Emulsjoner: å finne olje og vann blanding

April 2014

Etter å ha lest denne artikkelen, vil du forstå:

  • den grunnleggende vitenskapen om emulsjoner;
  • hvordan formulators velge som emulgator for å bruke for en bestemt emulsjon;
  • hvordan emulgatorer brukes i matvarer, nutraceuticals, personlig og home care produkter, industrielle smøreoljer, miljø-teknologi, biodrivstoff, og andre programmer.,

immiscibility av olje og vann har inspirert ordtaket «Olje og vann ikke blander» og andre uttrykk som gjenspeiler den generelle uforlikelighet av to enheter, for eksempel «Min kollega og jeg er som olje og vann.»Ennå i vårt hjem finnes mange eksempler på produkter som olje og vann ikke blander: majones, melk, salat dressinger, håndkrem, og hår conditioner, for å nevne noen. Disse eksemplene representerer emulsjoner, som er stabile blandinger av ørsmå dråper av en immiscible væske i en annen, gjort mulig av kjemikalier kalles emulgatorer.,

Hvordan emulsjoner og emulgatorer arbeid

Enkel emulsjoner er enten olje suspendert i en vandig fase (o/w), eller vann suspendert i-olje (v/o). Melk er et eksempel på en o/w-emulsjon, som fett fase eller krem danner små dråper i skummet melk eller vann fase. I kontrast, margarin er en v/o emulsjon inneholder dråper av vann eller skummet melk i en blanding av vegetabilske oljer og fett. I begge tilfeller, emulgatorer er nødvendig for å hindre at den suspenderte dråper fra coalescing og bryte emulsjonen.,

Noen som har laget en enkel og olje-eddik salat dressing vet at, med nok riste eller visping, kan man gjøre en midlertidig emulsjon. Imidlertid, i mangel av emulgatorer, dette ustabil emulsjon brytes ned i løpet av minutter, og oljen danner et lag på toppen av eddik. For århundrer, kokker har lagt naturlige emulgatorer, slik som eggeplommer, sennep, eller honning, for å bidra til å hindre dette separasjon., I dag, et bredt utvalg av natur-basert og syntetiske emulgatorer er tilgjengelige for de ulike feltene som har nytte av dem, inkludert mat, nutraceuticals, hjem og personlig pleie, biodiesel -, miljø-opprydding, og industrielle smøremidler programmer.

Emulgatorer arbeid ved å danne fysiske barrierer som holder dråper fra coalescing. En type overflateaktivt stoff (se Sidebar), emulgatorer inneholde både hydrofile (vann-elskende, eller polar) elitegruppen og hydrofobe (olje-kjærlig, eller upolare) hale. Derfor, emulgatorer er tiltrukket av både polare og upolare forbindelser., Når det legges til en o/w-emulsjon, emulgatorer surround olje dråpe med sine upolare haler utvide inn i olje, og deres polar hodet grupper som vender mot vannet (Fig. 1). For en v/o emulsjon, den emulgator orientering er reversert: upolare haler utvide utover i olje fase, mens polar hodet grupper punktet i vannet dråpe. På denne måten, emulgatorer lavere interfacial spenning mellom olje og vann faser, stabilisere dråper og hindrer dem fra coalescing.,

Emulgatorer kan være kationiske (positivt ladet polar hodet gruppe), anioniske (negativt ladet hodet gruppe), eller ikke-ioniske (uncharged hodet gruppe). Når belastet emulgatorer strøk dråper i en o/w-emulsjon, positive eller negative ladninger på utsiden av oljedråpene elektrostatisk frastøte hverandre, og bidrar til å holde den dråper atskilt. Ikke-ioniske emulgatorer har en tendens til å ha store, store hodet grupper som peker bort fra olje dråpe., Disse polare hodet grupper sammenstøt og tukle med hodet grupper på andre vanndråper, sterically hindrer dråper fra å komme sammen. Den type emulgator som brukes, avhenger av programmet, med kationisk emulgatorer som vanligvis brukes i lav-til-nøytral pH-løsninger og-anioniske emulgatorer i alkaliske løsninger. Ikke-ioniske emulgatorer kan brukes alene eller i kombinasjon med belastet emulgatorer for å øke emulsjon stabilitet.

