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Emulgatoren spielen als Lebensmittelzusatzstoffe zur Konditionierung eine wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie. Werfen wir einen Blick auf den Wirkmechanismus von Emulgatoren!

Emulsion

Die übliche Emulsion in Lebensmitteln besteht aus Wasser oder einer wässrigen Lösung, die zusammen als hydrophile Phase bezeichnet wird. Die andere Phase ist eine organische Phase, die nicht mit Wasser mischbar ist und auch als lipophile Phase bezeichnet wird. Zwei nicht mischbare Flüssigkeiten wie Wasser und Öl können beim Mischen zwei Arten von Emulsionen bilden, nämlich Wasser-in-Öl-Emulsionen (O/W) und Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O).

In einer Wasser-in-Öl-Emulsion ist das Öl in Form winziger Tröpfchen im Wasser dispergiert, wobei die Öltröpfchen die Dispersionsphase und das Wasser das Dispersionsmedium bilden. Kuhmilch ist beispielsweise eine Öl-in-Öl-Emulsion. Bei Wasser-in-Öl-Emulsionen ist das Gegenteil der Fall. Das Wasser ist in Form winziger Tröpfchen im Öl dispergiert, wobei das Wasser die Dispersionsphase und das Öl das Dispersionsmedium bildet. Künstliche Butter ist beispielsweise eine Art von Öl-in-Öl-Emulsion.

Der Wirkungsmechanismus von Emulgatoren

Lebensmittelemulgatoren, auch Tenside genannt, sind Substanzen, die nicht mischbare Flüssigkeiten in gleichmäßig verteilte Phasen (Emulsionen) überführen. Werden sie Lebensmitteln zugesetzt, können sie die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser deutlich reduzieren, sodass nicht mischbare Öle (hydrophobe Substanzen) und Wasser (hydrophile Substanzen) als Lebensmittelzusatzstoffe stabile Emulsionen bilden können.

Einerseits bilden Emulgatoren eine dünne Molekülschicht auf den sich gegenseitig abstoßenden Phasenoberflächen, wodurch die freie Oberflächenenergie des gesamten Systems reduziert und neue Grenzflächen gebildet werden. Emulgatormoleküle besitzen hydrophile und oleophile funktionelle Gruppen, die an den sich gegenseitig abstoßenden Phasenoberflächen von Öl und Wasser adsorbieren können, wodurch eine dünne Molekülschicht entsteht und die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen reduziert wird. Das heißt, der oleophile Teil des Ölmoleküls und des Emulgators befindet sich auf der einen Seite, der hydrophile Teil des Wassermoleküls und des Emulgators auf der anderen Seite. Diese Wechselwirkung zwischen den beiden führt zu einer Änderung der Grenzflächenspannung.

Andererseits verleiht es dem Tropfen durch die Bildung einer schützenden Adsorptionsschicht auf seiner Oberfläche eine hohe räumliche Stabilität. Je mehr Emulgatoren zugegeben werden, desto stärker verringert sich die Grenzflächenspannung. Dadurch können sich bisher nicht mischbare Substanzen gleichmäßig vermischen und ein homogenes, dispergiertes System bilden, das den ursprünglichen physikalischen Zustand verändert und so die innere Struktur des Lebensmittels verbessert und seine Qualität steigert.
Hydrophiler und oleophiler Gleichgewichtswert

Im Allgemeinen bilden Emulgatoren mit starker Hydrophilie Öl-Wasser-Emulsionen, während Emulgatoren mit starker Hydrophilie Wasser-Öl-Emulsionen bilden. Um das hydrophile und lipophile Gleichgewicht von Emulgatoren anzuzeigen, wird üblicherweise der HLB-Wert (hydrophiler lipophiler Gleichgewichtswert) verwendet, und der HLB-Wert wird verwendet, um die Hydrophilie von Emulgatoren darzustellen. Es gibt verschiedene Berechnungsmethoden für den HLB-Wert.

