Oleogele: Wie die Beschallung Oleogelformulierungen verbessert

Oleogele sind vielseitige Materialien, die in zahlreichen Branchen eingesetzt werden und besondere Vorteile hinsichtlich Textur, Stabilität und Funktionalität bieten. Der Einsatz von Ultraschallgeräten mit Sonotrode verbessert die Synthese und Leistungsfähigkeit von Oleogelen erheblich und macht sie dadurch für verschiedene industrielle Anwendungen besser geeignet.

Was sind Oleogele?

Oleogele sind halbfeste Systeme, die aus einer Ölphase bestehen, die in einem dreidimensionalen Netzwerk aus strukturgebenden Substanzen wie Oleogelatoren oder Geliermitteln immobilisiert ist. Diese strukturgebenden Substanzen tragen dazu bei, Ölen eine gelartige Konsistenz zu verleihen, wodurch ein stabiles, streichfähiges und häufig transparentes oder durchscheinendes Produkt entsteht. Oleogele werden in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Lebensmittel, Kosmetik, Pharmazeutika und industrielle Schmierstoffe. Sie bieten Vorteile wie eine verbesserte Textur von Lebensmitteln, Feuchtigkeitsversorgung durch Hautpflegeprodukte, kontrollierte Wirkstoffabgabe bei Pharmazeutika und verbesserte Schmiereigenschaften in industriellen und kosmetischen Formulierungen.
Werden Oleogele mithilfe leistungsstarker Ultraschallwellen hergestellt – ein als Beschallung bezeichnetes Verfahren –, wird die Synthese dieser ölbasierten Gele verbessert. Lesen Sie im Folgenden, wie die Wirkungen der Beschallung die Bildung von Oleogelen erleichtern!

Die Ultraschallhomogenisierung erleichtert und verbessert die Formulierung von Oleogelen.

Mischen von Oleogelen mit Ultraschall

Die Ultraschallbehandlung kann die Synthese von Oleogelen verbessern, indem sie die Dispergierung und Verteilung der strukturgebenden Substanzen innerhalb der Ölphase verbessert. Werden Ultraschallwellen hoher Intensität auf die Ölmischung mit den Oleogelatoren angewendet, fördern sie eine gleichmäßige Durchmischung und Dispergierung der strukturgebenden Substanzen, was zu einem homogeneren Gelnetzwerk führt. Darüber hinaus kann die Beschallung die Bildung kleinerer und gleichmäßigerer Partikel erleichtern, wodurch eine feinere Textur und eine verbesserte Stabilität des Oleogels entstehen. Die durch Ultraschall erzeugten Kavitationseffekte können größere Aggregate aufbrechen und die Bildung kleinerer, gleichmäßiger dispergierter Strukturen innerhalb der Gelmatrix fördern.

Direkte Ultraschalldispergierung zur Oleogelsynthese

Dispersionsbasiert strukturiertes Oleogel: Beim direkten Dispergierverfahren wird die Beschallung eingesetzt, um den Oleogelator bei Temperaturen oberhalb seines Schmelzpunkts direkt im flüssigen Öl zu dispergieren. Darauf folgt eine Abkühlphase, in der das Gelatornetzwerk erstarrt und das Öl in einem festen Gerüst einschließt, wodurch das Oleogel entsteht. Bei diesem direkten Ultraschalldispergierverfahren kann der Gelierungsprozess je nach Art der verwendeten strukturgebenden Substanz zwei unterschiedliche Netzwerkarchitekturen erzeugen: Kristallitanordnungen oder durch Selbstorganisation gebildete Netzwerke.

Ultraschallemulgierung zur Oleogelsynthese

Emulsionsbasiert strukturiertes Oleogel: Die Ultraschallemulgierung mithilfe einer Sonotrode bietet mehrere Vorteile für die Oleogelsynthese, vor allem durch eine effiziente und gleichmäßige Durchmischung auf Mikro- und Nanoebene. Ultraschallwellen hoher Intensität erzeugen starke sonomechanische Scherkräfte und akustische Kavitation, die das Öl und den Gelator in der wässrigen Phase in gleichmäßig große Tröpfchen zerteilen. Dadurch entsteht eine stabilere und homogenere Emulsion, was für die Bildung von Oleogelen mit der gewünschten Textur und den gewünschten strukturellen Eigenschaften wichtig ist. Darüber hinaus kann die lokale Erwärmung durch die Beschallung die Auflösung und Wechselwirkung der Gelatoren innerhalb der Ölphase fördern und so den Gelierungsprozess verbessern. Folglich erleichtert die Ultraschallemulgierung die Herstellung von Oleogelen mit überlegener Stabilität, Konsistenz und Leistungsfähigkeit in verschiedenen Anwendungen, darunter Lebensmittel, Pharmazeutika und Kosmetik.

