Emulsão

1. Dois líquidos inmiscíveis, ainda não emulsionados
2. Uma emulsão da Fase II dispersa na Fase I
3. A emulsão instável separa progressivamente
4. O surfactante (fora em torno de partículas) posiciona-se nas interfaces entre Fase II e Fase I, estabilizando a emulsão

Uma emulsão é uma mistura de dois ou mais líquidos que são normalmente imiscíveis (não misturáveis ou não misturáveis) devido à separação de fase líquido-líquido. As emulsões fazem parte de uma classe mais geral de sistemas bifásicos de matéria chamados colóides. Embora os termos colóide e emulsão sejam às vezes usados de forma intercambiável, emulsão deve ser usado quando ambas as fases, dispersa e contínua, são líquidas. Em uma emulsão, um líquido (a fase dispersa) é disperso no outro (a fase contínua). Exemplos de emulsões incluem vinagretes, leite homogeneizado, condensados biomoleculares líquidos e alguns fluidos de corte para usinagem de metais.

Dois líquidos podem formar diferentes tipos de emulsões. Como exemplo, óleo e água podem formar, primeiramente, uma emulsão óleo em água, na qual o óleo é a fase dispersa e a água é a fase contínua. Em segundo lugar, eles podem formar uma emulsão de água em óleo, na qual a água é a fase dispersa e o óleo é a fase contínua. Múltiplas emulsões também são possíveis, incluindo um "água-em-óleo-em-água" emulsão e uma emulsão "óleo em água em óleo" emulsão.

As emulsões, sendo líquidas, não apresentam uma estrutura interna estática. As gotículas dispersas na fase contínua (às vezes chamadas de "meio de dispersão") são geralmente consideradas estatisticamente distribuídas para produzir gotículas aproximadamente esféricas.

O termo "emulsão" também é usado para se referir ao lado fotossensível do filme fotográfico. Tal emulsão fotográfica consiste em partículas coloidais de haleto de prata dispersas em uma matriz de gelatina. As emulsões nucleares são semelhantes às emulsões fotográficas, exceto pelo fato de serem usadas na física de partículas para detectar partículas elementares de alta energia.

Etimologia

A palavra "emulsão" vem do latim emulgere "levantar", de ex "sair" + mulgere "ao leite", pois o leite é uma emulsão de gordura e água, juntamente com outros componentes, incluindo micelas de caseína coloidais (um tipo de condensado biomolecular secretado).

Aparência e propriedades

As emulsões contêm uma fase dispersa e uma fase contínua, com o limite entre as fases chamado de "interface". As emulsões tendem a ter uma aparência turva porque as muitas interfaces de fase dispersam a luz à medida que ela passa pela emulsão. As emulsões aparecem brancas quando toda a luz é espalhada igualmente. Se a emulsão for diluída o suficiente, a luz de alta frequência (baixo comprimento de onda) será mais espalhada e a emulsão parecerá mais azul - isso é chamado de "efeito Tyndall". Se a emulsão estiver concentrada o suficiente, a cor será distorcida em comprimentos de onda comparativamente mais longos e aparecerá mais amarela. Esse fenômeno é facilmente observável quando se compara o leite desnatado, que contém pouca gordura, com o creme, que contém uma concentração muito maior de gordura do leite. Um exemplo seria uma mistura de água e óleo.

Duas classes especiais de emulsões – microemulsões e nanoemulsões, com tamanhos de gotículas abaixo de 100 nm – aparecem translúcidas. Essa propriedade se deve ao fato de que as ondas de luz são espalhadas pelas gotículas apenas se seus tamanhos excederem cerca de um quarto do comprimento de onda da luz incidente. Como o espectro visível da luz é composto por comprimentos de onda entre 390 e 750 nanômetros (nm), se os tamanhos das gotículas na emulsão estiverem abaixo de cerca de 100 nm, a luz pode penetrar na emulsão sem ser espalhada. Devido à sua semelhança na aparência, nanoemulsões translúcidas e microemulsões são frequentemente confundidas. Ao contrário das nanoemulsões translúcidas, que requerem equipamentos especializados para serem produzidas, as microemulsões são formadas espontaneamente por "solubilização" moléculas de óleo com uma mistura de surfactantes, co-surfactantes e co-solventes. A concentração necessária de surfactante em uma microemulsão é, no entanto, várias vezes maior do que em uma nanoemulsão translúcida e excede significativamente a concentração da fase dispersa. Devido a muitos efeitos colaterais indesejáveis causados pelos surfactantes, sua presença é desvantajosa ou proibitiva em muitas aplicações. Além disso, a estabilidade de uma microemulsão é facilmente comprometida por diluição, aquecimento ou alteração dos níveis de pH.

