Wie man Öl-in-Wasser—Nanoemulsionen herstellt
von Claudia S. Copeland, Ph.D.
Öl und Wasser vermischen sich nicht – es sei denn, sie haben Hilfe. Diese Hilfe ist eine immer anspruchsvollere Reihe von Optionen für Öl-in-Wasser-Emulsionen, die auf dem Gebiet der Nanotechnologie eingesetzt werden. Heutzutage ist es möglich, Öl-in-Wasser-Getränke und andere Produkte herzustellen, die eine maximale Bioverfügbarkeit in einer Emulsion bieten, die optisch klar und umweltstabil ist. Bevor wir jedoch verstehen, wie dies möglich ist, müssen wir zunächst die Natur polarer und unpolarer Substanzen verstehen und warum sie sich nicht auf natürliche Weise vermischen.
Ladung, Polarität und Löslichkeit
Die Wörter „polar“ und „unpolar“ beziehen sich auf die Natur aller Substanzen, die entweder vollständig oder teilweise geladen sind (z. B. Wasser) oder keine Ladung haben (z. B. Öl). Bei Chemikalien ziehen sich Gegensätze an: Substanzen mit positiver Ladung werden von Substanzen mit negativer Ladung angezogen. Die Gesamtladung von reinem Wasser (H2O) ist Null — alle negativ geladenen Elektronen werden durch positiv geladene Protonen ausgeglichen — aber das widerlegt die wahre, dynamische Natur des Wassers. In Wirklichkeit hat das Sauerstoffende des H2O-Moleküls eine teilweise negative Ladung, da Elektronen mehr Zeit damit verbringen, es zu umkreisen. Dadurch bleiben die Wasserstoffatome relativ elektronenfrei und erhalten eine teilweise positive Ladung. Diese Polarität von H2O-Molekülen bewirkt, dass sie „zusammenkleben“, wobei der negativ geladene Sauerstoff eines Wassermoleküls vom positiv geladenen Wasserstoffende eines anderen Wassermoleküls angezogen wird.
Wenn Sie nun eine andere geladene oder polare Substanz wie Speisesalz in Wasser geben, löst sich diese Substanz leicht auf. Dies liegt daran, dass die positiv geladenen Natriumionen (Na +) von Speisesalz (NaCl) von der teilweise negativen Ladung des Sauerstoffendes des Wassermoleküls angezogen werden, während die negativ geladenen Chloridionen (Cl–) von den teilweise positiven Wasserstoffenden angezogen werden. Sowohl vollständig geladene als auch teilweise geladene Substanzen lösen sich aufgrund der Anziehung entgegengesetzter Ladungen leicht in Wasser auf.
Unpolare Substanzen
Öl- und fettlösliche Verbindungen sind — im Gegensatz zu Wasser, Salzen und Säuren — kostenlos. Diese Verbindungen werden traditionell hydrophob genannt – Wasser fürchten – aber es ist nicht so, dass sie Wassermoleküle fürchten oder dass Wassermoleküle von ihnen abgestoßen werden. Es ist nur so, dass Wassermoleküle sich nicht um sie kümmern — sie sind gleichgültig — und gleichzeitig werden Wassermoleküle stark voneinander und von anderen polaren Molekülen angezogen. Dadurch werden die unpolaren Verbindungen isoliert – zunächst in Blasen und schließlich in einer separaten Schicht. Wie Öl-Essig-Salatdressing können Sie polare und unpolare Verbindungen schütteln und zum Mischen bringen, aber sie werden sich schließlich wieder trennen und verschiedene Schichten bilden.
