Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 13.07.18


Mizellen

Vortrag von Ilona Baumann im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", WS 12/13 und Kevin Eichelsdörfer, SS 16.


Gliederung:


Einführung 1. Margarine als Beispiel eines Gemisches aus Fett bzw. Öl und Wasser.  Rezept: 100g Kokosfett schmelzen und dann 25g Rapsöl hinzugeben und auf Raumtemperatur abkühlen lassen. Anschließend das Öl-Fett-Gemisch in ein Eisbad stellen. Des Weiteren 23ml Wasser, 10g Dickmilch, 1 Eigelb und 1 Prise Salz hinzufügen. Nun solange rühren bis die Masse cremig geworden ist.[3]


Abb. 1: Wasser-Öl-Gemisch [2]

Einführung 2: Mizellen ist ein weit verbreiteter Begriff in der Branche der Kosmetik. Man findet sie vor allem in Reinigungsungstüchern, die wir im Alltag täglich benutzen. Doch was bewirken Mizellen und warum sind sie in Reinigungstücher enthalten?


1 Hintergrundinformation

Wasser und Fett bzw. Öl lassen sich zu einer Emulsion homogenisieren. Emulgatoren sind an der Grenzfläche aktiv und stabilisieren Lösungen, die eigentlich nicht miteinander mischbar sind. Dieser Vorgang nennt man dispergieren. Das heißt ein System von fein verteilten Tröpfchen entsteht. Im Falle der Margarine übernimmt diese Aufgabe die Mono- und Diglyceride bzw. das Eigelb. Der meist verwendete Emulgator in der Lebensmittelproduktion ist Tegomuls 90 S. "Tego" steht stellvertretend für die Theodor Goldschmitt GmbH und "muls" kürzt das Wort Emulsion ab. Tegomuls ist ein Monoglycerid, daher nennt man es auch Glycerinmonostearat. [5]


Abb. 2: Tegomuls 90 S

Tegomuls ist wie folgt aufgebaut. Die Kopfgruppe ist Wasser liebend, also hydrophil bzw. lipophob. Sie hat ein Glycerin-Rückgrad und OH-Gruppen. Die Schwanzgruppe ist fettliebend, also hydrophob bzw. lipophil und besteht aus einem langen Alkylrest. Somit ist das Molekül amphiphil und zählt zu der Gruppe der Lipide. Das Eigelb, was in der Margarine enthalten ist, enthält Lecithin. Es ist aufgrund der Phosphorsäuregruppe ein Phospholipid. Zudem ist es eine ungesättigte Fettsäure wegen der Doppelbindungen am C8-Atom des Ölsäurefettrestes. [4]


Verschiedene Emulsionstypen

Da der Fettanteil in der Margarine wesentlich höher als der Wasseranteil ist, spricht man hier von einer "Wasser in Öl Emulsion", abgekürzt W/O-Emulsion. [1]


Abb. 3: W/O-Emulsion [nach 1]

Die Zusammenlagerung der Lipide auf solche Weise nennt man inverse Mizellen, denn gleich und gleich gesellt sich gern. Also richtet sich die lipophile Schwanzgruppe in Richtung des lipophilen Mediums aus und die hydrophilen Kopfgruppen lagern sich aneinander. Der umgekehrte Fall ist eine O/W-Emulsion, also eine Öl in Wasser Emulsion. [1]


Abb. 4: O/W-Emulsion [nach 1]

Diese Zusammenlagerung nennt man Mizelle. Jetzt wird auch klar, warum man immer gut rühren muss, um eine Emulsion zu erhalten. Die Tröpfchen haben im Verhältnis zum Volumen eine große Oberfläche und je fein verteilter die Tröpfchen sind, desto besser wird die Emulsion. Dadurch erklärt sich auch warum die Konsistenz von flüssig zu fest wird, das die Wasser- bzw. Fettmoleküle in der Masse "eingesperrt" bzw. gebunden werden. Ein Beispiel für eine O/W-Emulsion ist Mayonnaise. Zudem gibt es noch "multiple Emulsionen". [1]


