Эмульсия - Emulsion

  1. Две несмешивающиеся жидкости, еще не эмульгированные
  2. Эмульсия фазы II, диспергированная в фазе I
  3. Нестабильная эмульсия постепенно отделяется
  4. Поверхностно -активное вещество (контур вокруг частиц) позиционирует себя на границах раздела между фазой II и фазами I, стабилизацией эмульсии

Эмульсия представляет собой смесь из двух или более жидкостей , которые обычно не смешивается (несмешивающаяся или unblendable) вследствие жидкость-жидкость разделения фаз . Эмульсии являются частью более общего класса двухфазных систем вещества, называемых коллоидами . Хотя термины « коллоид» и « эмульсия» иногда используются как синонимы, « эмульсия» следует использовать, когда обе фазы, диспергированная и непрерывная, являются жидкостями. В эмульсии одна жидкость (дисперсная фаза ) диспергирована в другой (непрерывная фаза). Примеры эмульсий включают винегреты , гомогенизированное молоко , жидкие биомолекулярные конденсаты и некоторые смазочно-охлаждающие жидкости для металлообработки .

Две жидкости могут образовывать разные типы эмульсий. Например, масло и вода могут образовывать, во-первых, эмульсию масло-в-воде, в которой масло является дисперсной фазой, а вода - непрерывной фазой. Во-вторых, они могут образовывать эмульсию вода-в-масле, в которой вода является дисперсной фазой, а масло - непрерывной фазой. Также возможны множественные эмульсии, включая эмульсию «вода в масле в воде» и эмульсию «масло в воде в масле».

Эмульсии, будучи жидкостями, не обладают статической внутренней структурой. Капельки, диспергированные в непрерывной фазе (иногда называемой «дисперсионной средой»), обычно считаются статистически распределенными, что дает примерно сферические капли.

Термин «эмульсия» также используется для обозначения светочувствительной стороны фотопленки . Такая фотографическая эмульсия состоит из коллоидных частиц галогенида серебра, диспергированных в желатиновой матрице. Ядерные эмульсии похожи на фотографические эмульсии, за исключением того, что они используются в физике элементарных частиц для обнаружения элементарных частиц высоких энергий .

Этимология

Слово «эмульсия» происходит от латинского emulgere «выдоить», от ex «out» + mulgere «до молока», поскольку молоко представляет собой эмульсию жира и воды, а также других компонентов, включая мицеллы коллоидного казеина (тип секретируемого биомолекулярного конденсата ).

Внешний вид и свойства

Определение ИЮПАК

Жидкостная система, в которой жидкие капли диспергированы в жидкости.

Примечание 1 : определение основано на определении в исх.

Примечание 2 : капли могут быть аморфными, жидкокристаллическими или любой
их смесью.

Примечание 3 : диаметры капель, составляющих дисперсную фазу,
обычно находятся в диапазоне приблизительно от 10 нм до 100 мкм; т.е. капли
могут превышать обычные пределы размера для коллоидных частиц.

Примечание 4 : Эмульсия называется эмульсией масло / вода (м / в), если
дисперсная фаза представляет собой органический материал, а непрерывная фаза представляет собой
воду или водный раствор, и называется вода / масло (в / в), если дисперсная
фаза. представляет собой воду или водный раствор, а непрерывная фаза представляет собой
органическую жидкость («масло»).

Примечание 5 : эмульсию без масла иногда называют обратной эмульсией.
Термин «обратная эмульсия» вводит в заблуждение, неверно предполагая, что
эмульсия имеет свойства, противоположные свойствам эмульсии.
Поэтому его использование не рекомендуется.

Эмульсии содержат как дисперсную, так и непрерывную фазу, причем граница между фазами называется «границей раздела». Эмульсии имеют тенденцию иметь мутный вид, потому что многие границы раздела фаз рассеивают свет, когда он проходит через эмульсию. Эмульсии кажутся белыми, когда весь свет рассеивается одинаково. Если эмульсия достаточно разбавлена, высокочастотный (низковолновый) свет будет рассеиваться сильнее, и эмульсия будет казаться более синей  - это называется « эффектом Тиндаля ». Если эмульсия будет достаточно концентрированной, цвет будет искажен в сторону сравнительно более длинных волн и станет более желтым . Это явление легко заметить при сравнении обезжиренного молока , которое содержит мало жира, со сливками , в которых концентрация молочного жира намного выше. Одним из примеров может быть смесь воды и масла.

