Extrakts aus Quillaja saponaria Molina zur
Formulierung und Stabilisierung von
funktionellen Lebensmittelinhaltsstoffen
vorgelegt von M.Sc. Janine Tippel geb. in Berlin
von der Fakultät III – Prozesswissenschaften der Technischen Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Ingenieurwissenschaften
Dr.Ing.
-genehmigte Dissertation
Promotionsausschuss
Vorsitzender: Prof. Dr. Hajo Haase
Gutachter: Prof. Dr. Stephan Drusch
Gutachter: Prof. Dr. Sascha Rohn
Gutachterin: Prof. Dr. Cornelia Rauh
Tag der wissenschaftlichen Aussprache: 05. Dezember 2016 Berlin 2017
Emulgatoren werden in der Lebensmittelindustrie häufig zur Herstellung disperser Trä-gersysteme verwendet, welche eine Solubilisierung und Erhöhung der Stabilität von lipophilen Lebensmittelinhaltsstoffen ermöglichen. Für flüssige Lebensmittelsysteme können mizellare Systeme und Emulsionen eingesetzt werden. Eine Sprühtrocknung ermöglicht hier die Umwandlung flüssiger Formulierungen in feste Pulver, welche den Transport und die Einbringung in das Endprodukt vereinfachen. Zudem können durch Verkapselung in einer kohlenhydratbasierten Matrix oxidationsempfindliche Inhalts-stoffe gegenüber Umwelteinflüssen wie Licht und Sauerstoff stabilisiert werden. Die Wahl des Emulgators beeinflusst dabei entscheidend die Grenzflächenstrukturierung und folglich die physikalische Stabilität flüssiger und pulverförmiger Formulierungen. Darüber hinaus kann der Emulgator einen positiven Einfluss auf die chemische Stabili-tät der meist bioaktiven Substanzen haben und somit deren ernährungsphysiologischen Wert für die menschliche Gesundheit erhalten. Aus gesellschaftlichen und lebensmittel-rechtlichen Aspekten ist die Anzahl der lebensmitteltauglichen Emulgatoren jedoch begrenzt und die Erschließung neuer Quellen von großem Interesse.
In der vorliegenden Arbeit wurde daher untersucht, ob Saponine aus dem chilenischen Seifenrindenbaum (Quillaja saponaria Molina) als natürliche, grenzflächenaktive Sub-stanzen zur Formulierung und Stabilisierung funktioneller Lebensmittelinhaltsstoffe geeignet sind. Grenzflächenuntersuchungen des Saponin-Extraktes belegten eine hohe Grenzflächenaktivität und Funktionalität im Hinblick auf die Mizellierung eines bioak-tiven, lipophilen Luteinester-Extrakts. In Abhängigkeit vom Medium zeigten die mizel-laren Lösungen unterschiedliche Solubilisierungskapazitäten. Diese konnten mittels cryo-Transmissonselektronenmikroskopie zum Teil auf die Struktur der Mizellen zu-rückgeführt werden. Allerdings sind thermodynamisch stabilisierte Systeme in ihrer Beladung begrenzt. Durch die Herstellung von Nanoemulsionen, einem alternativen kolloid-dispersen Trägersystem, konnte eine deutlich höhere Beladung mit hoher Stabi-lität erzielt werden. Hinsichtlich der Sprühtrocknung der dispersen Systeme konnte festgestellt werden, dass die Stabilisierung mit Quillaja-Saponinen eine Desintegration der eingeschlossenen Substanz und damit Strukturveränderungen während der Zerstäu-bung und Trocknung, vermutlich aufgrund der Bildung viskoelastischer Filme, verhin-dert. Des Weiteren resultierte der Einsatz des Quillaja-Saponin-Extrakts in Makroemul-sionen in einer deutlich erhöhten Oxidationsstabilität eines oxidationsempfindlichen Öles, wenn zuvor die natürlich im Extrakt vorkommenden prooxidativen Metallionen komplexiert wurden. Dabei wurde erstmalig zur Aufklärung der antioxidativen Kapazi-tät eines Quillaja-Saponin-Extraktes Elektronenspinresonanzspektroskopie neben
pho-tometrischen Methoden angewandt. Dieses ermöglichte den Nachweis von Antioxidan-tien in der wässrigen und lipophilen Phase und belegte damit dessen antioxidative Akti-vität in dispersen Systemen. Weitere spektroskopische und mikroskopische Untersu-chungen zur Grenzflächenstruktur könnten den Beitrag der Saponine und der phenoli-schen Bestandteile hinsichtlich der Oxidationsstabilität aufklären.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass der Quillaja-Saponin-Extrakt eine effektive Quelle natürlicher Emulgatoren und Antioxidantien darstellt und daher für den Einsatz in einer Vielzahl von Lebensmitteln als auch Futtermitteln zur physikalischen und che-mischen Stabilisierung funktioneller Lebensmittelinhaltsstoffe geeignet ist.
Emulsifiers are commonly used in the food industry for the preparation of dispersed carrier systems, which allow solubilisation and increase the stability of lipophilic food ingredients. For liquid foods micellar systems and emulsions can be applied. Spray dry-ing enables the conversion of liquid formulations into solid powders, which facilitate their transport and placement in the final product. Furthermore by encapsulation in a carbohydrate-based matrix the stability of sensitive ingredients to environmental im-pacts such as light and oxygen can be enhanced. The type of emulsifier has a decisive influence on the interfacial properties and as a consequence affects the physical stability of liquid and solid formulations. Moreover, the emulsifier may have a positive impact on the chemical stability of bioactive substances and thus obtain their nutritional value for human health. In terms of social concerns and food regulatory requirements a major drawback is the limited availability of suitable natural food-grade emulsifiers.
Thus, in the present study saponins, the surface active substances from the natural food-grade extract of the Chilean soapbark tree (Quillaja saponaria Molina) were investigat-ed to elucidate their functional properties with regard to their suitability as a carrier sys-tem and their effect on the physico-chemical stabilisation of functional food ingredients. Studies of the interfacial properties of the saponin extract displayed a high surface activ-ity and functionalactiv-ity in terms of micellisation of a lipophilic bioactive lutein ester ex-tract. The composition of the aqueous phase affected the lutein ester load. This could be explained in part by the structure of micelles as revealed by cryo-transmission electron microscopy. However, thermodynamically stabilised systems are limited in their load-ing capacity. Higher loadload-ing capacity and good stability could be achieved by preparload-ing nanoemulsions as an alternative colloidally dispersed system. With regard to spray dry-ing, Quillaja saponins prevent disintegration of the encapsulant and therefore inhibit structural changes during atomisation and drying. This is presumably due to the high viscoelasticity of the interfacial films. Furthermore, by binding the naturally occurring metal ions into complexes prior to the emulsifying process an increase in the oxidative stability of an oil rich in polyunsaturated fatty acids could be shown. For the first time the antioxidant capacity of a Quillaja saponin extract was investigated by electron spin resonance spectroscopy in addition to photometric methods proving the presence of antioxidants in the aqueous and lipophilic phase and thus its antioxidant activity in dis-persed systems. From the scientific point of view further spectroscopic and microscopic methods could be employed to elucidate the contribution of saponins and phenolic compounds with respect to lipid oxidation.
The results of the present study demonstrate that Quillaja saponin extract is a promising source of emulsifiers and antioxidants that can physically and chemically stabilise func-tional food ingredients in a wide range of food and feed.
Mein ganz besonderer Dank gilt meinem Betreuer Prof. Dr. Stephan Drusch. Durch sein Engagement, durch die fortwährende Unterstützung, wie auch die hervorragende und motivierende Betreuung, die mit Geduld verknüpfte konstruktive Kritik und durch das mir entgegengebrachte Vertrauen ermöglichte er das Gelingen dieser Arbeit.
Ich danke der Studienstiftung des deutschen Volkes sowohl für die finanzielle als auch ideelle Förderung meiner Promotion durch ein Stipendium. Das große Netzwerk ermög-lichte mir dankenswerterweise verschiedenste interdisziplinäre Kontakte und auch Freundschaften zu knüpfen.
Etliche experimentelle Arbeiten wären nicht ohne die Unterstützung meiner Studenten und technischen Assistenten möglich gewesen. Mein Dank gilt daher B.Sc. Katharina Gies and Ing. Linus Gohde sowie Ing. Karla Kern, Astrid Kliegel and Dipl.-Ing. Jörg Knipp. Vielen Dank auch an das IASP, insbesondere Dr. Sebastian Schalow und Dipl.-Ing. Adam Erdös für die Möglichkeit Nanoemulsionen herzustellen. Weiter-hin danke ich Prof. Dr. Regine von Klitzing und M.Sc. Maren Lehmann für die Durch-führung und Hilfestellung bei der Auswertung der cryoTEM Aufnahmen sowie Prof. Dr. Sascha Rohn und Dr. Valeria Reim für die chemische Analyse des Saponinextrakts. Vielen Dank an alle meine Kollegen am Fachgebiet Lebensmitteltechnologie und – materialwissenschaften für eure Unterstützung und fruchtbaren Diskussionen über Ver-suchspläne, Ergebnisse und Probleme, sei es fachlicher oder privater Natur.
Ich möchte mich herzlich bei Junior Prof. Dr. Anja Steffen-Heins von der Universität Kiel für ihre Bereitschaft, Unterstützung, Interesse und die Einarbeitung in die ESR-Spektroskopie sowie bei Dr. Britta Harbaum-Piayda, die mir mit Rat und Tat bei der Phenolanalytik zur Seite stand, bedanken.
Ich bin sehr dankbar und glücklich, dass ich Freunde und Kollegen wie euch, Dr. Adri-an Kape und Dr. Frederic Tamm, haben darf. DAdri-anke für die großartige Teamarbeit, das lässt das Studium und die Promotion zu einer unvergesslichen und wunderbaren Zeit werden.
Mein größter Dank gilt meiner ganzen Familie, die mich zu jeder Zeit liebevoll und ohne Zweifel an meinem Erfolg unterstützt hat. Vielen Dank!
Kurzfassung ... i Abstract... ... iii Danksagung ... v Inhaltsverzeichnis ... vii Abbildungsverzeichnis ... ix Tabellenverzeichnis ... xi Abkürzungsverzeichnis ... xiii
Liste der verwendeten Artikel ... xv
1 Einleitung ... 1
1.1 Disperse Trägersysteme für funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe ... 5
1.1.1 Mizellen ... 6
1.1.2 Emulsionen ... 10
1.1.3 Sprühgetrocknete Trägersysteme ... 12
1.2 Bedeutung von Emulgatoren in dispersen Trägersystemen ... 15
1.2.1 Einfluss des Emulgators auf die physikalische Stabilität von dispersen Systemen ... 15
1.2.2 Einfluss des Emulgators auf die chemische Stabilisierung von Lebensmittelinhaltsstoffen ... 18
1.3 Die Rolle des Quillaja-Saponin-Extrakts bei der Stabilisierung von dispersen Trägersystemen ... 20
1.3.1 Zusammensetzung und biologische Aktivität des Quillaja-Saponin-Extrakts ... 20
1.3.2 Funktionelle Eigenschaften der Quillaja-Saponine ... 23
2 Zielsetzung ... 27
3 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion ... 29
3.1 Mizellare Quillaja-Saponinlösungen zur Stabilisierung von Luteinester-Extrakt ... 29
3.1.1 Charakterisierung der Grenzflächeneigenschaften von Quillaja-Saponinen ... 30
3.1.2 Charakterisierung von Luteinester-Extrakt enthaltenden Quillaja-Saponinmizellen ... 31
3.1.3 Lagerstabilität von Luteinester-Extrakt enthaltenden
Quillaja-Saponinmizellen ... 35
3.2 Untersuchung der Stabilität von Luteinester-Extrakt in flüssigen und sprühgetrockneten mizellaren Quillaja-Saponinlösungen und Nanoemulsionen ... 36
3.2.1 Physikalische Charakterisierung Luteinester-Extrakt enthaltender mizellarer Quillaja-Saponinlösungen und Nanoemulsionen ... 37
3.2.2 Charakterisierung der Prozessstabilität von Luteinester-Extrakt in mizellaren Quillaja-Saponinlösungen und Nanoemulsionen ... 39
3.3 Charakterisierung der antioxidativen Eigenschaften des Quillaja-Saponin-Extrakts ... 41
3.3.1 Veränderung der Zusammensetzung des Quillaja-Saponin-Extrakts durch Aufreinigung mittels Festphasenextraktion ... 42
3.3.2 Antioxidative Aktivität des Quillaja-Saponin-Extrakts ... 45
3.3.3 Lipidoxidation in Quillaja-Saponin-Extrakt stabilisierten O/W-Emulsionen ... 50
4 Schlussbetrachtungen ... 55
Literaturverzeichnis ... 61
Abbildung 1: Drei Regionen einer Mizelle in wässriger Umgebung (Tehrani-Bagha & Holmberg, 2013) ... 8
Abbildung 2: Allgemeine Struktur eines Quillaja-Saponins; R1 stehen für verschiedene
Zucker oder Wasserstoff, R2 für eine Aldehydgruppe, Methylgruppe oder CH
2OH, R3 -R5 für eine Hydroxylgruppe oder Wasserstoff (für R5 auch COOCH
3 möglich), R6 für ein Acetyl, Fettsäurealkyl oder Wasserstoff, R7 für Zucker, Wasserstoff oder Fettsäurealkyl, R8 für Zucker oder Wasserstoff und R9 für verschiedene Zucker oder Wasserstoff (Bankefors, Nord, & Kenne, 2008; Guo & Kenne, 2000a, 2000b; Resnik, 2004) ... 21
Abbildung 3: Cryo-TEM Aufnahmen von sphärischen und verzweigten Strukturen der
mit Luteinester-Extrakt beladenen Quillaja-Saponinmizellen (0,1 wt% Saponin) in einem wässrigen, ungepufferten (A), bei pH 3, (B), bei pH 5 (C) und bei pH 7 gepufferten (D) Medium ... 33
Abbildung 4: Farbunterschiede (ΔE*Lagerung) der unbeladenen (MS) und mit
Luteinester-Extrakt beladenen Quillaja-Saponinlösungen (LMS) mit 0,1 wt% Saponingehalt nach fünfwöchiger Lagerung im Dunkeln in Ab- oder Anwesenheit eines Zitronensäure-Phosphatpuffers bei unterschiedlichen pH-Werten ... 36
Abbildung 5: Helligkeit (L*), Farbsättigung (C*), Farbwinkel (H*) und Partikelgröße
von mizellaren Quillaja-Saponinlösungen (1 wt% Saponin) mit < 0,3 wt% Luteinester-Extrakt (LMS) und Nanoemulsionen mit 0,3 wt% (NE 1) sowie mit 1,0 wt% Luteinester-Extrakt (NE 2) in Doppelbestimmung ... 38
Abbildung 6: Grenzflächendruck des nativen (QSE) und aufgereinigten (QSF)
Quillaja-Saponin-Extrakts (0,0015 wt% Trockensubstanz in Zitronensäure-Phosphat-Puffer pH 4) an der L/W-Grenzfläche in Abhängigkeit von der Wurzel der Zeit (t1/2) zur Ermittlung der Zeit, die das Molekül bis zur Anlagerung an die Grenzfläche benötigt (Lag-Phase) und des Anstiegs der Regressionsgeraden (k), der den anfänglichen Anstieg des Grenzflächendrucks durch die grenzflächenaktiven Moleküle beschreibt ... 43
Abbildung 7: HPLC-DAD Chromatogramme bei 280 nm der phenolischen
Bestandteile im alkalisch-hydrolysierten nativen Quillaja-Saponin-Extrakt (a), im nativen Quillaja-Saponin-Extrakt (b) und im aufgereinigten Quillaja-Saponin-Extrakt (c) ... 44
Abbildung 8: DPPH-Inhibition in Anwesenheit des nativen (QSE) und aufgereinigten
Methanol in Abhängigkeit der Konzentration der phenolischen Bestandteile oder der α-Tocopherol-Konzentration ... 46
Abbildung 9: Spektren des Galvinoxyl-Radikals (0,02 mmol/l), welche zunächst in
Ethanol gelöst und dann in mizellare Tween® 80-Lösungen (a) und mizellare Lösungen des nativen Quillaja-Saponin-Extrakts (b) überführt wurden ... 47
Abbildung 10: Abbau des Galvinoxyl-Radikals in Abhängigkeit der Konzentration an
phenolischen Bestandteilen im nativen (QSE) und aufgereinigten (QSF) Quillaja-Saponin-Extrakt und dem jeweiligen asymptotischen exponentiellen Fit ... 48
Abbildung 11: Abbau des Fremy’s Radikal in Abhängigkeit der Konzentration an
phenolischen Bestandteilen im nativen (QSE) und aufgereinigten (QSF) Quillaja-Saponin-Extrakt und dem jeweiligen linearen Fit ... 49
Abbildung 12: Hydroperoxidgehalt während der Lagerung von aufgereinigtem
Maiskeimöl in 5%igen O/W-Emulsionen, die mit den Konzentrationen C1 = 0,5 %, C2 = 1,0 und C3 = 1,5 % des nativen (QSE) und aufgereinigten (QSF) Quilllaja-Saponin-Extraktes sowie mit Tween® 80 stabilisiert wurden. a) Hydroperoxidgehalt von QSE in aufsteigender Konzentration, b) QSE mit der geringsten Konzentration und Zusatz von EDTA, c) QSF in aufsteigender Konzentration und Tween® 80 ... 52
Tabelle 1: Kategorien funktioneller Lebensmittel mit Beispielen nach Zduńczyk & Jankowski (2013) ... 2 Tabelle 2: Fläche je Molekül (ACMC), kritische Mizellbildungskonzentration (CMC) sowie die Wechselwirkungskonstante α und Adsorptionskonstante b der Quillaja-Saponinmoleküle in Abhängigkeit vom pH-Wert, der Ionenstärke und Grenzfläche .. 30
Tabelle 3: Partikelgröße (PG) (Detektion bei 173°) und b*-Wert von unbeladenen
mizellaren Quillaja-Saponinlösungen (MS) (0,1 wt% Saponin) in Abhängigkeit vom Medium ... 32 Tabelle 4: Partikelgröße (PG) (Detektion bei 173°), Zetapotential (ZP) und b*-Wert von Luteinester-Extrakt beladenen Quillaja-Saponinmizellen (LMS) (0,1 wt% Saponin) in Abhängigkeit vom Medium ... 32
Tabelle 5: Farbveränderung von mizellaren Quillaja-Saponinlösungen (1 wt% Saponin)
