Emulsión

Una emulsión es una mezcla de dos o más líquidos que normalmente son inmiscibles (no mezclables o no mezclables) debido a la separación de fases líquido-líquido. Las emulsiones son parte de una clase más general de sistemas bifásicos de materia llamados coloides. Aunque los términos coloide y emulsión a veces se usan indistintamente, la emulsión debe usarse cuando ambas fases, dispersa y continua, son líquidas. En una emulsión, un líquido (la fase dispersa) se dispersa en el otro (la fase continua). Los ejemplos de emulsiones incluyen vinagretas, leche homogeneizada, condensados ​​biomoleculares líquidos y algunos fluidos de corte para trabajar metales.

Dos líquidos pueden formar diferentes tipos de emulsiones. Como ejemplo, el aceite y el agua pueden formar, en primer lugar, una emulsión de aceite en agua, en la que el aceite es la fase dispersa y el agua es la fase continua. En segundo lugar, pueden formar una emulsión de agua en aceite, en la que el agua es la fase dispersa y el aceite es la fase continua. También son posibles múltiples emulsiones, incluyendo una emulsión de "agua en aceite en agua" y una emulsión de "aceite en agua en aceite".

Las emulsiones, al ser líquidos, no presentan una estructura interna estática. Las gotitas dispersas en la fase continua (a veces denominada "medio de dispersión") generalmente se supone que están distribuidas estadísticamente para producir gotitas más o menos esféricas.

El término "emulsión" también se usa para referirse al lado fotosensible de la película fotográfica. Tal emulsión fotográfica consta de partículas coloidales de haluro de plata dispersas en una matriz de gelatina. Las emulsiones nucleares son similares a las emulsiones fotográficas, excepto que se utilizan en física de partículas para detectar partículas elementales de alta energía.

Etimología

La palabra "emulsión" proviene del latín emulgere "salir de la leche", de ex "fuera" + mulgare "lechar", ya que la leche es una emulsión de grasa y agua, junto con otros componentes, incluidas las micelas de caseína coloidal (un tipo de condensado biomolecular secretado).

Apariencia y propiedades

IUPAC

Un sistema fluido en el que las gotas de líquido se dispersan en un líquido.

Nota 1: La definición se basa en la definición de la ref.

Nota 2: Las gotitas pueden ser amorfas, líquido-cristalinas o cualquiermezcla de las mismas.

Nota 3: Los diámetros de las gotitas que constituyen la fase dispersasuelen oscilar entre aproximadamente 10 nm y 100 μm; es decir, las gotitaspueden exceder los límites de tamaño habituales para partículas coloidales.

Nota 4: Una emulsión se denomina emulsión de aceite/agua (o/w) si lafase dispersa es un material orgánico y la fase continua esagua o una solución acuosa y se denomina agua/aceite (w/o) si lafase dispersa es agua o una solución acuosa y la fase continua es unlíquido orgánico (un "aceite").

Nota 5: Una emulsión w/o a veces se denomina emulsión inversa.El término "emulsión inversa" es engañoso, ya que sugiere incorrectamente quela emulsión tiene propiedades opuestas a las de una emulsión.Por lo tanto, no se recomienda su uso.

Las emulsiones contienen tanto una fase dispersa como una continua, con el límite entre las fases llamado "interfaz". Las emulsiones tienden a tener una apariencia turbia debido a que las muchas interfaces de fase dispersan la luz a medida que pasa a través de la emulsión. Las emulsiones aparecen blancas cuando toda la luz se dispersa por igual. Si la emulsión se diluye lo suficiente, la luz de frecuencia más alta (longitud de onda baja) se dispersará más y la emulsión aparecerá más azul; esto se denomina "efecto Tyndall".Si la emulsión está lo suficientemente concentrada, el color se distorsionará hacia longitudes de onda comparativamente más largas y aparecerá más amarillo. Este fenómeno es fácilmente observable cuando se compara la leche desnatada, que contiene poca grasa, con la nata, que contiene una concentración mucho mayor de grasa láctea. Un ejemplo sería una mezcla de agua y aceite.

