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 de materia de dos fases llamados coloides . Aunque los términos coloide y emulsión a veces se usan indistintamente, se debe usar emulsión cuando ambas fases, dispersa y continua, son líquidas. En una emulsión, un líquido (la fase dispersa ) se dispersa en el otro (la fase continua). 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, incluida 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. Generalmente se supone que las gotas dispersadas en la fase continua (a veces denominada "medio de dispersión") están distribuidas estadísticamente para producir gotas aproximadamente esféricas.
El término "emulsión" también se utiliza para referirse al lado fotosensible de la película fotográfica . Una emulsión fotográfica de este tipo 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 .
Un sistema de fluidos en el que las gotas de líquido se dispersan en un líquido.
Nota 1 : La definición se basa en la definición de la ref. [2]
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 exceder los límites de tamaño habituales para partículas coloidales .Nota 4 : Una emulsión se denomina emulsión 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 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 y sugiere incorrectamente que
la emulsión tiene propiedades opuestas a las de una emulsión.
Por tanto, no se recomienda su uso. [3]
La palabra "emulsión" proviene del latín emulgere "ordeñar", de ex "fuera" + mulgere "ordeñar", 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 ). [4]
Las emulsiones contienen una fase dispersa y una continua, y el límite entre las fases se denomina "interfaz". [5] Las emulsiones tienden a tener una apariencia turbia porque 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 está lo suficientemente diluida, la luz de mayor frecuencia (longitud de onda más corta) se dispersará más y la emulsión aparecerá más azul ; esto se llama " efecto Tyndall ". [6] 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 al comparar 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. [7]
Dos clases especiales de emulsiones ( microemulsiones y nanoemulsiones, con tamaños de gotas inferiores a 100 nm) parecen translúcidas. [8] Esta propiedad se debe al hecho de que las gotas dispersan las ondas de luz sólo si sus tamaños exceden 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 los tamaños de las gotas en la emulsión son inferiores a aproximadamente 100 nm, la luz puede penetrar a través de la emulsión sin dispersarse. [9] Debido a su similitud en apariencia, las nanoemulsiones translúcidas y las microemulsiones se confunden con frecuencia. 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 tensioactivos , cotensioactivos y codisolventes . [8] Sin embargo, la concentración de tensioactivo requerida en una microemulsión es varias veces mayor que en una nanoemulsión translúcida y excede significativamente la concentración de la fase dispersa. Debido a los muchos efectos secundarios indeseables causados 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. [ cita necesaria ]
Las emulsiones comunes son inherentemente inestables y, por tanto, no tienden a formarse espontáneamente. Para formar una emulsión se necesita aporte de energía (a través de agitación, agitación, homogeneización o exposición a ultrasonidos potentes [10] ). 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. [8]
Que una emulsión de aceite y agua se convierta en una emulsión de "agua en aceite" o una emulsión de "aceite en agua" depende de la fracción de volumen de ambas fases y del tipo de emulsionante (tensioactivo) (ver Emulsionante , más abajo). presente. [11]
La estabilidad de una emulsión se refiere a la capacidad de una emulsión para resistir cambios en sus propiedades a lo largo del tiempo. [12] [13] Hay cuatro tipos de inestabilidad en las emulsiones: floculación , coalescencia , formación de crema / 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 las propiedades físicas de las emulsiones, como su comportamiento de flujo. [14] 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 la gota aumenta con el tiempo. Las emulsiones también pueden sufrir una formación de crema, 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 usa una centrífuga . [12] 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 soja) y generalmente no cambia el tamaño de las gotas. [15] La sedimentación es el fenómeno opuesto a la formación de crema y normalmente se observa en emulsiones de agua en aceite. [5] La sedimentación ocurre cuando la fase dispersa es más densa que la fase continua y las fuerzas gravitacionales atraen los glóbulos más densos hacia el fondo de la emulsión. Al igual que la cremación, la sedimentación sigue la ley de Stokes .
