Emulsiones: haciendo una mezcla de agua y aceite
Después de leer este artículo, comprenderás:
la ciencia básica de las emulsiones;
cómo los formuladores eligen qué emulsionante usar para una emulsión particular;
cómo se utilizan los emulsionantes en alimentos, nutracéuticos, productos para el cuidado personal y del hogar, lubricantes industriales, tecnologías ambientales, biocombustibles y otras aplicaciones.
La inmiscibilidad del agua y el aceite ha inspirado el proverbio "El agua y el aceite no se mezclan" y otras expresiones que reflejan la incompatibilidad general de dos entidades, como "Mi compañero de trabajo y yo somos como el agua y el aceite". Sin embargo, dentro de nuestros hogares hay numerosos ejemplos de productos en los que se mezclan el aceite y el agua: mayonesa, leche, aderezos para ensaladas, loción para manos y acondicionador para el cabello, por nombrar solo algunos. Estos ejemplos representan emulsiones, que son mezclas estables de pequeñas gotas de un fluido inmiscible dentro de otro, que son posibles gracias a productos químicos llamados emulsionantes.
Cómo funcionan las emulsiones y emulsionantes
Las emulsiones simples son aceite suspendido en una fase acuosa o agua suspendida en aceite. La leche es un ejemplo de una emulsión, en la que la fase grasa o crema forma pequeñas gotas dentro de la leche descremada o fase acuosa. En contraste, la margarina es una emulsión que contiene gotas de agua o leche desnatada en una mezcla de aceites vegetales y grasas. En ambos casos, se necesitan emulsionantes para evitar que las gotas suspendidas se fusionen y rompan la emulsión.
Cualquiera que haya hecho un simple aderezo para ensaladas con aceite y vinagre sabe que, con suficiente agitación o batido, se puede hacer una emulsión temporal. Sin embargo, en ausencia de emulsionantes, esta emulsión inestable se descompone en minutos y el aceite forma una capa sobre el vinagre. Durante siglos, los cocineros han agregado emulsionantes naturales, como yema de huevo, mostaza o miel, para ayudar a prevenir esta separación. Hoy en día, se encuentra disponible una amplia variedad de emulsionantes sintéticos y de origen natural para los diversos campos que se benefician de ellos, incluidos alimentos, nutracéuticos, cuidado personal y del hogar, biocombustible, limpieza ambiental y aplicaciones de lubricantes industriales.
Los emulsionantes funcionan formando barreras físicas que evitan que las gotas se unan. Un tipo de tensioactivo, los emulsionantes contienen un grupo de cabeza hidrófilo y una cola hidrófoba . Por lo tanto, los emulsionantes se sienten atraídos por compuestos polares y apolares. Cuando se agregan a una emulsión, los emulsionantes rodean la gota de aceite con sus colas no polares que se extienden hacia el aceite y sus grupos de cabezas polares mirando hacia el agua. Para una emulsión, la orientación del emulsionante se invierte: las colas no polares se extienden hacia afuera en la fase oleosa, mientras que los grupos de cabezas polares apuntan hacia la gota de agua. De esta manera, los emulsionantes reducen la tensión interfacial entre las fases oleosa y acuosa, estabilizando las gotitas y evitando que se fusionen.
Los emulsionantes pueden ser catiónicos , aniónicos o no iónicos. Cuando los emulsionantes cargados recubren las gotitas en una emulsión, las cargas positivas o negativas en el exterior de las gotitas de aceite se repelen electrostáticamente entre sí, lo que ayuda a mantener las gotitas separadas. Los emulsionantes no iónicos tienden a tener grupos de cabeza grandes y voluminosos que apuntan en dirección opuesta a la gota de aceite. Estos grupos de cabezas polares chocan y se enredan con los grupos de cabezas de otras gotas de agua, lo que impide estéricamente que las gotas se junten. El tipo de emulsionante utilizado depende de la aplicación; los emulsionantes catiónicos se utilizan normalmente en soluciones de pH bajo a neutro y los emulsionantes aniónicos en soluciones alcalinas. Los emulsionantes no iónicos se pueden usar solos o en combinación con emulsionantes cargados para aumentar la estabilidad de la emulsión.