Hvordan å velge riktig emulgator

Hvordan gjøre produktet formulators velge som emulgator for å bruke for en bestemt emulsjon?, Beregning av hydrofile-lipofile balanse (HLB) av en emulgator, eller en kombinasjon av emulgatorer kan hjelpe. I en ideell emulsjon, den emulgator er like tiltrukket av vannet fase og oljefasen. Hvis balansen er vippet i begge retninger, emulgator kan miste kontakten med den fasen der det er mindre tiltrukket, forårsaker emulsjon å bryte ned.

Forskjellige emulgatorer har ulike HLB verdier, noe som kan forutse deres evne til å stabilisere ulike typer emulsjoner (Fig. 2)., Den HLB skalaen strekker seg fra 0 til 20, med 10 som svarer til en emulgator som er like tiltrukket av vann og olje. Emulgatorer med HLB verdier som er større enn 10, er mer hydrofile og dermed bedre til å stabilisere o/w-emulsjoner. I kontrast, emulgatorer med HLB-verdier som er mindre enn 10, er mer hydrofobe og derfor bedre egnet for v/o emulsjoner.

Videre, forskjellige oljene har forskjellige HLB krav., For eksempel, vegetabilsk olje emulsjoner trenger en emulgator med en HLB av 7-8, mens det kreves HLB verdi å danne en stabil castor olje emulsjon er 14. Ved å matche HLB verdien av emulgator med olje, formulators kan i stor grad øke sjansene for å produsere en stabil emulsjon.

Ifølge George Smith, teknisk direktør for Amerika på Huntsman Ytelse Produkter i The Woodlands Texas, USA, en kombinasjon av emulgatorer vanligvis fungerer bedre enn noen enkelt emulgator., «Hvis du prøver å gjøre et mineral-olje emulsjon, for eksempel HLB for mineralolje er 10,» sier han. «Så du vil plukke et par av emulgatorer, ett med en HLB høyere enn 10, og en annen med en HLB lavere enn 10. Når du kombinerer dem, gjennomsnittlig kommer ut rundt 10.»

HLB system, som fungerer først og fremst for ikke-ioniske emulgatorer, har eksistert siden 1954. På 1970-tallet, den hydrofile-lipofile forskjell (HLD) systemet ble innført., Den HLD-systemet fungerer for ioniske så vel som ikke-ioniske overflateaktive stoffer, og det er bedre i stand til å ta hensyn til detaljerte egenskaper av en bestemt emulsjon som saltholdighet, oljetype, overflateaktivt middel konsentrasjon og temperatur.

HLD ligningen inneholder vilkår for salt konsentrasjon, «oiliness» av oljen (den effektive alkane karbon-nummer), og den karakteristiske kurvatur (Cc) av emulgator., Cc verdien av en emulgator reflekterer om emulgator foretrekker å bøye seg rundt en dråpe olje i vann (negative Cc) eller å bøye seg rundt en dråpe vann i en v/o emulsjon (positiv Cc). For eksempel, en svært hydrofil emulgator, sodium laurel sulfat, har en Kopi av -2.3, mens en svært hydrofobe emulgator, dioctyl sodium sulfosuccinate, har en Kopi av 2.6. Cc for kombinasjoner av emulgatorer er et veid gjennomsnitt for hver emulgator. Den HLD skala sentre på 0, noe som tilsvarer optimal emulsjon. Online kalkulatorer eksisterer for å optimalisere HLD for en bestemt emulsjon (f.eks.,, www.stevenabbott.co.uk/HLD-NAC.html).

Makro – og microemulsions

Stadig, formulators er interessert i å gjøre microemulsions, som gir større stabilitet enn konvensjonelle macroemulsions. Som navnet antyder, microemulsions har dråpestørrelse mindre størrelser enn vanlig emulsjoner, noe som gjør dem vises gjennomsiktig snarere enn ugjennomsiktig. I motsetning til macroemulsions, microemulsions er thermodynamically stabil., «Gitt nok tid, en macroemulsion vil bryte ned til vann og olje faser,» sier David Sabatini, associate director ved Institutt for Anvendt Overflateaktivt stoff Forskning ved University of Oklahoma, Norman, USA. «Men tiden er ikke en faktor i hvor lenge en microemulsion vil forbli i sin nåværende tilstand.»I tillegg, hvis en temperatur endringer fører til en emulsjon å bryte ned, en microemulsion vil spontant reform når temperaturen endres tilbake til sin opprinnelige verdi. I motsetning, en macroemulsion krever en energi-input til å dukke opp igjen.,

