Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 11/2017, 07.11.2017

Stabile Schäume sind keine Träume

ETH-Forscher sind dem Geheimnis von stabilen Schäumen auf den Grund gegangen. In Rahmen einer Forschungsarbeit haben sich die Wissenschaftler Nahrungsmittelschäume genauer angesehen. Ihre Erkenntnisse könnten Bierschaum und Glaces haltbarer machen – und Beton revolutionieren.

Autor: Peter Rüegg Wissenschaftlicher Redaktor, Hochschulkommunikation ETH Zürich

Bilder: Fotolia, Gruppe Jan Vermant/eth zürich

Mitte September eröffneten die Münchner auf der Theresienwiese wieder das Oktoberfest. Mehr als zwei Wochen floss das Bier in Strömen. Der Gerstensaft erzeugt jedoch nicht nur ein kollektives Delirium, sondern verzückt wegen seines prächtigen Schaums auch Materialwissenschaftler.

Ein guter Bierschaum ist ein Zeichen für die Qualität und die Frische eines Biers. Eine typische Schaumkrone ist 1,5 Zentimeter dick und besteht aus 1,5 Millionen Bläschen. Idealerweise bleibt sie stabil, doch meist verschmelzen die Bläschen bald miteinander oder sie platzen und der Schaum fällt in sich zusammen. Dieses Verhalten ist typisch für alle Arten von Schäumen, seien dies nun Nahrungsmittel oder moderne Industriematerialien. Einer dieser Vorgänge, der Schaum instabil macht, ist besonders schwierig zu stoppen. Ostwald-Reifung nennen Fachleute diesen Prozess, den der deutsche Chemiker und Nobelpreisträger von 1909, Wilhelm Ostwald, schon vor über 100 Jahren beschrieben hatte. Dabei werden grosse Bläschen noch grösser und kleine schrumpfen und verschwinden.

Zerfall des Schaums stoppen.

Die Ostwald-Reifung verändert die Textur von Bierschaum und anderen geschäumten Lebensmitteln und Konsumartikeln auf unerwünschte Weise und sie schwächt die Produktequalität. Schäume (und Emulsionen) zu stabilisieren, ist deshalb eine Herausforderung bei verschiedenen Anwendungen, von Pflegeprodukten bis hin zu modernen funktionalen Materialien. Oberflächenstabilisatoren wie bestimmte Proteine im Bier können die Reifung des Schaums aber verlangsamen, indem sie die Oberflächenspannung senken. Verhindern können Stabilisatoren die Ostwald-Reifung allerdings nicht. Hat diese eingesetzt, lässt sie sich nicht mehr stoppen.

Jan Vermant, Professor für weiche Materialien der ETH Zürich, und seine Gruppe haben nun für dieses Schaumproblem eine neue wissenschaftliche Grundlage erarbeitet. Unlängst berichteten sie darüber in der Fachzeitschrift PNAS. Es ist den Wissenschaftlern zum ersten Mal gelungen, die Stabilisierung von Schaumbläschen quantitativ zu erfassen und allgemeingültige Prinzipien zu formulieren. «Diese Prinzipien werden der Lebensmittel- und Materialindustrie helfen, gezielt Stabilisatoren zu entwickeln, welche der Ostwald-Reifung vorbeugen oder sie gar stoppen», sagt Vermant.

Netz von Partikeln stabilisiert Blase.

In ihrer Studie zeigen die ETH-Materialforscher auf, wie bestimmte Partikel als Schaumstabilisatoren wirken und kleine Bläschen vor dem Schrumpfen schützen. Zu Testzwecken verwendeten die Wissenschaftler mikrometergrosse Polymerteilchen sowie Partikel von reiskornartiger Form. Die beiden unterschiedlichen Teilchen bilden eine unregelmässige Netzstruktur an der Bläschenoberfläche. In einer speziellen Mikrofluidik-Anordnung testeten die Forscher, ob dieses Netzwerk die Bläschen genügend stützt. Darin konnten sie einzelne Bläschen gezielt mit einer kontrollierten Menge dieser Stabilisatoren beschichten und danach in einer Mini-Druckkammer stufenweise steigenden Druckverhältnissen aussetzten. Die Wissenschaftler simulierten damit Ostwald-Reifung. «Dadurch konnten wir genau festhalten, bei welchem Druck ein Bläschen zu schrumpfen beginnt und schliesslich kollabiert», sagt Peter Beltramo, Postdoktorand bei Vermant. Dank ihrer speziellen Versuchsanordnung konnten die Forschenden nicht nur Einzelbläschen untersuchen. Sie waren in der Lage auch die Zahl der Partikel, die ein Bläschen umgeben, zu variieren und dann die Anzahl der Partikel mit den mechanischen Eigenschaften des Bläschens in Bezug zusetzen. Es zeigte sich, dass teilweise bedeckte Bläschen genauso stabil sein können wie solche, die vollkommen mit Partikeln bedeckt sind. Damit lässt sich die benötigte Menge eines Stabilisators genau vorhersagen. «Dank unseren Erkenntnissen lassen sich viel Material und damit Kosten einsparen», betont Beltramo. Weiter stellten die Forscher fest, dass ein beschichtetes Bläschen einem viel höheren Druck standhält als ein unbeschichtetes.

Universell gültig.

Die gewonnenen Erkenntnisse seien über Schäume hinaus universell gültig für alle Materialien mit gros­sen Oberflächen oder Anwendungen, in denen Oberflächen eine wichtige Rolle spielten, sagt Vermant. Unter anderem gelte das Prinzip auch für die Lunge oder das Auge, das durch einen Tränenfilm geschützt sei. «Diese dünnen Filme sind sehr stabil von der Natur entwickelt», sagt Vermant. Die Erkenntnisse könnten auch für die Industrie nützlich sein. Wissenschaftler könnten nun nach Stabilisatoren forschen, die schaumige Lebensmittel wie Eiscreme, Brotteig oder auch Bierschaum haltbarer machten. «Wir geben der Lebensmittelindustrie Entwicklungsrichtlinien und Quantifizierungswerkzeuge in die Hand, die sie bei der Entwicklung neuer Produkte verwenden können», erklärt der ETH-Professor. Und was für Bierschaum oder Eiscreme recht ist, ist für Beton billig. Kleine stabile Bläschen in Beton machen ihn widerstandsfähiger gegenüber Zyklen von Einfrieren und Auftauen. Zudem wird er dadurch leichter.

Anlass zu dieser Forschungsarbeit gaben Nahrungsmittelschäume. «Über Eiscreme und stabilen Bierschaum nachzudenken kann also zu neuen besseren Materialien führen – Prost!», freut sich Vermant.

Der Artikel ist in den ETHZ News erschienen (17.09.2017).




Ein Stabilisator bildet auf einer Luftblase eine netzartige Struktur und stütz sie dadurch.


Die Partikel stabilisieren die Blase auch unter Druck.


Die Mikrofluidikanordnung mit der die Forscher einzelne Bläschen gezielt beschichteten