mit < 0,3 wt% Luteinester-Extrakt (LMS) und Nanoemulsionen mit 0,3 wt% (NE 1) sowie mit 1,0 wt% Luteinester-Extrakt (NE 2) nach fünfwöchiger Lagerung im flüssigen Zustand mit 50 wt% Glukosesirup im Hellen (ΔE*Lagerung Dispersionen), nach der Sprühtrocknung mit 45 wt% Glukosesirup bei einer Lufteintritts- und ausgangstemperatur von 180 °C und 68-70 °C mittels Rotationszerstäuber bei 4 bar und einer Flüssigkeitsförderrate von 50 ml/min (ΔE*Sprühtrocknung) und 24-wöchiger Lagerung der sprühgetrockneten Dispersionen im Dunkeln (ΔE*Lagerung Mikrokapseln) ... 40
Tabelle 6: Zetapotential und Öltropfengrößenverteilung unter Angabe des D10, D50 und
D90 5%iger O/W-Emulsionen, die mit dem nativen und aufgereinigten Quillaja-Saponin-Extrakt in ansteigenden Konzentrationen (C1, C2, C3), dem Zusatz eines Komplexbildners (EDTA) sowie mit Tween® 80 stabilisiert wurden ... 51
AAS Atomabsorptionspektrometrie
ACMC Fläche je Molekül
b Adsorptionskonstante
Brij Polyalkylenglycolether
C* Farbsättigung
C1 0,5 g TS QSE/100g Emulsion bzw. 0,5 g TS QSF/100g Emulsion
C2 1,0 g TS QSE/100g Emulsion bzw. 1,0 g TS QSF/100g Emulsion
C3 1,5 g TS QSE/100g Emulsion bzw. 1,5 g TS QSF/100g Emulsion
Citrem Zitronensäureester von Mono- und Diglyceriden
CMC Kritische Mizellbildungskonzentration Cryo-TEM Cryo-Transmissionselektronenmikroskopie CTAB Cetyltrimethylammoniumbromid DPPH 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl EDTA Ethylendiamintetraessigsäure ESR Elektronenspinresonanz
FAO/WHO Ernährungs- und Landwirtschaftsorganisation der Vereinten
Nati-onen/Weltgesundheitsorganisation
Fe(II) Eisen(II)
Ferrozine 3-(2-Pyridyl)-5,6-diphenyl-1,2,4-triazine-4’,4’’-disulfonic acid sodium salt
H* Farbwinkel
HMW hochmolekular (high molecular weight)
HPLC-DAD Hochleistungs-Flüssigchromatographie mit Diodenarray-Detektor
HPTLC Hochleistungsdünnschichtchromatographie
IC50 Mittlere inhibitorische Konzentration
L* Helligkeit
LEE Luteinester-Extrakt
LMS mit Luteinester-Extrakt beladene mizellare Lösungen
LMW niedermolekular (low molecular weight)
MALDI-TOF-MS Matrix-unterstü zte Laserdesorption/Ionisation
MCT Mittelkettige Triglyceride (medium chain triglyceride)
MSn Mehrfach-Massenspektrometrie
NaCl Natriumchlorid
NE 1 Nanoemulsionen mit 0,3 wt% Luteinester-Extrakt
NE 2 Nanoemulsionen mit 1,0 wt% Luteinester-Extrakt
NLC Nanostrukturierte Lipidcarrier
NMR Kernspinresonanzspektroskopie
ORAC Oxygen Radical Absorbance Capacity (dt.: Fähigkeit zum
Abfan-gen von Sauerstoffradikalen)
O/W Öl/Wasser
PDA Photodiodenarray
PG Partikelgröße
QSE nativer Quillaja-Saponin-Extrakt
QSF aufgereinigter Quillaja-Saponin-Extrakt SDS Natriumdodecylsulfat Seq Syringasäure-Äquivalent SLN Feste Lipidnanopartikel Span Sorbitanfettsäureester TS Trockensubstanz
Tween® 80 Polyoxyethylen(20)-sorbitan-monooleat (auch Polysorbat 80)
α Wechselwirkungskonstante
Diese Dissertation basiert auf Veröffentlichungen in wissenschaftlichen Fachzeitschrif-ten. Diese sind im Text durch entsprechende römische Ziffern gekennzeichnet und be-finden sich zusätzlich im Anhang:
Artikel I
Tippel, J., Lehmann, M., von Klitzing, R., & Drusch, S. (2016). Interfacial properties of Quillaja saponins and its use for micellisation of lutein esters. Food Chemistry, 212, 35-42. DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.05.130
Artikel II
Tippel, J., Reim, V., Rohn, S., & Drusch, S. (2016). Colour stability of lutein esters in liquid and spray dried delivery systems based on Quillaja saponins. Food Research
International, 87, 68-75. DOI: 10.1016/j.foodres.2016.06.014
Artikel III
Tippel, J., Gies, K., Harbaum-Piayda, B., Steffen-Heins, A., & Drusch, S. (2017). Composition of Quillaja saponin extract affects lipid oxidation in oil-in-water emulsions. Food Chemistry, 221, 386-394. DOI: 10.1016/j.foodchem.2016.10.055
1 Einleitung
Laut Ernährungsbericht 2012, welcher im Auftrag des Bundesministeriums für Ernäh-rung, Landwirtschaft und Verbraucherschutz erhoben wurde, wird in Deutschland zu wenig Obst und Gemüse gegessen, um den Bedarf an Mikronährstoffen zu decken (Deutsche Gesellschaft für Ernährung, 2012). Zu den Mikronährstoffen zählen zum Bei-spiel Polyphenole, Vitamine, mehrfach ungesättigte Fettsäuren und Carotinoide (Manach, Scalbert, Morand, Rémésy, & Jiménez, 2004; Schweigert & Reimann, 2011). Sie zeigen positive Effekte auf die Gesundheit und das Wohlbefinden und werden daher auch als bioaktive Stoffe bezeichnet (Alasalvar & Bolling, 2015). Allerdings können sie vom Körper nicht selbst synthetisiert werden und müssen daher mit der Nahrung aufge-nommen werden (Bender, 1997). Mehrfach ungesättigte Fettsäuren wie omega-3-Fettsäuren sind essentiell für die Gesundheit und Funktion von Gehirn und Herzkreis-lauf und können das Risiko, an koronaren Herzkrankheiten, Fettleibigkeit, Typ-2-Diabetes zu erkranken, reduzieren (Hayes, Angove, Tucci, & Dennis, 2016). Darüber hinaus zeigen einige Studien, dass durch die Aufnahme von omega-3-Fettsäuren das Auftreten und Wachstum von Darm-, Brust und Prostatakrebs verringert werden kann (Bartsch, Nair, & Owen, 1999; Berquin, Edwards, & Chen, 2008; Calviello et al., 2007; Reddy, 1994; Roynette, Calder, Dupertuis, & Pichard, 2004). Polyphenolen werden insbesondere antioxidative Eigenschaften zugesprochen und somit können diese vor Herzkreislauf-Erkrankungen schützen (Pandey & Rizvi, 2009). Carotinoide wie zum Beispiel das Xanthophyll Lutein können ebenfalls nicht vom Körper selbst synthetisiert werden, daher ist ihr Vorkommen in menschlichem Gewebe auf die Ernährung zurück-zuführen. Die höchsten Konzentrationen konnten durch Experimente an Primaten in der Netzhaut gefunden werden (Leung, Tso, Li, & Lam, 2001). Aufgrund der Lage und physikochemischen Eigenschaften, z.B. energiereiches blaues Licht zu absorbieren und reaktiven Sauerstoff abzufangen, besitzt Lutein eine schützende Funktion in der Netz-haut (Conn, Schalch, & Truscott, 1991; Stahl & Sies, 2003; Taylor et al., 1992). Studien zeigen, dass eine verminderte Aufnahme an Lutein über die Nahrung zu einer Reduzie-rung der Luteinmenge im Serum und damit der Pigmentdichte in der Netzhaut führt (Chiu & Taylor, 2007; Seddon et al., 1994). Dadurch steigt das Risiko an einer altersbe-dingten Makuladegeneration (AMD) zu erkranken, welche die Hauptursache für eine Erblindung im Alter darstellt (Schleicher, Weikel, Garber, & Taylor, 2013).
Aufgrund des zunehmenden Verbraucherinteresses, die Gesundheit positiv durch die Ernährung zu beeinflussen und zugleich den Komfort von Halb- und Fertigprodukten zu genießen (Urala & Lähteenmäki, 2003), ist es erstrebenswert die Versorgung mit bioak-tiven Stoffen auch in prozessierten Lebensmitteln in industriellem Maßstab zu gewähr-leisten (Dustmann, 2004; Menrad et al., 2000). Diese Stoffe werden meist aus pflanzli-chen oder tierispflanzli-chen Rohstoffen isoliert und als funktionelle Lebensmittelinhaltsstoffe in
die Lebensmittel eingebracht (Onwulata, 2012). Aufgrund der gesundheitsfördernden Eigenschaften, die durch die Bereitstellung notwendiger Nährstoffe definiert ist, werden diese Lebensmittel als funktionelle Lebensmittel bezeichnet (Sanders, 1998). Wie in der Tabelle 1 dargestellt, lassen sich funktionelle Lebensmittel in fünf Kategorien untertei-len, je nach Modifikationsgrad ihrer chemischen Zusammensetzung (Zduńczyk & Jankowski, 2013).
Tabelle 1: Kategorien funktioneller Lebensmittel mit Beispielen nach Zduńczyk & Jankowski (2013)
Art des funktionelles Lebensmittels Beispiel
unveränderte Produkte Fisch als Quelle für omega-3-Fettsäuren
angereicherte Lebensmittel Orangensaft mit Vitamin C-Zusatz
angereicherte Lebensmittel mit nicht
na-türlicherweise vorkommenden Substanzen Margarine mit Probiotika veränderte Lebensmittel, bei denen
ge-sundheitsgefährdende Substanzen ent-fernt, verringert oder durch gesundheits-fördernde Substanzen ersetzt werden
Ersatz von Fett durch Fasern in Eiscreme
durch spezielle Wachstumsbedingungen, durch veränderte Zusammensetzung oder durch Genmanipulation veränderte Le-bensmittel
Erhöhung des omega-3-Gehalts in Eiern durch die Modifizierung des Futters für Hühner
Hinsichtlich des gesundheitsfördernden Aspektes funktioneller Lebensmittel belegt erst kürzlich eine Studie die positive Wirkung auf Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Kno-chenentmineralisierung bei risikogefährdeten postmenopausalen Frauen, wenn Getränke mit Carotinoiden und Phytosterolen angereichert werden (Granado-Lorencio et al., 2014). Studien in denen Backwaren mit omega-3-Fettsäuren angereichert werden, zei-gen bei 20 bis 60-jährizei-gen Männern nach achtwöchiger Exposition eine signifikante Reduzierung von Triglyceriden im Blutplasma (Dyerberg et al., 2004; Dyerberg, Christensen, Eskesen, Astrup, & Stender, 2006), die bei erhöhten Konzentrationen ein Risikofaktor für Herzerkrankungen darstellen (Hokanson & Austin, 1996). 2010 bestä-tigte die Europäische Behörde für Lebensmittelsicherheit (EFSA) dies mit der Einfüh-rung einer gesundheitsbezogenen Angabe, dass durch den Verzehr von 2 g omega-3-Fettsäuren, speziell Eicosapentaensäure und Docosahexaensäure, pro Tag die Trig-lyceridkonzentration bei erwachsenen Männern und Frauen im Normbereich gehalten werden kann (EFSA Panel on Dietetic Products, Nutrition and Allergies, 2010).
Neben ernährungsphysiologischen Aspekten wird auch die technologische Funktionali-tät der bioaktiven Substanzen beim Einsatz in Lebensmitteln ausgenutzt (Mezzomo & Ferreira, 2016). Dazu zählen insbesondere die färbenden Eigenschaften, da die Farbe ein wichtiger Parameter zur Einschätzung der Produktqualität ist (Mortensen, 2006). Angesichts des wachsenden Gesundheitsbewusstseins und den Bedenken der Verbrau-cher gegenüber synthetischen Lebensmittelzusatzstoffen erscheint es konsequent, natür-liche Lebensmittelfarbstoffe, wie Carotinoide oder auch färbende Lebensmittel, für die keine Kennzeichnung als Zusatzstoff erfolgen muss (Ständiger Ausschuss für die Lebensmittelkette und Tiergesundheit der Europäischen Kommission, 2013), einzuset-zen.
Die isolierten bioaktiven Substanzen unterliegen unerwünschten chemischen Verände-rungen, die zum Verlust ihrer funktionellen Eigenschaften führen können (Ubbink & Krüger, 2006). Im Fall von mehrfach ungesättigten Fettsäuren führt oftmals Autoxidati-on zur Bildung vAutoxidati-on Hydroperoxiden, deren Abbauprodukte die organoleptischen und nutritiven Eigenschaften des Produktes verändern (Frankel, 2005). Für das Verständnis der Arbeit wird im Folgenden der Prozess der Lipidoxidation kurz dargelegt, detaillierte Reaktionsmechanismen sind z.B. von Frankel (2005) zusammengestellt. Die Prozesse der Lipidoxidation sind Radikalkettenreaktionen, bestehend aus der Startreaktion (Ini-tiation), Folgereaktion (Propagation) und Abbruchreaktion (Termination) (Sun, Wang, Chen, & Li, 2011). Der Schlüsselmechanismus der Initiation ist die Abstraktion eines H-Radikals (H·), welches sich in Allylstellung (CH=CH-CH2-CH=CH) der Kohlen-stoffkette mit konjugierten Doppelbindungen der mehrfach ungesättigten Fettsäuren befindet. Initiiert wird dies durch Radikale, die zuvor durch thermische Dissoziation oder auch Metall- und UV-Licht-katalysierten Abbau ubiquitär vorhandener Hydroper-oxide entstehen (Frankel, 2005). Die entstandenen Lipidradikale (L·) reagieren durch Addition von Sauerstoff zu Lipidperoxylradikalen (LOO·), wodurch die Propagation eingeleitet wird. Zur Stabilisierung muss LOO· ein Wasserstoffatom von anderen mehr-fach ungesättigten Fettsäuren abstrahieren, so dass Lipidhydroperoxide (LOOH) und Alkylradikale (L·) entstehen. Letztere reagieren wiederum mit Sauerstoff, wodurch sich die Reaktionen der Propagation wiederholen. Die gebildeten Lipidhydroperoxide kön-nen in Alkoxylradikale (LO·) und Hydroxylradikale (HO·) zerfallen und diekön-nen somit wieder als Initiatoren für die zuvor genannten Reaktionen. Der Zerfall wird durch die Anwesenheit von Übergangsmetallen wie Eisen katalysiert (Frankel, 2005). Sobald eine kritische Konzentration an Peroxylradikalen erreicht ist, kann die Propagation durch Reaktion zweier Radikale unter Bildung von Nicht-Radikalen beendet werden. Antioxi-dantien können gegenüber Lipidoxidation stabilisieren (Prisacaru, 2016). Sie agieren als Wasserstoffdonor und können resonanzstabilisierte Radikale bilden (Reische, Lillard, & Eitenmiller, 2008). Aufgrund der unterschiedlichen Reaktionsmechanismen werden primäre und sekundäre Antioxidantien unterschieden (Reische et al., 2008). Primäre Antioxidantien, wie phenolische Substanzen, sind Radikalfänger. Bei Phenolen können
Wasserstoffatome der Hydroxylgruppen aufgrund der schwachen Bindung leicht abstra-hiert werden und das freie Elektron kann durch das π-Elektronensystems des aromati-schen Ringsystems delokalisiert und das Molekül somit stabilisiert werden (Lucarini & Pedulli, 2010). Sekundäre Antioxidantien reduzieren die Lipidoxidation durch die Bin-dung von Metallionen, das Abfangen von Sauerstoff, durch Umwandeln der Hydroper-oxide in Nicht-Radikale, das Absorbieren von UV-Strahlung oder durch das Deaktivie-ren von hochreaktivem Singulett-Sauerstoff (1O
2) (Gordon, 2001; Klein, Lukes, & Cibulková, 2005).
Carotinoide besitzen aufgrund der mehrfach ungesättigten Kohlenstoffkette im Molekül ebenfalls antioxidative Wirkung und sind daher von physiologischer Bedeutung (Conn et al., 1991). Gleichzeitig bestimmt das Maß der Konjugation der Kohlenstoffkette, also die Chromophore, die Farbe von Carotinoiden und verleiht ihnen neben der physiologi-schen auch eine technologische Funktion (Ruban, Horton, & Young, 1993). Die struktu-relle Besonderheit führt jedoch auch dazu, dass Carotinoide empfindlich gegenüber Oxidation sind (Boon, McClements, Weiss, & Decker, 2010). Eine Oxidation verur-sacht durch den Abbau der Carotinoide unerwünschte Farbänderungen bis hin zum Ausbleichen und kann auch zur Bildung von Fehlaromen führen (Mordi & Walton, 2016; Töpel, 2016; Wasowicz et al., 2004). Untersuchungen zur Autoxidation von Ca-rotinoiden zeigen, dass die Oxidations- und damit auch Antioxidationsmechanismen Radikalen-basiert sind (Mordi & Walton, 2016). Ob eine radikalische Kettenreaktion ausgelöst wird oder ein antioxidativer Effekt auftritt, hängt vom Sauerstoffpartialdruck ab (Bonnie & Choo, 1999). Bei hohem Sauerstoffpartialdruck wird eine radikalische Kettenreaktion begünstigt. Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Prozess der Lip-idoxidation ist die Schlüsselreaktion keine Wasserstoffabstraktion, sondern eine Isome-risierung der Carotinoide von trans- zu cis-Formen (Mordi & Walton, 2016). Im An-schluss kann es zum einen zum Angriff von Peroxylradikalen an dem endständigen Ionon-Ring kommen, was zur Bildung labiler Epoxide mit anschließender Spaltung des Moleküls führt. Zum anderen können Peroxylradikale an der Kohlenstoffkette angrei-fen, so dass delokalisierte kohlenstoffzentrierte Radikale entstehen, welche durch zwei unterschiedliche Mechanismen instabile Verbindungen bilden können und anschließend in zwei Carbonylverbindungen zerfallen (Mordi & Walton, 2016). Bei niedrigem Sauer-stoffpartialdruck wird hingegen die Bildung von Radikal-Addukten begünstigt, wodurch eine Resonanzstabilisierung und damit eine Inaktivierung von Peroxylradikalen bewirkt wird (Stahl & Sies, 2003). Neben der Autoxidation kann auch Photooxidation auftreten. Dies ist ein Oxidationsprozess, der durch reaktive Sauerstoffspezien wie 1O2 und Hyd-roxylradikale (HO·), die durch photochemische Prozesse entstanden sind, hervorgerufen wird (Belitz, Grosch, & Schieberle, 2008). Carotinoide sind dafür bekannt, dass sie 1O
2 effektiv inaktivieren können (Conn et al., 1991). Dies geschieht durch einen physikali-schen Prozess, das sogenannte Quenching. Dabei wird die Energie des 1O2 auf das Ca-rotinoid übertragen, so dass der Sauerstoff in den Grundzustand und das CaCa-rotinoid in
den angeregten Triplett-Zustand übergeht (Bonnie & Choo, 1999). Anschließend geht das Carotinoid zurück in den Grundzustand und die Energie wird durch Wechselwir-kung mit dem umgebenden Medium abgeben (Stahl & Sies, 2003). Neben den physika-lischen Reaktionen können jedoch zusätzlich chemische Reaktionen auftreten, die letzt-endlich zu einem Abbau der Carotinoide führen (Krinsky, 1989).