Differenzformel: HLB=Hydrophilie der hydrophilen Gruppe – Hydrophobie der lipophilen Gruppe

Verhältnisformel: HLB = Hydrophilie der hydrophilen Gruppe/Hydrophobie der oleophilen Gruppe

Der HLB-Wert jedes Emulgators kann experimentell bestimmt werden. Bei Emulgatoren mit 100 % Lipophilie beträgt der HLB-Wert 0 (dargestellt durch Paraffinwachs), bei Emulgatoren mit 100 % Hydrophilie beträgt der HLB-Wert 20 (dargestellt durch Kaliumoleat). Dieser Wert wird in 20 gleiche Teile aufgeteilt, um die Stärke der Hydrophilie und Oleophilie anzugeben. Je höher der HLB-Wert, desto stärker die Hydrophilie, und je niedriger der HLB-Wert, desto stärker die Oleophilie.

Die überwiegende Mehrheit der essbaren Emulgatoren sind nichtionische Tenside mit HLB-Werten zwischen 0 und 20. Die verschiedenen HLB-Werte und die damit verbundenen Eigenschaften nichtionischer Emulgatoren sind in der Tabelle aufgeführt. Der HLB-Wert ionischer Tenside liegt zwischen 0 und 40. Daher sind Emulgatoren mit HLB-Werten <10 hauptsächlich lipophil, während Emulgatoren mit HLB-Werten ≥ 10 hydrophile Eigenschaften aufweisen.

Bei gemischten Emulgatoren haben die HLB-Werte additive Eigenschaften. Wenn zwei oder mehr Emulgatoren gemischt und verwendet werden, kann der HLB-Wert des gemischten Emulgators basierend auf dem Massenanteil jedes Emulgators in seiner Zusammensetzung berechnet werden:

HLBa,b =HLBa·A%+HLBb·B%

In der Formel

HLBa, b ist der HLB-Wert des Emulgators a, b, der miteinander vermischt ist;

HLBa und HLBb sind die HLB-Werte der Emulgatoren a bzw. b;

A% und B% sind die prozentualen Gehalte von a bzw. b im gemischten Emulgator (diese Formel gilt nur für nichtionische Emulgatoren).
Herstellungsverfahren und Einflussfaktoren von Emulgatoren

Es gibt vier Methoden zur Herstellung von Emulgatoren, nämlich die Trockengelmethode, die Nassgelmethode, die Öl-Wasser-Phasenmischmethode und die mechanische Methode.

Trockengelmethode, bei der einer emulgatorhaltigen Ölphase Wasser zugesetzt wird. Bei der Herstellung wird das Gummipulver (Emulgator) zunächst gleichmäßig mit dem Öl vermischt, eine bestimmte Menge Wasser hinzugefügt, gemahlen und zu Kolostrum emulgiert und anschließend mit Wasser auf die volle Menge verdünnt.

Nassgel-Methode, bei der einer emulgatorhaltigen Wasserphase Öl zugesetzt wird. Bei der Herstellung wird das Gel (Emulgator) zunächst in Wasser gelöst, um eine Aufschlämmung als Wasserphase zu bilden. Anschließend wird die Ölphase schrittweise zur Wasserphase hinzugefügt, zu Kolostrum gemahlen und mit Wasser auf die volle Menge aufgefüllt.

Mischen Sie die Öl- und Wasserphasen und geben Sie sie zum Emulgator, wobei Sie eine bestimmte Menge Öl und Wasser mischen. Mahlen Sie arabisches Gummi in einem Mörser, mahlen Sie dann schnell die Öl-Wasser-Mischung zu Kolostrum und verdünnen Sie es mit Wasser.

Bei der Herstellung von Emulgatoren handelt es sich hauptsächlich um das Emulgieren zweier Flüssigkeiten, wobei die Qualität der Emulgierung einen erheblichen Einfluss auf die Qualität der Emulsion hat.

Zu den Faktoren, die die Emulgierung beeinflussen, gehören hauptsächlich Grenzflächenspannung, Viskosität und Temperatur, Emulgierungszeit und die Menge des verwendeten Emulgators. Im Allgemeinen werden Emulgatoren ausgewählt, die die Grenzflächenspannung deutlich reduzieren können. Die am besten geeignete Emulgierungstemperatur für Emulgatoren liegt bei etwa 70 °C. Wenn nichtionische Tenside als Emulgatoren verwendet werden, sollte die Emulgierungstemperatur ihre Spitzentemperatur nicht überschreiten. Je mehr Emulgatoren verwendet werden, desto stabiler ist die gebildete Emulsion.

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