Два специальных класса эмульсий - микроэмульсии и наноэмульсии с размером капель менее 100 нм - кажутся полупрозрачными. Это свойство связано с тем, что световые волны рассеиваются каплями только в том случае, если их размер превышает примерно одну четверть длины волны падающего света. Поскольку видимый спектр света состоит из длин волн от 390 до 750 нанометров (нм), если размер капель в эмульсии меньше примерно 100 нм, свет может проникать через эмульсию, не рассеиваясь. Из-за сходства внешнего вида полупрозрачные наноэмульсии и микроэмульсии часто путают. В отличие от полупрозрачных наноэмульсий, для производства которых требуется специальное оборудование, микроэмульсии самопроизвольно образуются в результате «солюбилизации» молекул масла смесью поверхностно -активных веществ, вспомогательных поверхностно-активных веществ и вспомогательных растворителей . Однако необходимая концентрация ПАВ в микроэмульсии в несколько раз выше, чем в полупрозрачной наноэмульсии, и значительно превышает концентрацию дисперсной фазы. Из-за множества нежелательных побочных эффектов, вызываемых поверхностно-активными веществами, их присутствие является невыгодным или недопустимым для многих применений. Кроме того, стабильность микроэмульсии часто легко снижается из-за разбавления, нагревания или изменения уровней pH.

Обычные эмульсии по своей природе нестабильны и, следовательно, не имеют тенденции к самопроизвольному образованию.  Для образования эмульсии требуется подвод энергии - путем встряхивания, перемешивания, гомогенизации или воздействия мощного ультразвука . Со временем эмульсии имеют тенденцию возвращаться к стабильному состоянию фаз, составляющих эмульсию. Примером этого является разделение масляных и уксусных компонентов винегрета , нестабильной эмульсии, которая быстро отделяется, если ее почти непрерывно не встряхивать. Есть важные исключения из этого правила - микроэмульсии являются термодинамически стабильными, в то время как светопрозрачные Наноэмульсии являются кинетически стабильными.

Превратится ли эмульсия масла и воды в эмульсию «вода в масле» или эмульсию «масло в воде», зависит от объемной доли обеих фаз и типа эмульгатора (поверхностно-активного вещества) (см. « Эмульгатор» ниже). настоящее время.

Нестабильность

Стабильность эмульсии означает способность эмульсии сопротивляться изменению своих свойств с течением времени. Существует четыре типа нестабильности эмульсий: флокуляция , вспенивание / осаждение , коалесценция и созревание по Оствальду . Флокуляция происходит, когда между капельками действует сила притяжения, поэтому они образуют хлопья, похожие на грозди винограда. Этот процесс может быть желательным, если его контролировать по степени, для настройки физических свойств эмульсий, таких как их текучесть. Коалесценция происходит, когда капли сталкиваются друг с другом и объединяются, образуя более крупную каплю, поэтому средний размер капли со временем увеличивается. Эмульсии также могут подвергаться вспениванию , когда капли поднимаются к верхнему краю эмульсии под действием плавучести или под влиянием центростремительной силы, возникающей при использовании центрифуги . Сливки - обычное явление для молочных и немолочных напитков (например, молока, кофейного молока, миндального молока, соевого молока) и обычно не меняют размер капель. Осаждение - это явление, противоположное образованию сливок, которое обычно наблюдается в эмульсиях вода-в-масле. Осаждение происходит, когда дисперсная фаза более плотная, чем непрерывная фаза, и гравитационные силы притягивают более плотные глобулы к основанию эмульсии. Подобно кремованию, седиментация подчиняется закону Стокса.

Подходящий «поверхностно-активный агент» (или « поверхностно-активное вещество ») может повысить кинетическую стабильность эмульсии, так что размер капель существенно не меняется со временем. Стабильность эмульсии, как и суспензии , можно изучить с точки зрения дзета-потенциала , который указывает отталкивание между каплями или частицами. Если размер и дисперсия капель не меняются с течением времени, говорят, что они стабильны. Например, эмульсии типа «масло в воде», содержащие моно- и диглицериды и молочный белок в качестве поверхностно-активного вещества, показали стабильный размер масляных капель в течение 28 дней хранения при 25 ° C.