Abb. 5: W/O/W-Emulsion [nach 1]

Hier ist eine Wasser in Öl in Wasser-Emulsion, auch W/O/W-Emulsion abgekürzt. Dies lässt sich gut am Beispiel Creme nachvollziehen. Das Wasser außen verdunstet rasch, was der so genannte Einzieheffekt ist. Die übrige W/O-Emulsion schützt und pflegt die Haut, wie bei einer Feuchtigkeitscreme. [8] Auch hier gibt es einen umgekehrten Fall, die O/W/O-Emulsion, also Öl in Wasser in Öl-Emulsion. [1]


Abb. 6: O/W/O-Emulsion [nach 1]

Hierbei handelt es sich zwar nicht um Öl, aber an der Luft ist der Effekt derselbe. Seifenblasen schließen somit eine dünne wässrige Schicht ein. [1]


3 Kritische Mizellenbildungskonzentration


Abb. 7: Bildung von Mizellen [nach 7]

Zu Beginn ist der Graph konstant, da Wasser eine konstante Oberflächenspannung σ hat. Werden nun die ersten Lipide hinzu gegeben, dann findet eine Adsorption an der Grenzfläche statt. Die Lipide ordnen sich in einer wässrigen Lösung mit dem hydrophilen Teil nach unten an. Je mehr Lipide hinzu gegeben werden, desto näher rücken die Lipide zusammen bis eigentlich kein Platz mehr an der Grenzfläche existiert. Wenn jetzt noch mehr Lipide hinzu gegeben werden, dann ist die kritische Mizellenbildungskonzentration cmc erreicht und die ersten Lipide gehen in Lösung und organisieren sich dort selbst zu Mizellen. es kommt zu einer Aggregation in der Volumenphase. Jedes weitere Lipid ändert an der Oberflächenspannung nichts mehr, da die Grenzfläche bereits voll besetzt ist, es bilden sich nur mehr Mizellen. Der ganze Vorgang ist reversibel durch verdünnen der Lösung oder vergrößern der Oberfläche. Für die Margarine bedeutet dies den genau umgekehrten Fall, da wir hier eine W/O-Emulsion haben und sich inverse Mizellen bilden. [7]


4 Bestimmung der Mizellengestalt

Mizellen sind allerdings nicht immer kugelrund. Das Aussehen kann mit Hilfe des Israelachvili-Parameter aus dem Jahr 1976 berechnet werden.


Abb. 8: Tegomuls 90 S und der Israelachvili-Parameter [nach 6,7]

Hier am Beispiel des Lipids Tegomuls 90 S. V(0) ist das Volumen der Schwanzgruppe. a(e) ist die Fläche des Platzbedarfs an der Grenzfläche und l(0) ist die Länge der Schwanzgruppe. Dadurch ergibt sich der Packungsparameter P.  Wenn P kleiner 1/3 ist, dann bilden sich Kugelmizellen. Die Kopfgruppe ist groß und nimmt viel Platz an der Grenzfläche ein. Die Schwanzgruppe ist V-förmig. Ist nun allerdings P zwischen 1/3 und 1/2, dann ergibt sich aufgrund der U-förmigen lipophilen Gruppe eine Stäbchenmizelle. Zudem nähern sich die Kopfgruppen weiter an. Sind nun aber die Schwanz- und Kopfgruppen in etwa gleich groß, so bildet sich bei dem Packungsparameter zwischen 1/2 und 1 durch zweidimensionales Wachstum aus Lipiden eine Doppelschicht. Man nennt dies folglich Scheibchenmizelle, Lamelle oder Vesikel. [6,7]


Abb. 9: Kugelmizelle, Stäbchenmizelle, Scheibchenmizelle [nach 6]

