27.04.2022 – Kategorie: Konstruktion & Engineering

Mundgefühl: Mit Topologie-Optimierung und 3D-Druck zur perfekten Schokolade

Mundgefühl optimieren mit 3D-Druck und SimulationQuelle: UvA Institute of Physics

Die neuen Forschungsergebnisse eröffnen die Möglichkeit, Lebensmittel so zu gestalten, dass nicht nur der Geschmack, sondern auch das Mundgefühl stimmt.

  • Der Geschmack von Lebensmitteln ist für den Genuss wichtig, aber das gilt auch für das Mundgefühl und sogar das Geräusch, das ein Lebensmittel macht, wenn wir hineinbeißen.
  • Ist es möglich, essbare Materialien zu entwickeln, die dieses Vergnügen optimieren?
  • Physiker und Lebensmittelforscher zeigen, dass dies möglich ist.

In einer Arbeit, die in der Zeitschrift Soft Matter erschienen ist, zeigen Forschende der Universität Amsterdam, der Universität Delft und vom Lebensmittelhersteller Unilever, dass sich das Mundgefühl einer essbaren Substanz genauso gestalten lässt wie die Eigenschaften vieler anderer Materialien. Das heißt: Sie schaffen Metamaterialien, also Materialien, die in der Natur nicht vorkommen, sondern mit Sorgfalt im Labor entstehen. Ihr Baumaterial der Wahl ist nicht Holz, Beton oder Glas — sie bauen ihre Materialien aus Schokolade.

Mundgefühl optimieren

Sowohl Profi- als auch Hobbybäcker wissen sehr gut, dass Schokolade kein einfaches Material ist, mit dem man arbeiten kann. Durch einfaches Erhitzen und Abkühlen kann sich weiche Schokolade in viel sprödere, temperierte Schokolade verwandeln oder umgekehrt. Daher bestand die erste Herausforderung für die Forscher darin, ihr Baumaterial in den Griff zu bekommen. Dies gelang ihnen, indem sie die Schokolade sehr vorsichtig erhitzten, etwas kalte Schokolade hinzufügten, sie wieder abkühlten … und sie dann in einen 3D-Drucker gaben. Auf diese Weise konnten sie praktisch jede beliebige Form des Schokoladenmaterials drucken. Gleichzeitig konnten sie sicherstellen, dass das Grundmaterial immer die gleichen Eigenschaften hatte.

Die erste Form des essbaren Materials, mit der die Wissenschaftler experimentierten, war eine S-förmige Schokoladenstruktur mit vielen Windungen, wie im Bild oben zu sehen. Ziel war es, zu testen, wie dieses Material brechen würde und wie dieses Brechen im Mund wahrgenommen würde. Es überrascht nicht, dass die Brucheigenschaften stark von der Bissrichtung abhingen. Wenn man die Schokolade von oben drückte, traten viele verschiedene Risse nacheinander auf, aber wenn man sie in der Richtung senkrecht zum Bild drückte, trat meist nur ein einziger Riss auf. Dies hat man mechanisch getestet, wie in der Abbildung links, aber auch, indem eine Gruppe von zehn Testpersonen die Pralinen verzehrte. Sowohl die mechanischen Tests als auch das Testpanel bestätigten außerdem, dass die Bissfestigkeit in der im Bild gezeigten Richtung besser war.

Je mehr Risse, desto besser

Die meisten Menschen genießen das Erlebnis, wenn Lebensmittel im Mund knistern – je mehr Knackgeräusche, desto besser. Nachdem die Forscher gezeigt hatten, dass sich ein solches Mundgefühl gestalten lässt, probierten sie nun verschiedene Strukturen aus und suchten nach einer Struktur, bei der die Anzahl der Risse in das Material „einprogrammiert“ werden kann.

Bildquelle: UvA IoP

Es stellte sich heraus, dass spiralförmige Schokoladen-Metamaterialien wie die oben gezeigten recht interessante und abstimmbare Eigenschaften haben. Die Anzahl der Windungen steuert nicht nur direkt die Anzahl der Risse, wenn das Material mechanisch gepresst wird; die Testgruppe konnte auch beim Verzehr der Pralinen deutlich zwischen weniger und mehr Rissen unterscheiden. Darüber hinaus zeigten Tonaufnahmen, dass das Geräusch, das die Pralinen beim Zerbeißen machen, die Anzahl der Risse widerspiegelt. Das trägt zu einem angenehmen Esserlebnis bei.

Das perfekte Stück Schokolade

Die letzte Frage lautete natürlich: Ist die Gestaltung eines angenehmen Essens eine Frage von Versuch und Irrtum, oder lassen sich schöne essbare Materialien tatsächlich vor ihrer Herstellung entwerfen und fein abstimmen? Die Forscher fanden heraus, dass sie mit einem gut gewählten mathematischen Modell tatsächlich bestimmte Formen von Pralinen optimieren können, zum Beispiel im Hinblick auf ihre Bruchfestigkeit, wenn sie aus bestimmten Richtungen gebissen werden. Einige der daraus resultierenden optimalen Formen (für verschiedene Bissstärken) sind unten zu sehen.

Bildquelle: UvA IoP

Das Design von essbaren Metamaterialien wurde bisher noch nicht untersucht. Die neuen Forschungsergebnisse eröffnen die Möglichkeit, Lebensmittel so zu gestalten, dass man sie gerne isst. Darüber hinaus lassen sich Materialien entwerfen, die die Interaktion zwischen Mensch und Materie optimieren.

Studie: https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/SM/D1SM01761F

Weitere Informationen: https://iop.uva.nl/

Erfahren Sie hier mehr über Druckluft für die Schokolade-Produktion.

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