Cómo elegir el emulsionante adecuado
¿Cómo eligen los formuladores de productos qué emulsionante usar para una emulsión en particular? Calcular el equilibrio hidrófilo-lipófilo de un emulsionante o combinación de emulsionantes puede ayudar. En una emulsión ideal, el emulsionante es igualmente atraído por la fase acuosa y la fase oleosa. Si la balanza se inclina en cualquier dirección, el emulsionante puede perder contacto con la fase a la que se siente menos atraído, provocando que la emulsión se descomponga.
Los diferentes emulsionantes tienen diferentes valores de hidrófilo-lipófilo, lo que puede predecir su capacidad para estabilizar varios tipos de emulsiones. La escala hidrófilo-lipófilo varía de 0 a 20, donde 10 corresponde a un emulsionante que es igualmente atraído por el agua y el aceite. Los emulsionantes con valores de hidrófilo-lipófilo superiores a 10 son más hidrófilos y, por tanto, mejores para estabilizar las emulsiones de agua y aceite. Por el contrario, los emulsionantes con valores de hidrófilo-lipófilo inferiores a 10 son más hidrófobos y, por lo tanto, más adecuados para emulsiones de agua y aceite.
Además, diferentes aceites tienen diferentes requisitos de hidrófilo-lipófilo. Por ejemplo, las emulsiones de aceite vegetal necesitan un emulsionante con un hidrófilo-lipófilo de 7-8, mientras que el valor de hidrófilo-lipófilo requerido para formar una emulsión estable de aceite de ricino es 14. Al hacer coincidir el valor de hidrófilo-lipófilo del emulsionante con el del aceite, los formuladores pueden aumentar considerablemente sus posibilidades de producir una emulsión estable.
Según George Smith, director técnico para las Américas de Huntsman Performance Products en The Woodlands, Texas, EE. UU., Una combinación de emulsionantes suele funcionar mejor que cualquier emulsionante individual. "Si está intentando hacer una emulsión de aceite mineral, por ejemplo, el hidrófilo-lipófilo del aceite mineral es 10", dice. "Así que elegirás un par de emulsionantes, uno con un hidrófilo-lipófilo superior a 10 y otro con un hidrófilo-lipófilo inferior a 10. Cuando los combinas, el promedio es de alrededor de 10."
El sistema hidrófilo-lipófilo, que funciona principalmente con emulsionantes no iónicos, existe desde 1954. En la década de 1970, se introdujo el sistema de diferencia hidrófilo-lipófilo. El sistema hidrófilo-lipófilo funciona tanto con tensioactivos iónicos como no iónicos, y es más capaz de tener en cuenta las características detalladas de una emulsión en particular, como la salinidad, el tipo de aceite, la concentración de tensioactivo y la temperatura.
La ecuación hidrófilo-lipófilo incluye términos para la concentración de sal, "oleosidad" del aceite y la curvatura característica del emulsionante. El valor Cc de un emulsionante refleja si el emulsionante prefiere curvarse alrededor de una gota de aceite en agua o curvar alrededor de una gota de agua en una emulsión de agua y aceite . Por ejemplo, un emulsionante muy hidrófilo, el laurel sulfato de sodio, tiene un Cc de –2,3, mientras que un emulsionante muy hidrófobo, el dioctil sulfosuccinato de sodio, tiene un Cc de 2,6. El Cc para combinaciones de emulsionantes es el promedio ponderado de cada emulsionante. La escala hidrófilo-lipófilo se centra en 0, que corresponde a la emulsión óptima. Existen calculadoras en línea para optimizar el DAN para una emulsión particular.
