____ _ _ _ _
| _ \ ___ | |_ (_) _ __ ___ __| | (_) __ _
| |_) | / _ \ | __| | | | '_ \ / _ \ / _| | | | / _ |
| _ < | __/ | |_ | | | |_) | | __/ | (_| | | | | (_| |
|_| \_\ \___| \__| |_| | .__/ \___| \__,_| |_| \__,_|
|_|
- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b- `b
ÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻÂŻ
Emulsion
ââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââ
top
Unter einer Emulsion (lateinisch ex und mulgÄre âherausgemolkenâ) versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer FlĂŒssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Beispiele fĂŒr Emulsionen sind zahlreiche Kosmetika, Milch oder Mayonnaise.
Contents
⹠GerÀte
âą Mikroemulsionen
âą Fotoemulsion
âą Siehe auch
âą Literatur
âą Einzelnachweise
ââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââââ
Struktur der Emulsion
In einer Emulsion liegt ein fein verteiltes Gemisch zweier FlĂŒssigkeiten, wie Ăl und Wasser, vor. Eine FlĂŒssigkeit (Phase) bildet kleine Tröpfchen, verteilt in der anderen FlĂŒssigkeit. Die Phase, die Tröpfchen bildet, nennt man innere Phase oder auch disperse Phase. Die Phase, in der die Tröpfchen schwimmen, wird Ă€uĂere Phase oder kontinuierliche Phase genannt. Emulsionen gehören zu den dispersen Systemen und unterscheiden sich von Gemischen mischbarer FlĂŒssigkeiten, wie zum Beispiel Ethanol und Wasser. Emulsionen sind in der Regel trĂŒbe, milchige FlĂŒssigkeiten.
Emulsionen aus Wasser und Ăl unterscheidet man in Wasser-in-Ăl-Emulsion (W/O-Emulsion) und Ăl-in-Wasser-Emulsion (O/W-Emulsion). Ein weiterer wichtiger Bestandteil von Emulsionen ist der Emulgator (Tensid), der die Bildung von Tröpfchen erleichtert und einer Entmischung (Phasentrennung) entgegenwirkt.
Chemische Betrachtung einer Emulsion
Viele FlĂŒssigkeiten können entweder gut mit Wasser (sie sind hydrophil) oder gut mit Ăl (sie sind lipophil) mischbar sein. Hydrophile FlĂŒssigkeiten bilden hauptsĂ€chlich zwischenmolekulare KrĂ€fte in Form von WasserstoffbrĂŒcken aus. Bei lipophilen FlĂŒssigkeiten bilden sich hingegen hauptsĂ€chlich zwischenmolekulare Van-der-Waals-KrĂ€fte aus. Gibt man etwas Ăl in Wasser, wird das Ăl aufschwimmen. Zwischen den beiden Phasen können sich die obengenannten KrĂ€fte nicht recht ausbilden. An der GrenzflĂ€che bildet sich hingegen eine GrenzflĂ€chenspannung aus. Die GrenzflĂ€chenspannung ist der Antrieb, eine möglichst kleine GrenzflĂ€che zu bilden, und verhindert damit die Bildung einer Emulsion.
Zur Herstellung und Stabilisierung einer Emulsion sind grenzflĂ€chenaktive Substanzen, die Tenside (Emulgatoren), notwendig. Die GrenzflĂ€chenspannung an der Ăl-Wasser-PhasengrenzflĂ€che wird durch das Tensid deutlich gesenkt. Sie vermitteln zwischen den beiden Phasen und haben einen polaren (hydrophilen) und einen unpolaren (lipophilen) Teil. Der polare Teil kann WasserstoffbrĂŒcken ausbilden und sich mit hydrophilen Stoffen verbinden, wĂ€hrend der unpolare Teil des MolekĂŒls Van-der-Waals-KrĂ€fte ausbildet und sich mit lipophilen Stoffen verbindet.
Emulsionen sind instabile bzw. metastabile Systeme, haben also eine begrenzte Lebensdauer. Das sogenannte Brechen der Emulsion erfolgt, da die GröĂe der GrenzflĂ€chen durch ZusammenflieĂen von Tröpfchen zu gröĂeren Tröpfchen verringert wird (siehe StabilitĂ€t von Emulsionen). Butter, eine Wasser-in-Milchfett-Emulsion, wird aus Sahne, einer Milchfett-in-Wasser-Emulsion, durch Emulsionsbrechen hergestellt.cite-ref-1[1]
Zur zusÀtzlichen Stabilisierung einer Emulsion können Hydrokolloide als Stabilisatoren eingesetzt werden. Diese Stoffe erhöhen die ViskositÀt der kontinuierlichen Phase, verzögern die Aufrahmung und dadurch das Brechen der Emulsion.