Dos clases especiales de emulsiones, microemulsiones y nanoemulsiones, con gotas de tamaño inferior a 100 nm, parecen translúcidas. Esta propiedad se debe al hecho de que las gotas de luz dispersan las ondas de luz solo si su tamaño excede aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. Dado que el espectro visible de la luz se compone de longitudes de onda entre 390 y 750 nanómetros (nm), si el tamaño de las gotas en la emulsión es inferior a 100 nm, la luz puede penetrar a través de la emulsión sin dispersarse.Debido a su apariencia similar, las nanoemulsiones translúcidas y las microemulsiones se confunden con frecuencia. A diferencia de las nanoemulsiones translúcidas, que requieren equipo especializado para producirse, las microemulsiones se forman espontáneamente al "solubilizar" moléculas de aceite con una mezcla de tensioactivos, cotensioactivos y codisolventes. Sin embargo, la concentración de tensioactivo requerida en una microemulsión es varias veces mayor que la de una nanoemulsión translúcida y supera significativamente la concentración de la fase dispersa. Debido a los muchos efectos secundarios indeseables provocados por los tensioactivos, su presencia es desventajosa o prohibitiva en muchas aplicaciones. Además, la estabilidad de una microemulsión a menudo se ve fácilmente comprometida por la dilución, el calentamiento o el cambio de los niveles de pH.

Las emulsiones comunes son intrínsecamente inestables y, por lo tanto, no tienden a formarse espontáneamente. Se necesita el aporte de energía, a través de la agitación, la homogeneización o la exposición a ultrasonidos de potencia, para formar una emulsión. Con el tiempo, las emulsiones tienden a volver al estado estable de las fases que componen la emulsión. Un ejemplo de esto se ve en la separación de los componentes de aceite y vinagre de la vinagreta, una emulsión inestable que se separará rápidamente a menos que se agite casi continuamente. Hay excepciones importantes a esta regla: las microemulsiones son termodinámicamente estables, mientras que las nanoemulsiones translúcidas son cinéticamente estables.

Que una emulsión de aceite y agua se convierta en una emulsión de "agua en aceite" o en una emulsión de "aceite en agua" depende de la fracción de volumen de ambas fases y del tipo de emulsionante (surfactante) (ver Emulsionante, a continuación) presente.

Inestabilidad

La estabilidad de la emulsión se refiere a la capacidad de una emulsión para resistir cambios en sus propiedades a lo largo del tiempo. Hay cuatro tipos de inestabilidad en las emulsiones: floculación, coalescencia, cremosidad/sedimentación y maduración de Ostwald. La floculación ocurre cuando hay una fuerza de atracción entre las gotas, por lo que forman flóculos, como racimos de uvas. Se puede desear este proceso, si se controla en su extensión, para ajustar las propiedades físicas de las emulsiones, como su comportamiento de flujo. La coalescencia ocurre cuando las gotas chocan entre sí y se combinan para formar una gota más grande, por lo que el tamaño promedio de las gotas aumenta con el tiempo. Las emulsiones también pueden experimentar formación de crema, donde las gotitas suben a la parte superior de la emulsión bajo la influencia de la flotabilidad, o bajo la influencia de la fuerza centrípeta inducida cuando se usa una centrífuga.La formación de crema es un fenómeno común en las bebidas lácteas y no lácteas (es decir, leche, leche de café, leche de almendras, leche de soya) y generalmente no cambia el tamaño de las gotas. La sedimentación es el fenómeno opuesto a la formación de crema y normalmente se observa en las emulsiones de agua en aceite. La sedimentación ocurre cuando la fase dispersa es más densa que la fase continua y las fuerzas gravitatorias empujan los glóbulos más densos hacia el fondo de la emulsión. Similar a la formación de crema, la sedimentación sigue la ley de Stokes.

Un "agente tensioactivo" apropiado (o "tensoactivo") puede aumentar la estabilidad cinética de una emulsión de modo que el tamaño de las gotitas no cambie significativamente con el tiempo. La estabilidad de una emulsión, como una suspensión, se puede estudiar en términos de potencial zeta, que indica la repulsión entre gotas o partículas. Si el tamaño y la dispersión de las gotas no cambia con el tiempo, se dice que es estable. Por ejemplo, las emulsiones de aceite en agua que contienen monoglicéridos y diglicéridos y proteína de leche como tensioactivo mostraron un tamaño de gota de aceite estable durante 28 días de almacenamiento a 25 °C.

Monitoreo de la estabilidad física

La estabilidad de las emulsiones se puede caracterizar mediante técnicas como la dispersión de la luz, la medición de la reflectancia del haz enfocado, la centrifugación y la reología. Cada método tiene ventajas y desventajas.

