אולאוג'לים: כיצד סוניקציה משפרת פורמולציות של אולאוג'לים

אולאוג'לים הם חומרים רב־תכליתיים המשמשים במגוון רחב של תעשיות ומציעים יתרונות ייחודיים מבחינת מרקם, יציבות ותפקוד. השימוש במכשירי סוניקציה מסוג גשוש משפר משמעותית את הסינתזה והביצועים של אולאוג'לים, והופך אותם למתאימים יותר למגוון יישומים תעשייתיים.

מהם אולאוג'לים?

אולאוג'לים הם מערכות מוצקות למחצה המורכבות מפאזה שמנית המקובעת בתוך רשת תלת־ממדית של חומרים מקני מבנה, כגון חומרים יוצרי אולאוג'ל או חומרי הג'לה. חומרים מקני מבנה אלה מסייעים ליצור בשמנים סמיכות דמוית ג'ל, וכך מתקבל מוצר יציב, ניתן למריחה ולעיתים קרובות שקוף או שקוף למחצה. אולאוג'לים משמשים במגוון תעשיות, ובהן מזון, קוסמטיקה, תרופות וחומרי סיכה תעשייתיים, ומציעים יתרונות כגון שיפור המרקם במוצרי מזון, הענקת לחות במוצרי טיפוח העור, הולכה מבוקרת של תרופות בתכשירים פרמצבטיים ושיפור תכונות הסיכה בפורמולציות תעשייתיות וקוסמטיות.
כאשר מייצרים אולאוג'לים באמצעות גלי אולטרסאונד עוצמתיים, בתהליך המכונה סוניקציה, הסינתזה של ג'לים אלה על בסיס שמן משתפרת. קראו בהמשך כיצד השפעות הסוניקציה מסייעות להיווצרות אולאוג'לים!

הומוגניזציה אולטרסונית מקלה על הכנת פורמולציות של אולאוג'לים ומשפרת אותה.

ערבוב אולטרסוני של אולאוג'לים

טיפול אולטרסוני יכול לשפר את הסינתזה של אולאוג'לים באמצעות שיפור הפיזור וההתפלגות של החומרים מקני המבנה בתוך הפאזה השמנית. כאשר מפעילים גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה על תערובת השמן המכילה את החומרים יוצרי האולאוג'ל, הם מקדמים ערבוב ופיזור אחידים של החומרים מקני המבנה, וכך נוצרת רשת ג'ל הומוגנית יותר. נוסף על כך, סוניקציה יכולה להקל על היווצרות חלקיקים קטנים ואחידים יותר, וכך מתקבלים מרקם עדין יותר ויציבות משופרת של האולאוג'ל. השפעות הקוויטציה הנוצרות באמצעות אולטרסאונד יכולות לפרק צברים גדולים יותר ולקדם היווצרות של מבנים קטנים יותר, המפוזרים באופן אחיד יותר בתוך מטריצת הג'ל.

פיזור אולטרסוני ישיר לסינתזה של אולאוג'לים

אולאוג'ל הנוצר באמצעות תבנית פיזור: בשיטת הפיזור הישיר משתמשים בסוניקציה כדי לפזר את החומר יוצר האולאוג'ל ישירות בשמן הנוזלי בטמפרטורות העולות על נקודת ההתכה שלו. לאחר מכן מגיע שלב קירור שבו רשת חומר ההג'לה מתמצקת, כולאת את השמן בתוך שלד מוצק וכך יוצרת את האולאוג'ל. בשימוש בגישה זו של פיזור אולטרסוני ישיר, תהליך ההג'לה יכול ליצור שתי ארכיטקטורות רשת נבדלות, בהתאם לאופיו של החומר מקנה המבנה שבו משתמשים: תצורות של גבישונים או רשתות הנוצרות בהרכבה עצמית.

תחלוב אולטרסוני לסינתזה של אולאוג'לים

אולאוג'ל הנוצר באמצעות תבנית תחליב: תחלוב אולטרסוני באמצעות סוניקציה מסוג גשוש מציע כמה יתרונות לסינתזה של אולאוג'לים, בעיקר בזכות ערבוב יעיל ועקבי בקנה מידה מיקרוני וננומטרי. גלי אולטרסאונד בעוצמה גבוהה יוצרים כוחות גזירה סונומכניים עזים וקוויטציה אקוסטית, המפרקים את השמן ואת חומר ההג'לה בפאזה המימית לטיפות בגודל אחיד. כך מתקבל תחליב יציב והומוגני יותר, דבר החשוב להיווצרות אולאוג'לים בעלי מרקם ותכונות מבניות רצויים. נוסף על כך, השפעת החימום המקומי של הסוניקציה יכולה להגביר את ההמסה ואת האינטראקציה של חומרי ההג'לה בתוך הפאזה השמנית, וכך לשפר את תהליך ההג'לה. כתוצאה מכך, תחלוב אולטרסוני מקל על ייצור אולאוג'לים בעלי יציבות, סמיכות וביצועים עדיפים במגוון יישומים, ובהם מזון, תרופות וקוסמטיקה.

