Hoch- und niedermolekulare Emulgatoren beeinflussen die physikalische Stabilität von dispersen Systemen durch unterschiedliche Mechanismen (Murray & Dickinson, 1996).
Dabei spielt sowohl die Art der Anlagerung an die Grenzfläche als auch der aus den Emulgatoren gebildete Grenzflächenfilm eine entscheidende Rolle (Tcholakova et al., 2008). Jedoch beeinflussen Emulgatoren nicht nur die physikalische Stabilität des dis-persen Systems, sondern auch die chemische Stabilität der dispergierten Phase (Haahr
& Jacobsen, 2008; Qian, Decker, Xiao, & McClements, 2012; Wilde, 2000). So können beispielsweise oxidative Veränderungen der lipophilen Phase durch antioxidativ wir-kende Emulgatoren oder Wechselwirkungen zwischen adsorbierten Emulgatoren und Antioxidantien verringert werden (Elias, Kellerby, & Decker, 2008; Heins, McPhail, Sokolowski, Stöckmann, & Schwarz, 2007). Die unterschiedlichen Eigenschaften der Emulgatoren bieten je nach Anwendung verschiedene Möglichkeiten für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie. Für eine gezielte Anwendung neuartiger Emulgatoren ist es daher notwendig, sowohl die Grenzflächeneigenschaften bezüglich der physikalischen als auch der chemischen Stabilität zu charakterisieren.
1.2.1 Einfluss des Emulgators auf die physikalische Stabilität von dispersen Syste-men
Niedermolekulare Emulgatoren sind kleine Moleküle und bestehen aus hydrophilen geladenen oder ungeladenen Kopfgruppen, an denen hydrophobe Ketten mit 10 bis 20 Kohlenstoffatomen angehängt sind (Berton-Carabin et al., 2014). In dispersen Systemen führt die Löslichkeit der lipophilen und hydrophilen Molekülteile der Emulgatoren zu einer Anlagerung an die Grenzfläche, wodurch die Grenzflächenspannung und damit die freie Grenzflächenenergie herabgesetzt wird (Rosen, 2004). Die Molekülgröße und -struktur führt dazu, dass niedermolekulare Emulgatoren schnell und im Allgemeinen diffusionskontrolliert an die Grenzfläche adsorbieren, d.h. dass die Diffusion zur schicht die Geschwindigkeit der Adsorption und damit auch die Absenkung der Grenz-flächenspannung bestimmt (Tadros, 2005). Niedermolekulare Emulgatoren sind zudem grenzflächenaktiver und können die freie Grenzflächenenergie durch Verringerung der Grenzflächenspannung bei gleichem Energieeintrag schneller herabsetzen als hochmo-lekulare Emulgatoren, so dass kleinere Öltropfen, z.B. Nanoemulsionstropfen, gebildet und stabilisiert werden können (Karthik & Anandharamakrishnan, 2016; Kralova &
Sjöblom, 2009; Wooster et al., 2008). Allerdings ist die Adsorption und damit auch die Stabilität durch die Belegungsdichte der Grenzfläche limitiert. Der Zusammenhang von
Grenzflächenspannung und –belegungsdichte kann für niedermolekulare Emulgatoren mit Hilfe der Gibbs’schen Adsorptionsisothermengleichung beschrieben werden (Tadros, 2005).
