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Wechselwirkungen

Ionische Protein-Polysaccharid-Interaktionen als Grundlage für Emulsionen mit besonderen Eigenschaften

Prof. Dr. Gerald Muschiolik (Friedrich-Schiller-Universität Jena)

Das Interesse an der Reduzierung des Einsatzes synthetischer Emulgatoren und chemisch modifizierter Zusatzstoffe hat zur erhöhten Nachfrage nach natürlichen bzw. nur gering behandelten biologischen Rohstoffen als Rezepturbestandteil im Food-, Kosmetik- und Pharmabereich geführt. Der kombinierte Einsatz von ionischen Biopolymeren bzw. polymeren Polyelektrolyten (Proteine, Poly­saccharide) erleichtert die Herstellung von „Naturstoff“-Emulsionen mit speziellen Verkapselungs- und Freisetzungs- sowie Visko­sitäts- und Konsistenzeigenschaften.

Innovationspotenzial der Polyelektrolyt-Interaktionen

Abb. 1 Bereiche des Ladungspotenzials von Proteinen (Beispiel für β-Lactoglobulin und 11S-Pflanzenprotein (-NH3+; COO-) und Polysacchariden (z.B. Pektin mit -COO- und ι-Carrageen mit -OSO3-) in Abhängigkeit vom pH-Wert.

Zu den vielfältigen Anwendungs- und Forschungsgebieten der Nutzung von Interaktionen zwischen polymeren Polyelektrolyten gehören u. a. die Medizin (Blutaustauscher, Gerinnungshemmer, Vermeidung der Proteinadsorption an Implantaten), die Pharma­zie (Nanoverkapselung von Wirkstoffen, Immobilisierung von Enzymen und Mikroorganismen, Hydrogele mit kontrollierter Wirkstofffreisetzung, Träger für Wirkstoffe), die Chemie und Technik (Wasserbehandlung, ökologische Zusätze für schaumbildende Bohrspülungen, Kühlschmierstoffe mit Filmbildung und bestimmter Viskosität für die Metallbearbeitung, Membranen für die Alkohol-Wasser-Trennung, Konsistenzgebung von Baustoffgemischen).

Bei der hier vorgestellten Emulsions­herstellung bestehen die genutzten Interaktionen in der milieuabhängigen Reaktion zwischen den Proteinen (z. B. Aminogruppen der Proteine; -NH3+) und den anioni­schen Polysacchariden (Carboxylgruppen -COO- oder Sulfogruppen -OSO3-, z. B. -COO-···+3HN-). Während die Proteine aufgrund ihres amphoteren Charakters unterhalb des isoelektrischen Punktes (IEP) posi­tiv geladen sind, weisen diese oberhalb des IEP – wie die Polysaccharide – eine negative Ladung auf (Abb. 1). Im pH-Bereich um 4 und 5 befindet sich bei vielen Proteinen der IEP mit der geringsten Ladung.
Über die Veränderung der Ladungs­zustände (repulsiv oder attraktiv) und der Gesamtladung ermöglichen die elektrostatischen Wechselwirkungen die Bildung von Protein-Polysaccharid-Komplexen (löslich oder unlöslich), die als Emulgatoren und Stabilisatoren für disperse Systeme eingesetzt werden können [1]. Weiterhin sind hierüber die Einzeltropfenverteilung, Tropfenaggregation, Phasenstabilität, Koaleszenzstabilität, rheologische Eigenschaft und Konsistenz einstellbar. Dies bestimmt Einsatzgebiete und Gebrauchseigenschaften der Emulsionen.

Im Mittelpunkt der Forschung steht z. Z. die Nutzung der Wechselwirkungen von Milch- und Pflanzenproteinen mit verschiedenen ionischen Polysacchariden (u. a. modifizierte Pektine, Na-Carboxymethylcellulose, Carrageen, Xanthan, Dextransulfat, Gummi arabicum [1]).

Über elektrostatische Wechselwirkungen (pH-Wert-abhängig) und Auswahl der ionischen Biopolymere ermöglichen die Protein-Polysaccharid-Interaktionen die Bildung neuartiger Emulsionssysteme, geeignet zum Einschluss unterschiedlichster Komponenten (Vitamine, Wirkstoffe, Aromen, mehrfach ungesättigte Fettsäuren, Enzyme u. a. m.) sowie zur Einstellung der Stofffreisetzung.

Einstellung der Emulsions­eigenschaften, Beeinflussung der Tropfenaggregatebildung

Abb. 2a „Einschritt-Verfahren“, Emulsionsherstellung mit Gemisch aus Protein und ionischem Polysaccharid.

Bei der Herstellung von Öl-in-Wasser-Emulsionen (O/W) auf Basis biologischer Rohstoffe werden neben dem Fließverhalten bzw. der Konsistenzeigenschaft auch bestimmte Anforderungen an die Stabilität und Freisetzung bzw. Verfügbarkeit verschiedener Inhaltsstoffe (z. B. bioaktive, gesundheitsfördernde, geschmacks-, geruchs- und duftgebende) gestellt. Die derzeitige Herausforderung besteht darin, maßgeschneiderte Emulsionseigenschaften unter Einsatz biologischer Rohstoffe zu erzielen und auch die „Clean-Label“-Anforderungen erfüllen zu können.