Obwohl eine Emulsion aus FlĂŒssigkeiten besteht, kann sie auch fest sein und wird dann als feste Emulsion bezeichnet. Wird eine Suspension einemulgiert, spricht man von einer Suspo-Emulsion.cite-ref-2[2]
Emulsionen werden in der Kolloidchemie, einem Teilbereich der physikalischen Chemie, untersucht.
Physikalische Betrachtung
Die wichtigsten GröĂen bei der Betrachtung von Emulsionen sind das PhasenvolumenverhĂ€ltnis (der Quotient aus dem Volumen der inneren Phase zu jenem der Ă€uĂeren), die mittlere TeilchengröĂe (Dm) sowie die TeilchengröĂenverteilung.
PhasenvolumenverhÀltnis
Bis zu einem PhasenvolumenverhĂ€ltnis von 0,3/0,7 (30 % innere Phase, 70 % Ă€uĂere Phase) hĂ€ngen die Eigenschaften der Emulsion im Wesentlichen von den Eigenschaften der Ă€uĂeren Phase ab. Die Tröpfchen können sich fast unabhĂ€ngig voneinander in der Ă€uĂeren Phase bewegen und auch die ViskositĂ€t entspricht ungefĂ€hr jener der Ă€uĂeren Phase.
Mit steigendem PhasenvolumenverhĂ€ltnis kommen die Eigenschaften der inneren Phase deutlich mehr zum Tragen. Wird der Volumenanteil der inneren Phase zu hoch, so kann die Phasenlage umschlagen. Eine O/W-Emulsion wird zu einer W/O-Emulsion und umgekehrt. Man spricht von einer sogenannten Phaseninversion. Zur Inversion einer O/W-Emulsion kann es auch durch Temperaturerhöhung kommen, da höhere Temperaturen die hydrophilen Wechselwirkungen des Emulgators mit dem Wasser schwĂ€chen, so dass die lipophilen Wechselwirkungen relativ gestĂ€rkt werden. Somit lĂ€sst sich eine energetisch gĂŒnstigere Situation im System vorfinden, indem die Ălphase die kontinuierliche Phase bildet, in der die Wasserphase emulgiert vorliegt. Das (effektive) PhasenvolumenverhĂ€ltnis kann auĂerdem durch kontrollierte Aggregation der dispergierten Phase erhöht werden. Dies geht einher mit einem starken Anstieg der ViskositĂ€t und dem Auftreten von scherverdĂŒnnendem FlieĂverhalten.cite-ref-3[3]
Siehe auch
:
Hochkonzentrierte Emulsionen
TröpfchengröĂe
Emulsionen, die durch Scheren (z. B. Rotor-Stator-System) und Hochdruck-Emulgiermaschinen hergestellt werden, sind nicht monodispers. Die TröpfchengröĂen sind innerhalb einer gewissen Spanne verteilt (siehe auch DispersitĂ€tsanalyse). Die Herstellung monodisperser Emulsionen ist durch Dispergieren mittels Mikroporen (mikroporöse Festkörper, Membranen oder MikrokanĂ€le) möglich.
Polydisperse Emulsion lassen höhere RaumerfĂŒllungen realisieren, als dies in einer monodispersen, hexagonal dichtesten Packung möglich wĂ€re. ZwischenrĂ€ume zwischen den gröĂeren Tropfen werden dabei mit kleineren Tröpfchen aufgefĂŒllt.
Der mittlere Teilchendurchmesser (Dm) in Emulsionen liegt normalerweise zwischen 100 Nanometer und 1 Millimeter. Je gröĂer der mittlere Teilchendurchmesser und je breiter die TeilchengröĂenverteilung, desto stĂ€rker ist die milchig-weiĂe TrĂŒbung der Emulsion. Emulsionen wie zum Beispiel Milch wirken im Auflicht blĂ€ulich, im Durchlicht teils deutlich rot. Ursache davon ist die AbhĂ€ngigkeit der Streuung vom Teilchendurchmesser (siehe dazu Mie-Streuung, elektromagnetische Streuung an Objekten in der GröĂenordnung der WellenlĂ€nge und Rayleigh-Streuung).