𝚪 = − 𝟏 𝑹𝑻∙ 𝒅 𝜸
𝒅 𝒍𝒏𝒄
Darin bedeutet Γ die Grenzflächenbelegungsdichte (mmol/m2), R die universelle Gas-konstante (8,314 J/mol K), T die absolute Temperatur (K), γ die Grenzflächenspannung (mN/m) und c die Konzentration an grenzflächenaktiven Stoffen (mmol/l). Aus der Gleichung geht hervor, dass sich in Abhängigkeit der Emulgatorkonzentration in einem abgeschlossenen System eine bestimmte Grenzflächenspannung und –belegungsdichte einstellt. Wird von der initialen Grenzflächenspannung (ohne Emulgator) die chenspannung nach Adsorption der Emulgatoren subtrahiert, ergibt sich der Grenzflä-chendruck π des Grenzflächenfilms (Rosen, 2004). Das Gibbs’sche Adsorptionsmodell stellt einen sehr idealisierten Fall dar, in dem Wechselwirkungen zwischen den Molekü-len nicht berücksichtigt werden und kann daher nur für sehr geringe Emulgatorkonzent-rationen angewendet werden. Aus diesem Grund wurden empirische Gleichungen, wie die Adsorptionsisothermengleichung nach Frumkin entwickelt, die die lateralen Wech-selwirkungen in einer monomolekularen Adsorptionsschicht berücksichtigen. (Dörfler, 2002)
𝒃𝒄 = 𝚪𝝎
𝟏 − 𝚪𝝎∙ 𝒆(−𝟐𝜶𝚪𝝎)
Hierin stellt b die Adsorptionsgleichgewichtskonstante (l/mmol), ω die Fläche der Emulgatormoleküle an der Grenzfläche je Mol und α einen Parameter für die Wechsel-wirkungen zwischen den adsorbierten oberflächenaktiven Molekülen dar.
Niedermolekulare Emulgatoren bilden eine kompakte Adsorptionsschicht, bei der die Grenzfläche zu fast 100% mit Emulgator belegt ist (Dickinson, 1992). Im Fall von ioni-schen Emulgatoren überwiegen elektrostatische und bei nicht-ioniioni-schen Emulgatoren, wie Polysorbate, sterische Abstoßungskräfte (Kralova & Sjöblom, 2009). Die Grenzflä-chenfilme niedermolekularer Emulgatoren werden zudem durch den Gibbs-Marangoni-Effekt stabilisiert (Walstra, 1993). Da der Grenzflächenfilm fluide ist, kann sich der Emulgatorfilm im Fall von Grenzflächenspannungsgradienten in Richtung der höheren Grenzflächenspannung bewegen, wobei die kontinuierliche Phase mittransportiert wird, so dass sich zwischen den Tropfen stets kontinuierliche Phase befindet und Koaleszenz verhindert wird (Wilde et al., 2004).
Hochmolekulare Emulgatoren besitzen hingegen globuläre, starre Strukturen, in denen sich die hydrophoben Bereiche teilweise im Innern der Molekülstruktur befinden (Dickinson, 1993; Tamm et al., 2015). Aufgrund der komplexen Strukturen der Proteine kommt es bei der Adsorption an die Grenzfläche zu einer Auffaltung der Molekülstruk-tur (Bos & van Vliet, 2001; Dickinson, 1992). Die Auffaltung sorgt für einen
energe-tisch günstigeren Zustand, denn dadurch können sich die hydrophilen Bereiche zu der wässrigen Phase und die hydrophoben Bereiche zur lipophilen Phase ausrichten, so dass die freie Grenzflächenenergie weiter reduziert werden kann (Fang & Dalgleish, 1997).
Der Prozess der Auffaltung führt dazu, dass die Adsorptions- und Desorptionsrate ver-ringert und somit die Grenzflächenspannung nur langsam abgesenkt wird (Dickinson, 1992; Fainerman, Lucassen-Reynders, & Miller, 1998). Aufgrund der komplexen Kon-formationsänderungen erfolgt die Beschreibung der Adsorptionsisotherme über eine mathematische Näherung, bei der die minimale und maximale Fläche der oberflächen-aktiven Moleküle an der Oberfläche je Mol berücksichtigt wird (Kotsmar et al., 2009).