Microemulsions er laget forskjellig fra macroemulsions. Macroemulsions krever høy intensitet blanding. Fordi microemulsions er en thermodynamically stabil end point at et system som naturlig vandrer mot, de vanligvis ikke krever sterk blanding. Imidlertid, formulators bruker ofte forsiktig omrøring til jevnt fordelt komponentene og fremskynde prosessen med microemulsion dannelse.

i Forhold til macroemulsions, microemulsions krever mer overflateaktivt middel., «Tid stabilitet peker i retning av microemulsions, men overflateaktivt stoff kravet kan peke i favør av macroemulsions, sier Sabatini. «Det kan være at 3 eller 6 måneder er nok lenge nok for din søknad og tid kan ikke være en faktor i den situasjonen.»For eksempel matvarer, vil det ofte gå ille før en macroemulsion bryter ned, sier han.

på Grunn av deres bemerkelsesverdig stabilitet, microemulsions er å finne programmer i ulike felt som for eksempel personlig pleie produkter, olje feltet kjemikalier, og medisin., «Macroemulsion begrepene har eksistert i århundrer, men avansert microemulsion konsepter er bare om to til tre tiår gamle,» sier Sabatini. «Det er en økende interesse i microemulsions fordi vi bare begynner å forstå sine evner.»

Mat

Mange populære matvarer er emulsjoner, inkludert majones, salat dressinger, sauser som Hollandaise, sjokolade og iskrem. Lecithin, en blanding av naturlig forekommende fosfolipider, er mye brukt i næringsmiddelindustrien for å fremme o/w-emulsjoner. Over hele verden, de fleste kommersielle lecithin kommer fra soyaolje., Egg eggeplomme, den tradisjonelle emulgator for majones og sauser, også inneholder lecithin. Andre vanlige emulgatorer i matvarer er proteiner, fettsyrer estere, sodium stearoyl lactylate, og mono – og diglycerides.

å Lage mat emulsjoner kan være utfordrende fordi «mat er komplekse systemer med mange ulike ingredienser samspill, sier John Neddersen, senior program forsker i fett, oljer, og emulgatorer i DuPont Ernæring og Helse, basert på Nye Århundre, Kansas, USA., «Selv om retningslinjene som HLB skala kan hjelpe, mesteparten av tiden erfaring og eksperimentering er nødvendig for å finne det optimale valget av emulgatorer og bruk priser.»Neddersen merk at behandling kan være en utfordring når du arbeider med mat emulsjoner. «Et selskap kan ha en enkelt formel kjøre på flere steder og se forskjellige resultater på de ulike anleggene, sier han. Disse forskjeller kan oppstå fra tilsynelatende små variasjoner i anlegget betingelser.,

DuPont selger et bredt spekter av emulgatorer, inkludert Panodan® DATEM (diacetyl tartaric acid ester av monoglycerides) linje spesielt for bakervarer og Cremodan® linje for iskrem og andre frosne desserter. Som et alternativ til lecithin i sjokolade og andre konfekt, DuPont tilbyr Grindsted® CITREM, en sitronsyre ester. Denne emulator kan erstatte soya lecithin, som nylig har kommet under ild, spesielt i Europa, fordi de fleste soya avlinger dyrkes for eksport (spesielt Usa, Brasil og Argentina) er genmodifiserte., Ikke-genmodifisert soya er dyre, og i en mangelvare. Derfor, CITREM kan vise seg å være et attraktivt alternativ for konditorer som ønsker å unngå ingredienser laget av genmodifisert soya.

Bærekraftige innkjøp av palmeolje har også blitt en kunde bekymring, som rapporter har vist at utviklingen av palmeolje plantasjer skader miljøet og truer med truede dyr i Malaysia og Indonesia, der de fleste palmeolje stammer. Som et resultat, DuPont innført en portefølje av emulgatorer basert på bærekraftig hentet palm og ikke-palm oljer., Innen 2015, DuPont har lovet å kilde 100% av palmeolje fra plantasjer som er sertifisert av Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO).

