Для исследования исследователи использовали крем на основе растительного жира. Система сливок является хорошим тестовым материалом, поскольку она может представлять структуру большой группы пищевых систем, например, сыр, йогурт, мороженое, пасты, а также более твердый шоколад. Все вышеупомянутые продукты содержат жидкую воду или жир, а также мелкие частицы твердых материалов, которые слипаются и образуют трехмерные структуры — i.е. сеть, которая обеспечивает последовательность, которая нам нравится в сыре, йогурте или шоколаде.
В сыре и йогурте частицы казеина образуют сеть. В шоколаде это кристаллы жира, а в мороженом и взбитых сливках — шарики жира.
«Если вы понимаете структуру, вы можете изменить ее и получить именно ту текстуру, которую хотите», — говорит Йенс Ризбо.
Электроны со скоростью, близкой к скорости света, генерируют интенсивное рентгеновское излучение
Чтобы создать трехмерную модель еды и преобразовать ее в изображения и видео, ученые были в Швейцарии, где они использовали синхротрон Swiss Light Source (SLS) в Институте Пауля Шеррера. В синхротроне электроны ускоряются почти до скорости света.
Синхротрон используется для исследований материаловедения в таких областях, как биология и химия. Метод, который использовали исследователи, называется «Птихографическая рентгеновская компьютерная томография.«Это новый метод создания изображений в нанометровом масштабе, который также обеспечивает высокий контраст в биологических системах.
Синхротрон в Швейцарии занимает одно из ведущих мест в мире в этой области, и впервые он был использован в пищевой науке.
«Мы использовали принцип томографии, также известный из рентгеновского компьютерного томографа.
Образец пищевой системы вращается и перемещается взад и вперед с нанометровой точностью, в то время как мы посылаем через него очень сильный и сфокусированный рентгеновский луч. Рентгеновские лучи отклоняются, сталкиваясь с электронами в пище, и мы делаем много снимков узоров, которые образуют отклоненные рентгеновские лучи. Узоры объединяются в мощный компьютер, который реконструирует трехмерное изображение образца. Швейцарские ученые из команды создали устройство, которое может перемещать и вращать образец со сверхвысокой точностью, что позволяет нам видеть мелкие детали », — говорит научный сотрудник Миккель Скоу Нильсен, который недавно защитил докторскую диссертацию.D. в томографических методах обработки пищевых продуктов в Институте Нильса Бора в Копенгагене.
Количество электронов показывает различные компоненты пищи
Восстановленное трехмерное изображение можно описать как трехмерную таблицу чисел, описывающих электронную плотность (количество электронов в объеме) во всем образце. Различные пищевые компоненты, такие как вода и жир, имеют разную плотность и, следовательно, разную электронную плотность.
Вода тяжелее жира, что известно из масла, которое оседает на поверхности воды, когда вы пытаетесь их смешать, и именно этот контраст электронной плотности заставляет рентгеновские лучи отклоняться в разной степени и в конечном итоге формировать 3D-изображения пример. На рисунке выше показан двухмерный срез трехмерной структуры. Области с более высокой концентрацией электронов выглядят светлее на рисунке.
Таким образом, вода выглядит светло-серой, жир — темно-серой, а стекло вокруг образца с высокой плотностью выглядит как белое кольцо. Теперь можно использовать электронную плотность (шкала серого) для идентификации различных компонентов пищи и изучения их расположения и структуры.
Сложная система питания
Крем на растительной основе, для которого используется методика, состоит из нескольких ингредиентов.
Помимо воды и растительных жиров, он содержит молочный белок, стабилизаторы и эмульгаторы. Регулируя добавление эмульгаторов, можно достичь состояния, в котором сливки продолжают оставаться жидкими, пока вы не взбиваете их до пены, в результате чего все жировые шарики реорганизуются и слипаются на внешней стороне пузырьков воздуха в виде трех частей. размерная система.
«Это сложный баланс, потому что вы хотите, чтобы жировые шарики слипались друг с другом только при взбивании сливок, а не в том случае, если они просто подвергаются воздействию вибрации или высоких температур. Когда жировые шарики все же начинают преждевременно слипаться — например, из-за слишком большого количества ударов во время транспортировки — сливки приобретают консистенцию, напоминающую сливочный сыр.
Он превращается в относительно твердый комок, который можно разрезать », — говорит научный сотрудник постдокторантуры Мерете Бегелунд Мунк, факультет пищевых наук Копенгагенского университета.
Доктор философии Мерете Бегелунд Мунк.D. проект «Физическая стабильность взбиваемых эмульсий масло-в-воде». Эффекты эмульгаторов на основе моноглицеридов и других ингредиентов », было основополагающим для исследования. Доктор философии.D.
Проект был разработан в сотрудничестве между Департаментом пищевых наук Копенгагенского университета и компанией Palsgaard A / S, производящей пищевые ингредиенты.
Тем не менее, это нежелательное состояние системы растительных сливок, напоминающее сливочный сыр, чрезвычайно интересно для исследователей.