As emulsões comuns são inerentemente instáveis e, portanto, não tendem a se formar espontaneamente. A entrada de energia - por meio de agitação, agitação, homogeneização ou exposição ao ultrassom de potência - é necessária para formar uma emulsão. Com o tempo, as emulsões tendem a voltar ao estado estável das fases que compõem a emulsão. Um exemplo disso é visto na separação dos componentes de óleo e vinagre do vinagrete, uma emulsão instável que se separará rapidamente, a menos que seja agitada quase continuamente. Existem exceções importantes a esta regra - as microemulsões são termodinamicamente estáveis, enquanto as nanoemulsões translúcidas são cineticamente estáveis.

Se uma emulsão de óleo e água se transforma em uma mistura "água em óleo" emulsão ou um "óleo em água" a emulsão depende da fração de volume de ambas as fases e do tipo de emulsificante (surfactante) (ver Emulsificante, abaixo) presente.

Instabilidade

A estabilidade da emulsão refere-se à capacidade de uma emulsão de resistir à mudança em suas propriedades ao longo do tempo. Existem quatro tipos de instabilidade em emulsões: floculação, coalescência, formação de creme/sedimentação e amadurecimento de Ostwald. A floculação ocorre quando há uma força atrativa entre as gotículas, fazendo com que elas formem flocos, como cachos de uva. Este processo pode ser desejado, se controlado em sua extensão, para ajustar as propriedades físicas das emulsões, como seu comportamento de fluxo. A coalescência ocorre quando as gotas colidem umas com as outras e se combinam para formar uma gota maior, de modo que o tamanho médio da gota aumenta com o tempo. As emulsões também podem sofrer formação de creme, onde as gotículas sobem para o topo da emulsão sob a influência da flutuabilidade ou sob a influência da força centrípeta induzida quando uma centrífuga é usada. A formação de creme é um fenômeno comum em bebidas lácteas e não lácteas (ou seja, leite, leite de café, leite de amêndoa, leite de soja) e geralmente não altera o tamanho da gota. A sedimentação é o fenômeno oposto à formação de creme e normalmente observada em emulsões água-em-óleo. A sedimentação acontece quando a fase dispersa é mais densa que a fase contínua e as forças gravitacionais puxam os glóbulos mais densos para o fundo da emulsão. Semelhante à formação de creme, a sedimentação segue a formação de Stokes. lei.

Um agente ativo de superfície apropriado (ou surfactante) pode aumentar a estabilidade cinética de uma emulsão de modo que o tamanho das gotículas não mude significativamente com o tempo. A estabilidade de uma emulsão, como uma suspensão, pode ser estudada em termos de potencial zeta, que indica a repulsão entre gotículas ou partículas. Se o tamanho e a dispersão das gotículas não mudarem com o tempo, diz-se que é estável. Por exemplo, emulsões de óleo em água contendo mono e diglicerídeos e proteína do leite como surfactante mostraram que o tamanho de gota de óleo estável durante 28 dias de armazenamento a 25°C.

Monitoramento da estabilidade física

A estabilidade das emulsões pode ser caracterizada usando técnicas como dispersão de luz, medição de refletância de feixe focalizado, centrifugação e reologia. Cada método tem vantagens e desvantagens.

Métodos de aceleração para previsão do prazo de validade

O processo cinético de desestabilização pode ser bastante longo - até vários meses ou até anos para alguns produtos. Freqüentemente, o formulador deve acelerar esse processo para testar os produtos em um tempo razoável durante o design do produto. Os métodos térmicos são os mais comumente usados – consistem em aumentar a temperatura da emulsão para acelerar a desestabilização (se abaixo das temperaturas críticas para inversão de fase ou degradação química). A temperatura afeta não apenas a viscosidade, mas também a tensão interfacial no caso de surfactantes não iônicos ou, em um escopo mais amplo, as interações entre gotículas dentro do sistema. Armazenar uma emulsão em altas temperaturas permite a simulação de condições realistas para um produto (por exemplo, um tubo de emulsão de protetor solar em um carro no calor do verão), mas também acelera os processos de desestabilização em até 200 vezes.

