Was Seife und Mayonnaise gemeinsam haben: Tenside

Tenside sind spannend. Zum einen, weil sie für die fettlösende Eigenschaft von Seife verantwortlich sind — und zum anderen, da sie als sogenannte Emulgatoren unsere Küchenvielfalt bereichern.

In diesem Artikel mag ich euch zuerst anhand des Geschirrspülens erklären, was diese Tenside denn sind und wie sie funktionieren — und anschließend ein wenig darüber schreiben, wie sie als Emulgatoren für Mayonnaise, Schokolade und co eingesetzt werden.

Die Unterschiedlichkeit von Schmutz

Speisereste können in ganz unterschiedlicher Art und Weise am Teller haften: Eine Zuckermase wie Marmelade klebt am Teller, feucht gewordene Brotkrumen trocknen am Teller fest, Fett bildet einen Schmierfilm, …

Beim Putzen des Tellers spielt es jetzt eine große Rolle, was da eigentlich dranklebt: Zucker löst sich von ganz alleine in Wasser. Die Brotkrumen werden durch das Spülwasser wieder feucht und können dann mechanisch von unserem Putzschwamm abgerieben werden. Und der Fettfilm?

Olivenöl in Wasser

Olivenöl in Wasser

Nun, der macht etwas mehr Ärger. Fett ist nämlich in Wasser nicht löslich. Und so bleibt es trotz Wasser einfach am Teller, geht bei Reibung in Teilen auf unseren Spülschwamm über und verteilt sich von dort dann weiter auf alles, was wir sonst noch so säubern wollten. Prima!

Wenn wir unser Geschirr spülen wollen, müssen wir irgendwie bewerkstelligen, dass sich das daran haftende Fett im Wasser lösen kann. Und dafür gibt es Tenside (: Um deren Funktionsweise zu verstehen, schauen wir uns erstmal an, warum Wasser und Fett sich eigentlich nicht ineinander lösen.

Elektronegativität und Polarität

Die einzelnen Atome eines Moleküls sind durch eine Elektronenpaarbindung miteinander verbunden: Sie teilen sich ein negativ geladenes Elektron und gelangen dadurch beide in einen stabilen Zustand und hängen aneinander. Verschiedene Atome sind allerdings unterschiedlich „stark“. So passiert es, dass das eine Atom das gemeinsame Elektron stärker zu sich zieht als das andere. Man nennt diese Stärke auch Elektronegativität.

Durch die Elektronegativität erhält das Molekül lokale elektrische Ladungen: Die „starke“ Seite (auch: Pol) hat mehr vom negativ geladenen Elektron und deshalb eine negative Teilladung. Dem „schwachen“ Pol fehlt an Negativität des Elektrons — er hat deshalb eine positive Teilladung. Ein Molekül, das aufgrund der Elektronegativität lokale Ladungen besitzt, bezeichnet man als polar oder als Dipol.

Dass zwei unterschiedliche Atome einer Doppelbindung unterschiedlich stark am gemeinsamen Elektron ziehen und eine Polarität entstehen lassen, ist immer der Fall. Der Kraftunterschied der beiden Atome kann allerdings so gering sein, dass die entstandene Ladung nicht der Rede wert ist. Man bezeichnet ein Molekül dann als unpolar.

Polarisiertes Wassermolekül

Polarisiertes Wassermolekül

Wasser ist ein typischer polarer Stoff: Das Sauerstoffatom (O) zieht jeweils stärker an den gemeinsamen Elektronen als die Wasserstoffatome (H).

Der Kräfteunterschied zwischen einem Kohlenstoff (C) und einem Wasserstoffatom (H) ist hingegen relativ gering. Kohlenstoffketten á la CH3-CH2-CH2-CH3 sind deshalb unpolar. Fettmoleküle bestehen im wesentlichen aus langen Kohlenstoffketten, sind also ebenfalls unpolar.

 

Gleiches löst sich in Gleichem

Die Polarität eines Stoffes ist nun ausschlaggebend für dessen Löslichkeit. Polare Stoffe vermischen sich wunderbar miteinander, da sich die positiv gelagerten Enden des einen Moleküls wunderbar an die negativ geladenen Enden des anderen lagern.

