Je leest:

‘Celmembranen en bierschuim hebben veel met elkaar gemeen’

‘Celmembranen en bierschuim hebben veel met elkaar gemeen’

Chemicus Jan Vermant onderzoekt het gedrag van grensvlakken in zachte materialen

Auteur: | 15 maart 2018

Schuim lijkt vaak een bijkomstigheid – soms gewenst, soms niet. Voor hoogleraar Jan Vermant is schuim een fascinerend fenomeen waarvan hij de fundamenten wil doorgronden. “Schuim is moeilijk omdat er zoveel verschillende factoren een rol spelen.”

Jan vermant
Jan Vermant studeerde chemische technologie aan de KU Leuven, waar hij ook promoveerde. Hij was o.a. postdoc bij Elf Aquitaine en bij de universiteiten van Stanford en Delaware (beide VS). In 2005 werd hij hoogleraar aan de KU Leuven en in 2014 verhuisde hij naar de ETH in Zurich.
ETH Zurich/Peter Ruegg, met toestemming

Bij schuim denk je waarschijnlijk aan bier of een bad. Misschien ook nog aan bellenblaas of een cappuccino. Vrolijke zaken, waar heel serieus onderzoek naar wordt verricht door Jan Vermant, hoogleraar zachte materialen aan de ETH in Zürich. Zijn interesse gaat uit naar grensvlakken. Dat zijn de dunne, beweeglijke vloeistoflaagjes die het verschil markeren tussen de binnen- en de buitenkant van bijvoorbeeld een luchtbel, een druppel of een levende cel.

“Dergelijke grensvlakken vind je overal. In voeding, in de materialen die we maken en in de natuur. De membranen die onze cellen omsluiten zijn ook grensvlakken”, aldus Vermant. “En op fundamenteel niveau zijn de eigenschappen van al die dunne vloeistoflaagjes gelijk.” NEMO Kennislink sprak Vermant in Eindhoven, waar hij zijn onderzoek presenteerde op een symposium van het Institute for Complex Molecular Systems.

Schuimbelletjes veranderen van grootte en knappen op den duur. Dat lijkt me voor celmembranen juist heel onwenselijk. Waar zitten de overeenkomsten precies?

“Neem bijvoorbeeld je longen, ook daar bedekt een dunne vloeistoffilm een heel groot oppervlak. Boven op die vloeistoffilm zit een laagje van fosfolipiden en eiwitten. Dat laagje kan de mechanische spanning bij in- of uitademen opnemen en goed vervormen zonder te knappen. Hetzelfde geldt voor je ogen, dankzij een heel dunne, beweeglijke laag gevormd door fosfolipiden blijven je ogen vochtig. Maar bij patiënten met het ‘droge ogen-syndroom’ gaat dit fout, dan knapt het laagje waardoor de ogen ontvochtigen. Ik ben geïnteresseerd in de manier waarop in de natuur die dunne laagjes worden gestabiliseerd. We weten dat de structuur van zo’n grensvlak heel belangrijk is. Celmembranen bevatten verschillende fosfolipiden en eiwitten die zorgen voor structuur zodat het membraan kan vervormen, met spanning kan omgaan en zelfs transport kan doorlaten en toch intact blijft.”

Waarom is het belangrijk dat we schuim beter kunnen stabiliseren?

“Voor bedrijven in de voedingssector is schuim interessant, omdat het een rol speelt bij de textuur van verschillende producten. Als je een espresso maakt, dan zorgt de hoge temperatuur en druk ervoor dat bepaalde eiwitten in de koffie gaan denatureren. Ze ontvouwen en gaan samen een nieuwe structuur vormen, een soort netwerk aan het oppervlak dat de schuimbelletjes stabiliseert. Daardoor krijg je zo’n mooi crèmig laagje op je koffie. Kleine belletjes geven een prettig mondgevoel. Maar schuim heeft de neiging om steeds grotere bellen te vormen. Grotere bellen hebben minder oppervlak per volume en het intact houden van een oppervlak kost energie. Een grotere bel is daarom energetisch gunstiger dan meerdere kleintjes. Je moet dus zorgen dat de kleine belletjes stabiel blijven. Wij willen begrijpen hoe we die belletjes kunnen ‘bewapenen’ tegen de natuurlijke neiging om groter te worden. Door te kijken hoe celmembranen stabiel blijven, hopen we daar meer over te leren.”

Hoe onderzoek je de stabiliteit van schuim?

“Schuim is moeilijk omdat er verschillende factoren zijn die een rol spelen. Bijvoorbeeld de oppervlaktespanning, die kan men laag maken om belletjes te laten ontstaan, maar zelfs een lage oppervlaktespanning destabiliseert uiteindelijk een dunne film. Het draait niet alleen om de oppervlaktespanning, ook de mechanische eigenschappen van het grensvlak zijn belangrijk. Wij hebben een hele batterij aan technieken ontwikkeld waarmee we heel goed de mechanische eigenschappen van die extreem dunne grensvlakken kunnen bepalen. We weten inmiddels veel over al deze losse puzzelstukjes, maar de fundamentele principes achter de vorming en stabiliteit van schuim begrijpen we nog niet goed.”

