Een modelsysteem is een vereenvoudigde weergave van een voedingsproduct op kleine schaal, aangevuld met een beschrijving van de productmatrix en ondersteund door theorie en fysische vergelijkingen. Het gebruik van modelsystemen heeft verschillende voordelen. Zo maakt het een snelle screening mogelijk bij het ontwikkelen van nieuwe ingrediënten.

Ook geeft het de mogelijkheid van benchmarking van nieuwe grondstoffen bij het vervangen van vet en suiker of het verlagen van zoutgehalte. Verder kun je met modelsystemen testen wat het effect is van ingrediënten op de productstructuur (en daardoor eeteigenschappen) en het procesrendement. Ze werken verklarend en voorspellend en kunnen interessante overeenkomsten vinden tussen totaal verschillende producten.

TNO gebruikt modelsystemen voor verschillende doeleinden en diverse producten, zoals brood, ham en worst, expanded snacks en sauzen. Voor complexe voedingsmiddelen, die bestaan uit twee niet-mengbare fasen, ontwikkelde het onderzoeksinstituut modelsystemen die het fysische gedrag van producten beschrijven en modelleren.

Vereenvoudigde weergave
Om bij samengestelde producten tot de gewenste productkwaliteit of producteigenschappen te komen zijn de structuur én interactie tussen verschillende ingrediënten van belang. Bij het gebruik van modellen krijgt het bestuderen van die aspecten dan ook de nadruk. Met de modellen kunnen diverse effecten op specifieke productkarakteristieken gemeten worden.

Zo wordt het voor de voedingsmiddelenproducent snel inzichtelijk welke karakteristieken belangrijk zijn voor de productkwaliteit en hoe een nieuwe productreceptuur ontwikkeld kan worden. Bij het model ham kun je bijvoorbeeld meten welk effect het toevoegen van eiwit heeft op de structuur, de hardheid en de beet. Op eenzelfde manier is bij spritskoekjes een relatie gelegd tussen vetconcentratie, veteigenschappen en brosheid en hardheid.

Hamburgermodel
Na uiterlijk (kleur, vorm) is de structuur van een hamburger na bereiding, zoals kauw- en eeteigenschappen, van belang voor de waardering door de consument. Producteigenschappen worden bepaald door de vleessamenstelling, de hoeveelheid vrijgekomen eiwitten tijdens verwerking en de visco-elastische eigenschappen tijdens het vormen van het vleesproduct. Bij sterk elastische eigenschappen en een te snelle procesvoering zal er veel vervorming van het product tijdens verhitting optreden.

Het ontwikkelde model voor hamburgers beschrijft het verband tussen de bewerkingstijd van het vlees, de hoeveelheid vrijgekomen eiwitten en de elasticiteit (samenhang) van het vlees in termen van fysische relaties. Hoe langer het vlees bewerkt wordt, hoe meer vrij eiwit beschikbaar komt. Dit zal leiden tot een betere samenhang van de structuur van het vlees, wat in Figuur 2 uitgedrukt wordt als een toename in elasticiteit (G’). De toename in vrij eiwit (en dus G’) bevordert dus de kwaliteit en de waardering door de consument. Door middel van een model (zie hierboven) en het fysisch onderbouwde modelsysteem kan het effect van toegevoegde eiwitten op de kwaliteit van het eindproduct voorspeld worden.

Ook het effect van toevoegen van fosfaten of het verlagen van zout wordt op deze manier onderzocht. Minder zout heeft een lagere hoeveelheidvrij eiwit tot gevolg en leidt hierdoor tot een andere samenhang van de vleesstructuur.

Complexe producten met meer fases
In het kader van herformuleren (een onderzoeksveld waarbinnen TNO zich richt op gezondere producten) is onderzoek gedaan naar het verlagen van de hoeveelheid vet en het veranderen van de vetzuursamenstelling in bakkerijproducten. Het bleek echter niet mogelijk om voor deze productcategorie een generieke oplossing te vinden voor vetverlaging.

De functionaliteit van het vet ten opzichte van de microstructuur van het deeg verschilt namelijk enorm tussen producten zoals cake en bladerdeeg. Maar uitgaande van deze microstructuur zijn er juist wél interessante overeenkomsten te vinden op basis van een fysische beschrijving van de functionaliteit van ingrediënten zoals vet. Met behulp van de theorie van Bruggeman heeft TNO een modelsysteem ontwikkeld dat toegepast kan worden op complexe voedingsmiddelen die bestaan uit twee, niet-mengbare fasen.

TNO heeft dit modelsysteem toegepast bij het herformuleren van twee uiteenlopende producten: spritsdeeg en processed cheese. Bij spritsdeeg bestaan de twee niet-mengbare fases uit vet enerzijds en eiwitten, zetmeel en suiker anderzijds. In processed cheese zorgen eiwitten en koolhydraten voor de verschillende fases.