Un agente tensioactivo (o tensioactivo) apropiado puede aumentar la estabilidad cinética de una emulsión de modo que el tamaño de las gotas no cambie significativamente con el tiempo. La estabilidad de una emulsión, al igual que 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 cambian con el tiempo, se dice que son estables. [16] Por ejemplo, las emulsiones de aceite en agua que contienen mono y diglicéridos y proteína de la leche como tensioactivo mostraron un tamaño de gota de aceite estable durante 28 días de almacenamiento a 25 °C. [15]
La estabilidad de las emulsiones se puede caracterizar utilizando 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. [17]
El proceso cinético de desestabilización puede ser bastante largo: hasta varios meses o incluso años para algunos productos. [18] 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 temperaturas críticas para la inversión de fase o la degradación química). [19] La temperatura afecta no solo a la viscosidad sino también a la tensión interfacial en el caso de tensioactivos no iónicos o, en un ámbito más amplio, a las interacciones entre gotas dentro del sistema. El almacenamiento de una emulsión a altas temperaturas permite simular condiciones realistas para un producto (por ejemplo, un tubo de emulsión de protección solar en un coche en el calor del verano), pero también acelera los procesos de desestabilización hasta 200 veces. [ cita necesaria ]
También se pueden utilizar métodos mecánicos de aceleración, incluidas vibración, centrifugación y agitación. [20]
Estos métodos son casi siempre empíricos, sin una base científica sólida. [ cita necesaria ]
Un emulsionante es una sustancia que estabiliza una emulsión reduciendo la tensión de la interfaz aceite-agua . Los emulsionantes forman parte de un grupo más amplio de compuestos conocidos como tensioactivos o "agentes tensioactivos". [21] Los tensioactivos son compuestos que son 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 ). Los emulsionantes que son más solubles en agua (y, a la inversa, 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. [22]
Ejemplos de emulsionantes alimentarios son:
En las emulsiones alimentarias, el tipo de emulsionante afecta en gran medida la forma en que se estructuran las emulsiones en el estómago y la accesibilidad del aceite para las lipasas gástricas , lo que influye en la rapidez con la que se digieren las emulsiones y desencadena una respuesta hormonal que induce la saciedad . [24]
Los detergentes son otra clase de tensioactivos 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 fines de limpieza . En farmacia se utilizan muchos emulsionantes diferentes para preparar emulsiones como cremas y lociones . Los ejemplos comunes incluyen cera emulsionante , polisorbato 20 y ceteareth 20 . [25]
A veces, la propia fase interna puede actuar como emulsionante y el resultado es una nanoemulsión, donde el estado interno se dispersa en gotas de " tamaño nanométrico " 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 el ouzo , el pastis , el ajenjo , el arak o el raki . Los compuestos anisólicos, que son solubles en etanol , forman gotas de tamaño nanométrico y se emulsionan en el agua. El color resultante de la bebida es opaco y de color blanco lechoso.
En el proceso de emulsificación pueden intervenir varios procesos y mecanismos químicos y físicos diferentes: [5]
Las emulsiones de aceite en agua son comunes en productos alimenticios:
Las emulsiones de agua en aceite son menos comunes en los alimentos, pero aún existen:
Otros alimentos se pueden convertir en productos similares a las emulsiones, por ejemplo, la emulsión cárnica es una suspensión de carne en un líquido similar a las verdaderas emulsiones.
En farmacia , peluquería , higiene personal y cosmética se utilizan frecuentemente 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 denominarse cremas , ungüentos , linimentos (bálsamos), pastas , películas o líquidos , dependiendo principalmente de sus proporciones de aceite a agua, otros aditivos y su vía de administración prevista . [26] [27] Las primeras 5 son formas de dosificación tópicas y pueden usarse en la superficie de la piel , por vía transdérmica , oftálmica , rectal o vaginal . También se puede utilizar una emulsión muy líquida por vía oral o, en algunos casos, inyectable . [26]
Las microemulsiones se utilizan para administrar vacunas y matar microbios . [28] Las emulsiones típicas utilizadas en estas técnicas son nanoemulsiones de aceite de soja , con partículas de 400 a 600 nm de diámetro. [29] El proceso no es químico, como ocurre con otros tipos de tratamientos antimicrobianos , sino mecánico. Cuanto más pequeña es la gota, mayor es la tensión superficial y, por 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 se encuentran con los lípidos en la membrana celular o la envoltura de bacterias o virus , obligan a los lípidos a fusionarse entre sí. En efecto, a escala masiva, 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 demás organismos superiores , con 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, actualmente estas nanoemulsiones no se utilizan 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 .
Los agentes emulsionantes son eficaces para extinguir incendios en pequeños derrames de líquidos inflamables en capas finas ( 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 tensioactiva acuosa al combustible a través de una boquilla de alta presión. Los emulsionantes no son eficaces para extinguir grandes incendios que involucran combustibles líquidos a granel o profundos, porque la cantidad de agente emulsionante necesaria para la extinción es función del volumen del combustible, mientras que otros agentes, como la espuma formadora de película acuosa, solo necesitan cubrir la superficie del combustible. el combustible para lograr la mitigación de vapores. [37]
Las emulsiones se utilizan para fabricar dispersiones de polímeros; la producción de polímeros en una 'fase' de emulsión tiene una serie de ventajas de proceso, incluida la prevención de la coagulación del producto. Como emulsiones se pueden utilizar productos obtenidos de dichas polimerizaciones, productos que incluyen componentes primarios para colas y pinturas. Mediante este proceso también se producen látex sintéticos (cauchos).
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