Emulsionen mit einem Tröpfchendurchmessercite-ref-schub1-4-0[4]
âą gröĂer 1 Mikrometer nennt man Makroemulsionen,
âą im Bereich von 1 Mikrometer oder kleiner nennt man Miniemulsion oder submikrone Emulsion (letztere sind thermodynamisch stabiler),
âą unterhalb von 100 Nanometern nennt man Nanoemulsion
StabilitÀt von Emulsionen
Ăberwiegend sind Emulsionen thermodynamisch instabil: Die disperse Phase ist bestrebt, sich durch Koaleszenz zu gröĂeren Bereichen zu vereinigen da dieser Vorgang die Freie Enthalpie erniedrigt â hierbei wird die GrenzflĂ€chenenergie zwischen den beiden Phasen verringert.cite-ref-schub1-4-1[4]
Emulsionen sollen meist fĂŒr einen bestimmten Zeitraum (zwischen wenigen Stunden und einigen Jahren) und unter bestimmten Bedingungen (Temperaturbereich, pH-Bereich) erhalten bleiben. ZerfĂ€llt eine Emulsion, so geschieht dies in einzelnen Phasen, die oft jedoch gleichzeitig ablaufen.
1. Phase: Kurzzeitig stabile Emulsion Beispielsweise Fetttröpfchen sind in der Ă€uĂeren Phase (Wasser) dispergiert.
2. Phase: Aufrahmung oder Sedimentation (reversibel) Aufgrund der Gravitationskraft erfolgt eine Trennung der gemischten Phasen in die spezifisch leichtere und die spezifisch schwerere.
3. Phase: Ostwald-Reifung (Ripening)
4. Phase: Aggregation (reversibel) Die Fetttröpfchen bilden Aggregate, der Teilchendurchmesser wird vergröĂert und nach dem Stokesâschen Gesetz erhöht sich die Sedimentationsgeschwindigkeit der dispergierten Fetttröpfchen.
5. Phase: Koaleszenz Die Fetttröpfchen vereinigen sich; dies kann im Extremfall zum Brechen der Emulsion fĂŒhren.
Herstellung von Emulsionen
Durch Verkleinerung der Tropfen bei der Herstellung einer Emulsion erhöht sich die GrenzflĂ€che zwischen den beiden Phasen. Dabei muss die GrenzflĂ€chenspannung ĂŒberwunden und eine neue GrenzflĂ€che geschaffen werden. Dies erfordert Arbeit, die mechanisch in das System eingebracht werden muss. Durch dabei auftretende ScherkrĂ€fte werden die Tröpfchen immer kleiner.
Tenside (nieder- und höhermolekular) und hochmolekulare Emulgatoren
Durch Tenside bzw. Emulgatoren, die hĂ€ufig auch als Surfactants (surface active agents) bezeichnet werden, lĂ€sst sich die GrenzflĂ€chenspannung drastisch senken. Das Tensid soll auch verhindern, dass die neu entstandenen Tröpfchen wieder koaleszieren (zusammenflieĂen). Dazu muss das Tensid möglichst schnell an die neue GrenzflĂ€che der gebildeten Tropfen diffundieren und einen GrenzflĂ€chenfilm bilden. Synthetische Tenside schaffen dies in wenigen Millisekunden.
Hochmolekulare grenzflĂ€chenaktive Substanzen werden aufgrund ihrer amphiphilen und ĂŒberwiegend leichten molekularen Umordnung bzw. FlexibilitĂ€t an der GrenzflĂ€che (ionische MolekĂŒlreste zur Wasserphase gerichtet) ebenfalls als Emulgatoren bezeichnet (z. B. Proteine, Polyvinylalkohole mit hohem Polymerisationsgrad). Diese adsorbieren etwas langsamer (aber ebenfalls in Millisekunden) und bilden gegenĂŒber den Tensiden stabilere und höher viskose GrenzflĂ€chen (siehe nachfolgende Abbildung). Dadurch weisen diese Emulsionen gegenĂŒber den niedermolekularen Emulgatoren eine höhere KoaleszenzstabilitĂ€t auf.
Eine genauso zu beachtende Eigenschaft bei der Auswahl eines geeigneten niedermolekularen Tensids ist seine Spreitungsgeschwindigkeit (Ausbreitungsgeschwindigkeit). Die GrenzflĂ€che eines neuen Tropfens ist zunĂ€chst nur teilweise von Tensid belegt. Dieses spreitet nun zu jenem Teil der GrenzflĂ€che, der zunĂ€chst noch unbelegt war. So entsteht zunĂ€chst ein Tensidkonzentrations-Gradient an der GrenzflĂ€che, der je nach Spreitungsgeschwindigkeit mehr oder weniger schnell zu einer gleichmĂ€Ăigen Tensidverteilung ausgeglichen wird.
