden sind Stoffsysteme, die über eine Reaktion eine Strukturänderung erfahren. Erhitzt man zum Beispiel ein Stärke-Wasser-Gemisch so verkleistert die Stärke irreversibel und die Viskosität nimmt zu. Eine Proteinlösung denaturiert dagegen mit zunehmender Temperatur und die Viskosität nimmt ab. Für derartige Systeme wird häufig die temperaturabhängige Viskositätsänderung bestimmt. Empirische Instrumente sind in der Lebensmittelindustrie von großem Wert und überall anzutreffen. Nur einige Beispiele aus dem großen Angebot sind:

• Farinograph
• Teigeigenschaften
• Kramer-Scherzelle
• Konsistenz von Früchten
• Penetrometer
• Festigkeit von Butter oder Brotaufstrichen
• Rapid Visco Analyser
• Messung von temperaturabhängigen Reaktionen mit individuellen Temperatur- und Scherprofilen
• Texture Analyser - Universalprüfmaschine zur Bestimmung verschiedener physikalischer Eigenschaften von verschiedensten Materialien.

Weitere Instrumente findet man aufgelistet bei [1].

Temperaturabhängig messen

Der Rapid Visco Analyser von Perten Instruments ist ein Rotations-Viskosimeter mit Temperaturprofil, das zum Messen der Viskositätseigenschaften von Stärke, Getreide, Mehl und verschiedenen Nahrungsmitteln optimiert wurde. Die Messungen werden vom Gerät mit individuellen Temperatur- und Scherprofilen vollautomatisch durchgeführt. Durch das integrierte, computergesteuerte Heiz- und Kühlsystem sind Messungen mit sehr reproduzierbaren Temperaturprofilen möglich. Komplette Verkleisterungsprofile von Stärke und stärkehaltigen Produkten können in dreizehn Minuten aufgenommen werden. Gesüßte Kondensmilch, Joghurt, Schmelzkäse und Eiscremes sind nur einige weitere Anwendungsbeispiele. Die Bewertung unterschiedlicher Chargen zur Gebrauchseignung bei Magermilchpulver, Molkenproteinkonzentrat und Proteinreichen sind weitere Beispiele, ebenso die Rehydratation von Labkasein. Das RVA eignet sich im Labor zur Prozesssimulation bei Schmelz- oder Frischkäse (Pasteurisierung, Formulierung) oder bei Joghurt (Sterilisation und Konditionierung des Proteins).

Allrounder

Der Texture Analyser von Stable Micro Systems ist eine Universalprüfmaschine zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften verschiedenster Materialien wie etwa die Konsistenz von Emulsionen und Gelen bis hin zur Kaufähigkeit eines Produkts oder der Elastizität von Teigwaren. Typische Einsatzgebiete des Modells TA.XTExpress sind zum Beispiel die Bestimmung des Bloomwertes von Gelatine, die Konsistenz von Molkereierzeugnissen wie Joghurt, Pudding und Dessert oder die Zartheit von Fleischprodukten. Das Modell TA.Xtplus wurde speziell für die Lebensmittelindustrie entwickelt, um komplexe Messvorgänge zur Simulation des Kauvorgangs in eigens dazu ausgelegten Scherzellen nachzuempfinden.

Das große Angebot spezieller Messzellen ermöglicht sehr unterschiedliche Messarten. So kann zum Beispiel mit der Rückextrusionszelle die Viskosität von pastösen und flüssigen Gelen, Krems und Teigen zuverlässig und einfach ermittelt werden. Eine spezielle Teigklebrigkeits-Messeinrichtung ermöglicht es, die Klebrigkeit von Brotteigen objektiv zu bestimmen. Die Teig-Dehnbarkeitsmesseinrichtung dient zur Bestimmung der Dehnbarkeit von Teigen und ausgewaschenem.

Der Texture Analyser wird in Deutschland und Österreich von Winopal Forschungsbedarf GmbH vertrieben.

Literatur

1 J.F. Steffe: Rheological Methods in Food Process Engineering, second edition 1996, Freeman Press, East Lansing, MI, USA, http://www.egr.msu.edu/~steffe/freebook/offer.html www.perten.com www.winopal.com