Redusert fett emulsjoner er et annet hett tema for næringsmiddelindustrien. Når fettet er fjernet fra en mat å gjøre en redusert fett eller fett-fri versjon, smak, utseende og tekstur ofte lider. D. Julian McClements, professor i fysisk-kjemi ved University of Massachusetts Amherst, USA sier at det er flere måter at emulsjoner eller emulgatorer kunne bidra til å redusere fett-innhold i matvarer., For eksempel, forskere kunne struktur vann-i-olje-i-vann (w/o/w) emulsjoner. «Kan du ta litt av fettet ut av dråper og erstatte den med vann,» sier han.

en Annen metode, som kalles heteroaggregation, er å blande olje dråper belagt med emulgatorer av motsatt ladning. «Vi blander en positiv dråpe og en negativ dråpe sammen, og de danner en gel-nettverket,» sier McClements. «Den resulterende emulsjon har en svært høy viskositet og lav fett innhold og etterligner noen av karakteristikkene av en høy-fett produktet.,»

Nutraceuticals

Forskere undersøker emulsjoner som leveringsmidler for vitaminer, kosttilskudd, og andre nutraceuticals. McClements’ lab har brukt emulsjoner til å kapsle inn a-vitamin E, karoten, omega-3 fettsyrer, curcumin, koenzym Q10, og andre bioaktive stoffer. Til slutt, han ønsker å innlemme nutraceuticals som disse til funksjonell mat.

«Ett av våre mål er å øke stabiliteten av aktive stoffer som er innkapslet i emulsjoner i matrester, sier McClements., «Vi ønsker også å kontrollere sin egen skjebne i mage-tarmkanalen når de har blitt fordøyd.»

I tillegg til konvensjonelle emulsjoner, McClements’ lab gjør mer komplekse emulsjoner som nanoemulsions, solid-lipid knutsen, fylt hydrogel partikler (Fig. 3), og flerlags emulsjoner. Ulike typer av emulsjoner kunne ha ulike programmer. «Noen av dem kan beskytte komponenter fra kjemisk nedbrytning, noen kan levere forbindelser til kolon, og noen kan styre smaken utgivelse,» sier McClements., «Så du er nødt til å ha en annen type levering system for hvert program.»

Flerlags emulsjoner består av oljedråper belagt med en emulgator, i tillegg til ett eller flere biopolymer lag, spredt i en vandig løsning. Den emulgator er vanligvis elektrisk ladet, og polymer layer(s) har motsatte ladninger som tiltrekker dem til overflaten av olje dråpe.,

Ifølge for å McClements, flerlags emulsjoner har en tendens til å ha bedre fysisk stabilitet enn single-layer emulsjoner gjennom svingninger i pH, ionisk styrke, temperatur, frysing og tining, og dehydrering. I tillegg, forskere kan design flerlags emulsjoner til å kontrollere sine sammenbrudd i mage-tarmkanalen. «Kan du lage dem slik at de er fordøyd veldig raskt, som en normal emulsjon, eller du kan gjøre dem, så de går ytterligere ned mage-tarmkanalen,» sier han., «Sistnevnte kan være nyttig hvis du ønsker å levere noe til kolon, eller du forsøker å kontrollere metthetsfølelse ved å få ufordøyd forbindelser lenger ned i mage-tarmkanalen.»

Personlig pleie

de Fleste personlig pleie-produkter, inkludert kremer, kremer, sjampo og balsam, er emulsjoner. Felles emulgatorer for personlig pleie produkter inkluderer ethoxylated alkoholer, carboxylates, sodium isethionate, glyserol monostearate, cetyl alcohol, stearyl alkohol, og silikon emulgatorer som dimethicones.,

«trenden akkurat nå er de fleste mennesker ønsker å bruke en emulgator som er basert på anlegget råvarer snarere enn petrokjemikalier,» sier Smith. Syntetiske emulgatorer som ethoxylated alkoholer og deres naturlig utvunnede kolleger har samme strukturer, ytelse og biologisk nedbrytning. «Prisen svinger frem og tilbake, avhengig av prisen på palm kernel olje i Malaysia og prisen av etylen i Nord-Amerika,» sier Smith. «I det øyeblikket jeg tror petrokjemikalier har den fordelen, men det skifter hver to til tre år.,»

