Эмульсия представляет собой смесь двух или более жидкостей , которые обычно не смешиваются (несмешиваются или не смешиваются) из-за разделения фаз жидкость-жидкость . Эмульсии являются частью более общего класса двухфазных систем вещества , называемых коллоидами . Хотя термины «коллоид» и «эмульсия» иногда используются как взаимозаменяемые, термин «эмульсия» следует использовать, когда обе фазы, дисперсная 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 обработки металлов .
Две жидкости могут образовывать различные типы эмульсий. Например, масло и вода могут образовывать, во-первых, эмульсию масло в воде, в которой масло является дисперсной фазой, а вода является непрерывной фазой. Во-вторых, они могут образовывать эмульсию «вода в масле», в которой вода является дисперсной фазой, а масло — сплошной фазой. Также возможны многочисленные эмульсии, включая эмульсию «вода в масле в воде» и эмульсию «масло в воде в масле». [1]
Эмульсии, будучи жидкостями, не обладают статичной внутренней структурой. Обычно предполагается, что капли, диспергированные в непрерывной фазе (иногда называемой «дисперсионной средой»), статистически распределены , образуя капли примерно сферической формы.
Термин «эмульсия» также используется для обозначения светочувствительной стороны фотопленки . Такая фотоэмульсия состоит из коллоидных частиц галогенида серебра , диспергированных в желатиновой матрице. Ядерные эмульсии аналогичны фотографическим эмульсиям, за исключением того, что они используются в физике элементарных частиц для обнаружения элементарных частиц высоких энергий .
Слово «эмульсия» происходит от латинского emulgere «выдоить», от ex «выдоить» + mulgere «доить», поскольку молоко представляет собой эмульсию жира и воды, а также других компонентов, в том числе коллоидных мицелл казеина (разновидность секретируемого биомолекулярного конденсата ). [2]
Жидкостная система, в которой капли жидкости диспергированы в жидкости.
Примечание 1 : Определение основано на определении, приведенном в ссылке. [3]
Примечание 2 : Капли могут быть аморфными, жидкокристаллическими или любой
их смесью.Примечание 3 : Диаметр капель, составляющих дисперсную фазу,
обычно находится в диапазоне примерно 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
дисперсной фазой является органический материал, а непрерывной фазой является
вода или водный раствор, и называется эмульсией вода/масло (м/м), 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, ошибочно предполагая, что
эмульсия обладает свойствами, противоположными свойствам эмульсии.
Поэтому его использование не рекомендуется. [4]
Эмульсии содержат как дисперсную, так и непрерывную фазу, причем граница между фазами называется «интерфейсом». [5] Эмульсии имеют тенденцию иметь мутный вид, поскольку множество фазовых границ рассеивают свет при его прохождении через эмульсию. Эмульсии кажутся белыми , когда весь свет рассеивается одинаково. Если эмульсия достаточно разбавлена, свет более высокой частоты (более короткой длины волны) будет рассеиваться сильнее, и эмульсия будет казаться более синей – это называется « эффектом Тиндаля ». [6] Если эмульсия достаточно концентрированная, цвет будет искажен в сторону сравнительно более длинных волн и станет более желтым . Это явление легко наблюдать при сравнении обезжиренного молока , содержащего мало жира, со сливками , содержащими гораздо более высокую концентрацию молочного жира. Одним из примеров может быть смесь воды и масла. [7]
Два особых класса эмульсий – микроэмульсии и наноэмульсии с размером капель менее 100 нм – кажутся полупрозрачными. [8] Это свойство обусловлено тем, что световые волны рассеиваются каплями только в том случае, если их размеры превышают примерно четверть длины волны падающего света. Поскольку видимый спектр света состоит из длин волн от 390 до 750 нанометров (нм), если размеры капель в эмульсии меньше примерно 100 нм, свет может проникать через эмульсию без рассеяния. [9] Из-за внешнего сходства полупрозрачные наноэмульсии и микроэмульсии часто путают. В отличие от полупрозрачных наноэмульсий, для производства которых требуется специальное оборудование, микроэмульсии образуются спонтанно путем «солюбилизации» молекул масла смесью поверхностно-активных веществ , со-ПАВ и сорастворителей . [8] Однако необходимая концентрация ПАВ в микроэмульсии в несколько раз выше, чем в полупрозрачной наноэмульсии, и существенно превышает концентрацию дисперсной фазы. Из-за множества нежелательных побочных эффектов, вызываемых поверхностно-активными веществами, их присутствие во многих применениях является невыгодным или недопустимым. Кроме того, стабильность микроэмульсии часто легко нарушается при разбавлении, нагревании или изменении уровня pH. [ нужна цитата ]
Обычные эмульсии по своей природе нестабильны и, следовательно, не имеют тенденции к самопроизвольному образованию. Для образования эмульсии необходим ввод энергии – посредством встряхивания, перемешивания, гомогенизации или воздействия мощного ультразвука [10] . 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 не встряхивать почти непрерывно. Из этого правила есть важные исключения: микроэмульсии термодинамически стабильны, а полупрозрачные наноэмульсии кинетически стабильны. [8]
Превратится ли эмульсия масла и воды в эмульсию «вода в масле» или в эмульсию «масло в воде», зависит от объемной доли обеих фаз и типа эмульгатора (ПАВ) (см. Эмульгатор ниже ) . подарок. [11]
