E33 Emulgierung

Thema

Eine Emulsion ist eine Dispersion von Tröpfchen einer Flüssigkeit, beispielsweise dieses Öls, in einer anderen Flüssigkeit, beispielsweise diesem Wasser, oder umgekehrt. Diese Emulsion ist thermodynamisch instabil, da die Bildung der Grenzfläche zwischen den Tröpfchen der dispergierten Flüssigkeit und der umgebenden Flüssigkeit stets einen Energieaufwand erfordert. Daher benötigt diese Emulsion einen Emulgator, wie beispielsweise Lecithin aus Eigelb, ein Protein aus demselben Eigelb oder Senf. Dieser adsorbiert an der Grenzfläche zwischen den beiden Flüssigkeiten und reduziert die Grenzflächenspannung, wodurch die Tröpfchen der dispergierten Flüssigkeit stabilisiert werden. Die zusätzliche Reduzierung der Grenzflächenspannung durch den Emulgator erhöht die Stabilität der Emulsion.

Diese weitere Reduzierung der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten trägt zur Stabilität der Emulsion bei. Der Laplace-Druck zeigt, dass ein kleines Tröpfchen dieser dispergierten Flüssigkeit einen höheren Innendruck erfährt als ein großes Tröpfchen derselben Flüssigkeit. Dieser Unterschied im Innendruck treibt die Koaleszenz der beiden Tropfen an, einen Ostwald-Reifungsprozess, bei dem die kleinen Tröpfchen schließlich mit den größeren verschmelzen und die Emulsion letztendlich zerstören. Der Emulgator, der diese Tröpfchen stabilisiert, wirkt dieser Koaleszenz entgegen und verzögert so den Zerfall der Emulsion. Da das Tröpfchen kleiner ist, ist sein Innendruck gemäß dem Laplace-Druck folglich höher, und die Koaleszenz zu einem größeren Tröpfchen verläuft daher schneller.

Die Größe dieser Tröpfchen der dispergierten Flüssigkeit wird durch das Zusammenspiel zwischen turbulenten Disruptionskräften, die laut einem anderen Modell ein großes Tröpfchen der dispergierten Flüssigkeit zerbrechen können, und der Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten bestimmt, die der Verformung des großen Tröpfchens entgegenwirkt. Die Weber-Zahl vergleicht diese turbulenten Disruptionskräfte mit dieser Grenzflächenspannung. Solange die Weber-Zahl dieses Tröpfchens der dispergierten Flüssigkeit einen kritischen Wert überschreitet, zerfällt das Tröpfchen weiter in noch kleinere Tröpfchen. Unterhalb dieses kritischen Wertes bleibt der Tropfen gegenüber diesen turbulenten Zerstörungskräften stabil. Sind diese turbulenten Zerstörungskräfte jedoch stärker und wird in den kleineren Wirbeln der ihn enthaltenden Flüssigkeit mehr turbulente Energie dissipiert, so ist die Weber-Zahl dieses Tropfens der dispergierten Flüssigkeit folglich höher, und der Tropfen zerfällt daher in noch kleinere Tropfen.

Dieses Modell, bei dem die Koaleszenz und die durch die Weber-Zahl bestimmte Tröpfchengröße berücksichtigt werden, beschreibt daher bei der Zubereitung von Mayonnaise, wie das Eigelb Lecithin liefert, welches die Grenzflächenspannung zwischen Öl und Wasser drastisch reduziert, während kräftiges Schlagen der Mischung die notwendige Turbulenzenergie erzeugt, um das Öl in sehr kleine Tröpfchen im Wasser zu zerteilen. Die Zugabe des Öls muss jedoch langsam erfolgen, da eine zu schnelle Zugabe die Kapazität des Lecithins übersteigt, die durch jedes neue Öltröpfchen entstehende Grenzfläche rechtzeitig zu bedecken, was folglich zur Trennung der Mayonnaise anstatt zu ihrer Emulgierung führt. Die Tatsache, dass diese Tropfen des dispergierten Öls in der bereits geformten Mayonnaise den maximalen Anteil der dispergierten Phase erreichen, der der dichtesten möglichen Packung von Kugeln entspricht, bedeutet, dass sich diese Tropfen, um sich in der Mayonnaise noch dichter zu packen, verformen und ihre Kugelform verlieren müssen, um polyedrisch zu werden, wodurch die Mayonnaise die für sie charakteristische halbfeste Textur erhält.

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