امولسیون مخلوطی ناهمگن از دو ماده مایع غیرقابل اختلاط است که یکی به صورت قطرات کوچک در دیگری پراکنده می شود. آنها همیشه دو مایع هستند که مانند آب و روغن خود به خود (غیر قابل اختلاط) با هم مخلوط نمی شوند ، اما عملیات خاصی (هم زدن، اختلاط، افزودن برخی از اصول فعال ) را طی می کنند تا جنبه ای همگن از نظر ماکروسکوپی داشته باشند، اما از نظر میکروسکوپی ناهمگن هستند. یکی از مواد به صورت قطرات در ماده دوم پراکنده می شود. این مخلوط به لطف یک ماده سوم به نام “امولسیفایر” (سرعت یا سینتیک) پایدار می ماند.تکامل مخلوط تقریبا صفر).
یک فوم شبیه امولسیون است اما ماده دوم یک گاز (به جای مایع) است که به شکل حباب پراکنده شده است. یکی دیگر از تفاوت های مهم بین فوم ها و امولسیون ها، کسر حجمی فاز پراکنده (گاز) است که به طور کلی در پایدارترین فوم ها بسیار بیشتر است.
در عکاسی نقره ای ، نام “امولسیون” همچنین نشان دهنده فیلمی است که از نظر ویژگی های فنی آن (حساسیت، واکنش متقابل و غیره) در نظر گرفته شده است. این نام به سال های اولیه عکاسی برمی گردد ، جایی که یک امولسیون حساس به نور قبل از گرفتن عکس روی یک تکیه گاه شیشه ای پخش می شد.
عمومی
امولسیون یک مورد خاص از یک کلوئید است . دو ماده مایع موجود را فاز می نامند . یکی از مراحل پیوسته است. فاز دیگر، ناپیوسته، در فاز اول به صورت قطرات کوچک پراکنده می شود.
امولسیون ها اغلب از یک فاز آبی، شبیه به آب، و یک فاز روغنی، مشابه نفت تشکیل شده اند.
- امولسیون روغن در آب (O/W یا O/W برای روغن در آب ) از یک فاز روغنی پراکنده در یک فاز آبی تشکیل شده است. این یک امولسیون “مستقیم” است.
- امولسیون آب در روغن (W/O یا W/O برای آب در روغن ) از یک فاز آبی پراکنده در فاز روغنی تشکیل شده است. امولسیون W/O در لمس چرب است، زیرا لمس عمدتاً با ماهیت فاز خارجی مطابقت دارد. چنین امولسیونی “معکوس” نامیده می شود.
همچنین امکان یافتن امولسیون های متعدد O/W/O یا W/O/W 1 وجود دارد .
طبقه بندی
بسته به اندازه ذرات تشکیل دهنده آنها، امولسیون ها را می توان به عنوان ماکرو امولسیون، مینی امولسیون و نانوامولسیون 2 طبقه بندی کرد . واژه‌های miniemulsion و nanoemulsion اغلب به جای یکدیگر برای تعیین تمام امولسیون‌هایی که اندازه ذرات آنها کوچکتر از امولسیون‌های ماکرو است استفاده می‌شود. یک مینی مولسیون از مخلوط کردن دو مایع غیرقابل اختلاط (نمونه‌های معمول: هگزادکان با هگزادکانول ) با یک سورفکتانت و یک سورفاکتانت به دست می‌آید. اختلاط معمولاً با اولتراسونیفیکاسیون یا همگن سازی با فشار بالا انجام می شود.
بر خلاف امولسیون های ذکر شده قبلی که مربوط به پراکندگی یک فاز در فاز دیگر به شکل ذرات است، یک میکروامولسیون مربوط به یک فاز است که در آن هیچ ذره ای وجود ندارد 3 ، 4 .
