abril de 2014
Depois de ler este artigo, você vai entender:
- a ciência básica de emulsões;
- como formuladores de escolher qual o emulsificante para usar para um determinado emulsão;
- como emulsificantes são utilizados em alimentos, nutracêuticos, de cuidados pessoais e domésticos, produtos de lubrificantes industriais, tecnologias ambientais, biocombustíveis, e outras aplicações.,a imiscibilidade do óleo e da água inspirou o provérbio “óleo e água não se misturam” e outras expressões que refletem a incompatibilidade geral de duas entidades, como “meu colega e eu somos como óleo e água.”No entanto, dentro de nossas casas são inúmeros exemplos de produtos em que o óleo e a água se misturam: maionese, leite, guarnições de salada, loção para as mãos, e condicionador de cabelo, para citar apenas alguns. Estes exemplos representam emulsões, que são misturas estáveis de gotículas minúsculas de um fluido imiscível dentro de outro, tornado possível por produtos químicos chamados emulsionantes.,como funcionam as emulsões e os emulsionantes, as emulsões simples são quer o óleo suspenso numa fase aquosa (o/w), quer a água suspensa em óleo (o/o). O leite é um exemplo de uma emulsão o/w, na qual a fase gorda ou creme forma gotículas minúsculas dentro da fase de leite magro, ou fase de água. Em contraste, margarina é uma emulsão w/o contendo gotas de água ou leite magro em uma mistura de óleos vegetais e gordura. Em ambos os casos, os emulsionantes são necessários para evitar que as gotículas suspensas se aglutinem e quebrem a emulsão.,qualquer pessoa que tenha feito um simples molho de salada de óleo e vinagre sabe que, com agitação ou sussurros suficientes, se pode fazer uma emulsão temporária. No entanto, na ausência de emulsionantes, esta emulsão instável quebra em poucos minutos, e o óleo forma uma camada sobre o vinagre. Durante séculos, os cozinheiros adicionaram emulsionantes naturais, como gema de ovo, mostarda ou mel, para ajudar a evitar esta separação., Hoje, uma grande variedade de emulsificantes naturais e sintéticos estão disponíveis para os diversos campos que se beneficiam deles, incluindo alimentos, nutracêuticos, cuidados domésticos e pessoais, biocombustíveis, limpeza ambiental e aplicações de lubrificantes industriais.os emulsionantes trabalham através da formação de barreiras físicas que impedem as gotículas de coalescer. Um tipo de surfactante (ver Sidebar), emulsionantes contém tanto um grupo hidrofílico (água-amorosa, ou polar) e uma cauda hidrofóbica (óleo-amante, ou não-polar). Portanto, emulsificantes são atraídos por compostos polares e não-polares., Quando adicionados a uma emulsão o / w, os emulsionantes rodeiam a gota de óleo com suas caudas não-polares estendendo-se para o óleo, e seus grupos polares de cabeça voltados para a água (Fig. 1). Para uma emulsão w/o, a orientação do emulsionante é invertida: caudas não-polares estendem-se para fora na fase de óleo, enquanto os grupos polares apontam para a gota de água. Desta forma, os emulsificantes diminuem a tensão interfacial entre as fases de óleo e água, estabilizando as gotículas e impedindo-as de se coalescerem.,
emulsionantes podem ser catiónicos (grupo da cabeça polar carregado positivamente), aniónicos (grupo da cabeça carregado negativamente) ou não iónicos (grupo da cabeça não carregado). Quando os emulsificantes carregados caem sob uma emulsão o / w, as cargas positivas ou negativas no exterior das gotículas de óleo repelem-se eletrostaticamente, ajudando a manter as gotículas separadas. Os emulsificantes não-iónicos tendem a ter grandes grupos de cabeça volumosos que apontam para longe da gota de óleo., Estes grupos de cabeças polares chocam e se enredam com grupos de cabeças em outras gotículas de água, impedindo as gotículas de se juntarem. O tipo de emulsionante utilizado depende da aplicação, com emulsionantes catiónicos tipicamente usados em soluções de pH baixas a neutras e emulsionantes aniónicos em soluções alcalinas. Os emulsionantes não iónicos podem ser utilizados isoladamente ou em combinação com emulsionantes carregados para aumentar a estabilidade da emulsão.como escolher o emulsionante certo
Como escolher os formuladores do medicamento para uma emulsão específica?, O cálculo do balanço hidrofílico-lipofílico (HLB) de um emulsionante ou combinação de emulsionantes pode ajudar. Em uma emulsão ideal, o emulsionante é igualmente atraído para a fase de água e a fase de óleo. Se o equilíbrio for inclinado em qualquer direção, o emulsionante pode perder o contato com a fase para a qual é menos atraído, fazendo com que a emulsão se quebre.
