Hochauflösende Bilderfassung einer Emulsion

Definition von Emulsion

Eine Emulsion ist ein kolloidales Dispersionssystem, bei dem größere Tröpfchen des Dispersionsmaterials im Dispersionsmedium verteilt sind. Dispergierte flüssige Materialien sind in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert, ohne sich ineinander aufzulösen. Der Vorgang der Bildung einer Emulsion aus zwei Flüssigkeiten wird als Emulgieren bezeichnet. Im Allgemeinen wird ein Tensid (Emulgator), das sowohl hydrophile als auch lipophile Eigenschaften hat, verwendet, um den instabilen emulgierten Zustand zu stabilisieren.

Unterschied zwischen Emulsionen und Suspensionen

Eine Suspension ist eine weitere Art von Dispersionssystem mit einem flüssigen Dispersionsmedium. Der größte Unterschied zwischen Suspensionen und Emulsionen ist, dass das dispergierte Material in Emulsionen flüssig und in Suspensionen fest ist. Beispiele für Suspensionen sind schlammiges Wasser, Tinte, Farbe im Allgemeinen und Zahnpasta. Bei Lebensmitteln sind Suppen und Saucen für gewöhnlich Suspensionen. Wenn Gas in einem flüssigen Dispersionsmedium dispergiert ist, spricht man von Schaum, einige bekannte Beispiele dafür sind Sodawasser, Baiser und Rasierschaum.

Tensidmizellen in Emulsionen und ihre Eigenschaften

Ein Aggregat von in einer Flüssigkeit dispergierten Tensidmolekülen, das die Größe eines Kolloids annimmt, wird als Assoziationskolloid (Mizelle) bezeichnet. Seife ist ein typisches Beispiel für einen Stoff, der eine Mizellenstruktur aufweist. Tensidmoleküle in Detergenzien bilden Cluster, wenn sie eine bestimmte Konzentration erreichen, und werden zu stäbchen- oder plättchenförmigen Mizellen.
Zu den Arten von Mizellenstrukturen, die in Tensiden vorkommen, gehören gewöhnliche Mizellen, bei denen sich die hydrophoben Schwänze in Wasser zu einem Kern zusammenlagern, wobei die hydrophile Seite nach außen zeigt, und umgekehrte Mizellen, bei denen die Cluster einen hydrophilen Kern haben und die hydrophobe Seite nach außen zeigt. Diese Mizellen verleihen Emulsionen ihre emulgierenden, waschaktiven, löslichen und amphipathischen molekularen Eigenschaften. So wird z. B. die ölentfernende Wirkung eines Waschmittels oder einer Gesichtsreinigungslotion dadurch erreicht, dass die hydrophoben Gruppen das Öl im Kern in einer bestimmten Konzentration umgeben und eine Mizelle bilden (Emulgierung). Andererseits können Hautlotionen die Haut mit Feuchtigkeit versorgen, indem die hydrophilen Gruppen in einer Umkehrmizelle die Feuchtigkeit einschließen und emulgieren.

Anwendungsbeispiele und Vorteile von Doppelemulsionen

Je größer die Emulsionströpfchen des in einer Emulsion dispergierten Materials sind, desto stärker kommen die Eigenschaften dieses Materials zum Ausdruck. In Lebensmitteln kann der Geschmack beispielsweise durch die Einstellung der Größe der Emulsionströpfchen gesteuert werden. Generell gilt, dass größere Öltröpfchen in einer O/W-Emulsion tendenziell zu höheren Kosten führen. Bei der steigenden Nachfrage nach kalorienarmen Lebensmitteln und Getränken kann das Erreichen des gewünschten Geschmacks auch zu einem erhöhten Einsatz von Öl führen, wodurch die Lebensmittel kalorienreicher werden. Die Doppelemulsion kann als Methode zur Lösung solcher Probleme verwendet werden.

