Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 27.10.15


Emulsionen

Vortrag von Esra Ün im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 2013/14


Gliederung:


Einführung. Schokolade isst jeder sehr gerne. Doch kaum einer weiß überhaupt, was sich in der noch so leckeren Schokolade befindet. Was sagt uns die Zutatenliste? Neben den erwarteten Zutaten wie Zucker, Milchpulver, Kakaobutter, Kakaomasse und pflanzliches Fett steht etwas unbekanntes: Emulgator Sojalecithin. Müssen die in der Schokolade drin sein?


1 Die Funktion von Emulgatoren

Emulgatoren sind Hilfsstoffe, die dazu dienen, zwei nicht miteinander mischbare Flüssigkeiten zu einem fein verteilten Gemisch zu vermengen und zu stabilisieren, damit sie sich nicht entmischen. Diese sind sowohl in Wasser als auch in Fett löslich, da sie einen hydrophilen (wasserfeindlichen) und einen lipophilen (wasserfreundlichen) Teil besitzen (vgl. Abbildung 1):


Abb. 1: Aufbau von Emulgatoren

Dies führt dazu, dass Emulgatoren zwischen den beiden nicht mischbaren Flüssigkeiten vermitteln können, indem sie die Tröpfchen mit einer Schicht überziehen und somit einen Grenzflächenfilm bilden, damit sich diese nicht mischen können (siehe Abbildung 2).


Abb. 2: Schematische Darstellung des Aufbaus monomolekularer und flüssigkristalliner Grenzflächenfilme [2]

Diese "Oberflächenbehandlung" sorgt dafür, dass die Tröpfchen nicht wieder zusammenkleben und sie scheiden sich somit voneinander ab. Dies ist auch in der Praxis sichtbar:

1.1 Experiment 1

Experiment Mischen von Wasser und Öl mit und ohne Emulgatorzugabe
Material
  • Reagenzglas d=18mm
  • Stopfen dafür
  • Löffelspatel
Chemikalien
  • Wasser
  • Sonnenblumenöl
  • Emulgator
 
Durchführung Zwei Reagenzgläser werden mit gleichen Teilen Wasser und Öl befüllt. Reagenzglas 1 wird geschüttelt und das Ergebnis beobachtet. Anschließend wird in Reagenzglas 2 eine Spatelspitze Emulgator hinzugegeben und geschüttelt. Auch hier wird das Ergebnis beobachtet.
Beobachtung Nach dem Schütteln entsteht in Reagenzglas 1 eine gelbe Trübung (Mischung), die sich jedoch nach kurzer Zeit wieder in zwei Phasen trennt. In Reagenzglas 2 entsteht eine "trübe Mischung", die sich nicht trennt.
Interpretation Wasser und Öl sind Flüssigkeiten, die sich aufgrund ihrer Polaritäten ohne Weiteres nicht mischen lassen. Dennoch kann ein homogenes Gemisch gebildet werden, die sich jedoch nach einer bestimmten Zeit wieder trennt. Mit Hilfe von Emulgatoren werden feine Tröpfchen von zwei zu mischenden Flüssigkeiten mit einer Schicht überzogen, sodass sich diese nicht zusammenkleben können und das Gemisch nicht in zwei Phasen getrennt wird.

2  Verschiedene Emulsionstypen

Emulsionen sind Mehrphasensysteme, die sich hinsichtlich ihrer Polarität ohne Weiteres nicht mischen lassen. Dabei liegt eine Flüssigkeit (disperse oder innere Phase genannt) als feinst verteilte Tröpfchen in einer anderen (kontinuierliche oder äußere Phase genannt) vor. Die stärker polare Phase ist hydrophil und wird allgemein Wasserphase (auch kurz W-Phase) genannt, während die weniger polare, also hydrophobe Phase allgemein Ölphase (kurz O-Phase) genannt wird.

Grundsätzlich unterscheidet man einfache und multiple Emulsionen (siehe Abbildung 3):


Abb. 3: Unterscheidung von Emulsionstypen

Die Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W-Emulsionen) und Wasser-in-Öl-Emulsionen (W/O-Emulsionen) stellen einfache, die Wasser-in-Öl-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W-Emulsionen) und Öl-in-Wasser-in-Öl-Emulsionen (O/W/O-Emulsionen) die multiplen Emulsionen dar. Aufgrund der verwendeten Fette sind die W/O-Emulsionen in der Regel gelblich, während die O/W-Emulsionen durch die Lichtstreuung durch die Fetttröpfchen weiß erscheinen. Die Farbe bietet die Möglichkeit, die einzelnen Emulsionstypen voneinander zu unterscheiden: O/W-Emulsionen haben eine weiße Farbe und erhalten diese auch bei Wasserzugabe. W/O-Emulsionen hingegen haben eine gelbliche Farbe und eine zusätzliche Wasserzugabe sorgt dafür, dass sich die Fettschicht von der Wasserschicht abtrennt oben aufschwimmt.

2.1 Experiment 2

Experiment Unterscheidung Emulsionstypen durch unterschiedliche Verhältnisse
Material
  • Reagenzglas d=18mm
  • Stopfen dafür
Chemikalien
  • Wasser
  • Sonnenblumenöl
 
Durchführung In Reagenzglas 1 und 2 werden jeweils Wasser und Öl in unterschiedlichen Verhältnissen gefüllt, z.B. bei Reagenzglas 1 mehr als die Hälfte mit Öl befüllen und wenig Wasser und in Reagenzglas 2 genau andersrum. Anschließend die Stopfen befestigen und Reagenzgläser schütteln. Ergebnis beobachten.

PS: Dieser Versuch kann mit mehreren Reagenzgläsern und unterschiedlichen Verhältnisangaben durchgeführt werden. 

Beobachtung Im Reagenzglas mit mehr Wasseranteil bleibt die Emulsion weiß, während im Reagenzglas mit höherem Ölanteil die Mischung eine gelbe Farbe annimmt und sich eine deutliche Fettschicht absetzt.
Interpretation Emulsionstypen können anhand ihrer Färbungen unterschieden werden. Eine O/W-Emulsion hingegen besteht aus mindestens 26% Wasser. Aufgrund der Lichtstreuung durch Fetttröpfchen erscheinen diese Emulsionen weiß. Dabei ist der Wassergehalt einer W/O-Emulsion bei maximal 74%, weshalb die Emulsion eine gelbliche Färbung aufweist.

3  Die Struktur

3.1 Chemische Betrachtung

Viele Flüssigkeiten können entweder gut im Wasser (sie sind hydrophil) oder mit Öl (sie sind lipophil) mischbar sein. Hydrophile Flüssigkeiten bilden hauptsächlich zwischenmolekulare Kräfte in Form von Wasserstoffbrücken aus. Bei lipophilen Flüssigkeiten bilden sich hingegen hauptsächlich zwischenmolekulare Van-der-Waals-Kräfte aus. Gibt man etwas Öl in Wasser, wird das Öl aufschwimmen (siehe Abbildung 4).


Abb. 4: Grenzflächenstruktur [3]

Zwischen den beiden Phasen kommt es nicht zu den genannten Kräften, sondern zur Ausbildung einer Grenzfläche mit Grenzflächenspannung. Dieser ist der Antrieb eine möglichst kleine Grenzfläche zu bilden und verhindert eine Emulsion.

Da Emulsionen eine begrenzte Lebensdauer aufweisen, bezeichnet man diese als instabile Systeme. Dabei findet die Trennung in die unterschiedlichen Flüssigkeiten durch das Brechen der Emulsionen, bei der die Größe der Grenzflächen durch das Zusammenfließen von kleineren zu größeren Tröpfchen verringert wird. Hierbei werden unterschiedliche Reaktionswege unterschieden (siehe Abbildung 5).

Abb. 5: Verschiedene Übergangsmöglichkeiten eines stabilen Emulgators in einem System mit vollständig getrennten Phasen. (A) Sedimentieren, (B) Aufrahmen, (C) Flockung, (D) Koaleszenz, (E) vollständige Phasentrennung [2]

3.2 Physikalische Betrachtung

Wichtige Größen bei der Betrachtung von Emulsionen stellen die Formel für das Phasenvolumenverhältnis (= der Quotient aus dem Volumen vi der inneren Phase zu jedem der äußeren va)

φ = vi ÷ va

die mittlere Teilchengröße und die Teilchengrößenverteilung dar. Bei niedrigen Innenphasenanteil (< 30%) können sich die Tröpfchen der inneren Phase fast unabhängig voneinander in der äußeren Phase bewegen und auch die Viskosität entspricht ungefähr jener der äußeren Phase, da sich die einzelnen Tropfen in ihrer Bewegung nur geringfügig stören. Mit steigendem Phasenvolumenverhältnis kommen auch die Eigenschaften der inneren Phase deutlich heraus. Wenn der Volumenanteil der inneren Phase zu hoch wird, kann die Phasenlage umschlagen, sodass eine O/W-Emulsion zu einer W/O-Emulsion und umgekehrt wird. Dies wird auch Phaseninversion genannt.

3.3 Die Tröpfchengröße

Abhängig von der Größe der dispergierten Teilchen nennt man die Emulsion auch Makroemulsion (auch grob-dispers genannt) oder Mikroemulsion (auch kolloid-dispers gennant). Durch Verkleinerung der Tropfen bei der Herstellung einer Emulsion erhöht sich die Grenzfläche zwischen den beiden Phasen. Dabei wird die Grenzflächenspannung durch mechanische Arbeit wie Schütteln oder Rühren überwunden und eine neue geschaffen. Dabei werden die Tröpfchen kleiner. Tröpfchengrößen sind in Emulsionen in gewisser Spanne verteilt, sodass höhere Raumerfüllungen realisiert werden (siehe Abbildung 6).


