Espresso mit Crema

Die Physik des Trinkens – Getränkerheologie

panta rhei – Alles fließt. So formulierte es bereits der griechischen Philosoph Heraklit. Und tatsächlich können neben Flüssigkeiten und Gasen auch feste Stoffe fließen. Man denke hier beispielsweise an einen leckeren Camembert oder Epoisses. Die Fließfähigkeit, deren Maß die Fluidität bzw. Viskosität ist, lässt sich vom Menschen am Gaumen haptisch (gefühlt) wahrnehmen. Sie zählt deshalb im Gegensatz zu Farbe, Geruch und Geschmack zur Textur eines Lebensmittels. Dass die Textur einen wichtigen Beitrag zur Gesamtwahrnehmung eines Produktes liefert, hat Torben in seinem Artikel „Zur Textur“ bereits dargestellt.

Wie aber kommt es zu dem unterschiedlichen Fließverhalten von Stoffen? Dies wird in einem Teilgebiet der Physik, der sogenannten Rheologie (Fließkunde), näher betrachtet.
Dieser Artikel soll einen kleinen Einblick in die Rheologie geben, um damit das Fließverhalten und die wahrnehmbaren Eigenschaften eines Lebensmittels anhand ein paar einfacher Beispiele besser verstehen zu können.

Was ist Rheologie?
Per Definition befasst sich die Rheologie neben dem Fließverhalten von Flüssigkeiten auch mit dem Deformationsverhalten von Festkörpern.  Dies hängt insofern zusammen, dass durch Scherkräfte verursachte Deformationen bei Festkörpern zum Fließen führen können. Wir möchten die Festkörper in diesem Bericht allerdings außen vor lassen und uns ganz dem flüssigen Vergnügen widmen.

Viskosität
Beim Fließen werden die Moleküle in einer Flüssigkeit gegeneinander verschoben. Dabei treten Reibungskräfte und zwischenmolekulare Kräfte auf, welche größtenteils für die Zähigkeit der jeweiligen Flüssigkeit verantwortlich sind. Je größer und verzweigter die in einer Flüssigkeit vorhandenen Moleküle sind, umso größer ist auch deren Viskosität.

Allgemeine chemische Struktur von Ölen

Allgemeine chemische Struktur von Ölen

Valenzstrichformel - Wasser

Valenzstrichformel – Wasser

 

 

 

 

 

 

 

 

Betrachtet man die Summenformel von Wasser und Öl, so wird dieser Zusammenhang schnell deutlich. Das sehr simpel aufgebaute Wassermolekül bietet viel weniger Angriffsfläche für Wechselwirkungen als die weit verzweigten Moleküle eines Öles. Erhöht man in einem Getränk also den Anteil an längerkettigen Molekülen, z.B. durch Zugabe von Zucker, Ei oder Sahne, so erhöht sich damit auch die Viskosität. Etwas anders verhält es sich bei steigendem Alkoholgehalt. Während die Viskosität der Wasser-Alkohol-Mischung bis ca. 45% ansteigt, sinkt sie bei höheren Alkoholgehalten wieder ab. Dieser merkwürdige Verhalten lässt sich darauf zurückführen, dass ab diesem Punkt nahezu alle Wasserstoff-Brückenbindungen (elektrostatische Bindungen) zwischen den Molekülen ausgebildet sind, und die Abstoßungskräfte der Alkylgruppen (verbundene Kohlenstoff- und Wasserstoffatome) des Alkohols die Gesamtstärke der intermolekularen Bindungen wieder schwächen.

Viskosität

Viskosität

In der obigen Animation lässt sich die unterschiedliche Zähflüssigkeit zweier Flüssigkeiten gut erkennen. In der Bar lässt sich dieses unterschiedliche Verhalten beobachten wenn man beispielsweise einen Eiswürfel in ein Glas Whisky (oben) oder Sahnelikör (unten) fallen lässt.