emulsionantes diferentes têm valores diferentes de HLB, que podem prever a sua capacidade de estabilizar vários tipos de emulsões (Fig. 2)., A escala HLB varia de 0 a 20, com 10 correspondendo a um emulsionante que é igualmente atraído por água e petróleo. Os emulsionantes com valores de HLB superiores a 10 são mais hidrofílicos e, portanto, mais eficazes na estabilização das emulsões o/w. Em contraste, os emulsionantes com valores de HLB inferiores a 10 são mais hidrofóbicos e, portanto, mais adequados para emulsões w/o.
, Por exemplo, as emulsões de óleo vegetal necessitam de um emulsionante com um HLB de 7-8, enquanto o valor HLB necessário para formar uma emulsão de óleo de rícino estável é de 14. Ao combinar o valor HLB do emulsionante com o do Óleo, os formuladores podem aumentar consideravelmente as suas hipóteses de produzir uma emulsão estável.de acordo com George Smith, diretor técnico para as Américas da Huntsman Performance Products em Woodlands, Texas, EUA, uma combinação de emulsificantes geralmente funciona melhor do que qualquer emulsionante., “Se você está tentando fazer uma emulsão de óleo mineral, por exemplo, a HLB para óleo mineral é de 10”, diz ele. “Então você vai escolher um par de emulsionantes, um com um HLB superior a 10 e outro com um HLB inferior a 10. Quando você os combina, a média sai por volta de 10.”
O sistema HLB, que funciona principalmente para emulsionantes não-iónicos, existe desde 1954. Na década de 1970, o sistema de diferença hidrofílica-lipofílica (HLD) foi introduzido., O sistema HLD funciona tanto para os tensioactivos iónicos como não iónicos, e é mais capaz de ter em conta as características pormenorizadas de uma emulsão específica, como a salinidade, o tipo de óleo, a concentração dos tensioactivos e a temperatura.
a equação de HLD inclui termos para a concentração de sal, “oleosidade” do óleo (o número efetivo de carbono alcano), e a curvatura característica (Cc) do emulsionante., O valor Cc de um emulsionante reflete se o emulsionante prefere curvar em torno de uma gota de óleo em água (Cc negativo) ou curvar em torno de uma gota de água em uma emulsão w/o (Cc positivo). Por exemplo, um emulsionante muito hidrofílico, sulfato de laurel sódico, tem um Cc de -2.3, enquanto um emulsionante muito hidrofóbico, sulfossuccinato de sódio Dioctil, tem um Cc de 2,6. O Cc para combinações de emulsionantes é a média ponderada para cada emulsionante. A escala HLD centra-se em 0, o que corresponde à emulsão ideal. Calculadoras Online existem para otimizar o HLD para uma emulsão particular (e.g.,, www.stevenabbott.co.uk/HLD-NAC.html).
