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Fett- und Wasserphasen-Rechner
Berechnen Sie Ihre Rezepte und erhalten Sie Hinweise zur geeigneten Emulgator-Menge
Tabelle: Emulgatoren im Überblick
Hier sehen Sie alle Eigenschaften und Verarbeitungshinweise unserer Zucker-Emulgatoren auf Glucose-, Sorbit- und Saccharose-Basis auf einem Blick.

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Emulgatormengen berechnen

Bei der Entwicklung eigener Rezepturen spielen viele Faktoren hinein, die einen wesentlichen Einfluss auf Stabilität, Auftragsverhalten und Konsistenz einer Emulsion haben. Im Beitrag »Emulsionen optimieren« haben wir uns diesen Aspekten näher gewidmet. Im Folgenden möchte ich mich auf die Einsatz-Konzentration von Emulgatoren konzentrieren und Ihnen einige Orientierungspunkte anbieten, die Sie bei Ihren Rezepten berücksichtigen können. Auch wenn wir nicht absolut vergleichbare Bedingungen vorfinden wie die Industrie, gibt es übergeordnete Prinzipien, die sich erlernen und an unsere Bedingungen anpassen lassen.

Emulsionen stabilisieren

Sie erinnern sich: Wenn wir Öle, Wasser und Emulgatoren emulgieren, »zerspringt« die innere Phase (in W/O-Emulsionen sind es Wasser-, in O/W-Emulsionen Ölpartikel) zu kleinen Tröpfchen, und der Emulgator bildet einen dünnen Film um die einzelnen Partikel und hält sie auf Abstand, entweder durch einen elastischen Film oder durch gleiche elektrische Aufladung der Teilchen, die sich gegenseitig abstoßen. Sobald der Emulgator alle Tröpfchen umschlossen hat, organisiert er sich mit den Koemulgatoren zu flüssig-kristallinen Gelstrukturen, die Wasser binden.
Wie dem auch sei: Wir benötigen demnach mindestens soviel Emulgator, dass er alle Tröpfchen dicht und elastisch umschließen kann. Wenn wir uns das bildlich vorstellen, heißt das: je mehr innere Phase vorliegt und je kleiner die Tröpfchen sind, desto mehr Emulgator benötigen wir, da die gesamte Grenzfläche der inneren Phase mit der Anzahl der Tröpfchen steigt.

Eine logische Regel muss her!

Wenn wir Anhaltspunkte finden wollen, woran wir uns bei der Dosierung des Emulgators orientieren können, ergibt sich aus dem vorher Gesagten für Öl-in-Wasser-Emulsionen die grundsätzliche Regel, dass der Anteil der inneren Phase die Emulgatormenge wesentlich bestimmt. In O/W-Emulsionen bedeutet dies prinzipiell:

  • Regel 1: Je höher der Anteil der Fettphase, desto höher ist der absolute Emulgator-Anteil.

Ein Forenmitglied (»Usoltau«) gab Januar 2007 im Beautykosmos einen interessanten Hinweis: manche amerikanische Firmen dosieren Emulgatoren (damit meine ich alle emulgierenden und koemulgierenden Komponenten) in einer O/W-Emulsion offenbar grundsätzlich mit ca. 20 % auf die Lipidphase gerechnet. Ich rechnete damals meine Rezepturen nach: Die 20 % deckten sich tatsächlich mit meiner damaligen 4–6 %-Regel bei meinen üblichen Formulierungen mit 20- bis 30%iger Fettphase (wozu ich auch den Emulgator zähle). Ich testete in den Wochen darauf intensiv (mit einem Handgerät rührend) und stellte fest, dass bei höheren Fettphasen auch geringere relative Emulgator-Konzentrationen stabile Emulsionen erzeugen. Der Grund ist: Höhere Fettphasenanteile bedingen bei O/W-Emulsionen eine größere »Dichte« der inneren Phase und damit einen Viskositäts-Anstieg, der die Beweglichkeit der Tröpfchen per se reduziert; daher sind mit steigender Fettphase geringere relative Anteile der Fettphase ausreichend (nach meinen Tests bis 13 % und weniger bei ca. 50 % Fettphase). Ausgehend von dieser Beobachtung entwickelte ich ein neues Konzept zur Berechnung des Emulgatoranteils und eine Formel, die seitdem im Fett- und Wasserphasen-Rechner arbeitet.

  • Regel 2: Je höher der Anteil der Fettphase, desto geringer ist der relative Emulgator-Anteil.

Mit beiden Regeln im Hinterkopf haben wir eine solide Orientierung.

