Development of Dairy Water-in-Oil-in-Water Emulsions - Evaluation of surfactants and milk components as emulsifiers

Abstract (Swedish)

Double emulsions have a great potential in food applications, such as low calorie products and to improve sensory properties. For the dairy industry, double emulsions could be used to produce a product with a lower fat content which maintain the same properties as regular whipping cream. The purpose of this project was to obtain a stable Water-in-Oil (W/O) emulsion with butter oil with a small mean droplet size which could be used to prepare a double emulsion. All the emulsions were prepared with a rotor - stator system.

For the W/O emulsion studies, different surfactants such as polyglycerol polyricinoleate (PGPR), oat oil, and soy – and rapeseed - lecithin, were evaluated to see how different concentrations together with an addition of electrolytes and/or milk proteins, affected the mean droplet size and the creaming rate (emulsion stability).

PGPR as a surfactant together with proteins, resulted in the smallest mean droplet size of 1.0 ± 0.1 µm, and the highest emulsion stability of 100 %. The emulsion stability was unaffected, independently of surfactant or milk proteins used as stabilizers, between 1 hour of storage and 48 hours of storage at 6°C. This shows that the crystalized fat in the butter contributes to the emulsion stability. W/O emulsions was also successfully prepared with oat oil and fluid rapeseed lecithin. However, the mean droplet size was larger, between 6.7 and 10.1 µm, compared to PGPR and the emulsion stability was around 90 %.

W/O/W (10/90) emulsions were successfully prepared with a W/O (20/80) emulsion containing 2 wt % PGPR and 2 wt% MPC. The smallest mean droplet size of 8.6 ± 0.5 µm was obtained with SMP in the external aqueous phase.
By varying the aqueous phase from 20 wt% to 30 wt% in the inner emulsion, the mean droplet size went from 1 µm to 2 µm. Also, a W/O/W emulsion, containing an inner emulsion of 20 and 30 wt% aqueous phase, respectively, showed a significantly increase in mean droplet size from 13.6 ± 0.6 to 15.0 ± 0.7 µm (P<0.01).

The emulsion stability of all the W/O/W emulsions was poor, and through microscopic examination, big and coalesced W/O/W emulsion droplets could be distinguish. A suggestion for this appearance could either be caused by the rather large mean droplet size, partial aggregation and/or the osmotic pressure, where the water migrates to the inner aqueous phase causing the emulsion droplet to swell. Further investigations have to be done to enhance the stability of double emulsions. By suggestion, it could be done by alter the protein concentration for the second emulsification, alternatively add another type of emulsifier, as well as controlling the temperature.

Popular Abstract (Swedish)

Dubbelemulsioner har fantastiska applikationsområden inom mejeriindustrin för framställning av lågkaloriprodukter med samma sensoriska egenskaper som fullfettsvarianten. I det här projektet har en dubbelemulsion framställts av smörolja, mjölkprotein och ett stabiliseringsmedel som har potential att användas för tillverkning av lågkaloriprodukter för mejeriindustrin.

Efterfrågan på lågkaloriprodukter ökar i dagens samhälle vilket grundar sig i att övervikt blir allt vanligare samt att hälsomedvetenheten ökar. Dessutom frågar konsumenter efter produkter med så få tillsatser (E-nummer) som möjligt. Är det möjligt att framställa en låg-kalori grädde med samma egenskaper som vanlig vispgrädde fast utan en lång innehållsförteckning? Svaret är ja, med hjälp av dubbelemulsioner Men vad är en dubbelemulsion?

Om vi först tar en titt på en emulsion, så är det en blandning av två vätskor som normalt inte blandar sig, exempelvis vatten och fett. För att framställa en emulsion krävs det att fettet finfördelas i mindre beståndsdelar för att förhindra att emulsionen skitar sig. Mjölk är ett typexempel på en olja-i-vatten emulsion. En dubbelemulsion består av två emulsioner, en inre emulsion med vatten finfördelat olja (vatten-i-olja emulsion), och en yttre emulsion (olja-i-vatten emulsion). En stor utmaning med dubbelemulsioner är att få de stabila. Emulsionsdropparna vill gärna gå samman och bilda större droppar alternativt aggregera samt att vatten har en tendens att vilja vandra mellan den yttre och den inre emulsionen.