Macro e microemulsões
cada vez mais, os formuladores estão interessados em fazer microemulsões, que oferecem maior estabilidade do que as macroemulsões convencionais. Como o nome sugere, as microemulsões têm tamanhos de gotículas menores do que as emulsões regulares, tornando-as transparentes e não opacas. Ao contrário das macroemulsões, as microemulsões são termodinamicamente estáveis., “Com tempo suficiente, uma macroemulsão se decomporá em fases de água e óleo”, diz David Sabatini, Diretor Associado do Instituto de Pesquisa Aplicada de surfactantes na Universidade de Oklahoma, Norman, EUA. “Mas o tempo não é um fator em quanto tempo uma microemulsão permanecerá em seu estado atual.”Além disso, se uma mudança de temperatura faz com que uma emulsão se quebre, uma microemulsão irá se reformar espontaneamente quando a temperatura muda de volta ao seu valor original. Em contraste, uma macroemulsão requer uma entrada de energia para reaparecer.,as microemulsões são feitas de forma diferente das macroemulsões. As macroemulsões exigem uma mistura de alta intensidade. Como as microemulsões são um ponto final termodinamicamente estável para o qual um sistema migra naturalmente, elas geralmente não requerem uma mistura vigorosa. No entanto, os formuladores frequentemente usam agitação suave para espalhar uniformemente os componentes e acelerar o processo de formação de microemulsão.em comparação com macroemulsões, as microemulsões requerem mais surfactante., “A estabilidade do tempo aponta na direção das microemulsões, mas a exigência de surfactantes pode apontar em favor das macroemulsões”, diz Sabatini. “Pode ser que 3 ou 6 meses é suficiente para a sua aplicação e tempo pode não ser um fator nessa situação.”Por exemplo, os produtos alimentares muitas vezes vão mal antes de uma macroemulsão se quebrar, diz ele.devido à sua notável estabilidade, as microemulsões estão encontrando aplicações em diversos campos, tais como produtos de cuidados pessoais, produtos químicos de campo de petróleo e medicina., “Os conceitos de macroemulsão existem há séculos, mas os conceitos avançados de microemulsão têm apenas cerca de duas a três décadas”, diz Sabatini. “Há um interesse crescente em microemulsões porque estamos começando a entender suas capacidades.”
alimentos
muitos alimentos populares são emulsões, incluindo maionese, guarnições de salada, molhos como Hollandaise, chocolate e sorvete. A lecitina, uma mistura de fosfolípidos naturais, é amplamente utilizada na indústria alimentar para promover emulsões o/w. Em todo o mundo, a maior parte da lecitina comercial vem do óleo de soja., Gema de ovo, a emulsionante tradicional para maionese e molhos, também contém lecitina. Outros emulsionantes comuns nos alimentos são proteínas, ésteres de ácidos gordos, estearoil – lactilato de sódio e mono e diglicéridos.fazer emulsões alimentares pode ser um desafio porque “os alimentos são sistemas complexos com muitos ingredientes diferentes interagindo”, diz John Neddersen, cientista sênior de aplicações em gorduras, óleos e emulsionantes da DuPont Nutrition and Health, com base em New Century, Kansas, EUA., “Embora diretrizes como a escala HLB possam ajudar, a maioria do Tempo experiência e experimentação são necessários para encontrar a melhor escolha de emulsionantes e taxas de uso.”Neddersen observa que o processamento pode ser outro desafio quando se trabalha com emulsões alimentares. “Uma empresa pode ter uma fórmula única em vários locais e ver resultados diferentes nas diferentes plantas”, diz ele. Estas diferenças podem surgir de variações aparentemente sutis nas condições das plantas.,a DuPont vende uma vasta gama de emulsionantes, incluindo a linha Panodan® DATEM (éster de ácido diacetil tartárico de monoglicéridos), especialmente para produtos de Padaria e a linha Cremodan® para gelados e outras sobremesas congeladas. Como alternativa à lecitina em chocolates e outros produtos de confeitaria, a DuPont oferece a Grindsted® CITREM, um éster de ácido cítrico. Este emulsionante pode substituir a lecitina de soja, que foi recentemente incendiada, particularmente na Europa, porque a maioria