In der Molekularküche werden Cremes hergestellt. Dabei handelt es sich um Gemische aus fein ineinander verteilten wässrigen und ölhaltigen Komponenten. Die Größe der Öltröpfchen beeinflusst dabei sowohl die Konsistenz als auch den Geschmack einer Creme. Als besonders angenehm werden kleine, fein verteilte Tröpfchen empfunden. Emulgatoren wie Saccharosestearat (Abb. 1) werden zugesetzt, um eine Entmischung zu verhindern.

Begründe anhand der Strukturformel und unter Verwendung beschrifteter Skizzen die emulgierende Wirkung von Saccharosestearat.

In einer Versuchsreihe wurden drei verschiedene Gemische aus Wasser, Orangenöl und Saccharosestearat unter kräftigem Rühren hergestellt (Tab. 1):

Tab. 1: Zusammensetzung der Gemische der Versuchsreihe

nach: Ariyaprakai, Suwimon; Hu, Xuanyi; Tran, Minh Thú (2018). Spontaneous Formation of Flavor, Oil Emulsions by Using Sucrose Esters and Emulsion Stability Study. Food Biophysics. 3 - 7.

Anschließend wurde jeweils der Anteil verschiedener großer Öltröpfchen am Gesamtvolumen des Orangenöls bestimmt: Beschreibe die Versuchsergebnisse und formuliere eine Hypothese zur Abhängigkeit der Öltröpfchengröße vom Saccharosestearat-Anteil.

Man erhofft sich in der Molekularküche von Maltosestearat (Abb. 3) zusätzliche Einsatzmöglichkeiten im Vergleich zu denen von Saccharosestearat.

Plane und beschreibe einen Versuch zur Unterscheidung der beiden Emulgatoren.

Ausgewählte Eigenschaften der beiden Emulgatoren sind in Abbildung 4 angegeben. Beurteile mithilfe von Abbildung 4 den Einsatz der beiden Emulgatoren zur Herstellung von warmen Cremes sowie von Schäumen in der Molekularküche.

Riboflavin wird zum Färben von Gerichten eingesetzt. Das Absorptionsspektrum dieses Farbstoffs ist in Abbildung 5 dargestellt. Mit Riboflavin gefärbte Gerichte können auch zum Leuchten gebracht werden. Bei Anregung mit UV-Licht der Wellenlänge 349 nm emittiert Riboflavin Licht einer bestimmten Farbe (Abb. 6).

Tab. 2: Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Farbe und Komplementärfarbe des Lichts

Leite mithilfe von Abbildung 5 und Tabelle 2 die Farbe von Riboflavin ab. Ermittle sie mithilfe von Abbildung 6 und Tabelle 2 die Farbe, in der Riboflavin unter UV-Licht leuchtet.

Gib man zu einer Riboflavin-Lösung Natriumdithionit wird die Lösung farblos. Dithionit-Ionen reagieren dabei zu Schwefeldioxid-Ionen, Riboflavin-Moleküle von der Chinon-Form in die Hydrochinon-Form (Abb. 7). Bei längerem Stehenlassen an der Luft färbt sich die Lösung wieder.

Formuliere die Teilgleichungen für die Reaktion von Riboflavin-Molekülen mit Dithionit-Ionen in saurer Lösung. Nicht benötigte Molekülteile können mit R abgekürzt werden.

Stelle eine Hypothese zum Wiederauftreten der Farbigkeit bei längerem Stehenlassen an der Luft auf.

Begründung der emulgierenden Wirkung von Saccharosestearat Saccharosestearat wirkt als Emulgator, da es amphiphile Eigenschaften besitzt. Der hydrophile Teil besteht aus der Saccharose-Einheit, die durch zahlreiche Hydroxygruppen stark polar ist und Wasserstoffbrückenbindungen mit Wasser eingehen kann. Der hydrophobe Teil besteht aus der Stearatkette, einer langen, unpolaren Alkylkette, die hydrophobe Wechselwirkungen mit Öl eingeht. In einer Emulsion ordnet sich Saccharosestearat so an, dass der hydrophile Teil ins Wasser und der hydrophobe Teil ins Öl zeigt: Diese Struktur reduziert die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Phasen und verhindert die Entmischung. Die entstehende Stabilität ermöglicht die feine Verteilung der Öltröpfchen.

