Levensmiddelen ontwerpen

AMOLF&Unilever

Alledaagse producten moeten lekker smaken, gezond zijn, goed houdbaar, betaalbaar en duurzaam geproduceerd. Vaak zijn die eisen tegenstrijdig. Onderzoekers uit wetenschap en industrie proberen nieuwe oplossingen af te kijken van de natuur.

Tekst: Marion de Boo, beeld: Nout Steenkamp

'Mijn collega is er niet, die is uit vissen bij Antarctica’, zegt Giulia Giubertoni. De Italiaanse promovenda werkt sinds drie jaar bij AMOLF, het Amsterdamse NWO-instituut voor fundamenteel onderzoek aan complexe materie en functionele
materialen. Ze zoekt een antwoord op de vraag hoe het komt dat sommige vissoorten in de ijskoude Antarctische wateren kunnen overleven bij temperaturen onder nul. Waarom bevriest hun bloed niet?

Je zou verwachten dat hun bloedvaten door scherpe ijskristallen in het bloed beschadigd raken, maar dat gebeurt niet. ‘We zijn een anti-vrieseiwit op het spoor dat zich aan de ijskristallen hecht’, vertelt Giubertoni. ‘We proberen nu de precieze molecuulstructuur en het werkingsmechanisme te ontrafelen. Het is niet zo'n groot molecuul; misschien valt het straks synthetisch te maken.’

De natuur heeft alle antwoorden

Je zou zo’n principe kunnen toepassen om diepvriesproducten zoals ijs zacht en smeuïg te houden. Maar ook bijvoorbeeld om donororganen op ijs beter tegen koudeschade te beschermen tijdens het transport van donor naar ontvanger. ‘In ons lab putten wij veel inspiratie uit natuurlijke processen. De natuur heeft alle antwoorden!’ zegt Giubertoni stralend.

Smeuïg

Sinds 2015 werken AMOLF, de Universiteit van Amsterdam en Wageningen University & Research samen met Unilever Research & Development in het vijfjarige Industrial Partnership Programme Hybrid Soft Materials. Er werken zeventien senioronderzoekers en zestien promovendi en postdocs aan mee. Omdat het programma nu halverwege is, organiseerden NWO, AMOLF en Unilever in november een Soft Matter Biomimetics Symposium, met internationale sprekers over tot de verbeelding sprekende onderwerpen als ‘deeltjes met gekkobenen’ en ‘proteïnestructuren in een ijsje’.

‘We willen mechanismen in levende systemen zo goed leren begrijpen, dat je er ontwerpprincipes aan kunt ontlenen voor consumentenproducten’, vertelt programmaleider Gijsje Koenderink. Zij is biofysicus, groepsleider biologische zachte materie bij AMOLF en bijzonder hoogleraar aan de Vrije Universiteit Amsterdam. ‘We staan voor een flinke uitdaging, omdat consumentenproducten aan veel, vaak tegenstrijdige eisen moeten voldoen. Ze moeten goed smaken, goed verwerkbaar zijn in de keuken, een goede houdbaarheid hebben, enzovoort. Het mooie is dat zulke conflicten in de natuur vaak al zijn opgelost. Onze lichaamscellen en -weefsels moeten bijvoorbeeld flexibel zijn en goed water kunnen vasthouden, maar ook stevig, zodat ze de mechanische spanning kunnen weerstaan als we ons lichaam bewegen. Je ziet vaak dat de natuur aan tegenstrijdige eisen kan voldoen door zachte en harde materialen te combineren. Neem bijvoorbeeld die magische formule van harde mineralen en zachtere eiwitten die onze botten zo goed laten functioneren, of kijk naar de veerkracht van kraakbeen.’

AMOLF en Unilever werken al bijna twintig jaar met elkaar samen. Net als moeder natuur loopt ook de levensmiddelenfabrikant vaak tegen tegenstrijdige eisen aan. Zoals de vraag hoe je mayonaise of ijs minder vet kunt maken met behoud van smaak, smeuïgheid en houdbaarheid. ‘Voor onze studenten is het heel inspirerend om fundamentele onderzoeksmethoden los te laten op maatschappelijke vragen,’ zegt Koenderink. ‘Het programma is zeer succesvol. We hebben er de afgelopen drie jaar al meer dan tien wetenschappelijke publicaties uit gehaald en we zijn pas halverwege.’

Duurzame ingrediënten

‘Samenwerking is cruciaal’, bevestigt biofysisch chemicus John van Duynhoven, onderzoeker bij Unilever. Hij is expert in microstructurele analyse en bijzonder hoogleraar in Wageningen. ‘Het gaat niet alleen om heel specialistische kennis, maar ook om peperdure apparatuur om chemische processen op moleculair niveau te analyseren. Unilever heeft altijd heel veel geïnvesteerd in analytische chemie. Maar gezien de escalerende kosten van de meest geavanceerde apparatuur kan zelfs een bedrijf als het onze die onmogelijk meer allemaal zelf aanschaffen. Stel dat je een duur apparaat koopt en na een jaar constateer je dat de metingen je toch niet verder helpen, dan staat het daar in een hoek. Bovendien zijn er allerlei gespecialiseerde technici nodig om zo’n apparaat in te stellen en te onderhouden. Dat is voor ons ook een reden om voor pre-competitief onderzoek samenwerking te zoeken in wat wij een ecosysteem noemen van bedrijven, instituten en universiteiten. Zo hopen we samen te komen tot productontwerpregels.’

