Emulsja - Emulsion

  1. Dwa nie mieszające się płyny, jeszcze nie zemulgowane
  2. Emulsja Fazy II zdyspergowana w Fazie I
  3. Niestabilna emulsja stopniowo się oddziela
  4. Środek powierzchniowo czynny (zarys wokół cząstek) ustawia się na granicy faz między Fazą II i Fazą I, stabilizując emulsję

Emulsja jest mieszaniną dwóch lub więcej płynów , które normalnie nie miesza się (unmixable lub unblendable) ze względu na ciecz-ciecz rozdziału faz . Emulsje są częścią bardziej ogólnej klasy dwufazowych układów materii zwanych koloidami . Chociaż terminy koloid i emulsja są czasami używane zamiennie, emulsję należy stosować, gdy obie fazy, zdyspergowana i ciągła, są cieczami. W emulsji jedna ciecz ( faza rozproszona ) jest zdyspergowana w drugiej (faza ciągła). Przykładami emulsji są winegret , mleko homogenizowane , płynne kondensaty biomolekularne oraz niektóre płyny obróbkowe do obróbki metali .

Dwie ciecze mogą tworzyć różne rodzaje emulsji. Na przykład, olej i woda mogą najpierw tworzyć emulsję typu olej w wodzie, w której olej jest fazą rozproszoną, a woda jest fazą ciągłą. Po drugie, mogą tworzyć emulsję typu woda w oleju, w której woda jest fazą rozproszoną, a olej fazą ciągłą. Możliwe są również emulsje wielokrotne, w tym emulsja „woda w oleju w wodzie” i emulsja olej w wodzie w oleju.

Emulsje jako ciecze nie wykazują statycznej struktury wewnętrznej. Zazwyczaj przyjmuje się, że kropelki rozproszone w fazie ciągłej (czasami określane jako „ośrodek dyspersyjny”) są rozmieszczone statystycznie, tworząc w przybliżeniu kuliste kropelki.

Termin „emulsja” jest również używany w odniesieniu do światłoczułej strony kliszy fotograficznej . Taka emulsja fotograficzna składa się z koloidalnych cząstek halogenku srebra rozproszonych w matrycy żelatynowej . Emulsje jądrowe są podobne emulsje fotograficzne, z tym że są one stosowane w fizyce cząstek do wykrywania wysokiej energii cząstek elementarnych .

Etymologia

Słowo „emulsja” pochodzi od łacińskiego emulgere „doić”, od ex „out” + mulgere „do mleka”, ponieważ mleko jest emulsją tłuszczu i wody, wraz z innymi składnikami, w tym micelami kazeiny koloidalnej (rodzaj wydzielanego kondensatu biomolekularnego ).

Wygląd i właściwości

Definicja IUPAC

System płynów, w którym kropelki cieczy są rozproszone w cieczy.

Uwaga 1 : Definicja oparta jest na definicji w ref.

Uwaga 2 : Kropelki mogą być bezpostaciowe, ciekłokrystaliczne lub być dowolną
ich mieszaniną.

Uwaga 3 : Średnice kropelek tworzących fazę rozproszoną
zwykle wahają się od około 10 nm do 100 μm; tj. kropelki
mogą przekraczać zwykłe granice wielkości cząstek koloidalnych .

Uwaga 4 : Emulsja jest określana jako emulsja olej/woda (o/w), jeśli
faza rozproszona jest materiałem organicznym, a fazą ciągłą jest
woda lub roztwór wodny i jest określana jako woda/olej (w/o), jeśli
faza rozproszona to woda lub roztwór wodny, a faza ciągła to
ciecz organiczna ("olej").

Uwaga 5 : Emulsja bez zawartości jest czasami nazywana emulsją odwróconą.
Termin „emulsja odwrócona” jest mylący, sugerując błędnie, że
emulsja ma właściwości przeciwne do właściwości emulsji.
Dlatego jego stosowanie nie jest zalecane.

