Emulsionen stabil produzieren – eine anspruchsvolle Aufgabe

Worauf kommt es bei der Produktion von Emulsionen an?

Unterschied zwischen Emulsion und Dispersion

Unter einer Emulsion versteht man ein fein verteiltes Gemisch zweier normalerweise nicht mischbarer Flüssigkeiten ohne sichtbare Entmischung. Beispiele für Emulsionen sind Milchalternativen wie z.B. Haferdrinks, Milch, Mischgetränke, Salatdressings oder Würzsaucen.

Dagegen handelt es sich beim Dispergieren um das Feinzerteilen und Vermischen eines festen oder flüssigen Stoffes in einer mit diesem Stoff nicht lösbarer Flüssigkeit. Der verteilte Stoff liegt in Form kleinster Partikel vor (= Dispersion) wie zum Beispiel bei Ketchup.

Emulsionen werden in O/W (Öl in Wasser mit durchgehend wässriger Phase) wie Haferdrinks oder Milchgetränke und W/O (Wasser in Öl mit durchgehender Ölphase) wie Butter oder Margarine eingeteilt.

Emulgatoren

Für die Herstellung einer Emulsion bedarf es nicht nur der Öl- und der Wasserphase, die miteinander nicht echt mischbar sind, sondern zusätzlich eines Emulgators. Dieser hat die Aufgabe, die zwischen den beiden Phasen bestehenden Grenzflächenspannungen herabzusetzen, indem er sich an der Grenzfläche zwischen den beiden Phasen anreichert. 

Deshalb ist bei der Herstellung von Emulsionen darauf zu achten, ausreichende Mengen wirksamer Emulgatoren zur Umhüllung der Öltröpfchen zu verwenden. Je feiner die Öltröpfchenverteilung in der Wasserphase ist, umso größer wird die gesamte Oberfläche der Öltröpfchen und umso mehr Emulgator wird zur Umhüllung dieser Öltröpfchen benötigt.

Emulgatoren besitzen im Molekül einen hydrophilen und einen lipophilen Teil. Damit sind sie in der Lage, sich an den Grenzflächen von Öltröpfchen und Wasser anzulagern und ein Zusammenfließen z.B. von Öltröpfchen zu verhindern. Ein häufig verwendeter Emulgator ist Lecithin. Als Emulgatoren werden für saure Würzsaucen und Salatcreme und Salatsaucen vornehmlich Eigelb und Milcheiweiß eingesetzt. Sojaproteine, Glyzeride und deren Ester sind ebenso zu finden.

Für die Bewertung von Emulgatoren steht der HLB-Wert (Hydrophilic-Lipophilic-Balance). Er drückt rechnerisch die Wirkungsweise von Emulgatoren aus. Festgelegt wurden für Paraffin der Wert HLB = 0 und für Wasser HLB = 20. In einem Wasser-Öl-System entstehen durch Emulgatoren mit einem HLB-Wert von 2 bis 8 bevorzugt Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O-Typ). Mit einem HLB-Wert von 14 bis 18 wird Öl in Wasser emulgiert (O/W-Emulsion).

Folglich ergibt sich mit der Kenntnis des Produkts und dessen Zutaten und der Auswahl des richtigen Emulgators die dann erforderliche Herstellungslinie. Eine tatsächlich komplexe Aufgabe, die viel Erfahrung erfordert. Vor allem dann, wenn neue Produktkreationen oder -varianten marktreif entwickelt werden sollen.

Produktstabilität von Emulsionen

Solche Produkte werden meist lange Zeit gelagert – beim Verbraucher oft auch bereits geöffnet im Kühlschrank wie beispielsweise Gewürzsaucen oder Salatdressings. Damit wirkt die Schwerkraft und der Dichteunterschied zwischen Öl und Wasser macht sich mit der Zeit bemerkbar.

Gleichzeitig kommt es zu lebensmittelchemischen Veränderungen wie Oxidation von Aroma- und Farbstoffen (off-flavour) sowie zur Autoxidation vor allem bei ungesättigten Fettsäuren, die ebenfalls zu untypischen Aromen führen.

Vorgänge beim Emulgierprozess

Die Komponenten werden gemischt und es entsteht eine grobdisperse Rohemulsion. Beim anschließenden Feinemulgieren, z. B. mit Hilfe von Rotor-Stator-Homogenisatoren, werden die groben Tropfen in einer turbulenten Strömung infolge von Druck-, Spannungs- und Scherkräften deformiert.

Hält diese Verformung länger als die kritische Deformationszeit an und überschreitet die Deformation ein kritisches Maß, brechen die Tropfen auf und werden zerkleinert. Dadurch entsteht eine neue Phasengrenzfläche, die durch adsorbierende Emulgatormoleküle wieder belegt wird. In diesem Stadium sind die neu gebildeten Tropfen anfällig gegenüber Koaleszenz wenn sie in Folge einer durch die Emulgiermaschine verursachten Strömung kollidieren. Eine schnelle Belegung der Phasengrenze mit Emulgatormolekülen führt zu einer besseren Stabilisierung der Grenzfläche.

Maschineller Emulgierprozess

Der maschinelle Emulgierprozess kann in drei Abschnitte gegliedert werden. Zunächst werden die Komponenten zu einer grobdispersen Rohemulsion vermischt.

Anschließend erfolgt die Feinemulgierung, indem die Öltropfen der dispersen Phase durch mechanische Energie aufgebrochen und zerkleinert werden. Die Stabilisation der Emulsion erfolgt durch die Emulgatoren, welche ein erneutes Zusammenfließen der Öltröpfchen verhindern. Dazu müssen die beim Tropfenaufbruch neu gebildeten Grenzflächen durch die Emulgatoren ausreichend schnell besetzt werden.

Die industrielle Herstellung von Salatdressings geschieht fast ausschließlich mit Hilfe hochtouriger Homogenisiermaschinen, sogenannter Kombinatoren. Die beiden
wichtigsten Vertreter sind Zahnkranzdispergiermaschinen und Kolloidmühlen, welche auf
dem Rotor-Stator-Prinzip aufgebaut sind.

Kolloidmühlen bestehen aus einem koaxialen Rotor-Stator-System, wobei die Drehzahl des Rotors zwischen 1.000 und 5.000 U/min beträgt. Der konische Ringspalt zwischen dem Rotor und dem Stator bildet die Dispergierzone. Die Rohemulsion wird mit hohem Druck durch den engen Spalt gedrückt. Durch die hochtourige Rotation des Rotors entsteht an diesem ein hohes Schergefälle, dessen Kraft größer als die Festigkeit der mitströmenden Öltröpfchen ist.

Durch die Scherkräfte werden die Öltröpfchen zerkleinert und gleichmäßig in der Emulsion verteilt. Die Spaltbreite liegt unter einem Millimeter, wobei der Ringspalt durch axiales Verstellen von Rotor und Stator variiert werden kann.

Besondere Einsatzgebiete von Emulsionen

Es existieren allerdings noch komplexere Systeme. Für Nahrungsergänzungsmittel, Sportnahrung, Medikamente, Salben oder Kosmetika sind besondere Eigenschaften erforderlich. MCT-Öl und MCT-Margarine werden beispielsweise bei diätetischen Lebensmitteln und Produkten für die künstliche Ernährung (enteral und parenteral) eingesetzt. Gleichzeitig ist für viele Anwendungen der Einbau von Vitaminen, Probiotika und Wirkstoffen in die Matrix erforderlich.

Was ist bei der Herstellung von Emulsionen zu beachten?

Ralf Kettner, Senior Application Specialist bei TER Ingredients, hebt hervor, dass viele Faktoren bei der Herstellung der Emulsion zu beachten sind: „Bei der Entwicklung von flüssigen Produkten ist es unabdingbar, die gesamten Rohstoffe und deren Eigenschaften zu kennen, welche Einfluss auf die Dichte und die Viskosität des Endproduktes haben. Proteine, Hydrokolloide, Zucker und auch Fasern suchen alle die Verbindung zum Wasser. Das ist entscheidend zu wissen, um den Einsatz des richtigen Emulgators zu planen. Gut eingestellte Emulsionen haben bereits in der Produktion einen hohen Stellenwert für den Hersteller. Eine Flüssigkeit mit definierter Viskosität erleichtert die Parameter für die Pumpen, den Durchfluss im Rohrsystem und in den Wärmetauschern. Ebenso ist sie schonender, da durch die gleichbleibende Dichte die Kavitation signifikant vermindert wird und somit zu einer längeren Lebensdauer der Produktionsanlagen beiträgt. Auch für eine exakte Abfüllung ist sie ein entscheidender Faktor.“

Demulsion

Wird eine Emulsion instabil, bezeichnet man das als Demulgierung, die Emulsion „bricht“. Folgende Demulsionsvorgänge führen zum Zusammenlaufen:

• Aufrahmen (reversibel): aufgrund des Dichteunterschieds der Phasen
• Aggregation (reversibel): durch die Anziehungskräfte an den Tröpfchenoberflächen
• Koaleszenz (irreversibel): Zusammenlaufen zweier Tröpfchen durch Bildung einer gemeinsamen, kleineren Oberfläche nach Überwindung der abstoßenden Kräfte an den Tröpfchenoberflächen

Einflussfaktoren für die Stabilität von Emulsionen:

• Qualität des Grenzflächenfilms (Emulgatoren, Temperatur; Oberflächenspannung: gesenkt durch Emulgatoren; Viskosität der äußeren Phase: erhöht durch Hydrokolloide)
• Grad der Zerteilung der inneren Phase (Homogenisatoren)
• Dichteunterschied der Phasen

Zusätzliche Wechselwirkungen von Emulgatoren mit anderen Bestandteilen können die Emulgatorwirkung unterstützen. Dazu dient (modifizierte) Stärke. Das Innere der Amylose-Helix ist hydrophob, der lipophile Teil eines Emulgators kann sich in die Helix einlagern (Viskositätserhöhung). Die Ausbildung der Kristallmodifikation der Lipide kann durch Emulgatoren gezielt gesteuert und stabilisiert werden. Proteine wiederum binden den Emulgator in Abhängigkeit vom pH-Wert an Seitengruppen. Auch hier wird die Viskosität erhöht.

Mikrobiologische Sicherheit von Emulsionen

Die mikrobiologische Sicherheit wird ebenfalls von der Qualität der Feinverteilung der Wasserphase beeinflusst. Die Mikroorganismen befinden sich in der wässrigen Phase (in den Tropfen). Pro Tropfen dürfen nur einige Mikroorganismen enthalten sein. Das Wachstum ist durch die Tropfengröße („kritischer Durchmesser“), ab dem die Mikroorganismen nicht mehr wachsen können, beschränkt. Auch in größeren Tropfen ist das Wachstum wegen der Substratlimitierung begrenzt. Laut Untersuchungen kommt es bei einem Tropfendurchmesser von etwa 1,3 µm zum Absterben von MO.

Beispiel einer Suspension: Herstellung von Tomatenketchup

Nach der Anlieferung werden die Tomaten in Schwemmrinnen zur Wasch- und Sortierlinie gespült, wo sie zunächst mit Hilfe von Sprüheinrichtungen mit Frischwasser gewaschen und dann sortiert werden. Die Zerkleinerung kann bei 60-70°C (= Cold Break) oder bei 90-95°C (= Hot Break) geschehen. Letztgenanntes Verfahren gewährleistet die Inaktivierung der pektinolytischen Enzyme und somit infolge des verhinderten Pektinabbaus eine viskosere Konsistenz. Es müssen jedoch die Nachteile durch die erhöhte thermische Belastung hingenommen werden.

Kerne und Schalen werden mit Hilfe von Trommelsieben oder Zentrifugen entfernt. Tomaten werden passiert. Das Mark wird über Fallstromverdampfer eingedickt. Hier wird die Temperatur von 80°C nicht überschritten, weshalb im Vakuum eingedampft wird. 
Tomatenketchup enthält außer einfach konzentriertem Tomatenmark Zutaten wie Zucker und Zuckerarten, Salz, Essig und Gewürze. Die Tomatentrockenmasse muss gemäß der „Richtlinie zur Beurteilung von Tomatenketchup“ mind. 7 % betragen. Mindere Qualitäten mit weniger Tomatentrockenmasse („Gewürzketchups“) enthalten zudem Wasser und Verdickungsmittel (modifizierte Stärke, Xanthan etc.).

Ein wichtiger Verfahrensschritt ist das Mischen und Homogenisieren für die Feinverteilung. Anschließend wird heiß oder kaltsteril abgefüllt.

Ketchup ist eine strukturviskose Flüssigkeit, deren Viskosität mit stärker werdender Scherkraft abnimmt (thixotropes Verhalten). Deswegen sollte man die noch geschlossene Flasche schütteln und nach Öffnung im 45° – Winkel vorsichtig den Ketchup herausfließen lassen.

Fazit

„Durch die Verwendung und korrekte Anwendung der richtigen Emulgatoren“ so Ralf Kettner, „findet der Verbraucher schwebende Kräuter in Salatdressings, farblich ansprechende und stabile Milchmischgetränke, gleichmäßig verteilte Kügelchen in Bubbleteas und optimal vermischte Gewürze und Kräuter in Würzsoßen und Dips in der Glasflasche im Supermarktregal vor, welche ihn bereits wegen der attraktiven Optik zum Kauf einladen.“