Leckeres Eis: ein Grenzflächenphänomen

  • 16. August 2013

Eine feine Balance zwischen Grenzflächenenergien und Aggregatzuständen charakterisiert ein banales Vanilleeis.

Im Sommer kommt an einem cremigen Eis fast niemand vorbei. Der Blick ins Eis zeigt allerdings ein äußerst kompliziertes Gebilde aus gasförmigen, flüssigen und festen Bestandteilen, die von einer Vielzahl von Grenzflächen separiert sind. Die Balance zwischen Grenzflächenenergien und Aggregatzuständen lassen erahnen, wie komplex die Struktur eines banalen Vanilleeises tatsächlich ist.

Für die Eisherstellung benötigt man zwei Eigelbe, 200 ml Vollmilch, 50 ml Sahne, 20 g Kristall- und 20 ml Invertzucker sowie Vanille. Die Eigelbe werden mit Zucker aufgeschlagen, dann Milch, Sahne, Invertzucker und Vanille hinzugegeben. Diese Mischung wird jetzt unter ständigem Rühren auf etwa 72 °C erwärmt, bis die Masse leicht andickt. Diese charakteristische Viskositätszunahme wird „zur Rose abziehen“ genannt, denn wenn man die dickliche Milch-Eigelb-Masse auf dem Kochlöffel anpustet, bildet sich ein charakteristisches, rosenblätteriges Muster. Zu diesem Zeitpunkt muss die Masse vom Herd gezogen und in die Eismaschine verfrachtet werden. Unter Kühlen und Rühren ergibt sich nach kurzer Zeit ein schmackhaftes Vanilleeis. Physikalisch relevant sind also Wasser, Fett, Proteine, Lecithin aus dem Ei, Zucker und die Lactose aus der Milch.

Die Eisgrundmasse ist zunächst eine einfache Emulsion. Das Fett aus Eigelb, Milch und Sahne ist in kleinen Tröpfchen im Wasser (Molke) verteilt. Beim Erwärmen denaturieren Proteine des Eigelbs (Livetine) und Molkenproteine der Milchprodukte zu langen Molekülfäden. Die Viskosität nimmt zu, und die Beweglichkeit der Wassermoleküle wird stark eingeschränkt. Auch binden die verschiedenen Zucker Wassermoleküle in Hydrathüllen. Dies ist erwünscht, denn durch die molekulare Bewegungseinschränkung wachsen Kristalle beim Gefrieren nur langsam, und die Eiskristalle bleiben klein. Unterstützt wird die geringe Kristallgröße durch das Gefrieren unter Rühren in der Eismaschine, weil die Scherung das Wachstum stört. Gleichzeitig wird durch das Rühren Luft in die Emulsion eingeschlagen. Es entstehen weitere Grenzflächen, die mit den Wasser-Fett-Grenzflächen thermodynamisch konkurrieren, und durch die Proteine und Lecithine (Phospolipide) aus Eigelb und Milch stabilisiert werden.

Beim Abkühlen kristallisiert aber auch ein Teil des Milchfetts. Die sphärischen Fettkristalle legen sich um die großen Luftblasen und bilden eine feststoffstabilisierte Pickering-Emulsion. Im Eis treffen also Luftblasen, Wasser, sowohl gefroren als auch flüssig, und teilkristalline Fette aufeinander.

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Abb. Struktur im Eis. Luftblasen sind von partiellen Fetttröpfchen umgeben. Wasser- und eventuell Zuckerkristalle müssen klein und unregelmäßig bleiben. Proteine sind nicht dargestellt (Grafik: Th. Vilgis).

Sensorisch wirken beim Genuss Phasen und Grenzflächen zusammen. Kleine Kristalle schmelzen auf der Zunge rasch, das Eis wirkt dadurch cremig. Begleitet vom Schmelzen der Wasser- und Fettkristalle im Temperaturbereich zwischen 0 °C und 37 °C und dem gleichzeitigen Lösen der verbliebenen (Milch)zuckerkristalle werden Aromen und Geschmacksstoffe freigegeben.

Dieser Beitrag ist in der neuen Ausgabe von Physik in unserer Zeit erschienen.

Thomas Vilgis, MPI für Polymerforschung, Mainz

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