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Emulsión

Dos líquidos inmiscibles, aún no emulsionados. Una emulsión de fase II dispersa en fase I La emulsión inestable se separa progresivamente. El surfactante (contorno alrededor de ...

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  1. Dos líquidos inmiscibles, aún no emulsionados.
  2. Una emulsión de fase II dispersa en fase I
  3. La emulsión inestable se separa progresivamente.
  4. El surfactante (contorno alrededor de las partículas) se posiciona en las interfaces entre la Fase II y la Fase I, estabilizando la emulsión.

Una emulsión es una mezcla de dos o más líquidos que normalmente son inmiscibles (no se pueden mezclar) debido a la separación de fases líquido-líquido. Las emulsiones forman parte de una clase más general de sistemas de materia de dos fases llamados coloides . Aunque los términos coloide y emulsión a veces se usan indistintamente, el término emulsión se refiere más específicamente a cuando ambas fases, dispersa y continua, son líquidas. En una emulsión, un líquido (la fase dispersa ) se encuentra disperso en el otro (la fase continua). Ejemplos de emulsiones incluyen vinagretas , leche homogeneizada , condensados ​​biomoleculares líquidos y algunos fluidos de corte para el trabajo de metales .

Dos líquidos pueden formar distintos tipos de emulsiones. Por 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 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 la fase continua. También son posibles las emulsiones múltiples, incluyendo una emulsión de "agua en aceite en agua" y una emulsión de "aceite en agua en aceite". [ 1 ]

Las emulsiones, al ser líquidas, no presentan una estructura interna estática. Se suele asumir que las gotitas dispersas en la fase continua (a veces denominada "medio de dispersión") están distribuidas estadísticamente para producir gotitas aproximadamente esféricas.

El término «emulsión» también se utiliza para referirse a la cara fotosensible de la película fotográfica . Dicha emulsión fotográfica consiste en partículas coloidales de haluro de plata dispersas en una matriz de gelatina . Las emulsiones nucleares son similares a las fotográficas, con la diferencia de que se utilizan en física de partículas para detectar partículas elementales de alta energía .

Mientras que una emulsión corresponde aproximadamente a una mezcla de al menos dos líquidos inmiscibles, por el contrario, la emulsificación es el proceso de dispersar dos o más líquidos inmiscibles mediante el uso de un emulsionante [ 2 ] (por ejemplo, lecitina en una mezcla de aceite y agua). La nanoemulsificación es el proceso de emulsificación a nanoescala . [ 3 ] [ 4 ] Una nanoemulsión [ 5 ] [ 6 ] es un tipo particular de emulsión, con tamaños de gota del orden de 100 nm . [ 7 ]

IUPAC

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

Nota 1 : La definición se basa en la definición de la referencia [ 8 ].

Nota 2 : Las gotitas pueden ser amorfas, cristalinas líquidas o cualquier mezcla de las mismas.

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

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

Nota 5 : Una emulsión w/o a veces se denomina emulsión inversa. El término "emulsión inversa" es engañoso, pues sugiere erróneamente que la emulsión tiene propiedades opuestas a las de una emulsión. Por lo tanto, no se recomienda su uso. [ 9 ]

Etimología

La palabra emulsión proviene del latín emulgere 'extraer leche', de ex 'fuera' + mulgere 'extraer leche', ya que la leche es una emulsión de grasa y agua, junto con otros componentes, incluidas las micelas coloidales de caseína (un tipo de condensado biomolecular secretado ). [ 10 ]

Apariencia y propiedades

Las emulsiones contienen una fase dispersa y una fase continua, y el límite entre las fases se denomina "interfaz". [ 11 ] Las emulsiones tienden a tener una apariencia turbia porque las múltiples interfaces de fase dispersan la luz al pasar a través de la emulsión. Las emulsiones se ven blancas cuando toda la luz se dispersa por igual. Si la emulsión está suficientemente diluida, la luz de mayor frecuencia (longitud de onda más corta) se dispersará más y la emulsión se verá más azul  ; esto se conoce como el " efecto Tyndall ". [ 12 ] Si la emulsión está suficientemente concentrada, el color se distorsionará hacia longitudes de onda comparativamente más largas y se verá más amarillo . Este fenómeno es fácilmente observable al comparar la leche desnatada , que contiene poca grasa, con la crema , que contiene una concentración mucho mayor de grasa láctea.