Mit zunehmender Tropfenzerkleinerung und ansteigender GrenzflĂ€che nimmt die Tensidkonzentration in der kontinuierlichen Phase ab. Ist nicht ausreichend Tensid zur Belegung der GrenzflĂ€che vorhanden, kann keine kleinere stabile TropfengröĂe erzielt werden.
Aus dem Volumen der zu dispergierenden Phase und dem angestrebten Tröpfchendurchmesser kann fĂŒr die zu belegende GrenzflĂ€che die notwendige Emulgatormenge kalkuliert werden. HierfĂŒr muss bekannt sein, welche FlĂ€che durch 1 g Emulgator belegbar ist (niedermolekulare Emulgatoren etwa 10 mg pro ml Ăl,cite-ref-5[5] Proteine etwa 15 mg pro ml Ăl). Mit Abnahme der PartikelgröĂe steigt die GrenzflĂ€che pro ml Ăl, dies fĂŒhrt zu einem höheren Emulgatorbedarf.
Bei höhermolekularen Emulgatoren wird zur Absicherung der Emulsionsbildung etwa die doppelte Menge eingesetzt.
Beim Einsatz von niedermolekularen Tensiden liegt die notwendige Konzentration allgemein deutlich oberhalb der erforderlichen bzw. des Mizellbildungspunktes cmc (engl.: critical micelle concentration). Aus den Mizellen werden mit Zunahme der GrenzflĂ€che die notwendigen EmulgatormolekĂŒle nachgeliefert.
Normalerweise ist jene Phase, in der sich der Emulgator besser löst, die Ă€uĂere bzw. kontinuierliche Phase. Bei einem HLB-Wert von 3 bis 6 wird die Emulsion eine W/O-Emulsion, von 8 bis 18 eine O/W-Emulsion (Bancroft-Regel).
Hochmolekulare Emulgatoren an GrenzflÀchen
WĂ€hrend Polyglycerin-Polyricinoleat (PGPR, M 1200-2000 g/mol), ein Emulgator fĂŒr Wasser-in-Ăl-Emulsionen, eine höhere molare Masse aufweist, werden die polymeren Emulgatoren mit etwa M < 10 000 g/mol zu den hochmolekularen gerechnet. Aufgrund des unterschiedlichen Gehaltes an nichtgeladenen und geladenen AminosĂ€uren und eines pH-abhĂ€ngigen Ladungszustandes adsorbieren die entfalteten amphiphilen ProteinmolekĂŒle mit unterschiedlicher AktivitĂ€t an den GrenzflĂ€chen (Luft/Wasser, Wasser/Ăl). Mit Zunahme der Ladung und der Löslichkeit steigt an der GrenzflĂ€che auch die AffinitĂ€t zur wĂ€ssrigen Phase (hohe Hydrophilie), gleichzeitig lagern sich die ungeladenen lipophilen AminosĂ€urereste an der Luft- bzw. Ălphase an und unterstĂŒtzen bei Eintrag von Scherenergie die Bildung von Luftblasen oder Ăltropfen.
Da Proteine ĂŒberwiegend oberhalb des isoelektrischen Punktes (IP) negativ und unterhalb des IP (im stĂ€rker sauren pH-Bereich) positiv geladen sind, Ă€ndert sich durch Einstellung des pH-Wertes der wĂ€ssrigen Phase der Ladungszustand an der GrenzflĂ€che. So kann die ProteingrenzflĂ€che z. B. bei einem pH-Wert unter 4,0 bei positiver Ladung mit negativ geladenen Polymeren (Polyelektrolyten) komplexieren. Dies kann genutzt werden, um GrenzflĂ€chen zusĂ€tzlich mit negativ geladenen Polysacchariden zu belegen (ionische Bindung). Dadurch wird der Stofftransport zwischen wĂ€ssriger und hydrophober Phase verĂ€ndert (z. B. geringerer Sauerstoffdurchgang mit verminderter Oxidation der Ălphase, geringere Freisetzung hydrophober Aromastoffe, langsamere Lipidfreisetzung im Verdauungstrakt).
Durch Einbringen der mit einem Polysaccharid zusĂ€tzlich beschichteten Ăltropfen in eine neutrale Proteinphase ist eine weitere Beschichtung möglich. Nach nochmaliger pH-Absenkung kann eine weitere negativ geladene Polysaccharidschicht angelagert werden. Varianten der GrenzflĂ€chenbelegung sind in der folgenden Abbildung fĂŒr mögliche GrenzflĂ€chenstabilisierungen dargestellt.