Aan geavanceerde apparaten heeft AMOLF geen gebrek. Zo bestudeert promovenda Giulia Giubertoni de werking van haar anti-vrieseiwit met behulp van ultrasnelle laserspectrometrie. Met deze meetmethode kun je moleculaire processen meten, zoals het binden van watermoleculen aan biomoleculen. De nieuwste laserspectrometer van AMOLF vult een hele kamer en heeft wel wat weg van een kolossale flipperkast. Een laser stuurt razendsnelle pulsjes (in een tempo van 10-15 seconde) door een optisch circuit van tientallen zeer secuur afgestelde spiegels. Onderweg wordt het licht omgezet van zichtbaar naar infrarood, en men laat het door het te onderzoeken monster schijnen.

Unilever staat voor de uitdaging om veel productformuleringen te herzien. ‘Minder verzadigd vet, minder suiker, minder zout’, vat Van Duynhoven samen. ‘Liefst ook met duurzame ingrediënten. Maar tegelijkertijd wil de consument graag dat alles net zo blijft smaken als vroeger en ook niet duurder wordt. Dat maakt het lastig.’

Ultrasnel

Zo kunnen onderzoekers niet alleen de structuur van moleculen bepalen, maar ook moleculaire processen in werking zien. Zoals de werking van hyaluronzuur, dat van nature in het menselijk lichaam voorkomt en sterk in de belangstelling staat omdat het belangrijk is voor onze gezondheid.

‘Deze stof vind je ook in de naakte molrat’, zegt Giulia Giubertoni. ‘Een gewone rat of muis wordt hooguit twee of drie  jaar oud, de naakte molrat kan wel dertig jaar oud worden zonder kanker te krijgen. Hyaluronzuren in het lichaam van de naakte molrat hechten zich aan kankercellen en houden die in een vroeg stadium tegen.’ Hyaluronzuur wordt nu al toegepast in consumentenproducten. Mogelijk zijn er ook andere veelbelovende toepassingen denkbaar.

Mayonaise

Namens Unilever coördineert fysisch chemicus Simeon Stoyanov het onderzoek in het partnershipprogramma. Hij is naast zijn werk bij Unilever bijzonder hoogleraar in Wageningen en gespecialiseerd in levensmiddelenfysica en oppervlakteeiwitten. Voor allerlei consumentenproducten,
zowel voedingsmiddelen als cosmetica, geldt dat ze een bepaalde structuur moeten hebben om functioneel te zijn, vertelt Stoyanov. ‘Neem bijvoorbeeld een product als mayonaise. De consument verwacht dat je die uit de pot kunt lepelen. De mayonaise dankt zowel zijn stevigheid als zijn smaak aan de oliedruppeltjes die dicht tegen elkaar aan in een waterige emulsie zitten.

Uit een ei kun je een heel leven creëren

Het ontwikkelen van een low-fat mayonaise is dan ook een hele uitdaging. Je moet het vet door een gelijkwaardige component vervangen, anders krijg je een saus die onvoldoende stevig is om te lepelen of die na enige tijd bewaren water begint af te scheiden.’ Het onderzoek dat AMOLF en Unilever samen uitvoeren heeft reeds belangrijke nieuwe inzichten opgeleverd in de eigenschappen van zeer kleine druppeltjes op de grens van olie en water.

Stoyanov: ‘Om een betere, stabielere emulsie te maken heb je kleinere druppeltjes nodig, want hoe kleiner de druppels, hoe groter het oppervlak. Met ultrasnelle meettechnieken kunnen we het gedrag van die druppeltjes beter leren kennen.’ Levensmiddelen laten zich nog niet rationeel ontwerpen, zegt Stoyanov: ‘Een civiel ingenieur kan op zijn computer een brug ontwerpen en die precies zo bouwen. In de levensmiddelentechnologie heb je nog heel veel trial and error. Zelfs als ze maar weinig ingrediënten bevatten, zijn levensmiddelen zeer complex.

Mayonaise bestaat uit een mengsel (een 'dispersie') van olie in water, dat je stabiliseert met behulp van eidooier. Dat klinkt simpel, maar eidooier is intrinsiek enorm complex en bevat heel veel verschillende eiwitten, lipiden en suikers. Uit een ei kun je een heel leven creëren. We moeten nog heel veel metingen doen, tot op moleculair niveau, om de complexiteit van onze producten beter te leren begrijpen en rationeel te kunnen ontwerpen.

Download