Zum Beispiel kann die Verkapselung von Wasser in Öltröpfchen die scheinbare Größe der Öltröpfchen erhöhen. Solche Zusammensetzungen werden als Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W-Emulsionen) bezeichnet, da das Wasser in den Öltröpfchen einer O/W-Emulsion eingekapselt ist. Dadurch ist es möglich, die Gesamtmenge der verwendeten Fette zu reduzieren, was dazu beiträgt, sowohl Kosten als auch Kalorien zu reduzieren, ohne auf den Geschmack verzichten zu müssen. Andererseits können Öl-in-Wasser-in-Öl-Emulsionen (O/W/O-Emulsionen) mehr Feuchtigkeit enthalten, was in kosmetischen Hautpflegeprodukten verwendet werden kann, um eine nicht fettende, erfrischende Textur zu erreichen.
Trotz der Vorteile ist es schwierig, die für Doppelemulsionsprodukte erforderlichen Produktionsbedingungen einzustellen. Eine Wärmebehandlung kann zu Instabilität führen und die Zusammensetzung der Doppelemulsion zerstören. Moderne Forschung und Entwicklung, ausgefeilte Produktionsmethoden und stabile Produktionsbedingungen müssen zusammengebracht werden, um einen stabilen Emulsionszustand nicht nur während der Produktion, sondern auch bis zum Zeitpunkt des Verbrauchs oder der Verwendung durch den Verbraucher zu erhalten.

A

Wasserphase

B

Ölphase

C

Äußere Wasserphase

D

Innere Wasserphase

Herausforderungen bei der Stabilisierung von Emulsionen

Dispersionssysteme, wie z. B. Emulsionen befinden sich für gewöhnlich nicht in einem Gleichgewichtszustand. In den meisten Fällen sind sie instabil, mit einer hohen Grenzflächenenergie zwischen den nicht kombinierenden Flüssigkeiten, was dazu führt, dass sich die Komponenten mit der Zeit trennen. Eine Herausforderung für die Aufrechterhaltung der Qualität von Emulsionsprodukten. Das Aufbrechen einer Emulsion in ihre einzelnen Phasen wird als Demulgieren bezeichnet. Demulgierung kann auftreten, wenn sich Wassertröpfchen in einer Emulsion absetzen (Sedimentation) oder wenn Öltröpfchen in der Wasserphase aufsteigen (Aufrahmung), beides wird durch den Dichteunterschied zwischen der inneren und äußeren Phase der Emulsion angetrieben. Wenn bei Sedimentation oder Aufrahmung die Intensität des Grenzflächenfilms zu gering ist, bricht die Grenzfläche und die Tröpfchen der inneren Phase verbinden sich zu größeren Tröpfchen, was zu einer Trennung der Emulsion in eine Wasser- und eine Ölphase führt.

Stabilisierung von Emulsionen

Um die Stabilität von hochenergetischen Emulsionen über einen längeren Zeitraum zu erhalten, müssen Maßnahmen ergriffen werden, um eine Demulgierung zu verhindern. Wenn man z. B. aus dem Dichteunterschied zwischen innerer und äußerer Phase die Geschwindigkeit der Sedimentation oder des Aufrahmens erkennt, kann man die Demulgierung steuern, indem man diesen Dichteunterschied durch Einstellen der Viskosität des Dispersionsmediums auflöst oder die Tröpfchengröße des dispergierten Materials reduziert. Weitere Gegenmaßnahmen sind die Zugabe von Elektrolyten (ionische Tenside), um die elektrostatische Abstoßung zu verringern, was wiederum verhindert, dass dispergierte Tröpfchen aufgrund der Ionenabsorption zusammenwachsen. Bei O/W-Emulsionen kann ein Co-Tensid wirksam eingesetzt werden, um das Aufbrechen des Grenzflächenfilms der Tröpfchen zu verhindern und damit die Tendenz des Zusammenwachsens zu unterdrücken. Es gibt verschiedene Arten und Zusammensetzungen von Emulsionen, daher sollten für jedes einzelne Produkt geeignete Maßnahmen getroffen werden, um die Qualität zu erhalten und die Stabilität der Emulsion zu gewährleisten.