das culturas de soja cultivadas para exportação (especialmente os Estados Unidos, Brasil e Argentina) são geneticamente modificadas., A soja não geneticamente modificada é cara e em falta. Portanto, o CITREM pode ser uma alternativa atraente para os confeiteiros que querem evitar ingredientes feitos a partir de soja geneticamente modificada.o fornecimento sustentável de óleo de palma também se tornou uma preocupação para o cliente, já que surgiram relatos de que o desenvolvimento de plantações de óleo de Palma prejudica o meio ambiente e ameaça a vida selvagem ameaçada na Malásia e na Indonésia, onde a maioria do óleo de palma se origina. Como resultado, a DuPont introduziu um portfólio de emulsionantes com base em óleos de Palma e não de Palma de origem sustentável., Até 2015, a DuPont comprometeu-se a obter 100% de seu óleo de Palma de plantações certificadas pela Mesa Redonda Sobre óleo de palma sustentável (RSPO).as emulsões de gorduras reduzidas são outro tema quente para a indústria alimentar. Quando a gordura é removida de um alimento para fazer uma versão reduzida de gordura ou sem gordura, o sabor, aparência e textura muitas vezes sofrem. D. Julian McClements, professor de físico-química na Universidade de Massachusetts Amherst, EUA, diz que há várias maneiras que emulsões ou emulsificantes podem ajudar a reduzir o teor de gordura dos alimentos., Por exemplo, os investigadores poderiam estruturar emulsões água-em-óleo-em-água (w/o/w). “Você poderia tirar um pouco da gordura das gotículas e substituí-la por água”, diz ele.outra abordagem, chamada heteroagregação, é misturar gotas de óleo revestidas com emulsionantes de carga oposta. “Misturamos uma gota positiva e uma gota negativa juntas, e elas formam uma rede de gel”, diz McClements. “A emulsão resultante tem uma viscosidade muito elevada e um baixo teor de gordura e imita algumas das características de um produto com elevado teor de gordura.,”
nutracêuticos
pesquisadores estão explorando emulsões como veículos de entrega para vitaminas, suplementos e outros nutracêuticos. O laboratório do McClements utilizou emulsões para encapsular a vitamina E, os carotenóides, os ácidos gordos ómega-3, a curcumina, a coenzima Q10 e outros compostos bioactivos. Eventualmente, ele gostaria de incorporar nutracêuticos como estes em alimentos funcionais.”um de nossos objetivos é aumentar a estabilidade dos compostos ativos que estão encapsulados em em emulsões em partículas de alimentos”, diz McClements., “Também gostaríamos de controlar o seu destino no tracto gastrointestinal assim que forem digeridos.”
In addition to conventional emulsões, McClements’ lab makes more complex emulsões such as nanoemulsões, solid-lipid nanoparticles, filled hydrogel particles (Fig. 3), e emulsões de camadas múltiplas. Diferentes tipos de emulsões podem ter aplicações diferentes. “Alguns deles podem proteger componentes da degradação química, alguns podem entregar compostos para o cólon, e alguns podem controlar a liberação de sabor”, diz McClements., “Então você tem que ter um tipo diferente de Sistema de entrega para cada aplicação.”
emulsões Multicamadas consistem em gotículas de óleo revestidas com um emulsionante e uma ou mais camadas de biopolímero, dispersas numa solução aquosa. O emulsionante é normalmente carregado eletricamente, e a(s) camada (s) de polímero têm cargas opostas que os atraem para a superfície da gota de óleo.,de acordo com ameias, as emulsões Multicamadas tendem a ter uma melhor estabilidade física do que as emulsões de camada única, devido a flutuações de pH, resistência iónica, temperatura, congelação e descongelação, e desidratação. Além disso, os investigadores podem conceber emulsões multicamadas para controlar a sua degradação no tracto gastrointestinal. “Você pode fazê-los para que sejam digeridos muito rapidamente, como uma emulsão normal, ou você pode fazê-los para que eles vão mais além do trato gastrointestinal”, diz ele., “O último pode ser útil se você quiser entregar algo ao cólon ou você está tentando controlar a saciedade, ficando compostos não digeridos mais abaixo no trato gastrointestinal.”