הומוגניזציה אולטרסונית של תחליבי מים בתוך אולאוג'ל בתוך מים

תחליבי מים בתוך אולאוג'ל בתוך מים (W/O/W) מציעים תכונות תפקודיות יוצאות דופן שהופכות אותם לאידיאליים ליישומי מזון. למשל, נמצא שתחליבי מים בתוך אולאוג'ל בתוך מים הם נשא מצוין להובלת פרוביוטיקה ולשימור הארומות של מזון. תחלוב אולטרסוני מערבב ביעילות פאזות מימיות ושומניות ליצירת תחליבים כפולים, כלומר תחליבי W/O/W. שילוב טיפות מימיות בתוך כדוריות השמן של מוצרים שומניים מפחית את תכולת השומן שלהם. יצירת ג'ל בפאזת השמן בתחליבי W/O/W מקנה שלמות מבנית ומצמצמת תופעות הפוגעות ביציבות, כגון התלכדות טיפות מים בתוך פאזת השמן.
סוניקציה יכולה לסייע בהכנת תחליבי מים בתוך אולאוג'ל בתוך מים (W/O/W) באמצעות הקלת הפיזור וההומוגניזציה של רכיבי התחליב. סוניקציה בעוצמה גבוהה ובתדר נמוך (בתדרים של כ־20–26kHz) יכולה לפרק טיפות גדולות לטיפות קטנות ואחידות יותר, ובכך לקדם יצירת תחליבים יציבים. נוסף על כך, סוניקציה יכולה לשפר את שילוב הטיפות המימיות בפאזת השמן ואת פיזור החומר יוצר האולאוג'ל בתוך פאזת השמן, ולהוביל ליצירת ג'ל יעילה יותר ולשיפור יציבות התחליב. כמו כן, סוניקציה יכולה לסייע בשליטה בהתפלגות הגדלים של טיפות התחליב, וכך להניב תחליבים בעלי תכונות רצויות כגון מרקם, תחושת פה ומאפיינים חושיים משופרים.

תרשים המציג סוגים שונים של מערכות תחליב מבוססות אולאוג'ל.
מחקר ותמונה: ©Pinto et al., 2021

הוכח מדעית: יעילות הפיזור האולטרסוני של אולאוג'לים

Noonim ועמיתיו (2022) חקרו את השפעת הסוניקציה באמצעות מכשיר הסוניקציה UP200St של Hielscher על תכונות פיזיקליות, תרמיות ומבניות ועל היציבות באחסון של אולאוג'לים מבוססי שמן דקלים שהוכנו בריכוזים שונים של שעוות קרנאובה (5% או 10%), והשוו אותם לאולאוג'לים שהוכנו באמצעות הומוגנייזר (2000 rpm במשך 10 min). הסוניקציה אפשרה להכין אולאוג'לים בריכוז גבוה יותר של שעוות קרנאובה (10%) ושיפרה ביעילות את התכונות והיציבות של אולאוג'ל מבוסס שמן דקלים (p < 0.05).

אולאוג'ל ליישומי מזון

פרוטוקול להכנת אולאוג'ל עבור מיונז טבעוני
 
שמנת טבעונית לבישול המבוססת על אולאוג'ל
(ראו Szymanska et al., 2024)
 
מרכיבים:

• שמן לפתית
• שמן דקלים
• שמן פשתן
• שעוות קנדלילה
• משקה סויה

האולאוג'לים (100 g) הוכנו באופן הבא: תחילה פוזרה שעוות קנדלילה בריכוז 3–7% (w/w) בתערובת של שמן לפתית מזוכך ושמן פשתן מזוכך (1:1 w/w), באמצעות חימום במשך 10 min בטמפרטורה של 80 ± 1 °C באמבט מים ולאחר מכן סוניקציה במשך 10 s (26 kHz, 72 W, פעימות 100%, משרעת 100%) באמצעות ההומוגנייזר האולטרסוני UP200St (Hielscher Ultrasonics), המצויד בסונוטרודת טיטניום S26d7. התערובת הצלולה וההומוגנית קוררה באופן סטטי בתא מבוקר תרמוסטטית במשך 24 h בטמפרטורה של 20 ± 1 °C, עד שנוצר המבנה המתאים. האולאוג'לים הוכנו בשלוש חזרות.
אם אתם מתעניינים בתחלוב אולטרסוני של מיונז, כאן תמצאו מתכון, סרטון ומידע מפורט!

הכנת תחליבים דמויי שמנת באמצעות האולאוג'ל שהוכן בטיפול אולטרסוני

תחליבי O/W מסוג קרם (30/70 w/w) בכמות של 100 g הוכנו לפי ההליך במחקר המקדים שלנו [38], בשינויים קלים. הן הפאזה המימית (משקה סויה המכיל 2.6% w/w חלבון) והן הפאזה הליפידית (שמן דקל או אולאוג'ל) חוממו מראש עד 55 °C ועברו מיד הומוגניזציה באמצעות ההומוגנייזר האולטרסוני UP200St (Hielscher Ultrasonics) בתדר של 26 kHz. נעשה שימוש בפרמטרים הבאים: 100% פולס, 80% אמפליטודה, טבילת הסונוטרודה לעומק של 15 mm בחלק המרכזי של כוס המעבדה (בנפח 200 mL). זמן ההומוגניזציה, 2.5 min (τ), נקבע על סמך תוצאות של בדיקות טכנולוגיות ובדיקות מקדימות, תוך התחשבות בעליית הטמפרטורה של הדגימות (עבור τ = 2.5 min: צפיפות אנרגיה: 69.1 ± 0.4 J∙g–1, טמפרטורה מרבית: 61.0 ± 0.3 °C). לפאזה המימית נוסף נתרן בנזואט בריכוז של 0.15% (w/w) כחומר אנטיבקטריאלי.

יוצרי האולאוג'ל הנפוצים ביותר לשימוש באולאוג'לים בדרגת מזון.
תרשים: ©Perta-Crisan et al., 2023.