Zusammenfassend wird deutlich, dass das Einbringen von funktionellen Inhaltsstoffen in Lebensmittel einen gesundheitsförderlichen Beitrag leisten kann, den Verbraucher zudem zunehmend einfordern. Allerdings sind zwei wichtige Faktoren zu beachten, die maßgeblich für die Erhaltung des gesundheitsfördernden Mehrwertes bei der Herstel-lung sind. Zum einen sind die bioaktiven Verbindungen in der Regel lipophil und besit-zen daher eine schlechte Löslichkeit in wässrigen Umgebungen innerhalb der Lebens-mittelmatrix. Zum anderen weisen sie aufgrund der Isolation eine verringerte Stabilität gegenüber den Umgebungsbedingungen wie Licht und Sauerstoff auf. Besonders oxida-tionsempfindlich sind Carotinoide und Öle mit einem hohen Gehalt an mehrfach unge-sättigten Fettsäuren (Boon et al., 2008; Frankel, 2005). Um diesen Aspekten entgegen-zuwirken, können je nach Applikation verschiedene disperse Trägersysteme eingesetzt werden. Diese dienen generell der Solubilisierung, der Verkapselung, dem Schutz und der gezielten Freisetzung von funktionellen Lebensmittelinhaltsstoffen, um so deren Handhabung zu verbessern oder die Stabilität oder Effizienz zu erhöhen.
1.1 Disperse Trägersysteme für funktionelle
Lebensmittelinhaltsstoffe
Disperse Trägersysteme zeichnen sich dadurch aus, dass jeweils eine Phase in einer anderen Phase fein verteilt ist (Butt, Graf, & Kappl, 2003). Betragen die Partikelgrößen der dispersen Phase 1 nm bis 1 µm werden diese Systeme als kolloidale Dispersionen bezeichnet (Butt et al., 2003; Lagaly, Schulz, & Zimehl, 1997). Im Fall von wasserba-sierten Lebensmitteln liegen die funktionellen Lebensmittelinhaltsstoffe als lipophile Phase feinverteilt in einer kontinuierlichen wässrigen Phase vor. Zu den dispersen Trä-gersystemen zählen beispielsweise feste Lipid-Nanopartikel, Liposome, Mizellen, Emulsionen und Nanoemulsionen (Rodríguez, Martín, Ruiz, & Clares, 2016). Die Trä-gersysteme unterscheiden sich u.a. in der Größe, Form, Stabilität und Beladungskapazi-tät (Rodríguez et al., 2016). Der Aufbau des flüssigen Systems bestimmt deren Funktio-nalität (Đorđević et al., 2015; Gleeson, Ryan, & Brayden, 2016; Katouzian & Jafari, 2016; Roos et al., 2015). Darüber hinaus können die flüssigen Trägersysteme unter Zu-satz von Matrixkomponenten wie Kohlenhydraten mittels Sprühtrocknung in feste For-mulierungen überführt werden und somit die Stabilität der funktionellen Lebensmittel-inhaltsstoffe aufgrund verringerter Sauerstoffpermeabilität erhöhen (Drusch, Regier, & Bruhn, 2012). In diesem Zusammenhang ist in der Literatur häufig der Begriff Mikro-verkapselung zu finden. In den folgenden Unterkapiteln 1.1.1 bis 1.1.3 sollen die
physi-kalischen Grundlagen zwei verschiedener disperser Systeme (Mizellen und (Nano-)Emulsionen) und deren Mikroverkapselung vorgestellt werden.
Für die Bildung und Stabilisierung flüssiger Trägersysteme werden Emulgatoren benö-tigt (Rosen, 2004). Aufgrund ihres amphiphilen Charakters können diese an der Grenz-fläche zwischen hydrophoben und hydrophilen Bereichen adsorbieren und die lipophi-len funktionellipophi-len Stoffe in der wässrigen Phase dispergieren. Im Allgemeinen werden Emulgatoren in nieder- und hochmolekulare Emulgatoren unterteilt (Berton-Carabin, Ropers, & Genot, 2014). Diese besitzen unterschiedliche physikalisch-chemische Ei-genschaften, die wiederum die Art der dispersen Systeme und deren Stabilität beeinflus-sen (Kralova & Sjöblom, 2009). Diese Eigenschaften werden unter Kapitel 1.2 näher erläutert. Als niedermolekulare Emulgatoren dienen in der Lebensmittelindustrie über-wiegend Moleküle wie Fettsäuresalze (E470), verschiedene Fettsäureester, das Natrium- und Kalziumsalz der Stearoylmilchsäure (E481, E482), Mono- und Diglyceride, Zitro-nensäure-, Essigsäure-, Milchsäure-, Bernsteinsäure- und Diacetylweinsäureester von Monoglyceriden, Spans und Polysorbate (Hasenhuettl & Hartel, 2008). Der Wunsch und die zunehmende Nachfrage des Verbrauchers nach natürlichen und nachhaltigen kommerziellen Produkten bringt ein großes Interesse der Industrie mit sich, synthetische Emulgatoren durch natürliche zu ersetzen (McClements & Gumus, 2016). Daher wer-den neben Mono- und Diglyceriwer-den häufig Phospholipide wie Lecithin, die auf natürli-chen Quellen wie Soja und Ei basieren, als niedermolekulare Emulgatoren eingesetzt (van Nieuwenhuyzen & Tomás, 2008). Allerdings ist der Einsatz des überwiegend ver-wendeten Sojalecithin aufgrund des allergenen Potentials von Sojaproteinen begrenzt (Kjellin & Johansson, 2010; Müller et al., 1998). Hinzu kommt, dass angesichts stei-gender Besorgnis hinsichtlich der möglichen kurz- und langfristigen Gesundheitsrisiken von gentechnisch verändertem Soja, auch Soja als Quelle für natürliche Emulgatoren mehr und mehr in den Hintergrund rückt (Kjellin & Johansson, 2010). Zu den hochmo-lekularen Emulgatoren zählen hauptsächlich aus pflanzlichen oder tierischen Rohstoffen stammende amphiphile Biopolymere wie Milch- und Sojaproteine (Hasenhuettl & Hartel, 2008), aber auch hier begrenzt das allergene Potential deren Einsatz (Cordle, 2004; Wal, 2002). Aus den zuvor genannten Gründen erwächst ein großes Interesse, neue Quellen für natürliche Emulgatoren zu erschließen.
In Kapitel 1.3 soll daher der chilenische Seifenrindenbaum, Quillaja saponaria Molina, als eine alternative Quelle dargestellt werden. Dieser enthält Saponine, die als Emulga-toren fungieren und aufgrund ihrer molekularen Struktur die Eigenschaften sowohl nie-der- als auch hochmolekularer Emulgatoren besitzen.
1.1.1 Mizellen
Niedermolekulare Emulgatoren können Mizellen bilden (Rosen, 2004). Bei sehr niedri-gen Konzentrationen lieniedri-gen die meisten Emulgatoren in der Lösung als isolierte
Mono-mere vor, sobald eine spezifische Konzentration, die sogenannte kritische Mizellbil-dungskonzentration (CMC) erreicht ist, aggregieren diese spontan und es bilden sich thermodynamisch stabile Strukturen (Israelachvili, 2011). Oberhalb der CMC erhöht sich die Zahl der Mizellen, während die Größe und die Aggregationszahl, also die An-zahl an Emulgatormolekülen einer Mizelle, konstant bleiben (Chevalier & Zemb, 1999). Die treibende Kraft zur Mizellbildung ist der hydrophobe Effekt (Schramm, Stasiuk, & Marangoni, 2003), welcher die Zusammenlagerung von unpolaren Substanzen im pola-ren Medium beschreibt. Die thermodynamisch treibende Kraft des hydrophoben Effekts ist eine Entropieerhöhung des Systems (Chandler, 2005). Die Solvathülle hydrophober Moleküle ist wesentlich größer und geordneter im Vergleich zu hydrophilen Molekülen. Dieses ist durch die stärker wechselwirkenden Wassermoleküle zu erklären, da die hyd-rophoben Moleküle keine Wasserstoffbrückenbindungen zu den Wassermolekülen aus-bilden. Eine Zusammenlagerung der hydrophoben Molekülteile der Emulgatoren be-wirkt eine Verkleinerung der Kontaktfläche zum Wasser und damit eine Abnahme der geordneten Wassermoleküle, wodurch die Entropie des Systems steigt (Paula, Sues, Tuchtenhagen, & Blume, 1995).