ZusĂ€tzlich zur zweiten Proteinschicht können auch kleinere, mit Protein stabilisierte Ăltropfen angelagert werden. Derartige Ăltropfen, die mit sehr kleinen Ăltropfen umhĂŒllt sind, bezeichnet man als Kolloidosome.cite-ref-6[6] Stark denaturierte Proteine, die als sehr kleine Aggregate oder Gelpartikel (Nano oder Mikropartikel) vorliegen, adsorbieren ebenfalls an GrenzflĂ€chen und fĂŒhren zur Stabilisierung. Derartige Tropfenstabilisierung wird als âPickering-Stabilisierungâ, die Emulsionen werden als âPickering-Emulsionenâ (auch âPickering-type emulsionâ) bezeichnetcite-ref-7[7]cite-ref-8[8] (siehe Feststoffstabilisierung). Mögliche Varianten der GrenzflĂ€chenstabilisierung von Ăl-in-Wassertropfen sind:cite-ref-9[9]cite-ref-10[10]
âą Pickering- oder Partikelstabilisierung,
âą Einsatz niedermolekularer oder hochmolekularer Emulgatoren (Proteine),
⹠Einsatz von Protein-Polysaccharid-Komplexen (lösliche oder unlösliche Komplexe),
âą Bildung von Multischichten aus Protein und ionischen Polysacchariden,
âą Anlagerung beschichteter Nano-Tropfen (Kolloidosome).
Feststoffstabilisatoren
Eine Emulsion kann z. B. mittels Partikel unterschiedlichster Art stabilisiert werden. Hierzu gehören u. a. starre und nicht quellbare, jedoch unterschiedlich anfeuchtbare, quellbare, synthetisierte ungeladene oder geladen amphiphile starre oder verformbare Partikel (Janus-Partikel). Dies wird allgemein als Partikelstabilisierung oder die Emulsion nach dem Entdecker als Pickering-Emulsion bezeichnet.
Pickeringcite-ref-11[11] hat 1907 gezeigt, dass kleine Festpartikel (Salze), die von Wasser besser als von Ăl benetzt werden, O/W-Emulsionen stabilisieren können. Wichtig fĂŒr eine ausreichende Stabilisierung ist hierbei, dass sich eine mechanisch stabile GrenzflĂ€che ausbildet.
Partikeleigenschaften
Die Partikel sollten fĂŒr die GrenzflĂ€chenstabilisierung (Luft/Wasser, Ăl/Wasser) folgende Eigenschaften aufweisen:
âą Nano- oder Mikropartikel, amphiphil oder mit der hydrophilen Phase unterschiedlich benetzbar
⹠In hydrophiler oder hydrophober Phase unlöslich oder in hydrophiler Phase quellbar
âą Bildung eines Kontaktwinkels Ξ < 90° an der GrenzflĂ€che zur Bildung von Ăl-in-Wasser-Emulsionen, Ξ > 90° zur Bildung einer Wasser-in-Ăl-Emulsion
Vorteile einer feststoffstabilisierten Emulsion
1. Ăberwiegend resistenter gegen Ănderungen des chemischen Milieus (pH-Wert, Salzkonzentration etc.)
2. Erhöhte LangzeitstabilitĂ€t (hohe KoaleszenzstabilitĂ€t von Emulsionen mit gröĂeren Ăltropfen, z. B. 10 bis 100 ”m)
3. Koaleszenzstabilisierung von Doppelemulsionen
4. Einstellbare Verdaulichkeit im Magendarm-Trakt durch Partikel mit eingestellter Enzymresistenz
5. Erhöhung der Gefrier-Tau-StabilitÀt
6. Beeinflussung der rheologischen Eigenschaften (Erhöhung der ViskositĂ€t, FlieĂgrenze und Konsistenz)
GerÀte
Um die fĂŒr die Emulgierung benötigte Arbeit in das Medium einzutragen, gibt es eine ganze Reihe möglicher Methoden. Generell können hierbei jedoch vier unterschiedliche Obergruppen unterschieden werden.
Rotor-Stator-Systeme
Bei diesen wird ein Bauteil bewegt (bzw. gedreht) und ein Bauteil ruht. Beispiele sind:
âą Fantaschale und Pistill
âą RĂŒhrwerke
âą SchĂŒttler
âą Vibrationsmischer
âą KolloidmĂŒhlen
âą Zahnkranzdispergiermaschinen
Strömungsmechanische Mittel
âą Prallplattencite-ref-12[12]
âą Wirbelkammern
âą Hochdruckhomogenisatoren, diese bestehen aus einer Pumpe und Blenden oder Ventilen. HierfĂŒr können z. B. ZerstĂ€uber eingesetzt werden.