Das Streben nach Öl-in-Wasser-Stabilität
Seit der Antike versucht die Menschheit, unpolare Substanzen in Lösungen auf Wasserbasis zu lösen, ein Prozess, der als Emulgieren bekannt ist. Eigelb, das eine hohe Menge an Phosphatidylcholin oder Lecithin enthält, gehört zu den ältesten Emulgatoren. (Damals verstanden die Anwender — von Köchen bis zu Ärzten — das Konzept der Emulgierung nicht, aber sie wussten, dass Eigelb fettlöslichen Substanzen half, sich in Wasser aufzulösen.) Diese Aufgabe geht weit über die Herstellung von stabilem italienischem Dressing und Kuchenteig hinaus. Weitaus wichtigere Herausforderungen, wie die Absorption von Medikamenten aus der polaren menschlichen Darmumgebung, erfordern die Entwicklung von Möglichkeiten, Öl mit Wasser mischen zu lassen. Apotheker beschäftigen sich seit langem mit diesem Prozess, wie dieser Buchabschnitt von 1911 über „Dinge, die alle Apotheker über die Emulgierung von Ölen wissen sollten“ belegt.“
Also, was ist ein Emulgator? Ganz einfach, ein Emulgator (auch als Tensid bekannt) ist eine Verbindung, die sowohl an polaren als auch an unpolaren Substanzen „haften“ kann, wodurch sich fettlösliche Substanzen in Wasser auflösen können. Emulgatoren finden sich in der Natur und zunehmend auch in anspruchsvollen, hochmodernen lebensmittelwissenschaftlichen Technologien.
Emulgieren wie die Natur es tut
Obwohl der kürzere Name Lecithin vom griechischen Wort für Eigelb stammt, ist Phosphatidylcholin tatsächlich in allen lebenden Zellen enthalten, nicht nur in Hühnereiern. Seine Struktur besteht aus einem negativ geladenen Phosphatrückgrat, an dem langkettige Fettsäuren suspendiert sind – mit anderen Worten, ein polares Ende, das an lange, unpolare Enden gebunden ist. Phosphatidylcholin und andere Arten von Phospholipiden bilden die Matrix der Membranen, die alle Zellen einschließen – die Phospholipid-Doppelschicht.
Herkömmliche Emulgatoren wie Lecithin können die Mischung von Öl und Wasser unterstützen. Um jedoch eine Öl-in-Wasser-Emulsion auf die nächste Stufe zu heben — um eine hochstabile Öl-in-Wasser—Emulsion ohne Zusatz oder Veränderung des Geschmacks oder des nachteiligen Aussehens und mit höchster Bioverfügbarkeit herzustellen – müssen wir makromolekulare Strukturen aufbauen, um die gewünschten Eigenschaften effizient zu verleihen. Der technologische Ansatz, mit Molekülen dieser Größe zu arbeiten, wird als Nanotechnologie bezeichnet. Zwei Arten von nützlichen Emulsionen, die durch Nanotechnologie hergestellt werden können, sind Mikroemulsionen und Nanoemulsionen.
Mikroemulsionen
Öl-in-Wasser-Mikroemulsionen bestehen aus Suspensionen winziger Tröpfchen mit Strukturen, die denen ähneln, die lebende Zellen einschließen. Zu den wichtigsten gehören Mizellen. Mizellen bestehen wie Zellmembranen aus Phospholipiden. Anstatt jedoch in flachen Doppelschichten angeordnet zu sein, sind die Phospholipide von Mizellen in kugelförmigen Strukturen angeordnet, wobei ihre polaren „Köpfe“ nach außen (in einer wässrigen Lösung) und ihre unpolaren „Schwänze“ nach innen zeigen. Mizellen sind wie winzige Blasen, die sich in einer gleichmäßigen Mischung, einem Kolloid, in Wasser ausbreiten. (Ein natürliches Beispiel für ein Kolloid ist Milch. Es ist undurchsichtig, aber die Fette und lipophilen Nährstoffe in der Milch sind gleichmäßig in der wässrigen Basis der Milch verteilt und trennen sich nicht mit der Zeit. Wenn fettlösliche Substanzen in Mizellen platziert werden, ist es, als würden sie in bequemen polaren Wagen platziert, die sich gleichmäßig in Wasser verteilen, wobei ihre öligen Passagiere stabil in ihnen versteckt sind.