Métodos de aceleración para la predicción de la vida útil

El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo, hasta varios meses o incluso años para algunos productos. A menudo, el formulador debe acelerar este proceso para probar los productos en un tiempo razonable durante el diseño del producto. Los métodos térmicos son los más utilizados, consisten en aumentar la temperatura de la emulsión para acelerar la desestabilización (si está por debajo de las temperaturas críticas para la inversión de fase o la degradación química).La temperatura afecta no solo la viscosidad sino también la tensión interfacial en el caso de los tensioactivos no iónicos o, en un ámbito más amplio, las interacciones entre las gotas dentro del sistema. El almacenamiento de una emulsión a altas temperaturas permite la simulación de condiciones realistas para un producto (p. ej., un tubo de emulsión de protección solar en un automóvil en el calor del verano), pero también acelera los procesos de desestabilización hasta 200 veces.

También se pueden usar métodos mecánicos de aceleración, que incluyen vibración, centrifugación y agitación.

Estos métodos son casi siempre empíricos, sin una base científica sólida.

Emulsionantes

Un emulsionante (también conocido como "emulgente") es una sustancia que estabiliza una emulsión aumentando su estabilidad cinética. Los emulsionantes forman parte de un grupo más amplio de compuestos conocidos como tensioactivos o "agentes de superficie activa". Los tensioactivos (emulsionantes) son compuestos típicamente anfifílicos, lo que significa que tienen una parte polar o hidrófila (es decir, soluble en agua) y una parte no polar (es decir, hidrófoba o lipófila). Debido a esto, los emulsionantes tienden a tener mayor o menor solubilidad en agua o en aceite. Los emulsionantes que son más solubles en agua (y, por el contrario, menos solubles en aceite) generalmente forman emulsiones de aceite en agua, mientras que los emulsionantes que son más solubles en aceite forman emulsiones de agua en aceite.

Ejemplos de emulsionantes alimentarios son:

• Yema de huevo: en el que el principal agente emulsionante y espesante es la lecitina.
• Mostaza: donde una variedad de productos químicos en el mucílago que rodea la cáscara de la semilla actúan como emulsionantes.
• La lecitina de soja es otro emulsionante y espesante
• Estabilización de Pickering: utiliza partículas en determinadas circunstancias.
• Fosfatos de sodio: no son directamente un emulsionante, pero modifican el comportamiento de otras moléculas, por ejemplo, la caseína.
• Monoglicéridos y diglicéridos: un emulsionante común que se encuentra en muchos productos alimenticios (cremas para café, helados, cremas para untar, panes, pasteles)
• lactilato de estearoilo de sodio
• DATEM (ésteres de ácido diacetiltartárico de monoglicéridos y diglicéridos): un emulsionante utilizado principalmente para hornear
• Celulosa simple: un emulsionante de partículas derivado de material vegetal que utiliza solo agua.
• Proteínas: aquellas con regiones hidrofílicas e hidrofóbicas, por ejemplo, caseinato de sodio, como en el producto de queso fundible.

Los detergentes son otra clase de surfactante e interactuarán físicamente tanto con el aceite como con el agua, estabilizando así la interfaz entre las gotas de aceite y agua en suspensión. Este principio se aprovecha en el jabón, para eliminar la grasa con el fin de limpiar. Muchos emulsionantes diferentes se utilizan en farmacia para preparar emulsiones como cremas y lociones. Los ejemplos comunes incluyen cera emulsionante, polisorbato 20 y ceteareth 20.

A veces, la fase interna en sí misma puede actuar como un emulsionante y el resultado es una nanoemulsión, donde el estado interno se dispersa en gotas de "tamaño nano" dentro de la fase externa. Un ejemplo bien conocido de este fenómeno, el "efecto ouzo", ocurre cuando se vierte agua en una bebida alcohólica fuerte a base de anís, como ouzo, pastis, absenta, arak o raki. Los compuestos anisólicos, que son solubles en etanol, luego forman gotas de tamaño nanométrico y se emulsionan dentro del agua. El color resultante de la bebida es opaco y blanco lechoso.

Mecanismos de emulsificación

Un número de diferentes procesos y mecanismos químicos y físicos pueden estar involucrados en el proceso de emulsificación:

• Teoría de la tensión superficial: según esta teoría, la emulsificación se produce mediante la reducción de la tensión interfacial entre dos fases.
• Teoría de la repulsión: el agente emulsionante crea una película sobre una fase que forma glóbulos que se repelen entre sí. Esta fuerza de repulsión hace que permanezcan suspendidos en el medio de dispersión.
• Modificación de la viscosidad: los emulgentes como la acacia y el tragacanto, que son hidrocoloides, así como el PEG (o polietilenglicol), la glicerina y otros polímeros como la CMC (carboximetilcelulosa), aumentan la viscosidad del medio, lo que ayuda a crear y mantener la suspensión. de glóbulos de fase dispersa

