امولسیون ها: مخلوط کردن روغن و آب

عدم اختلاط روغن و آب الهام بخش ضرب المثل “روغن و آب با هم مخلوط نمی‌شوند” و عبارات دیگری است که ناسازگاری کلی دو موجود را نشان می‌دهد. با این حال، در خانه‌های ما نمونه‌های بیشماری از محصولاتی وجود دارد که روغن و آب در آن‌ها مخلوط می‌شود: مایونز، شیر، سس سالاد، لوسیون دست و نرم‌کننده مو.

این نمونه‌ها نشان‌دهنده امولسیون ها هستند، که مخلوط پایداری از قطرات ریز یک مایع غیرقابل مخلوط در سیال دیگر هستند که توسط مواد شیمیایی موسوم به امولسیفایر امکان‌پذیر شده است.

نحوه عملکرد امولسیون ها

امولسیون های ساده یا روغن معلق در فاز آبی (o/w)، یا آب معلق در روغن (w/o) هستند. شیر نمونه ای از امولسیون o/w است که در آن فاز چربی یا قطرات خامه کوچک در شیر بدون چربی یا فاز آب ایجاد می‌کند. در مقابل، مارگارین یک امولسیون w/o است که حاوی قطرات آب یا شیر بدون چربی در ترکیبی از روغن‌های گیاهی و چربی است. در هر دو مورد، امولسیفایرها مورد نیاز هستند تا از تجمع قطرات معلق و شکستن امولسیون جلوگیری شود.

هرکسی که یک سس ساده سالاد روغن و سرکه درست کرده باشد می‌داند که با تکان دادن یا هم زدن کافی می‌توان یک امولسیون موقت تهیه کرد. با این حال، در غیاب امولسیفایرها، این امولسیون ناپایدار در عرض چند دقیقه تجزیه می‌شود و لایه ای روغن روی سرکه ایجاد می‌کند.

قرن‌هاست که آشپزها امولسیفایرهای طبیعی مانند زرده تخم مرغ، خردل یا عسل را برای جلوگیری از این جداسازی اضافه کرده‌اند. امروزه طیف وسیعی از امولسیفایرهای طبیعی و مصنوعی برای زمینه‌های متنوعی که از آن‌ها سود می‌برد، از جمله غذا، مواد مغذی، مراقبت‌های شخصی و خانگی، سوخت‌های زیستی، پاکسازی محیط زیست و کاربردهای روان‌کننده صنعتی در دسترس است.

امولسیفایرها با ایجاد موانع فیزیکی که مانع از ادغام قطرات می‌شوند کار می‌کنند. امولسیفایرها شامل هر دو گروه سر آب دوست (آب دوست یا قطبی) و دم آبگریز (روغن دوست یا غیرقطبی) هستند.

بنابراین، امولسیفایرها به ترکیبات قطبی و غیر قطبی جذب می‌شوند. وقتی سورفکتانت فعال امولسیون‌کننده به امولسیون o/w اضافه می‌شوند، امولسیفایرها قطرات روغن را با دم‌های غیر قطبی خود به داخل روغن و گروه سر قطبی خود رو به آب احاطه کرده‌اند (شکل زیر). برای امولسیون w/o، جهت امولسیفایر معکوس است: دم‌های غیرقطبی به سمت خارج به فاز روغن امتداد می‌یابد، در حالی که گروه‌های سر قطبی به داخل قطرات آب اشاره می‌کنند. به این ترتیب، امولسیفایرها کشش سطحی بین فازهای روغن و آب را کاهش داده، قطرات را تثبیت کرده و از ادغام آن‌ها جلوگیری می‌کند.

امولسیفایرها می توانند کاتیونی (گروه سر قطبی با بار مثبت)، آنیونی (گروه سر قطبی با بار منفی) یا غیر یونی (گروه سر بدون شارژ) باشند. وقتی امولسیفایرهای باردار قطرات را در یک امولسیون o/w می‌پوشانند، بارهای مثبت یا منفی در خارج قطرات روغن الکترواستاتیک یکدیگر را دفع می‌کنند و به جدا نگه داشتن قطرات کمک می‌کند.

امولسیفایرهای غیر یونی دارای سرهای بزرگ و حجیم هستند که از قطرات روغن دورتر هستند. این گروه های قطبی سر با گروه های سر در دیگر قطرات آب درگیر شده و در هم می‌پیچند و از تجمع قطرات در کنار هم جلوگیری می‌کند.