Beschreibung der Versuchsergebnisse Die Versuchsergebnisse zeigen, dass der Anteil kleiner Öltröpfchen mit steigendem Saccharosestearat-Anteil signifikant zunimmt.

• Ansatz A (niedriger Saccharosestearat-Anteil): Die Öltröpfchen sind groß und ungleichmäßig verteilt. Die Emulsion erscheint instabil, mit sichtbarer Entmischung nach kurzer Zeit.
• Ansatz B (mittlerer Saccharosestearat-Anteil): Die Öltröpfchen sind kleiner und gleichmäßiger verteilt als in Ansatz A. Die Emulsion zeigt eine deutlich höhere Stabilität.
• Ansatz C (hoher Saccharosestearat-Anteil): Die Öltröpfchen sind sehr fein und gleichmäßig verteilt. Die Emulsion ist stabil, ohne sichtbare Entmischung, auch nach längerer Zeit.

Hypothese zur Abhängigkeit der Öltröpfchengröße vom Saccharosestearat-Anteil Der Saccharosestearat-Anteil beeinflusst die Größe der Öltröpfchen, da mit steigendem Anteil mehr Emulgatormoleküle zur Stabilisierung der Grenzfläche zwischen Öl und Wasser vorhanden sind. Dies führt zu einer feineren Verteilung der Öltröpfchen und einer stabileren Emulsion.

Versuch zur Unterscheidung von Saccharosestearat und Maltosestearat Ein geeigneter Versuch zur Unterscheidung der beiden Emulgatoren ist die Herstellung und Untersuchung der Stabilität von Emulsionen mit beiden Substanzen. Dafür werden zunächst jeweils Wasser mit Speiseöl gemischt. In eine Emulsion wird Saccharosestearat und in die andere Maltosestearat gegeben.
Beide Mischungen werden anschließend in einem Becherglas mit einem Magnetrührer oder einem Stabmixer homogenisiert.
Die Stabilität der Emulsionen wird über einen Zeitraum von 24 Stunden beobachtet. Insbesondere wird geprüft, ob sich Öl und Wasser trennen (Entmischung) oder ob die Emulsion stabil bleibt. Auswertung: Eine stabilere Emulsion deutet auf einen effektiveren Emulgator hin.

Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten von Saccharosestearat und Maltosestearat In der Abbildung bleibt bei Emulsionen mit Saccharosestearat eine größere Menge des Öl-Wasser-Gemischs stabil. Dies zeigt, dass Saccharosestearat besser für die Herstellung stabiler Emulsionen geeignet ist, insbesondere für Anwendungen, die eine hohe Temperaturstabilität erfordern, wie bei warmen Cremes. Bei Schäumen zeigt die Abbildung, dass mit Maltosestearat hergestellte Schäume ein größeres Volumen beibehalten. Dies deutet darauf hin, dass Maltosestearat besser für die Herstellung stabiler Schäume geeignet ist, da es die Oberflächenspannung stärker reduziert.

Farbe von Riboflavin und Farbe des emittierten Lichts unter UV-Licht Riboflavin absorbiert Licht im Bereich von was der Farbe Blau entspricht. Nach Tabelle 2 wird dadurch die Komplementärfarbe, Gelb, sichtbar. Riboflavin erscheint somit gelb.
Unter UV-Licht emittiert Riboflavin Licht im Bereich von was der Farbe Grün entspricht. Da man bei Riboflavin unter UV-Licht die tatsächliche Wellenlänge des emittierten Lichts sieht und nicht die Komplementärfarbe, leuchtet es grün.

Teilgleichungen für die Reaktion von Riboflavin mit Dithionit-Ionen

Hypothese zum Wiederauftreten der Farbigkeit Beim Stehenlassen an der Luft oxidiert Riboflavin in der Hydrochinon-Form wieder zurück in die Chinon-Form da Sauerstoff aus der Luft als Oxidationsmittel wirkt. Dadurch kehrt die gelbe Farbe zurück.