Mizellare Lösungen sind kolloidale Systeme, in denen die Aggregate mit den Monome-ren in einem dynamischen Gleichgewicht stehen (Garcia & Sanz-Medel, 1986). Die freie Enthalpie von Emulgatorlösungen setzt sich nach Puvvada & Blankschtein (1990) aus drei Teilen zusammen:
1. die freie Mizellbildungsenergie, welche die molekularen Wechselwirkungen be-schreibt, die für die Selbstassoziation der Emulgatormoleküle verantwortlich sind, 2. die freie Mischungsenthalpie, die sich aus der Anzahl der geometrischen
Konfigu-rationen von Mizellen, Monomeren und Wassermolekülen in Abhängigkeit ihrer relativen Anteile berechnen lässt und
3. die freie Wechselwirkungsenergie, welche die Wechselwirkungen zwischen Mi-zellen, Monomeren und Wassermolekülen zusammenfasst.
Das gesamte System ist fluide. Daher sind die Kräfte, durch welche die amphiphilen Moleküle zusammengehalten werden, keine starken kovalenten oder ionischen Bindun-gen, sondern in Abhängigkeit vom Emulgator schwächere van-der-Waals-BindunBindun-gen, hydrophobe Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und abgeschirmte elekt-rostatische Wechselwirkungen (Israelachvili, 2011). Aufgrund der Dynamik können Mizellen kugelförmige, ellipsoide, abgeflachte und gestreckte Formen annehmen. Än-dert sich die Form der Mizellen, so änÄn-dert sich auch deren Größe (Tehrani-Bagha & Holmberg, 2013).
Die Art des Emulgators wird durch funktionelle Gruppen in den hydrophilen Kopfgrup-pen bestimmt. Unterschieden werden nichtionische, anionische, kationische und ampho-tere Emulgatoren. Im Fall von geladenen Emulgatoren kann eine Veränderung der Elektrolytkonzentration oder des pH-Werts der mizellaren Lösungen, nicht nur die
Wechselwirkungen zwischen den Mizellen, sondern auch die intermolekularen Wech-selwirkungen innerhalb dieser beeinflussen, wodurch sich die Größe und Form der Mi-zellen verändern kann (Israelachvili, 2011). Mit Hilfe des Volumens, dass durch die hydrophoben Teile eingenommen wird, der Länge der hydrophoben Molekülteile und der Querschnittsfläche der hydrophilen Kopfgruppe an der Grenzfläche der Mizelle lässt sich der Packungsparameter berechnen, der die Form der Mizelle beschreibt (Israelachvili, Mitchell, & Ninham, 1976, 1977). Packungsparameter von 0-½ beschrei-ben sphärische Mizellen, 1/3 -½ zylindrische und ½-1 lamellare Strukturen.
Die Mizelle lässt sich nach Tehrani-Bagha & Holmberg (2013) in drei verschiedene Bereiche einteilen (s. Abbildung 1). Die Grenzfläche zwischen der Mizelle und der wässrigen Bulkphase bildet den äußeren Bereich und wird für ionische Emulgatoren auch als Sternlayer bezeichnet. In diesem Bereich sind die hydrophilen Kopfgruppen verortet. Nach innen gerichtet folgt die Palisadenschicht, in der sich ein Teil des phoben Bereichs der Emulgatoren befindet. Der Kern bildet den am stärksten hydro-phoben Bereich. Die Polarität innerhalb der Mizelle steigt mit zunehmender Entfernung vom Kern.
Abbildung 1: Drei Regionen einer Mizelle in wässriger Umgebung (Tehrani-Bagha & Holmberg, 2013)
Lipophile Substanzen, die in wässrigen, polaren Systemen schlecht oder nicht löslich sind, können in ausreichend konzentrierten Emulgatorlösungen durch die Aufnahme in das hydrophobe Mizellinnere solubilisiert werden und thermodynamisch stabile Syste-me bilden (Oakes & Gratton, 2003). Dies wird durch Emulgatoren ermöglicht, deren hydrophiler Teil im Vergleich zum hydrophoben Teil größer ist, also einen HLB-Wert (hydrophilic-lipophilic-balance) > 10 besitzen (McClements, 2016). Im Gegensatz dazu sind Emulgatoren mit einem niedrigeren HLB-Wert aufgrund des größeren hydropho-ben Teils eher öllöslich und würden wässrige Substanzen in hydrophohydropho-ben Umgebungen solubilisieren (Shahidi & Zhong, 2011). Der HLB-Wert eines Emulgators ist allerdings
nur ein Indikator für die Art des dispersen Systems jedoch nicht für dessen Effizienz (Schramm et al., 2003).
Die Solubilisierungskapazität wird zur Evaluierung der Aufnahme von lipophilen Stof-fen in Mizellen genutzt (Paterson, Chowdhry, & Leharne, 1999). Die Solubilisierungs-kapazität besagt, wie viel Mol wasserunlösliche Substanz von einem Mol mizellierten Emulgator aufgenommen werden kann (Edwards, Luthy, & Liu, 1991). Die Größe und die Form der auf niedermolekularen Emulgatoren basierenden Mizellen beeinflusst die Solubilisierung von lipophilen Substanzen. So können längliche Mizellen mehr wasser-unlösliche Substanzen aufnehmen als sphärische (Tokiwa, 1968). Die Form und Größe hängen wiederum von der Struktur der Emulgatoren und je nach Emulgatorart von der Temperatur, dem pH-Wert und der Ionenstärke ab, so dass auch diese Größen einen großen Einfluss auf die Solubilisierungskapazität haben (Israelachvili, 2011). Darüber hinaus spielt die zu dispergierende Substanz eine entscheidende Rolle. So können unter-schiedliche Emulgatorstrukturen zu unterunter-schiedlichen Solubilisierungskapazitäten von Farbstoffen führen (Tehrani-Bagha & Holmberg, 2013). Je nach Polarität des zu solubi-lisierenden Moleküls variiert der Solubilisierungsort in der Mizelle (Nguyen-Kim et al., 2016). Des Weiteren ist die Größe des hydrophoben Inneren der Mizelle für die Solubi-lisierungskapazität entscheidend. Mit zunehmender Größe des hydrophoben Teils der Emulgatoren wächst der hydrophobe Bereich und die Solubilisierungskapazität steigt (Abe, Imae, & Ikeda, 1987; Masrat, Maswal, & Dar, 2013). Die hydrophilen Kopfgrup-pen beeinflussen die Solubilisierung, indem sie zum einen auch als Solubilisierungsort dienen und zum anderen die Aggregationszahl verändern können und dadurch auch die Größe (Jacobs & Anacker, 1973, 1976). Auch hochmolekulare Emulgatoren wie die Block-Copolymere der Art Polyoxyethylen-Polyoxypropylen-Polyoxyethylen können Aggregate bilden und somit hydrophobe Substanzen solubilisieren (Gaucher et al., 2005; Tehrani-Bagha, Singh, & Holmberg, 2013). Ein Vergleich von niedermolekularen Emulgatoren mit hochmolekularen Emulgatoren, die ein 100fach bzw. 200fach höheres Molekulargewicht besitzen, zeigt in Bezug auf das Molekulargewicht deutlich höhere Solubilisierungskapazitäten für hochmolekulare als für niedermolekulare Emulgatoren, da sie größere Aggregate bilden (Tehrani-Bagha et al., 2013). Aufgrund des hohen Mo-lekulargewichts ist die Solubilisierungskapazität in Bezug auf das Gewicht allerdings viel geringer. Dennoch wird gezeigt, dass die hochmolekularen Emulgatoren im Gegen-satz zu niedermolekularen Emulgatoren sowohl unterhalb als auch oberhalb der CMC hydrophobe Stoffe solubilisieren können und sehr niedrige CMC besitzen (Anton & Laschewsky, 1994). Somit zeigen aggregierte Systeme, die mit hochmolekularen Emul-gatoren hergestellt werden, eine höhere Stabilität gegenüber Konzentrationsänderungen als niedermolekulare.
Systeme, in denen eine lipophile Phase in mizellaren Strukturen in einer anderen Phase dispergiert vorliegen, können als geschwollene Mizellen oder Mikroemulsionen be-zeichnet werden (Narang, Delmarre, & Gao, 2007). In der Literatur wird der Begriff
Mikroemulsionen zunehmend mit einer höheren Beladung und der Anwesenheit von Cosolventien in Verbindung gebracht und grenzt sich daher von geschwollenen Mizel-len ab (Garti & McClements, 2012). Da es keine genaue Definition für die Beladungs-menge geschwollener Mizellen gibt, aber dennoch herausgestellt werden soll, dass keine Cosolventien genutzt wurden, wird im Folgenden von unbeladenen und beladenen Mi-zellen gesprochen.