Emulsje zawierają zarówno fazę rozproszoną, jak i ciągłą, z granicą między fazami zwaną „interfejsem”. Emulsje mają zwykle mętny wygląd, ponieważ wielofazowe interfejsy rozpraszają światło podczas przechodzenia przez emulsję. Emulsje wydają się białe, gdy całe światło jest równomiernie rozproszone. Jeśli emulsja jest wystarczająco rozcieńczona, światło o wyższej częstotliwości (mała długość fali) będzie bardziej rozpraszane, a emulsja będzie wyglądać na bardziej niebieską  – nazywa się to „ efektem Tyndalla ”. Jeśli emulsja jest wystarczająco stężona, kolor będzie zniekształcony w kierunku stosunkowo dłuższych długości fal i będzie bardziej żółty . Zjawisko to można łatwo zaobserwować porównując mleko odtłuszczone , które zawiera mało tłuszczu, ze śmietanką , która zawiera dużo większą zawartość tłuszczu mlecznego. Jednym z przykładów może być mieszanina wody i oleju.

Dwie specjalne klasy emulsji – mikroemulsje i nanoemulsje, o wielkości kropel poniżej 100 nm – wydają się przezroczyste. Ta właściwość wynika z faktu, że fale świetlne są rozpraszane przez kropelki tylko wtedy, gdy ich rozmiary przekraczają około jednej czwartej długości fali padającego światła. Ponieważ widzialne widmo światła składa się z fal o długości od 390 do 750 nanometrów (nm), jeśli rozmiary kropelek w emulsji są poniżej około 100 nm, światło może przenikać przez emulsję bez rozpraszania. Ze względu na podobieństwo wyglądu, półprzezroczyste nanoemulsje i mikroemulsje są często mylone. W przeciwieństwie do półprzezroczystych nanoemulsji, których produkcja wymaga specjalistycznego sprzętu, mikroemulsje tworzą się spontanicznie przez „rozpuszczanie” cząsteczek oleju mieszaniną surfaktantów , kosurfaktantów i współrozpuszczalników . Wymagane stężenie surfaktanta w mikroemulsji jest jednak kilkakrotnie wyższe niż w półprzezroczystej nanoemulsji i znacznie przewyższa stężenie fazy rozproszonej. Ze względu na wiele niepożądanych skutków ubocznych powodowanych przez środki powierzchniowo czynne, ich obecność jest w wielu zastosowaniach niekorzystna lub zabroniona. Ponadto stabilność mikroemulsji jest często łatwo zagrożona przez rozcieńczenie, ogrzewanie lub zmianę poziomu pH.

Zwykłe emulsje są z natury niestabilne, a zatem nie mają tendencji do spontanicznego tworzenia.  Do wytworzenia emulsji potrzebny jest wkład energii – poprzez wstrząsanie, mieszanie, homogenizację lub ekspozycję na ultradźwięki o dużej mocy. Z biegiem czasu emulsje mają tendencję do powrotu do stabilnego stanu faz zawierających emulsję. Przykładem tego jest oddzielenie składników oleju i octu w vinaigrette , niestabilnej emulsji, która szybko się rozdzieli, jeśli nie będzie prawie nieprzerwanie wstrząsana. Istnieją ważne wyjątki od tej reguły – mikroemulsje są stabilne termodynamicznie , natomiast półprzezroczyste nanoemulsje są stabilne kinetycznie .

To, czy emulsja oleju i wody zamienia się w emulsję „woda w oleju” czy emulsję „olej w wodzie” zależy od udziału objętościowego obu faz i rodzaju emulgatora (środka powierzchniowo czynnego) (patrz Emulgator poniżej). obecny.

Niestabilność

Stabilność emulsji odnosi się do zdolności emulsji do opierania się zmianom jej właściwości w czasie. Istnieją cztery rodzaje niestabilności w emulsjach: flokulacja , kremowanie / sedymentacja , koalescencja i dojrzewanie Ostwalda . Flokulacja występuje, gdy między kropelkami działa siła przyciągania, więc tworzą one kłaczki, jak kiście winogron. Proces ten może być pożądany, jeśli jego zakres jest kontrolowany, w celu dostrojenia właściwości fizycznych emulsji, takich jak ich zachowanie w zakresie płynięcia. Koalescencja występuje, gdy krople zderzają się ze sobą i łączą, tworząc większą kroplę, więc średni rozmiar kropli wzrasta z czasem. Emulsje mogą również podlegać kremowaniu , w którym kropelki unoszą się w górę emulsji pod wpływem wyporu lub pod wpływem siły dośrodkowej wywołanej działaniem wirówki . Kremowanie jest powszechnym zjawiskiem w napojach mlecznych i niemlecznych (tj. mleku, mleku kawowym, mleku migdałowym, mleku sojowym) i zwykle nie zmienia wielkości kropel. Sedymentacja jest zjawiskiem odwrotnym do kremowania i zwykle obserwowanym w emulsjach typu woda w oleju. Sedymentacja ma miejsce, gdy faza rozproszona jest gęstsza niż faza ciągła, a siły grawitacyjne ciągną gęstsze kuleczki w kierunku dna emulsji. Podobnie jak w przypadku kremowania, sedymentacja jest zgodna z prawem Stokesa.

Odpowiedni „środek powierzchniowo czynny” (lub „ surfaktant ”) może zwiększyć stabilność kinetyczną emulsji tak, że wielkość kropelek nie zmienia się znacząco w czasie. Stabilność emulsji, podobnie jak zawiesiny , można badać pod kątem potencjału zeta , który wskazuje na odpychanie między kropelkami lub cząstkami. Jeśli wielkość i rozproszenie kropelek nie zmienia się w czasie, mówi się, że są stabilne. Na przykład emulsje typu olej w wodzie zawierające mono- i diglicerydy oraz białko mleka jako środek powierzchniowo czynny wykazały stabilną wielkość kropelek oleju w ciągu 28 dni przechowywania w temperaturze 25°C.

Monitorowanie stabilności fizycznej

Stabilność emulsji można scharakteryzować stosując techniki takie jak rozpraszanie światła, pomiar odbicia skupionej wiązki, wirowanie i reologia . Każda metoda ma zalety i wady.

Przyspieszone metody przewidywania trwałości

Kinetyczny proces destabilizacji może trwać dość długo – w przypadku niektórych produktów nawet kilka miesięcy, a nawet lat. Często formulator musi przyspieszyć ten proces, aby przetestować produkty w rozsądnym czasie podczas projektowania produktu. Najczęściej stosowane są metody termiczne – polegają one na podwyższeniu temperatury emulsji w celu przyspieszenia destabilizacji (jeśli temperatura jest niższa od krytycznej dla inwersji faz lub degradacji chemicznej). Temperatura wpływa nie tylko na lepkość, ale także na napięcie międzyfazowe w przypadku niejonowych środków powierzchniowo czynnych czy w szerszym zakresie na oddziaływania między kropelkami w układzie. Przechowywanie emulsji w wysokich temperaturach umożliwia symulację realistycznych warunków dla produktu (np. tubka emulsji przeciwsłonecznej w samochodzie w letnie upały), ale także przyspiesza procesy destabilizacji nawet 200-krotnie.

Można również stosować mechaniczne metody przyspieszania, w tym wibracje, wirowanie i mieszanie.

Metody te są prawie zawsze empiryczne, bez solidnych podstaw naukowych.

Emulgatory

Emulgator (znany również jako „emulgent”) jest to substancja, która stabilizuje emulsję, zwiększając stabilność kinetyczną . Emulgatory są częścią szerszej grupy związków znanych jako środki powierzchniowo czynne lub „środki powierzchniowo czynne”. Surfaktanty (emulgatory) to związki, które są typowo amfifilowe , co oznacza, że ​​mają część polarną lub hydrofilową (tj. rozpuszczalną w wodzie) i część niepolarną (tj. hydrofobową lub lipofilową ). Z tego powodu emulgatory mają tendencję do większej lub mniejszej rozpuszczalności w wodzie lub oleju. Emulgatory, które są lepiej rozpuszczalne w wodzie (i odwrotnie, mniej rozpuszczalne w oleju) będą na ogół tworzyć emulsje typu olej w wodzie, podczas gdy emulgatory lepiej rozpuszczalne w oleju będą tworzyć emulsje typu woda w oleju.

