Een profielwerkstuk over reologie

Vorige week kwamen er twee scholieren langs bij ons op het lab. Ze wilden voor hun profielwerkstuk de reologische eigenschappen van  mayonaise, ketchup en maïzena onderzoeken. Reologie is het vakgebied dat zich bezighoudt met hoe vloeistoffen stromen. Over de bijzondere reologische eigenschappen van maïzena hebben we al eens wat geschreven. Maïzena wordt meer stroperig wanneer het sneller stroomt. Zo kun je dus snel over een bak met maïzena lopen, maar zak je er in weg wanneer je te lang op één plek blijft staan. In de reologie wordt dat shear thickening genoemd. Bij pek en silly putty gebeurt hetzelfde, terwijl bij ketchup en mayonaise het tegenovergestelde gebeurt. Ketchup en mayonaise gaan juist steeds gemakkelijker bewegen wanneer ze sneller stromen. Dat heet shear thinning.

Het begrip “stroperigheid” wordt in de reologie viscositeit genoemd. De viscositeit van een vloeistof is niets meer dan de verhouding tussen de kracht die nodig is om een vloeistof te laten stromen, en de snelheid waarmee het stroomt. De viscositeit van een vloeistof heeft niet per sé één vaste waarde, maar kan dus afhangen van de snelheid waarmee de vloeistof stroomt.

Terug naar de scholieren. Zij wilden de reologische eigenschappen van een aantal stoffen bestuderen. Samen met een collega en de scholieren hebben we daarom een aantal van die stoffen met een reometer geanalyseerd. Dat is een apparaat dat een bepaalde kracht uitoefent op een stof, en dan meet hoe snel het beweegt (of omgekeerd). We hebben die metingen gedaan met mayonaise en ketchup. Maïzena hebben we ook geprobeerd, maar omdat dit snel uitzakt waren er geen betrouwbare metingen mogelijk. De resultaten zie je hieronder.

Bij een toenemende stroomsnelheid, neemt de benodigde kracht naar verhouding steeds minder toe. Mayonaise en ketchup zijn allebei dus inderdaad shear thinning, en we kunnen ook concluderen dat ketchup in algemeen een stuk gemakkelijker stroomt dan mayonaise. Omdat we de stroomsnelheid en kracht over een heel groot gebied hebben gemeten, is het echter nuttiger om deze resultaten op een dubbele log-schaal weer te geven, zoals hieronder, zodat je beter kunt zien wat er gebeurt. Uit de shear stress en shear rate kun je ook de viscositeit berekenen. Dat is wat er in onderstaande grafiek uitgezet staat. Zoals je kunt zien, neemt de viscositeit over het gemeten gebied met een factor honderdduizend af, zowel voor mayonaise als voor ketchup. Dit gedrag wordt veroorzaakt door de microscopische structuur van de producten. Daarmee bedoelen we niet uit welke atomen en moleculen het bestaat, maar juist hoe die moleculen zich op een schaal van micrometers ordenen. Mayonaise is bijvoorbeeld niet een homogene oplossing van water en olie (want water en olie lossen niet in elkaar op), maar bestaat juist uit kleine oliedruppeltjes die verspreid liggen in het water. Dat kun je op onderstaande microscopie-afbeelding goed zien. De bolletjes zijn enkele micrometers groot, bestaan uit olie, en zijn omgeven door water.

Zoals je hieronder kunt zien, ziet ketchup er juist weer heel anders uit onder een microscoop. Ook ketchup is geen homogeen mengsel, maar bestaat uit grote korrels van enkele tientallen micrometers (zetmeel), enkele stukjes celwand en vezels, samen met wat kleinere donkere spikkeltjes (onoplosbaar materiaal) en rode stukjes (lycopeen, de kleurstof afkomstig uit tomaat) in een waterige omgeving. Ketchup is een stuk minder geconcentreerd dan mayonaise en daarom waarschijnlijk minder viskeus. Ook is duidelijk dat we hier te maken hebben met goedkope ketchup: in kwalitatief goede ketchup zit namelijk vooral tomatenpuree en geen vulstoffen.

Tot slot hebben we nog de maïzena. Hoewel we daaraan geen reologische metingen hebben (kunnen) verrichten, konden we het wel onder een microscoop bekijken. Daarop is te zien dat het bestaat uit zetmeelkorrels van zo’n 10–20 µm.

De vraag is nu natuurlijk: hoe veroorzaakt een bepaalde microscopische structuur een specifieke reologie? Op die vraag is geen algemeen geldend antwoord te geven, want dat is afhankelijk van een groot aantal factoren: de vorm en afmetingen van de deeltjes, de concentratie ervan, de interacties tussen die deeltjes, en zo voort. De oliedruppeltjes uit de mayonaise zijn bijvoorbeeld in hoge concentratie aanwezig, maar de zetmeelkorrels in maïzena ook. Toch vertoont maïzena shear thickening en mayonaise shear thinning. Dat kan een aantal oorzaken hebben: het zou bijvoorbeeld zo kunnen zijn dat de oliedruppeltjes gemakkelijk vervormen. Als de vloeistof gaat stromen, zouden ze een beetje kunnen ‘uitrekken’ zodat het water er gemakkelijker langs kan stromen. Maïzena bestaat uit harde korrels, dus daarbij kan dat niet.

Reologie is van groot praktisch belang om ervoor te zorgen dat allerlei producten op de juiste manier (al dan niet) stromen, en door de microscopische structuur van producten te veranderen, kunnen de reologische eigenschappen naar wens worden aangepast. Reologie is zeer geschikt als onderwerp voor je profielwerkstuk. Als jij zelf van plan bent om je profielwerkstuk hierover te houden, zoek dan vooral contact met een universiteit. Niet alleen kun je dan mooie experimenten doen, maar je ziet ook nog eens hoe het eraan toegaat op een échte onderzoeksgroep.

Wil je meer ideeën voor je profielwerkstuk? We hebben er een hele pagina over.

Met dank aan Dzina Kleshchanok voor de metingen en Hans Tromp voor info over ketchup.