Ultraschallgeneratoren
Hier werden mittels eines Ultraschallgebers und einer Sonotrode die Tropfen zerkleinert. Das Prinzip der Ultraschall-Emulgierung basiert auf der Kavitation, welche erzeugt wird, wenn hochintensive Ultraschallwellen in eine FlĂŒssigkeit eingetragen werden. Die Ultraschallkavitation erzeugt hohe ScherkrĂ€fte sowie Mikroturbulenzen in der FlĂŒssigkeit, so dass die Tropfen der zwei Phasen (Wasser- und Ălphase) zerkleinert und zu einer Phase vermischt werden.cite-ref-13[13]
Mikrostrukturierte Systeme
Mittels Mikroporen in Membranen oder mittels MikrokanĂ€len (microchannel)cite-ref-14[14] können polydisperse oder monodisperse Ăltropfen Partikel mit einstellbarem GröĂenbereich erzeugt werden. Die Architektur der Mikroporen (undefinierte oder definierte Porengestalt, runde oder spaltförmige Austrittsöffnung) ist dabei von Bedeutung.
Wichtige Parameter fĂŒr die TropfengröĂe der Emulsionen sind in der nachfolgenden Abbildung zusammengefasst. Diese Parameter gelten ĂŒberwiegend auch fĂŒr die Bildung monodisperser Emulsionen, erzeugt mittels definierter MikrokanĂ€le.
Rotierende Membranen ermöglichen die Erzeugung sehr kleiner Tropfen insbesondere durch zusĂ€tzliche Erhöhung der Wandschubspannung. Ăber die Rotationsgeschwindigkeit und die ViskositĂ€t der kontinuierlichen Phase kann die Wandschubspannung wesentlich erhöht werden.cite-ref-15[15]
Zur Herstellung von Membranen mit undefinierter und definierter Porengeometrie werden Kunststoffe, spezielles Glas, Keramik und verschiedenen Metalle (z. B. Nickel, Eisen, Aluminium) eingesetzt. Die OberflÀchen werden je nach Dispersphase hydrophiliert oder hydrophobiert. Zur Bildung monodisperser Tropfen werden auch Silicon-MikroplÀttchen oder 3-D-Druck-Membranen aus Kunststoff eingesetzt.
FĂŒr die TropfengröĂe und die TropfengröĂenverteilung sind ĂŒberwiegend folgende Parameter von Bedeutung:
⹠Zusammensetzung der kontinuierlichen Phase (Emulgatortyp, Dichte, ViskositÀt)
⹠GrenzflÀchenspannung zwischen den Phasen
âą Volumenstrom der kontinuierlichen Phase bzw. Wandschubspannung
âą Membranmaterial (Porendurchmesser, Hydrophilie, Porenform)
âą Dichte, ViskositĂ€t und Flux der Ălphase
Mikroemulsionen
Mikroemulsionen sind Wasser-Ăl-Tensid-Gemische, die im Gegensatz zu anderen Emulsionen thermodynamisch stabil sind. Sie sind optisch transparent und bilden sich ohne die fĂŒr die Herstellung von Emulsionen sonst nötige hohe Energiezufuhr. Meist verwendet man zur Darstellung einer Mikroemulsion Cotenside oder Cosolventien. Mikroemulsionen bilden sich nur in bestimmten Bereichen der Phasendiagramme der ternĂ€re oder auch quaternĂ€ren Stoffsysteme.
Multiple Emulsion
Multiple Emulsionen bestehen aus Tropfen in Tropfen. WĂ€hrend unter multiplen Emulsionen z. B. W1/O1/W2/O2/W3- oder O1/W1/O2/W2-Systeme verstanden werden, bezeichnet man W1/O/W2- und O1/W/O2-Systeme auch als Doppelemulsionen.
