분무 건조 전 미세캡슐화를 위한 초음파 나노유화
- 분무 건조를 통해 활성 성분을 미세캡슐화하려면 입도가 작고 안정적인 마이크로에멀전 또는 나노에멀전을 제조해야 합니다.
- 초음파 유화는 안정적인 마이크로에멀전과 나노에멀전을 제조하는 간편하고 신뢰할 수 있는 기법입니다
- 대체 계면활성제로 아라비아검이나 WPI 같은 바이오폴리머를 초음파 유화 공정에서 식품 등급 안정제로 사용할 수 있습니다.
캡슐화
에멀전과 에멀전의 품질은 분무 건조와 같은 캡슐화 공정을 통해 제조되는 유성 미세입자의 제조 효율과 안정성에 중요한 역할을 합니다. 에멀전의 안정성, 점도, 액적 크기 및 오일/물 비율은 핵심 요인입니다. 에멀전 제조로 시작하여 분무 건조로 끝나는 가공 과정에서는 미세입자의 품질 저하를 방지하기 위해 에멀전의 이러한 모든 물리적·화학적 특성을 유지해야 합니다. 미세캡슐화 품질과 에멀전 안정성은 밀접하게 관련되어 있으며 최종 분말 제품의 품질에 큰 영향을 미칩니다. 따라서 신뢰할 수 있는 유화 기법이 필요합니다. 초음파 유화는 전 세계 다양한 산업에서 매크로에멀전, 나노에멀전 및 마이크로에멀전을 제조하는 데 사용되는 확립된 기술입니다.
초음파 나노에멀전
고성능 초음파 처리기는 식품, 제약 및 화장품 산업의 유화 공정에서 널리 사용되고 있습니다. 강력한 초음파를 가하는 것은 마이크론 또는 나노 크기의 액적을 가진 에멀전을 제조하는 효율적인 방법입니다. 초음파 유화는 캐비테이션 원리에 기반하며, 고강도 초음파와 이에 의해 발생하는 고속 액체 제트가 액적 표면을 전단하여 작은 액적과 안정적인 에멀전을 생성합니다.
에멀전 안정제
초음파로 제조한 에멀전은 기존 유화제(예: 폴리소르베이트, 소르비탄 등)뿐 아니라 바이오폴리머(예: 구아검, 아라비아검, WPI 등)를 사용하여 안정화할 수 있습니다. 산업계는 에멀전 안정제로서 바이오폴리머가 지닌 막대한 잠재력을 인식하고 있습니다. 특히 식품, 의약품 및 화장품 에멀전에서 바이오폴리머는 “클린” 라벨 제품의 개발을 가능하게 합니다. 바이오폴리머와 바이오폴리머 복합체는 식품 등급 품질로 대량 공급이 가능합니다. 바이오폴리머 복합체(예: 다당류–단백질 복합체)는 각 폴리머를 단독으로 사용할 때보다 향상된 특성을 제공하므로 바이오폴리머보다 우수합니다. 단백질과 다당류(= 복합 탄수화물 폴리머)로 구성된 바이오폴리머는 각 분자의 장점을 제공합니다. 단백질은 표면 활성을 증가시켜 훨씬 낮은 농도에서도 더 높은 표면층 포화도를 얻을 수 있게 합니다. 복합체 내 다당류는 계면장력을 낮추어 새로운 표면을 생성하는 데 필요한 에너지를 줄입니다. 이를 통해 다당류는 작은 액적의 형성을 촉진합니다. 바이오폴리머 복합체는 두 구성 성분 각각의 최상의 장점을 제공하므로 강력한 안정제로 작용합니다.
400와트의 강력한 초음파 균질기인 UP400St, 나노리포솜 제조에 사용됩니다.
고성능 초음파 처리기
Hielscher의 고성능 초음파 처리기는 안정적인 매크로에멀전, 나노에멀전 및 마이크로에멀전 제조를 위해 전 세계에 설치되어 있습니다. 소형 휴대용 실험실용 초음파 장치에서 시작하여 고출력 산업용 초음파 시스템에 이르기까지, 대유량 인라인 에멀전의 상업적 생산을 포괄하는 제품군을 통해 Hielscher Ultrasonics는 고객의 공정에 가장 적합한 초음파 처리기를 제공합니다.
입력 전력, 진폭(소노트로드의 변위), 온도 및 유량은 배합물의 요구 사항에 맞게 조절할 수 있습니다. 당사의 산업용 초음파 처리기는 매우 높은 진폭을 제공할 수 있습니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전을 손쉽게 수행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 이용할 수 있습니다.