Ein derartig hoher Anspruch kann realisiert werden, wenn zur Emulsionsherstellung Naturstoffe (z. B. emulgierende Proteine, ionische Polysaccharide) eingesetzt werden, deren Eigenschaften konstant und deren Interaktionen beherrschbar sind. Weiterhin müssen die Einflüsse der Milieubedingungen (pH-Wert, Elektrolytgehalt, Anteil mehrwertiger Metallionen), der molekularen Stoff­eigenschaften, des Ladungspotenzials sowie der Biopolymerverhältnisse bekannt sein.  

Wie in Abbildung 1 dargestellt, weisen die ionischen Biopolymere in wässriger Lösung abhängig vom pH-Wert ein unterschiedlich elektrisches Potenzial (mV) auf (ermittelt durch Zeta-Potenzialmessung bzw. Bestimmung der elektrophoretischen Mobilität im elektrischen Feld). Dieser Ladungszustand wird zusätzlich durch den Ent­faltungszustand der Biopolymere (z.B. Denaturierungsgrad der Proteine) und die Elektrolytkonzentration bestimmt.  

Abb. 2b „Zweischritt-Verfahren“, Emulsionsbildung mit Protein, Zugabe ionischer Polysaccharide zur Emulsion.

Während in Lösungen mit Protein-Polysaccharid-Gemischen die Absenkung des pH-Wertes z. B. auf pH 3 infolge des entgegengesetzten Ladungszustandes zu Bildung unlöslicher oder löslicher Komplexe führt, bewirkt ein hoher negativer Ladungszustand (z. B. pH 7) eine elektrostatische Abstoßung der Polymerkolloide. Das ist insbesondere für die Stabilitätsverbesserung von Emul­sionen von Bedeutung, wenn die Proteingrenzschichten an den Emulsionstropfen eine hohe negative Ladung aufweisen und die kontinuierliche Phase anionische Polysaccharide enthält. Hierdurch werden eine Tropfenaggregation (bzw. Agglomeratebildung) infolge repulsiver elektrischer Ladung (elektrostatische Stabilisierung) verhindert und somit die Emulsionsstabilität verbessert.

Derartige Effekte können realisiert werden, wenn während der Emulsionsherstellung zugleich anionische Proteine und Poly­saccharide anwesend sind (Einschritt-Verfahren, Abb. 2a) [2]. Erfolgt erst die Herstellung der Emulsion mit Proteinen als Emulgator und danach die Zugabe eines anionischen Polysaccharids, ist überwiegend eine Tropfenaggregatebildung zu beobachten, die zur Phasentrennung und zum Wasserabsatz führt (Zweischritt-Verfahren, Abb. 2b).

Abb. 3 Mit Molkenprotein stabilisierte multiple W/O/W-Emulsionen; A1, Öltropfenverteilung bei pH 5, Herstellung nach „Einschritt-Verfahren“, A2, Tropfenaggregatebildung bei pH 5 , Herstellung nach „Zweischritt-Verfahren“.

Werden nach dem „Einschritt-Verfahren“ in Abwesenheit von Ca-Ionen die Proteine (z. B. Molkeprotein) gemeinsam mit Na-Alginat oder niederverestertem Pektin eingesetzt, kann die Emulsion nachträglich durch Zugabe von Ca-Salz in ein Emulsionsgel umgewandelt werden [3]. Eine weitere Möglichkeit der Fixierung der Emulsionsstruktur besteht in der zusätzlichen Ausbildung kova­lenter Bindungen zwischen den Proteinmolekülen (z. B. Disulfidbindungen) mittels thermischer Behandlung.

Über die Vermeidung der Tropfenaggregatebildung sind fließfähige Emulsionen nicht nur in der Phasenstabilität, sondern auch im Mundgefühl hinsichtlich cremig, sahnig, vollmundig oder auch für spezielle Anwendungseigenschaften einstellbar, wie sie für Lotions, Cremes oder Pasten erforderlich sind.

Abbildung 3 zeigt Beispiele für Emul­sionen (Wasser-in-Öl-in-Wasser, W1/O/W2), hergestellt nach dem Einschritt- oder Zweischritt-Verfahren. Beispiel A1 zeigt keine Tropfenaggregation („Einschritt-Verfahren“), die W1-Phase enthält unterschiedliche wasserlösliche Komponenten (Aromen, Vitamine, Wirkstoffe usw.). Diese Emulsion weist sehr gute Fließeigenschaften auf. Beispiel A2 zeigt Tropfenaggregate, die in konzentrierten Emulsionen je nach Kompaktheit der Aggregate die Fließgrenze erhöhen und zur Konsistenzgebung beitragen.

Emulsionen mit Biopolymer-Multischichten

Abb. 4 Prinzip der Bildung von Protein-Polysaccharid-Multischichten an O/W-Grenzflächen (regulierte Biopolymeradsorption über pH-Einstellung und Waschprozess).

