Bildung stabiler gering- und hochviskoser Emulsionen mit unterschiedlichen Techniken

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1 Bildung stabiler gering- und hochviskoser Emulsionen mit unterschiedlichen Techniken G. Muschiolik Food Innovation Consultant, Potsdam

2 Gliederung Allgemeine Parameter für Emulsionsbildung Eingesetzte Dispergiermethoden und Ergebnisse Druckhomogenisieren, modifizierte Blende Membranemulgieren Schlussfolgerungen

3 Allgemeine Parameter für Emulsionsbildung (Auswahl, Kolb et al., 2001; Schuchmann u. Danner, 2004) Viskositätsverhältnis = d / k bzw. Viskosität der Phasen [Pa s] Kritische turbulente Weberzahl We turb, krit Reynolds-Zahl Dichte der Phasen [kg m -3 ] und Dichtedifferenz Mittlere Geschwindigkeit (Blende) [m s -1 ] Grenzflächenspannung [mn/m] Homogenisierdruck p H [Pa] bzw. Thoma-Zahl Volumetrische Energiedichte E v [J m -3 ] Anteil an disperser Phase ϕ

4 Sonstige Parameter für Emulsionsbildung Es werden überwiegend physikalische Parameter angegeben, teilweise wird auf die die Molmasse des Dickungsmittels (Stang et al., 2001), sowie auf langsame und schnelle Emulgatoren (Schuchmann u. Danner, 2004) hingewiesen Die Eigenschaften anwesender Biopolymere werden überwiegend nicht berücksichtigt, diese haben auch einen Einfluss auf das Emulgierergebnis

5 Eingesetzte Dispergiermethoden (Druckemulgieren O/W u. W/O) HS-OWL Lemgo, 22. November 2012 Kugel 2. Lochblende Spalt 1. Lochblende

6 Eingesetzte Dispergiermethoden (Druckemulgieren O/W u. W/O) Bildung Premix (Voremulsion) A B Rührkranz 8 MPa 0,4-4 MPa Rotor-Stator-System niedrigviskose Emulsion K < 1 Pa s n hochviskose Emulsion K < 17 Pa s n

7 Ergebnisse Druckemulgieren Rohmilch (Vorzugsmilch 3,7 % Fett, 2,51 µm) Emulgiersystem Homogenisierdruck MPa Volumenstrom L/h Partikelgröße d 3.2, µm 1 x homogenisiert 2 x homogenisiert A, Kugel ,99 0,87 B, Lochblende 1 16,8 2,79 3,00 3,5 39,6 1,94 1,26 AVESTIN C5 30-1, ,78 - Bestes Emulgierergebnis: Explosionsartige Tropfenzerkleinerung in Kombination mit hoher Turbulenz!

8 Vergleich Ultra-Turrax mit System A (Kugel), W/O zuckerhaltig Einfluss Viskositätsverhältnis Ultra-Turrax-Prinzip ( U/min) 10 A, Lochblenden-Kugel-Kombination (8 MPa) 10 Saccharose Saccharose-Glucosegemisch (3/1) Vergleichswert (ohne Zucker) d32 (µm) 1 d32 (µm) 1 Saccharose Saccharose-Glucosegemisch (3/1) Vergleichswert (ohne Zucker) y = 0,6345e 0,0208x R 2 = 0, , d / c 0 0, d / c

9 Erprobung Blendensystem als schonendes Emulgierverfahren Testsystem: Dispergieren von W 1 /O in W 2 W 2 Öl W 1 -Tropfen W 1 /O/W 2 Ziel: Herstellung Süßwarenfüllungen mit Vitamin B 12 in W 1, Emulsionen mit bis zu 50 % Zuckeranteil in W 1 und W 2

10 Partikelgröße der O-Tropfen (µm) HS-OWL Lemgo, 22. November 2012 Einfluss Emulgierdruck auf O-Tropfen-Größe in W 1 /O/W 2, 30 % Saccharose in W Druck bei W/O- Herstellung und Partikelgröße W 1 -Tropfen 2 0 4,0 bar Düse 6,5 bar Düse 15,5 bar Düse Druck bei W/O/W-Herstellung System B W1/O 50 bar Kugel 1,92 µm W1/O 65 bar Kugel 0,908 µm W1/O 80 bar Kugel 0,73 µm

11 Herstellung W/O/W, Ergebnisse Optimale O-Tropfengröße bei 5 bis 8 µm = höchster Erhaltungsgrad der W 1 -Tropfen während des Emulgierprozesses, wenn W 1 -Tropfen zwischen 0,7 und 0,8 µm und Emulgierdruck zwischen 0,4 und 0,7 MPa Bestimmung Erhaltungsgrad: Freisetzung Vit. B 12

12 Schlussfolgerungen für effektives Druckemulgieren mit geringem Energieeintrag Lochblendensystem und Ringspalt (Typ A) sehr effektiv für Tropfenzerkleinerung, auch bei Emulsionsbildung mit Biopolymer- Emulgatoren Kombination Lochblende und Hochdruckventil im Economic Dispensionizer Omega (NETZSCH) bereits realisiert Hintergrund: Schlagartige Tropfenzerkleinerung, starke turbulente Strömung (Kolb et al., 2001, Schultz et al., 2002, Aguilar et al., 2008, Köhler et al., 2008) Hochmolekulare Emulgatoren bilden schlagartig koaleszenzstabile Grenzfläche, Zetapotential ausreichend hoch Keine molekulare Proteinveränderung

