Traditioneel speelt vet een belangrijke rol in het stabiliseren van lucht in voedingsmiddelen, zoals ijs en mousse. Voor producten met een lage calorische dichtheid zijn alternatieve stabilisatoren nodig. Het aantal alternatieven wordt steeds meer beperkt door een toenemende bezorgdheid van consumenten over E-nummers en toevoegingen. Dit dwingt producenten om op zoek te gaan naar ‘clean-label’ of natuurlijke alternatieven.

De ontwikkeling van stabilisatoren en emulgatoren, die aan deze voorwaarden voldoen, staat nog in de kinderschoenen. Onderzoek bij NIZO food research heeft aangetoond dat eiwitten een belangrijke bron zijn van ‘label-vriendelijke’-ingrediënten [1]. Geëncapsuleerde luchtdeeltjes – ook wel ‘microbubbles’ genoemd – zijn een ‘label-vriendelijk-ingrediënt om lucht in voedingsproducten te stabiliseren.

Deeltjes-gestabiliseerd schuim
Het stabiliseren van grensvlakken met vaste, harde deeltjes is bekend voor olie/water- en lucht/water-grensvlakken. De term ‘Pickering’-stabilisatie wordt gebruikt voor emulsies (olie-in-wateremulsies) gestabiliseerd met colloïdale deeltjes, zoals colloïdaal silica, en refereert naar Pickering, die dat fenomeen in 1907 voor het eerst beschreef. Gedeeltelijk hydrofobe silica kan ook worden gebruikt om luchtbellen van verschillende grootte te stabiliseren tegen disproportionering, iets wat niet mogelijk is met een eiwitfilm.

Het gebruik van gemodificeerde silica(nano)deeltjes past echter niet binnen de strategie van het verminderen van het aantal hulpstoffen op het etiket van producten. Daarom zijn food-grade en/of natuurlijke alternatieven nodig die de functie van gedeeltelijk hydrofobe silica kunnen benaderen [4].

Fondant

In geconcentreerde producten, zoals fondant, vormen suikerkristallen een geaggregeerd netwerk waarin luchtbellen gestabiliseerd worden. De hoeveelheid lucht in fondant is echter laag in vergelijking met beluchte desserts.

(Nano)deeltjes moeten aan een aantal voorwaarden voldoen om een goede schuimstabiliteit te creëren. De deeltjes moeten goed te dispergeren zijn in de productmatrix en tijdens het beluchten voldoende snel naar het lucht/water-grensvlak kunnen bewegen. Op het grensvlak vormen de deeltjes een sterische barrière, die voorkomt dat de luchtbellen coalesceren. Een uniforme verdeling van de deeltjesgrootte is essentieel voor de stabiliteit van het schuim. De door NIZO food research ontwikkelde geëncapsuleerde luchtdeeltjes voldoen aan deze eisen. Zoals in het kader beschreven zijn de deeltjes uniform van vorm en grootte en goed dispergeerbaar in water.

Controle wateroplosbaarheid
De mogelijkheid om de wateroplosbaarheid van de microbubbles te controleren geeft een extra mogelijkheid om de effecten van de microbubbles op de textuur van het eindproduct in te stellen. Figuur 1 laat zien dat de oplosbaarheid van de microbubbles kan worden ingesteld door het gebruik van eiwitaggregaten die verschillen in reactiviteit (zie kader). De hier getoonde microbubbles zijn van een ordegrootte van 5-20 m (afhankelijk van de gekozen sproeidroogcondities (temperatuur en type nozzle) en zwellen tot deeltjes van 10-60 m na hydratatie.

In het geval van toepassing van laag-reactieve aggregaten is de eiwitcoating wateroplosbaar en komen de luchtbellen vrij, in tegenstelling tot het gebruik van hoog-reactieve aggregaten, waar de luchtbellen opgesloten blijven na hydratatie.

Figuur 2 laat zien dat de microbubbles op basis van hoog-reactieve aggregaten niet oplosbaar zijn in water, maar volledig oplossen in een oplossing van dithiothreitol, een chemische stof die in staat is zwavelbruggen te verbreken. Dit experiment laat zien dat de onoplosbaarheid in water inderdaad wordt veroorzaakt door stabilisatie van de eiwitcoating door zwavelbrugvorming (natuurlijke crosslinking).