Im Fall von Proteinen ist die Grenzfläche nur zu 30-40% belegt, denn nur ein kleiner Teil des Proteinmoleküls befindet sich an der Grenzfläche (Dickinson, 1992). Die restli-chen Molekülteile ragen als Seitenketten und gewundene Ketten in die kontinuierliche Phase (McClements, 2016). Die in die kontinuierliche Phase ragenden Molekülteile erklären die starken sterischen Abstoßungskräfte proteinstabilisierter Grenzflächen und damit die hohe Stabilität gegenüber Aggregation und Koaleszenz (Cases, Rampini, &
Cayot, 2005). Geladene Aminosäurereste der Proteine ermöglichen auch elektrostati-sche Abstoßungskräfte (Walstra, Wouters, & Geurts, 2006). Die Proteinfilme sind zwar in ihrer Fluidität begrenzt, bieten allerdings durch die Bildung eines viskoelastischen Grenzflächenfilms aufgrund starker nichtkovalenter intermolekularer Wechselwirkun-gen und kovalenter Sulfidbrücken-bindunWechselwirkun-gen Schutz geWechselwirkun-genüber Ostwaldreifung und Koaleszenz und somit eine hohe Langzeitstabilität (Danov et al., 2015; Dickinson, 2001).
Trotz der zwei unterschiedlichen Stabilisierungsmechanismen können sowohl hochmo-lekulare als auch niedermohochmo-lekulare Emulgatoren die unter 1.1.2 genannten Destabilisie-rungsmechanismen durch sterische als auch elektrostatische Abstoßung verhindern.
Dennoch ist der Schutz gegenüber Koaleszenz bei niedermolekularen Emulgatoren deutlich geringer. Denn die Grenzflächenfilme niedermolekularer Emulgatoren zeigen eine Schichtdicke von 0,5 – 1 nm und zudem geringere sterische Abstoßungskräfte als Proteinfilme, deren Schichtdicke ca.1 – 5 nm beträgt (Dickinson, 1992, 2009). Des Wei-teren werden die elektrostatischen Abstoßungskräfte von den physikalisch-chemischen Eigenschaften des umgebenden Mediums, wie Ionenstärke und pH-Wert, stark beein-flusst (Kim, Decker, & McClements, 2002). Erreicht der pH-Wert den isoelektrischen Punkt des Proteins, betragen die elektrostatischen Abstoßungskräfte Null (McClements, 2004). Im Fall von ionischen niedermolekularen Emulgatoren führt die Anwesenheit von Gegenionen zur Abschirmung der Ladung, so dass auch hier die elektrostatischen Abstoßungskräfte reduziert werden (Damodaran, 2005).
Für eine hohe physikalische Stabilität disperser Systeme sollten Emulgatoren demnach ein möglichst geringes Molekulargewicht besitzen und einen viskoelastischen Grenzflä-chenfilm ausbilden, so dass eine möglichst kleine Tropfengröße erzielt werden kann.
1.2.2 Einfluss des Emulgators auf die chemische Stabilisierung von Lebensmittelin-haltsstoffen
Untersuchungen zur chemischen Stabilisierung mehrfach ungesättigter Fettsäuren ge-genüber Autoxidation während der Mikroverkapselung zeigen, dass nur eine Mischung aus verschiedenen Antioxidantien, die unterschiedliche Affinitäten zu den jeweiligen Phasen besitzen, einen effizienten Schutz bieten kann (Serfert et al., 2009). Dies deutet darauf hin, dass die Effektivität der Antioxidantien durch die Lokalisierung in der ent-sprechenden Phase beeinflusst wird. In dispersen, insbesondere flüssigen Systemen ist es von entscheidender Bedeutung, dass die Antioxidantien an der Grenzfläche lokali-siert sind, da dies der Ort ist, an dem die Oxidation aufgrund der Nähe zu Sauerstoff bzw. katalytisch wirkenden Metallionen begünstigt wird (Labuza, 1971).
