Warum krümmen sich Karotten? Forschung enthüllt die Mechanik hinter dem Altern von Wurzelgemüse.

23. Januar 2024

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von der Universität Bath

Geschnittene Karottenstücke gehören zu den universell beliebtesten Lebensmitteln und sind ein Snack-Klassiker - ein fester Bestandteil von Schulbrotboxen, Picknicks und Partyplatten das ganze Jahr über.

Jetzt haben Forscher der Universität Bath die geheime Wissenschaft der Zubereitung des beliebten Wurzelgemüses entdeckt und die Prozesse quantifiziert, die dazu führen, dass sie sich aufrollen, wenn sie zu lange liegen gelassen werden.

Der Maschinenbau-Student Nguyen Vo-Bui führte die Forschung im Rahmen seines Abschlussstudiums unter den begrenzten Umständen des COVID-19-Lockdowns 2021 durch. Die Forschungsarbeit mit dem Titel "Modellierung der durch den Druck des Gefäßbündels und der Rinde verursachten Krümmung von längs geschnittenen Karotten" wurde in Royal Society Open Science veröffentlicht.

Ohne Zugang zu Laboren wollte Nguyen die geometrischen und Umweltfaktoren identifizieren, die den Einfluss auf die Haltbarkeit von Karotten am stärksten beeinflussen. In seiner Küche charakterisierte, modellierte und verifizierte er das Altern von über 100 längs geschnittenen Lancashire Nantes Karottenhälften mit Hilfe von Finite-Elemente-Modellen, die normalerweise im Bauingenieurwesen verwendet werden.

Das Forschungsteam kam zu dem Schluss, dass die Restspannungen und die Dehydrierung die beiden Hauptfaktoren für das Krümmungsverhalten sind. Die stärkehaltige äußere Schicht der Karotte (die Rinde) ist steifer als die weiche zentrale Venenstruktur (auch als Gefäßbündel bezeichnet). Wenn die Karotte längs geschnitten wird, rollen sich die beiden Hälften auf, weil der Unterschied in der Spannung unausgeglichen wird. Die Dehydrierung führt zu einer weiteren Steifigkeitsverminderung, was den Krümmungseffekt weiter verstärkt.

Die Empfehlungen an die Hersteller umfassen den Umgang mit Karotten in kalten, feuchten, luftdichten und feuchtigkeitskontrollierten Umgebungen, um ihre natürlichen Eigenschaften zu schützen und ihre essbare Lebensdauer zu verlängern.

Sie sagen, dass die Studie eine Methode zur Vorhersage der Verformung von geschnittenem Wurzelgemüse liefert und dass das Verfahren wahrscheinlich auch auf andere Pflanzenstrukturen angewendet werden kann. Die Studie liefert den Lebensmittelherstellern ein neues mathematisches Werkzeug, das auf das Design von Verpackungen und Lebensmittelverarbeitungsprozessen angewendet werden könnte und so potenziell zur Reduzierung von Lebensmittelverschwendung beiträgt.

Karotten gehören zu den wertvollsten Kulturen weltweit, aber trotzdem ist der Verlust hoch. Etwa 25-30% davon treten vor der Verarbeitung und Verpackung aufgrund von Deformationen, mechanischen Schäden oder infizierten Bereichen auf. Frisch geschnittene und minimal verarbeitete Karotten sind eine bequeme, gebrauchsfertige Zutat, die die Verwendung von Karotten ermöglicht, die sonst weggeworfen würden, und so die Lebensmittelverschwendung reduziert.

Dr. Elise Pegg, Dozentin am Department of Mechanical Engineering der Bath University, ist eine der Autoren der Forschungsarbeit und hat die Studie überwacht. Sie sagte: "Wir haben die Krümmung einer geschnittenen Karotte im Laufe der Zeit mathematisch dargestellt und die Faktoren gezeigt, die dazu beitragen, dass sie sich krümmt.

"Unsere Motivation bestand darin, nach Möglichkeiten zu suchen, die Nachhaltigkeit der Karottenverarbeitung zu verbessern und sie so langlebig wie möglich zu machen. Wir haben eine Methode entwickelt, die ein Lebensmittelhersteller verwenden könnte, um seine Prozesse zu ändern, um Lebensmittelverschwendung zu reduzieren und Verpackung und Transport effizienter zu machen. Das Verständnis des Biegeverhaltens solcher Systeme kann uns helfen, Produkte mit höherer Haltbarkeit zu entwerfen und herzustellen.

"Eine solche Frage würde normalerweise aus biologischer Sicht untersucht werden, aber wir haben diese Arbeit rein auf mechanischen Prinzipien basiert durchgeführt. Ich freue mich sehr für Nguyen - es ist ein Maß für seine Einfallsreichtum und Hingabe, solch interessante Forschung in einer anspruchsvollen Situation durchzuführen."

Im Laufe einer Woche nahm die Krümmung der Karottenhälften zu - wobei der durchschnittliche Radius der Krümmung jeder Karotte von 1,61 m auf 1,1 m fiel. Es wurde auch eine um 1,32-fache Reduzierung der Steifheit festgestellt, die mit dem Austrocknen der Karotten korrelierte; durchschnittlich fiel ihr Gewicht um 22%.

Nguyen fügte hinzu: "Diese Forschung war interessant - mechanische Prinzipien auf Gemüse anzuwenden war überraschend und spannend.

"Eine der großen Herausforderungen bestand darin, ein Experiment zu konzipieren, das in einer Lockdown-Umgebung ohne Zugang zu normalen Labors und Geräten durchgeführt werden konnte. Jetzt in der Lage zu sein, diese Arbeit in einer wissenschaftlichen Zeitschrift veröffentlicht zu haben und möglicherweise von der Lebensmittelindustrie verwendet zu werden, ist wirklich lohnend.

"Dieses Projekt hat mich dazu inspiriert, mein Studium an der Universität von Bath fortzusetzen, und ich studiere jetzt Restspannungen in porösen ferroelektrischen Keramiken für meine Promotion."

As well as having to use a suitcase to collect the 30kg of carrots the experiment demanded from a farmers' market, a further challenge was finding ways to use them afterward. Carrot cake, the Indian carrot dessert Gajar Ka Halwa, carrot pesto and many other dishes kept Nguyen and his flatmates fed for several days.

Provided by University of Bath