Bewertung der Stabilität von Emulsionen

Die Stabilität einer Emulsion kann durch Betrachtung ihres Aussehens beurteilt werden. Zum Beispiel sind die Betrachtung der Tröpfchengröße des dispergierten Materials und die Klarheit der Emulsion eine der wichtigsten Kriterien für die Bestimmung der Stabilität.
Die Langzeitstabilität der Emulgierung und Dispersion ist in den meisten Emulsionsprodukten erforderlich, unter anderem bei Lebensmitteln, Pharmazeutika und Kosmetika. Wenn man beispielsweise ein Jahr für die Bewertung der Ein-Jahres-Stabilität einer Emulsion benötigt, wird zu viel Zeit für F&E und Qualitätskontrolle aufgewendet — daher müssen Maßnahmen ergriffen werden, wie z. B. die absichtliche Anwendung einer demulgierenden Belastung auf das Produkt, um die für die Stabilitätsbewertung erforderliche Zeit zu verkürzen. Ein Beispiel wäre der Einsatz der Zentrifugaltrennung zur Untersuchung der Aggregationsintensität und des Schüttelns zur Überprüfung der Redispergierung durch Messung der Trübung, um die Stabilität von flüssigen Lebensmitteln oder Getränken mit Milchbestandteilen zu beurteilen. Ein anderer Ansatz besteht darin, die Stabilität der Dispersion zu beurteilen, indem die Trübung der unteren Schicht des Dispersionssystems gemessen wird, nachdem es für eine bestimmte Zeit stehen gelassen wurde. Das Betrachten des Erscheinungsbildes nach Ablauf einer bestimmten Zeit zur Untersuchung des Dispersionszustandes und das zusätzliche Anwenden von Belastungen zur Durchführung von Messungen und Analysen ermöglicht eine genauere Beurteilung.

Betrachtung von Emulsionen mit einem Fluoreszenzmikroskop

Das kompakte Fluoreszenzmikroskop BZ-X800 von KEYENCE verwendet Plan Apochromat-Ölimmersionsobjektive, die eine hohe numerische Apertur (NA) und eine geringe Aberration aufweisen. Dies ermöglicht die Betrachtung von Objekten mit hoher Auflösung innerhalb eines Bereichs von 100 μm in Z-Richtung des Deckglases bis zur Rückseite des Deckglases. Das bedeutet, dass das BZ-X800 eine genaue Betrachtung der Emulsionsdispersion mit hoher Auflösung sowie der Kontur und des Profils der feinen inneren Phase von Doppelemulsionen bieten kann.
Das BZ-X800 unterstützt auch die Betrachtung bei hohen Kontrasten. Das Anfärben der Ölphase der Emulsion mit Oil Red O und der Wasserphase mit Lebensmittelfarbe ermöglicht beispielsweise die Unterscheidung der Phasen bei hohem Kontrast. Es lässt sich auch nur die Ölphase färben, um den Bereich außerhalb der inneren Wasserphase der Tröpfchen mit roter Fluoreszenz deutlich zu betrachten.
Mit dem BZ-X800 ist eine hochpräzise Messung und Analyse der winzigen Tröpfchen der inneren Phase von Doppelemulsionen problemlos möglich, ganz zu schweigen von der Tröpfchenanzahl, dem größten und kleinsten Durchmesser sowie der Fläche im Sichtfeld. Dies trägt zu einer schnellen, quantitativen Beurteilung der Stabilität von Emulgierung und Dispersion in der Qualitätssicherung und -kontrolle während der Produktion sowie in der Forschung und Entwicklung bei. Darüber hinaus bietet das BZ-X800 eine Vielzahl von Betrachtungsmöglichkeiten und quantitativen Analysen in einem einzigen Gerät an. Dies spart Platz durch einen reduzierten Bedarf an unterschiedlichen Mikroskopsystemen.

A

Äußere Wasserphase

B

Öltröpfchen

C

Ölphase

D

Innere Wasserphase

E

Wasserphase