Auch unpolare Moleküle vermischen sich untereinander. Zwischen ihnen wirken sogenannte Van-der-Waals-Kräfte: Die Elektronen auf der Atomhülle sind in ständiger Bewegung. Da ein Elektron an einer bestimmten Stelle auf der Atomhülle zu unterschiedlichen Zeitpunkten mehr oder weniger präsent ist, entstehen kleinste temporäre Ladungen: Negativ, wenn das Elektron sich genau auf dieser Stelle befindet — und umso positiver, je weiter es weg ist.

Wenn eine Stelle des Atoms nun negativ geladen ist und an ein neutral geladenes Nachbarmolekül grenzt, entsteht dort ein Konflikt: Die Elektronen des neutral geladenen Nachbarmoleküls werden beiseite gestoßen und es entsteht eine leicht positive lokale Ladung. Der Gesamtzustand ist dadurch wieder ausgeglichen. Es entsteht eine Bindung zwischen den beiden Molekülen — aus Elektronen, die in Bewegung bleiben, ihren Zyklus aber aufeinander abstimmen.

Einzelne Van-der-Waals-Bindungen sind sehr schwach und können leicht wieder aufgelöst werden. Je länger die beiden benachbarten Moleküle sind, desto mehr Van-der-Waals-Bindungen können sie miteinander eingehen. Die Gesamtbindungskraft ist deshalb sehr von der Molekülgröße abhängig.

Polares verbindet (löst) sich also in Polarem und Unpolares löst sich in Unpolarem. Aber Polares mit Unpolarem?

Nun, die beiden Bindungsarten sind schlichtweg zu unterschiedlich. Die statische Bindung zwischen einem polarisierten Wassermolekül kann wenig mit einer Anbiederung einer schwachen, temporären Ladungsverschiebung eines unpolaren Fettmoleküls anfangen. Die Stoffe drängen sich an ihresgleichen und versuchen, die geteilte Grenzfläche zu minimieren.

…uuund Action: Tenside

Wir verstehen jetzt, warum sich Wasser und Fett nicht ineinander lösen. Damit ist es auch nicht mehr schwer, die Wirkungsweise von Tensiden zu verstehen. Tenside sind Moleküle, die sowohl ein polares als auch einen unpolares Ende besitzen. Sie bilden damit gewissermaßen eine Brücke zwischen den beiden Stoffgruppen.

Tenside beim Putzen

Tenside beim Putzen

Auf dem Bild sehen wir Tenside in Wasch-Aktion: Die stabartigen, unpolaren Kohlenstoffketten lagern sich an ein Fettmolekül und der rundliche, polare Kopf zeigt zum Wasser. So wird die ins Wasser zeigende Seite des Fettmoleküls von Tensiden umzingelt, bis dieses keinen Kontakt mehr zu Wassermolekülen besitzt.

Dann kommt unser Schwamm. Mit ihm drücken wir das Fett vom Teller ab. Es tritt Unruhe ein, weil sich das Wasser und der untere Teil des Fetts nun berühren. Schnell lagern sich weitere Tenside an die freigewordene Stelle an. Das Fettmolekül wird umzingelt — es entsteht eine Kugel, die glücklich im Wasser umherschwirren und abfließen kann. Das Fett ist im Wasser gelöst.

Schaumischaum

Spülmittelschaum

Schaumi

So ist das also mit dem Geschirrspülen. Die Tenside sind aber nicht nur Ursache für die Waschwirkung unseres Spülmittels, sondern ebenfalls verantwortlich für den schönen Schaum im Spülbecken. Auch dies ist jetzt nicht mehr schwer zu verstehen.

An der Wasseroberfläche sind die unpolare Luft und das polare Wasser in Kontakt. Die ersten Tenside, die in das Wasser gelangen, wandern deshalb prinzipiell an die Wasseroberfläche — als Brücke zwischen Luft und Wasser.

Wenn nun Luftbläschen unter die Wasseroberfläche geraten — etwa durch unsere Bewegungen oder durch den Druck unseres Wasserhahns — werden diese sofort, wie auch das Fett, von Tensiden umlagert. Unter der Wasseroberfläche bilden sich also auch hier Kugeln aus Luft und Tensiden, umgeben von Wasser.