Viskose Phänomene in der Bar

1. Schlieren im Wein und Whisky

Wenn Wein in ein halbvolles Glas nachgeschenkt wird, so kann man für kurze Zeit Schlieren im Glas beobachten. Dies liegt daran, dass der nachgeschenkte Wein meistens eine andere Temperatur hat als der Wein im Glas. Durch unterschiedliche Temperaturen ändert sich die Viskosität von Stoffen und damit auch deren optische Dichte. Die auftreffenden Lichtstrahlen werden also verschieden gebrochen und sorgen durch die unterschiedliche Lichtführung für die Entstehung der Schlieren. Derselbe Effekt lässt sich beobachten, wenn ein anderer Wein in das bereits benutze (und noch teilweise gefüllte) Glas eingeschenkt wird. Durch die unterschiedlichen Alkohol- und Zuckerwerte der beiden Weine kommt es ebenfalls zu Viskositätsunterschieden.
Auch wenn man seinen Whisky mit Wasser verdünnt bilden sich Schlieren bzw. eine leichte Trübung. Dieser Effekt lässt sich allerdings darauf zurückführen, dass Wasser und Ethanol sich nicht direkt ineinander lösen. Erst nach einiger Zeit haben sich Wasser und Alkohol aneinander angelagert und bilden eine homogene Flüssigkeit mit einheitlichem Brechungsverhalten.

2. Kirchenfenster am Glasrand.

Viele Weintrinker schwenken ihr Glas vor der Probe und beobachten das zurückfließen der „Tränen“ am Glasrand. Dieses für den Laien oft übertriebene Verhalten ermöglicht den Weinprofis jedoch Rückschlüsse auf die Fließfähigkeit, und damit auf den zu erwartenden Geschmack. Wie bekannt ist, bildet sich während der Gärung nicht nur der erwünschte Trinkalkohol Ethanol, sondern auch sogenannte höherwertige Alkohole.  Höherwertige Alkohole haben einen längeren, verzweigteren Molekülaufbau und machen das Endprodukt viskoser. Viele dieser höherwertigen Alkohole sind jedoch unerwünscht (Fuselalkohole) und werden durch Filtration entfernt. Bei der bekannten Kohlefiltration vieler Bourbon-Whiskeys macht man es sich beispielweise zu Nutze, dass die längeren Fuselalkohle bei durchlaufen der Kohleschicht mit dieser stärker wechselwirken und deshalb langsamer durchfließen. Bei niedrigeren Temperaturen werden die längeren Alkohole außerdem schneller fest und lassen sich deshalb aus dem Produkt ausfiltern (Kühlfiltrierung).
Es gibt allerdings in der Weinproduktion auch einen gewünschten höherwertigen Alkohol – Glycerin. Dieser dreiwertige Alkohol kann in schweren Weinen bis zu 10 g/L ausmachen und hat eine bis zu 1500-mal höhere Viskosität als Wasser. Diese hohe Viskosität, und andere physikalische Kräfte, sorgen dafür, dass das Glycerin langsamer ins Glas zurückfließt als der restlichen Wein. Da Glycerin für einen vollmundigeren Geschmack sorgt, sind massive Kirchenfenster also durchaus ein Qualitätsmerkmal für üppige Weine.

Kirchenfenster im Weinglas

Kirchenfenster im Weinglas

Newton’sche Fluide – Nicht-Newtonsche Fluide in der Bar
Durch das Rühren oder Shaken von Drinks wirken nicht unerhebliche Scher-/Schubkräfte auf die verarbeiteten Flüssigkeiten. Während Flüssigkeiten bei niedrigen wie hohen Beanspruchungen normalerweise die gleiche Viskosität haben (Newton’sche Fluide), gibt es auch Fluide, deren Fließverhalten sich bei steigender Beanspruchung ändert (Nicht-Newton’sche Fluide).

1. Eiweiß am Rührstab
Ein Beispiel für ein Nicht-Newton’sches Fluid in der Bar ist Eiweiß. Wenn man mit dem Rührlöffel eine normale Flüssigkeit rührt, so steigt die Wasseroberfläche durch die Zentrifugalkraft an der Innenseite des Glases auf. Rührt man hingegen reines Eiweiß sehr schnell, so hat es die Eigenschaft den Rührlöffel hinaufzuklettern. Dies liegt daran, dass durch die auftretenden Schubbeanspruchungen innerhalb des Eiweißes Spannungen längs des Umfangs des Kreisweges entstehen.