Macro y micro-emulsiones
Cada vez más, los formuladores están interesados en hacer micro-emulsiones, que ofrecen una mayor estabilidad que las macro-emulsiones convencionales. Como sugiere el nombre, las micro-emulsiones tienen tamaños de gota más pequeños que las emulsiones regulares, lo que las hace parecer transparentes en lugar de opacas. A diferencia de las macro-emulsiones, las micro-emulsiones son termodinámicamente estables. "Con el tiempo suficiente, una macro-emulsión se descompondrá en fases de agua y aceite", dice David Sabatini, director asociado del Instituto de Investigación Aplicada de Tensioactivos de la Universidad de Oklahoma, Norman, EE. UU. "Pero el tiempo no es un factor que determine cuánto tiempo permanecerá una micro-emulsión en su estado actual". Además, si un cambio de temperatura hace que una emulsión se descomponga, una microemulsión se reformará espontáneamente cuando la temperatura vuelva a su valor original. Por el contrario, una macro-emulsión requiere un aporte de energía para reaparecer.
Las micro-emulsiones se fabrican de forma diferente a las macro-emulsiones. Las macro-emulsiones requieren una mezcla de alta intensidad. Debido a que las micro-emulsiones son un punto final termodinámicamente estable hacia el que un sistema migra naturalmente, generalmente no requieren una mezcla vigorosa. Sin embargo, los formuladores a menudo usan una agitación suave para distribuir uniformemente los componentes y acelerar el proceso de formación de micro-emulsiones.
En comparación con las macro-emulsiones, las micro-emulsiones requieren más tensioactivo. “La estabilidad en el tiempo apunta en la dirección de las micro-emulsiones, pero la necesidad de surfactante puede apuntar a favor de las macro-emulsiones”, dice Sabatini. "Puede ser que 3 o 6 meses sea suficiente para su aplicación y el tiempo puede no ser un factor en esa situación". Por ejemplo, los productos alimenticios a menudo se echan a perder antes de que se descomponga una macro-emulsión, dice.
Debido a su notable estabilidad, las micro-emulsiones están encontrando aplicaciones en diversos campos, como productos para el cuidado personal, productos químicos para campos petrolíferos y medicina. “Los conceptos de macro-emulsión han existido durante siglos, pero los conceptos avanzados de microemulsión tienen solo unas dos o tres décadas de antigüedad”, dice Sabatini. "Existe un interés creciente en las micro-emulsiones porque apenas estamos comenzando a comprender sus capacidades".
Nutracéuticos
Los investigadores están explorando las emulsiones como vehículos de administración de vitaminas, suplementos y otros nutracéuticos. El laboratorio de McClements ha utilizado emulsiones para encapsular vitamina E, carotenoides, ácidos grasos omega-3, curcumina, coenzima Q10 y otros compuestos bioactivos. Eventualmente, le gustaría incorporar nutracéuticos como estos en alimentos funcionales.
“Uno de nuestros objetivos es aumentar la estabilidad de los compuestos activos que están encapsulados en emulsiones en partículas de alimentos”, dice McClements. "También nos gustaría controlar su destino en el tracto gastrointestinal una vez que hayan sido digeridos".
Además de las emulsiones convencionales, el laboratorio de McClements fábrica emulsiones más complejas, como nanoemulsiones, nanopartículas de lípidos sólidos, partículas de hidrogel rellenas y emulsiones multicapa. Los diferentes tipos de emulsiones pueden tener diferentes aplicaciones. “Algunos de ellos pueden proteger los componentes de la degradación química, algunos pueden entregar compuestos al colon y algunos pueden controlar la liberación de sabor”, dice McClements. "Por lo tanto, debe tener un tipo diferente de sistema de entrega para cada aplicación".
Las emulsiones multicapa consisten en gotitas de aceite recubiertas con un emulsionante más una o más capas de biopolímero, dispersas en una solución acuosa. El emulsionante está típicamente cargado eléctricamente y la capa de polímero tiene cargas opuestas que las atraen a la superficie de la gota de aceite.
Según McClements, las emulsiones multicapa tienden a tener una mejor estabilidad física que las emulsiones de una sola capa debido a las fluctuaciones en el pH, la fuerza iónica, la temperatura, la congelación y descongelación y la deshidratación. Además, los investigadores pueden diseñar emulsiones multicapa para controlar su degradación en el tracto gastrointestinal. "Puede hacerlos para que se digieren muy rápidamente, como una emulsión normal, o puede hacerlos para que bajen más en el tracto gastrointestinal", dice. "Este último podría ser útil si desea administrar algo al colon o si está tratando de controlar la saciedad al obtener compuestos no digeridos más abajo en el tracto gastrointestinal".