| ماکرومولسیون | مینی امولسیون یا نانوامولسیون | میکروامولسیون | |
|---|---|---|---|
| تعداد سورفکتانت ها | حداقل یکی | حداقل دو مورد: یک سورفکتانت و یک سورفکتانت کمکی | حداقل دو مورد: یک سورفکتانت و یک سورفکتانت کمکی |
| درصد سورفکتانت | کم: < 5% | متوسط: بین 5 تا 10 درصد | بالا: > 10% |
| روش ساخت | هم زدن مکانیکی شدید | تحریک شدید توسط سونوگرافی | لرزش کم |
| رنگ | سفید شیری | سفید مایل به آبی یا بی رنگ | سفید مایل به آبی یا بی رنگ |
| شفافیت | مات | شفاف یا شفاف | شفاف یا شفاف |
| اندازه ذرات | > 1μm | << 1μm | < 0.1 میکرومتر |
| چند پراکندگی اندازه ذرات | منظور داشتن | کم | کم |
| پایداری ترمودینامیکی | ناپایدار | ناپایدار | ثابت |
| حالت افزایش اندازه ذرات در طول زمان | ادغام و رسیدن استوالد | ادغام و رسیدن استوالد | بدون ذرات، هیچ ادغام یا رسیدن استوالد وجود ندارد |
امولسیفایرها
امولسیفایرها که گاهی امولسیفایر نامیده می شوند امولسیون را تثبیت می کنند. اینها اغلب سورفکتانت یا سورفکتانت هستند. با این حال، ذرات جامد (امولسیون های Pickering)، پلیمرهای مصنوعی یا ماکرومولکول های بیولوژیکی نیز می توانند این نقش را ایفا کنند. زرده تخم مرغ به عنوان امولسیفایر در تهیه سس در آشپزخانه استفاده می شود. این خاصیت به دلیل لسیتین موجود در آن است. لسیتین همچنین در دانه های سویا یافت می شود و به طور گسترده در آماده سازی های صنعتی استفاده می شود. کازئین یک پروتئین شیر است که امولسیون کننده است .
امولسیفایرها در صنایع غذایی
در صنایع غذایی ، امولسیفایرها محصولات شیمیایی هستند که برای افزایش نرمی محصولات خاص مورد استفاده قرار می‌گیرند و در نتیجه به دست آوردن بافت خاصی را ممکن می‌سازند. امولسیفایرهای اصلی مورد استفاده در صنایع غذایی عبارتند از:
- لسیتین طبیعی ، به ویژه در شکلات .
- مونو و دی گلیسیرید اسیدهای چرب رژیم غذایی که به ویژه در بستنی و بریوش های صنعتی یافت می شود.
مونو و دی گلیسیرید اسیدهای چرب رژیم غذایی ( E471 ، E472c ، و غیره) از طریق هیدرولیز ، یا از چربی ها و محصولات حیوانی (معده گاو و غیره) یا از روغن های گیاهی، مانند روغن نارگیل ، به دست می آیند . محصول نهایی به شکل کریستال های محلول در چربی (یعنی محلول در مواد چرب) به رنگ سفید یا زرد بسیار روشن است. برچسب‌هایی که جزئیات اجزای یک محصول را نشان می‌دهند معمولاً این امکان را نمی‌دهند که بدانیم در کدام مورد است (یعنی امولسیفایر(های) مورد استفاده منشا حیوانی یا گیاهی دارند).
در عمل
در زندگی روزمره، بسیاری از محصولات امولسیون هستند. ما می توانیم کرم ها و سایر لوازم آرایشی و بهداشتی و همچنین سس مایونز را یادداشت کنیم .
امولسیون های طبیعی
- شیر . _
- لاتکس گیاهی، به ویژه، لاتکس hevea brasiliensis (که لاستیک طبیعی می دهد) و castilla elastica .
- فیلم هیدرولیپیدی مخلوطی از سبوم و عرق است . این یک امولسیون است که از پوست محافظت می کند .
سس های امولسیون شده
وینیگرت
فاز روغنی: روغن.
فاز آبی: سرکه .
پانسمان یک امولسیون ناپایدار است . روغن و سرکه تمایل به جدا شدن دارند. با افزودن خردل می توان آن را از نظر جنبشی پایدار کرد . سلول های خردل زمینی فسفولیپیدها را آزاد می کنند که یک سورفاکتانت است .
سس مایونز
فاز روغنی: روغن.
فاز آبی: سرکه و احتمالا خردل.
امولسیفایر: لسیتین زرده تخم مرغ امولسیفایر ( سورفکتانت ) است.
سس مایونز یک امولسیون پایدار جنبشی است .
آیولی
فاز روغنی: روغن زیتون.
