Majonez utrzymuje ogromną ilość oleju w wodzie dzięki warstwie cząsteczek na granicy każdej kropli
Majonez jest emulsją typu olej-w-wodzie: większość objętości może stanowić olej, a mimo to fazą ciągłą pozostaje wodna mieszanina z żółtka, octu lub soku cytrynowego. Podczas mieszania olej rozpada się na ogromną liczbę małych kropli. Składniki żółtka — fosfolipidy, lipoproteiny i białka — adsorbują się na granicy olej–woda i tworzą warstwę utrudniającą ponowne łączenie kropli. Gęsto upakowane kropelki dodatkowo klinują się mechanicznie, dlatego majonez zachowuje się jak miękkie ciało stałe. Emulgator nie „miesza wody z olejem na poziomie molekularnym”; stabilizuje bardzo dużą powierzchnię pomiędzy dwiema nadal odrębnymi fazami.
Emulsja ma dwie fazy, nie jedną
W prawdziwym roztworze cząsteczki jednego składnika są rozproszone molekularnie w drugim. W majonezie olej pozostaje fazą ciekłą w postaci mikrometrowych kropli zanurzonych w fazie wodnej. Pod mikroskopem granice obu cieczy nadal istnieją.
Wysoka zawartość oleju oznacza, że krople w majonezie znajdują się bardzo blisko siebie i ulegają deformacji. Gdy objętość rozproszonej fazy przekracza zakres luźnego upakowania kul, geometria wymusza wielościenne kształty kropli i cienkie warstwy wodne pomiędzy nimi. To właśnie daje wysoki moduł i kremową teksturę. Majonez jest zatem przykładem tzw. high-internal-phase emulsion, gdzie własności mechaniczne pochodzą z tłoku geometrycznego równie mocno jak z chemii interfejsu.
Tworzenie małych kropli kosztuje energię
Rozbijając jedną dużą kroplę na tysiące małych, dramatycznie zwiększamy całkowitą powierzchnię granicy olej–woda. Bez stabilizacji układ ma tendencję do zmniejszania tej powierzchni przez koalescencję i rozwarstwienie.
Fosfolipidy mają dwie chemiczne twarze
Lecytyny/fosfatydylocholiny zawierają hydrofobowe łańcuchy lipidowe i silnie polarne głowy. Łańcuchy chętnie pozostają w oleju, głowy w wodzie. Cząsteczka zajmuje więc miejsce na granicy faz i obniża napięcie międzyfazowe.
Rozmiar kropli zależy od energii mieszania i szybkości dodawania oleju. Silniejsze ścinanie tworzy mniejsze krople, ale jednocześnie potrzebuje dostatecznie dużo emulgatora do pokrycia nowej powierzchni. Jeśli powstaje szybciej, niż białka i fosfolipidy mogą się adsorbować, świeże krople mogą połączyć się z powrotem. Stabilizacja ma więc własną kinetykę konkurującą z procesem rozdrabniania.
Żółtko dostarcza więcej niż samą lecytynę
Lipoproteiny LDL, foswityna i inne białka także adsorbują się na powierzchni kropli. Warstwa jest złożoną mieszaniną białek i lipidów, dlatego uproszczenie „majonez działa przez jedną lecytynę” nie opisuje całego mechanizmu.
Gęstość kropli tworzy reologię majonezu
W majonezie kropli jest tak dużo, że wzajemnie ograniczają swój ruch i deformują się przy ścinaniu. Układ ma granicę płynięcia: może utrzymać kształt na łyżce, ale pod odpowiednim naprężeniem zaczyna płynąć.
Ładunek warstwy międzyfazowej zależy od pH. Białka mają punkt izoelektryczny, przy którym ich netto ładunek jest mały i odpychanie elektrostatyczne pomiędzy kroplami słabnie. Kwasowość majonezu jest dobrana nie tylko dla smaku i bezpieczeństwa, ale wpływa też na stan protonacji składników żółtka. W praktyce stabilność jest sumą odpychania elektrostatycznego, sterycznego i dużej lepkości fazy ciągłej.
Kwas zmienia także białka i bezpieczeństwo mikrobiologiczne
Niskie pH wpływa na ładunki białek w żółtku i własności warstwy międzyfazowej. Jednocześnie kwaśne środowisko utrudnia wzrost wielu drobnoustrojów. Technologia emulsji wykorzystuje więc jednocześnie chemię koloidów i kontrolę środowiska wodnego.
Rozwarstwienie jest porażką stabilizacji kinetycznej
Oleje i woda nie stają się termodynamicznie jedną fazą tylko dlatego, że dodano emulgator. Majonez jest metastabilny: bariera międzyfazowa, lepkość i mały rozmiar kropli sprawiają, że separacja jest bardzo wolna. To przykład produktu istniejącego dzięki kontroli kinetyki, a nie dzięki pełnej mieszalności.
Temperatura może destabilizować emulsję kilkoma drogami: zmniejsza lepkość oleju i fazy wodnej, zwiększa ruch kropli oraz może denaturować białka warstwy międzyfazowej. Zamrażanie jest jeszcze trudniejsze, bo kryształy lodu wypychają rozpuszczone składniki do coraz mniejszej ilości cieczy i ściskają krople oleju. Po rozmrożeniu emulsja może nie odzyskać dawnej mikrostruktury mimo identycznego składu chemicznego.
Emulsję można oceniać przez rozkład wielkości kropli, reologię oscylacyjną i obserwację mikroskopową. Jeśli średnica kropli wzrasta w czasie bez widocznej warstwy oleju, może zachodzić koalescencja lub dojrzewanie Ostwalda; jeśli cała populacja unosi się, mamy creaming. Są to różne mechanizmy destabilizacji i wymagają innych rozwiązań. Zagęstnik może spowolnić creaming przez zwiększenie lepkości, ale nie naprawi słabej warstwy międzyfazowej powodującej koalescencję. Słowo „rozwarstwienie” ukrywa kilka procesów, tak jak „emulgator” ukrywa kilka funkcji powierzchniowych.