Cuidado personal
La mayoría de los productos para el cuidado personal, incluidas las lociones, cremas, champús y acondicionadores, son emulsiones. Los emulsionantes comunes para productos para el cuidado personal incluyen alcoholes etoxilados, carboxilatos, isetionato de sodio, monoestearato de glicerol, alcohol cetílico, alcohol estearílico y emulsionantes de silicona como dimeticonas.
“La tendencia en este momento es que a la mayoría de la gente le gustaría usar un emulsionante basado en materias primas vegetales en lugar de productos petroquímicos”, dice Smith. Los emulsionantes sintéticos como los alcoholes etoxilados y sus homólogos de origen natural tienen estructuras, rendimiento y biodegradación idénticos. “El precio varía según el precio del aceite de palmiste en Malasia y el precio del etileno en América del Norte”, dice Smith. "Por el momento, creo que los petroquímicos tienen la ventaja, pero cambia cada dos o tres años".
Juan Mateu, director técnico de JEEN International en Fairfield, Nueva Jersey, EE. UU., Dice que ha habido un alejamiento de los alcoholes etoxilados sintéticos en los últimos años debido a las preocupaciones sobre el 1,4-dioxano residual, un presunto carcinógeno que es un subproducto. producto en su fabricación. Se han sugerido glucósidos de origen natural como sustitutos para algunas aplicaciones. Sin embargo, "es demasiado pronto para decir que los alcoholes etoxilados pueden reemplazarse", dice Mateu. "Hay algunas emulsiones que se pueden hacer con glucósidos, pero la mayor parte del mundo todavía usa etoxilatos".
En 2009, JEEN International lanzó su línea Jeesperse de emulsionantes de proceso en frío, que permite a los formuladores hacer emulsiones que contienen sustancias cerosas a temperatura ambiente (25–30 ° C). Muchos emulsionantes comunes en productos para el cuidado personal, como el alcohol cetílico y el monoestearato de glicerol, son ceras con puntos de fusión relativamente altos (hasta 165 ° C). Antes de Jeesperse, los fabricantes tenían que calentar los emulsionantes en la fase oleosa para fundirlos y luego agregar el emulsionante fundido a la fase acuosa y enfriar la emulsión a una velocidad controlada hasta la temperatura ambiente. Por el contrario, Jeesperse permite que la emulsión se haga en un solo hervidor a temperatura ambiente, lo que se traduce en un ahorro significativo de dinero y tiempo.
Los ingredientes secretos de los productos Jeesperse son los polielectrolitos, como el poliacrilato de sodio. Los polielectrolitos son moléculas polares que pueden inducir polaridad en ceras no polares, lo que les permite disolverse en agua fría (un disolvente polar). Mateu dice que en el laboratorio puede hacer una emulsión con el proceso en frío en unos 20 minutos, en lugar de varias horas de mezcla, calentamiento y enfriamiento con el proceso convencional. "Estéticamente, el producto es lo mismo, se siente y se ve igual, entonces, ¿por qué no?" él dice.
Cuidados en el hogar
Muchos limpiadores domésticos y detergentes para ropa contienen tensioactivos que emulsionan las partículas de suciedad aceitosa para que puedan diluirse y lavarse. Los alcoholes etoxilados son un ingrediente común de los detergentes para ropa. Muchos detergentes contienen una mezcla de emulsionantes no iónicos y aniónicos para quitar las manchas de los textiles.
Según Sabatini, la eliminación de triglicéridos como grasas, grasa de tocino y aceites vegetales de las telas es un desafío particular. Su laboratorio ha demostrado que los tensioactivos extendidos, que son tensioactivos con grupos de polaridad intermedia (por ejemplo, óxido de polipropileno y óxido de polietileno) insertados entre la cabeza hidrófila y la cola hidrófoba, son eficaces para eliminar este tipo de manchas aceitosas.