Bei der Herstellung derartiger Emulsionen kommt es darauf an, dass fĂŒr Doppelemulsionen die innere W1- oder O1-Phase mit TropfengröĂen < 1 ”m und hoher KoaleszenzstabilitĂ€t hergestellt wird. Die entstehende W1/O- oder O1/W-Emulsion wird in eine neue Ă€uĂere Phase unter Bedingungen dispergiert, die die Erhaltung der inneren W1- oder O1-Phase ermöglichen. Es sind deshalb W/O- und O/W-Emulgatoren so auszuwĂ€hlen, dass beim Emulgierprozess keine negativen Wechselwirkungen stattfinden, die zur InstabilitĂ€t der inneren Emulsion fĂŒhren. Weiterhin sind die innere und Ă€uĂere Wasserphase in der OsmolalitĂ€t so einzustellen, dass die Tropfen der inneren W1-Phase aufgrund hoher osmotischer Unterschiede nicht quellen oder schrumpfen.cite-ref-16[16]cite-ref-17[17]cite-ref-18[18]
Doppelemulsionen sind fĂŒr den Einschluss von Inhaltsstoffen in die innere Phase geeignet. Hiermit können Stoffe verkapselt werden, die empfindlich gegenĂŒber Oxidation sind, aus sensorischen oder anderen GrĂŒnden wĂ€hrend der Lagerung langsam oder unter Einwirkung von ScherkrĂ€ften oder osmotischem Schock schnell freigesetzt werden. Es kann sich z. B. um flĂŒchtige Aromastoffe, Geschmacksstoffe (erwĂŒnscht oder unerwĂŒnscht), MikronĂ€hrstoffe, Probiotika, Therapeutika, Enzyme und biologisch aktive Substanzen handeln. Weiterhin sind W1/O/W2-Systeme ĂŒber die Erhöhung des Anteiles an W1-Phase in O zur Herstellung fettreduzierter Lebensmittelemulsionen geeignet.
fl-c3-bcssigmembran-permeationfl-ssigmembran-permeation Im technischen Bereich können multiple bzw. Doppelemulsionen u. a. zur FlĂŒssigmembran-Permeation (einer Sonderform der Extraktion) genutzt werden, bei der die mittlere Phase (Membranphase) als Filter zwischen innerer und Ă€uĂerer Phase dient. Die FlĂŒssigmembran-Permeation wird auch zur Extraktion von Schwermetallspuren aus AbwĂ€ssern genutzt, dabei wird beispielsweise SchwefelsĂ€ure in einer Ălphase, die Chelatbildner gelöst enthĂ€lt, emulgiert und diese Emulsion wiederum im Abwasser emulgiert, die Schwermetalle werden durch FlĂŒssig-FlĂŒssig-Extraktion in der Ălphase gelöst und daraus ebenfalls durch FlĂŒssig-FlĂŒssig-Extraktion in die SchwefelsĂ€ure ĂŒbergefĂŒhrt. Nach Abtrennung der Ălphase wird die SĂ€ure-in-Ăl-Emulsion in einem hochfrequenten Wechselstromfeld gespalten.cite-ref-19[19]
Fotoemulsion
In der Analogfotografie bezeichnet man die auf einen SchichttrÀger aufgebrachte lichtempfindliche Schicht gemeinhin als Fotoemulsion. Im oben bezeichneten Sinne handelt es sich dabei aber um keine Emulsion, sondern um eine erstarrte Suspension.
Siehe auch
Literatur
âą N. I. Kosin: Nahrungsmittelemulsionen. ĂŒbersetzt aus dem Russischen von Karlwilhelm Horn. Fachbuchverlag Leipzig, 1954, DNB 574438777.
âą H. Schubert (Hrsg.): Emulgiertechnik Grundlagen Verfahren und Anwendungen. Behrâs Verlag, Hamburg 2005, ISBN 3-89947-086-9.
âą G. Lagaly, O. Schulz, R. Zimehl: Dispersionen und Emulsionen. Steinkopff Verlag, Darmstadt 1997, ISBN 3-7985-1087-3.
âą B. DobiĂĄĆĄ: Emulsionen. Teil 1. In: Tenside Detergents. Band 15, Nr. 5, 1978, S. 225â238; Teil 2. In: Tenside Detergents. Band 16, Nr. 6, 1979, S. 289â297.
âą H. Asche (Hrsg.): Technologie von Salben, Suspensionen und Emulsionen. Ein Seminar der APV vom 20.â22. September 1982 in Darmstadt. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1984, ISBN 3-8047-0748-3.
âą G. Muschiolik (Hrsg.): Multiple Emulsionen â Herstellung und Eigenschaften. Behrâs Verlag, 2022, ISBN 978-3-95468-865-4.