Hinter diesem gedanklichen Ansatz steckt ein weiterer – die Trennung zweier Funktionen, die ein Emulgator in einer Emulsion erfüllen kann:

  1. die des reinen Emulgators, der die Trennung von Fett- und Wasserphase verhindert,
  2. die des Konsistenzgebers, der aus einer Lotion eine feste Creme macht.

Viele Rezepturen auf privaten Internetseiten nutzen Emulgatoren, um die Konsistenz einer Emulsion zu kontrollieren; noch 2007 stieß ich auf Rezepturen mit 7–10 % Emulgator bei 25 % Fettphase (!). Mein Konzept trennt beide Funktionen und eröffnet die Möglichkeit, hautphysiologische Formulierungen mit einem Minimalgehalt an Emulgatoren und geringerer Konsistenz zu entwickeln oder – wenn gewünscht – mit einem höheren Anteil an Fettalkoholen und Wachsen – viskosere Cremes zu konzipieren, die jedoch geringer mit der Hautbarriereschicht interagieren als es höherdosierte Emulgatoren tun.

Faktor »Herstellungsverfahren«

Emulsionen werden mit Glasstab gerührt oder im Marmeladenglas geschüttelt (so wie zu Zeiten der Hobbythek), mit dem Knethaken des Handrührgeräts dispergiert, in der Fantaschale gemörsert oder mit Milchschäumer moussiert – Selbstrührer haben ihre individuellen und bevorzugten Methoden. Alle erzeugen Emulsionen; physikalisch gesehen bestehen jedoch große Unterschiede in den so erzeugten Emulsionsstrukturen und damit in Stabilität, Auftragsverhalten und Hautgefühl  – die Unterschiede betreffen letztendlich die gesamte Formulierung. An sich muss man, bevor man eine Emulgatorkonzentration in den Blick nimmt, fragen: »Mit welchem Verfahren wird die Emulsion hergestellt?«
2007 veröffentlichte ich im Beautykosmos (damals war ich dort noch als »Janna« aktiv; heute heiße ich dort auch »Heike«) das erste Mal meine aus fachlichen Recherchen rührende Erkenntnis, dass hohe Scherkräfte (also das Emulgieren mit hochtourigen Rührgeräten) zu kleineren Partikeln und in Folge zu stabileren Emulsionen führt.
2008/2009 begannen mehrere Mitglieder der Rührküche gezielt mit hochtourigen Rührgeräten zu experimentieren: neben in Bohrmaschinen eingespannten Flügelrührern (aus dem Unguator®-System) wurden Stabmixer wie der Braun Multiquick und der ESGE Zauberstab eingesetzt. Die Ergebnisse waren erstaunlich: mit hohen Scherraten und hohem Energieeintrag bei der Dispergierung von Emulsionen konnte der Emulgatoranteil überraschend »gedrückt« werden, teilweise auf mehr als 50 % der vorher benötigten Menge, die die Hobbythek propagiert hat. Damit ändern sich auch Hautgefühl, Stabilität und Auftragsverhalten der Emulsionen; sie verlieren ihre Wachsigkeit, lassen sich geschmeidiger auftragen und zeigen ein ganz anderes, angenehmes, leichtes Hautgefühl.
Die Gründe sind physikalischer Natur: die hohen Scherraten (2000–3000 rpm bei dem Flügelrührer, über 11.000 rpm bei den Stabmixern) bewirken eine schnelle und intensive Dispergierung der inneren Phase und in Folge kleinere Partikel, deren Grenzflächen rasch vom Emulgator belegt werden. Kleinere Partikel sind per se thermostabiler und verlängern den Zeitraum bis zur Koaleszenz der inneren Phase, so dass – trotz des an sich erhöhten Emulgatorbedarfs durch die wachsenden Grenzflächen vieler kleiner Tröpfchen –  absolut geringere Anteile notwendig sind als bei herkömmlich mit Handrührer oder gar Glasstab gerührten Emulsionen mit ihren großen, inhomogenen Partikeln, die gezielt mit höheren Anteilen an Emulgatoren immobilisiert werden, damit sie nicht koaliszieren. Diese Stabilität erkauften wir jedoch in den letzten Jahren mit wachsigen, »schwitzigen« Cremes, die wie ein Film auf der Haut liegen und sich mitunter stumpf und tendenziell »trocken« anfühlen. Lesen Sie in Selbstrührer-Foren und nehmen Sie die Aussagen über Emulgatoren bewusst wahr: Emulgator X ist schwitzig, Emulgator Y klebt, Emulgator Z macht Pickel. Ich sage: Formulierung und Herstellungsmethode sind nicht optimal.
Für mich hat sich mit hochtourigen Herstellungsverfahren eine neue Dimension in der Herstellung meiner Kosmetik eröffnet. Es hat immer, auch schon vor 2, 3 Jahren, vereinzelt RührerInnen gegeben, die mit Stabmixer arbeiteten, aber niemals wurde dieses Verfahren bisher als solches thematisiert und emulsionstechnologisch in seiner Wirkungsweise herausgearbeitet – vor allem (leider) nicht kommuniziert. Wie so oft liegt das Innovative nicht in der Methode oder dem Rohstoff selbst, sondern darin, dass Einzelne ihre Erfahrungen teilen und sie damit einer breiten Öffentlichkeit verständlich und zugänglich machen. Hochtourige Rührmethoden ermöglichen niedrigdosierten Emulgatorzusatz und damit verträgliche und hautphysiologisch orientierte Natur-Kosmetik, bei der nichts mehr an die wachsigen und schweren Cremes früherer Selbstrührer-Phasen erinnert. Danke an alle in der Rührküche, die mich inspiriert und begeistert haben!

