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Lebensmitteltechnologie (Subject) / 6. Disperse Systeme (Lesson)
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- Definition Disperse Systeme Disperse Systeme bestehen aus zwei oder mehr Phasen, von denen mindestens eine dispers vorliegt und von einer kontinuierlichen Phase umgeben ist.
- Stabilität disperser Systeme Chemische Stabilität: Beeinträchtigung wertgebender Inhaltsstoffe Physikalische Stabilität: Beeinträchtigung sensorischer Eigenschaften Mikrobiologische Stabilität: Verderb
- Suspensionen Dispersionen von Feststoffteilchen in Flüssigkeiten Metastabile Systeme bezüglich Aggregation und Sedimentation
- Herstellung von Suspensionen Trockenvermahlung von Feststoffen mit nachfolgender Immersion in einer Flüssigkeit Nassvermahlung von Feststoffen in einem Lösungsmittel, ggf. unter Zusatz von Tensiden Kondensation einer festen Phase durch Keimbildung und Keimwachstum aus einer Schmelze oder Lösung
- Schäume Gasdispersionen in flüssigen Dispersionsmitteln Ohne Stabilisatoren nur kurzzeitig existent Große Dichtedifferenz > rasches Aufrahmen
- Herstellung von Schäumen Gaseintrag durch Eintrag mechanischer Energie in unbe-grenzter Gasumgebung (Dispergierverfahren), meist Batch-Betrieb und Kleinmenge Gezielter Eintrag eines vorgegebenen Gasvolumens in ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen (Dispergierverfahren), meist kontinuierlicher Betrieb und höherer Durchsatz Reproduzierbare industrielle Fertigung mit vorgegebenen Qualitäts-merkmalen In situ-Erzeugung von Gas durch chemische oder bio-chemische Prozesse, (Teil-)Verdampfung unter Temperatur-erhöhung oder Druckerniedrigung (Kondensations- und Aerosolverfahren)
- Disperse Festkörper Dispersionen, in denen die kontinuierliche Phase fest ist Disperse Phase fest, flüssig oder gasförmig Thermodynamisch stabil
- Emulsionen Disperse Mehrphasensysteme, die aus mindestens zwei ineinander nahezu unlöslichen Flüssigkeiten bestehen O/W-Emulsionen: disperse Phase Öl, kontinuierliche Phase Wasser W/O-Emulsionen: disperse Phase Wasser, kontinuierliche Phase Öl
- Physikalische Instabilität von Emulsionen Sedimentieren ↓/ Aufrahmen ↑ Verursacht durch Dichtedifferenz kontinuierliche/disperse Phase Tropfengrößeverteilung der dispersen Phase bleibt konstant Reversibel Aggregation Anziehungskräfte zwischen den Tropfen Agglomeration, Traubenbildung Tropfen bleiben getrennt Koaleszenz Reißen des Films und Zusammenfließen Änderung der Tropfengröße Ostwald-Reifung Wachsen größerer Tropfen auf Kosten der kleineren Tropfen („Die Großen fressen die Kleinen“) Phaseninversion Phasen kehren sich um, d.h. aus den Tropfen wird die umgebende Phase und die kontinuierliche Phase wird zu Tropfen Vorkommen während des Emulgierens und bei Temperaturerhöhung Brechen der Emulsion Phasen trennen sich wieder und disperser Charakter geht vollständig verloren
- Emulgatoren Tenside, d.h. Aufbau aus hydrophilen und lipophilen Teilen Erniedrigen die Grenzflächenspannung zwischen disperser und kontinuierlicher Phase
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- Gibbs-Marangoni-Effekt Nach Tropfenaufbruch Bewegung des Emulgatorfilms in Richtung der höheren Grenzflächenspannung und Mitschleppen der kontinuierlichen Phase in den Zwickelbereich
- Klassifizierung von Emulgatoren Lipophile Gruppen Ladung des hydrophilen Molekülteils
- Wirkungsweise von Emulgatoren Mechanische Arbeit kann durch Herabsetzen der Oberflächenspannung beträchtlich vermindert werden Emulgatoren bilden aufgrund ihres amphiphilen Charakters einen Film an der Grenzfläche von Flüssigkeiten (Öl-Wasser) Wechselwirkung zwischen den Ölmolekülen und dem lipophilen Teil des Emulgators einerseits und den Wassermole-külen und dem hydrophilen Teil des Emulgators andererseits Herabsetzung der Grenzflächenspannung
- Regel von Bancroft Der Emulsionstyp wird durch die unterschiedliche Löslichkeit des Emulgators in den Phasen bestimmt. Diejenige Phase wird zur äußeren Phase, in der sich der Emulgator besser löst.