Dos clases especiales de emulsiones  —microemulsiones y nanoemulsiones— con tamaños de gota inferiores a 100 nm  —aparecen  translúcidas. [ 13 ] Esta propiedad se debe a que las ondas de luz se dispersan por las gotas solo si sus tamaños superan aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de la luz incidente. Dado que el espectro visible de la luz está compuesto por longitudes de onda entre 390 y 750 nanómetros (nm), si los tamaños de las gotas en la emulsión son inferiores a unos 100  nm, la luz puede penetrar a través de la emulsión sin dispersarse. [ 14 ] Debido a su similitud en apariencia, las nanoemulsiones y microemulsiones translúcidas se confunden frecuentemente. A diferencia de las nanoemulsiones translúcidas, que requieren equipo especializado para su producción, las microemulsiones se forman espontáneamente "solubilizando" moléculas de aceite con una mezcla de surfactantes , cosurfactantes y cosolventes . [ 13 ] Sin embargo, la concentración de surfactante 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 numerosos efectos secundarios indeseables que provocan los surfactantes, su presencia resulta desventajosa o prohibitiva en muchas aplicaciones. Además, la estabilidad de una microemulsión suele verse fácilmente comprometida por la dilución, el calentamiento o los cambios de pH.

Las emulsiones comunes son inherentemente inestables y, por lo tanto, no tienden a formarse espontáneamente. Se requiere un aporte de energía  —mediante agitación, mezcla, homogeneización o exposición a ultrasonidos potentes [ 15 ]  — para formar una emulsión. Con el tiempo, las emulsiones tienden a regresar al estado estable de las fases que las componen. Un ejemplo de esto se observa 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. Existen excepciones importantes a esta regla  : las microemulsiones son termodinámicamente estables, mientras que las nanoemulsiones translúcidas son cinéticamente estables [ 13 ] .

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 volumétrica de ambas fases y del tipo de emulsionante (tensioactivo) (véase Emulsionante , más abajo) presente. [ 16 ]

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. [ 17 ] [ 18 ] Hay cuatro tipos de inestabilidad en las emulsiones: floculación , coalescencia , cremado / 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. Este proceso puede ser deseable, si se controla en su extensión, para ajustar propiedades físicas de las emulsiones, como su comportamiento de flujo. [ 19 ] 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 cremado, donde las gotas 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 utiliza una centrífuga . [ 17 ] La cremación es un fenómeno común en bebidas lácteas y no lácteas (es decir, leche, leche de café, leche de almendras , leche de soja) y generalmente no cambia el tamaño de las gotas. [ 20 ] La sedimentación es el fenómeno opuesto a la cremación y normalmente se observa en emulsiones de agua en aceite. [ 11 ] La sedimentación ocurre cuando la fase dispersa es más densa que la fase continua y las fuerzas gravitacionales tiran de los glóbulos más densos hacia el fondo de la emulsión. De manera similar a la cremación, la sedimentación sigue la ley de Stokes .

Un agente tensioactivo (o surfactante) adecuado puede aumentar la estabilidad cinética de una emulsión, de modo que el tamaño de las gotas no varíe significativamente con el tiempo. La estabilidad de una emulsión, al igual que la de una suspensión , se puede estudiar en términos del potencial zeta , que indica la repulsión entre gotas o partículas. Si el tamaño y la dispersión de las gotas no cambian con el tiempo, se dice que es estable. [ 21 ] Por ejemplo, las emulsiones de aceite en agua que contienen mono y diglicéridos y proteína de leche como surfactante mostraron un tamaño de gota de aceite estable durante 28 días de almacenamiento a 25  °C. [ 20 ]

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 focalizado, la centrifugación y la reología . Cada método tiene ventajas y desventajas. [ 22 ]

Métodos acelerados 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. [ 23 ] 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; estos 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 ). [ 24 ] La temperatura afecta no solo la viscosidad sino también la tensión interfacial en el caso de los surfactantes no iónicos o, en un ámbito más amplio, las interacciones entre las gotas dentro del sistema. Almacenar una emulsión a altas temperaturas permite simular condiciones realistas para un producto (por ejemplo, un tubo de emulsión de protector solar en un automóvil en el calor del verano), pero también acelera los procesos de desestabilización hasta 200 veces.

También se pueden utilizar métodos mecánicos de aceleración , como vibración , centrifugación y agitación . [ 25 ]

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

Emulsionantes

Un emulsionante es una sustancia que estabiliza una emulsión al reducir la tensión interfacial aceite-agua . Los emulsionantes forman parte de un grupo más amplio de compuestos conocidos como tensioactivos o "agentes tensioactivos". [ 26 ] Los tensioactivos son compuestos que suelen ser anfifílicos , lo que significa que tienen una parte polar o hidrófila (soluble en agua) y una parte no polar (hidrófoba o lipofílica ). Los emulsionantes que son más solubles en agua (y, por el contrario, menos solubles en aceite) generalmente formarán emulsiones de aceite en agua, mientras que los emulsionantes que son más solubles en aceite formarán emulsiones de agua en aceite. [ 27 ]