Soms kan bier extreem schuimen, ook als het flesje niet is geschud. Dit heet ‘gushing’ en de oorzaak is besmetting met een schimmel die bepaalde eiwitten produceert die ieder belletje meteen stabiliseren door het vormen van netwerkjes op het oppervlak van de belletjes. Credits: fadetocasting

Bilayersfig3
Belletje met kunstmatig celmembraan met daarop sterk vertakte structuren die de mechanische eigenschappen van het membraan veranderen.
Jan Vermant/EHT Zürich, met toestemming

Je ging in je lezing uitgebreid in op bierschuim. Is dat een serieus onderwerp in je onderzoek?

“Het is natuurlijk een mooi voorbeeld om de interesse te wekken, dat geef ik toe, maar bierschuim is zeker wetenschappelijk relevant. Een vriend van me is brouwer en hij zegt altijd dat stabiel schuim een teken is van goede fermentatie. Dat is ambachtelijke kennis, waarvan de verklaring volgens mij ligt in de eiwitten in het schuim. We hebben tot in detail naar het schuim van verschillende bieren gekeken en dan zie je grote verschillen. Dat is interessant, omdat de viscositeit van het water in die dunne laagjes en de oppervlaktespanning in de belletjes gelijk zijn. Het verschil zit in de eiwitten die netwerken vormen rond de belletjes en zo het schuim stabiliseren.”

Maar hebben we echt behoefte aan nieuwe technieken om bierschuim te stabiliseren? Of draait het om andere toepassingen?

“Ja, er zijn veel voorbeelden te geven waarvoor dit nuttig is. Wij werken momenteel samen met een Zwitsers bedrijf zich richt op het 3D-printen van huizen. Zij willen de dichtheid van beton iets verlagen door luchtbelletjes in te brengen, maar die moeten dan wel heel stabiel zijn. Je moet dan echt iets doen met dat oppervlak van de belletjes om het mechanische sterkte te geven.”

Armoredbubble spheres
Zogeheten gewapend belletje. Hier zorgen kleine deeltjes op het oppervlak voor stabilisatie van het belletje.
Jan Vermant/EHT Zürich, met toestemming

Schuim in beton om materiaal te besparen?

“Ook, maar veel belangrijker is dat de luchtbelletjes de isolerende eigenschappen van het beton sterk verbeteren. Het maakt het beton ook beter bestand tegen de invloeden van vorst- en dooiperiodes, omdat het verschillen door uitzetting en krimp beter kan opvangen.”

Hoe zorg je dat die fundamentele principes hun weg vinden naar al die verschillende toepassingen?

“Daar zit de grootste uitdaging, want we moeten een verbinding maken tussen basale kennis enerzijds en de grootschalige verwerking en productie van het materiaal anderzijds. We moeten de chemische en mechanische parameters kunnen vertalen naar iets waar de procestechnologen mee kunnen werken. We hebben nu geen rationele manier om een schuim goed te ontwerpen en daardoor wordt er ook onvoldoende nagedacht over betere, meer energie-efficiënte manieren om ze te maken.”

Salad dressing %2823340150265%29
Sladressing is een emulsie van olie en azijn. Goed roeren is nodig om voldoende kleine druppeltjes te vormen, zodat een ogenschijnlijk homogeen geheel ontstaat.

Waarom moet je een schuim kunnen ontwerpen om het beter te kunnen maken?

“Het maken van schuim of een emulsie [mengsel van niet-mengbare vloeistoffen, zoals olie en water, red.] is een ambachtelijk proces. Als je kijkt naar gravures uit de zestiende eeuw en hoe we nu schuim of emulsies maken, dan zijn die technieken nog vrijwel gelijk. We mengen en we roeren net zolang tot we belletjes of druppeltjes van de gewenste grootte hebben. Het is een beetje van dit, een beetje van dat en gaandeweg krijg je de juiste textuur. Denk maar aan mayonaise. Maar een verklaring waarom je dat type textuur krijgt hebben we niet. Daardoor zijn de processen eerder inefficiënt, want vaak zie je dat er eerst heel veel kleine druppeltjes worden gemaakt die vervolgens weer samensmelten tot druppeltjes van de gewenste omvang. Dat kost onnodig veel energie. Op dit moment gebruiken we ongeveer tienduizend keer meer energie dan theoretisch nodig is om een schuim of een emulsie te maken. Dus als we beter begrijpen wat we precies moeten doen om de gewenste belletjes te maken, kunnen we volgens mij een enorme winst in energieverbruik boeken.”

Dit artikel is een publicatie van NEMO Kennislink.
© NEMO Kennislink, sommige rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 15 maart 2018

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.