Usos

En la comida

Las emulsiones de aceite en agua son comunes en los productos alimenticios:

• Crema (espuma) en espresso: aceite de café en agua (café preparado), coloide inestable
• Salsas mayonesa y holandesa: son emulsiones de aceite en agua estabilizadas con lecitina de yema de huevo o con otros tipos de aditivos alimentarios, como estearoil lactilato de sodio.
• Leche homogeneizada: una emulsión de grasa de leche en agua, con proteínas de leche como emulsionante.
• Vinagreta: una emulsión de aceite vegetal en vinagre, si se prepara utilizando solo aceite y vinagre (es decir, sin emulsionante), se obtiene una emulsión inestable.

Las emulsiones de agua en aceite son menos comunes en los alimentos, pero todavía existen:

• Mantequilla: una emulsión de agua en grasa de mantequilla
• Margarina

Otros alimentos pueden convertirse en productos similares a las emulsiones, por ejemplo, la emulsión de carne es una suspensión de carne en líquido similar a las verdaderas emulsiones.

En el cuidado de la salud

En farmacia, peluquería, higiene personal y cosmética se utilizan con frecuencia las emulsiones. Suelen ser emulsiones de aceite y agua pero dispersas, y que sea continua depende en muchos casos de la formulación farmacéutica. Estas emulsiones pueden llamarse cremas, ungüentos, linimentos (bálsamos), pastas, películas o líquidos, dependiendo principalmente de sus proporciones de aceite a agua, otros aditivos y la vía de administración prevista. Las primeras 5 son formas de dosificación tópicas y se pueden usar en la superficie de la piel, por vía transdérmica, oftálmica, rectal o vaginal. Una emulsión altamente líquida también se puede usar por vía oral o se puede inyectar en algunos casos.

Las microemulsiones se utilizan para administrar vacunas y matar microbios. Las emulsiones típicas utilizadas en estas técnicas son nanoemulsiones de aceite de soja, con partículas de 400 a 600 nm de diámetro.El proceso no es químico, como ocurre con otro tipo de tratamientos antimicrobianos, sino mecánico. Cuanto más pequeña es la gota, mayor es la tensión superficial y, por lo tanto, mayor es la fuerza requerida para fusionarse con otros lípidos. El aceite se emulsiona con detergentes utilizando un mezclador de alto cizallamiento para estabilizar la emulsión de modo que, cuando se encuentran con los lípidos en la membrana celular o la cubierta de bacterias o virus, fuerzan a los lípidos a fusionarse entre sí. En una escala masiva, en efecto, esto desintegra la membrana y mata al patógeno. La emulsión de aceite de soja no daña las células humanas normales ni las células de la mayoría de los otros organismos superiores, con la excepción de los espermatozoides y las células sanguíneas, que son vulnerables a las nanoemulsiones debido a las peculiaridades de sus estructuras de membrana. Por esta razón, estas nanoemulsiones actualmente no se usan por vía intravenosa (IV). La aplicación más efectiva de este tipo de nanoemulsión es para la desinfección de superficies. Se ha demostrado que algunos tipos de nanoemulsiones destruyen eficazmente los patógenos del VIH-1 y la tuberculosis en superficies no porosas.

En extinción de incendios

Los agentes emulsionantes son efectivos para extinguir incendios en derrames pequeños y de capa delgada de líquidos inflamables (fuegos de clase B). Dichos agentes encapsulan el combustible en una emulsión de agua y combustible, atrapando así los vapores inflamables en la fase acuosa. Esta emulsión se logra aplicando una solución acuosa de surfactante al combustible a través de una boquilla de alta presión. Los emulsionantes no son efectivos para extinguir grandes incendios que involucran combustibles líquidos a granel/profundos, porque la cantidad de agente emulsionante necesaria para la extinción es una función del volumen del combustible, mientras que otros agentes, como la espuma formadora de película acuosa, necesitan cubrir solo la superficie del combustible. el combustible para lograr la mitigación del vapor.

Síntesis química

Las emulsiones se utilizan para fabricar dispersiones de polímeros: la producción de polímeros en una 'fase' de emulsión tiene una serie de ventajas en el proceso, incluida la prevención de la coagulación del producto. Los productos producidos por tales polimerizaciones pueden usarse como emulsiones, productos que incluyen componentes primarios para pegamentos y pinturas. Los látex sintéticos (gomas) también se producen mediante este proceso.