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Emulsionen - Kunstwerke aus Öl und Wasser



Gegensätze ziehen sich an, sagt man. Mag dies für Menschen zutreffen, für Öle und Wasser beziehungsweise in diesen Medien lösliche Stoffe gilt das nicht. Trotz dieser Unvereinbarkeit kennen wir Mischungen aus hydro- und lipophilen (wasser- und fettlöslichen) Stoffen, begegnen ihnen sogar im Alltag. Streichfette, Mayonnaise, Arzneimittel, Kosmetika, Farben und Reinigungsmittel sind sogenannte Emulsionen. Der Verfahrenstechniker spricht von dispersen Mehrphasensystemen, da sie aus mindestens zwei ineinander unlöslichen Flüssigkeiten bestehen (den Phasen), von denen die eine in der anderen in Form feinster Tröpfchen verteilt (dispergiert) ist. Milch, Rahm und Mayonnaise sind Öl-in-Wasser (O/W)- Emulsionen (Bild 1): Die Öltropfen bilden dann die innere oder disperse, das Wasser die äußere oder kontinuierliche Phase. Butter oder Margarine hingegen sind Wasser-in-Öl (W/O)-Emulsionen. Des weiteren können Feststoffpartikel und Gasbläschen als dritte Phase vorkommen; ein Beispiel ist Eiscreme. (Ferner kann auch eine W/O-Emulsion in wäßriger Phase feinverteilt sein; es handelt sich dann um eine sogenannte multiple Emulsion der Art W/O/W wie zum Beispiel neuartige Gesichtscremes.)

Obwohl Emulsionen seit langem – auch für industrielle Zwecke – genutzt werden, lassen sich ihre Eigenschaften nur schwer gezielt einstellen. Denn die mittlere Größe der Tropfen und die Abweichungen davon bestimmen die Qualität, insbesondere die physikalische und mikrobiologische Stabilität.

Eine Emulsion ist physikalisch stabil, wenn diese Verteilung der Tropfengröße konstant bleibt: Die Tröpfchen dürfen sich weder absetzen (sedimentieren) noch aneinanderlagern (aggregieren) noch zusammenfließen (koaleszieren); große sollen nicht zu Lasten kleiner wachsen (Ostwald-Reifung), aus einer O/W- keine W/O-Emulsion werden (Phaseninversion).

Dem Sedimentieren – bei Öl-in-Wasser Emulsionen wie Milch auch Aufrahmen genannt – kann man durch hinreichend kleine Tropfen entgegenwirken, es sogar vermeiden. So werden beim Homogenisieren von Milch die Fetttropfen zerkleinert, bis ihr mittlerer Durchmesser kleiner als ein Mikrometer (tausendstel Millimeter) ist.

Mikrobiologische Stabilität bedeutet Beständigkeit gegen die Wirkung von Mikroorganismen. Viele Emulsionen sind ideale Nährböden und würden ohne Gegenmaßnahmen schnell verderben. Man kann sie erhitzen, um die Aktivität der Bakterien und Pilze einzuschränken (Pasteurisieren) oder diese Lebewesen abzutöten (Sterilisieren); dabei werden die Inhaltsstoffe jedoch zumindest geringfügig verändert. Da Mikroorganismen nur in der wäßrigen Phase wachsen können, lassen sie sich in W/O-Emulsionen mit hohem Fettanteil inaktivieren, wenn die Wassertropfen nicht wesentlich größer als ein Mikrometer sind, die Mikroben also einschließen und ihr Wachstum verhindern. Einige kosmetische Cremes, aber auch die altbekannte Butter kommen deshalb ohne konservierende Chemikalien aus. Bei fettarmen W/O-Emulsionen, etwa fettreduzierter Margarine mit hohem Wassergehalt, muß ein höherer Aufwand getrieben werden, um große Tropfen sicher zu vermeiden.

Auch viele andere Qualitätsmerkmale von Emulsionen werden durch die genannten Parameter bestimmt, etwa Viskosität, Streichfähigkeit, Cremigkeit und Mundgefühl, optische Eigenschaften wie Farbe und Glanz, Bioverfügbarkeit, Geschmack sowie Wirkstoff-Freisetzung. Bei ersteren ist meist die äußere Phase bestimmend; sind die Tropfen jedoch sehr klein und ihr Anteil am Gesamtvolumen groß, so entscheidet ihre Größe über Konsistenz, Mundgefühl, Streichfähigkeit und weitere Fließeigenschaften.

Das eröffnet neue Möglichkeiten für die fettarme Ernährung: Öltröpfchen in heutigen Fetten und Mayonnaisen sind im Mittel knapp 20 Mikrometer groß; ihr Anteil muß 80 Prozent betragen, um die gewünschten Qualitätsmerkmale aufzuweisen. Bei einem mittleren Durchmesser von nur einem Mikrometer käme man mit der Hälfte aus.

Besondere Anforderungen werden an Emulsionen gestellt, die zur parenteralen Ernährung benötigt werden, also intravenös zugeführt werden. Liegt die Tropfengröße oberhalb von etwa zwei Mikrometern, besteht die Gefahr einer tödlichen Fettembolie.