För att framställa en dubbelemulsion måste först en inre emulsion göras. Den måste vara stabil dvs. inte skikta sig, och partiklarna måste vara små, runt 1 µm i diameter. Detta kan uppnås genom att finfördela vattnet, genom homogenisering, i smörolja tillsammans med ett emulgeringsmedel. Emulgeringsmedel hjälper till att stabilisera emulsionsdropparna genom att sätta sig på ytan av emulsionsdroppen och hindra dem från att gå samman. I detta projekt användes mjölkprotein och olika typer av surfaktanter (ytaktiva ämnen).

För att slå sönder vattendropparna i smöroljan användes ett rotor-stator system vilket kan liknas med en mixer som mekaniskt slår sönder vattnet till mindre droppar. Den stabilaste inre emulsionen tillsammans med den minsta partikeldimetern, kring 1 µm, erhölls med Polyglycerol ricinoleate (PGPR) och mjölk protein. PGPR (E476) är ett av de mest välkända emulgeringsmedlen för stabilisering av vatten-i-olja emulsioner. Även vatten-i-olja emulsioner med rapsoljelecitin och havreolja erhölls även om stabiliteten var lägre och partikeldiametern var kring 10 µm. Partikeldiametern fastställdes med hjälp av ljusspridning där partiklar med olika storlek sprider ljus olika mycket. Mikroskopi användes för att bekräfta att en emulsion erhållits. Emulsionsstabiliteten bestämdes genom att titta på gräddsättningen efter en timme och 48 timmars lagring i 6 °C.

Den yttre emulsionen framställdes genom att homogenisera den inre emulsionen, bestående av PGPR och mjölkprotein, med vatten där mjölkprotein tillsatts. För att inte förstöra de inre emulsionsdropparna krävs det ett lågt varvtal vid homogenisering annars är risken att den inre emulsionen förstörs och resultatet blir en olja-i-vatten emulsion. En dubbelemulsion med skummjölksprotein i den yttre vattenfasen gav en partikeldiameter kring 8.6 µm.
Efter 48 timmars lagring hade allt fett i dubbelemulsionen stigit till ytan. Jämförelse kan göras med vanlig vispgrädde. Där har fettdropparna en storlek på mellan 1-4µm, och efter två dagar i kylskåpet så har inte fettet lagts sig på toppen i förpackningen. Varför detta skedde med dubbelemulsionerna kan bero på den relativt stora partikeldiametern. Det skulle också kunna bero på att de yttre emulsionsdropparna delvis aggregerade och bildade större anhopningar av fett vilket också leder till snabb gräddsättning. Detta kan ske om inte ytan på de yttre emulsionen är fullt täckt av protein.

Det var skillnad på utseendet av dubbelemulsionen om den fått stå framme i rumstemperatur eller om den fått stå på is i en timme. Dubbelemulsionen i rumstemperatur bestod av stora aggregat medan den på is fortfarande bestod av emulsionsdroppar som inte hade aggregerat. Vid en låg temperatur rör sig emulsionsdropparna långsammare vilket gör att kollisioner mellan dem sker mer sällan och därmed sker aggregering långsammare. Dessutom stelnar smöroljan snabbare vid låga temperaturer vilket också kan hindra emulsionsdropparna från att aggregera.

Det här arbetet har visat att det är möjligt att framställa dubbelemulsioner med smörolja, PGPR och mjölkprotein. Däremot måste stabiliteten bli bättre. Rapsoljelecitin och havreolja användes med framgång för en vatten-i-olja emulsion. Dock behöver partikelstorleken blir mindre för att kunna använda de i dubbelemulsioner. Det skulle kunna var fullt möjligt om t.ex en högtryckshomogenisator används som kan slå sönder vattendropparna ännu mer än ett rotor-stator system.

• author: Andersson, Ida-Marie
• supervisor: Maria Glantz; Jonas Börjesson
• organization: Food Technology and Nutrition (M.Sc.)
• course: KLG820 20142
• year: 2015
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Dairy, W/O/W emulsions, W/O emulsions, Butter oil, PGPR, Milk proteins, Oat Oil, Electrolytes, Lecithin, Food technology, Livsmedelsteknologi, Average Mean Droplet Size, Emulsion Stability
• language: English
• id: 5434750
• date added to LUP: 2015-06-12 13:09:13
• date last changed: 2015-06-12 13:09:13