Die Kenntnisse über pH-abhängige Ladungs­zustände der verschiedenen Biopolymere in wässrigen Lösungen und Emulsionen ermöglichen den Aufbau mehrschichtiger Grenzflächen an dispergierten Öltropfen. Hierüber kann die Stofffreisetzung eingeschlossener Komponenten für unterschiedliche Milieubedingungen eingestellt werden, so z. B. die Freisetzung beim Kauvorgang, bei pH-Änderung oder im mittleren oder unteren Verdauungstrakt.

Sollen O/W-Emulsionen eine Ölphase mit öllöslichen Komponenten enthalten, die vor Oxidation geschützt und unter bestimmten Bedingungen freigesetzt werden, kann diese Eigenschaft gut in verdünnten Emulsionssystemen über einen Mehrschichtenaufbau (Protein-Polysaccharid-Grenz­flächen) realisiert werden [4, 5]. Hierbei muss jedoch während der Beschichtung eine Tropfenaggregatebildung durch Vorschaltung eines Waschprozesses verhindert werden.  

Realisiert wird die Bildung von Mehrschichtengrenzflächen („layer-by-layer“-Technik) durch Einstellen eines bestimmten ­Ladungszustands an proteinhaltigen Ölgrenzflächen (z. B. pH < IEP) und Dispergieren derartiger Öltropfen in Lösungen, die entgegengesetzt geladene Polymere enthalten (z. B. Polysaccharide bei pH 4, siehe Abb. 4). Die Barrierewirkung (z. B. Oxidationsschutz, Stofffreisetzung, Verdaulichkeit) ist über die Anzahl der Schichten einstellbar und durch zusätzliche Vernetzung der Schichten (z. B. Vernetzung von Pektin mittels Laccase [6]) möglich.

Die hier geschilderte Multischichtenbildung ist auch durch Kombination von Proteinen möglich, wenn diese unterschiedliche IEP aufweisen. So kann z. B. bei pH 7 ein mit β-Lactoglobulin beschichteter Öltropfen (IEP = ~ 5, negativ geladen) mit Lactoferrin (IEP ~ 8, positiv geladen) beschichtet [7] werden.

Emulsionen mit „Tropfenbeschichtung“

Abb. 5 Bildung einer Öltropfen-Grenzschicht („Kolloidosom“) zur Erhöhung der Aggregationsstabilität und zum Schutz der inneren Lipidphase [8].

In ähnlicher Weise wie beim Aufbau von Multischichten ist auch die Bildung einer zusätzlichen Grenzschicht aus Öltropfen möglich („Kolloidosom“-Bildung). Dies erfolgt durch Vermischen unter­schiedlich geladener Tropfen bei pH 4, wobei Emul­sionen mit positiv geladenen kleineren Öltropfen (z. B. Ø 0,2 µm, β-Lactoglobulin-Grenzschicht) mit negativ geladenen Öltropfen (z. B. Ø 0,6 µm, β-Lactoglobulin-Pektin-Grenzschicht) vermischt werden (Abb. 5).

Neben dem Einsatz von Protein-Polysaccharid-Lösungen zur Bildung der äußeren aggregationsstabilen Grenzschicht können auch Polysaccharid-Konjugate (der MAILLARD-Reaktion ähnliche Verbindungen zwischen Proteinen und Polysacchariden) als O/W-Emulgatoren in multiplen Emulsionen eingesetzt werden [9]. Diese erhöhen die Aggregationsstabilität der Emulsion im säurehaltigen Milieu und bilden eine zusätzliche Barriere für den Stoffschutz (z. B. verkapseltes Fischöl oder Carotinoide in der inneren O-Phase).

Zusammenfassung

Mittels „molekularer“ Emulsionstechnologie können Mikrostrukturen (Biopolymer-Grenzschichten an den Emulsionstropfen) gezielt aufgebaut werden, diese verleihen Emul­sionen vielseitige Anwendungseigenschaften und eine unterschiedliche Stofffreisetzung. Über Interaktionen zwischen Proteinen und ionischen Polysacchariden ist die Tropfenaggregate- bzw. Netzwerkbildung in Emulsionen beeinflussbar und somit zur Erzeugung von Makrostrukturen, zur Viskosi­tätseinstellung oder Texturgebung geeignet.

Aus den Mikro- und Makrostrukturen resultierende Eigenschaften sind sowohl im Food- als auch im Kosmetik- und Pharmabereich nutzbar.

Literatur:
[1] Muschiolik G., Praxishandbuch NEM, Behr´s Verlag 2012, 14. Lfg. V1, 1-34
[2] Muschiolik G. et al., DE 10 2006 019 241 B4
[3] Vernon A.J. et al., EP 000281 009 C2
[4] Dickinson E., Soft Matter 2008, 4, 932-942
[5] McClements D.J., Curr. Opin. Colloid Interface Sci. 2012, 17, 235-245
[6] Zeeb B. et al., Food Hydrocolloids 2012, 27, 126-136
[7] Schmelz T. et al., Food Hydrocolloids 2011, 25, 1181-1189
[8] Gu Y.S. et al., Food Hydrocolloids 2007, 21, 516-526
[9] Fechner A. et al., Food Hydrocolloids 2007, 21, 943-952

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