올레오겔: 초음파 처리가 올레오겔 제형을 개선하는 방법

올레오겔은 다양한 산업 분야에 활용되는 다용도 소재로, 질감, 안정성 및 기능성 측면에서 고유한 이점을 제공합니다. 프로브형 초음파 처리기를 사용하면 올레오겔의 합성과 성능이 크게 개선되어 다양한 산업 응용 분야에 더욱 적합해집니다.

올레오겔이란?

올레오겔은 올레오겔화제나 겔화제와 같은 구조 형성제의 삼차원 망상 구조 내부에 고정된 유상으로 구성된 반고체 시스템입니다. 이러한 구조 형성제는 오일에 겔과 같은 점조성을 부여하여 안정적이고 펴 바를 수 있으며 흔히 투명하거나 반투명한 제품을 만드는 데 도움을 줍니다. 올레오겔은 식품, 화장품, 의약품 및 산업용 윤활제를 비롯한 다양한 산업 분야에 활용되며, 식품의 질감 개선, 피부 관리 제품의 보습, 의약품의 약물 전달 제어, 산업용 및 화장품 제형의 윤활 특성 향상과 같은 이점을 제공합니다.
강력한 초음파를 사용하는 공정인 초음파 처리로 올레오겔을 제조하면 이러한 오일 기반 겔의 합성이 개선됩니다. 초음파 처리의 효과가 올레오겔 형성을 어떻게 촉진하는지 아래에서 알아보세요!

초음파 균질화는 올레오겔의 제형화를 촉진하고 개선합니다.

올레오겔의 초음파 혼합

초음파 처리는 유상 내 구조 형성제의 분산과 분포를 개선하여 올레오겔의 합성을 향상시킬 수 있습니다. 올레오겔화제가 포함된 오일 혼합물에 고강도 초음파를 가하면 구조 형성제의 균일한 혼합과 분산이 촉진되어 더욱 균질한 겔 망상 구조가 형성됩니다. 또한 초음파 처리는 더 작고 균일한 입자의 형성을 촉진하여 올레오겔의 질감을 더욱 미세하게 하고 안정성을 개선할 수 있습니다. 초음파로 발생하는 캐비테이션 효과는 큰 응집체를 해체하고 겔 매트릭스 내에서 더 작고 고르게 분산된 구조의 형성을 촉진할 수 있습니다.

올레오겔 합성을 위한 초음파 직접 분산

분산 주형 올레오겔: 직접 분산법에서는 올레오겔화제의 녹는점보다 높은 온도에서 초음파 처리를 통해 올레오겔화제를 액상 오일에 직접 분산시킵니다. 이후 냉각 단계에서 겔화제 망상 구조가 굳어지면서 고체 골격 내부에 오일을 가두어 올레오겔을 형성합니다. 이러한 초음파 직접 분산 방식을 사용하면 겔화 공정에서 사용된 구조 형성제의 특성에 따라 미결정 구조 또는 자기조립 망상 구조라는 두 가지 서로 다른 망상 구조가 형성될 수 있습니다.

올레오겔 합성을 위한 초음파 유화

에멀션 주형 올레오겔: 프로브형 초음파 처리를 이용한 초음파 유화는 주로 마이크로미터 및 나노미터 수준에서 효율적이고 일관된 혼합을 제공함으로써 올레오겔 합성에 여러 이점을 제공합니다. 고강도 초음파는 강력한 초음파 기계적 전단력과 음향 캐비테이션을 발생시켜 수상 내 오일과 겔화제를 균일한 크기의 액적으로 미세화합니다. 이를 통해 더욱 안정적이고 균질한 에멀션이 형성되며, 이는 원하는 질감과 구조적 특성을 지닌 올레오겔을 형성하는 데 중요합니다. 또한 초음파 처리의 국소 가열 효과는 유상 내 겔화제의 용해와 상호작용을 촉진하여 겔화 공정을 개선할 수 있습니다. 따라서 초음파 유화는 식품, 의약품 및 화장품을 비롯한 다양한 응용 분야에서 우수한 안정성, 점조성 및 성능을 지닌 올레오겔의 제조를 촉진합니다.

