Эмульсия — это смесь двух или более жидкостей , которые обычно не смешиваются (несмешиваемые или не поддаются смешиванию) из-за разделения фаз жидкость-жидкость . Эмульсии являются частью более общего класса двухфазных систем веществ , называемых коллоидами . Хотя термины коллоид и эмульсия иногда используются взаимозаменяемо, эмульсию следует использовать, когда обе фазы, дисперсная и непрерывная, являются жидкостями. В эмульсии одна жидкость (дисперсная фаза ) диспергирована в другой (непрерывной фазе). Примерами эмульсий являются винегреты , гомогенизированное молоко , жидкие биомолекулярные конденсаты и некоторые смазочно-охлаждающие жидкости для металлообработки .
Две жидкости могут образовывать различные типы эмульсий. Например, масло и вода могут образовывать, во-первых, эмульсию типа «масло в воде», в которой масло является дисперсной фазой, а вода — непрерывной фазой. Во-вторых, они могут образовывать эмульсию типа «вода в масле», в которой вода является дисперсной фазой, а масло — непрерывной фазой. Возможны также множественные эмульсии, включая эмульсию типа «вода в масле в воде» и эмульсию типа «масло в воде в масле». [1]
Эмульсии, будучи жидкостями, не имеют статической внутренней структуры. Капли, диспергированные в непрерывной фазе (иногда называемой «дисперсионной средой»), обычно предполагаются статистически распределенными , чтобы производить приблизительно 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 частиц для обнаружения высокоэнергетических элементарных частиц .
Жидкостная система, в которой капли жидкости диспергированы в жидкости.
Примечание 1 : Определение основано на определении в [2] .
Примечание 2 : Капли могут быть аморфными, жидкокристаллическими или представлять собой любую
их смесь.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 размеров для коллоидных частиц.Примечание 4 : Эмульсия называется эмульсией типа «масло/вода» (м/в), если
дисперсная фаза представляет собой органический материал, а непрерывная фаза —
вода или водный раствор, и называется эмульсией типа «вода/масло» (в/м), если дисперсная
фаза представляет собой воду или водный раствор, а непрерывная фаза —
органическую жидкость («масло»).Примечание 5 : Эмульсию w/o иногда называют обратной эмульсией.
Термин «обратная эмульсия» вводит в заблуждение, неверно предполагая, что
эмульсия имеет свойства, противоположные свойствам эмульсии.
Поэтому ее использование не рекомендуется. [3]
Слово «эмульсия» происходит от латинского emulgere «выдаивать», от ex «выдаивать» + mulgere «доить», поскольку молоко представляет собой эмульсию жира и воды, а также других компонентов, включая коллоидные мицеллы казеина (тип секретируемого биомолекулярного конденсата ). [4]
Эмульсии содержат как дисперсную, так и непрерывную фазу, при этом граница между фазами называется «интерфейсом». [5] Эмульсии, как правило, имеют мутный вид, поскольку многочисленные интерфейсы фаз рассеивают свет, когда он проходит через эмульсию. Эмульсии кажутся белыми , когда весь свет рассеивается одинаково. Если эмульсия достаточно разбавлена, свет с более высокой частотой (более короткой длиной волны) будет рассеиваться больше, и эмульсия будет казаться более синей — это называется « эффектом Тиндаля ». [6] Если эмульсия достаточно концентрирована, цвет будет искажен в сторону сравнительно более длинных волн и будет казаться более желтым . Это явление легко наблюдать при сравнении обезжиренного молока , которое содержит мало жира, со сливками , которые содержат гораздо более высокую концентрацию молочного жира. Одним из примеров может служить 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 составляют менее примерно 100 нм, свет может проникать через эмульсию, не рассеиваясь. [9] Из-за их внешнего сходства полупрозрачные наноэмульсии и микроэмульсии часто путают. В отличие от полупрозрачных наноэмульсий, для производства которых требуется специализированное оборудование, микроэмульсии образуются спонтанно путем «солюбилизации» молекул масла смесью поверхностно-активных веществ , дополнительных поверхностно-активных веществ и дополнительных растворителей . [8] Требуемая концентрация поверхностно-активного вещества в микроэмульсии, однако, 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 невыгодно или запрещено во многих приложениях. Кроме того, стабильность микроэмульсии часто легко нарушается разбавлением, нагреванием или изменением уровня pH. [ необходима цитата ]
