Einleitung
Der Geschmack ist nur einer von vielen Faktoren, die für den Verbraucher beim Verzehr von Ketchup und ähnlichen Saucen wichtig sind. Neben scharfen oder süßen Geschmacksrichtungen werden – wenn auch unbewusst – auch die rheologischen Eigenschaften des Produkts berücksichtigt. Muss ich die Kunststoffflasche fest zusammendrücken (oder auf die Glasflasche schlagen), damit die Soße fließt? Oder läuft die Soße schon aus, bevor ich Druck auf die Flasche ausübe, und somit ein rotes Chaos auf meinem Teller hinterlasse? Bleibt der Flaschenhals nach dem Herausdrücken sauber? Verteilt sich die Soße auf meinem Teller nur dort, wo ich sie haben möchte, ohne sich überall zu verteilen? Kommt es zu unappetitlichen Phasentrennungen?
All diese Fragen lassen sich mit rheologischen Untersuchungen beantworten. Hier soll das Fließverhalten von Ketchup von der Flasche auf den Teller beschrieben werden.
Die Abhängigkeit des Fließens von der Scherrate
Ein Beispiel für eine Scherviskositätskurve, gemessen an handelsüblichem Ketchup, ist in Abbildung 1 dargestellt. Ketchup weist ein scherverdünnendes Verhalten auf, d.h. die Scherviskosität nimmt mit steigender Scherrate ab. Je höher die Prozessgeschwindigkeit, desto geringer ist der Fließwiderstand.
Wie lässt sich die Scherrate eines Prozesses berechnen?
Bei der Ketchupflasche hängt sie von der Gesamtgröße und dem Volumenstrom:
Ausgehend von einem Flaschenhalsradius von 3 mm und einem Volumenstrom von 5 ml/s ergibt sich aus obiger Gleichung für Ketchup eine Scherrate von 236 s-1. Bei dieser Scherrate beträgt die Scherviskosität ca. 400 mPa·s (siehe Abbildung 1). Je geringer dieser Wert ist, desto geringer ist auch der Widerstand des Ketchups beim Pressen aus der Flasche. Die Verwendung einer Flasche mit einem größeren Flaschenhals verringert die Scherrate und somit den Fließwiderstand.
Ketchup benötigt eine externe Druckbelastung, um zu fließen: Die Fließgrenze
Da die Viskosität bei Scherraten nahe Null kontinuierlich ansteigt (Abbildung 1), fließt Ketchup im Ruhezustand nicht. Es besitzt eine festkörperähnliche Struktur, die durch die Fließgrenze quantifiziert werden kann. Die Fließgrenze ist die für das Fließen benötigte Schubspannung. Eine Messmethode besteht darin, eine Schubspannungsrampe auf das Material anzuwenden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Bei niedrigen Schubspannungen steigt die resultierende Kurve der momentanen Viskosität an, da die Probenstruktur gedehnt wird. Das Maximum der Kurve bei 15 Pa entspricht der Fließgrenze. Jede höhere Schubsannung, die auf Ketchup ausgeübt wird, führt zum Zusammenbruch der Struktur und somit zum Fließen. Weitere Informationen zur Fließgrenze können der Application Note 250 entnommen werden.
Verläuft Ketchup dann weiter auf dem Teller?
Eine weitere wichtige Eigenschaft von Ketchup ist die Fähigkeit der Struktur, sich nach dem Fließen wieder zu erholen. Eine schnelle Erholung ist Voraussetzung, um ein ungewolltes Verlaufen der Sauce auf dem Teller zu vermeiden. Ein ThixotropieBei den meisten Flüssigkeiten ist die Scherverdünnung reversible, und die Flüssigkeiten erhalten ihre ursprüngliche Viskosität, wenn die Scherkraft aufgehoben wird. Ist dieser Relaxationsprozess ausreichend zeitabhängig, wird die Flüssigkeit als thixotrop angesehen.Thixotropie-Test quantifiziert die Zeit, die benötigt wird, um die Struktur nach dem Fließen wiederherzustellen. Sie kann mit einem dreistufigen Schertest, wie in Abbildung 3 dargestellt, gemessen werden:
- Phase 1 (im Ruhezustand): Messung der Scherviskosität bei geringer Scherrate (0.1 s-1), bis die Scherviskosität stabil ist.
- Phase 2 (unter Scherung): Anwendung einer höheren Scherrate, um einen Zusammenbruch der Probenstruktur zu initiieren. Zum Beispiel ordnen sich in einer Suspension unter laminarer Strömung die Partikel zu Bahnen. Dies führt zu einer Abnahme der Scherviskosität.
- Phase 3 (Erholung): Es wird die gleiche Scherrate wie in Phase 1 angewandt. Hier wird die Zeit bestimmt, die die Scherviskosität benötigt, um wieder das in Phase 1 beobachtete Niveau zu erreichen.
Solch ein Thixotropie-Test wurde an Ketchup auch in der Praxis durchgeführt (Abbildung 4). Das Verhalten der Scherviskosität zu Beginn der dritten Phase zeigt an, ob und wie schnell sich das Produkt von der in der zweiten Phase aufgebrachten Scherkraft erholt. In unserem Fall deutet der schnelle Anstieg der Scherviskosität auf eine schnelle Erholung der Struktur hin. Doch, trotz des schnellen Erreichens eines Plateaus, bleibt ein Unterschied zur ursprünglichen Scherviskosität, was bedeutet, dass sich die Struktur nicht vollständig erholt hat.
Fazit
Die Eignung von Ketchup als Würzsauce für Pommes frites hängt mit verschiedenen rheologischen Eigenschaften zusammen, die alles andere als trivial sind. Die Fließgrenze, die Thixotropie, die Scherviskosität und die Scherrate sind wesentliche Parameter, um das Produktverhalten beim Ausgießen aus der Flasche und beim Übergang von einem flüssigkeitsähnlichen (unerlässlich für das Fließen durch den Flaschenhals) zu einem festkörperähnlichen Verhalten (notwendig für die Aufrechterhaltung der Struktur auf dem Teller) zu charakterisieren.