نوع امولسیفایر مورد استفاده بستگی به کاربرد آن دارد، که معمولاً  امولسیفایرهای کاتیونی در محلول‌های با pH کم تا خنثی و امولسیفایرهای آنیونی در محلول‌های قلیایی استفاده می‌شود. امولسیفایرهای غیر یونی را می‌توان به تنهایی یا همراه با امولسیفایرهای باردار برای افزایش پایداری امولسیون استفاده کرد.

نحوه انتخاب امولسیفایر مناسب

چگونه فرمولاسیون محصولات تعیین می‌کنند که از کدام امولسیفایر برای یک امولسیون خاص استفاده شود؟ محاسبه تعادل آب دوست-چربی دوست (HLB) یک امولسیفایر یا ترکیبی از امولسیفایرها می تواند کمک‌کننده باشد.

در یک امولسیون ایده‌آل، امولسیفایر به یک اندازه به فاز آب و فاز روغن جذب می‌شود. اگر تعادل در هر دو جهت باشد، امولسیفایر ممکن است تماس خود را با فازی که به آن کمتر جذب می‌شود از دست بدهد و باعث تجزیه امولسیون شود.

امولسیفایرهای مختلف دارای مقادیر مختلف HLB هستند که می‌تواند توانایی آن‌ها را برای تثبیت انواع مختلف امولسیون‌ها پیش‌بینی کند (شکل زیر). مقیاس HLB از 0 تا 20 متغیر است و 10 مربوط به امولسیفایر است که به اندازه یکسان جذب آب و روغن می‌شود. امولسیفایرها با مقادیر HLB بیشتر از 10 آب دوست هستند و بنابراین در تثبیت امولسیون های o/w بهتر عمل می‌کنند. در مقابل، امولسیفایرها با مقادیر HLB کمتر از 10 آب گریز تر هستند و بنابراین برای امولسیون های w/o مناسب‌ترند.

علاوه بر این، روغن‌های مختلف نیازهای HLB متفاوتی دارند. به عنوان مثال، امولسیون های روغن نباتی به امولسیفایر با HLB 7-8 احتیاج دارند، در حالی که مقدار HLB مورد نیاز برای تشکیل امولسیون روغن کرچک پایدار 14 است. با مطابقت مقدار HLB امولسیفایر با روغن، فرمولاسیون می تواند شانس تولید امولسیون پایدار را تا حد زیادی افزایش دهد.

به گفته محققان ، ترکیبی از امولسیفایرها معمولاً بهتر از هر امولسیفایر دیگری کار می‌کند.

“برای مثال، اگر می‌خواهید امولسیون روغن معدنی بسازید، HLB روغن معدنی 10 است.” “بنابراین شما یک جفت امولسیفایر انتخاب می کنید ، یکی با HLB بالاتر از 10 و دیگری با HLB کمتر از 10. هنگامی که آن‌ها را ترکیب می‌کنید، میانگین حدود 10 به دست می‌آید.”

سیستم HLB ، که عمدتا برای امولسیفایرهای غیر یونی کار می‌کند، از سال 1954 وجود داشته است. در دهه 1970، سیستم تفاوت آب دوست-چربی دوست (HLD) معرفی شد. سیستم HLD برای سورفکتانت‌های یونی و غیر یونی کار می‌کند و بهتر می تواند ویژگی‌های دقیق یک امولسیون خاص مانند شوری، نوع روغن، غلظت سورفاکتانت و دما را در نظر بگیرد.

معادله HLD شامل شرایطی برای غلظت نمک، “چرب بودن” روغن (عدد کربن آلکان موثر) و انحنای مشخصه (Cc) امولسیفایر است. مقدار Cc یک امولسیفایر منعکس‌کننده این است که آیا امولسیفایر ترجیح می‌دهد در اطراف یک قطره روغن در آب خم شود (Cc منفی) یا در اطراف یک قطره آب در یک امولسیون w/o (Cc مثبت) خم شود.

به عنوان مثال، یک امولسیفایر بسیار آب دوست، سدیم لوریل سولفات، دارای Cc -2.3 است، در حالی که یک امولسیفایر بسیار آبگریز، دی اکتیل سدیم سولفوسوکسینات، دارای Cc 2.6 است. Cc برای ترکیب امولسیفایرها میانگین وزنی هر امولسیفایر است.

