Emulsion

Wenn man im Internet recherchiert, findet man heraus das Emulsionen eine fein verteilte Gemische zweier nicht mischbarer Flüssigkeiten sind, die sich aber bei einer Emulsion durch Hilfsstoffe und Energieeintrag mischen und somit nicht wieder zwei getrennte Phasen bilden. Gibt man Öl und Wasser in ein Gefäß sind deutlich zwei Phasen zu erkennen. Man denke dabei an ein einfaches Beispiel von Öltropfen, die auf der Wasseroberfläche schwimmen. Künstliche Emulsionen werden wir noch viel öfter im Alltag antreffen. Ob Shampoos, Flüssigseife oder Hautcremes – dies sind alles künstliche Emulsionen. Um sich davon zu überzeugen, braucht man lediglich die Liste der Inhaltstoffe auf der Kosmetikverpackung zu lesen. Zugegebenermaßen wird das Lesen allein nicht ausreichen, denn vieles davon trägt zum Teil schwer verständliche Namen und Bezeichnungen, die einen an den Chemieunterricht und die Chemievorlesung erinnern. Und genau diesem Umstand werden wir auf den Grund gehen und uns mit Inhaltstoffen von Hautcremes und deren biotechnologischer Herstellung beschäftigen.

In den beiden Experimenten zur Enzymaktivitätsbestimmung als auch zu dem Blasensäulenreaktor wurde mit Öl-Wasser-Emulsionen gearbeitet, d. h. mit zwei nicht mischbaren flüssigen Phasen. Durch den Energieeintrag durch die Begasung im Blasensäulenreaktor wurden diese beiden Phasen miteinander vermischt. Bei der Synthese von Fettsäureestern, d. h. der Veresterung = Rückreaktion der Hydrolyse, besteht die Reaktionslösung zum Zeitpunkt Null aus einer Phase, solange Fettsäure und Fettalkohol miteinander mischbar sind. Ein Beispiel ist die Synthese von Myristylmyristat, welches im Video im Abschnitt Einführung beschrieben ist. Häufig gibt es aber auch die Fälle, wo die beiden reinen flüssigen Ausgangsstoffe nicht miteinander mischbar sind. Ein solches Beispiel ist die Veresterung von Polyglycerol mit Laurinsäure.¹ Dieses wird in Kurzform im Video auf der Seite Herstellungsmethoden und ausführlich in dem Video Blasensäulenreaktor beschrieben. Zur Durchmischung der beiden nicht mischbaren Phasen muss in das Reaktionsmedium Energie eingetragen werden. Dieses kann entweder durch einen mechanischen Rührer, wie z. B. ein Magnetrührer oder einem hängenden Propellerrührer, erfolgen. Alternativ kann dieser Energieeintrag zur Durchmischung des Reaktionsmediums auch durch das Einblasen von Gasen, in diesem Falle Luft, erfolgen. Je nach dem Energieeintrag kann man die beiden Komponenten nicht mehr klar voneinander unterscheiden, weil die gebildeten kleinen Tropfen nicht mehr mit dem Auge wahrzunehmen sind. Bei bestimmten Emulsionen kann man die Tropfen aber mit Hilfe von einem Mikroskop erkennen. Wenn das der Fall ist, dann spricht man davon, dass man Öl in Wasser oder revers emulgiert hat, das heißt man hat eine Öl-Wasser-Emulsion hergestellt.

Wenn man diese frisch hergestellte Emulsion eine Zeit lang stehen lässt, dann trennen sich Wasser und Öl wieder voneinander. Hierbei wird davon gesprochen, dass die Emulsion nicht stabil war. So stellt sich die Frage: Was kann man machen, um eine stabile Emulsion zu erzeugen, so dass sich Wasser und Öl auch nach einem Jahr nicht voneinander trennen?

Es sind die tensidischen Eigenschaften mancher Stoffe, wie z. B. Fettsäuren oder Mono- und Diglyceride, die dazu ausgenutzt werden, um eine Emulsion zu stabilisieren. Im alltäglichen Leben wird der eher geläufige Begriff "Emulgator", wenn es um Lebensmittel oder Kosmetika geht, verwendet und "Tenside" finden wir vorwiegend in Putzmitteln, die in "ionische" ("anionische" oder "kationische") und "nicht-ionische" Tenside unterteilt werden.

Was hat das mit Biotechnologie zu tun?

Jetzt haben wir schon Vieles angesprochen, was uns im alltäglichen Leben begegnet. Aber was davon hat mit Biotechnologie zu tun?

Zuerst sollte die Frage geklärt werden, warum wir uns überhaupt mit Emulsionen beschäftigen. Ein schneller Blick ins Internet verrät uns, dass es natürliche Emulsionen wie Milch sowie eine Menge künstlich hergestellter Emulsionen gibt. Und warum sind diese überhaupt in unserem Leben so wichtig?

Wer sich mit Milch auskennt, weiß, dass diese im natürlichen Zustand aufrahmt und eine Schicht Rahm auf der Oberfläche zu finden ist. Manche mögen es, viele jedoch nicht, und darum wird die Milch vor der Abfüllung homogenisiert. Bei diesem Prozess wird das Milchfett in kleinste Kügelchen in der Milch fein verteilt, und durch das natürliche Lecithin der Milch wird die Emulsion stabilisiert. Das Ergebnis davon ist, dass die Milch nicht mehr aufrahmt. Dies ist ein Beispiel für natürliche Emulsionen, die uns im Alltag begegnen.

¹. J. J. Müller, M. Neumann, P. Scholl, L. Hilterhaus, M. Eckstein, O. Thum and A. Liese, Online monitoring of biotransformations in high viscous multiphase systems by means of FT-IR and chemometrics, Analytical chemistry, 82 (14) (2010), 6008 - 6014, DOI: 10.1021/ac100469t. ↩