Nanotechnologen verwenden eine Vielzahl von Trägern, die auf ähnliche Weise funktionieren — sie verkapseln eine unpolare Verbindung von Interesse (wie ein Medikament oder ein nutrazeutisches Lebensmittel), um die Löslichkeit, Stabilität der Verbindung unter widrigen Umweltbedingungen und Absorption der Verbindung aus dem GI-Trakt in den Körper zu erleichtern. Zu diesen Trägern gehören Biopolymere, Liposomen, Fest-Lipid-Nanopartikel und Nanofasern, um nur einige zu nennen.
Herstellung einer Nanoemulsion
Sowohl Mikroemulsionen als auch Nanoemulsionen bestehen aus Partikeln mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern und verbessern wichtige Merkmale wie Langzeitstabilität, optische Klarheit und Bioverfügbarkeit. Nanoemulsionen enthalten Partikel unterschiedlicher Größe, während die Partikel in Mikroemulsionen einheitlich sind. Der Unterschied zwischen Nanoemulsionen und Mikroemulsionen liegt jedoch weniger in der Größe als vielmehr in ihren funktionellen Merkmalen und ihrer Herstellung. Während beide Arten von Emulsionen ähnliche Inhaltsstoffe benötigen – Öl, Wasser und ein oder mehrere Tenside — bauen sich Mikroemulsionen, die thermodynamisch stabil sind, spontan selbst zusammen. Im Gegensatz dazu werden Nanoemulsionen mit technologischen Prozessen wie mechanischem Scheren oder Ultraschall hergestellt, um Tröpfchen mit Wellenlängen zu erzeugen, die kürzer sind als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts (und daher vom menschlichen Auge als klar angesehen werden). Die Erzeugung dieser winzigen Partikel erfordert den Energieeintrag über Technologien wie Ultraschall, Hochdruckventilhomogenisatoren oder Mikrofluidisatoren. Dann, weil sie nicht thermodynamisch stabil sind, wenn sie zuerst geschaffen werden, muss ein Stabilisator hinzugefügt werden. Leider ist dieser Prozess nicht einfach und wird durch andere Überlegungen wie die Kontrolle der Abbaurate des Wirkstoffs, die Suche nach Temperatur- und pH-Stabilität und den Umgang mit der überwältigenden Bitterkeit erschwert, die mit Nanoemulsionen einhergeht, die mit Wirkstoffen wie CBD oder THC beladen sind.
Gebrauchsfertige Öl-in-Wasser-Emulsionsprodukte
Das Gebiet der Nanotechnologie ist eines der größten Möglichkeiten, und die Methoden zur Erreichung der Öl-in-Wasser-Stabilität können sowohl in der Anzahl als auch in der Komplexität schwindelerregend sein. Wenn Sie ein kleines Unternehmen sind, das die Stabilität lipophiler Substanzen auf Wasserbasis maximieren möchte, ist die Forschung an nanotechnologischen Lösungen höchstwahrscheinlich unerschwinglich teuer. Glücklicherweise hat Axiomm den Großteil der Forschung für Sie durchgeführt. Mit Produkten wie µGOO, µSHOT und µMIX können Sie mit vorentwickelten Trägern beginnen, die stabile Öl-in-Wasser-Nanoemulsionen erzeugen, die mit Ihrem Produkt infundiert sind. Fügen Sie einfach Ihre einzigartigen Produktkomponenten hinzu und folgen Sie den Anweisungen. Sie können sich auf Themen wie Geschmack, Farbe und Textur konzentrieren, während Axiomm die technische Arbeit der Nanoemulsion übernimmt. Das Ergebnis? Eine einfache Möglichkeit, die beste Version Ihres eigenen einzigartigen Produkts für Ihre Kunden zu entwickeln.