Ultraschallhomogenisierung von Wasser-in-Oleogel-in-Wasser-Emulsionen

Wasser-in-Oleogel-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W) bieten außergewöhnliche Funktionalitäten, die sie ideal für Lebensmittelanwendungen machen. Beispielsweise haben sich Wasser-in-Oleogel-in-Wasser-Emulsionen als hervorragende Träger zur Abgabe von Probiotika und zum Schutz von Lebensmittelaromen erwiesen. Die Ultraschallemulgierung verbindet wässrige und ölige Phasen effizient zu Doppelemulsionen, d. h. W/O/W-Emulsionen. Die Einlagerung wässriger Tröpfchen in die Öltröpfchen fetthaltiger Produkte verringert deren Fettgehalt. Die Gelierung der Ölphase in W/O/W-Emulsionen verleiht strukturelle Integrität und vermindert destabilisierende Vorgänge wie die Koaleszenz von Wassertröpfchen innerhalb der Ölphase.
Die Beschallung kann die Formulierung von Wasser-in-Oleogel-in-Wasser-Emulsionen (W/O/W) unterstützen, indem sie die Dispergierung und Homogenisierung der Emulsionskomponenten erleichtert. Eine niederfrequente Beschallung hoher Intensität bei Frequenzen von ca. 20–26kHz kann größere Tröpfchen in kleinere, gleichmäßigere Tröpfchen zerteilen und so die Bildung stabiler Emulsionen fördern. Darüber hinaus kann die Beschallung die Einlagerung wässriger Tröpfchen in die Ölphase fördern und die Dispergierung des Oleogelators innerhalb der Ölphase verbessern, was zu einer effizienteren Gelierung und einer höheren Stabilität der Emulsion führt. Außerdem kann die Beschallung dazu beitragen, die Größenverteilung der Emulsionströpfchen zu kontrollieren. Dadurch entstehen Emulsionen mit gewünschten Eigenschaften wie einer verbesserten Textur, einem verbesserten Mundgefühl und verbesserten sensorischen Merkmalen.

Schematische Darstellung verschiedener Arten oleogelbasierter Emulsionssysteme.
Studie und Abbildung: ©Pinto et al., 2021

Wissenschaftlich nachgewiesen: Die Wirksamkeit der Ultraschalldispergierung von Oleogelen

Noonim et al. (2022) untersuchten den Einfluss der Beschallung mit dem Ultraschallgerät UP200St von Hielscher auf die physikalischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften sowie die Lagerstabilität von Oleogelen auf Palmölbasis, die mit unterschiedlichen Konzentrationen an Carnaubawachs (5% oder 10%) hergestellt wurden, und verglichen sie mit Oleogelen, die mit einem Homogenisator hergestellt wurden (2000 rpm für 10 min). Die Beschallung ermöglichte die Herstellung von Oleogelen mit höherer Carnaubawachskonzentration (10%) und verbesserte die Eigenschaften und Stabilität des Oleogels auf Palmölbasis wirksam (p < 0,05).

Oleogel für Lebensmittelanwendungen

Protokoll zur Herstellung eines Oleogels für eine vegane Mayonnaise
 
Vegane Kochcreme auf Oleogelbasis
(vgl. Szymanska et al., 2024)
 
Zutaten:

• Rapsöl
• Palmöl
• Leinöl
• Candelillawachs
• Sojadrink

Die Oleogele (100 g) wurden wie folgt hergestellt: Zunächst wurden 3–7% Candelillawachs (w/w) in einer Mischung aus raffiniertem Rapsöl und raffiniertem Leinöl (1:1 w/w) dispergiert, indem die Mischung für 10 min bei 80 ± 1 °C in einem Wasserbad erhitzt und anschließend für 10 s (26 kHz, 72 W, 100% Puls, 100% Amplitude) mit dem Ultraschallhomogenisator UP200St (Hielscher Ultrasonics), ausgestattet mit der Titansonotrode S26d7, beschallt wurde. Die klare, homogene Mischung wurde für 24 h bei 20 ± 1 °C in einem Thermostatschrank unter statischen Bedingungen abgekühlt, bis sich die geeignete Struktur gebildet hatte. Die Herstellung der Oleogele erfolgte in drei Wiederholungen.
Wenn Sie sich für die Ultraschallemulgierung von Mayonnaise interessieren, finden Sie hier ein Rezept, ein Video und ausführliche Informationen!

Herstellung cremeartiger Emulsionen mit dem durch Ultraschall hergestellten Oleogel

Cremeartige O/W-Emulsionen (30/70 w/w) mit einer Masse von 100 g wurden nach dem Verfahren aus unseren Voruntersuchungen [38] mit geringfügigen Änderungen hergestellt. Sowohl eine wässrige Phase (Sojadrink mit einem Proteingehalt von 2,6% w/w) als auch eine Lipidphase (Palmöl oder Oleogel) wurden auf 55 °C vorgewärmt und unmittelbar mit dem Ultraschallhomogenisator UP200St (Hielscher Ultrasonics) bei einer Frequenz von 26 kHz homogenisiert. Folgende Parameter wurden verwendet: 100% Puls, 80% Amplitude, 15 mm Eintauchtiefe der Sonotrode im mittleren Bereich des Becherglases (Fassungsvermögen: 200 mL). Die Homogenisierungszeit von 2,5 min (τ) wurde anhand der Ergebnisse technologischer Versuche und Vorversuche unter Berücksichtigung der steigenden Probentemperatur bestimmt (für τ = 2,5 min: Energiedichte: 69,1 ± 0,4 J∙g–1, max. Temperatur: 61,0 ± 0,3 °C). Der wässrigen Phase wurden 0,15% (w/w) Natriumbenzoat als antibakterielles Mittel zugesetzt.

Die am häufigsten verwendeten Oleogelatoren für lebensmitteltaugliche Oleogele.
Schema: ©Perta-Crisan et al., 2023.