13 Blendensystem-Modifizierungen (Beeinflussung Verweildauer u. Erhöhung effektiver Wirbelbildung) Muschiolik et al.,1995

14 Nieder- und hochmolekulare Emulgatoren Darstellung Tropfenbelegung bei Emulsionsbildung

15 Emulgieren mit grenzflächenaktiven Biopolymeren Grenzfläche erhält sofort eine höherviskose und elastische Grenzfläche, dadurch wird weitere Zerkleinerung der Tropfen erschwert (z.b. beim Rotor-Stator-System) Kombination mit ionischen Polysacchariden kann Emulsion elektrostatisch stabilisieren (keine Aggregatebildung, Muschiolik et al. 2006) niederm. Emulg Varianten Grenzflächenbelegung KJ, Konjugat; DS, Doppelschicht; MS Multischicht; KS, Kolloidosom

16 Sonstige Parameter für Emulsionsbildung, Ergänzungen für Biopolymereinsatz (Auswahl) Emulsionsparameter Ziel Partikelgröße bzw. Tropfenoberfläche (m 2 /ml Öl) Gewünschter Grenzflächenaufbau, nieder- oder hochmolek. Anteil disperser Phase Anteil ionischer Polysaccharide u. Art der Zugabe ph-wert Stoffparameter Einsatzmenge Protein (mind. 10 mg/m 2 ), berechnet für Gesamtoberfläche Öltropfen, z.b. Ø 1 µm 7 m 2 /ml Öl Grenzflächenspannung Protein, ph u. Konz. Zetapotential Protein u. ion. Polysacch., ph u. Konz. Verhältnis Protein/ion. Polysacch.

17 Partikelbildung mit Mikroporen Flux O oder W/O Mikroporen Keramik rotierende Membran, DIL e.v. Fließgeschw. kont. Phase

18 Particle size d 43 (µm) HS-OWL Lemgo, 22. November 2012 Einfluss Wandschubspannung auf Tropfengröße, Membran-Porenweite 4 µm y = -11,581Ln(x) + 66,468 R 2 = 0, Wall shear stress (Pa) Einfluss auf die Tropfengröße: Porendurchmesser, Wandschubspannung, Flux, Grenzflächenspannung, Viskositätsverhältnis

19 Mikroporen, Anwendungen (Beispiele) Schonendes Dispergieren von O, W und W/O Erzeugung möglichst gleichmäßiger Tropfengrößen Mikropartikel < 0,5 µm (Micro-Channel) bis Makropartikel < 200 µm (20-µm-Membran für Mikrogele) Dispergieren von Öl in hochviskose kontinuierliche Phasen (Konsistenzfaktor 74 Pa s n, 32 % Ölphase emulgiert, Tropfengröße 1 µm) Beispiele für Mikrogele (Alginat) mit Einschluss : L. acidophilus Selenhefe W/O/W

20 Zusammenfassung Tropfenzerkleinerung ist mit geringerem Energieeintrag möglich, wenn die Zerkleinerung schlagartig erfolgt und Biopolymere sofort an Mikro-Tropfen in turbulenter Strömung adsorbieren (niedrigviskose Systeme) oder Doppellochblenden eingesetzt werden (hochviskose Systeme) Mittels Membranen können hochviskose Systeme mit feinpartikulierten Lipiden angereichert, multiple Emulsionen sowie Mikrogele hergestellt werden. Mikrokanäle ermöglichen die Bildung definierter Tropfen (flüssig und geliert) Die Parameter für die Emulsionsbildung müssen die Stoffparameter berücksichtigen

21 Literaturhinweise Weitergehende Literatur: Muschiolik G. u. H. Bunjes (Herausgeber) Multiple Emulsionen Behr s Verlag, 2007 Muschiolik G. Multiple emulsions for food use, Current Opinion in Colloid & Interface Science 12 (2007) Preissler P. Süßwarenfüllmassen auf Emulsionsbasis Logos Verlag Berlin, 2006 Muschiolik G. Entwicklung neuer Emulsionssysteme, in: Praxishandbuch Nahrungsergänzungsmittel & ergänzende bilanzierte Diäten. Meisterernst, Loeck, Erbersdobler (Hrsg.), Loseblattsammlung, Behr s Verlag Hamburg 14. Aktualisierungslieferung April 2012, Kap. V.1, S Sonstige Literatur: Aguilar et al., CIT 80 (2008) 607 Burgeaud et al., Int. J. Food Sci. Techn. 25 (1990) 39 Kobayashi et al., Microfl. Nanofl. 7 (2009) 107 Kolb et al. CIT 73 (2001) 84; EP A3 Köhler et al., CIT 80 (2008) 1107 Muschiolik et al.de A1 Schuchmann u. Danner, CIT 76 (2004) 364 Schultz et al., CIT 74 (2002) 901