Spritsdeeg
Om vetreductie in spritsdeeg te bestuderen werden recepturen met verschillende hoeveelheden vet op 50 gram schaal gekneed in een Farinograaf. Vervolgens werden de degen onderworpen aan rheologische metingen en geleidbaarheidsmetingen. De geleidbaarheid geeft informatie over de structuur van het deeg en correleert met de hardheid van koekjes. Figuur 3 toont de resultaten van geleidbaarheidsmetingen aan spritsdegen, waarbij een deeg met weinig vet een hoge geleidbaarheid heeft en een deeg met voornamelijk vet een lage geleidbaarheid. In het deeg met een hoge geleidbaarheid is het vet gedispergeerd (fijn verdeeld) in de deegmatrix (bloem, suiker en water plus overige oplosbare componenten), terwijl dit in het deeg met een lage geleidbaarheid juist omgekeerd is (vet continu).

Met behulp van het ontwikkelde modelsysteem is het mogelijk om voor elke vetdosering de geleidbaarheid en dus de structuur van een deegmatrix te voorspellen. De hoeveelheid vet maar ook de vetzuursamenstelling bepalen de rheologische eigenschappen (bijvoorbeeld smeltgedrag, vloeigedrag, hardheid en kristallisatie) van de vetfase.

Afhankelijk van de rheologische eigenschappen zal de structuur van een product kunnen bestaan uit twee niet-mengbare fases: de vetfase en een deegfase met eiwitten, zetmeel en suiker. Het ontstaan van twee fases zal gebeuren boven een bepaald vetgehalte en geeft een kritieke overgang weer voor de productkwaliteit. Voor een optimaal eindproduct is de consistentie van het vet vergelijkbaar met die van het deeg. Zo ontstaat er een structuur die leidt tot een deeg met een hoog soortelijk volume en een relatief zachte maar wel brosse structuur.

Het modelsysteem geeft inzicht in de mate waarin het uitwisselen van ingrediënten mogelijk is met behoud van productkwaliteit. De structuur en eeteigenschappen van een spritsdeeg met verlaagd vet of een gezondere vetzuursamenstelling kan op deze wijze direct in kaart gebracht worden. Dit modelsysteem biedt dus een generieke oplossing voor vetverlaging in bakkerijproducten, waar dat in eerste instantie niet mogelijk was.

Processed cheese
In het kader van het Agrobiokon onderzoeksprogramma met TNO, HPA en Avebe werd in processed cheese, uit kostenoverwegingen de vervanging van caseïnaat door gemodificeerd zetmeel onderzocht. Hierbij werd gebruik gemaakt van het model voor processed cheese waarin textuur een belangrijke rol speelt. Recepten met variërende verhouding in caseïnaat/gemodificeerd zetmeel werden onderzocht op mechanische eigenschappen door middel van een Texture Analyser.

Een belangrijke parameter gerelateerd aan eeteigenschappen voor processed cheese is de deformatie (vervorming) waarbij breuk optreedt. In Figuur 4 is de deformatie weergegeven als functie van de hoeveelheid caseïnaat die vervangen is door gemodificeerd zetmeel. Ook hier is een processed cheese met alleen caseïnaat weergegeven (caseïnaat continu) en een processed cheese met alleen gemodificeerd zetmeel (zetmeel continu). Caseïnaat en zetmeel vormen in dit modelsysteem de twee gescheiden fases.

Met behulp van microscopie is vastgesteld dat het mogelijk is om 30% caseïnaat te vervangen door gemodificeerd zetmeel zonder dat daarbij twee gescheiden fases ontstaan en de productkwaliteit significant verandert. Het ontmengen van zetmeel en caseïnaat gebeurt pas bij het vervangen van 40% caseïnaat.

Conclusie
Ingrediënt interacties spelen een rol op diverse schaalniveaus in het product, van nano tot mesoscopische schaal. De al dan niet aanwezige interactie bepaalt de microstructuur van een product, die direct gerelateerd is aan productkwaliteit en de sensorische eigenschappen. Voor de microstructuur in relatie tot functionaliteit van ingrediënten heeft TNO beschrijvende modellen ontwikkeld voor diverse producten, zoals vlees, spritsdeeg en processed cheese.

Het gebruik van modelsystemen leert de kritische grenzen te ontdekken waarbinnen de kwaliteit van het product gewaarborgd blijft. Bij het aanpassen van ingrediënten en product in het kader van vet suiker-, of zoutreductie biedt analyse van het fysische gedrag in een modelsysteem een snelle helpende hand. Het gebruik van modelsystemen vergroot dan ook het inzicht in complexe voedingsproducten en biedt voordeel bij productontwikkeling gezien de goede correlatie van een modelsysteem met de productschaal in werkelijkheid.