Juan Mateu, teknisk direktør i JEEN International i Fairfield, New Jersey, USA, sier at det har vært en bevege seg bort fra syntetiske ethoxylated alkohol i de siste årene på grunn av bekymringer om rester av 1,4-dioxane, en mistenkt kreftfremkallende stoff som er et biprodukt i deres produksjon. Naturlig utvunnede glucosides har blitt foreslått som erstatning for enkelte programmer. Men, «Det er for tidlig å si at ethoxylated alkoholer kan erstattes, sier Mateu. «Det er noen emulsjoner du kan gjøre med glucosides, men for det meste hele verden er fortsatt bruke ethoxylates.,»

I 2009, JEEN International lanserte sin Jeesperse linje med kald-prosessen emulgatorer, som lar formulators å lage emulsjoner inneholder voksaktig stoffer ved romtemperatur (25-30°C). Mange vanlige emulgatorer i personlig pleie-produkter, for eksempel cetyl alcohol, og glyserol monostearate, er voks med relativt høy smelte poeng (opp til 165°C). Før Jeesperse, produsenter hadde å varme emulgatorer i olje fase for å smelte dem, og deretter tilsett smeltet emulgator til den vandige fasen og kule emulsjon på en kontrollert hastighet ned til romtemperatur., I kontrast, Jeesperse lar emulsjon å være laget i en enkelt vannkoker ved romtemperatur, noe som resulterer i betydelige besparelser i tid og penger.

Den hemmelige ingredienser i Jeesperse produkter er polyelectrolytes, for eksempel natrium polyacrylate. Den polyelectrolytes er polare molekyler som kan indusere polaritet i upolare voks, slik at de kan løses opp i kaldt vann (polare løsemidler). Mateu sier at i laboratoriet, kan han gjøre en emulsjon med den kalde prosessen i ca 20 minutter, i motsetning til flere timer, blanding, varme-og kjøling med konvensjonelle prosessen., «Estetisk, produktet er det samme—det føles samme og ser det samme—så hvorfor ikke?»sier han.

En kort video som viser den kalde-prosessen formulering av en lotion med en Jeesperse emulgator.

Home care

Mange rengjøringsmidler og vaskeritjenester vaskemidler som inneholder overflateaktive stoffer som bland oljeholdig smuss partikler slik at de kan bli utvannet og vasket bort. Ethoxylated alkohol er en vanlig ingrediens i vaskemiddel til klær. Mange rengjøringsmidler inneholder en blanding av ikke-ionisert og anioniske emulgatorer for å løfte flekker ut av tekstiler.,

Ifølge for å Sabatini, fjerne triglyserider som fett, bacon fett og vegetabilske oljer fra tekstiler er spesielt utfordrende. Hans lab har vist at lengre tensider, som er overflateaktive med mellomliggende polaritet grupper (f.eks., polypropylen oksid og polyetylen oksid) satt inn mellom hydrofile hodet og hydrofobe halen, er effektive i å fjerne disse typer fet flekker.

Industrielle smøremidler

Metallbearbeiding væsker og andre industrielle smøremidler er vanligvis o/w-emulsjoner., Emulgatorer tillate metalworkers å gjøre bruk av både den smørende egenskaper av oljer og kjøling egenskapene til vann. Anioniske og ikke-ionisert emulgatorer brukes ofte sammen i metallbearbeiding væsker. Kationiske emulgatorer brukes sjelden fordi de er ustabile i alkalisk løsning (pH 8-9.5) er nødvendig for metallbearbeiding væsker.

miljøteknologier

Emulsjoner og microemulsions har blitt brukt til miljø-teknologier som underlag miljørensing og biodrivstoff produksjon., For eksempel, når olje eller gass er sølt olje blir fanget i porene i jorda og rock. Sabatini s lab har utviklet alkohol-gratis microemulsions som bidra til å fjerne olje forurensning fra undergrunnen på en miljøvennlig måte. «Olje er fanget i porene på grunn av interfacial spenning mellom vann og olje, sier Sabatini. «Hvis vi kan redusere denne interfacial spenning med emulgatorer, kan vi øke vår pris på å rydde opp i forurensning.»