فاز آبی: تفاله سیر. توجه داشته باشید که آیولی
واقعی فقط با سیر و روغن تهیه می شود و سورفکتانت ها در تفاله سیر هستند.
سس هلندز و سس برنز
سس هلندیز و سس برنیز نیز سس هایی هستند که طبق همان اصل اما داغ امولسیون شده اند.
لوازم آرایشی و بهداشتی
مرطوب کننده.
فاز روغنی: روغن و مواد محلول در روغن.
فاز آبی: آب و مواد محلول در آب.
امولسیفایر.
صنعت داروسازی
کپسوله سازی اصول فعال، به لطف امولسیون های دوگانه آب-روغن-آب، به عنوان مثال، ارائه مواد را با دقت فضایی بسیار ممکن می سازد . این امکان را می دهد که توزیع برخی داروها در بدن را تغییر دهید ( مثلاً برای کاهش سمیت کلیوی آمفوتریسین B ).
فناوری
برای ایجاد پایداری امولسیون در طول زمان، لازم است اندازه ذرات فاز ناپیوسته کاهش یابد ( قانون استوکس ). هرچه اندازه مورد نظر کوچکتر باشد، انرژی بیشتری برای بدست آوردن آن نیاز است. چندین دستگاه وجود دارد که قادر به تولید امولسیون هستند. از همزن به هموژنایزر فشار بالا ، عبور از آسیاب کلوئیدی و امولسیفایر توربو. هموژنایزر فشار بالا یکی از تکنیک های بدست آوردن کوچکترین اندازه ذرات است، زیرا می تواند اندازه های زیر 500 نانومتر را بدست آورد.. اصل ساده است: یک پمپ پیستونی سیال را برای امولسیون شدن از طریق یک روزنه قابل تنظیم به نام گروه همگن کننده فشار می دهد. هرچه دهانه کوچکتر باشد، فشار بیشتر نمایش داده می شود. در هنگام عبور از این مانع، سیال تحت تنش های مختلفی مانند آشفتگی، کاویتاسیون، برش قرار می گیرد که باعث دررفتگی ذرات سیال فاز ناپیوسته می شود. هموژنایزرهای فشار بالا از اواخر قرن نوزدهم ( مخترع Gaulin) در صنایع لبنی مورد استفاده قرار گرفتند . سایر صنایع هم اکنون از این دستگاه ها استفاده می کنند که قابلیت رسیدن به 1500 را دارد بار در تولید مستمر (نیرو سووی) مانند صنایع آرایشی و بهداشتی، صنایع داروسازی و سایر صنایع غذایی (مواد تشکیل دهنده، نوشیدنی ها و غیره ). تکنیک های میکروسیالی اکنون امکان به دست آوردن امولسیون هایی را فراهم می کند که اندازه قطرات آنها بهتر کنترل می شود.
امولسیون گیاهی آب (WPE) نمونه‌ای از فناوری است که به دو ماده مایع غیرقابل امتزاج (مانند آب و روغن) اجازه می‌دهد تا با هم مخلوط شوند و یک ماده همگن را تشکیل دهند. ماده اول در دوم از طریق قطرات کوچک پراکنده می شود و این مخلوط به لطف امولسیفایر پایدار می ماند. این فرآیند به طور خاص در عطرسازی، لوازم آرایشی، رایحه درمانی و مکمل های غذایی استفاده می شود و اثربخشی مواد فعالی را که مواد موثره آنها به طور مساوی در محصول توزیع شده است، تقویت می کند .
ثبات
امولسیون ها از نظر ترمودینامیکی ناپایدار هستند، با این حال می توانند از نظر جنبشی در یک دوره زمانی طولانی پایدار باشند که عمر مفید آنها را تعیین می کند. این مدت زمان باید اندازه گیری شود تا از کیفیت خوب محصول برای مشتری نهایی اطمینان حاصل شود. ” پایداری امولسیون به توانایی امولسیون برای مقاومت در برابر تغییر خواص آن در طول زمان اشاره دارد “، DJ McClements 7 (“پایداری امولسیون توانایی آن برای حفظ همان خواص در طول زمان است”).