Los siguientes son ejemplos de emulsionantes alimentarios:

  • Yema de huevo  : en la que el principal agente emulsionante y espesante es la lecitina .
  • Mostaza [ 28 ]  – donde una variedad de sustancias químicas 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.
  • Monoglicéridos y diglicéridos : un emulsionante común presente en muchos productos alimenticios (cremas para café, helados, cremas para untar, panes, pasteles).
  • estearoil lactilato de sodio
  • DATEM (ésteres de ácido diacetiltartárico de mono y diglicéridos)  : un emulsionante utilizado principalmente en repostería.
  • Proteínas : aquellas que poseen regiones tanto hidrofílicas como hidrofóbicas, por ejemplo, el caseinato de sodio .
    • El queso procesado utiliza ácidos como los fosfatos para quelar el calcio, lo que permite que la caseína del queso actúe como emulsionante. El fosfato se considera un agente emulsionante ; el emulsionante real es la caseína ya presente en el queso.
  • Puré de manzana : a veces se usa en repostería como alternativa a la yema de huevo o a las grasas para compensar restricciones dietéticas como alergias o ser vegano.

En las emulsiones alimentarias, el tipo de emulsionante afecta en gran medida cómo se estructuran las emulsiones en el estómago y cuán accesible es el aceite para las lipasas gástricas , influyendo así en la velocidad de digestión de las emulsiones y en la activación de una respuesta hormonal que induce la saciedad . [ 29 ]

Los detergentes son otra clase de tensioactivos que interactúan 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 los jabones para eliminar la grasa con fines de limpieza . En farmacia se utilizan muchos emulsionantes diferentes para preparar emulsiones como cremas y lociones . Algunos ejemplos comunes son la cera emulsionante , el polisorbato 20 y el ceteareth 20. [ 30 ]

En ocasiones, la fase interna actúa como emulsionante, dando lugar a una nanoemulsión, donde la fase interna se dispersa en gotitas de tamaño nanométrico dentro de la fase externa. Un ejemplo conocido de este fenómeno, el " efecto ouzo ", se produce al verter agua en una bebida alcohólica fuerte a base de anís , como ouzo , pastis , absenta , arak o raki . Los compuestos anisólicos, solubles en etanol , forman gotitas de tamaño nanométrico y se emulsionan en el agua. El resultado es una bebida opaca de color blanco lechoso.

Mecanismos de emulsificación

En el proceso de emulsificación pueden intervenir diversos procesos y mecanismos químicos y físicos: [ 11 ]

  • Teoría de la tensión superficial: según esta teoría, la emulsificación se produce por la reducción de la tensión interfacial entre dos fases.
  • Teoría de la repulsión: Según esta teoría, el emulsionante crea una película sobre una fase que forma glóbulos, los cuales se repelen entre sí. Esta fuerza repulsiva hace que permanezcan suspendidos en el medio de dispersión.
  • Modificación de la viscosidad: los emulsionantes como la acacia y la tragacanto , que son hidrocoloides, así como el PEG ( 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 la fase dispersa.

Usos

En los alimentos

Un ejemplo de los ingredientes que se usan para hacer mayonesa : aceite de oliva , sal de mesa , un huevo (para la yema ) y un limón (para el jugo de limón). El aceite y el agua de la yema no se mezclan, mientras que la lecitina de la yema actúa como emulsionante, permitiendo que ambos se combinen.

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

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

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

En la atención sanitaria

En farmacia , peluquería , higiene personal y cosmética , las emulsiones se utilizan con frecuencia. Suelen ser emulsiones de aceite y agua dispersas, y su continuidad depende en muchos casos de la formulación farmacéutica . Estas emulsiones pueden denominarse cremas , ungüentos , linimentos (bálsamos), pastas , películas o líquidos , dependiendo principalmente de su proporción de aceite a agua, otros aditivos y su vía de administración prevista . [ 31 ] [ 32 ] Las primeras cinco son formas farmacéuticas tópicas y pueden utilizarse en la superficie de la piel , por vía transdérmica , oftálmica , rectal o vaginal . Una emulsión altamente líquida también puede utilizarse por vía oral o inyectarse en algunos casos. [ 31 ]

Las microemulsiones se utilizan para administrar vacunas y eliminar microbios . [ 33 ] Las emulsiones típicas utilizadas en estas técnicas son nanoemulsiones de aceite de soja , con partículas de 400 a 600  nm de diámetro. [ 34 ] El proceso no es químico, como en otros tipos de tratamientos antimicrobianos , sino mecánico. Cuanto más pequeña es la gota, mayor es la tensión superficial y, por lo tanto, mayor es la fuerza necesaria 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 las nanogotas de la emulsión entran en contacto con los lípidos de la membrana celular o la envoltura celular de bacterias o virus , fuerzan a estos lípidos a fusionarse con las nanogotas. A gran escala, esto desintegra eficazmente la membrana y elimina el patógeno. La emulsión de aceite de soja no daña las células humanas normales ni las células de la mayoría de los demás 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 este motivo, estas nanoemulsiones no se administran por vía intravenosa (IV). Su aplicación más eficaz es 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 .