Métodos mecânicos de aceleração, incluindo vibração, centrifugação e agitação, também podem ser usados.

Estes métodos são quase sempre empíricos, sem uma base científica sólida.

Emulsificantes

Um emulsificante é uma substância que estabiliza uma emulsão reduzindo a tensão da interface óleo-água. Os emulsificantes fazem parte de um grupo mais amplo de compostos conhecidos como surfactantes, ou "agentes ativos de superfície". Os surfactantes são compostos tipicamente anfifílicos, o que significa que possuem uma parte polar ou hidrofílica (ou seja, solúvel em água) e uma parte apolar (ou seja, hidrofóbica ou lipofílica). Os emulsificantes que são mais solúveis em água (e, inversamente, menos solúveis em óleo) geralmente formarão emulsões de óleo em água, enquanto os emulsificantes que são mais solúveis em óleo formarão emulsões de água em óleo.

Exemplos de emulsificantes alimentares são:

• gema de ovo – em que o principal agente emulsificante e espessante é lecitina.
• mostarda – onde uma variedade de produtos químicos na mucilagem em torno do casco de sementes atuam como emulsificantes
• Lecitina de soja é outro emulsionante e espessante
• Estabilização de Pickering – utiliza partículas em determinadas circunstâncias
• Fósfatos de sódio - não diretamente um emulsificador, mas modifica o comportamento de outras moléculas, por exemplo caseína
• Mono- e diglycerides – um emulsificador comum encontrado em muitos produtos alimentares (natas de café, sorvetes, spreads, pães, bolos)
• Latilato de estearolina de sódio
• DATEM (ésteres de ácido tartárico diacetílico de mono- e diglycerides) – um emulsificador usado principalmente no cozimento
• Proteínas – aquelas com regiões hidrofílicas e hidrofóbicas, por exemplo, caseinato de sódio, como no produto de queijo derretido

Em emulsões alimentares, o tipo de emulsificante afeta muito a forma como as emulsões são estruturadas no estômago e o quão acessível o óleo é para as lipases gástricas, influenciando assim a rapidez com que as emulsões são digeridas e desencadeiam uma resposta hormonal indutora de saciedade.

Os detergentes são outra classe de tensoativos e irão interagir fisicamente tanto com o óleo quanto com a água, estabilizando assim a interface entre o óleo e as gotas de água em suspensão. Este princípio é explorado no sabão, para remover a gordura com a finalidade de limpeza. Muitos emulsificantes diferentes são usados em farmácia para preparar emulsões como cremes e loções. Exemplos comuns incluem cera emulsionante, polissorbato 20 e ceteareth 20.

Às vezes, a própria fase interna pode atuar como um emulsificante, e o resultado é uma nanoemulsão, onde o estado interno se dispersa em "tamanho nano" gotas dentro da fase externa. Um exemplo bem conhecido desse fenômeno, o "efeito ouzo", acontece quando a água é derramada em uma bebida alcoólica forte à base de anis, como ouzo, pastis, absinto, arak ou raki. Os compostos anisólicos, que são solúveis em etanol, formam então gotículas de tamanho nano e emulsificam na água. A cor resultante da bebida é branca opaca e leitosa.

Mecanismos de emulsificação

Vários processos e mecanismos químicos e físicos diferentes podem estar envolvidos no processo de emulsificação:

• Teoria da tensão de superfície – de acordo com esta teoria, a emulsificação ocorre pela redução da tensão interfacial entre duas fases
• Teoria da repulsão – De acordo com esta teoria, o emulsificador cria um filme sobre uma fase que forma globules, que se repelem. Esta força repulsiva faz com que eles permaneçam suspensos no meio de dispersão
• Modificação de viscosidade – emulgentes como acacia e Tracanth, que são hidrocolóides, bem como PEG (polietileno glicol), glicerina e outros polímeros como CMC (celulose carboximetil), todos aumentam a viscosidade do meio, o que ajuda a criar e manter a suspensão de glóbulos de fase dispersa

Usos

Na comida

Um exemplo dos ingredientes usados para fazer maionese; azeite, sal de mesa, um ovo (para gema) e um limão (para suco de limão). O óleo e a água na gema de ovo não se misturam, enquanto a lecitina na gema serve como um emulsionante, permitindo que os dois sejam misturados juntos.