Контроль физической устойчивости

Стабильность эмульсий можно охарактеризовать с использованием таких методов, как рассеяние света, измерение коэффициента отражения сфокусированного луча, центрифугирование и реология . У каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

Ускоряющие методы прогнозирования срока годности

Кинетический процесс дестабилизации может быть достаточно длительным - до нескольких месяцев, а для некоторых продуктов даже лет. Часто разработчик рецептур должен ускорить этот процесс, чтобы протестировать продукты в разумные сроки во время разработки продукта. Чаще всего используются термические методы - они заключаются в повышении температуры эмульсии для ускорения дестабилизации (если температура ниже критической для инверсии фаз или химического разложения). Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионных поверхностно-активных веществ или, в более широком смысле, на взаимодействия между каплями внутри системы. Хранение эмульсии при высоких температурах позволяет моделировать реальные условия для продукта (например, тюбик солнцезащитной эмульсии в автомобиле в летнюю жару), но также ускоряет процессы дестабилизации до 200 раз.

Также можно использовать механические методы ускорения, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание.

Эти методы почти всегда являются эмпирическими и не имеют прочной научной основы.

Эмульгаторы

Эмульгатор (также известный как «эмульгент») представляет собой вещество , которое стабилизирует эмульсию за счет увеличения его кинетической стабильности . Эмульгаторы являются частью более широкой группы соединений, известных как поверхностно-активные вещества или «поверхностно-активные вещества». Поверхностно-активные вещества (эмульгаторы) представляют собой соединения, которые обычно являются амфифильными , что означает, что они имеют полярную или гидрофильную (т.е. водорастворимую) часть и неполярную (т.е. гидрофобную или липофильную ) часть. Из-за этого эмульгаторы имеют тенденцию к большей или меньшей растворимости в воде или масле. Эмульгаторы, которые более растворимы в воде (и, наоборот, менее растворимы в масле), обычно образуют эмульсии типа масло в воде, тогда как эмульгаторы, которые более растворимы в масле, образуют эмульсии вода в масле.

Примеры пищевых эмульгаторов:

  • Яичный желток  - в котором основным эмульгатором и загустителем является лецитин . Фактически, лецифос - это греческое слово, обозначающее яичный желток.
  • Горчица  - где различные химические вещества в слизи, окружающей оболочку семян, действуют как эмульгаторы.
  • Соевый лецитин - еще один эмульгатор и загуститель.
  • Стабилизация Пикеринга  - использует частицы при определенных обстоятельствах
  • Фосфаты натрия - не являются непосредственно эмульгатором, но изменяют поведение других молекул, например казеина.
  • Моно- и диглицериды - распространенный эмульгатор, содержащийся во многих пищевых продуктах (сливки для кофе, мороженое, пасты, хлеб, пирожные).
  • Стеароилактилат натрия
  • DATEM (сложные эфиры диацетилвинной кислоты и моно- и диглицеридов) - эмульгатор, используемый в основном в выпечке.
  • Простая целлюлоза - эмульгатор в виде частиц, полученный из растительного материала с использованием только воды.
  • Белки - белки с гидрофильными и гидрофобными участками, например казеинат натрия , как в плавящемся сырном продукте.

Детергенты - это другой класс поверхностно-активных веществ, которые физически взаимодействуют как с маслом, так и с водой , тем самым стабилизируя поверхность раздела между каплями масла и воды в суспензии. Этот принцип используется в мыле для удаления жира с целью очистки . В аптеке используется множество различных эмульгаторов для приготовления эмульсий, таких как кремы и лосьоны . Общие примеры включают эмульгирующий воск , полисорбат 20 и цетеарет 20 .

Иногда внутренняя фаза сама по себе может действовать как эмульгатор, и в результате образуется наноэмульсия, в которой внутреннее состояние диспергируется на капли « наноразмеров » во внешней фазе. Хорошо известный пример этого явления, « эффект узо », возникает, когда вода наливается в крепкий алкогольный напиток на основе аниса , такой как узо , пастис , абсент , арак или раки . Анизольные соединения, растворимые в этаноле , затем образуют наноразмерные капли и эмульгируются в воде. В результате напиток приобретает непрозрачный молочно-белый цвет.