Aplicaciones en la industria farmacéutica

  • Administración oral de fármacos: Las emulsiones pueden proporcionar un medio eficaz para administrar fármacos poco solubles o con baja biodisponibilidad o velocidad de disolución, aumentando tanto la velocidad de disolución como la absorción para incrementar y mejorar la biodisponibilidad. Al aumentar la superficie que proporciona una emulsión, se incrementan las velocidades de disolución y absorción de los fármacos, mejorando así su biodisponibilidad. [ 35 ]
  • Formulaciones tópicas: Las emulsiones se utilizan ampliamente como bases para formulaciones de administración tópica de fármacos, como cremas, lociones y ungüentos. Su incorporación permite mezclar fármacos lipofílicos e hidrofílicos para lograr la máxima penetración cutánea y permeación de los principios activos. [ 36 ]
  • Administración parenteral de fármacos: Las emulsiones sirven como vehículos para la administración intravenosa o intramuscular de fármacos, solubilizando los lipofílicos, protegiéndolos de la degradación y disminuyendo la irritación en el sitio de inyección. Algunos ejemplos son el propofol, un anestésico de uso común, y las soluciones lipídicas utilizadas para la nutrición parenteral total. [ 37 ]
  • Administración de fármacos oculares: Las emulsiones pueden utilizarse para formular gotas oftálmicas y otros sistemas de administración de fármacos oculares, aumentando el tiempo de retención del fármaco en el ojo y facilitando su penetración a través de las barreras corneales, a la vez que proporcionan una liberación sostenida de los principios activos y, por lo tanto, aumentan la eficacia terapéutica. [ 38 ]
  • Administración nasal y pulmonar de fármacos: Las emulsiones pueden ser un vehículo ideal para crear aerosoles nasales y productos farmacéuticos inhalables, mejorando la absorción del fármaco a través de la mucosa nasal y pulmonar, a la vez que proporcionan una liberación sostenida con menor irritación local. [ 39 ]
  • Adyuvantes de vacunas: Las emulsiones pueden funcionar como adyuvantes de vacunas al fortalecer las respuestas inmunitarias contra antígenos específicos. Las emulsiones pueden mejorar la solubilidad y la captación del antígeno por las células inmunitarias, a la vez que proporcionan una liberación controlada, amplificando así la respuesta inmunológica y, por consiguiente, su efecto. [ 40 ]
  • Enmascaramiento del sabor: Las emulsiones pueden utilizarse para encapsular fármacos de sabor amargo o desagradable, enmascarando su sabor y aumentando el cumplimiento del tratamiento por parte del paciente, especialmente con formulaciones pediátricas. [ 40 ]
  • Cosmecéuticos: Las emulsiones se utilizan ampliamente en productos cosmecéuticos que combinan propiedades cosméticas y farmacéuticas. Estas emulsiones actúan como vehículos para ingredientes activos como vitaminas, antioxidantes y agentes aclaradores de la piel para proporcionar una mejor penetración en la piel y una mayor estabilidad. [ 41 ]

En la lucha contra incendios

Los agentes emulsionantes son eficaces para extinguir incendios en derrames pequeños y de capa fina de líquidos inflamables ( incendios de clase B ). Estos agentes encapsulan el combustible en una emulsión de combustible y agua, atrapando así los vapores inflamables en la fase acuosa. Esta emulsión se logra aplicando una solución acuosa de tensioactivo al combustible mediante una boquilla de alta presión. Los emulsionantes no son eficaces para extinguir grandes incendios que involucren combustibles líquidos a granel o en profundidad, ya que la cantidad de agente emulsionante necesaria para la extinción depende del volumen del combustible, mientras que otros agentes, como la espuma formadora de película acuosa, solo necesitan cubrir la superficie del combustible para mitigar los vapores. [ 42 ]

Síntesis química

Las emulsiones se utilizan para fabricar dispersiones de polímeros. La producción de polímeros en fase de emulsión ofrece varias ventajas, entre ellas, la prevención de la coagulación del producto. Los productos obtenidos mediante estas polimerizaciones pueden utilizarse como emulsiones, incluyendo componentes primarios para adhesivos y pinturas. Los látex sintéticos (cauchos) también se producen mediante este proceso.

Véase también

Citas

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  • Logotipo de WikcionarioDefinición de emulsión en el diccionario Wikcionario
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