2. Spiralen im Honig
Flüssiger Honig ist eine beliebte Mixzutat. Vielen Hobby- und Profimixern wird es bereits aufgefallen sein, dass sich Honig, wenn er auf den Barlöffel oder den Glasboden tropft dazu neigt sich zu kringeln.
Dies geschieht deshalb, weil in dem zähen Honigfaden, der mit relativ hohen Geschwindigkeiten auf eine Oberfläche trifft, hohe mechanische Spannungen durch Kompressionsdruck entstehen. Der Honig kann durch seine große Viskosität dem nachfolgenden Honigfaden einfach nicht schnell genug ausweichen und es entsteht eine Art Molekülstau. Die nachfolgenden Teilchen sind dadurch gezwungen, diesem auszuweichen und wickeln sich nach oben zu einer Spirale auf. Die folgende Abbildung zeigt diesen Effekt gut, auch wenn man es mir als Rheinländer verzeihen muss, dass ich Rübenkraut als Fotomotiv gewählt habe.

Kringel Ruebenkraut

Kringel Rübenkraut

Auswirkungen auf den Geschmack
Wie bereits erwähnt wird die Viskosität über haptische Eindrücke wahrgenommen. Diese umfassen alle Tastempfindungen der Zunge, des Rachens und der Mundhöhle und bilden somit ein ergänzendes Feld zu den anderen fünf Eindrücken der Sinnesphysiologie. Dieser Sinn ist sehr wichtig für die Gesamtwahrnehmung des Getränks, wie die zwei folgenden Beispiele belegen.

1. Glycerin im Wein
Wir haben bereits gelernt, dass ein gewisser Anteil Glyerin im Wein positive Auswirkungen auf den Geschmack hat. Neben dem leicht süßlichen Eigengeschmack des Glycerins, wirkt es deshalb positiv auf den Gesamteindruck, weil es wegen seiner hohen Viskosität länger im Mund bleibt und die Geschmacksknospen der Zunge länger benetzt. Dadurch können mehr Aromastoffe aufgenommen und diese länger wahrgenommen werden. Der Wein wirkt somit komplexer und mundfüllender. Das Glycerin auch auf unnatürliche Weise als Geschmacksverstärker genutzt werden kann, zeigt die Zugabe von künstlichem Glycerin, die bereits zu mehreren Weinskandalen führte (Grüße nach Österreich und Italien).

2. Crema (Espresso)
Jeder freut sich über eine schöne Crema auf seinem Espresso. Dieser dichte, goldbraune Schaum besteht größtenteils aus Proteinen, Ölen und Zuckerarten und bindet viele Espresso-typische Aromen. Auf Filterkaffe bildet sich keine Crema, weshalb dieser, zu Unrecht!, oft als minderwertiger angesehen wird. Dies liegt vor allem daran, dass im Kaffeefilter viele Fettkomponenten hängen bleiben. Bei der Zubereitung eines Espressos hingegen werden die Fette durch das heißte Wasser gelöst und die anschließende hohe Strömung zwischen den Kaffeepartikel führt zu einer Emulsion – Der Crema. Trinkt man nun seinen Espresso, so wird der Mundraum mit der Crema belegt und diese gibt die in ihr gelöste Geschmacks- und Duftstoffe langsam ab. An dem geschmacklichen Kontrast von Espresso mit Creme und Filterkaffee, sieht man gut, dass unterschiedliche Viskositäten eine große Auswirkung auf Länge und Qualität des Geschmacks haben. Aber auch in einem anderen Kontext ist das Fließverhalten von Espresso außerordentlich interessant, denn die gelösten Fette und Zucker erhöhen die Viskosität des Wassers um das Dreifache. Zusätzlich setzten die enthaltenen Tenside die Oberflächenspannung herab, so dass Zungen- und Gaumenoberfläche leichter benetzt werden können.

