Emulsion formation and stability - Impact of the dispersed state of the emulsifier on emulsification

Abstract

Emulsions find a variety of applications in for example food, cosmetics and pharmaceutical preparations. In order to obtain emulsions with desired properties it is important to understand how different factors, such as the properties of the emulsifier and the emulsification procedure, impact the final emulsion properties.



The studies performed in relation to this thesis have mainly been focused on the impact of the dispersed state of phospholipids on emulsification. Previous studies have indicated that larger structures are transported more rapidly to the interface during high-pressure homogenization and, thus, dominate the interfacial layer. Phospholipids are chosen as emulsifiers since they can be dispersed in different ways but would provide the same stabilization of the interface once they have adsorbed and spread.



Three different phospholipid products from soy are used; phosphatidylcholine (PC), PC-enriched lecithin and deoiled lecithin. The emulsifier is either dispersed in the oil or in the aqueous phase as aggregates of different size. The aggregates are large lamellar structures, large vesicles or small vesicles. The vesicle size is studied by cryo TEM and asymmetrical flow-field flow fractionation. For PC-enriched soy lecithin and deoiled soy lecithin also the conformation as a function of vesicle size is studied.



Emulsions are prepared with different phospholipid compositions and dispersed states. For soy-PC the smallest emulsion droplets are obtained with the emulsifier dispersed as small vesicles. Monolayer adsorption is observed for the vesicles whereas multilayer formation is indicated for the larger aggregates as well as when the emulsifier is dispersed in the oil. Hence, a larger area can be covered with the same amount of emulsifier when vesicles are used and this may explain the higher efficiency. For emulsions prepared with PC-enriched soy lecithin and deoiled soy lecithin the droplets are smallest with the emulsifier dispersed in the oil. These products contain some charged material and the observed differences are likely explained by electrostatic repulsion. When the ionic strength is increased the charged systems behave similar as soy-PC. The results show that the dispersion of the emulsifier may have a large impact on emulsification.



Emulsions are often complex systems containing a mixture of emulsifiers and additives. Interactions between emulsifiers may affect emulsion properties. The interactions between hydrophobically modified starch and egg proteins, in solution and at the interface, are studied. Moreover, we often want to heat or freeze emulsions products. Freeze-thaw stability of mayonnaise-type oil-in-water emulsions is another topic that is treated in this thesis.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En emulsion är en blandning av två vätskor som ej löser sig i varandra. Oftast så är det små oljedroppar som omges av vatten, alltså en olja-i-vatten emulsion. För att få en stabil emulsion måste man även tillsätta en emulgator. En emulgator har en del som trivs i olja, en hydrofob del, och en del som trivs i vatten, en hydrofil del. Den kan alltså sätta sig på oljedroppen med den hydrofila delen utåt mot vattnet och skydda droppen.



Storleken på oljedropparna i emulsionen är viktig av flera anledningar. Är dropparna stora kommer de snabbt att flyta upp och lägga sig som ett skikt på toppen av produkten då olja är lättare än vatten. Detta ser man till exempel för mjölk som kommit direkt från kon. För att de stora oljedropparna i mjölken inte ska flyta upp snabbt har man gjort dem mindre i de flesta produkter som säljs i affären. Droppstorleken är också viktig för produktens utseende och tjocklek. Gör du exempelvis en majonnäs så blir den tjockare om du lyckas får små droppar. Blir majonnäsen lite lös när vi gör den hemma så är det kanske inte hela världen men i industrin är det viktigt att ha kontroll över hur olika parametrar påverkar droppstorleken och andra emulsionsegenskaper för att få en produkt med önskade egenskaper.



En metod som ofta används i industrin för att göra emulsioner är högtryckshomogenisering. I denna metod tvingas stora droppar genom en smal spalt och de intensiva flödena efter spalten gör att dropparna slås sönder. Emulgatorn måste transporteras snabbt till de nya dropparna och skydda dem. Under den här processen kommer dropparna nämligen även att kollidera med varandra igen och är de inte stabiliserade slås de åter ihop till en stor droppe. Hur snabbt emulgatorn sätter sig på droppen, adsorberar, beror på olika faktorer. Flödena under högtryckshomogenisering gör generellt att stora emulgatorer eller emulgatoraggregat i vattenfasen transporteras snabbare till dropparna. Adsorptionen kan dock förhindras om det finns något som hindrar spridning av emulgaton på ytan, t.ex. repulsion mellan emulgatorer eller ett mekaniskt motstånd.



I denna avhandling studeras bland annat hur storleken på emulgatoraggregat påverkar hur emulsionen blir. För att kunna reglera storleken använder vi emulgatorer som kan bilda olika stora aggregat, fosfolipider. Fosfolipider är viktiga beståndsdelar i alla våra celler och de finns i vanliga livsmedel såsom mjölk och äggula. Blandar man fosfolipider med vatten bildar de generellt en lamellär fas. Detta innebär att fosfolipiderna ligger med de hydrofoba delarna mot varandra respektive de hydrofila delarna mot varandra i lager. Den lamellära fasen kan slås sönder till vesiklar. Detta är sfäriska strukturer med två eller flera fosfolipidskikt vilka bildar en cirkel som innesluter lite av vattenfasen. Hur stora vesiklarna blir och hur många skikt de har beror bland annat på vilka fosfolipider de innehåller och hur de görs.



Emulsionsdropparna är små, omkring en tusendels millimeter, och vesiklarna är ännu mindre. Vårt öga kan inte urskilja så små strukturer så för att kunna få en bild över hur de ser ut måste vi ta hjälp av olika metoder. I avhandlingen studeras vesiklarna med fältflödesfraktionering. Med hjälp av denna metod är det möjligt att få en bild över hur många skikt vesiklarna innehåller. Det är även möjligt att samla fraktioner för en viss storlek och analysera andra parametrar, exempelvis fosfolipidkompositionen. Struktur och fosfolipidkomposition hos en vesikel har visats ha betydelse för dess stabilitet och detta kan således ha en inverkan på egenskaperna hos produkter där fosfolipider ingår.



Under avhandlingsarbetet bereddes emulsioner med stora fosfolipidaggregat samt stora och små vesiklar. Försök utfördes även där fosfolipiderna blandades i oljan innan emulsionen gjordes. Resultaten visar att emulsionsegenskaperna beror på vilken fosfolipidkomposition som används, om fosfolipiderna blandas i vatten eller olja samt hur stora aggregaten är i vattenfasen. Till exempel så blir emulsionsdropparna mindre med små vesiklar än om emulgatorn blandas i oljan då oladdade fosfolipider används. Studien visar att mindre fosfatidylkolin per yta adsorberar då vesiklar används och det finns därför tillräckligt med material för att täcka fler små droppar. Detta kan förklara varför dropparna blir mindre med vesiklarna. Adsorptionen minskar då vesiklarna innehåller laddade fosfolipider. Då salt tillsätts, vilket gör att laddningarna ej är lika effektiva på att repellera varandra längre, ökar adsorptionen och små vesiklar är effektivast även för de laddade systemen. Detta visar att repulsion kan ha stor betydelse för adsorptionen.



Livsmedelsemulsioner innehåller ofta flera olika emulgatorer och olika tillsatser till vattenfasen såsom socker, salt och syra. Det är viktigt att förstå hur olika ingredienser samverkar då detta kan ha en stor påverkan på emulsionsegenskaperna. Vidare vill vi ofta kunna värma eller frysa emulsioner utan att deras egenskaper förändras. Denna avhandling innehåller även något mer tillämpade studier som behandlar dessa faktorer. Exempelvis undersöktes frysstabiliteten hos majonnäs. Resultaten visar att typ av olja är viktig för frysstabiliteten hos denna typ av emulsion medan olika tillsatser till vattenfasen har mindre betydelse.



Både tillämpad forskning och mer grundläggande forskning är viktig för att få full förståelse för hur olika faktorer påverkar emulsionsberedning och emulsionsstabilitet. Denna avhandling kan förhoppningsvis bidra till viss ökad förståelse inom ämnet.

• author: Magnusson, Emma
• supervisor: Björn Bergenståhl; Lars Nilsson
• opponent: Cabane, Bernard, Ecole Supérieur de Physique et de Chimie Industrielle ESPCI, Paris, France
• organization: Department of Food Technology, Engineering and Nutrition
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Food Engineering
• keywords: Emulsion, phospholipid, dispersed state, field flow fractionation, freeze-thaw stability
• pages: 121 pages
• defense location: Lecture hall G, Kemicentrum, Getingevägen 60, Lund University, Faculty of Engineering LTH, Lund
• defense date: 2015-12-04 10:15:00
• ISBN: 978-91-87743-06-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 35e2c18d-f2f1-4955-927e-ccf4ab38f02a (old id 8165146)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:52:43
• date last changed: 2018-11-21 21:01:18