Einzelnachweise
cite-note-11. â Gerhard Lagaly, Oliver Schulz, Ralf Zimehl: Dispersionen und Emulsionen â Eine EinfĂŒhrung in die Kolloidik feinverteilter Stoffe einschlieĂlich der Tonminerale. Steinkopf-Verlag, Darmstadt, ISBN 3-7985-1087-3, S. 253 (teilweise einsehbar bei Google-Books).
cite-note-22. â H. Schubert (Hrsg.): Emulgiertechnik. Grundlagen Verfahren und Abwendungen. ISBN 3-89947-086-9, S. 531.
cite-note-schub1-44. â H. Schubert (Hrsg.): Emulgiertechnik. Grundlagen Verfahren und Anwendungen. Behrâs Verlag, ISBN 3-89947-086-9, S. 1 (online in AuszĂŒgen einsehbar bei Google-Books), zuletzt abgerufen im Juli 2012.
cite-note-55. â G. E. Petrowski: Emulsion Stability and its Relation to Foods. In: Advances in Food Research. Band 22, 1976, S. 309â359.
cite-note-66. â Y. S. Gu, E. A. Decker, D. J. McClements: Formation of colloidosomes adsorption of small charged oil droplets onto the surfaces of large oppositely charged oil droplets. In: Food Hydrocolloids. Band 21, 2007, S. 516â526. doi:10.1016/j.foodhyd.2006.05.011
cite-note-77. â Y. S. Gu, E. A. Decker, D. J. McClements: Formation of colloidosomes adsorption of small charged oil droplets onto the surfaces of large oppositely charged oil droplets. In: Food Hydrocolloids. Band 21, 2007, S. 516â526. doi:10.1016/j.foodhyd.2006.05.011
cite-note-88. â E. Dickinson: Use of nanoparticles and microparticles in the formation and stabilization of food emulsions. In: Trends in Food Science & Technology. Band 24, 2012, S. 4â12. doi:10.1016/j.tifs.2011.09.006
cite-note-99. â G. Muschiolik: GrenzflĂ€chenaktive Biopolymere - Emulgatoren als green ingredients. In: Deutsche Lebensmittel-Rundschau. Band 114, 2018, S. 434â444.
cite-note-1010. â G. Muschiolik: Entwicklung neuer Emulsionssysteme. In: BehrÂŽs Jahrbuch 2013. BehrÂŽs Verlag, Hamburg 2013, ISBN 978-3-95468-006-1, S. 117â134.
cite-note-1111. â S. U. Pickering: Emulsions. In: Journal of the Chemical Society. Band 91, 1907, S. 2001â2021. doi:10.1039/CT9079102001
cite-note-1212. â Patent EP0674941B1: Vorrichtung zur Bildung einer Ăl-Wasser-Emulsion. Angemeldet am 10. MĂ€rz 1995, veröffentlicht am 29. Oktober 1997, Anmelder: MTU friedrichshafen GmbH, Erfinder: Georg Donauer et al.â
cite-note-1313. â Generation of Emulsions by Ultrasonic Cavitation. Abgerufen am 22. Februar 2017 (englisch).
cite-note-1414. â G. T. VladisavljeviÄ, I. Kobayashi, M. Nakajima: Production of uniform droplets using membrane, microchannel and microfluidic emulsification devices. In: Microfluid Nanofluid. Band 13, 2012, S. 151â178. doi:10.1007/s10404-012-0948-0
cite-note-1515. â G. Muschiolik, H. Bunjes (Hrsg.): Multiple Emulsionen â Herstellung und Eigenschaften. Behrâs Verlag, 2007, ISBN 978-3-89947-339-1.
cite-note-1616. â G. Muschiolik (Hrsg.): Multiple Emulsionen â Herstellung und Eigenschaften. Behrâs Verlag, 2022, ISBN 978-3-95468-865-4.
cite-note-1717. â G. Muschiolik: Multiple Emulsionen â Stand und Fortschritte. In: Behr's Jahrbuch 2018 Lebensmittelwirtschaft. BehrÂŽs GmbH, Hamburg 2018, ISBN 978-3-95468-526-4, S. 85â93.
cite-note-1818. â G. Muschiolik, E. Dickinson: Double Emulsions Relevant to Food Systems: Preparation, Stability, and Applications. In: Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. Band 16, 2017, S. 532â555. doi:10.1111/1541-4337.12261
cite-note-1919. â Rolf Marr, Manfred Prötsch, Alexander Bouvier, Josef Draxler, Alois Kriechbaumer: Kontinuierliche Versuche zur FlĂŒssig-Membran-Permeation in einer Pilot-Anlage. In: Chemie Ingenieur Technik. Band 55, Ausgabe 4, 1983, S. 328â329.