Abb. 6: Gefärbte Tröpfchen einer O/W-Emulsion [4]

Zwischenräume zwischen den größeren Tropfen werden mit kleineren Tröpfchen aufgefüllt. Je größer der mittlere Teilchendurchmesser (normalerweise zwischen 100nm und 1mm) und je breiter die Teilchengrößenverteilung ist, desto stärker tritt eine milchig-weiße Trübung der Emulsion auf (siehe Abbildung 7).

Abb. 7: Einfluss der Tropfengröße auf das Erscheinungsbild von Emulsionen [2]

Die Tropfen der dispersen Phase sind für das Auge erst ab einer Größe von 50 Mikrometer sichtbar.


4 Zusammenfassung

Es gibt Flüssigkeiten oder Flüssigkristalle, die sich hinsichtlich ihrer Polarität ohne Weiteres nicht mischen lassen. Dennoch gibt es Systeme, wie die Emulsion, die ein homogenes Gemisch mit feinst möglicher Verteilung bilden können. Nichtsdestotrotz kann es vorkommen, dass diese homogenen Gemische sich nach bestimmter Zeit wieder in zwei Phasen trennen. Um dies zu verhindern, werden in der Industrie Hilfsstoffe wie Emulgatoren verwendet, dessen Moleküle einen hydrophilen und einen lipophilen Teil haben. Diese können somit zwei unterschiedlich polare Flüssigkeiten oder Flüssigkristalle für längere Zeit verbinden, indem sie die Tröpfchen mit einer Schicht überziehen. Nach dieser "Oberflächenbehandlung" können diese nicht wieder zusammenkleben und sich abscheiden. Deswegen werden Emulgatoren in der Schokoladenindustrie eingesetzt, damit die Schokolade zähflüssig wird und anschließend verarbeitet werden kann.


Ergebnis. Das Conchieren ist die letzte Bearbeitungsstufe bei der Schokoladenherstellung. Denn hier werden unerwünschte Stoffe wie Wasser oder organische Säuren und unwillkommene Aromastoffe reduziert. Außerdem werden Nichtfettstoffe wie Zucker oder fettfreies Milchpulver mit Kakaobutter umhüllt, wodurch ein cremiges Mundgefühl und die charakteristisch feine Schmelze der Schokolade erreicht. Für die Schokoladenherstellung werden dabei zwei Verfahren, Trocken- und Flüssigconchierung, unterschieden. In der ersten Stufe, der Trockenconchierung, wird das trockene Walzgut, bestehend aus Kakaobohne, Butter, Milchzucker und normaler Zucker, zu einer Schokoladenmasse bearbeitet. Durch stufenweise Zugabe der Restkakaobuttermenge wird die Masse pastös. Weiterhin wird der Wassergehalt von ca. 1,5% auf 0,8% reduziert, sodass unerwünschte Aromakomponente entweichen. Dies reduziert die Conchierzeit erheblich. In der zweiten Phase wird die pastöse Masse unter Zugabe von Kakaobutter, Vanille und Lecithin nochmals einem kräftigen Knet- und Mischprozess unterzogen und geht somit in den flüssigen Zustand über. Das Lecithin ist hier das Hilfstoff, damit sich das Kakaobutter mit der Kakaomasse vermischt und somit eine homogene Masse entsteht, die deutlich fließfähiger ist. Denn mit Hilfe des Emulgators wird die Viskosität herabgesetzt: Je größer die Viskosität, desto dickflüssiger die Schokolade. Somit gilt, dass je niedriger die Viskosität ist, desto flüssiger wird die Schokolade. Die fertige Schokoladenmasse wird anschließend auf ca. 45°C abgekühlt und in großen Tanks unter sanftem Rühren bis zur Weiterverarbeitung zwischengelagert.


Literatur

  1. Cornelsen, Emulsionen: Gemische, die es eigentlich nicht geben dürfte. Abgerufen am 30.10.2013 von http://www.chemieunterricht.de/dc2/milch/emulsion.htm.
  2. G. Kutz, R. Daniels, H. Trommer, (2011): Emulsionen, ECV Editio Cantor Verlag für Medizin und Naturwissenschaften GmbH, Aulendorf.
  3. Roland.chem. Wikipedia. Abegrufen am 30.10.2013 von http://de.wikipedia.org/wiki/Emulsion#/media/File:GrenzflächeUndEmulsion.png
  4. K. Götz, Emulsion gefärbten Öltröpfchen in Wasser, Abgerufen am 27.10.2013 von http://daten.didaktikchemie.uni-bayreuth.de/experimente/effekt/photo_emulsion.htm

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 27.10.15