Emulgator

Emulgatoren sind natürliche oder synthetische, grenzflächenaktive Substanzen (Tenside), welche die Kompatibilität zwischen wässrigen und nicht-wässrigen, ursprünglich nicht mischbaren Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Öl) erhöhen. Sie verringern die Energie, die zur Bildung von Flüssig-flüssig-Stoffgemischen (Emulsionen) benötigt wird, und stabilisieren diese.

Wie wirken Emulgatoren?

Emulgatoren sind Substanzen, die eine Affinität sowohl zu Öl als auch zu Wasser besitzen; eine Eigenschaft, die als amphiphil bezeichnet wird. Dadurch verringern sie die Grenzflächenspannung zwischen der hydrophoben und der hydrophilen Phase. So wird die Bildung feiner Tröpfchen einer Phase innerhalb der anderen Phase, die mit einer Vergrößerung der Grenzfläche einhergeht, erleichtert.

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Wo werden Emulgatoren eingesetzt?

Emulgatoren sind ein zentraler Bestandteil so gut wie jeder Emulsion und kommen in einer Vielzahl von Produkten und Prozessen vor, allen voran in der Lebensmittelindustrie, Kosmetik, Körperpflege und Pharmazie, bei der tertiären Erdölförderung sowie in chemischen Prozessen wie der Emulsionspolymerisation.

▶ Mehr Informationen zur Bedeutung von Emulsionen in diesen Bereichen finden Sie im Glossarartikel Emulsionen.

Kommen Emulgatoren in der Natur vor?

Es gibt eine ganze Reihe von natürlichen Emulsionen, die nicht durch künstlich zugesetzte Emulgatoren, sondern mithilfe von Naturstoffen gebildet werden. Nahrungsmittel wie Milch oder Eigelb enthalten Lecithin als natürlichen Emulgator. Weitere Beispiele für native Emulgatoren und Emulsionsstabilisatoren sind Bienenwachs oder Pektin, welches u. A. aus Äpfeln gewonnen wird.

Welche Rolle spielen Emulgatoren in der Lebensmittelindustrie?

Natürliche Emulgatoren wie das meist aus Soja gewonnene Lecithin sind in der Regel gesundheitlich unbedenklich, wenn nicht sogar essenziell für den menschlichen Organismus. Sie spielen daher eine wichtige Rolle in der Lebensmittelindustrie für Produkte wie Margarine und andere Streichfette, Dressings und Soßen, Mayonnaise, Eiscreme oder Schokolade. Daneben kommen synthetische Emulgatoren wie DATEM oder Polysorbate sowie modifizierte Naturstoffe wie Carboxymethylcellulose (CMC) zum Einsatz.

Für den Europäischen Markt sind lebensmitteltechnisch zugelassene Emulgatoren mit E-Nummern bezeichnet, z. B. E 471 für Mono- und Diglyceride von Speisefettsäuren, den mengenmäßig am häufigsten eingesetzten Emulgatoren. Aufgrund der guten Verträglichkeit werden die genannten Emulgatoren auch in der Kosmetik- und Pharmaindustrie verwendet.

Für den amerikanischen Markt verzeichnet die Food and Drug Administration (FDA) die zugelassenen Emulgatoren in der GRAS-Liste (Generally Recognized As Safe), jedoch ohne Zuordnung identifizierender Nummern.

Was sind die wichtigsten Emulgatoren außerhalb der Konsumgüterindustrie?

Emulgatoren kommen auch in anderen Industriebereichen wie Schwerindustrie, Agrarchemie, Bauwesen oder bei Schmierstoffen zum Einsatz. Hier liegt der Schwerpunkt nicht bei der physiologischen Verträglichkeit, sondern bei technisch geforderten Eigenschaften wie chemischer und thermischer Stabilität sowie der Kapazität, möglichst schnell und effizient stabile Emulsionen zu bilden. Im Folgenden werden einige Beispiele genannt:

• Alkylphenolethoxylate (APEOs) und Fettalkoholethoxylate (FAEOs) kommen z. B. bei Farben und Lacken zum Einsatz, wo sie gleichzeitig als Dispergiermittel die Verteilung von Pulvern und Pigmenten in der Flüssigkeit verbessern und Verklumpung verhindern. APEOs und FAEOs sind auch für Pflanzenschutzmittel wichtig, wobei letztere wegen ihrer besseren biologischen Abbaubarkeit bevorzugt zum Einsatz kommen. Die wirksamen Pestizide sind oft nicht mit Wasser mischbar und müssen daher emulgiert werden. 
• Bei der Emulsionspolymerisation kommen oft klassische Fettsäureseifen wie Natrium- oder Kaliumoleat vor, zudem werden Alkylsulfate und -sulfonate wie das industriell nahezu universell eingesetzte Natriumdodecylsulfat (SDS, Natriumlaurylsulfat) verwendet. 
• Kationische Tenside, d.h. solche mit einer positiv geladenen hydrophilen Gruppe, werden im Straßenbau und Bauwesen für die Bildung von Bitumenemulsionen verwendet. An der negativ geladenen Gesteinsoberfläche bricht die Emulsion und das mit dem Emulgator benetzte Bitumen haftet am Gestein. Einen ähnlichen Effekt haben kationische Tenside in Haarconditionern und Weichspülern, wo sie an negativ geladenen Fasern anhaften.
  Die wichtigste Substanzgruppe kationischer Emulgatoren ist die der quartären Amine („Quats“).
• In der Vergangenheit waren auch chemisch sehr beständige und besonders grenzflächenaktive Fluorverbindungen wie Perfluoroctansäure (PFOA) oder Perfluoroctansulfonsäure (PFOS) von großer technischer Relevanz. Diese heute landläufig als Ewigkeitschemikalien bezeichneten Substanzen wurden jedoch wegen ihrer extremen Umweltpersistenz und Gesundheitsrisiken weitgehend reguliert und verboten.

