Una emulsión es una mezcla de dos o más líquidos que normalmente son inmiscibles (no se pueden mezclar o combinar) 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). 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. 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 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 emulsiones múltiples, incluidas 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 suponer 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 parte fotosensible de la película fotográfica . Una emulsión fotográfica de este tipo consiste en 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 fluido en el que las gotas de líquido se dispersan en un líquido.
Nota 1 : La definición se basa en la definición de la referencia [2] .
Nota 2 : Las gotas pueden ser amorfas, líquido-cristalinas o cualquier
mezcla de ellas.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 : A las emulsiones agua/aceite se las denomina a veces emulsión inversa.
El término "emulsión inversa" es engañoso, ya que sugiere incorrectamente que
la emulsión tiene propiedades opuestas a las de una emulsión.
Por lo tanto, no se recomienda su uso. [3]
La palabra "emulsión" proviene del latín emulgere "ordeñarse", de ex "fuera" + mulgere "ordeñar", ya que la leche es una emulsión de grasa y agua, junto con otros componentes, incluidas micelas de caseína coloidal (un tipo de condensado biomolecular secretado ). [4]
Las emulsiones contienen una fase dispersa y otra continua, y el límite entre las fases se denomina "interfaz". [5] Las emulsiones tienden a tener un aspecto turbio porque las múltiples interfaces de fases dispersan la luz a medida que pasa a través de la emulsión. Las emulsiones aparecen blancas cuando toda la luz se dispersa de forma uniforme. 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 denomina " efecto Tyndall ". [6] Si la emulsión está lo suficientemente concentrada, el color se distorsionará hacia longitudes de onda comparativamente más largas y aparecerá más amarilla . 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 gota por debajo de 100 nm– parecen translúcidas. [8] Esta propiedad se debe al hecho de que las ondas de luz son dispersadas por las gotas solo si sus tamaños exceden aproximadamente una cuarta parte 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 gota 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 y microemulsiones translúcidas 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 surfactantes , co-surfactantes y co- disolventes . [8] Sin embargo, la concentración de surfactante requerida en una microemulsión es varias veces mayor que en 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 es desventajosa o prohibitiva en muchas aplicaciones. Además, la estabilidad de una microemulsión suele verse fácilmente comprometida por la dilución, el calentamiento o los cambios en los niveles de pH. [ cita requerida ]
Las emulsiones comunes son inherentemente inestables y, por lo tanto, no tienden a formarse espontáneamente. Se necesita un aporte de energía (a través de agitación, remoción, homogeneización o exposición a ultrasonidos de potencia [10] ) para formar una emulsión. Con el tiempo, las emulsiones tienden a volver al estado estable de las fases que la componen. 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 (surfactante) (ver Emulsionante , a continuación) presente. [11]
La estabilidad de la emulsión se refiere a la capacidad de una emulsión para resistir el cambio 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 gotitas, por lo que forman flóculos, como racimos de uvas. Este proceso puede ser deseado, 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 gotitas chocan entre sí y se combinan para formar una gotita más grande, por lo que el tamaño promedio de la gotita aumenta con el tiempo. Las emulsiones también pueden sufrir 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 utiliza 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. Similar a la formación de crema, la sedimentación sigue la ley de Stokes .
Un agente tensioactivo apropiado (o surfactante) 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 del potencial zeta , que indica la repulsión entre gotitas o partículas. Si el tamaño y la dispersión de las gotitas no cambian con el tiempo, se dice que es estable. [16] Por ejemplo, las emulsiones de aceite en agua que contienen mono y diglicéridos y proteína de leche como surfactante mostraron un tamaño de gotita de aceite estable durante 28 días de almacenamiento a 25 °C. [15]
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. [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 las temperaturas críticas para la inversión de fase o la degradación química). [19] 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 la simulación de condiciones realistas para un producto (por ejemplo, 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. [ cita requerida ]
También se pueden utilizar métodos mecánicos de aceleración, incluida la vibración, la centrifugación y la agitación. [20]
Estos métodos son casi siempre empíricos, sin una base científica sólida. [ cita requerida ]
Un emulsionante es una sustancia que estabiliza una emulsión al reducir la tensión de la interfaz aceite-agua . Los emulsionantes son parte de un grupo más amplio de compuestos conocidos como surfactantes o "agentes tensioactivos". [21] Los surfactantes 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, 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. [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 velocidad con la que se digieren las emulsiones y desencadena una respuesta hormonal que induce saciedad . [24]
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 explota en el jabón , para eliminar la grasa con el fin de limpiar . En farmacia se utilizan muchos emulsionantes diferentes para preparar emulsiones como cremas y lociones . Algunos ejemplos comunes incluyen cera emulsionante , polisorbato 20 y ceteareth 20. [ 25]
A veces, la fase interna puede actuar como emulsionante y el resultado es una nanoemulsión, en la que el estado interno se dispersa en gotitas de tamaño nanométrico dentro de la fase externa. Un ejemplo 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 , la absenta , el arak o el raki . Los compuestos anisólicos, que son solubles en etanol , forman entonces gotitas de tamaño nanométrico y se emulsionan dentro del agua. El color resultante de la bebida es opaco y blanco lechoso.
En el proceso de emulsificación pueden intervenir diversos procesos y mecanismos químicos y físicos: [5]
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 convertirse en productos similares a las emulsiones, por ejemplo, la emulsión de carne es una suspensión de carne en líquido que es similar a las emulsiones verdaderas.
En la industria farmacéutica , peluquería , higiene personal y cosmética , se utilizan con frecuencia emulsiones. Suelen ser emulsiones de aceite y agua, pero 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 sus proporciones de aceite a agua, otros aditivos y su vía de administración prevista . [26] [27] Las primeras 5 son formas farmacéuticas tópicas , y pueden utilizarse sobre la superficie de la piel , por vía transdérmica , oftálmica , rectal o vaginal . Una emulsión muy líquida también puede utilizarse por vía oral , o puede inyectarse en algunos casos. [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 con otros tipos de tratamientos antimicrobianos , sino mecánico. Cuanto más pequeña sea la gota, mayor será la tensión superficial y, por lo tanto, mayor será 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 las bacterias o los virus , fuercen a los lípidos a fusionarse consigo mismos. A 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 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, actualmente no se utilizan estas nanoemulsiones por vía intravenosa (IV). La aplicación más eficaz de este tipo de nanoemulsiones 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 derrames pequeños y de capas delgadas de líquidos inflamables ( incendios de clase B ). Dichos 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 surfactante 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 una función del volumen del combustible, mientras que otros agentes, como la espuma formadora de película acuosa, necesitan cubrir solo la superficie del combustible para lograr la mitigación del vapor. [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. Los productos producidos mediante dichas polimerizaciones pueden usarse como emulsiones; productos que incluyen componentes primarios para pegamentos y pinturas. Los látex sintéticos (cauchos) también se producen mediante este proceso.
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