Heutzutage sucht man mitunter sogar bis zu 0,1 Mikrometer Durchmesser in enger Verteilung zu erreichen. Je feiner aber Partikel sind, desto größer werden die Grenzflächen und um so stärker wirken entsprechende Kräfte. So ist die Gesamtoberfläche von Tropfen mit einem Mikrometer Durchmesser in einem Liter Emulsion und bei einem Volumenanteil von 50 Prozent etwa 3000 Quadratmeter groß; daraus resultiert eine Grenzflächenenergie von 3 bis 60 Joule. Um die innere Phase so fein zu dispergieren, muß zunächst einmal entsprechend viel Energie aufgewendet werden. Doch dann würde das System dazu tendieren, seine Energie durch Koaleszenz wieder zu verringern. Um dies zu verhindern, nutzt man Emulgatoren, die sich vorzugsweise an den Grenzflächen anlagern und die Tropfen getrennt voneinander halten. Natürliche Substanzen dieser Art sind beispielsweise Eigelb für die Herstellung von Mayonnaise und wasserlösliche Proteine, die aus Milch beziehungsweise Molke gewonnen werden.

Weitere Hilfsstoffe erhöhen die Viskosität der kontinuierlichen Phase und verzögern ein Aufrahmen beziehungsweise Sedimentieren der Tropfen, beispielsweise Stärke – also Polysaccharide – und Gelatine – ein Protein.

Wie nun läßt sich die gewünschte Größenverteilung erzeugen? Meist nutzt man Rotor-Stator-Systeme, auch Kolloidmühlen genannt (Kolloide sind Systeme aus einem homogenen Medium und darin feinstverteilten Partikeln). Die zerkleinern eine durch Rühren hergestellte grobdisperse Voremulsion. Bei einem weiteren gebräuchlichen Verfahren wird diese mit einigen hundert, mitunter sogar bis zu 2000 bar durch eine Homogenisierdüse gepreßt. In beiden Fällen wird jedoch die erforderliche Energie rein mechanisch aufgebracht, und empfindliche Inhaltsstoffe könnten dabei Schaden nehmen.

An unserem Institut haben wir die komplizierten Strömungsverhältnisse in den Homogenisierdüsen untersucht und eine einfach aufgebaute und effektivere Variante entwickelt. In herkömmlichen werden die Tropfen der dispersen Phase überwiegend durch Trägheitskräfte in turbulenter Strömung und teilweise durch Kavitation zerkleinert (gelöstes Gas bildet Blasen, die dann bei Druckanstieg implodieren). Demgegenüber bricht unsere Düse die Tropfen durch eine weitgehend laminare Dehnströmung. Trotz hoher Viskosität der inneren Phase läßt sich damit schon bei 70 bar ein mittlerer Tropfendurchmesser von weniger als einem Mikrometer erreichen. Modernste kommerzielle Düsen benötigen dafür etwa 350 bar, und mit herkömmlichen Flachdüsen gelingen bei zähen Emulsionen selbst bei 1000 bar nur Durchmesser von mehr als zehn Mikrometer.

Feindisperse Emulsionen lassen sich auch mittels Ultraschall herstellen, ein im Labor häufig, in der industriellen Fertigung selten eingesetztes Verfahren, dessen Grenzen und Möglichkeiten noch nicht bekannt sind.

Eine grundsätzlich andere Methode ist die Tropfenbildung an feinen Poren. Hierbei wird die disperse Phase durch eine mikroporöse Membran gepreßt. Am Porenaustritt bilden sich Tropfen und werden von der vorbeiströmenden kontinuierlichen Phase abgelöst. Das Membran-Emulgieren ist ein neues, sehr schonendes Verfahren, das nur einen Bruchteil der für die mechanische Tropfenzerkleinerung benötigten Energie erfordert. Auch wegen der vielen Möglichkeiten, sehr feine, gleichmäßige Tropfen herstellen zu können, dürfte dieses Verfahren bald auf den Markt kommen.

Wird die neu entstandene Grenzfläche nun aber nicht schnell genug stabilisiert, so können die Tropfen zusammenlaufen – die Mühe war umsonst, ja die Durchmesser können sogar größer sein als in der Voremulsion (Bild 2). Seitdem dieser Mechanismus bekannt ist, werden das Zerkleinern und Koaleszieren der Tropfen unabhängig voneinander untersucht, und mittlerweile lassen sich Emulgatoren danach charakterisieren, wie schnell sie stabilisieren. So wirken die für Lebensmittel meistens verwendeten Eiweißstoffe eher langsam, während schnell wirkende – etwa kurzkettige Tenside – Geschmack oder Streichfähigkeit verändern. Zum einen kann man letztere in geringerer Menge hinzumischen. Unmittelbar nach der Zerkleinerung mit einer Hochdruckdüse läßt sich aber auch durch geeignete Strömungsführung die Koaleszenz wesentlich vermindern: Eine turbulente Zone verhindert die Zusammenlagerung und gibt langsam stabilisierenden Emulgatoren 0,5 bis 1 Sekunde zusätzliche Einwirkzeit.

Das Wissen über den Emulgiervorgang hat sich in den letzten Jahren erheblich erweitert, dennoch sind noch viele Fragen offen: Die Tropfenkoaleszenz ist noch nicht hinreichend genau untersucht, die Grenzen der vorgestellten Emulgiersysteme noch nicht ausgelotet. Derzeit sind etwa 0,05 Mikrometer Durchmesser erreicht. Weitere Anwendungen sind denkbar: Liposomen genannte Parti-kel befördern pharmazeutisch wirksame Substanzen in einer aus Fetten bestehenden Hülle in den Körper – das Prinzip läßt sich auch in der Biotechnik nutzen.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 11 / 1998, Seite 128
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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