Auf der einen Seite können antioxidativ wirkende Emulgatoren besonders effizient bio-aktive Verbindungen vor deren Abbau schützen, da sie an der Grenzfläche zwischen lipophiler und hydrophiler Phase lokalisiert sind (García-Moreno, Guadix, Guadix, &
Jacobsen, 2016). Proteine besitzen beispielsweise aufgrund der oxidierbaren Aminosäu-ren radikalfangende und chelatisieAminosäu-rende Eigenschaften und können somit Hydroperoxi-de reduzieren und die radikalische Kettenreaktion verlangsamen (Elias et al., 2008).
Zitronensäureester von Monoglyceriden und Lecithine reagieren als sekundäre Antioxi-dantien und können durch Komplexierung von Metallionen die Oxidation der bioakti-ven Verbindungen verzögern (Serfert et al., 2009). Darüber hinaus kann ein Überschuss an Emulgatoren vor Lipidoxidation schützen (Berton, Ropers, Viau, & Genot, 2011).
Denn diese können Metallionen und Hydroperoxide aber auch Antioxidantien solubili-sieren, so dass sie nicht mehr an der Grenzfläche vorliegen (Cho, McClements, &
Decker, 2002; Nuchi, Hernandez, McClements, & Decker, 2002; Richards, Chaiyasit, McClements, & Decker, 2002). So zeigen Richards et al. (2002), dass obwohl auch li-pophile Antioxidantien durch Brij-Emulgatormizellen aus der Ölphase in die wässrige Phase überführt werden, die Anwesenheit der Mizellen zu einer deutlichen Erhöhung der Oxidationsstabilität in Lachsöl-Emulsionen beiträgt, da der stabilisierende Effekt durch das Entfernen von Hydroperoxiden und Metallionen überwiegt.
Auf der anderen Seite können Antioxidantien wie phenolische Verbindungen, die in der Nähe der Grenzfläche lokalisiert sind, effektiv bioaktive Stoffe gegenüber Oxidation stabilisieren (S.-W. Huang, Frankel, Schwarz, Aeschbach, & German, 1996; S.-W.
Huang, Hopia, Schwarz, Frankel, & German, 1996). Gemäß des polaren Paradoxon sind in O/W-Emulsionen unpolare Antioxidantien effektiver als polare, da sie im Emulsions-tropfen, wo die Oxidation auftritt, zurückgehalten werden (Cuvelier, Bondet, & Berset, 2000; Shahidi & Zhong, 2011). Allerdings sind bei der Lipidoxidation in O/W-Emulsionen mehrere Faktoren zu berücksichtigen, wodurch sich die Theorie des polaren Paradoxon nicht in allen Fällen bestätigen lässt. So wird zum einen festgestellt, dass sich die antioxidative Effektivität mit steigendem lipophilen Charakter der
Antioxidan-tien in Sojaöl-Emulsionen nicht linear verhält, da sich AntioxidanAntioxidan-tien mit zunehmend unpolaren Charakter im Zentrum des Emulsionstropfens befinden, wo sie unfähig sind, freie Radikale, die an der Grenzfläche generiert werden, abzufangen (Panya et al., 2012). Zum anderen spielt neben der Polarität der Antioxidantien die Art und Konzent-ration des Emulgators eine große Rolle (Stöckmann, Schwarz, & Huynh-Ba, 2000).
