Ontdek de chemie: bioplastic van melk

In het proefje Melk+Azijn = beeldje en in de digibordles ‘Het plasticexperiment’ maak je van melk en azijn een beeldje of stukje bioplastic. Hoe ontstaat dit nou precies? Dat leggen we je hier uit.

Waar bestaat melk uit?
Melk van koeien bestaat uit een mengsel van water, melksuiker (lactose), vet en eiwitten. In dit proefje hebben we te maken met de verandering van de eiwitten in melk. De eiwitten die in melk zitten zijn onder te verdelen in twee soorten eiwitten: de wrongeleiwitten, caseïnen, en de wei-eiwitten.

Caseïne
De wrongeleiwitten, de caseïnen, klonteren samen in een zure omgeving. Bij kaas maken worden deze klontering wrongel genoemd, vandaar de naam. Wat overblijft, de gele vloeistof, wordt wei genoemd en in deze wei zitten de wei-eiwitten. De reactie van de caseïnen met zuur is waar deze proef over gaat.

Caseïne is een verzamelnaam voor de groep wrongeleiwitten die grofweg bestaat uit vier verschillende soorten eiwitten. In melk, plakken deze eiwitten aan elkaar en vormen miniscule bolletjes. Deze caseïnebolletjes vormen samen met calciumfosfaat weer grotere bolletjes; caseïnemicellen. Deze micellen zijn ongeveer een tienduizendste millimeter groot en niet te zien met het blote oog. Aan de buitenkant van deze micellen zit een negatieve lading die ervoor zorgt dat de micellen elkaar afstoten in de melk en niet samenklonteren.

Schematisch model van een caseinemicel (dit is een van de drie voorgestelde modellen)
Bron: Pancrat, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons. Aanpassing: tekst vertaald naar Nederlands

Hoe de structuur van de micellen op moleculair niveau in elkaar zit is nog niet helemaal opgehelderd. In de wetenschappelijke literatuur zijn verschillende modellen te vinden. Hier kun je er meer over lezen, een artikel in het Engels.

Waarom klonteren de caseïnen samen in zuur?
Wanneer je zuur toevoegt aan de melk wordt de pH van de melk lager. Wanneer de pH onder de 5.5 komt vallen de micellen van caseïne en calciumfosfaat uit elkaar. Wanneer de pH onder de 4,7 komt verliezen de caseïnen hun negatieve lading. Daardoor stoten de caseïnen elkaar niet meer af, maar trekken elkaar aan en klonteren samen en jij ziet klontjes ontstaan, een pre-netwerk van eiwitten.

Door deze klontjes te kneden zorg je ervoor dat het netwerk van eiwitten nog meer onderling wordt verstrengeld en verbonden waardoor het geheel beter aan elkaar blijft plakken. Daardoor wordt het gemaakte bioplastic, het netwerk, steviger.

Wat gebeurt er met de moleculen?
Door zuur toe te voegen veranderen de eigenschappen van de caseïnen, en daardoor de samenstellingen van de melk. Je verandert niets aan de molecuulstructuur van de caseïne, dat wil zeggen er worden geen covalente bindingen (tussen atomen) verbroken, alleen de omgeving van de caseïne verandert en daarmee wordt de zwakkere bindingen tussen de eiwitketens verbroken; vanderwaalskrachten, waterstofbruggen en ionbindingen. De ketens krijgen de gelegenheid om te bewegen en met andere eiwitketens te omringen, verstrengelen of verbinden, omdat ze niet mengen met het water.

Kaas maken met stremsel
Wanneer je kaas maakt met stremsel veranderen de molecuulstructuur van de eiwitten wel. In stremsel zit het enzym chymosine. Dit knipt het stuk van de caseïne, knipt dus de eiwitketens kapot*, dat ervoor zorgt dat de caseïnen elkaar afstoten en daardoor gaan de caseïnen aan elkaar plakken. Op deze manier heb je geen zuur nodig om kaas te maken.

*Bij het knippen van de eiwitketens worden covalente bindingen tussen atomen in de eiwitketen verbroken.

Galaliet, een kunststof van melk
In 1889 ontdekte de Franse chemicus Jean-Jacques Trillat dat hij door caseïne te behandelen met formaldehyde een hard doorschijnend materiaal kreeg dat niet oplost in water en eigenschappen heeft die lijken op hoorn en ivoor. Dit materiaal werd op de markt gebracht als galaliet en is een van de oudste kunststoffen. Het werd vooral gebruikt voor knopen. In de jaren 60 van de vorige eeuw werd de productie gestopt, omdat plastic gemaakt van aardolie goedkoper en van betere kwaliteit was.

Knopen gemaakt van galaliet.
Foto: Tyranny Sue, CC BY-SA 3.0 , via Wikimedia Commons

Nog meer weten?

Kijk dan op www.kunststofoveral.nl voor meer informatie over plastic en kunststof