Przykładami emulgatorów spożywczych są:

  • Żółtko jaja  – w którym głównym środkiem emulgującym i zagęszczającym jest lecytyna . W rzeczywistości lecytos to greckie słowo oznaczające żółtko jaja.
  • Musztarda  – w której różne substancje chemiczne w śluzie otaczającym łuskę nasion działają jak emulgatory
  • Lecytyna sojowa to kolejny emulgator i zagęszczacz
  • Stabilizacja pickingu  – wykorzystuje cząstki w określonych warunkach
  • Fosforany sodu – nie są bezpośrednio emulgatorem, ale modyfikują zachowanie innych cząsteczek, np. kazeiny
  • Mono- i diglicerydy – powszechny emulgator występujący w wielu produktach spożywczych (śmietanki do kawy, lody, pasty, pieczywo, ciasta)
  • Stearoilomleczan sodu
  • DATEM (estry kwasu diacetylowinowego mono- i diglicerydów) – emulgator stosowany przede wszystkim w wypiekach
  • Prosta celuloza – emulgator w postaci cząstek pozyskiwany z materiału roślinnego przy użyciu wyłącznie wody
  • Białka – te z regionami zarówno hydrofilowymi, jak i hydrofobowymi, np. kazeinian sodu , jak w topliwym produkcie serowym

Detergenty są inną klasą środków powierzchniowo czynnych i będą oddziaływać fizycznie zarówno z olejem, jak i wodą , stabilizując w ten sposób granicę między kroplami oleju i wody w zawiesinie. Ta zasada jest wykorzystywana w mydle do usuwania tłuszczu w celu czyszczenia . Wiele różnych emulgatorów jest używanych w farmacji do przygotowania emulsji, takich jak kremy i balsamy . Typowe przykłady obejmują wosk emulgujący , polisorbat 20 i ceteareth 20 .

Czasami sama faza wewnętrzna może działać jako emulgator, w wyniku czego powstaje nanoemulsja, w której stan wewnętrzny rozprasza się na kropelki „ wielkości nano ” w fazie zewnętrznej. Dobrze znany przykład tego zjawiska, „ efekt ouzo ”, ma miejsce, gdy woda jest wlewana do mocnego napoju alkoholowego na bazie anyżu , takiego jak ouzo , pastis , absynt , arak lub raki . Związki anizolowe, które są rozpuszczalne w etanolu , tworzą krople o rozmiarach nanometrowych i emulgują w wodzie. Powstały kolor napoju jest nieprzezroczysty i mlecznobiały.

Mechanizmy emulgowania

W procesie emulgowania może być zaangażowanych wiele różnych procesów i mechanizmów chemicznych i fizycznych:

  • Teoria napięcia powierzchniowego – zgodnie z tą teorią emulgowanie odbywa się poprzez zmniejszenie napięcia międzyfazowego między dwiema fazami
  • Teoria odpychania – środek emulgujący tworzy na jednej fazie film, który tworzy kulki, które odpychają się od siebie. Ta siła odpychająca powoduje, że pozostają zawieszone w ośrodku dyspersyjnym
  • Modyfikacja lepkości – emulgatory, takie jak akacja i tragakant , które są hydrokoloidami, a także PEG (lub glikol polietylenowy ), gliceryna i inne polimery, takie jak CMC ( karboksymetyloceluloza ), wszystkie zwiększają lepkość podłoża, co pomaga w tworzeniu i utrzymaniu zawiesiny kuleczek fazy rozproszonej

Zastosowania

W jedzeniu

Emulsje typu olej w wodzie są powszechne w produktach spożywczych:

  • Crema (pianka) w espresso – olej kawowy w wodzie (kawa parzona), niestabilny koloid
  • Sosy majonezowe i holenderskie – są to emulsje typu olej w wodzie stabilizowane lecytyną z żółtka jaja lub innymi rodzajami dodatków do żywności, np. stearoilomleczanem sodu
  • Mleko homogenizowane – emulsja tłuszczu mlecznego w wodzie z proteinami mleka jako emulgatorem
  • Vinaigrette – emulsja oleju roślinnego w occie, jeśli jest przygotowana wyłącznie z oleju i octu (tzn. bez emulgatora), powstaje emulsja niestabilna

Emulsje typu woda w oleju są mniej powszechne w żywności, ale nadal istnieją:

Inne produkty spożywcze można zamienić w produkty podobne do emulsji, na przykład emulsja mięsna to zawiesina mięsa w płynie, która jest podobna do prawdziwych emulsji.