Entsprechend der Lokalisierung der lipophilen Substanzen und Solubilisierungskapazi-tät sind die Einsatzmöglichkeiten von mizellaren Lösungen vielfältig und spezifisch. Sie können u.a. zur selektiven Extraktion unpolarer Stoffe aus Ölen, zur kontrollierten Frei-setzung, zum Dispergieren von unpolaren Substanzen in wässrigen Lösungen und zum Transport von unpolaren Stoffen durch wässrige Membranen eingesetzt werden (McClements, 2016). Wrolstad & Culver (2012) empfehlen hinsichtlich einer Applika-tion in Lebensmitteln mizellare Systeme aufgrund ihrer Transparenz für Getränke. Dar-über hinaus zeigen Chen et al. (2015), dass eine Mischung aus niedermolekularen natür-lichen und synthetischen Emulgatoren zur Solubilisierung von Pfefferminzöl und Coenzym Q10 in mizellaren Systemen geeignet ist und vor dem Abbau des Coenzym Q10 schützen kann. Der Einfluss der Struktur des Emulgators sowie des Solu-bilisats auf die Solubilisierungseigenschaften zeigt allerdings die Notwendigkeit, dass jedes System neu bewertet werden muss.
1.1.2 Emulsionen
Emulsionen lassen sich in Nano- (< 200 nm) und Makroemulsionen (>200 nm) einteilen (Santana, Perrechil, & Cunha, 2013; Tadros, 2005). Beide Emulsionstypen bilden sich nicht wie mizellare Systeme aus thermodynamischen Gründen spontan und müssen da-her durch Energieeintrag, z.B. mittels Hochdruckhomogenisieren, da-hergestellt werden (Tadros, Izquierdo, Esquena, & Solans, 2004). Während des Homogenisierens werden Öltropfen durch hohe Scherkräfte, energiereiche Verwirbelungen in turbulenter Strö-mung und Kavitation verformt und die Grenzfläche durch den anschließenden Tropfen-aufbruch stark vergrößert (Santana et al., 2013). Die neugebildete Phasengrenze besitzt eine hohe Grenzflächenenergie, die durch Adsorption von niedermolekularen oder hochmolekularen Emulgatoren herabgesetzt werden kann, was eine Stabilisierung der Öltropfen zur Folge hat (Butt et al., 2003).
Die kinetische Stabilität von Emulsionen kann durch Aufrahmen, Flokkulation, Koales-zenz und Ostwaldreifung negativ beeinflusst werden (McClements, 2016). Das Auf-rahmen wird durch die Partikelgröße beeinflusst. Denn gemäß des Stokes’schen Geset-zes erhöht sich die Aufrahmungsgeschwindigkeit mit zunehmendem Öltropfendurch-messer (Miyagawa, Katsuki, Matsuno, & Adachi, 2015). Flokkulation, Koaleszenz und Ostwaldreifung führen zu einer Vergrößerung des Tropfendurchmessers, wobei die Ag-gregation einen reversiblen Prozess darstellt (Sæther, Sjöblom, & Dukhin, 2004). Die
Flokkulation beinhaltet das Aneinanderhaften von Öltropfen, die durch Van-der-Waals-Kräfte verursacht werden (Schramm, 2005). Diese Anziehung kann durch eine Ladung der Grenzfläche oder polymere Molekülstrukturen, die in die kontinuierliche Phase ra-gen, verhindert werden. Demzufolge wird von elektrostatischer Stabilisierung und/oder sterischer Stabilisierung gesprochen (Wilde, Mackie, Husband, Gunning, & Morris, 2004). Koaleszenz beschreibt das Zusammenfließen von Öltropfen nach der Flokkulati-on. Emulgatoren, die einen stabilen Grenzflächenfilm bilden können als Barriere das Zusammenfließen der Tropfen verhindern (Berton-Carabin et al., 2014). Zudem verrin-gert jede Grenzflächenspannungsabsenkung das Bestreben der Öltropfen zusammenzu-fließen (Butt et al., 2003). Ostwaldreifung beschreibt das Phänomen, dass sich in Dis-persionen kleine Partikel auflösen, während große Partikel wachsen, ohne dass sie sich berühren (Tcholakova, Denkov, & Lips, 2008). Nach Tcholakova et al. (2008) wird dies durch den Unterschied im chemischen Potential der Moleküle in den kleinen und gro-ßen Tropfen verursacht, welches wiederum durch die Abhängigkeit des Kapillardrucks von der Tropfengröße bestimmt wird. Damit Ostwaldreifung stattfinden kann, sollten die Moleküle der dispergierten Phase eine gewisse Löslichkeit in der kontinuierlichen Phase aufweisen, wodurch ein Transport durch molekulare Diffusion des Materials von kleinem zu großem Tropfen ermöglicht wird. Dieses Phänomen wird durch eine höhere Oberflächenspannung, Öltropfendichte in der Emulsion und die Temperatur, die eine geringere Viskosität der kontinuierlichen Phase bewirkt, begünstigt (McClements, 2016).
Die Tropfengröße beeinflusst die optischen Eigenschaften und die kinetische Stabilität der Emulsionen. So können Nanoemulsionen im Gegensatz zu Makroemulsionen auf-grund der verringerten Lichtstreuung transparent erscheinen (Wooster, Golding, & Sanguansri, 2008). Zugleich sind die Destabilisierungsprozesse nur sehr gering ausge-prägt (Mason, Wilking, Meleson, Chang, & Graves, 2006). Die kleine Öltropfengröße in Nanoemulsionen verhindert das Aufrahmen, da die Brownsche Molekularbewegung ausreichen kann, um die verringerte Schwerkraft zu überwinden (Kjellin & Johansson, 2010) und der im Vergleich zum Tropfendurchmesser relativ dicke Emulgatorfilm kann einen sehr guten Schutz gegenüber Koaleszenz bieten (Tadros et al., 2004). Aggregation und Ostwaldreifung können dennoch zur Destabilisierung von Nanoemulsionen führen (Wooster et al., 2008), allerdings würde eine Destabilisierung aufgrund der Ausgangs-größe der Öltropfen deutlich länger als in Makroemulsionen dauern.
Neben der Transparenz bieten Nanoemulsionen gegenüber mizellaren Systemen den Vorteil der höheren Beladung mit lipophiler Phase, da das Verhältnis von Emulgator zu lipophiler Phase in Nanoemulsionen deutlich niedriger als in mizellaren Systemen ist (Tadros et al., 2004). Außerdem führen Änderungen in den Umgebungsbedingungen, wie z.B. Konzentrationsänderungen infolge einer Verdünnung, zu Strukturveränderun-gen und zur Desintegration der Mizellen, wohingeStrukturveränderun-gen Nanoemulsionen trotz einer Desorption einzelner Emulgatoren einer Destabilisierung aufgrund der elektrostatischen
und/oder sterischen Abstoßungskräfte entgegenwirken können und stets sphärische Tropfen aufzeigen (Mason et al., 2006; McClements, 2011, 2012).
Es wird gezeigt, dass die Immobilisierung von bioaktiven Substanzen in der Ölphase von Nanoemulsionen dazu beiträgt, die Dispergierbarkeit der lipophilen Stoffe in wäss-rigen Lösungen zu erhöhen und einer Phasentrennung vorzubeugen (Donsì, Sessa, Mediouni, Mgaidi, & Ferrari, 2011). Zudem kann die dispergierte Substanz vor Wech-selwirkungen mit der Lebensmittelmatrix bzw. Umgebungsbedingungen geschützt wer-den und somit deren funktionelle Eigenschaften erhalten und dem Verderb des Lebens-mittels vorgebeugt (z.B. Oxidation von Fett) sowie der Einfluss auf die organolepti-schen Eigenschaften des Lebensmittels verringert werden (Donsì et al., 2011; Q. Huang, Yu, & Ru, 2010; Kaur, Kumar, & Mehta, 2015). Nanoemulsionen sind daher vielver-sprechende Trägersysteme für bioaktive Substanzen, die durch weitere Verarbeitungs-schritte wie z.B. Sprühtrocknung der Nanoemulsion geschützt werden können. Die Pro-zessstabilität disperser Systeme wird allerdings von Faktoren wie der Zusammensetzung (lipophile Komponente, Emulgator, Trägermaterial) und den Prozessparametern (Tem-peratur, Zerstäubungsdruck, Düsengeometrie) beeinflusst (Đorđević et al., 2015; Drusch et al., 2012), so dass die Funktionalität und Stabilität je nach System variiert und der Einfluss dieser Faktoren untersucht werden sollte.