ماکرو و میکروامولسیون‌ها

به طور فزاینده‌ای، فرمولاسیون به ساختن میکروامولسیون‌ها علاقه‌مند هستند، که ثبات بیشتری نسبت به ماکرومولسیون های معمولی ارائه می دهند. همانطور که از نامش پیداست، ریز امولسیون ها دارای قطرات کوچکتری نسبت به امولسیون های معمولی هستند و آن‌ها را شفاف نشان می‌دهند. بر خلاف ماکرومولسیون‌ها، میکروامولسیون‌ها از نظر ترمودینامیکی پایدار هستند.

با توجه به مطالعات انجام شده: “با توجه به زمان کافی، یک پالایش بزرگ به فازهای آب و روغن تجزیه می‌شود.” اما زمان عاملی برای مدت زمان باقی ماندن میکروامولسیون در وضعیت فعلی نیست. ” علاوه بر این، اگر تغییر دما باعث تجزیه امولسیون شود، وقتی دما به مقدار اولیه خود تغییر می‌کند، میکروامولسیون خود به خود اصلاح می‌شود. در مقابل، یک ماکروامولسیون برای ظهور مجدد نیاز به ورودی انرژی دارد.

میکروامولسیون‌ها متفاوت از ماکرومولسیون‌ها هستند. ماکروامولسیون‌ها به مخلوط شدن با شدت بالا نیاز دارند. از آنجا که میکروامولسیون‌ها یک نقطه پایانی پایدار از نظر ترمودینامیکی هستند که یک سیستم به طور طبیعی به سمت آن مهاجرت می‌کند، به طور کلی نیازی به اختلاط شدید ندارند. با این حال، فرمولاسیون اغلب از هم زدن ملایم برای پخش یکنواخت اجزا و تسریع روند تشکیل میکروامولسیون استفاده می‌کنند.

در مقایسه با ماکروامولسیون‌ها، میکروامولسیون‌ها به سورفاکتانت بیشتری نیاز دارند.

“ثبات زمان در جهت میکروامولسیون‌ها نشان می‌دهد، اما نیاز به سورفاکتانت ممکن است به نفع ماکروامولسیون باشد.” “ممکن است 3 یا 6 ماه به اندازه کافی برای درخواست شما کافی باشد و زمان ممکن است در این شرایط دخیل نباشد.” به عنوان مثال، محصولات غذایی اغلب قبل از تجزیه کلان امولسیون خراب می‌شوند.

میکروامولسیون‌ها به دلیل ثبات قابل توجه، کاربردهایی در زمینه های مختلف مانند محصولات مراقبت شخصی، مواد شیمیایی میدان نفتی و دارو پیدا می‌کنند.

کاربرد امولسیفایرها در صنایع مختلف

امولسیون مواد غذایی 

بسیاری از غذاهای محبوب امولسیون هستند، از جمله سس مایونز، سس سالاد، سس هایی مانند هلندی، شکلات و بستنی.

لسیتین، ترکیبی از فسفولیپیدهای طبیعی، به طور گسترده‌ای در صنایع غذایی برای ترویج امولسیون های o/w استفاده می‌شود. در سراسر جهان، بیشتر لسیتین تجاری از روغن سویا تهیه می‌شود. زرده تخم مرغ، امولسیفایر سنتی سس مایونز و سس، همچنین حاوی لسیتین است. سایر امولسیفایرهای رایج در غذاها پروتئین‌ها، استرهای اسیدهای چرب، استئاروئیل لاکتیلات سدیم و مونو  دی گلیسیریدها هستند.

محققان می‌گویند: تهیه امولسیون های غذایی می‌تواند چالش‌برانگیز باشد. اگرچه دستورالعمل هایی مانند مقیاس HLB می‌تواند کمک‌کننده باشد، اما بیشتر اوقات تجربه و آزمایش برای یافتن انتخاب بهینه امولسیفایرها و میزان استفاده مورد نیاز است. “

آن‌ها خاطرنشان می‌کنند که پردازش می تواند چالش دیگری در هنگام کار با امولسیون های غذایی باشد. آن‌ها می‌گویند: “یک شرکت ممکن است یک فرمول واحد در چندین مکان اجرا کند و نتایج متفاوتی را در کارخانه‌های مختلف مشاهده کند.” این تفاوت ها ممکن است ناشی از تغییرات ظاهراً ظریف در شرایط محصول باشد.