- Stabilisatoren Makromoleküle, die die Viskosität der kontinuierlichen Phase erhöhen Normalerweise nicht grenzflächenaktiv (Ausnahme: Proteine und emulgierende Stärken) Hydrokolloide
- Maßnahmen zur Minimierung des Aufrahmens von b-Carotin und Tocopherol Verringerung des Partikeldurchmessers Tropfenaufbruch durch Scherkräfte und Kavitation Erhöhung der Serumviskosität Zugabe von Hydrokolloiden Erhöhung der Dichte der emulgierten Vitamintröpfchen Zugabe sog. Beschwerungsmittel Einsatz von Stabilisatoren / Emulgatoren
- Vorgänge beim mechanischen Emulgieren Vormischen der einzelnen Komponenten zu einer grob-dispersen Rohemulsion, wobei die benötigte mechanische Energie meist durch Rühren eingebracht wird Feinemulgieren durch Tropfenaufbruch beim Überschreiten kritischer Deformationen Stabilisieren der neu entstandenen Phasengrenzflächen
- Varianten der Membranemulgierung Direktes Membranemulgieren Pressen einer Rohemulsion durch die Poren einer Membran Mikrokanalemulgieren
- Omega-3-Fettsäuren • Stabilisierung in Form von W/O-Mikroemulsionen– Nutzung der antioxidativen Wirkung des natürlich im Fischöl vorkommenden Tocopherols– Erhöhung des antioxidativen Effekts durch Zugabe von Vitamin C in die Wasserphase– Vitamin C reduziert das nach Oxidation entstehende Tocopherylradikal– Spontane Bildung der Mikroemulsion durch Monoglyceride aus Sonnenblumenöl als Emulgator
- Carotinoide • Stabilisierung durch O/W-Emulsion– Pflanzenöl mit gelösten Carotinoiden als innere (disperse) Phase und Wasser als äußere (kontinuierliche) Phase– Carotinoide als Nanoemulsion gut dispergierbar– Höhere Bioverfügbarkeit
- Herstellung disperser Festkörper Brikettierung von Pulvern (Tabletten) Abpressen von Suspensionen (Presskuchen) Trocknen von Pasten und Koagulaten (Rösten von Einback) Erstarren einer Suspension durch Unterkühlung (Kristallisation, z.B. Schokolade) Ausbildung räumlicher Feststoffstrukturen in Suspensionen (Koagulation, Verkleisterung; z.B. Marmelade, Pudding)
- Auswahl von Emulgatoren Ausreichende Wechselwirkung der hydrophilen Gruppe zur wässrigen Phase bei gleichzeitiger Anwesenheit einer für die Grenzflächenaktivität notwendigen lipophilen Gruppe > Bestimmtes Verhältnis von Hydrophilie und Lipophilie erforderlich >> Hydrophilic-Lipophilic Balance (HLB)
- Hydrophilic-Lipophilic Balance (HLB) 1-3 Antischaummittel 3-6 W/O-Emulgatoren 7-9 Netzmittel 8-18 O/W-Emulgatoren 13-15 Waschmittel 15-18 Lösungsvermittler
- Konsequenzen der trans-cis-Isomerisierung Verminderte Farbintensität ´cis-Peak´ im UV-Spektrum Geringerer Schmelzpunkt Erhöhte Löslichkeit in lipophilen Solventien Verminderte Tendenz zur Kristallisation Verminderte Vitamin A-Aktivität Veränderung von antioxidativer Kapazität /Bioverfügbarkeit
- Margarine Streichfähiges Emulsionsfett (Wasser-in-Öl-Emulsion) Zutatetn 80% Fett/Öl Natürliche Aromastoffe Fettlösliche Vitamine Emulgatoren Farbstoff b-Carotin Salz Milch oder Milchbestandteile Konservierungsstoffe: Verwendung für Vollfett-Margarine nicht üblich; nur in Halbfett-Margarine enthalten
- Herstellung von Magarine Wasser- & Fettphase mischen Emulgieren (Unter-)kühlen Kneten Reifen, Ruhen
- Rotor-Stator-Systeme Einfach, preiswert, lange Standzeiten > weite Verbreitung Einbringung der zerkleinerungswirksamen Energie durch rotierende Teile Rührbehälter, Kolloidmühlen und Zahnkranzdispergiermaschinen
- Hochdruckhomogenisatoren Radialdiffusoren: Emulsion wird durch zentrische Zulaufbohrung gepumpt und durchläuft nach Umlenkung um 90° den Radialspalt zwischen Ventilsitz und Ventilstempel Gegenstrahldiffusoren: Zwei oder mehr Strahlen der Rohemulsion treffen aus mindestens zwei gegenüberliegenden Bohrungen oder Kanälen aufeinander
- Emulgieren mit mikroporösen Systemen Disperse Phase wird durch die Poren einer Membran gedrückt und von an der Membranoberfläche vorbeiströmenden kontinuierlichen Flüssigkeit abgelöst Größe der Tropfen i.e.L. abhängig von der Porengröße>Einstellen der Tropfengröße sowie der Breite der Tropfengrößen-verteilung (sofern keine Koaleszenz auftritt!) Geringe Beanspruchung der Inhaltsstoffe von Emulsionen im Vergleich zu Rotor-Stator-Systemen und Hochdruckhomogeni-satoren
- einfache disperse Systeme Dispersionsmittel, disperse Phase, disperses System, Beispiel Aerosole Gas Flüssigkeit flüssiges Aerosol Nebel Feststoff festes Aerosol Staub, Rauch Lyosole Flüssigkeit Gas Schaum Eiweißschaum Flüssigkeit Emulsion Milch, Mayonnaise Feststoff Suspension Fruchtnektar Xerosole Feststoff Gas fester Schaum Baiser poröser Schaum Zwieback Flüssigkeit feste Emulsion Butter Feststoff feste Suspension Teigwaren
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- komplexdisperse Systeme LM disperse Phase kontinuierliche Phase Schokolade Zuckerkristalle kristalline Kakaofeststoffteilchen Kakaobutterphase Luftblasen Speiseeis Luftbläschen kristalline wässrige Phase Fetttröpfchen Proteinmakromoleküle Brotkrume Luftbläschen koagulierte Proteinphase (Gel) Stärkemakromoleküle Kleieteilchen