Эмульсии Пикеринга с помощью мощного ультразвука
- Эмульсии Пикеринга стабилизируются твёрдыми частицами.
- Эмульсии Пикеринга привлекательны отсутствием эмульгаторов и повышенной стабильностью.
- Ультразвук – идеальный инструмент для создания эмульсий Пикеринга: сначала стабилизирующие частицы диспергируют в водной фазе, а затем эмульгируют систему масло/вода.
Эмульсии Пикеринга
Эмульсии Пикеринга стабилизируются адсорбированными твёрдыми частицами вместо эмульгатора или поверхностно-активного вещества. Поэтому эмульсии Пикеринга можно считать «не содержащими эмульгаторов» или «не содержащими поверхностно-активных веществ», поскольку они стабилизируются твёрдыми частицами. Если смешать масло и воду так, чтобы образовались мелкие капли масла, распределённые по всему объёму воды, со временем капли будут сливаться, уменьшая энергию системы. Однако если добавить в смесь твёрдые частицы, они будут связываться с поверхностью раздела фаз и препятствовать слиянию капель, тем самым повышая стабильность эмульсии.
Получение эмульсий без эмульгатора особенно интересно при разработке составов продуктов, для которых использование поверхностно-активных веществ имеет отрицательные последствия, например фармацевтических и косметических продуктов. Кроме того, эмульсии Пикеринга обладают повышенной стабильностью по сравнению с эмульсиями, стабилизированными обычными эмульгаторами. Покрытие капель из твёрдых частиц служит жёстким барьером, препятствующим коалесценции. Это означает, что даже высококонцентрированные эмульсии можно эффективно стабилизировать в виде эмульсий Пикеринга. Твёрдые наночастицы, адсорбированные на границе раздела масло–вода, частично погружены в водную и масляную среды, поэтому стабилизирующие наночастицы могут обладать гидрофильными, гидрофобными или амфифильными свойствами. Форма и размер частиц также влияют на стабильность эмульсии.
Ультразвуковой реактор для эмульсий
Высокие механические силы сдвига при ультразвуковой гомогенизации преодолевают энергетический барьер между поверхностями раздела фаз. Кроме того, обработка ультразвуком разрушает агрегаты и агломераты наночастиц и создаёт эмульсию с высокой полидисперсностью.
Обработка ультразвуком используется на обоих этапах приготовления эмульсии Пикеринга:
- для диспергирования адсорбированных частиц в водной фазе
- для эмульгирования смеси масло в воде (o/w)
Эмульсия Пикеринга с диоксидом кремния
Сначала порошки гидрофильного пирогенного диоксида кремния (например, Aerosil® 200 или Aerosil® 380) диспергировали в воде в виде агломератов размером 100nm с помощью ультразвукового устройства.
На втором этапе путём обработки ультразвуком получали стабильные эмульсии масло в воде (o/w) с содержанием масла 20 wt% и диаметром капель 2–10nm.
Для получения стабильных прозрачных эмульсий бутанола, этилацетата, бутиллактата и диэтиладипата в водной фазе требовалось 6% диоксида кремния. Для диизобутиладипата требуется не менее 8% диоксида кремния, чтобы получить стабильную эмульсию.
Все приготовленные эмульсии сохраняли стабильность не менее 6 месяцев.
Хотя как немодифицированный, так и функционализированный диоксид кремния (SiO2) является одним из наиболее часто используемых видов частиц, другие частицы, такие как
- Fe3O4,
- гидроксиапатит,
- монодисперсные полистирольные латексные частицы,
- циклодекстрин и мальтодекстрин,
- галлуазитовые нанотрубки,
- гематит (α-Fe2O3) в виде микрочастиц,
- поли(метилметакрилат) (PMMA),
- нерастворимые частицы комплекса хитозан/желатин-B
наряду со многими другими твёрдыми частицами успешно использовались для создания стабильных эмульсий Пикеринга.
Литература / Ссылки
- Xu, Yayuan; Song, Jiangfeng; Dai, Zhuqing; Niu, Liying; Dajing, Li; Wu, Caie (2022): Study on physicochemical characteristics of lutein nanoemulsions stabilized by chickpea protein isolate-stevioside complex. Journal of the Science of Food and Agriculture 102; 2022. 1872-1882.
- Xiao-Yan Wang and Marie-Claude Heuzey (2016): Chitosan-Based Conventional and Pickering Emulsions with Long-Term Stability. Langmuir 32, 4; 2016. 929–936.
- Bordes, C.; Bolzinger, M.-A.; El Achak, M.; Pirot, F.; Arquier, D.; Agusti, G.; Chevalier, Y. (2021): Formulation of Pickering emulsions for the development of surfactant-free sunscreen creams. International Journal of Cosmetic Science 43, 2021. 432-445.
Полезные сведения
Эмульсии Пикеринга типа масло в воде (o/w)
Эмульсия Пикеринга типа масло в воде – это эмульсия, в которой капли масла диспергированы в воде, служащей непрерывной фазой. Этот тип эмульсий Пикеринга обычно стабилизируется наночастицами, краевой угол смачивания которых составляет менее 90º. Эмульсии Пикеринга типа o/w можно стабилизировать, например, с помощью пирогенного диоксида кремния, наночастиц Fe3O4 . Масляная фаза этих эмульсий Пикеринга может состоять, например, из додекана, октадеценилянтарного ангидрида (ODSA), толуола и бутилбутирата в воде соответственно.
Эмульсии Пикеринга типа вода в масле (w/o)
Эмульсии Пикеринга типа вода в масле содержат капли воды в качестве дисперсной фазы и масло в качестве непрерывной фазы. Наночастицы с краевым углом смачивания более 90º являются лучшими стабилизаторами для этих типов эмульсий. Эмульсии Пикеринга типа o/w можно стабилизировать с помощью магнитных наночастиц.
Сложные эмульсии Пикеринга
Двойные или множественные эмульсии Пикеринга (w/o/w или o/w/o) представляют собой сложные полидисперсные системы, в которых мельчайшие капли взвешены внутри более крупных капель, которые, в свою очередь, взвешены в непрерывной фазе. Для получения множественных эмульсий Пикеринга проводят двухэтапный процесс эмульгирования: для эмульсии w/o/w на первом этапе эмульгирования эмульсию w/o стабилизируют гидрофобными наночастицами; на втором этапе эмульгирования в качестве стабилизатора используют гидрофильные наночастицы. Множественные эмульсии могут быть сформированы как вода в масле в воде (w/o/w) или масло в воде в масле (o/w/o).
Эмульсии w/o/w часто используются в качестве средств доставки / носителей различных гидрофильных активных соединений и лекарственных препаратов (например, витаминов, антиоксидантов, ферментов, вакцин, гормонов), которые затем медленно высвобождаются. Поскольку некоторые активные вещества также мигрируют из внешней во внутреннюю фазу множественной эмульсии, такие эмульсии w/o/w идеально подходят для доставки активных веществ с замедленным / длительным высвобождением.
Образование мостиков между каплями
Уникальное явление, возникающее в некоторых системах эмульсий Пикеринга, – образование мостиков между каплями. Коллоидные частицы, выступающие над поверхностью капли, могут одновременно адсорбироваться на другой поверхности раздела фаз, соединяя две капли мостиком. Мостики состоят из монослоёв коллоидных частиц, а капли разделены лишь тонкой плёнкой непрерывной фазы.