I 1997, Sabatini og flere kolleger grunnlagt et firma som heter Surbec Miljø, LLC, til å implementere denne teknologien., Siden da, Surbec har bistått med miljømessig opprydding av flere steder i Usa og i utlandet. Eksempler på dette er en bensinstasjon med en lekk underjordisk tank og et militært område som er forurenset med flydrivstoff.

Sabatini har også benyttet sine emulsjoner forskning til mer effektiv produksjon av biodrivstoff. Biodiesel er en vegetabilsk olje, slik som soyaolje, som har blitt kjemisk modifisert gjennom en transesterification reaksjon for å redusere viskositeten. «I forhold til forbrenning, trenger du ikke å endre vegetabilsk olje., Du kan bruke vegetabilsk olje i en dieselmotor, og det vil fungere ganske godt, uten endring,» sier Sabatini. «Det er bare det at vegetabilsk olje viskositet problemer, spesielt ved lavere temperaturer.»

Som det viser seg, microemulsification av vegetabilske oljer kan redusere viskositeten, uten behov for transesterification reaksjon. Dette ville spare tid og tillate mer av råstoffet til å brukes som brensel. Imidlertid, Sabatini bemerker at forskning er fortsatt i en tidlig fase.,

Selv om mennesker har vært å lage emulsjoner for hundrevis, hvis ikke tusenvis, av år, har vi først nå begynner å sette pris på sine ulike programmer på mange felt. Komplekse emulsjoner, som microemulsions og flerlags emulsjoner, lover å ytterligere utvide repertoaret av programmer, spesielt i nye områder, slik som funksjonell mat-og biodiesel-produksjon. Nå hvis vi bare kunne finne en emulgator for at vanskelig kollega.

Laura Cassiday er en freelance vitenskap forfatter og redaktør basert i Hudson, Colorado, USA. Hun har en Ph. D., i biokjemi fra Mayo Graduate School og kan kontaktes på [email protected]

Sidebar

Hva er forskjellen?
vilkårene overflateaktivt stoff, emulgator, og rengjøringsmiddel brukes ofte om hverandre, men det er forskjeller.

Overflateaktivt stoff er det videste begrepet: Både emulgatorer og vaskemidler er overflateaktive. Tensider, eller overflateaktive stoffer, er forbindelser som senker overflatespenningen mellom to væsker eller mellom en flytende og en fast., Tensider er amfifile, noe som betyr at de inneholder hydrofile (vann-elskende) hode grupper og hydrofobe (vann-hate, eller olje-elskende) haler. Tensider adsorbere i grensesnittet mellom olje og vann, og dermed redusere overflatespenningen.

En emulgator er et overflateaktivt stoff som stabiliserer emulsjoner. Emulgatorer strøk dråper i en emulsjon og hindre dem fra å komme sammen, eller coalescing.

Et vaskemiddel er et overflateaktivt stoff som har rengjøring egenskaper i fortynnede løsninger.

på samme måte, vilkårene emulsjon, suspensjon, og skummet er av og til forvirret.,

En emulsjon er en blanding av to eller flere væsker, med eller uten emulgator, som er normalt immiscible. En av væsker, den «dispergert fase,» danner dråper i den andre væsken, den «kontinuerlige fasen.»

En suspensjon er en solid dispergert i væske. Partiklene er stort nok for sedimentering.

En foam er et stoff der gass bobler er suspendert i en væske.,

Sidebar

Teknisk sesjon høydepunkter suspensjoner, emulsjoner og skum
Du kan lære om den nyeste utviklingen i suspensjoner, emulsjoner og skum ved å delta på en felles teknisk økt på disse emnene i den kommende 2014 AOCS årsmøte & Expo i San Antonio, Texas, USA. Økten, som vil bli avholdt onsdag, Mai 7, fra 1:55-5 pm,, vil inneholde et bredt spekter av tekniske emner—fra fabrikasjon av redusert-fett produkter ved kontrollert aggregering av lipid dråper til utforming av lipopeptide biosurfactant blandinger for å spre oljesøl i sjøvann.

økten er i fellesskap sponset av AOCS’ Spiselig Programmer Teknologi (SPISE) og Tensider & Vaskemiddel (S&D) divisjoner, og er cross oppført i programmet som SPISER 5.0 og S&D 5.1. En komplett liste over presentasjoner.

Leave a Comment