Стабильность эмульсии означает способность эмульсии противостоять изменению ее свойств с течением времени. [12] [13] Существует четыре типа нестабильности эмульсий: флокуляция , коалесценция , кремообразование / седиментация и оствальдовское созревание . Флокуляция происходит, когда между каплями существует сила притяжения, поэтому они образуют хлопья, подобные гроздям винограда. Этот процесс может быть желательным, если его контролировать в достаточной степени, для настройки физических свойств эмульсий, таких как их текучесть. [14] Слияние происходит, когда капли сталкиваются друг с другом и объединяются, образуя более крупную каплю, поэтому средний размер капли со временем увеличивается. Эмульсии также могут подвергаться кремированию, при котором капли поднимаются к верхней части эмульсии под действием плавучести или под влиянием центростремительной силы, возникающей при использовании центрифуги . [12] Взбивание является распространенным явлением в молочных и немолочных напитках (например, в молоке, кофейном молоке, миндальном молоке , соевом молоке) и обычно не приводит к изменению размера капель. [15] Седиментация – это явление, противоположное образованию пенки, которое обычно наблюдается в эмульсиях типа «вода в масле». [5] Седиментация происходит, когда дисперсная фаза плотнее, чем непрерывная фаза, и гравитационные силы тянут более плотные шарики ко дну эмульсии. Подобно образованию сливок, седиментация подчиняется закону Стокса .
Соответствующее поверхностно-активное вещество (или поверхностно-активное вещество) может повысить кинетическую стабильность эмульсии так, что размер капель существенно не изменится со временем. Стабильность эмульсии, как и суспензии , можно изучать с помощью дзета-потенциала , который указывает на отталкивание между каплями или частицами. Если размер и дисперсия капель не меняются с течением времени, говорят, что они стабильны. [16] Например, эмульсии масло в воде, содержащие моно- и диглицериды и молочный белок в качестве поверхностно-активного вещества, показали стабильный размер капель масла в течение 28 дней хранения при 25 ° C. [15]
Стабильность эмульсий можно охарактеризовать с помощью таких методов, как светорассеяние, измерение коэффициента отражения сфокусированного луча, центрифугирование и реология . Каждый метод имеет преимущества и недостатки. [17]
Кинетический процесс дестабилизации может быть достаточно длительным – для некоторых продуктов до нескольких месяцев, а то и лет. [18] Часто разработчику рецептуры приходится ускорять этот процесс, чтобы протестировать продукцию в разумные сроки во время ее разработки. Наиболее часто используются термические методы: они заключаются в повышении температуры эмульсии для ускорения дестабилизации (если температура ниже критической для инверсии фаз или химического разложения). [19] Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионогенных поверхностно-активных веществ или, в более широком смысле, на взаимодействие между каплями внутри системы. Хранение эмульсии при высоких температурах позволяет моделировать реалистичные условия для продукта (например, тюбик солнцезащитной эмульсии в автомобиле в летнюю жару), но и ускоряет процессы дестабилизации до 200 раз. [ нужна цитата ]
Также можно использовать механические методы ускорения, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание. [20]
Эти методы почти всегда являются эмпирическими и не имеют под собой прочной научной основы. [ нужна цитата ]
Эмульгатор — это вещество, которое стабилизирует эмульсию за счет уменьшения натяжения на границе раздела масло - вода . Эмульгаторы являются частью более широкой группы соединений, известных как поверхностно-активные вещества или «поверхностно-активные вещества». [21] Поверхностно-активные вещества представляют собой соединения, которые обычно являются амфифильными , то есть они имеют полярную или гидрофильную (т.е. водорастворимую) часть и неполярную (т.е. гидрофобную или липофильную ) часть. Эмульгаторы, более растворимые в воде (и, наоборот, менее растворимые в масле), обычно образуют эмульсии масло в воде, тогда как эмульгаторы, более растворимые в масле, образуют эмульсии вода в масле. [22]
Примеры пищевых эмульгаторов:
В пищевых эмульсиях тип эмульгатора сильно влияет на то, как эмульсии структурируются в желудке и насколько доступно масло для желудочных липаз , тем самым влияя на то, насколько быстро эмульсии перевариваются и вызывают гормональную реакцию , вызывающую чувство насыщения . [24]
Моющие средства представляют собой другой класс поверхностно-активных веществ, которые физически взаимодействуют как с маслом , так и с водой , тем самым стабилизируя границу раздела между каплями масла и воды в суспензии. Этот принцип используется в мыле для удаления жира с целью очистки . В фармации для приготовления эмульсий, таких как кремы и лосьоны, используется множество различных эмульгаторов . Общие примеры включают эмульгирующий воск , полисорбат 20 и цетеарет 20 . [25]
Иногда внутренняя фаза сама может действовать как эмульгатор, и в результате получается наноэмульсия, в которой внутреннее состояние диспергируется на капли « наноразмера » внутри внешней фазы. Хорошо известный пример этого явления, « эффект узо », возникает, когда воду наливают в крепкий алкогольный напиток на основе аниса , такой как узо , пастис , абсент , арак или раки . Анизоловые соединения, растворимые в этаноле , затем образуют капли наноразмера и эмульгируются в воде. В результате цвет напитка непрозрачный и молочно-белый.