Обычные эмульсии по своей природе нестабильны и, таким образом, не склонны к самопроизвольному образованию. Для образования эмульсии требуется подвод энергии — посредством встряхивания, перемешивания, гомогенизации или воздействия мощного ультразвука [10] . Со временем эмульсии имеют тенденцию возвращаться в стабильное состояние фаз, составляющих эмульсию. Примером этого является разделение компонентов масла и уксуса в винегрете , нестабильной эмульсии, которая быстро разделится, если ее не встряхивать почти непрерывно. Из этого правила есть важные исключения — микроэмульсии термодинамически стабильны, в то время как полупрозрачные наноэмульсии кинетически стабильны. [8]
Превращается ли эмульсия масла и воды в эмульсию «вода в масле» или в эмульсию «масло в воде», зависит от объемной доли обеих фаз и типа присутствующего эмульгатора (поверхностно-активного вещества) (см. Эмульгатор ниже). [11]
Стабильность эмульсии относится к способности эмульсии противостоять изменению своих свойств с течением времени. [12] [13] Существует четыре типа нестабильности эмульсий: флокуляция , коалесценция , седиментация и созревание Оствальда . Флокуляция происходит, когда между каплями существует сила притяжения, поэтому они образуют хлопья, похожие на гроздья винограда. Этот процесс может быть желательным, если его контролировать в его масштабе, для настройки физических свойств эмульсий, таких как их текучесть. [ 14] Коалесценция происходит, когда капли сталкиваются друг с другом и объединяются, образуя более крупную каплю, поэтому средний размер капель со временем увеличивается. Эмульсии также могут подвергаться седиментации, когда капли поднимаются наверх эмульсии под действием плавучести или под влиянием центростремительной силы, возникающей при использовании центрифуги . [12] Образование сливок является распространенным явлением в молочных и немолочных напитках (например, в молоке, кофейном молоке, миндальном молоке , соевом молоке) и обычно не изменяет размер капель. [15] Осаждение является противоположным явлением образованию сливок и обычно наблюдается в эмульсиях типа «вода в масле». [5] Осаждение происходит, когда дисперсная фаза плотнее непрерывной фазы, и гравитационные силы тянут более плотные глобулы ко дну эмульсии. Подобно образованию сливок, седиментация следует закону Стокса .
Соответствующий поверхностно-активный агент (или сурфактант) может повысить кинетическую стабильность эмульсии, так что размер капель не будет существенно меняться со временем. Стабильность эмульсии, как и суспензии , можно изучить с точки зрения дзета-потенциала , который указывает на отталкивание между каплями или частицами. Если размер и дисперсия капель не меняются со временем, говорят, что она стабильна. [16] Например, эмульсии типа «масло в воде», содержащие моно- и диглицериды и молочный белок в качестве сурфактанта, показали, что размер капель масла остается стабильным в течение 28 дней хранения при 25 °C. [15]
Стабильность эмульсий можно охарактеризовать с помощью таких методов, как рассеяние света, измерение отражения сфокусированного луча, центрифугирование и реология . Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. [17]
Кинетический процесс дестабилизации может быть довольно длительным – до нескольких месяцев или даже лет для некоторых продуктов. [18] Часто разработчик должен ускорить этот процесс, чтобы протестировать продукты в разумные сроки во время разработки продукта. Наиболее часто используются термические методы – они заключаются в повышении температуры эмульсии для ускорения дестабилизации (если она ниже критических температур для инверсии фаз или химической деградации). [19] Температура влияет не только на вязкость, но и на межфазное натяжение в случае неионных поверхностно-активных веществ или, в более широком смысле, на взаимодействие между каплями в системе. Хранение эмульсии при высоких температурах позволяет моделировать реалистичные условия для продукта (например, тюбик солнцезащитной эмульсии в машине в летнюю жару), но также ускоряет процессы дестабилизации до 200 раз. [ необходима цитата ]
Также могут использоваться механические методы ускорения, включая вибрацию, центрифугирование и перемешивание. [20]
Эти методы почти всегда являются эмпирическими и не имеют под собой прочной научной основы. [ необходима цитата ]
Эмульгатор — это вещество, которое стабилизирует эмульсию, уменьшая натяжение на границе раздела масло-вода . Эмульгаторы являются частью более широкой группы соединений, известных как поверхностно-активные вещества или «поверхностно-активные агенты». [21] Поверхностно-активные вещества — это соединения, которые обычно являются амфифильными , то есть имеют полярную или гидрофильную (т. е. водорастворимую) часть и неполярную (т. е. гидрофобную или липофильную ) часть. Эмульгаторы, которые более растворимы в воде (и, наоборот, менее растворимы в масле), как правило, образуют эмульсии типа «масло в воде», в то время как эмульгаторы, которые более растворимы в масле, образуют эмульсии типа «вода в масле». [22]