Treibt die Luft jetzt aber aufgrund ihrer geringen Dichte wieder nach oben, aus dem Wasser, so müssen die an der Kugel angelagerten Wassermoleküle an der Wasseroberfläche vorbei. Dort wird nun wiederrum das Wasser von Tensiden umzingelt. Der gesamte Ball besitzt dann wieder ein der Luft entsprechendes unpolares Äußeres. Et vóila, ein kleines Luftbläschen umgeben von einer winzigen Schicht Seife und Wasser: eine Seifenblase!

Emulgatoren

Den Begriff Emulgator kennen wir aus Zutatenlisten. Hinter ihm steckt nicht mehr als ein Begriff für Tenside, die in Lebensmitteln verwendet werden.

Und dort haben sie dieselben Aufgaben: Sie sorgen dafür, dass sich unpolare Stoffe und polare Stoffe wohler miteinander fühlen.. Damit verfeinern (verfälschen?) sie eine Vielzahl an Produkten wie Schokolade, Brot, Saucen oder Eis. Die Effekte, die Emulgatoren in unterschiedlichen Produkten erzielen können, sind dabei zahlreich. Oft sorgen sie mit ihrer Brückenfunktion für die Homogenisierung einer Masse, für Cremigkeit.

Prinzipiell kann man jede Flüssigkeit, die Fett enthält, als Emulsion betrachten (Sojamilch, Cuisine). Manche Produkte entstehen gar erst durch eine Emulsion: Mayonnaise beispielsweise ist eine Emulsion von Öl in Flüssigkeit. Margarine ist ebenfalls nichts anderes eine Emulsion von Wasser in Fett.

Es gibt eine Vielzahl an Emulgatoren. Die berühmtesten darunter sind wohl Mono- und Diglyceride von Speisefettsäuren (bekannt als potentiell unveganer Zusatzstoff, da möglicherweise aus Tierfett gewonnen) und Lecithine.

Die Lecithine sind eine eigene Stoffgruppe. Eigelb enthält viele Lecithine — wohl nicht zuletzt deshalb gibt es unzählige Saucen, Gebäcke und andere Speisen, die Eier als Basis verwenden.

Aber auch Soja enthält Lecithine. Und deshalb klappt Mayonnaise eben wunderbar aus Sojamilch (aber nicht aus Hafermilch) und deshalb kennen wir Sojamehl oder Sojajoghurt als Ei-Ersatz (: Wohlgemerkt ist aber davon auszugehen, dass die Zusammensetzung der verschiedenen Lecithine von Soja und Eigelb durchaus unterschiedlich ist und man deshalb nicht jede Ei-Emulsion Eins-zu-Eins mit Sojalecithin erhalten kann.

Update 23.09.15: Bei den Recherchen zu meinem kommenden Artikel über Mayonnaise habe ich festgestellt, dass vor allem auch Proteine mit ihrer komplexen, vielgeschichtigen Gestalt sowohl polare als auch unpolare Teile besitzen und deshalb ebenfalls als Emulgatoren fungieren. Womöglich spielen sie sogar eine wichtigere Rolle für das Entstehen von Emulsionen als die Lecithine. Da die Sojabohne ebenfalls reich an Proteinen ist, bleibt der Grund für ihre Verwendbarkeit allerdings der Gleiche.

Sodele (: Soviel für jetzt. Meine selbstgemachte Mayonnaise ist übrigens ziemlich grundsolide, gelingt immer, ist toll, wurde von mir noch nie hinterfragt. Da scheint es mir jetzt ein guter Zeitpunkt zu sein, diesen Monat eine Testreihe anzustellen, wie sich die Mayonnaise unterscheidet, wenn man einzelne Faktoren bei ihrer Herstellung verändert (: Ich werde berichten — und dabei hoffentlich noch mehr über Emulsionen in der Küche erzählen.

 

Verwendete Quellen:

On Food and Cooking. The science and lore of the kitchen. Von Harold McGee. New York, 2004.
hamm-chemie.de – Chemische Bindungsarten
chemieunterricht.de – Alkohol löst nicht nur Probleme…
wikipedia.de – Van-der-Waals-Kräfte
lte.lu – Van-der-Waals-Kräfte und Stoffeigenschaften
seilnacht.com – Das Phänomen der Oberflächenspannung und die Eigenschaft von Tensiden
uni-due.de – Schaumbildung
zusatzstoffmuseum.de – Lexikon der Zusatzstoffe: Emulgatoren
wikipedia.de – Lecithine

 

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