مواد مغذی تغذیه‌ای

محققان در حال بررسی امولسیون ها به عنوان وسیله‌ای برای تحویل ویتامین ها، مکمل‌ها و سایر مواد مغذی هستند. آزمایشگاه مک کلمنت از امولسیون ها برای محصور کردن ویتامین E، کاروتنوئیدها، اسیدهای چرب امگا 3، کورکومین، کوآنزیم Q10 و سایر ترکیبات فعال استفاده کرده است. در نهایت، او می‌خواهد مواد مغذی مانند این را در غذاهای کاربردی بگنجاند.

طبق گفته محققان: “یکی از اهداف آن‌ها افزایش پایداری ترکیبات فعال است که در امولسیون در ذرات غذا محصور شده‌اند.” “ما همچنین می‌خواهیم سرنوشت آن‌ها را در دستگاه گوارش پس از هضم کنترل کنیم.”

آزمایشگاه مک کلمنتس علاوه بر امولسیون های معمولی، امولسیون های پیچیده‌تری مانند نانوامولسیون‌ها، نانو ذرات چربی جامد، ذرات هیدروژل پر شده (شکل زیر) و امولسیون های چند لایه می‌سازد. انواع مختلف امولسیون ها می‌توانند کاربردهای متفاوتی داشته باشند.

مک کلمنتس می‌گوید: “برخی از آن‌ها می‌توانند اجزاء را در برابر تخریب شیمیایی محافظت کنند، برخی می‌توانند ترکیبات را به روده بزرگ تحویل دهند و برخی دیگر می توانند طعم را کنترل کنند.” “بنابراین شما باید یک سیستم تحویل متفاوت برای هر برنامه داشته باشید.

امولسیون های چند لایه

امولسیون های چند لایه شامل قطرات روغن پوشیده شده با امولسیفایر به علاوه یک یا چند لایه بیوپلیمر می‌باشد که در محلول آبی پراکنده شده‌اند. امولسیفایر معمولاً دارای بار الکتریکی است و لایه (های) پلیمری دارای بارهای مخالف هستند که آن‌ها را به سطح قطرات روغن جذب می‌کند.

با توجه به McClements، امولسیون های چند لایه از نظر نوسانات در pH، قدرت یونی، دما، انجماد و ذوب، و دهیدراته شدن از ثبات فیزیکی بهتری نسبت به امولسیون های تک لایه برخوردارند. علاوه بر این، محققان می توانند امولسیون های چند لایه را برای کنترل تجزیه آن‌ها در دستگاه گوارش طراحی کنند.

او می گوید: “می توانید آن‌ها را طوری تهیه کنید که خیلی سریع هضم شوند، مانند یک امولسیون معمولی، یا می‌توانید آن‌ها را طوری تهیه کنید که از دستگاه گوارش بیشتر پیش بروند.” “اگر می‌خواهید چیزی را به روده بزرگ تحویل دهید یا سعی می کنید سیری را با دریافت ترکیبات هضم نشده در دستگاه گوارش را کنترل کنید، دومی ممکن است مفید باشد.”

محصولات مراقبت شخصی

اکثر محصولات مراقبت شخصی شامل لوسیون، کرم، شامپو و نرم‌کننده‌ها امولسیون هستند. امولسیفایرهای رایج برای محصولات مراقبت شخصی شامل الکل‌های اتوکسیله، کربوکسیلات، سدیم ایزتیونات، گلیسرول مونو استئارات، ستیل الکل، استئاریل الکل و امولسیفایرهای سیلیکونی مانند دایمتیکون‌ها هستند.

طبق گفته محققان: “در حال حاضر، بیشتر مردم دوست دارند از امولسیفایرهایی استفاده کنند که بر پایه مواد اولیه گیاهی است و نه از مواد پتروشیمی.” امولسیفایرهای مصنوعی مانند الکل‌های اتوکسیله و همتایان طبیعی آن‌ها دارای ساختار، عملکرد و تجزیه بیولوژیکی یکسانی هستند.

آن‌ها می‌گویند: “قیمت بسته به قیمت روغن هسته خرما در مالزی و قیمت اتیلن در آمریکای شمالی به جلو و عقب می‌رود.” “در حال حاضر، فکر می کنیم محصولات پتروشیمی مزیت دارد، اما هر دو تا سه سال تغییر می‌کند.”