As emulsões de óleo em água são comuns em produtos alimentícios:

• Molhos de maionese e Hollandaise – estes são emulsões de óleo-em-água estabilizadas com lecitina de gema de ovo, ou com outros tipos de aditivos alimentares, como lactilato de estearoil de sódio.
• Leite homogeneizado – emulsão de gordura de leite em água, com proteínas de leite como emulsificante
• Vinaigrette – uma emulsão de óleo vegetal em vinagre, se isso é preparado usando apenas óleo e vinagre (ou seja, sem emulsionante), um resultado de emulsão instável

Emulsões de água em óleo são menos comuns em alimentos, mas ainda existem:

• Butter – uma emulsão de água em gordura de manteiga
• Margarina

Outros alimentos podem ser transformados em produtos semelhantes a emulsões, por exemplo a emulsão de carne é uma suspensão de carne em um líquido semelhante às emulsões verdadeiras.

Na área da saúde

Em produtos farmacêuticos, penteados, higiene pessoal e cosméticos, as emulsões são frequentemente utilizadas. Geralmente são emulsões de óleo e água, mas dispersas, e o que é contínuo depende em muitos casos da formulação farmacêutica. Essas emulsões podem ser chamadas de cremes, pomadas, linimentos (bálsamos), pastas, filmes ou líquidos, dependendo principalmente de suas proporções de óleo para água, outros aditivos e sua via de administração pretendida. As primeiras 5 são formas farmacêuticas tópicas e podem ser usadas na superfície da pele, por via transdérmica, oftálmica, retal ou vaginal. Uma emulsão altamente líquida também pode ser usada por via oral ou pode ser injetada em alguns casos.

As microemulsões são usadas para administrar vacinas e matar micróbios. As emulsões típicas usadas nessas técnicas são nanoemulsões de óleo de soja, com partículas de 400 a 600 nm de diâmetro. O processo não é químico, como em outros tipos de tratamentos antimicrobianos, mas mecânico. Quanto menor a gota, maior a tensão superficial e, portanto, maior a força necessária para se fundir com outros lipídios. O óleo é emulsionado com detergentes usando um misturador de alto cisalhamento para estabilizar a emulsão de modo que, ao encontrar os lipídios na membrana celular ou envelope de bactérias ou vírus, eles forçam os lipídios a se fundirem. Em grande escala, isso desintegra a membrana e mata o patógeno. A emulsão de óleo de soja não agride as células humanas normais, nem as células da maioria dos outros organismos superiores, com exceção dos espermatozóides e das células sanguíneas, que são vulneráveis às nanoemulsões devido às peculiaridades de suas estruturas de membrana. Por esse motivo, essas nanoemulsões não são usadas atualmente por via intravenosa (IV). A aplicação mais eficaz deste tipo de nanoemulsão é para a desinfecção de superfícies. Alguns tipos de nanoemulsões demonstraram efetivamente destruir patógenos HIV-1 e tuberculose em superfícies não porosas.

No combate a incêndios

Os agentes emulsificantes são eficazes na extinção de incêndios em pequenos derramamentos de camada fina de líquidos inflamáveis (incêndios de classe B). Esses agentes encapsulam o combustível em uma emulsão água-combustível, prendendo assim os vapores inflamáveis na fase aquosa. Essa emulsão é obtida pela aplicação de uma solução aquosa de surfactante ao combustível por meio de um bico de alta pressão. Os emulsificantes não são eficazes na extinção de grandes incêndios envolvendo combustíveis a granel/líquidos profundos, porque a quantidade de agente emulsificante necessária para a extinção é uma função do volume do combustível, enquanto outros agentes, como espuma formadora de filme aquoso, precisam cobrir apenas a superfície do o combustível para alcançar a mitigação de vapor.

Síntese química

As emulsões são usadas para fabricar dispersões de polímeros - a produção de polímeros em uma 'fase' tem uma série de vantagens de processo, incluindo a prevenção da coagulação do produto. Os produtos produzidos por tais polimerizações podem ser usados como emulsões – produtos incluindo componentes primários para colas e tintas. Os látex sintéticos (borrachas) também são produzidos por esse processo.

Outras fontes

• Philip Sherman; British Society of Rheology (1963). Rheologia de emulsões: procedimentos de um simpósio realizado pela Sociedade Britânica de Rheologia... Harrogate, Outubro de 1962. Macmillan. ISBN 9780080102900.
• Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology; Nalwa, H.S., Ed.; Academic Press: New York, NY, USA, 2000; Volume 5, pp. 501-575