수상/올레오겔/수상 에멀션의 초음파 균질화

물/올레오겔/물(W/O/W) 에멀전은 식품 용도에 이상적인 탁월한 기능성을 제공합니다. 예를 들어, 물/올레오겔/물 에멀전은 프로바이오틱스를 전달하고 식품의 향을 보호하는 우수한 담체로 밝혀졌습니다. 초음파 유화는 수상과 유상을 효율적으로 혼합하여 이중 에멀전, 즉 W/O/W 에멀전을 형성합니다. 지방 함유 제품의 기름 방울 내부에 수성 액적을 넣으면 제품의 지방 함량이 감소합니다. W/O/W 에멀전에서 유상을 겔화하면 구조적 완전성이 부여되고 유상 내부에서 물방울이 합일하는 것과 같은 불안정화 현상이 완화됩니다.
초음파 처리는 에멀전 성분의 분산과 균질화를 촉진하여 물/올레오겔/물(W/O/W) 에멀전의 제형화에 도움을 줄 수 있습니다. 고강도 저주파 초음파 처리(약 20–26kHz의 주파수)는 큰 액적을 더 작고 균일한 액적으로 분해하여 안정적인 에멀전 형성을 촉진할 수 있습니다. 또한 초음파 처리는 수성 액적의 유상 내 도입을 촉진하고 유상 내 올레오겔화제의 분산을 개선하여 겔화 효율과 에멀전 안정성을 높일 수 있습니다. 아울러 초음파 처리는 에멀전 액적의 크기 분포를 제어하는 데 도움을 줄 수 있어, 질감, 입안에서의 느낌 및 관능적 특성의 개선과 같은 바람직한 특성을 지닌 에멀전을 얻을 수 있습니다.

다양한 유형의 올레오겔 기반 에멀전 시스템을 나타낸 모식도.
연구 및 이미지: ©Pinto et al., 2021

과학적으로 입증된 올레오겔 초음파 분산의 효과

Noonim et al. (2022)은 서로 다른 농도의 카르나우바 왁스(5% 또는 10%)를 사용하여 제조한 팜유 기반 올레오겔의 물리적, 열적, 구조적 특성과 저장 안정성에 Hielscher 초음파 처리기 UP200St를 이용한 초음파 처리가 미치는 영향을 조사하고, 균질기로 제조한 올레오겔(2000 rpm에서 10 min 동안 처리)과 비교했습니다. 초음파 처리를 통해 더 높은 카르나우바 왁스 농도(10%)의 올레오겔을 제조할 수 있었으며, 팜유 기반 올레오겔의 특성과 안정성이 효과적으로 개선되었습니다(p < 0.05).

식품 용도의 올레오겔

비건 마요네즈용 올레오겔 제조 프로토콜
 
올레오겔 기반 비건 조리용 크림
(Szymanska et al., 2024 참조)
 
재료:

• 유채유
• 팜유
• 아마인유
• 칸데릴라 왁스
• 두유

올레오겔(100 g)은 다음과 같이 제조했습니다. 먼저, 정제 유채유와 아마인유의 혼합물(1:1 w/w)에 3–7% 칸데릴라 왁스(w/w)를 넣고 수조에서 80 ± 1 °C로 10 min 동안 가열한 다음, 티타늄 소노트로드 S26d7이 장착된 초음파 균질기 UP200St(Hielscher Ultrasonics)를 사용하여 10 s 동안 초음파 처리(26 kHz, 72 W, 100% 펄스, 100% 진폭)하여 분산시켰습니다. 투명하고 균질한 혼합물은 적절한 구조가 형성될 때까지 항온 캐비닛에서 20 ± 1 °C로 24 h 동안 정치 냉각했습니다. 올레오겔 제조는 세 차례 반복했습니다.
마요네즈의 초음파 유화에 관심이 있으시다면 여기에서 레시피, 동영상 및 자세한 정보를 확인하실 수 있습니다!

초음파로 제조한 올레오겔을 이용한 크림형 에멀전 제조

예비 연구 [38]의 절차를 약간 수정하여 크림형 O/W (30/70 w/w) 에멀젼(100 g)을 제조했습니다. 수상(단백질 함량이 2.6% w/w인 두유)과 지질상(팜유 또는 올레오겔)을 모두 55 °C까지 예열한 후, 주파수 26 kHz의 초음파 균질기 UP200St(Hielscher Ultrasonics)를 사용하여 즉시 균질화했습니다. 사용한 매개변수는 다음과 같습니다: 펄스 100%, 진폭 80%, 비커(용량 200 mL) 중앙부에서 소노트로드의 침지 깊이 15 mm. 균질화 시간 2.5 min(τ)은 시료의 온도 상승을 고려하여 공정 시험과 예비 시험의 결과를 바탕으로 결정했습니다(τ = 2.5 min일 때: 에너지 밀도: 69.1 ± 0.4 J∙g–1, 최고 온도: 61.0 ± 0.3 °C). 항균제로 벤조산나트륨 0.15% (w/w)를 수상에 첨가했습니다.

식품용 올레오겔에 가장 흔히 사용되는 올레오겔화제.
모식도: ©Perta-Crisan et al., 2023.