Механизмы эмульгирования

В процессе эмульгирования может быть задействован ряд различных химических и физических процессов и механизмов:

  • Теория поверхностного натяжения - согласно этой теории, эмульгирование происходит за счет уменьшения межфазного натяжения между двумя фазами.
  • Теория отталкивания - эмульгирующий агент создает пленку на одной фазе, которая образует глобулы, которые отталкиваются друг от друга. Эта сила отталкивания заставляет их оставаться взвешенными в дисперсионной среде.
  • Модификация вязкости - эмульгенты, такие как гуммиарабик и трагакант , которые являются гидроколлоидами, а также PEG (или полиэтиленгликоль ), глицерин и другие полимеры, такие как CMC ( карбоксиметилцеллюлоза ), все увеличивают вязкость среды, что помогает создавать и поддерживать суспензию. глобул дисперсной фазы

Использует

В еде

Эмульсии масло-в-воде распространены в пищевых продуктах:

  • Crema (пена) в эспрессо - кофейное масло в воде (заваренный кофе), нестабильный коллоид
  • Майонез и голландский соусы - это эмульсии типа масло в воде, стабилизированные лецитином яичного желтка или другими пищевыми добавками, такими как стеароиллактилат натрия.
  • Гомогенизированное молоко - эмульсия молочного жира в воде с молочными белками в качестве эмульгатора.
  • Винегрет - эмульсия растительного масла в уксусе, если она приготовлена ​​с использованием только масла и уксуса (т. Е. Без эмульгатора), получается нестабильная эмульсия.

Эмульсии вода-в-масле менее распространены в пищевых продуктах, но все же существуют:

Другие продукты можно превратить в продукты, похожие на эмульсии, например мясная эмульсия - это суспензия мяса в жидкости, которая похожа на настоящие эмульсии.

Здравоохранение

В фармацевтике , парикмахерском искусстве , личной гигиене и косметике часто используются эмульсии. Обычно это масляные и водные эмульсии, но диспергированные, и это непрерывно во многих случаях зависит от фармацевтического состава . Эти эмульсии могут быть названы кремы , мази , линименты (бальзамы), пасты , пленки или жидкости , в зависимости главным образом от их масло-в-воде соотношениях, других добавок, а также их предполагаемого пути введения . Первые 5 являются лекарственными формами для местного применения и могут применяться на поверхности кожи , трансдермально , офтальмологически , ректально или вагинально . Высокожидкая эмульсия также может использоваться перорально или в некоторых случаях может быть введена путем инъекции .

Микроэмульсии используются для доставки вакцин и уничтожения микробов . Типичные эмульсии, используемые в этих методах, представляют собой наноэмульсии соевого масла с частицами диаметром 400-600 нм. Процесс не химический, как при других видах противомикробной обработки, а механический. Чем меньше капля, тем больше поверхностное натяжение и, следовательно, больше сила, необходимая для слияния с другими липидами . Масло эмульгируется с детергентами с использованием миксера с большим усилием сдвига для стабилизации эмульсии, поэтому, когда они сталкиваются с липидами в клеточной мембране или оболочке бактерий или вирусов , они заставляют липиды сливаться друг с другом. В массовом масштабе это фактически разрушает мембрану и убивает патоген. Эмульсии соевого масла не наносят вред нормальных клеток человека, или клетку большинство других высших организмов , с исключением клеток спермы и клеток крови , которые являются уязвимыми для наноэмульсий из - за особенности их мембранных структур. По этой причине эти наноэмульсии в настоящее время не используются внутривенно (в / в). Наиболее эффективно применение этого типа наноэмульсии для дезинфекции поверхностей. Было показано, что некоторые типы наноэмульсий эффективно уничтожают возбудителей ВИЧ-1 и туберкулеза на непористых поверхностях.

В пожаротушении

Эмульгаторы эффективны при тушении пожаров при небольших, тонкослойных разливах легковоспламеняющихся жидкостей ( пожары класса B ). Такие агенты инкапсулируют топливо в эмульсию топливо-вода, тем самым улавливая горючие пары в водной фазе. Эта эмульсия получается путем нанесения водного раствора поверхностно-активного вещества на топливо через сопло высокого давления. Эмульгаторы неэффективны при тушении крупных пожаров, связанных с объемным / глубоким жидким топливом, потому что количество эмульгатора, необходимого для тушения, зависит от объема топлива, тогда как другие агенты, такие как водная пленкообразующая пена, должны покрывать только поверхность топливо для уменьшения образования паров.

Химический синтез

Эмульсии используются для производства полимерных дисперсий - получение полимера в эмульсионной «фазе» имеет ряд технологических преимуществ, включая предотвращение коагуляции продукта. Продукты, полученные в результате такой полимеризации, могут использоваться в качестве эмульсий - продуктов, в том числе первичных компонентов для клеев и красок. Этим способом также производятся синтетические латексы (каучуки).

Смотрите также

использованная литература

Другие источники