Opieka zdrowotna

W farmacji , stylizacji włosów , higienie osobistej i kosmetyce często stosuje się emulsje. Są to zazwyczaj emulsje olejowe i wodne, ale zdyspergowane, a ich ciągłość zależy w wielu przypadkach od preparatu farmaceutycznego . Emulsje te można nazwać kremami , maściami , mazidłami (balsamami), pastami , filmami lub płynami , w zależności głównie od ich stosunku oleju do wody, innych dodatków i planowanej drogi podania . Pierwsze 5 to postacie dawkowania do stosowania miejscowego , które mogą być stosowane na powierzchni skóry , przezskórnie , do oka , doodbytniczo lub dopochwowo . Emulsja wysoce płynna może być również stosowana doustnie lub w niektórych przypadkach może być wstrzykiwana .

Mikroemulsje są używane do dostarczania szczepionek i zabijania drobnoustrojów . Typowymi emulsjami stosowanymi w tych technikach są nanoemulsje oleju sojowego , których cząstki mają średnicę 400–600 nm. Proces nie jest chemiczny, jak w przypadku innych rodzajów zabiegów przeciwdrobnoustrojowych , ale mechaniczny. Im mniejsza kropla, tym większe napięcie powierzchniowe, a tym samym większa siła wymagana do połączenia się z innymi lipidami . Olej jest emulgowany detergentami przy użyciu wysokoobrotowego miksera w celu ustabilizowania emulsji, więc gdy napotkają lipidy w błonie komórkowej lub powłoce bakterii lub wirusów , zmuszają lipidy do połączenia się ze sobą. Na skalę masową w efekcie powoduje to dezintegrację błony i zabija patogen. Emulsja oleju sojowego nie szkodzi normalnym ludzkim komórkom, ani komórkom większości innych wyższych organizmów , z wyjątkiem plemników i krwinek , które są podatne na nanoemulsje ze względu na specyfikę ich budowy błon. Z tego powodu te nanoemulsje nie są obecnie stosowane dożylnie (IV). Najskuteczniejszym zastosowaniem tego typu nanoemulsji jest dezynfekcja powierzchni. Wykazano, że niektóre rodzaje nanoemulsji skutecznie niszczą patogeny HIV-1 i gruźlicy na nieporowatych powierzchniach.

W gaszeniach pożarów

Środki emulgujące są skuteczne w gaszeniu pożarów małych, cienkowarstwowych wycieków cieczy palnych ( pożary klasy B ). Takie środki zamykają paliwo w emulsji paliwowo-wodnej, zatrzymując w ten sposób palne opary w fazie wodnej. Emulsję tę uzyskuje się przez naniesienie na paliwo wodnego roztworu środka powierzchniowo czynnego przez dyszę wysokociśnieniową. Emulgatory nie są skuteczne w gaszeniu dużych pożarów paliw płynnych o dużej objętości/głębokich, ponieważ ilość środka emulgującego potrzebna do gaszenia jest funkcją objętości paliwa, podczas gdy inne środki, takie jak wodna piana błonotwórcza, muszą pokrywać tylko powierzchnię paliwo w celu ograniczenia emisji oparów.

Synteza chemiczna

Do produkcji dyspersji polimerowych stosuje się emulsje – produkcja polimerów w „fazie” emulsji ma szereg zalet procesowych, w tym zapobieganie koagulacji produktu. Produkty wytworzone w wyniku takich polimeryzacji mogą być stosowane jako emulsje – produkty zawierające podstawowe składniki klejów i farb. W tym procesie wytwarzane są również lateksy syntetyczne (gumy).

Zobacz też

Bibliografia

Innych źródeł