Aufrollen von Nudeln in kochendem Wasser aufgrund der auf die Oberfläche aufgetragenen Textur
Physiker haben gelernt, die Form der fertigen Teigwaren durch Extrudieren von Rillen auf die Oberfläche eines flachen Rohprodukts zu programmieren, und haben theoretisch den Mechanismus der Umwandlung solcher Teigwaren in Wasser beschrieben. Die Ergebnisse von Experimenten und Computersimulationen können in der Lebensmittelindustrie helfen: Formen ermöglichen eine Vielzahl von Formen, und durch flach gehaltene Produkte werden etwa 60-90 Prozent des Volumens der üblicherweise mit Luft gefüllten Verpackungen eingespart. Der Artikel wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Kunststoff, der heute in Lebensmittelverpackungen verwendet wird, macht einen erheblichen Teil des Deponieabfalls aus (in den Vereinigten Staaten ist er beispielsweise die Hauptabfallquelle). In diesem Zusammenhang ist es wichtig, die Lagerung von Lebensmitteln zu optimieren – insbesondere das Verpackungsvolumen sinnvoll zu nutzen, ohne unnötigen Kunststoff zu produzieren.
Ein Lebensmittel, das einer solchen Optimierung bedarf, ist die Massenform der Pasta: Die Verpackung dieser Produkte ist in der Regel mehr als zur Hälfte mit Luft gefüllt, und die dreidimensionale Pasta selbst wird im Vergleich zu flachen Formen brüchiger und mehr bricht oft während des Transports.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Produkte so zu „programmieren“, dass die Nudeln während der Lagerung flach bleiben und beim Kochen spontan die gewünschte Form annehmen. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen – beispielsweise verwendeten Physiker 2017 dafür zwei Lagen Gelatine, die unterschiedlich schnell Feuchtigkeit aufnahm und die Paste zwangsweise in eine durch die Lage zusätzlich aufgebrachter Zellulosestreifen bestimmte Form biegen ließ.
Bis vor kurzem wurden solche Studien jedoch in der Regel empirisch durchgeführt und lieferten keine quantitativen Modelle (die zur Gestaltung der Produktform benötigt werden) und waren auch auf eine kleine Menge einfacher Formen beschränkt.
Physiker aus China, Singapur und den USA unter der Leitung von Wen Wang, Lining Yao von der Carnegie Mellon University und Teng Zhang von der Syracuse University haben einen anderen Weg überlegt, um eine spontane Verformung der Paste zu erreichen - anstatt mehrschichtige Produkte herzustellen, entwickelten die Autoren a Textur aus kleinen Rillen auf einer Seite ihrer Oberfläche.
Für Experimente stellten Wissenschaftler Teig aus Grießmehl her und formten daraus zentimetergroße und zwei Millimeter dicke flache Proben. Danach pressten die Forscher (sowohl automatisch als auch manuell) in diese Muster vorgefertigte Formen auf einem 3D-Drucker, um kleine (etwa einen Millimeter tief und breit) Rillen auf der Oberfläche der Produkte zu erzeugen. Danach wurden die Proben 20 Minuten im Freien gelagert, um einen stabilen Ablauf der Experimente zu gewährleisten.
Beim Eintauchen in Wasser krümmte sich die Paste allmählich mit der flachen Seite nach außen, da aufgrund der Rillen die Diffusion in verschiedenen Bereichen der Produkte unterschiedlich schnell ablief und diese ungleichmäßig aufquollen. Die Anordnung der Rillen in einem Winkel zueinander und zu den Kanten der Probe ermöglichte es, die endgültige Form der Paste einzustellen.
Um die Mechanismen und Muster, die die Krümmung der Paste begleiten, genauer zu untersuchen, verwendeten die Physiker auch flache Streifen aus Polydimethylsiloxan (PDMS) mit einer Länge und Breite von mehreren zehn Zentimetern. Die Eigenschaften dieses Polymers sind gut untersucht, was eine numerische Simulation des Diffusionsprozesses ermöglichte, und die Textur auf der Oberfläche eines solchen Materials kann mit größerer Genauigkeit als bei Lebensmittelteig kontrolliert werden - dank dessen konnten Wissenschaftler die Abhängigkeit von die Krümmung der Proben von den Parametern der Rillen auf ihren Oberflächen.
Ergebnisse von Simulationen (links) und Experimenten (rechts) zur Zubereitung von Teigwaren für verschiedene Formen. Skalensegment - 1 Zentimeter
Ergebnisse von Simulationen (links) und Experimenten (rechts) zur Zubereitung von Teigwaren für verschiedene Formen. Skalensegment - 1 Zentimeter
Als Ergebnis gelang es den Autoren, der Paste und dem PDMS etwa ein Dutzend verschiedene Formen zu geben, einschließlich Formen mit einer Gaußschen Krümmung ungleich null. Es stellte sich heraus, dass es etwa Hunderte von Sekunden dauert, um die Zielform zu erreichen (in Experimenten mit Paste - von drei bis dreizehn Minuten), die Krümmung des Produkts ist umgekehrt proportional zur Aufbringungsdauer der Rillen (d die Breite einer Kavität und der Abstand zwischen benachbarten Kavitäten) und bei Spiralformen nimmt der Abstand zwischen benachbarten Windungen mit abnehmendem Winkel zwischen Rillenstreifen und der Längsgrenze der Probe zu. Darüber hinaus sparen die in der Arbeit vorgestellten Texturen laut Wissenschaftlern 59 bis 86 Prozent des Volumens von Lebensmittelverpackungen ein.
Formänderung von PDMS-Proben im Laufe der Zeit. Maßstabslinien - 1 Zentimeter
Die Autoren stellen fest, dass die Vorhersagen von Computersimulationen qualitativ mit den Ergebnissen realer Experimente übereinstimmten, was für die weitere Gestaltung von Teigwarenformen in der Lebensmittelindustrie nützlich sein kann; genaue numerische Modelle erfordern jedoch eine gründlichere Analyse der Eigenschaften des Lebensmittelmaterials - insbesondere Viskoplastizität, Poroelastizität und Viskoelastizität.
In letzter Zeit ist dies nicht das erste Mal, dass Pasta die Aufmerksamkeit von Physikern auf sich zieht.