Faktor »Viskositätserhöhung der äußeren Phase«

Weitere bestimmende Faktoren für die Berechnung der emulgierenden Ingedienzen sind die Auswahl der Öle und Fette und der Zusatz viskositätserhöhender und koemulgierender Komponenten. Folgende Grafik visualisiert die wesentlichen Faktoren:

Beeinflussende Faktoren auf die Emulgator-Einsatzkonzentration
Abbildung 3: Beeinflussende Faktoren auf die Emulgatorkonzentration: Koemulgierende und viskositätserhöhende Ingredienzien ermöglichen eine geringere Dosierung des Basisemulgators. Ein weiterer Faktor ist die Höhe der Fettphase: bei niedrigem Fettphasenanteil sind relativ mehr Emulgator plus Koemulgatoren notwendig (ca. 20 % Anteil an der Fettphase) als bei hohen (dort reichen ca. 13 %). Absolut steigt natürlich der Anteil der emulgierenden Komponenten. (© H. Käser)

Ausgehend von der durch den Hersteller empfohlenen und von uns errechneten Einsatzkonzentration des gewählten Emulgators wirken oben aufgeführte Ingredienzien koemulgierend und/oder viskositätserhöhend. Dies bedeutet: Sie können den Basis-Emulgator geringfügig geringer dosieren –  Sie müssen es allerdings nicht zwingend. Ihre Emulsion wird mit diesen Substanzen fester als mit anderen Ölen oder ohne bzw. mit geringen Konsistenzgeber-Anteilen, das kann durchaus gewünscht sein: es ist absolut sinnvoll, die gewünschte Konsistenz einer Emulsion über einen Zusatz an Konsistenzgebern und Gelbildnern »einzustellen« und nicht über eine Höherdosierung des Emulgators. Einen genauen Anhaltspunkt für eine geringere Dosierung kann ich leider nicht geben, da es sich primär um Naturprodukte handelt (gerade bei den Ölen gibt es große Schwankungen und Unterschiede, je nach Charge oder ob sie raffiniert oder unraffiniert verwendet werden). In letzter Instanz werden Sie mit zunehmender Rühr-Erfahrung Rezepte ausprobieren, verändern, optimieren und wissen, welche Kombination zu Ihrer ganz persönlichen Traum-Creme führt – mit einem Minimum an Emulgator.

Der Fett- und Wasserphasen-Rechner

Der Fett- und Wasserphasen-Rechner arbeitet seit Ende Mai 2007 intern mit der speziellen, von mir entwickelten Formel, die die Dosierung der Emulgatoren proportional und stufenlos an der Höhe der Fettphase orientiert, und zwar zwischen 13 und 20 % Einsatzkonzentration bei Fettphasenhöhen zwischen 15 und 45 %. So steigt absolut die Menge der Emulgatoren mit dem Fettphasenanteil; relativ gesehen benötigen Sie jedoch bei höheren Fettphasen weniger Emulgatoren als bei niedrigen. Die ergänzenden Hinweise zu geeigneten Emulgatoren in der linken Spalte des Rechners, die nach Eingabe von Fett- und Wasserphase sichtbar werden, sind als praktische und orientierende Hilfe für Rühreinsteiger gedacht. Die Obergrenze von 45 % berücksichtigt, dass O/W-Emulsionen mit Wasser als äußerer Phase sich üblicherweise nicht über diese Fettphasengrenze hinaus bewegen (marktübliche O/W-Emulsionen weisen selten über 30 % Fettphase auf).

Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang zwischen der Emulgatorkonzentration und der steigenden Fettphase auf, so wie der Fett- und Wasserphasen-Rechner sie errechnet:

Emulgatorkonzentrationen (Montanov™ 68¹), gerundet,
nach dem Fett- und Wasserphasen-Rechner
Höhe der Fettphase in % Höhe der absoluten Emulgatorkonzentration in % Höhe der relativen Emulgatorkonzentration relativ zur Fettphase in %
¹Ich habe diesen Emulgator als Beispiel gewählt, weil er ein Komplex-Emulgator ist, d. h. er enthält bereits Fettalkohole (Cetearyl Alcohol) und kann daher solo verwendet werden, ohne weitere Zusätze an Koemulgatoren oder Konsistenzgebern.
20 4,0 % 20 %
25 4,5 % 18 %
30 5,0 % 17 %
40 6,0 % 15 %

Für hochtourig Rührende (Stabmixer, Flügelrührer, Turrax) kann die genannte Emulgatormenge des Phasenrechners an der unteren Grenze als Orientierung für die Gesamtmenge an emulgierenden und koemulgierenden Ingredienzen dienen: Emulgator, Fettalkohole, Sterole, Lecithine, Wachse werden gemeinsam als »Emulgator« berechnet, der Basisemulgator selbst nach Herstellerempfehlungen dosiert und mit den anderen Komponenten entsprechend ergänzt. Konkret: der Rechner gibt 4 % Emulgator an; sie setzen 2 % des Basisemulgators an und ergänzen 1 % Myristylmyristat und 1 % Emulmetik® 320 – und kommen so auf Ihre 4 %.

Rühren Sie mit schwächerem Handrührer, Milchschäumer, Glasstab und anderen herkömmlichen Methoden, sollten Sie sich an den Einsatzkonzentrationen des Emulgators bzw. an den Obergrenzen orientieren, so wie sie dort notiert sind. Cetylalkohol und andere koemulgierende Substanzen können diesen Wert geringfügig (um die 20 %) »drücken«. Als Einsteiger schenkt Ihnen der Rechner eine hohe Geling-Garantie und ermöglicht dennoch Rezepturen mit moderaten Emulgatorkonzentrationen. Konkret: der Rechner gibt 4 % Emulgator an, dann können Sie mit 4 % arbeiten.

Und das funktioniert?

Ich höre immer wieder kritische Stimmen, dass die exakte Bestimmung des Emulgators von so vielen Faktoren abhängig sei, dass es keine eindeutigen Richtlinien gebe; andere mokieren, man komme doch mit viel weniger Emulgator aus.
Beides trifft tatsächlich zu. Insbesondere für industrielle Rezepte, die mit hochtourigen Herstellungs-Verfahren, ionischen, nichtionischen, anionischen oder kationischen Emulgatoren, polaren und unpolaren Fett-Komponenten usw. arbeiten, ist dies absolut gültig. Die Kosmetik-Industrie produziert Lipide nach Wunsch; ihre Fettsäureketten werden bis aufs letzte C-Molekül passgenau zusammengestellt; und die Auswahl möglicher Emulgatoren ist enorm. Dies bedingt eine Kombinationsvielfalt, die wir uns nicht vorstellen können. Der zweite Kritikpunkt ist auch nicht von der Hand zu weisen: wer Rührerfahrung hat, kann sich seine Formulierungen so zusammenstellen, dass auch weitaus weniger Basisemulgator ausreichen.
Wir sollten dennoch nicht vergessen: Im Selbstrührer-Bereich sind die Ingredienzen im Vergleich deutlich begrenzter, einschließlich der uns verfügbaren Emulgatoren. Wir benötigen Anhaltspunkte, nicht mehr und nicht weniger; der Fett- und Wasserphasen-Rechner leistet genau dies. In der Rührpraxis wünschen wir uns an erster Stelle hautfreundliche, stabile Emulsionen  – Hautgefühl, Auftragsverhalten usw. müssen dann individuell erprobt und auf eigene Bedürfnisse angepasst werden. Mit Hilfe der Berechnungs-Formel erhalten Selbstrührer endlich eine Orientierungshilfe in die Hand, die es ihnen ermöglicht, funktionierende Rezepte zu entwickeln. Mit wachsender Erfahrung können diese dann optimiert und auf eigene Bedürfnisse zugeschnitten werden, was fast immer eine Reduzierung des Emulgatoranteils bedeutet, weil man weiß, welche Komponenten koemulgieren. Für den Einsteiger soll jedoch gewährleistet sein, dass seine Versuche mit hoher Wahrscheinlichkeit von Erfolg gekrönt und die Emulsionen dennoch verträglich und pflegend konzipiert sind (auch wenn er nicht mit dem Flügelrührer rührt). In diesem realen Anwendungs-Spektrum bewegen wir uns – ich denke, es ist ein guter Kompromiss.

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