Auch von der Scheibchenmizelle gibt es eine inverse Struktur, die sich bei einem Packungsparameter zwischen 1 und 2 bildet. Ist nun aber die lipophile Gruppe umgekehrt U-förmig, aber größer als die hydrophile Gruppe, dann bilden sich inverse Stäbchenmizellen. Der Packungsparameter liegt hier zwischen 2 und 3. Und zuletzt bilden sich inverse Kugelmizellen, wenn der Packungsparameter größer 3 ist. Hier sind die lipophilen Reste sehr groß und A-förmig. [6,7]


Abb. 10: inverse Kugelmizelle, inverse Stäbchenmizelle, inverse Scheibchenmizelle [nach 6]

In der Margarine finden wir aufgrund von Mono- und Diglyceriden zumeist inverse Stäbchen und Kugelmizellen. Je nachdem welche Mizellenart und welche Mizellengröße vorhanden ist, werden drei Emulsionen unterschieden. Sind die Tröpfchen 5-200 nm, dann spricht man von einer Mikroemulsion. Bei 1-90 µm nennt man dies eine Makroemulsion. Und alles was noch größere Tröpfchen umfasst, also ab etwa 100 µm, nennt man einfach nur Emulsion. Die selbst hergestellte Margarine hat ungefähr eine Tröpfchengröße von 10 µm. Deshalb handelt es sich hier um eine Makroemulsion. [6,7]


Zusammenfassung: Es ist deutlich geworden, dass man Wasser und Fett bzw. Öl miteinander vermischen kann. Jedoch ist ein Emulgator erforderlich, der in ausreichenden Mengen hinzu gegeben werden muss, damit die kritische Mizellenbildungskonzentration cmc überschritten wird. Der Emulgator ist ein amphiphiles Molekül, das je nach Verhältnis von Kopf- und Schwanzgruppe zueinander verschiedene Typen von Mizellen ausbilden kann. Diese lassen sich mit dem Israelachvili-Parameter berechnen.


Abschluss 1: Warum steht auf der Zutatenliste der Margarine überhaupt Wasser, wenn sich inverse Mizellen schon alleine mit flüssigen Fett, Öl und Eigelb bilden?

1. Wasser ist günstiger (i.S.v. billiger) als Fett und kann von Mizellen in der Fettphase gebunden werden.

2. Man kann durch Wasser "light-Margarine" herstellen und "Kalorien" einsparen.

Abschluss 2: Mizellen können also dazu verwendet, um Schmutzpartikel wie Fette oder Öle zu entfernen. Die Kosmetik Branche macht sich dies zu Nutze. Die Mizellen, die sich in den Reinigungstüchern befinden, umschließen Schmutzpartikel auf unserer Haut und können so leichter entfernt bzw. abtransportiert werden.


Literatur:

  1. Pütz, J.; Niklas, C.: Cremes und sanfte Seifen - Kosmetik zum Selbermachen Natürlich und gesund. vgs 13, Köln, 1989.
  2. http://www.lebensmittellexikon.de/, 07.07.2018, Buchstaben "E" wählen: http://www.lebensmittellexikon.de/register/E.php, 07.07.2018, Scrollen zu "Emulsion": http://www.lebensmittellexikon.de/e0000190.php, 07.7.2018.
  3. http://www.chefkoch.de/rezept-anzeige.php?ID=1114001217439865, 07.07.2018.
  4. http://www.chemie.de/lexikon/Mizellen.html, 07.07.2018.
  5. http://www.projekt-paris.uni-kiel.de/paris/schuelerwebseiten/wundersaat/Magarineherrstellung.htm, 07.07.2018.
  6. http://www.chem.uni-potsdam.de/apc/pdf/selbstorg_und_sup_chemie.pdf, 07.07.2018.
  7. http://www.pci.tu-bs.de/aggericke/PC5-Grenzf/Tenside.pdf, 07.07.2018.
  8. http://www.gesunde-haende-schuetzen.de/gut-zu-wissen/detail/article/neuer-wow-emulsionstyp-fuer-gepflegte-haut.html, 07.07.2018.

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 13.07.18