Anhand von NMR- und ESR-Spektroskopie wird gezeigt, dass die Emulgatoren an der Grenzfläche im Wesentlichen die Lokalisierung der Antioxidantien bestimmen (Heins, McPhail, et al., 2007; Heins, Sokolowski, Stöckmann, & Schwarz, 2007). Stöckmann et al. (2000) demonstrieren den Einfluss des Emulgatortyps auf die antioxidative Effektivi-tät. Dabei stellen sie fest, dass mit zunehmender Alkylkettenlänge des Phenols Gallus-säure hydrophobe Wechselwirkungen mit den Emulgatoren und auch zwischen den An-tioxidantien ausgebildet werden können. Im Zuge dessen kann es zu einer Verringerung der Mobilität und der Diffusion der Antioxidantien in Richtung der Grenzfläche kom-men (Stöckmann et al., 2000). Für unterschiedliche Emulgatoren kann jedoch ein Ein-fluss auf die Wechselwirkungen und damit Lokalisierung festgestellt werden. Im Fall des kationischen Emulgators CTAB (Cetyltrimethylammoniumbromid) werden Gallus-säurepropylester in der Palisadenschicht der Mizellen durch elektrostatische Wechsel-wirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und Dispersionskräfte fixiert. In Anwesen-heit des nichtionischen Emulgators Brij 58 (Polyoxyethylen-(20)cetylether) befinden sich die Antioxidantien im Bereich der Polyoxyethylenketten, wobei die Antioxidantien mit zunehmender Lipophilie in den hydrophoberen Bereichen lokalisiert werden und bei dem anionischen Emulgator SDS (Natriumdodecylsulfat) sind die Antioxidantien im hydrophileren äußeren Bereich solubilisiert (Heins, Sokolowski, et al., 2007). Dies zeigt Auswirkungen auf die Reduzierung hydrophober Radikale im Mizellinnern. Die Lokali-sierung der Antioxidantien in der Nähe des Radikals im Fall von CTAB und Brij 58 erlaubt im Gegensatz zu SDS eine deutliche Reduzierung der Radikale (Heins, McPhail, et al., 2007).
Neben den antioxidativen Eigenschaften können auch Grenzflächeneigenschaften, wie die Homogenität, Dicke, Dichte und Ladung des Grenzflächenfilms, die Lipidoxidation in dispersen Systemen beeinflussen (Berton-Carabin et al., 2014). Die Dicke der Grenz-flächenschicht kann von der Größe und Konformation der Emulgatorkopfgruppen und – ketten abhängen (Waraho, Mcclements, & Decker, 2011). Allerdings zeigen Studien unterschiedliche Auswirkungen der Größe von hydrophilen und hydrophoben Teilen auf die Lipidoxidation. In Brij-stabilisierten Emulsionen wird gezeigt, dass die Zunahme der hydrophilen Kettenlänge, im Gegensatz zur Vergrößerung des hydrophoben Teils, zu einer deutlichen Verlangsamung der Oxidation führt (Chaiyasit, Silvestre, McClements, & Decker, 2000; Silvestre, Chaiyasit, Brannan, McClements, & Decker, 2000). In Fischölemulsionen, die mit hochschmelzenden (kurzkettige Fettsäuren im Molekül) und niedrigschmelzenden Lecithinen (langkettige ungesättigte Fettsäuren im Molekül) stabilisiert werden, wird ebenso kein Einfluss der Größe des hydrophoben
Teils auf die Lipidoxidation festgestellt (Salminen, Helgason, Kristinsson, Kristbergsson, & Weiss, 2013). Generell wird herausgestellt, dass Proteine besser ge-genüber Lipidoxidation als niedermolekulare Emulgatoren schützen, was sowohl auf die antioxidativen Eigenschaften aber auch auf die Dicke des Grenzflächenfilms zurückge-führt wird (Haahr & Jacobsen, 2008; Nielsen, Horn, & Jacobsen, 2013; Qian et al., 2012).
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass durch den Emulgator die oxidative Stabili-tät lipophiler Lebensmittelinhaltsstoffe in dispersen Systemen kontrolliert werden kann.
Dabei spielen sowohl die physikalischen als auch die chemischen Eigenschaften eine Rolle. So bestimmt der Emulgatortyp die Grenzflächeneigenschaften, die Belegungs-dichte und damit den Anteil an nicht-adsorbierten Emulgatoren, die antioxidativen Ei-genschaften und die Lokalisierung von Antioxidantien in der Grenzfläche und trägt dadurch entscheidend zum Schutz gegenüber oxidativen Veränderungen des funktionel-len Inhaltsstoffes bei.