در سال‌های اخیر از الکل‌های سنتزی اتوکسیلات فاصله گرفته است به دلیل نگرانی از باقی‌مانده 1،4-دی اکسان مشکوک به سرطان‌زایی که در تولید آن‌ها یک محصول جانبی است. گلوکوزیدهای طبیعی مشتق شده به عنوان جایگزین برخی از کاربردها پیشنهاد شده است.

با این حال، گروهی دیگر از محققان معتقدند که: “خیلی زود است که بگوییم الکل‌های اتوکسیله می‌توانند جایگزین شوند.” برخی از امولسیون ها را می‌توانید با گلوکوزیدها بسازید، اما در بیشتر نقاط جهان هنوز از اتوکسیلات استفاده می‌کنند.”

محصولات مراقبت در منزل

بسیاری از پاک کننده های خانگی و شوینده‌های لباسشویی حاوی سورفاکتانت‌هایی هستند که ذرات آلوده روغنی را امولسیون می‌کنند تا بتوان آن‌ها را رقیق و شستشو داد. الکل‌های اتوکسیله یک جزء رایج شوینده‌های لباسشویی هستند. بسیاری از مواد شوینده حاوی ترکیبی از امولسیفایرهای غیر یونی و آنیونی هستند تا لکه‌ها را از روی پارچه پاک کنند.

به گفته محققان، حذف تری گلیسیرید مانند چربی، گریس بیکن و روغن‌های گیاهی از پارچه‌ها به ویژه چالش برانگیز است. آزمایشات نشان داده است که سورفکتانت‌های گسترش یافته، که سورفکتانت‌هایی با گروه های قطبیت متوسط ​​هستند (به عنوان مثال، پلی پروپیلن اکسید و پلی اتیلن اکسید) که بین سر آب دوست و دم آبگریز قرار داده شده است، در از بین بردن این نوع لکه‌های روغنی مؤثر است.

روان‌کننده های صنعتی

سیالات فلزکاری و دیگر روان‌کننده های صنعتی معمولاً امولسیون های o/w هستند. امولسیفایرها به کارگران فلز اجازه می دهند تا هم از خاصیت روانکاری روغن‌ها و هم از قابلیت‌های خنک‌کننده آب استفاده کنند. امولسیفایرهای آنیونی و غیر یونی اغلب در سیالات فلزکاری با هم استفاده می‌شوند. امولسیفایرهای کاتیونی به ندرت مورد استفاده قرار می‌گیرند زیرا در محلول‌های قلیایی (pH 8-9.5) مورد نیاز برای مایعات فلزکاری ناپایدار هستند.

فناوری‌های زیست محیطی

امولسیون ها و میکروامولسیون‌ها در فناوری‌های زیست محیطی مانند بازسازی زیرسطحی و تولید سوخت‌های زیستی استفاده شده‌اند. به عنوان مثال، هنگام ریختن نفت یا گاز، روغن در منافذ خاک و سنگ‌گیر می‌کند. میکروامولسیون های فاقد الکل را توسعه داده اند که به حذف آلاینده های چربی از زیر سطح به شیوه‌ای سازگار با محیط زیست کمک می‌کند.

“روغن به دلیل کشش سطحی بین آب و روغن در منافذ به دام افتاده است.” “اگر بتوانیم کشش سطحی را با امولسیفایرها کاهش دهیم، می توانیم میزان پاکسازی آلودگی خود را افزایش دهیم.”

محققان همچنین تحقیقات امولسیون های خود را در تولید کارآمدتر سوخت‌های زیستی به کار گرفته‌اند. بیودیزل یک روغن گیاهی است، مانند روغن سویا که برای کاهش ویسکوزیته از طریق واکنش ترانس استریفیکاسیون شیمیایی اصلاح شده است. از نظر احتراق، نیازی به اصلاح روغن نباتی ندارید.

شما می توانید از روغن گیاهی در موتور دیزل استفاده کنید و بدون هیچ تغییری بسیار خوب کار می‌کند.” فقط روغن گیاهی مشکلات ویسکوزیته دارد، به ویژه در دماهای پایین‌تر.”

همانطور که پیداست، میکروامولسیون روغن‌های گیاهی می‌تواند بدون نیاز به واکنش ترانس استریفیکاسیون، ویسکوزیته را کاهش دهد. این امر باعث صرفه‌جویی در وقت و استفاده بیشتر از مواد اولیه به عنوان سوخت می‌شود.

منبع:

• making oil and water mix