Lubricantes industriales
Los fluidos para trabajar metales y otros lubricantes industriales son típicamente emulsiones de agua y aceite. Los emulsionantes permiten a los trabajadores del metal hacer uso tanto de las propiedades lubricantes de los aceites como de las capacidades de enfriamiento del agua. Los emulsionantes aniónicos y no iónicos se utilizan a menudo juntos en fluidos para trabajar metales. Los emulsionantes catiónicos rara vez se utilizan porque son inestables en las soluciones alcalinas (pH 8–9,5) necesarias para los fluidos para trabajar metales.
Tecnologías ambientales
Las emulsiones y microemulsiones se han aplicado a tecnologías medioambientales como la remediación del subsuelo y la producción de biocombustibles. Por ejemplo, cuando se derrama petróleo o gas, el petróleo queda atrapado en los poros del suelo y la roca. El laboratorio de Sabatini ha desarrollado microemulsiones sin alcohol que ayudan a eliminar los contaminantes del aceite del subsuelo de forma ecológica. “El aceite queda atrapado en los poros debido a la tensión interfacial entre el agua y el aceite”, dice Sabatini. "Si podemos reducir esa tensión interfacial con emulsionantes, podemos aumentar nuestra tasa de limpieza de la contaminación".
En 1997, Sabatini y varios colegas fundaron una empresa llamada Surbec Environmental, LLC, para implementar esta tecnología. Desde entonces, Surbec ha ayudado con la limpieza ambiental de múltiples sitios en los Estados Unidos y en el extranjero. Los ejemplos incluyen una estación de servicio con un tanque subterráneo con fugas y un sitio militar contaminado con combustible para aviones.
Sabatini también ha aplicado su investigación en emulsiones a la producción más eficiente de biocombustible. El biodiesel es un aceite vegetal, como el aceite de soja, que ha sido modificado químicamente mediante una reacción de transesterificación para reducir su viscosidad. “En términos de combustión, no es necesario modificar el aceite vegetal. Puede utilizar aceite vegetal en un motor diesel y funcionará bastante bien sin modificaciones ”, dice Sabatini. "Es solo que el aceite vegetal tiene problemas de viscosidad, especialmente a temperaturas más bajas".
Resulta que la microemulsificación de aceites vegetales puede reducir la viscosidad sin necesidad de la reacción de transesterificación. Esto ahorraría tiempo y permitiría utilizar más materia prima como combustible. Sin embargo, Sabatini señala que la investigación aún se encuentra en sus primeras etapas.
Aunque los seres humanos han estado haciendo emulsiones durante cientos, si no miles, de años, recién ahora estamos comenzando a apreciar sus diversas aplicaciones en muchos campos. Las emulsiones complejas, como las microemulsiones y las emulsiones multicapa, prometen ampliar aún más el repertorio de aplicaciones, especialmente en áreas emergentes como los alimentos funcionales y la producción de biodiésel. Ahora, si tan solo pudiéramos encontrar un emulsionante para ese compañero de trabajo difícil.
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¿Cual es la diferencia?
Los términos tensioactivo, emulsionante y detergente a menudo se usan indistintamente, pero existen distinciones.
Surfactante es el término más amplio: tanto los emulsionantes como los detergentes son surfactantes. Los tensioactivos, o agentes tensioactivos, son compuestos que reducen la tensión superficial entre dos líquidos o entre un líquido y un sólido. Los tensioactivos son anfifílicos, lo que significa que contienen grupos de cabezas hidrófilas y colas hidrófobas . Los tensioactivos se absorben en la interfaz entre el aceite y el agua, disminuyendo así la tensión superficial.
Un emulsionante es un tensioactivo que estabiliza las emulsiones. Los emulsionantes recubren las gotas dentro de una emulsión y evitan que se junten o coalescen.
Un detergente es un tensioactivo que tiene propiedades limpiadoras en soluciones diluidas. Asimismo, los términos emulsión, suspensión y espuma a veces se confunden. Una emulsión es una mezcla de dos o más líquidos, con o sin emulsionante, que normalmente son inmiscibles. Uno de los líquidos, la "fase dispersa", forma gotitas en el otro líquido, la "fase continua".Una suspensión es un sólido disperso en un líquido. Las partículas son lo suficientemente grandes para la sedimentación.Una espuma es una sustancia en la que se suspenden burbujas de gas en un líquido.