پدیده های بی ثباتی
بی ثباتی ها را می توان به دو پدیده عمده طبقه بندی کرد:
- پدیده‌های مهاجرتی: که به موجب آن اختلاف چگالی بین فاز پیوسته و پراکنده منجر به جداسازی فاز گرانشی می‌شود: برای امولسیون‌ها خامه‌سازی ( فاز پراکنده کم‌تر از فاز پیوسته که آن را به سمت بالا هل می‌دهد) یا ته نشینی داریم . این پدیده ها برگشت پذیر هستند.
- پدیده افزایش سایز: که با افزایش اندازه قطره ها:
- برگشت پذیر: لخته سازی ،
- برگشت ناپذیر: ادغام ، رسیدن استوالد .
- پدیده وارونگی فاز
تکنیک تجزیه و تحلیل پایداری فیزیکی
امروزه آنالیز بصری پرکاربردترین آزمون است. نمونه در یک ظرف شفاف قرار می گیرد و در فواصل زمانی معین با چشم غیر مسلح مشاهده می شود. زمان اندازه گیری ارتباط مستقیمی با کاربرد دارد و می تواند از چند دقیقه (پانسمان) تا چندین ماه یا سال (کرم آرایشی) باشد. اگر مشاهدات بصری تنوع در همگنی (تغییر رنگ، جداسازی فاز، مهاجرت و غیره ) را بالاتر از حد قابل قبول نشان دهد، آنگاه محصول ناپایدار تلقی می‌شود و نیاز به فرمول‌بندی مجدد یا تغییر در فرآیند تولید دارد.
استاندارد ISO/TR 13097 8 تمام تکنیک های موجود برای نظارت بر پایداری فیزیکی سیستم های پراکنده را خلاصه می کند.
این سند ارائه می دهد:
- مکانیسم های بی ثباتی: تغییر در اندازه ذرات، مهاجرت، وارونگی فاز و غیره. ;
- ابزارهای توصیف (مشاهده بصری، پراکندگی نور با یا بدون وضوح فضایی، آکوستیک و الکتروآکوستیک و غیره )؛
- روشهای تسریع بی ثباتی (شتاب حرارتی با افزایش دما یا مکانیکی و غیره)؛
- پیش بینی ثبات
بی‌ثبات‌سازی سیستم‌های کلوئیدی یک فرآیند جنبشی است، هر چه آزمون پایداری انتخاب شود (مشاهده بصری، اندازه ذرات، پراکندگی نور، رئولوژی، پتانسیل زتا، و غیره)، تکامل پارامتر(ها) به عنوان تابعی از زمان باید باشد . در نظر گرفته شده است. بنابراین، آزمایش پایداری باید در طول زمان و در فواصل زمانی منظم تکرار شود تا تغییرات غیرعادی در مقایسه با محصولی که پایدار تلقی می‌شود، شناسایی شود.
گزارش فنی بر علاقه به تجزیه و تحلیل نمونه با تکنیک های غیر مخرب پافشاری می کند و محدودیت های روش های شتاب را ارائه می دهد.
روشهای شتاب برای پیش‌بینی طول عمر
فرآیند جنبشی بی‌ثباتی می‌تواند زمان ببرد، از این رو تکنیک‌هایی با حساسیت و روشهای شتاب بیشتر مورد توجه قرار می‌گیرد. افزایش دما پرکاربردترین روش است و امکان کاهش ویسکوزیته، افزایش پدیده های انتشار/برخورد و غیره را فراهم می کند. علاوه بر افزایش سرعت بی ثباتی، نگهداری در دمای بالا امکان شبیه سازی شرایط زندگی یک محصول تولیدی (در طول نگهداری و حمل و نقل، دما به راحتی می تواند به 40 درجه سانتیگراد برسد). دما نباید از یک مقدار بحرانی خاص برای هر سیستم تجاوز کند (وارونگی فاز، تخریب شیمیایی یا دمای نقطه جوش)، بنابراین این آزمایش با شرایط واقعی سازگار نیست. سایر تکنیک‌های شتاب‌گیری مانند سانتریفیوژ را می‌توان مورد استفاده قرار داد، اما باید با احتیاط انجام شود زیرا نیروهای وارد شده بر سیستم می‌توانند تغییراتی در خواص اولیه نمونه ایجاد کنند (تغییر ویسکوزیته، اصلاح شبکه پلیمری، ذرات جداسازی و غیره ) . و بنابراین نتایجی را ارائه می دهد که با واقعیت متفاوت است.