So funktionieren Emulgatoren.

Mit dem steigenden Lebensstandard der Bevölkerung beschränken sich die Anforderungen der Verbraucher an Lebensmittel nicht mehr nur auf einen angemessenen Nährwert. Sie fordern auch zufriedenstellende sensorische Eigenschaften wie Aussehen, Farbe, Aroma, Geschmack, Konsistenz und Frische.

Als texturverändernde Lebensmittelzusatzstoffe spielen Emulgatoren eine entscheidende Rolle in der Lebensmittelindustrie. Betrachten wir nun ihren Wirkungsmechanismus genauer.Emulgatoren!

Emulsionen

Emulsionen sind in Lebensmitteln weit verbreitet. Eine Phase besteht aus Wasser oder wässrigen Lösungen und wird zusammenfassend als hydrophile Phase bezeichnet; die andere Phase ist eine mit Wasser nicht mischbare organische Phase, die auch als lipophile Phase bekannt ist. Werden zwei nicht mischbare Flüssigkeiten wie Wasser und Öl vermischt, können zwei Arten von Emulsionen entstehen: Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W) und Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O). Bei Öl-in-Wasser-Emulsionen ist Öl in Wasser in Form winziger Tröpfchen dispergiert. Die Öltröpfchen bilden die dispergierte Phase, das Wasser das kontinuierliche Medium. Milch ist ein typisches Beispiel für eine O/W-Emulsion. Umgekehrt ist bei Wasser-in-Öl-Emulsionen Wasser in Öl in Form winziger Tröpfchen dispergiert. Hierbei fungiert Wasser als dispergierte Phase und Öl als kontinuierliches Medium. Margarine ist ein typisches Beispiel für eine W/O-Emulsion.

Wirkungsmechanismus von Emulgatoren

Lebensmittel-Emulgatoren, auch genanntTensideEs handelt sich dabei um Substanzen, die nicht mischbare Flüssigkeiten in gleichmäßig dispergierte Emulsionen umwandeln. Als Lebensmittelzusatzstoffe können sie nach der Einarbeitung in Lebensmittel die Grenzflächenspannung zwischen Öl- und Wasserphase deutlich reduzieren und so stabile Emulsionen aus nicht mischbarem Öl (hydrophobe Substanzen) und Wasser (hydrophile Substanzen) bilden.

Einerseits bilden Emulgatoren dünne Molekularfilme an den sich gegenseitig abstoßenden Grenzflächen der beiden Phasen, um die Oberflächenenergie des Gesamtsystems zu senken und neue Grenzflächen zu erzeugen. Emulgatormoleküle enthalten sowohl hydrophile als auch lipophile Gruppen, die an den sich gegenseitig abstoßenden Oberflächen von Öl bzw. Wasser adsorbieren und so dünne Molekularschichten bilden, die die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen reduzieren. Genauer gesagt interagieren Ölmoleküle mit den lipophilen Segmenten der Emulgatoren, während Wassermoleküle mit den hydrophilen Segmenten interagieren. Diese Wechselwirkung verändert die Grenzflächenspannung. Andererseits bilden Emulgatoren schützende Adsorptionsschichten auf der Oberfläche kleinster Tröpfchen und verleihen diesen eine starke sterische Stabilisierung. Im Allgemeinen führt eine höhere Emulgatordosierung zu einer deutlicheren Reduzierung der Grenzflächenspannung. Dadurch können sich ursprünglich nicht mischbare Substanzen gleichmäßig vermischen und ein homogenes Dispersionssystem bilden, was den ursprünglichen physikalischen Zustand verändert, die innere Struktur der Lebensmittel optimiert und die Lebensmittelqualität verbessert.

Hydrophil-Lipophil-Gleichgewichtswert

Das hydrophil-lipophile Gleichgewicht (HLBEmulgatoren mit starker Hydrophilie bilden in der Regel Öl-in-Wasser-Emulsionen, während solche mit starker Lipophilie Wasser-in-Öl-Emulsionen bilden. Der HLB-Wert wird häufig verwendet, um das hydrophil-lipophile Gleichgewicht von Emulgatoren zu charakterisieren und ihre Hydrophilie zu quantifizieren. Es stehen verschiedene Berechnungsmethoden für HLB-Werte zur Verfügung.