В процессе эмульгирования может участвовать ряд различных химических и физических процессов и механизмов: [5]
Эмульсии масло-в-воде распространены в пищевых продуктах:
Эмульсии типа «вода в масле» реже встречаются в продуктах питания, но все же существуют:
Другие продукты можно превратить в продукты, подобные эмульсиям, например мясная эмульсия — это суспензия мяса в жидкости, похожая на настоящие эмульсии.
В фармацевтике , парикмахерском искусстве , личной гигиене и косметике часто используются эмульсии. Обычно это масляно-водные эмульсии, но дисперсные, а их непрерывность во многих случаях зависит от фармацевтической рецептуры . Эти эмульсии могут называться кремами , мазями , линиментами (бальзамами), пастами , пленками или жидкостями , в зависимости главным образом от соотношения масла и воды, других добавок и предполагаемого пути введения . [26] [27] Первые пять представляют собой лекарственные формы для местного применения и могут применяться на поверхности кожи , трансдермально , офтальмально , ректально или вагинально . Высокожидкую эмульсию также можно использовать перорально или в некоторых случаях вводить инъекционно . [26]
Микроэмульсии используются для доставки вакцин и уничтожения микробов . [28] Типичными эмульсиями, используемыми в этих методах, являются наноэмульсии соевого масла с частицами диаметром 400–600 нм. [29] Этот процесс не химический, как при других видах противомикробной обработки, а механический. Чем меньше капля, тем больше поверхностное натяжение и, следовательно, тем больше сила, необходимая для слияния с другими липидами . Масло эмульгируется с помощью детергентов с помощью смесителя с высокой скоростью 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. Эмульсия соевого масла не вредит ни нормальным клеткам человека, ни клеткам большинства других высших организмов , за исключением сперматозоидов и клеток крови , которые уязвимы для наноэмульсий из-за особенностей их мембранных структур. По этой причине эти наноэмульсии в настоящее время не используются внутривенно (IV). Наиболее эффективное применение этого типа наноэмульсии – для дезинфекции поверхностей. Показано, что некоторые типы наноэмульсий эффективно уничтожают возбудителей ВИЧ-1 и туберкулеза на непористых поверхностях .
Эмульгаторы эффективны при тушении небольших, тонкослойных разливов горючих жидкостей ( пожары класса В ). Такие агенты инкапсулируют топливо в топливно-водяную эмульсию, тем самым удерживая горючие пары в водной фазе. Такая эмульсия достигается путем нанесения водного раствора ПАВ на топливо через сопло высокого давления. Эмульгаторы не эффективны при тушении больших пожаров, связанных с жидким топливом в объемных/глубоких объемах, поскольку количество эмульгатора, необходимое для тушения, зависит от объема топлива, тогда как другие агенты, такие как водная пленкообразующая пена, должны покрывать только поверхность топлива для достижения снижения парообразования. [37]
Эмульсии используются для производства полимерных дисперсий – производство полимеров в «фазе» эмульсии имеет ряд технологических преимуществ, в том числе предотвращает коагуляцию продукта. Продукты, полученные такой полимеризацией, могут использоваться в качестве эмульсий – продуктов, включающих первичные компоненты для клеев и красок. Синтетические латексы (каучуки) также производятся этим процессом.
{{cite book}}: CS1 maint: bot: исходный статус URL неизвестен ( ссылка ){{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )