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Tröpfchen, die für Stabilität sorgen

Kleinere Tropfen verändern die Eigenschaften von Emulsionen. Nano­emulsionen können für eine bessere Stabilität sorgen und werden zur Fettreduktion oder Erhöhung der Bioverfügbarkeit von Inhaltsstoffen eingesetzt.

von Alimenta Import

Emulsionen sind heterogene Gemische aus mindestens zwei Flüssigkeiten, die sich nicht ineinander lösen. Emulsionen treten in verschiedenen Anwendungen auf, unter anderem in kosmetischen und pharmazeutischen Produkten oder Wasch- und Reinigungsmitteln. Aber auch viele Lebensmittel sind Emulsionen oder enthalten emulsions­basierte Komponenten.

Margarine oder Butter sind typische Wasser-in-Öl-Emulsionen (w/o), eine Mayonnaise ist eine typische Öl-in-Wasser-Emulsion (o/w). Die Wassertropfen in Margarinen sowie die Öltropfen in handelsüblichen Mayonnaisen haben einen Durchmesser von bis zu 5 Mikrometern (µm), also 5000 Nanometern (nm).

Durch eine Verkleinerung der Tropfengrösse können sich Eigenschaften von Emul­sionen verändern.
Bei einer Tropfengrössenverteilung von 20 bis 200 nm spricht man von Mini-, Ultrafein-, Submikron- oder Nanoemulsionen. Erich Windhab, Professor für Verfahrenstechnik am Institut für Lebensmittel- und Ernährungswissenschaften an der ETH Zürich, sieht Möglichkeiten, aber auch Grenzen von Nanoemulsionen in Lebensmitteln.

Gefahr für sensitive Komponenten
«Ein wichtiger Grund, warum eine kleinere Tropfengrösse angestrebt wird, ist die Stabi­lität der Emulsion», meint Windhab. «Das heisst, wenn ich die Tropfen in einer Mayonnaise oder in einer Margarine verkleinere, habe ich ein stabileres Mehrphasensystem vor­lie­gen, das sich nicht so leicht entmischt.»

Wird jedoch neue Grenzfläche geschaffen, muss entsprechende «Grenzflächenarbeit» geleistet werden. Die Energie, die zur Tropfenverkleinerung in ein Emulsionssystem eingebracht wird, kann allerdings andere, insbesondere mechanisch sensitive Komponenten in ihrer Struktur verändern und damit in ihrer Funktionalität einschränken.

So können bei einer Mayonnaise Hydrokolloide, die zur Texturverbesserung der kontinuierlichen Phase beigegeben werden, in ­ihrer netzwerkbildenden Eigenschaft gestört werden. Aufgrund prozesstechnischer Erfahrung kann mittels Hochdruckhomogenisato­ren eine Emulsionstropfengrösse von minimal 100 bis 200 nm erreicht werden.

Eine der entwicklungstechnischen Herausforderungen besteht folglich darin, höchstmögliche Strukturstabilität durch Feindispergierung zu ­erreichen, ohne zu riskieren, dass andere Komponenten mechanisch degradiert und in ihrer Funktionalität geschädigt werden.»

Doppelemulsion zur Fettreduktion

Aufgrund der aktuellen Diskussionen zu Adipositas ist die Reduktion des Fettgehaltes in vielen Lebensmitteln von grossem Interesse. Eine normale Mayonnaise enthält ungefähr 75% Fett. Dieses liegt als Öltropfen vor, so dicht, dass eine Art Tropfennetzwerk gebildet wird, welches der Mayonnaise die typische ­pastöse bis halbfeste Textur gibt.

Wenn der Fettgehalt einer Mayonnaise reduziert wird, sind zu wenig Öltropfen vorhanden, um ein stabiles Netzwerk zu bilden. Infolgedessen würden die Tropfen aufgrund des Dichte­unterschiedes aufrahmen. Zudem würde die ­Mayonnaise nicht mehr so cremig schmecken, da zwischen Gaumen und Zunge weniger Öltropfen wahrgenommen werden.