Standaard roomijs
Desserts, zoals mousse, bavaroise en (room)ijs, zijn beluchte voedingsmiddelen, die gemiddeld voor de helft van het volume uit lucht bestaan. Voor het onderzoeken van de functionaliteit van de microbubbles in beluchte producten is gekozen voor (room)ijs. Naast de stabilisatie van de luchtbellen in roomijs, kon in deze applicatie ook de stevigheid van de deeltjes getest worden. Tijdens de productie van roomijs, het vriezen en beluchten in een geschraapte warmtewisselaar, worden grote krachten uitgeoefend op het product en daarmee op de deeltjes.

Een standaard roomijsrecept bevat melkeiwitten (melk, room en/of melkpoeder), vet (room, boter of plantaardig vet), suikers, emulgatoren en verdikkingsmiddelen. Het vet speelt een dominante rol in de stabilisatie van de luchtbellen in roomijs. Tijdens de productie wordt het vet gehomogeniseerd tot vetdruppeltjes van ongeveer 1 µm in diameter. Een microscopische opname (figuur 3A) laat zien dat de luchtbellen gestabiliseerd zijn met een laag van vetdruppeltjes (rood in de afbeelding).

Verzadigd vet
Tijdens het beluchten (opkloppen) van de ijsmix verzamelen de vetdruppels zich op het oppervlak van de luchtbel. De aanwezige vetkristallen en emulgatoren zorgen ervoor dat de vetdruppels gedeeltelijk samenvloeien (partial coalescence) en dat zorgt voor stabilisatie van de luchtbellen in het ijs. Een minimale hoeveelheid verzadigd vet is dus nodig om stabiel en smakelijk roomijs te produceren.

Voor ijsfabrikanten zijn er twee mogelijkheden om tot gezondere alternatieven te komen: verminderen van de hoeveelheid vet of vervangen van verzadigd vet door onverzadigde olie. De grenzen van deze oplossingen liggen in de stabilisatie van de luchtbellen door gedeeltelijk samengevloeide vetdruppels. Door de luchtbellen in ijs via een nieuw mechanisme te stabiliseren, kan vet-vrij consumptie-ijs gemaakt worden. In de pilot plant van NIZO food research is met succes vet-vrij ijs gemaakt met geëncapsuleerde lucht als ingrediënt.

Overrun
Deze productie vond plaats op een industriële, continue ‘ice cream freezer’. Van een formulering met geëncapsuleerde lucht kon zonder moeite ijs met een overrun van 100% gemaakt worden. Een overrun van 100% betekent dat de helft van het volume van het ijs uit lucht bestaat. De microstructuur van dit ijs met geëncapsuleerde lucht (figuur 3B) laat luchtbellen (in zwart) zien, die gestabiliseerd worden door de kleine geëncapsuleerde luchtdeeltjes (figuur 3C).

De verhouding tussen de diameter van de luchtbellen en die van de geëncapsuleerde luchtdeeltjes is in de orde van 15:1. Tijdens het continue vriezen en beluchten verzamelt de geëncapsuleerde lucht zich op het oppervlak van de luchtbellen in het ijs. De hoge krachten, die tijdens dit proces in de geschraapte warmtewisselaar optreden, beschadigen de geëncapsuleerde luchtdeeltjes niet.

Stabiliseren met lucht
Naast de succesvolle toepassing van de microbubbles in ijs werd de toepasbaarheid van de microbubbles geëvalueerd in andere applicaties, zoals koffie, chocolademelk en bier. In deze producten leveren de microbubbles een verbeterde schuimstabiliteit op. Bijvoorbeeld, door de toepassing van de microbubbles blijft de schuimkraag op bier twee tot driemaal zo lang staan. Dit geeft aan dat er een brede toepassing bestaat voor de microbubbles als ‘label-vriendelijke-stabilisator van luchtbellen in voedingsproducten. De mogelijkheid om de oplosbaarheid van de eiwitcoating te controleren, zal hier zeker aan bijdragen.