초음파 처리 매개변수의 정밀한 제어와 내장 SD 카드의 자동 데이터 기록 기능은 높은 가공 품질을 보장하고 공정 표준화를 가능하게 합니다. 당사의 모든 초음파 처리기는 전부하 상태에서 24/7 운전하도록 설계되었습니다. 견고성, 적은 유지보수 요구 및 사용자 편의성은 Hielscher 초음파 처리기의 추가적인 장점으로, 생산 현장에서 든든한 주력 장비로 활용할 수 있게 합니다.
Hielscher의 고유한 MultiPhaseCavitator와 같은 액세서리는 최적의 초음파 유화 시스템을 구축하는 데 도움이 됩니다. 이 플로우 셀 인서트는 캐뉼라를 통해 두 번째 상을 캐비테이션 핫스폿에 직접 주입합니다(왼쪽 그림 참조).
아래 표는 당사 초음파 처리기의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다:
| 배치 부피 | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1–20L | 0.2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | 더 높은 유량 | 클러스터를 구성하는 UIP16000 |
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초음파를 이용한 에멀전 제조(빨간색 물 / 노란색 오일). 몇 초간의 초음파 처리로 분리된 물/오일 상이 미세한 에멀전으로 바뀝니다.
실험실 규모부터 파일럿 및 산업 규모까지 아우르는 고출력 초음파 처리기.
문헌 / 참고문헌
- Campelo, Pedro Henrique; Junqueira, Luciana Affonso; de Resende, Jaime Vilela; Domingues Zacarias, Rosana; de Barros Fernandes, Regiane Victória; Alvarenga Botrel, Diego; Vilela Borges, Soraia (2017): Stability of lime essential oil emulsion prepared using biopolymers and ultrasound treatment. International Journal of Food Properties Vol.20, No.S1, 2017. 564-579.
- Maphosa, Yvonne; Jideani, Victoria A. (2018): Factors Affecting the Stability of Emulsions Stabilised by Biopolymers. In: Science and Technology Behind Nanoemulsions (Edited by Selcan Karakuş). 2018
알아두면 좋은 정보
에멀전 안정제로서의 바이오폴리머
대부분의 에멀전은 장기간 안정성을 유지하기 위해 안정제와 계면활성제가 필요합니다. 다당류와 단백질 같은 바이오폴리머는 에멀전 시스템에서 기능성 성분으로 널리 사용됩니다. 바이오폴리머는 천연 유화제의 일종으로, 겔 형성 능력과 유화 능력 덕분에 우수한 에멀전 안정화 성능을 제공합니다. 안정적인 에멀전 제조는 식품의 분무 건조를 통한 성공적인 캡슐화의 전제 조건이므로 바이오폴리머는 선호되는 안정제 유형입니다. 바이오폴리머는 단독으로 또는 조합하여 안정제로 사용할 수 있습니다.
아라비아검과 분리유청단백질(WPI) 같은 바이오폴리머는 저렴하고 식품 생산 과정에서 쉽게 가공할 수 있습니다. 아라비아검은 음이온성 탄수화물과 일부 단백질의 혼합물입니다. 다당류 구조와 밀접하게 연결된 고도로 분지된 단백질은 아라비아검에 우수한 유화 특성을 부여합니다. 분리유청단백질은 구형 단백질의 혼합물로 구성됩니다. 이러한 구형 단백질은 균질화 과정에서 오일 액적 표면에 빠르게 흡착될 수 있어 작은 액적의 형성을 촉진합니다.
유화제로 사용되는 다른 일반적인 바이오폴리머로는 젤라틴, 잔탄검, 전분, 카세인, 펙틴, 말토덱스트린, 난알부민, 알긴산나트륨 및 카르복시메틸셀룰로스 등이 있습니다.
바이오폴리머 복합체는 둘 이상의 바이오폴리머로 구성됩니다. 바이오폴리머 복합체는 화학적, 효소적 또는 열적 처리를 통해 합성할 수 있습니다. 복합체 형성은 일반적으로 최종 바이오폴리머 복합체의 견고성과 용해도를 높여 활용성과 안정성을 향상시킵니다. 특히 복합체 형성으로 인해 온도, pH 및 이온 강도 변화에 대한 안정성이 높아지는 것은 유화 공정에서 중요한 요인입니다.