Espresso mit Crema

Espresso mit Crema

Auch wenn die genannten Beispiele nur einen sehr kleinen Einblick in die Welt der Getränkerheologie bieten, so denke ich trotzdem, dass sie gut zeigen wie sehr ein angenehmer Geschmack mit den Fließverhalten von Flüssigkeiten zusammenhängt.

Robin Stein

Robin Stein, Jahrgang 1987, ist studierter Lebensmitteltechnologe und der Jüngste im Team. Sein Weg führte ihm nach dem Abitur 2006 über ein viermonatiges Praktikum in Pusser's New York Bar in München nach Bergisch-Gladbach, wo er eine Ausbildung als Hotelfachmann im Schlosshotel Lerbach absolvierte. Seine persönlichen Honigfallen sind Champagner, Obstbrände, Wein und Whisk(e)y.

Roussillon Cobbler

4 Kommentare

  1. Tequila-Sonja

    Zu dem Stichwort „Kirchenfenster“ gibt es auch noch etwas zur Viskosität zu sagen. Glas befindet sich auch in dem Aggregatzustand flüssig, aber in einer extrem hohen Viskosität. Dadurch hat Glas die optischen Eigenschaften einer Flüssigkeit. Man kann diese extrem langsame Fliessfähigkeit an sehr alten Bleiverglasungen beobachten, dort ist das Glas unten dicker als oben.
    Flüssiges in Flüssigem. Prost!

  2. ZeeD

    @Tequila-Sonja

    Nein. Glas befindet sich nicht im Aggregatszustand flüssig, sondern im Aggregatszustand fest. Die Unterscheidung wird an Hand der sogenannten Deborah-Zahl festgemacht – dem Verhältnis aus Relaxationszeit zu Beobachtungszeit. Der Zustand des Glases ist jedoch amorph und nicht kristallin – dabei enden aber auch schon die Gemeinsamkeiten mit einer Flüssigkeit. Auf Grund dieser Gemeinsamkeit ergeben sich dann konsequenterweise weitere Gemeinsamkeiten wie die Transmittivität über weite Wellenlängenbereiche, da durch die unregelmäßige Anordnung keine Bandstruktur entsteht die z.B. bei Metallen für die Absorption von Licht verantwortlich ist, und diese undurchsichtig erscheinen lässt.

    Zum Zweiten. Ja, Gläser haben die Möglichkeit sich durch Diffusion an äußere Kräfte – also auch das Eigengewicht – anzupassen. Allerdings liegt zum Beispiel die Relaxationszeit von Germaniumoxid – einem Glas – bei 10^32 Jahren. Da spielen die max. 800 Jahre, die es Kirchenfenster gibt gar keine Rolle. Dass die Kirchengläser unten dicker sind hängt an der damaligen Herstellungsmethode von „Flachglas“, falls das überhaupt so bezeichnet werden kann. Dabei wurde quasi ein Glasballon geblasen, der gegenüber der „Einblas- und Festhaltestelle“ aufgetrennt wird und durch eine Drehbewegung in eine flache Form gebracht wird – der Trägheit und dem Bahngeschwindigkeitsunterschied von der Mitte zum Rand hin ist es dann zu verdanken, dass ein Teil des Glases dicker ist als der andere. Der dickere Teil wird dann aus Statikgründen unten angebracht. Das ist das ganze Mysterium hinter den Kirchengläsern.

    Weiterführend bitte ich folgenden Link der englischsprachigen Wikipedia:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Glass#Behavior_of_antique_glass

    Dass also etwas Flüssiges im Flüssigen ist (leider?) nichts weiter als eine romantische Vorstellung.

  3. Schorse

    Sehr interessanter und fachlich fundierter Artikel, für meinen Geschmack fehlt jedoch ein wenig Mathematisierung. Dennoch habe ich etwas zu klugscheißern: Der Text spricht von Summenformel, jedoch sind sowohl Triglycerid als auch Wasser als Lewis Formel dargestellt.

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