07. oktober 2010

Fødevarer i nanoskala

Nanoteknologi

I de sidste årtier har forskere verden over studeret, hvordan vores verden ser ud, når vi zoomer ind på en længdeskala af -9 m – den såkaldte nanometerskala (nm). Takket være nye instrumenter og metoder, er det nu blevet muligt at undersøge materialers opbygning og struktur i den allermindste målestok.Spørgsmålet er nu, om vi aktivt kan styre strukturen af materialer nede i denne størrelse. Ved at stille sådanne spørgsmål og ved at udvikle teknikker til at besvare dem er den såkaldte nanoteknologi opstået. Mens mikroteknologien startede med opfindelsen af lysmikroskopet og blandt andet medførte opdagelsen af bakterier og vira samt udvikling af computerchips, så giver nanoteknologien mulighed for at undersøge, hvordan molekyler binder sammen og danner grundlæggende strukturer i endnu mindre skala.

Af lektor Lise Arleth og lektor Knud J. Jensen, Institut for Grundvidenskab og lektor Jens Risbo, Institut for Fødevarevidenskab.

Smagen og konsistensen af fødevarer har vist sig at være bestemt af, hvad der sker på nano- og mikrometerskala. Tag for eksempel mayonnaise: Hvis man zoomer ind på en klat mayonnaise i et almindeligt lysmikroskop, vil man se, at mayonnaisen har en finstruktur bestående af tætpakkede oliedråber, som er 2 – 5 mikrometer i diameter. Hvis man zoomer yderligere ind på mayonnaisen, ved at sende røntgenstråler ind gennem den, vil man se, at den hinde, der omgiver og stabiliserer oliedråberne i mayonnaisen, består af såkaldte flydende krystaller.

Det er en lagdelt struktur med stakke af skiftevis ~4 nm tynde lag af lecithin fra den tilsatte æggeblomme og lag af vand. Mayonnaisen består udelukkende af flydende ingredienser (mest olie, mindre vand og lidt lecithin), som ikke er blandbare. Men det, som giver den dens karakteristiske tykke konsistens og stabilitet, er de fint strukturerede flydende krystaller af lecitin, der er opnået gennem forarbejdningen. Se også illustrationen på hæftets omslag.

Detaljen kan forklare processen
Eksemplet med mayonnaisen viser, at fødevarer som umiddelbart opfattes som homogene, i virkeligheden består af flere forskellige faser, med strukturer fra nanometer til mikrometer skala. Målet med undersøgelsen af fødevarers struktur på nanoskala er at forstå sammenhængen mellem på den ene side fødevarens finstruktur og på den anden side dens smag, dens konsistens, hvad der sker med den under lagring og forarbejdning, samt hvordan dens indpakning kan sikre kvaliteten under lagring. For mayonnaisens vedkommende findes spormængder af hydrogen peroxid (brintoverilte) og metalioner (såsom Fe2+) i mayonnaisens vandfase.

Når disse to komponenter reagerer, dannes der reaktive hydroxylradikaler, HO, som igen kan igangsætte dannelse af dårlige smagskomponenter i oliefasen ved såkaldte oxidationsprocesser – olien harskner. Denne proces involverer transport af radikaler gennem lecithin laget. Forståelsen af detaljerne kan give mulighed for at kontrollere processen og dermed for at bruge sundere, men mere følsomme flerumættede olier. Man kunne stille spørgsmålet - er det muligt at styre lecithinlaget ved tilsætning af særlige antioxidanter?

I øjeblikket forsøger man at finde særlige antioxidanter, som lægger sig til rette i fødevarens indre overflader. Den nanoteknologiske værktøjskasse har givet os mulighed for at undersøge dette samt en lang række andre vigtige spørgsmål omkring fødevarer, deres optagelse i kroppen samt brugen af materialer som anvendes i kontakt med fødevarer. For at få det fulde udbytte kræver det et tværvidenskabeligt samarbejde mellem traditionel fødevarevidenskab, nanoteknologien, biofysikken og den bioorganiske kemi – endnu et eksempel på moderne fødevarevidenskab som en tværvidenskabelig disciplin.

Mayonnaisens nanostruktur kan undersøges i et såkaldt småvinkelspredningseksperiment. En smal stråle af røntgenfotoner eller neutroner sendes igennem den prøve, man vil undersøge. En del af strålen fortsætter upåvirket igennem, og en del spredes i alle retninger. Det mønster, den spredte stråling danner, afspejler den nanostruktur, der er i prøven. I et småvinkelspredningseksperiment måler man den del af strålingen, der er spredt i små vinkler omkring den upåvirkede del af strålen. Småvinkelspredningen afspejler prøvens struktur på en længdeskala af 1-100 nm. For mayonnaisen fortæller småvinkelspredningen os, hvordan lecithinen fra æggeblommerne har organiseret sig i 4 nm tynde lag.