Differenzformel: HLB = Hydrophilie hydrophiler Gruppen−Lipophobie lipophiler Gruppen

Verhältnisformel: HLB = Hydrophilie der hydrophilen Gruppen / Lipophobie der lipophilen Gruppen

Der HLB-Wert jedes Emulgators kann experimentell bestimmt werden. Emulgatoren mit 100 % Lipophilie (z. B. Paraffinwachs) haben einen HLB-Wert von 0, solche mit 100 % Hydrophilie (z. B. Kaliumoleat) einen HLB-Wert von 20. Der Bereich zwischen 0 und 20 ist in 20 gleiche Teile unterteilt, um die Stärke der Hydrophilie und Lipophilie anzugeben. Ein höherer HLB-Wert entspricht einer stärkeren Hydrophilie, ein niedrigerer HLB-Wert einer stärkeren Lipophilie.

Die meisten Emulgatoren in Lebensmittelqualität sind nichtionische Tenside mit HLB-Werten zwischen 0 und 20; die entsprechenden Eigenschaften nichtionischer Emulgatoren mit unterschiedlichen HLB-Werten sind in der Tabelle aufgeführt. Ionische Tenside hingegen weisen HLB-Werte zwischen 0 und 40 auf. Daher sind Emulgatoren mit HLB-Werten unter 10 überwiegend lipophil, während solche mit HLB-Werten von 10 oder darüber hydrophile Eigenschaften aufweisen.

Bei gemischten Emulgatoren addieren sich deren HLB-Werte. Werden zwei oder mehr Emulgatoren kombiniert verwendet, lässt sich der HLB-Wert des gemischten Emulgators daher anhand der Massenanteile der einzelnen Emulgatoren berechnen: HLBa,b = HLBa·A% + HLBb·B%

Dabei bezeichnet HLBa,b den HLB-Wert der Mischung aus Emulgator a und Emulgator b; HLBa und HLBb bezeichnen die jeweiligen HLB-Werte von Emulgator a und Emulgator b; A% und B% stehen für die Massenprozente von Emulgator a und Emulgator b in der Emulgatormischung (Diese Formel ist nur auf nichtionische Emulgatoren anwendbar).

Herstellungsverfahren und Einflussfaktoren von Emulgatoren

Es gibt vier Herstellungsverfahren für Emulgatoren, nämlich das Trockengummiverfahren, das Nassgummiverfahren, das Öl-Wasser-Phasenmischverfahren und das mechanische Verfahren.

Bei der Trockengummimethode wird die wässrige Phase der ölhaltigen Emulgatorphase zugegeben. Dazu wird Gummipulver (Emulgator) zunächst gleichmäßig mit Öl vermischt, eine bestimmte Menge Wasser hinzugefügt und die Mischung vermahlen und zu einer Primäremulsion emulgiert. Anschließend wird Wasser bis zum Endvolumen zugegeben. Bei der Nassgummimethode wird die Ölphase der emulgatorhaltigen wässrigen Phase zugegeben. Hierbei wird Gummi (Emulgator) zunächst in Wasser gelöst, um Gummischleim als wässrige Phase herzustellen. Anschließend wird die Ölphase portionsweise zugegeben und zu einer Primäremulsion vermahlen. Danach wird Wasser bis zum Endvolumen zugegeben. Bei der Öl-Wasser-Phasenmischung werden eine bestimmte Menge Öl und Wasser vermischt, Akaziengummi in einem Mörser fein vermahlen, die Öl-Wasser-Mischung hinzugegeben und schnell zu einer Primäremulsion vermahlen. Anschließend wird mit Wasser verdünnt.

Die Herstellung von Emulgatoren dient hauptsächlich der Emulgierung zweier Flüssigkeiten, wobei der Emulgierungseffekt die Qualität der Emulsionen maßgeblich beeinflusst. Zu den wichtigsten Einflussfaktoren zählen die Grenzflächenspannung, die Viskosität, die Temperatur, die Emulgierzeit und die Emulgatordosierung. Im Allgemeinen werden Emulgatoren ausgewählt, die die Grenzflächenspannung deutlich reduzieren. Die optimale Emulgiertemperatur für Emulgatoren liegt bei etwa 70 °C.°C; Werden nichtionische Tenside als Emulgatoren verwendet, darf die Emulgiertemperatur deren Trübungspunkt nicht überschreiten. Generell gilt: Je höher die Emulgatormenge, desto stabiler die gebildeten Emulsionen.