Cuidados Pessoais
a maioria dos produtos de cuidados pessoais, incluindo loções, cremes, champôs e Amaciadores, são emulsões. Os emulsionantes comuns para produtos de cuidados pessoais incluem álcoois etoxilados, carboxilatos, isetionato de sódio, monoestearato de glicerol, álcool cetílico, álcool estearílico e emulsionantes de silicone, tais como dimeticonas.,
“A tendência agora é que a maioria das pessoas gostaria de usar um emulsionante que é baseado em matérias-primas vegetais em vez de petroquímicos”, diz Smith. Emulsionantes sintéticos como álcoois etoxilados e seus homólogos naturalmente derivados têm estruturas idênticas, desempenho e biodegradação. “O preço varia de um lado para o outro dependendo do preço do óleo de palmiste na Malásia e do preço do etileno na América do Norte”, diz Smith. “Neste momento, acho que os petroquímicos têm a vantagem, mas mudam a cada dois ou três anos.,Juan Mateu, Diretor Técnico da JEEN International em Fairfield, Nova Jérsei, EUA, diz que houve um afastamento de álcoois sintéticos etoxilados nos últimos anos devido a preocupações sobre 1,4-dioxano residual, um carcinógeno suspeito que é um subproduto em sua fabricação. Glucosidos derivados naturalmente têm sido sugeridos como substitutos para algumas aplicações. No entanto,” é muito cedo para dizer que álcoois etoxilados podem ser substituídos”, diz Mateu. “Existem algumas emulsões que você pode fazer com glucósidos, mas na maior parte do mundo ainda está usando etoxilatos.,”
In 2009, JEEN International launched its Jeesperse line of cold-process emulsifiers, which allows formulators to make emulsões containing waxy substances at ambient temperatures (25-30°C). Muitos emulsionantes comuns em produtos de cuidados pessoais, tais como álcool cetílico e monoestearato de glicerol, são ceras com pontos de fusão relativamente altos (até 165°C). Antes de Jeesperse, os fabricantes tiveram que aquecer emulsionantes na fase de óleo para derretê-los, e em seguida, adicionar o emulsionante derretido para a fase aquosa e arrefecer a emulsão a uma taxa controlada até a temperatura ambiente., Em contraste, Jeesperse permite que a emulsão seja feita em uma única chaleira à temperatura ambiente, resultando em economias significativas de dinheiro e tempo.
os ingredientes secretos dos produtos Jeesperse são polielectrolitos, tais como poliacrilato de sódio. Os polielectrólitos são moléculas polares que podem induzir polaridade nas ceras não-polares, permitindo-lhes dissolver-se em água fria (um solvente polar). Mateu diz que no laboratório, ele pode fazer uma emulsão com o processo de frio em cerca de 20 minutos, ao contrário de várias horas de mistura, aquecimento e resfriamento com o processo convencional., “Esteticamente, o produto é a mesma coisa—ele sente o mesmo e parece o mesmo – então por que não?”diz ele.
um pequeno vídeo demonstrando a formulação de processo frio de uma loção com um emulsionante Jeesperse.muitos produtos de limpeza para uso doméstico e detergentes para roupa contêm tensioactivos que emulsionam as partículas de sujidade oleosa, de modo a poderem ser diluídas e lavadas. Os álcoois etoxilados são um ingrediente comum dos detergentes para roupa. Muitos detergentes contêm uma mistura de emulsionantes não iónicos e aniónicos para retirar as manchas dos têxteis.,de acordo com Sabatini, a remoção de triglicéridos como gorduras, gordura de toucinho e óleos vegetais de tecidos é particularmente desafiadora. Seu laboratório tem mostrado que se estendeu surfactantes, que são surfactantes com o intermediário polaridade grupos (por exemplo, polipropileno óxido e óxido de polietileno) inserido entre a cabeça hidrofílica e hidrofóbica da cauda, são eficazes na remoção desses tipos de manchas oleosas.os lubrificantes industriais, os fluidos para metalurgia e outros lubrificantes industriais são, em geral, emulsões., Os emulsionantes permitem que os metalúrgicos utilizem as propriedades lubrificantes dos óleos e as capacidades de arrefecimento da água. Os emulsionantes aniónicos e não iónicos são frequentemente utilizados em conjunto em fluidos para a metalurgia. Os emulsionantes catiónicos são raramente utilizados porque são instáveis nas soluções alcalinas (pH 8-9, 5) necessárias para a metalurgia dos fluidos.as tecnologias ambientais (emulsões e microemulsões) foram aplicadas a tecnologias ambientais, tais como a remediação da subsuperfície e a produção de biocombustíveis., Por exemplo, quando o petróleo ou gás é derramado, o petróleo fica preso em poros no solo e na rocha. O laboratório de Sabatini desenvolveu microemulsões sem álcool que ajudam a remover os contaminantes do óleo da subsuperfície de uma forma ambientalmente amigável. “O óleo está preso nos poros por causa da tensão interfacial entre água e óleo”, diz Sabatini. “Se conseguirmos baixar essa tensão interfacial com emulsificantes, podemos aumentar a nossa taxa de limpeza da contaminação.em 1997, Sabatini e vários colegas fundaram uma empresa chamada Surbec Environmental, LLC, para implementar esta tecnologia., Desde então, Surbec tem ajudado com a limpeza ambiental de vários locais nos Estados Unidos e no exterior. Exemplos incluem um posto de gasolina com um tanque subterrâneo vazante e um local Militar contaminado com combustível de jato.Sabatini também aplicou sua pesquisa de emulsões para a produção mais eficiente de biocombustíveis. Biodiesel é um óleo vegetal, como óleo de soja, que foi modificado quimicamente através de uma reação de transesterificação para reduzir a sua viscosidade. “Em termos de combustão, você não precisa modificar o óleo vegetal., Você pode usar óleo vegetal em um motor diesel, e ele vai funcionar muito bem sem modificações”, diz Sabatini. “É que o óleo vegetal tem problemas de viscosidade, especialmente a temperaturas mais baixas.”