«Организация жировых шариков и сетчатая структура после того, как сливки были превращены в продукт, подобный сливочному сыру, впечатляют, потому что теперь массу можно разрезать, даже несмотря на то, что система состоит из 65% воды и только 25% жира и некоторые другие ингредиенты и сахар.
Это означает, что у нас есть сетевая структура, которая захватывает много воды. Есть много продуктов с подобными сетевыми системами чего-то твердого в чем-то жидком, где жидкостью обычно, но не всегда, является вода.
Это относится ко всем полутвердым и твердым продуктам, таким как шоколад, масло, сыр и спреды. Таким образом, сеть систем, подобных сливочному сыру, является моделью для чего-то общего в нашей пище ", — говорит доцент Йенс Ризбо, факультет пищевых наук Копенгагенского университета.
Это структура сеток, которая формирует текстуру, которая заставляет вас хотеть откусить кусок шоколада и отрезать себе кусок сыра. Но структура и сети являются чем-то вроде загадки, потому что до сих пор вы могли видеть только поверхность и немного ниже поверхности пищевого материала в микронном масштабе, а изображения, которые вы могли видеть, были только двумерными.
"Если мы со временем придем к пониманию структуры шоколада, мы сможем ее изменить и получить именно ту консистенцию, которую мы хотим. Много денег тратится впустую, потому что консистенцию шоколада действительно трудно контролировать, поэтому конечный продукт недостаточно хорош, и его необходимо выбросить. Возможное будущее понимание кристаллической сети в шоколаде может означать, что мы сможем разработать компоненты, которые не позволяют шоколаду становиться серым и рассыпчатым и, следовательно, непригодным для продажи. Несомненно, существует возможность разработки томографических методов, которые позволят нам понять тайны шоколада », — говорит доцент Йенс Ризбо, факультет пищевых наук Копенгагенского университета.
Как работает томография
«Птихографическую рентгеновскую компьютерную томографию можно сравнить с компьютерной томографией в больнице. Вместо того, чтобы получить изображение органов пациента, мы изучаем еду. Но, в отличие от компьютерного томографа, мы можем перейти к нанометровому масштабу », — говорит Йенс Ризбо.
Образец с системой, похожей на сливочный сыр, который исследователи просвечивали рентгеновскими лучами, имел толщину около 20 микрон.
«Чтобы получить нанометровое разрешение кремовой системы для всей упаковки сливочного сыра из холодильника, потребуется слишком много времени и слишком много вычислений. Количество информации и расчетов было бы просто слишком большим. Хотя рентгеновские лучи могут проходить практически через все, вы теряете интенсивность лучей, тем больше они должны проходить », — говорит Йенс Рисбо.
Швейцарский синхротрон с источником света
В принципе, вы можете сделать рентгеновские снимки двумя разными способами.
Если вы пойдете к стоматологу и сделаете рентгеновский снимок, это будет сделано с помощью рентгеновской трубки, которую можно сравнить с электронно-лучевой трубкой, показывающей изображения на старом типе телевизора, где электроны не ускоряются до очень высокой скорости. высокие скорости. В рентгеновской трубке электроны сталкиваются с металлом, например медью, которая теперь излучает рентгеновские лучи.
Рентгеновская трубка не такая мощная, но вы можете делать медицинские фотографии, а также проводить исследования с помощью этого типа рентгеновских лучей. Но если вы хотите исследовать очень маленькие образцы, вещи, которые быстро меняются, или сделать томографию в нанометровом масштабе, вы будете использовать такие объекты, как Swiss Light Source или шведский синхротрон MAX IV, который открывается в Лунде, Швеция, в этом году.
"Технически это электроны, которые ускоряются почти до скорости света и циркулируют в кольце, управляемом электромагнитами.
Электронные лучи затем отклоняются и излучают интенсивное и энергичное рентгеновское излучение », — говорит доцент Йенс Ризбо, факультет пищевых наук Копенгагенского университета.
Швейцарский источник света SLS финансируется правительством Швейцарии, и ученые со всего мира могут подать заявку на использование синкротонного рентгеновского излучения и соответствующего научного оборудования под руководством местных ученых.
Фон
Статья «Птихографическая рентгеновская компьютерная томография протяженных коллоидных сетей в пищевой эмульсии» основана на проекте Nexim, возглавляемом Институтом Нильса Бора в Копенгагенском университете, Дания, и докторантуре Департамента пищевых наук Копенгагенского университета Мерете Богелунд.
Доктор философии Мунка.D. проект «Физическая стабильность взбиваемых эмульсий масло-в-воде». Действие эмульгаторов на основе моноглицеридов и других ингредиентов."
4 февраля 2016 года в журнале Food Structure была опубликована научная статья со следующими авторами:
Миккель Скоу Нильсен, Мерете Бегелунд Мунк, Ана Диас, Эмиль Бенд Линд Педерсен, Мирко Холлер, Стефан Брунс, Йенс Рисбо, Келл Мортенсен и Роберт Фейденхансль
Авторы из Департамента пищевых наук, Института Нильса Бора, Департамента пищевой химии, Копенгагенского университета, Дания, DTU Energy, Дания и Института Пауля Шеррера в Швейцарии.