Eine Möglichkeit, den Fettgehalt in einer ­Mayonnaise zu reduzieren, ist die Herstellung einer Doppelemulsion: Die Öltropfen in der Mayonnaise werden ihrerseits mit noch kleineren Wassertropfen gefüllt. Damit kann der Ölanteil um mehr als 50% reduziert ­werden, ohne dass die Entmischungsstabilität verloren geht oder weniger das cremige Mundgefühl erzeugende Tropfen zwischen Zunge und Gaumen wahrgenommen werden.

Die kleinen Wassertropfen können dabei auch in den Grössenbereich von bis zu 100 nm kommen. «Doch da es sich ‹nur› um in kleinsten Portionen vorliegendes Wasser handelt, ist das Thema toxikologisch irrelevant und müsste in einer Nano-in-Food-Diskussion nicht erörtert werden», sagt Windhab. Die Emulsionsstruktur werde während der Verdauung ohnehin desintegriert, und das Wasser, inner- oder ausserhalb der Öltropfen in der Mayonnaise, werde Teil des Verdauungs­saftes.

Nanoskalige Wassertropfen könnten ebenfalls in Produkte eingebaut werden, die vorher keine Emulsionen waren, so in Kakaobutter zur Fettreduzierung in Schokolade oder Konfekt. Derartige Wassertropfen können  derart fein dispergiert in die Kakaobutter eingebettet werden, dass sie auf der Zunge und im Gaumen nicht wahrgenommen werden.

Wie eine Nanoemulsion hergestellt wird
Nanoemulsionen werden mit herkömmlichen Emulgierverfahren hergestellt. Mithilfe von Rotor-Stator-Dispergierer, Hochdruckhomogenisatoren oder Ultraschalldispergierer können kleine Tropfengrössen mit enger Grössenverteilung erreicht werden. Die hohen Scherraten, die zur Tropfenzerkleinerung im Strömungsfeld der umgebenden kontinuierlichen Fluidphase notwendig sind, führen infolge der einhergehenden viskosen Fluidreibung zu einer Erwärmung des Produktes, wobei mechanisch und/oder thermisch empfindliche Komponenten verändert oder zerstört werden.

An der ETH Zürich wurde ein besonders schonendes Emulgierverfahren für Einfach- und Doppelemulsionen entwickelt. Dabei wird die zu dispergierende Phase durch eine rotierende Nanomembran gedrückt. An der Oberfläche der Membran entstehen Minitropfen, die durch die einstellbare Überströmung abgelöst werden. Solche rotierende Membranapparate (Rome) werden in der Schweiz hergestellt und befinden sich in einigen Fabriken der Lebensmittel-, Kosmetik- und Pharmaindustrie in der Erprobungsphase für den Produktionseinsatz.

Auswirkung auf den Menschen
Risiken für die menschliche Gesundheit, hervorgerufen durch Nanoemulsionen, sind nicht bekannt und sind auch nicht zu erwarten, ­sofern keine toxikologische Bedenklichkeit gegenüber den Inhaltsstoffen besteht. Durch die Struktur von Nanoemulsionen können Nähr- und Wirkstoffe besser transportiert, besser geschützt und effizienter bioverfügbar gemacht werden.

Eine Emulsion kann in ihrer Struktur auf die Kinetik des Verdauungsvorganges und sogar auf bestimmte Rezeptoren im Dünndarm abgestimmt werden, um eine effizientere Nutzung von in der Emulsion enthaltenen Mikronährstoffen zu realisieren.

Ein Beispiel dafür sind Anwendungen ­gegen Eisenmangel. Der Teil des Zwölffingerdarmes, in dem Eisen am effizientesten re­sorbiert und in den Blutkreislauf transferiert werden kann, ist auf ein Darmstück von ­gerade mal 8 bis 10 cm Länge beschränkt. Das über herkömmliche eisenhaltige Lebensmittel oder auch Eisenpräparate zugeführte Eisen kann mit anderen Komponenten der aufgenommenen Nahrung (aus Zerealien stammen­­de Phytinsäure bzw. Phytate) im Verdauungstrakt komplexieren und ist dadurch nicht mehr bioverfügbar.

Mit gezielt eingestellten Emulsionsstrukturen, in denen das Eisen vor der Komplexbildung geschützt ist, können der Ort der Freisetzung und die Kinetik, das heisst die Geschwindigkeit der Freisetzung, eingestellt werden.