ao que parece, a microemulsificação de óleos vegetais pode reduzir a viscosidade sem a necessidade da reação de transesterificação. Isso pouparia tempo e permitiria que mais matérias-primas fossem utilizadas como combustível. No entanto, Sabatini observa que a pesquisa ainda está em suas fases iniciais.,embora os seres humanos estejam fazendo emulsões há centenas, se não milhares, de anos, só agora estamos começando a apreciar suas diversas aplicações em muitos campos. Emulsões complexas, tais como microemulsões e emulsões Multicamadas, prometem expandir ainda mais o repertório de aplicações, particularmente em áreas emergentes como alimentos funcionais e produção de biodiesel. Se ao menos pudéssemos encontrar um emulsionante para aquele colega difícil.Laura Cassiday é uma escritora e editora de ciência freelance baseada em Hudson, Colorado, EUA. Ela tem um Ph. D., em Bioquímica da Escola de Pós-Graduação Mayo e pode ser contatado em [email protected].
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Qual é a diferença? os Termos surfactante, emulsionante e detergente são frequentemente usados como sinônimos, mas há distinções.
surfactante é o termo mais amplo: tanto emulsionantes como detergentes são surfactantes. Os tensoactivos, ou agentes tensoactivos, são compostos que diminuem a tensão superficial entre dois líquidos ou entre um líquido e um sólido., Surfactantes são anfifílicos, o que significa que eles contêm grupos hidrofílicos (amantes da água) e hidrofóbicos (odiando a água, ou amantes do petróleo) caudas. Os tensoactivos adsorvem na interface entre o óleo e a água, diminuindo assim a tensão superficial.
um emulsionante é um surfactante que estabiliza as emulsões. Os emulsificantes cobrem gotículas dentro de uma emulsão e impedem que se juntem ou se coalescam.um detergente é um tensioactivo que tem propriedades de limpeza em soluções diluídas.da mesma forma, os Termos emulsão, suspensão e espuma são por vezes confundidos.,uma emulsão é uma mistura de dois ou mais líquidos, com ou sem emulsionante, que são normalmente imiscíveis. Um dos líquidos, a” fase dispersa”, forma gotículas no outro líquido, a “fase contínua”.”
uma suspensão é um sólido disperso num líquido. As partículas são grandes o suficiente para sedimentação.uma espuma é uma substância na qual as bolhas de gás são suspensas num líquido.,
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sessão Técnica destaques suspensões, emulsões e espumas
Você pode aprender sobre os mais recentes desenvolvimentos em suspensões, emulsões e espumas, participando de um conjunto sessão técnica sobre estes temas na próxima 2014 AOCS Reunião Anual & Expo, em San Antonio, Texas, EUA. A sessão, que terá lugar na quarta-feira, 7 de Maio, das 13: 55-5 P. M.,, caracterizará uma vasta gama de tópicos técnicos—desde a fabricação de produtos de gorduras reduzidas por Agregação controlada de gotículas de lípidos até à formulação de misturas de biossurfactantes lipopeptídeos para a dispersão de derrames de petróleo na água do mar.A sessão é patrocinado pela AOCS’ Comestíveis Aplicações de Tecnologia (COMER) e Surfactante & Detergente (S&D) divisões, e é a cruz listados no programa como COMER 5.0 e S&D 5.1. Uma lista completa de apresentações.