1.1.3 Sprühgetrocknete Trägersysteme
In der Lebensmittelindustrie ist die Sprühtrocknung von dispersen Trägersystemen auf-grund der geringen Kosten und technischen Realisierbarkeit ein gängiges Verfahren zur Mikroverkapselung von sensitiven Materialien (Kandansamy & Somasundaram, 2012). Als Verkapselungsmaterial, auch Wandmaterial, werden den Emulsionen verschiedens-te Polysaccharide oder auch Proverschiedens-teine hinzugefügt (Drusch, Serfert, Scampicchio, Schmidt-Hansberg, & Schwarz, 2007). Die Verkapselung in eine Matrix bietet der ver-kapselten Substanz durch das Herabsetzen der Sauerstoffpermeabilität Schutz, z.B. ge-genüber oxidativen Veränderungen (Drusch et al., 2009; Subramaniam et al., 2013). Darüber hinaus wird das Kernmaterial gegenüber anderen Umgebungsbedingungen wie Licht und Wasser geschützt und die Formulierung als Pulver bietet eine einfachere Handhabung und Dosierung (Shahidi & Han, 1993).
Der Sprühtrocknungsprozess beinhaltet vier Schritte: die Herstellung der Dispersion, das Homogenisieren, die Zerstäubung und die Dehydrierung (Kandansamy & Somasundaram, 2012). Die ersten Schritte beinhalten das Dispergieren des Kernmateri-als in eine wässrige Emulgatorlösung mit einer Trägermatrix und das Homogenisieren. Die Emulsion wird anschließend mittels einer Düse zerstäubt. Die Zerstäubung führt zu kleinen Flüssigkeitstropfen, die eine große Oberfläche für die Verdampfung des Was-sers bieten. Je kleiner die Tropfen sind, desto größer ist die Oberfläche und umso kürzer ist die Trocknungszeit (Westergaard, 2004). Durch die Zerstäubung wird eine hohe
me-chanische Beanspruchung auf die Emulsion ausgeübt. Beispielsweise werden in einer Zweistoffdüse hohe Scherkräfte durch das Auftreffen von Luft mit hoher Geschwindig-keit auf den FlüssigGeschwindig-keitsstrahl induziert, was einen Zerfall in kleine Tropfen bewirkt (Duangkhamchan, Ronsse, Depypere, Dewettinck, & Pieters, 2012). Im Fall von Rota-tionszerstäubern erfährt die Flüssigkeit eine hohe Zentrifugalbeschleunigung. Sie tritt als Strahl aus der rotierenden Scheibe aus und zerfällt dann in einzelne Tropfen (Teunou & Poncelet, 2005). Durch einen erhitzten Luftstrom werden die Flüssigkeitstropfen nun in kürzester Zeit getrocknet und die Kohlenhydratmatrix erstarrt (Drusch et al., 2012). Dabei wird ein Großteil des Öls in der Matrix eingeschlossen. Je nach Zusammenset-zung der Emulsion und den Sprühtrockungsbedingungen, kann sich ein kleiner Teil an der Oberfläche befinden und wird als freies Oberflächenfett bezeichnet (Drusch & Berg, 2008). Die Menge an freiem Oberflächenfett kann die Eigenschaften des sprühgetrock-neten Pulvers beeinflussen. Durch eine geringere Menge an freiem Oberflächenfett sinkt zum einen die Oberflächenhydrophobizität des Pulvers, wodurch es fließfähiger, leich-ter benetzbar und dispergierbar wird. Zum anderen wird das Auftreten von Lipidoxidi-dation an der Partikeloberfläche reduziert (Maher, Roos, & Fenelon, 2014). Die Trock-nung bewirkt ein Schrumpfen der Tropfen, so dass die Ölphase aufkonzentriert und Ko-aleszenz möglich wird, was wiederum zu einem erhöhten Gehalt an freiem Oberflächen-fett führen kann (Drusch et al., 2007; Serfert et al., 2013). Die Temperatur des Luft-stroms kann bei sehr hitzeempfindlichen Substanzen zu einer Schädigung während des Trocknens führen (Risch, 1995), da die getrockneten Partikel typischerweise Tempera-turen zwischen 50 und 80 °C ausgesetzt werden (Gharsallaoui, Roudaut, Chambin, Voilley, & Saurel, 2007).
Zur Erhöhung der oxidativen Stabilität der Kernsubstanz können der flüssigen Formu-lierung Antioxidantien hinzugefügt werden. Eine Studie von Serfert et al. (2009) zur oxidativen Stabilität von Fischöl während des Sprühtrocknens macht deutlich, dass die unterschiedlichen Systeme, in denen das Öl vorliegt während der Mikroverkapselung eine ausgewogene Zusammensetzung von Antioxidantien, Synergisten und Komplex-bildnern mit unterschiedlicher Polarität erfordern. Sie zeigen, dass ternäre Antioxidans-Systeme aus synergistisch wirkenden Antioxidans-Mischungen und Metall-komplexierenden Emulgatoren eine effiziente Stabilisierung des empfindlichen Öls während der Mikroverkapselung bewirken (Serfert et al., 2009).
Neben den antioxidativ wirkenden Additiven bestimmen die Zusammensetzung und die Umgebungsbedingungen die Stabilität der Kernsubstanzen in Mikrokapseln. So beein-flusst die Art des Trägermaterials die Permeabilität gegenüber Sauerstoff (Gallardo et al., 2013). Denn mit zunehmender Molekülgröße des Trägermaterials nehmen die Freien Volumenelemente, welche durch die Größe und Größenverteilung von Mikro- und Nanokavitäten charakterisiert werden können, zu und erhöht das Risiko der Lipido-xidation (Drusch et al., 2009). Partanen et al. (2008) beschreiben, dass sowohl eine sehr geringe wie auch eine hohe relative Feuchte die Lipidoxidation beschleunigen kann. Ist
die relative Feuchte sehr gering, führt dies zu Rissen in der Matrix, die den Sauer-stofftransport ermöglichen. Eine hohe relative Feuchte hingegen lässt die amorphe Mat-rix der hydrophilen Makromoleküle erweichen und führt zu einer erhöhten molekularen Beweglichkeit, welche die Sauerstoffdiffusion und damit auch die Permeabilität erhöht (Partanen et al., 2008). Zum Teil kann die Oxidationsstabilität auch durch die Öltrop-fengröße der zu trocknenden Dispersion beeinflusst werden. So zeigen Soottitantawat et al. (2003), dass eine erhöhte Öltropfengröße zu mehr Oberflächenfett führt und begrün-det dies mit der Scherung und dem Aufbruch der großen Öltropfen während des Zer-stäubens.
Durch die Zerstäubung des zu trocknenden dispersen Systems wird infolge einer Ver-größerung der Oberfläche die Diffusion der Emulgatoren an die Oberfläche erwartet (Shavit & Chigier, 1995). Wie zuvor herausgestellt (Kapitel 1.1.1), sind Mizellen ther-modynamisch stabil, so dass bei Veränderungen der Konzentrationen und einer damit einhergehenden temporären Desintegration wieder neue stabile Strukturen ausgebildet werden können. Wie bereits in Kapitel 1.1.1 erwähnt, bestimmt die Emulgatorart die Ausbildung von Wechselwirkungskräften und damit die Stabilität der Mizelle. Je insta-biler Mizellen sind, desto eher kommt es zu einer Auflösung der Mizellen, indem Mo-nomere zur neugebildeten Grenzfläche strömen (Dhara & Shah, 2001). Infolge einer Mizelldesintegration kann der eingeschlossene Wirkstoff freigesetzt werden und an der Partikeloberfläche akkumulieren, wodurch die bioaktive Substanz nicht mehr vor oxida-tivem Abbau geschützt wird. Auch Änderungen in der Zusammensetzung des trocknen-den Tropfens durch die Verdunstung des Wassers können die Integrität des dispergier-ten Systems infolge einer Strukturveränderung der Mizelle (Daful, Avalos, & Mackie, 2012) beeinflussen. Bislang gibt es nur wenig Literatur zur Veränderung von thermody-namisch stabilisierten flüssigen Trägersystemen, insbesondere den geschwolle-nen/beladenen Mizellen während der Sprühtrocknung. Im Hinblick auf Mikroemulsio-nen weist die Literatur unterschiedliche Beobachtungen auf. So zeigen Singh et al. (2013), dass sich durch die Sprühtrocknung keine Veränderungen in der Partikelgröße von Tween-Polyethylenglykol-Mikroemulsionen, die ein blutdrucksenkendes Medika-ment enthielten, ergaben. Wohingegen Margulis et al. (2014) einen Anstieg der Parti-kelgröße von Lecithin-Cyclopentanon-Mikroemulsionen mit Curcumin beobachten, den sie durch eine Umlagerung der amphiphilen Emulgatoren am Ende des Verdampfungs-prozesses erklären. Im Hinblick auf Nanoemulsionen wird eine hohe Stabilität erwartet, da sie wie in Kapitel 1.1.2 herausgestellt, eine hohe kinetische Stabilität besitzen. So zeigt sich auch durch die Sprühtrocknung von Nanoemulsionen mit unterschiedlichem Endgehalt an Wasser und Polysacchariden keine Veränderung der Öltropfengröße (Maher et al., 2014).
Für die Anwendung neuartiger Emulgatoren besteht somit Forschungsbedarf zum einen hinsichtlich der Stabilität von hitze- und oxidationsempfindlichen Substanzen während
des Sprühtrocknungsprozesses sowie der Lagerung und zum anderen hinsichtlich der Integrität der dispersen Systeme, insbesondere mizellarer Systeme.
1.2 Bedeutung von Emulgatoren in dispersen
Trägersystemen
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
