Instabilitätsmechanismen in Doppelemulsionen aufgezeigt am Beispiel mikrofluidisch hergestellter Tropfen

Doppelemulsionen werden seit Langem als Formulierung mit hohem Potential für Lebensmittel gehandelt. In einer Wasser-in-Öl-in-Wasser (W/O/W) Doppelemulsion sind die Öltropfen einer Emulsion wiederum mit Wassertröpfchen gefüllt. Damit können in einer solchen Formulierung wasserlösliche Inhaltsstoffe verkapselt werden, um diese entweder vor Umwelteinflüssen zu schützen oder um deren Geschmack zu maskieren. Zusätzlich bringt das Ersetzen eines Teils der Öltropfen durch Wasser eine Kalorienreduktion mit sich.
Die Herausforderung bei der Entwicklung solcher Formulierungen ergibt sich durch die hohe Instabilität, die aus den zwei unterschiedlich gekrümmten Grenzflächen resultiert. Zur Stabilisierung der inneren Wassertropfen wird dazu ein eher lipophiler Emulgator eingesetzt. Um die Koaleszenz der Öltropfen zu verhindern wird ein stärker hydrophiler Emulgator verwendet. In einer Doppelemulsionen müssen entsprechend Veränderungen sowohl der äußeren Öltropfengröße als auch der Tropfengröße der inneren Wassertropfen betrachtet werden. Daneben muss auch noch die Freisetzungsrate der verkapselten Substanz gemessen werden. Darum reichen Standardmethoden zu Messung oft nicht aus, um alle Eigenschaften der Doppelemulsion zuverlässig zu bestimmen.
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Um die Instabilitätsmechanismen besser trennen zu können, bietet es sich an, mit mikrofluidisch hergestellten Doppelemulsionen zu arbeiten. Bei diesen liegen nach Herstellung sowohl Wasser- als auch Öltropfen monomodal vor und sie zeichnen sich durch ihre optische Zugänglichkeit aus. Damit kann die Stabilität einer Formulierung ausschließlich durch mikroskopische Untersuchungen in Hinsicht auf alle drei Koaleszenzmechanismen detailliert beurteilt werden.
In dieser Arbeit wird eine neue Verschaltung mikrofluidischer Kapillaren zur Herstellung von Doppelemulsionstropfen vorgestellt. Mit bisherigen Methoden war es möglich, entweder Core-Shell Tropfen mit nur einem großen inneren Wassertropfen herzustellen oder Tropfen mit bis zu acht inneren Wassertropfen zu erhalten. Mit der in dieser Arbeit vorgestellten Methode können Öltropfen mit einer Vielzahl (10 – 300) innerer Wassertropfen gefüllt werden. Diese Tropfen sind dann in ihrem Aufbau und ihrem Stabilitätsverhalten näher an klassischen Doppelemulsionen für Lebensmittelanwendungen. Die Wasser- und Öltropfen zeichnen sich durch eine hohe Monomodalität
(Streuung der Tropfengrößen < 5 %) aus und können durch ein Verändern der Prozessparameter in einem weiten Feld unabhängig voneinander eingestellt werden.
Diese Emulsionen werden nach verschiedenen Lagerdauern auf ihre inneren und äußeren Tropfengrößenverteilungen untersucht. Aus den entstandenen Tropfengrößen können dann die vorhergegangenen Koaleszenzvorgänge errechnet werden. Auf Basis dieser Daten werden verschiedene Formulierungen auf ihr Potential für Anwendungen beurteilt, insbesondere kann der hauptsächlich vorliegende Koaleszenzmechanismus benannt werden. Durch das erlangte Wissen um den Versagensmechanismus können die Stärken und Schwächen verschiedener Emulgierhilfsstoffe beurteilt und zielgerichtete Verbesserungen in den Formulierungen vorgenommen werden. Beispiele werden im Beitrag gezeigt.