Was sind Coemulgatoren und Emulsionsstabilisatoren?

Häufig reichen Tenside allein nicht aus, um Emulsionen zu bilden und diese zu stabilisieren. Cotenside wie Fettalkohole bilden stabilisierende Filme an den Grenzflächen der emulgierten Tröpfchen und verhindern bei vielen Emulsionen das Zusammenfließen. Insbesondere bei der Bildung von thermodynamisch stabilen Mikroemulsionen spielen Cotenside eine wichtige Rolle – wobei es sich bei diesen besonderen Mehrphasengemischen nicht um Emulsionen im eigentlichen Sinne handelt.

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Wie kann der Einsatz von Emulgatoren in Formulierungen optimiert werden?

Um die Emulsionsstabilität einer Formulierung zu bewerten, werden häufig Alterungstests durchgeführt, die Aufschluss über die Haltbarkeit geben. Diese Tests liefern zuverlässige Daten, können jedoch sehr zeitaufwendig sein, insbesondere bei Produkten, die über mehrere Tage oder länger stabil bleiben. Häufig werden daher beschleunigte Verfahren wie Wechseltemperierung oder Zentrifugation angewendet, um Rückschlüsse auf die Phasentrennung unter Realbedingungen ziehen zu können.

Unter den alternativen Untersuchungsverfahren sind grenzflächenchemische Methoden besonders effizient, weil sie schnell und einfach durchgeführt werden können und direkt am wichtigsten Mechanismus der Emulsionsbildung ansetzen: der Reduktion der Grenzflächenspannung zwischen der dispersen Tröpfchenphase und der kontinuierlichen Phase. Je nach Fragestellung kommen verschiedene Methoden zur Anwendung.

Krafttensiometrie: Du Noüy-Ringmethode und Wilhelmy-Plattenmethode

Die Ring- und die Plattenmethode messen die Grenzflächenspannung anhand der Benetzungskraft an einem Messkörper (ring- bzw. plattenförmig), der sich an der Phasengrenze zweier übereinander geschichteter Flüssigkeiten befindet. Es handelt sich um klassische Methoden der Tensiometrie, welche auch Eingang in viele Normen gefunden haben.

▶ Sehen Sie in unserem Video, wie die Effektivität eines Emulgators mit der Plattenmethode gemessen werden kann.

Spinning-Drop-Methode

Bei dieser Methode wird eine mit der kontinuierlichen Phase gefüllte Kapillare rotiert und die Formveränderung eines hineindosierten Tropfens – seine Krümmung oder sein vertikaler Durchmesser – wird optisch analysiert. Diese Form resultiert aus dem Gleichgewicht zwischen Zentrifugalkraft und der Grenzflächenspannung. Die Spinning-Drop-Methode erfasst auch sehr geringe Grenzflächenspannungen bis 10^-6 mN/m und wird daher bei der gezielten Formulierung von Mikroemulsionen eingesetzt, für die sehr niedrige Werte typisch sind. Ein wichtiges Einsatzgebiet dieser Messtechnik liegt bei der tertiären Erdölförderung (enhanced oil recovery, EOR).

Pendant-Drop-Methode

Ähnlich wie bei der Spinning-Drop-Technik wird bei dieser Methode die Form eines Tropfens in einer umgebenden Phase analysiert, wodurch die disperse und die kontinuierliche Phase einer Emulsion simuliert werden. Die Grenzflächenspannung wird optisch anhand des Krümmungsverlaufs eines Tropfens gemessen, der sich an einer Nadel hängend oder – je nach Richtung der Dichtedifferenz – aufrecht schwebend in der umgebenden Flüssigkeit befindet. Durch Auswertung des zeitlichen Verlaufs kann auch die dynamische Grenzflächenspannung gemessen werden, um die Geschwindigkeit der Grenzflächenbildung zu untersuchen.

Grenzflächenrheologie

Diese Methode dient vertieften Untersuchungen des dynamischen Verhaltens von Emulgatoren und kann als eine Erweiterung der Pendant-Drop-Methode verstanden werden. Der Tropfen hängt dabei nicht statisch an der Nadel, sondern wird sinusförmig oszillierend in seiner Größe verändert. Die mit der Auswertung erfasste Grenzflächenelastizität und -viskosität geben jeweils Auskunft über die Änderung der Grenzflächenspannung abhängig vom Grad und von der Geschwindigkeit der Größenänderung des Tropfens. Beide Teilergebnisse geben Aufschluss über die Emulsionsstabilität, insbesondere bei dynamischen Vorgängen.

▶ Lesen Sie zu dieser Methode auch unsere Applikationsberichte zu grenzflächenrheologischen Untersuchungen in den Bereichen EOR (AR276) und Lebensmittel (AR285).