Примерами пищевых эмульгаторов являются:
В пищевых эмульсиях тип эмульгатора в значительной степени влияет на то, как эмульсии структурируются в желудке и насколько доступно масло для желудочных липаз , тем самым влияя на то, как быстро эмульсии перевариваются и вызывают гормональную реакцию, вызывающую чувство сытости . [24]
Моющие средства — это еще один класс поверхностно-активных веществ, которые физически взаимодействуют как с маслом, так и с водой , тем самым стабилизируя границу между каплями масла и воды в суспензии. Этот принцип используется в мыле для удаления жира с целью очистки . В фармацевтике для приготовления эмульсий, таких как кремы и лосьоны , используется множество различных эмульгаторов . Распространенными примерами являются эмульгирующий воск , полисорбат 20 и цетеарет 20. [ 25]
Иногда сама внутренняя фаза может действовать как эмульгатор, и в результате получается наноэмульсия, где внутреннее состояние рассеивается в капли « наноразмера » внутри внешней фазы. Известный пример этого явления, « эффект узо », происходит, когда вода наливается в крепкий алкогольный напиток на основе аниса , такой как узо , пастис , абсент , арак или раки . Анизоловые соединения, которые растворяются в этаноле , затем образуют капли наноразмера и эмульгируются в воде. Полученный цвет напитка непрозрачный и молочно-белый.
В процессе эмульгирования может участвовать ряд различных химических и физических процессов и механизмов: [5]
Эмульсии типа «масло в воде» широко распространены в пищевых продуктах:
Эмульсии типа «вода в масле» встречаются в пищевых продуктах реже, но все же существуют:
Другие продукты можно превратить в продукты, похожие на эмульсии, например, мясная эмульсия — это суспензия мяса в жидкости, похожая на настоящие эмульсии.
В фармацевтике , парикмахерском деле , личной гигиене и косметике часто используются эмульсии. Обычно это эмульсии на основе масла и воды, но дисперсные, и то, что является непрерывным, во многих случаях зависит от фармацевтической формулы . Эти эмульсии могут называться кремами , мазями , линиментами (бальзамами), пастами , пленками или жидкостями , в зависимости в основном от их соотношения масла и воды, других добавок и предполагаемого пути введения . [26] [27] Первые 5 являются местными лекарственными формами и могут использоваться на поверхности кожи , трансдермально , офтальмологически , ректально или вагинально . Высокожидкая эмульсия также может использоваться перорально или в некоторых случаях может быть введена инъекцией . [26]
Микроэмульсии используются для доставки вакцин и уничтожения микробов . [28] Типичные эмульсии, используемые в этих методах, представляют собой наноэмульсии соевого масла с частицами диаметром 400–600 нм. [29] Процесс не химический, как при других типах антимикробной обработки, а механический. Чем меньше капля, тем больше поверхностное натяжение и, следовательно, тем больше сила, необходимая для слияния с другими липидами . Масло эмульгируется с детергентами с использованием миксера с высоким сдвиговым усилием 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 наносит вреда нормальным клеткам человека или 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 наноэмульсий — дезинфекция поверхностей . Было показано, что некоторые типы наноэмульсий эффективно уничтожают возбудителей ВИЧ-1 и туберкулеза на непористых поверхностях .
Эмульгирующие агенты эффективны при тушении пожаров на небольших, тонкослойных разливах легковоспламеняющихся жидкостей ( пожары класса B ). Такие агенты инкапсулируют топливо в эмульсию топливо-вода, тем самым удерживая легковоспламеняющиеся пары в водной фазе. Эта эмульсия достигается 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, поскольку количество эмульгирующего агента, необходимое для тушения, является функцией объема топлива, тогда как другие агенты, такие как водная пленкообразующая пена, должны покрывать только поверхность топлива для достижения смягчения паров. [37]
Эмульсии используются для производства полимерных дисперсий – производство полимеров в эмульсионной «фазе» имеет ряд технологических преимуществ, включая предотвращение коагуляции продукта. Продукты, полученные такими полимеризациями, могут использоваться в качестве эмульсий – продуктов, включающих первичные компоненты для клеев и красок. Синтетические латексы (каучуки) также производятся этим процессом.
{{cite book}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )