Эмульсия

Эмульсия — это дисперсная система, состоящая из двух или более несмешивающихся (или ограниченно смешивающихся) жидкостей, одна из которых (дисперсная фаза) распределена в другой (дисперсионная среда) в виде мельчайших капель. Размер капель дисперсной фазы в эмульсиях обычно составляет от 0,1 до 100 мкм. Эмульсии являются термодинамически неустойчивыми системами и со временем стремятся к разделению фаз, однако их стабильность может быть значительно повышена с помощью эмульгаторов — поверхностно-активных веществ (ПАВ), образующих защитный слой на поверхности капель.

Классификация эмульсий

Эмульсии классифицируют по нескольким основным признакам: по природе дисперсной фазы и дисперсионной среды, по концентрации дисперсной фазы и по типу эмульгатора.

По природе фаз

Наиболее распространённая классификация основана на полярности жидкостей. Выделяют два основных типа:

• Прямые эмульсии (тип «масло в воде», М/В). В таких эмульсиях дисперсная фаза — неполярная жидкость (например, масло), а дисперсионная среда — полярная жидкость (вода). Типичные примеры: молоко (капли жира в воде), майонез, латексные краски.
• Обратные эмульсии (тип «вода в масле», В/М). Здесь дисперсная фаза — вода или водный раствор, а дисперсионная среда — масло. Примеры: сливочное масло, маргарин, некоторые косметические кремы, сырая нефть.

Тип эмульсии можно определить экспериментально, например, по способности смешиваться с водой или маслом, по окрашиванию избирательными красителями (водорастворимыми или маслорастворимыми) или по измерению электропроводности (прямые эмульсии электропроводны, обратные — нет).

По концентрации дисперсной фазы

• Разбавленные эмульсии. Содержат до 0,1 % дисперсной фазы. Капли практически не взаимодействуют друг с другом. Такие эмульсии, как правило, легко разрушаются.
• Концентрированные эмульсии. Содержат от 0,1 % до 74 % дисперсной фазы. Капли могут деформироваться и соприкасаться, но сохраняют индивидуальность. Большинство пищевых и технических эмульсий относятся к этому типу.
• Высококонцентрированные (или желатинированные) эмульсии. Содержат более 74 % дисперсной фазы. Капли плотно упакованы, деформированы и разделены тонкими прослойками дисперсионной среды. Такие системы обладают свойствами геля (вязкостью, упругостью). Пример — сливочное масло, где содержание жира может достигать 82 %.

По типу эмульгатора

Эмульгаторы, определяющие тип эмульсии, делятся на две группы:

• Гидрофильные эмульгаторы (с высоким гидрофильно-липофильным балансом, ГЛБ > 8). Они лучше растворимы в воде и стабилизируют прямые эмульсии (М/В). Примеры: белки (казеин в молоке), камеди, лецитин, мыла (натриевые и калиевые соли жирных кислот).
• Гидрофобные (липофильные) эмульгаторы (с низким ГЛБ, ГЛБ < 6). Они лучше растворимы в масле и стабилизируют обратные эмульсии (В/М). Примеры: моно- и диглицериды жирных кислот, сорбитановые эфиры (спаны), некоторые воски.

Устойчивость и разрушение эмульсий

Эмульсии являются термодинамически неустойчивыми системами. Основные процессы, приводящие к их разрушению:

• Седиментация (отстаивание). Оседание или всплывание капель дисперсной фазы под действием силы тяжести или центробежных сил. Скорость седиментации описывается законом Стокса и зависит от разности плотностей фаз, вязкости среды и размера капель.
• Коалесценция. Слияние двух или более капель дисперсной фазы в одну более крупную каплю. Это основной процесс, ведущий к полному разделению фаз. Коалесценция происходит при разрушении защитного слоя эмульгатора на поверхности капель.
• Флокуляция. Образование агрегатов из нескольких капель, которые не сливаются, но удерживаются вместе за счёт вандерваальсовых сил. Флокуляция обратима и может предшествовать коалесценции.
• Обращение фаз. Переход эмульсии одного типа (например, М/В) в другой тип (В/М) при изменении условий (например, при добавлении избытка дисперсной фазы или изменении температуры).

Для повышения устойчивости эмульсий применяют:

• Эмульгаторы (ПАВ), снижающие межфазное натяжение и создающие механический или электростатический барьер.
• Загустители (например, карбоксиметилцеллюлоза, ксантановая камедь), повышающие вязкость дисперсионной среды и замедляющие седиментацию.
• Тонкое диспергирование (гомогенизация), уменьшающее размер капель и замедляющее их оседание.

Применение эмульсий

Эмульсии широко распространены в природе и находят применение в самых разных областях человеческой деятельности.

В пищевой промышленности

Пищевые эмульсии — одна из важнейших групп продуктов.

• Молоко и молочные продукты. Молоко — природная эмульсия жира в воде, стабилизированная белками (казеином). Сливки, сметана, йогурт — также эмульсии.
• Майонез и соусы. Майонез — концентрированная эмульсия растительного масла в воде, стабилизированная яичным желтком (лецитином) и горчицей.
• Масло и маргарин. Сливочное масло — обратная эмульсия (вода в масле). Маргарин — эмульсия, приготовленная на основе растительных масел и жиров.
• Мясные и колбасные изделия. Фарш для сосисок и колбас — эмульсия жира и воды в белковой матрице.

В медицине и фармацевтике

• Лекарственные формы. Многие лекарственные препараты выпускаются в виде эмульсий для улучшения биодоступности, маскировки неприятного вкуса или обеспечения пролонгированного действия. Примеры: жировые эмульсии для парентерального питания (интралипид), эмульсии для наружного применения (кремы, мази).
• Косметические средства. Кремы, лосьоны, молочко для тела, солнцезащитные средства — это, как правило, эмульсии (как прямые, так и обратные).

В технике и промышленности

• Смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ). Водные эмульсии масел используются для охлаждения и смазки режущего инструмента при металлообработке.
• Нефтедобыча и нефтепереработка. Сырая нефть часто содержит эмульсии воды в масле, которые необходимо разрушать (деэмульгировать) перед транспортировкой и переработкой. Обратные эмульсии используются в качестве буровых растворов.
• Лакокрасочные материалы. Водно-дисперсионные (латексные) краски — это эмульсии полимеров в воде. Они экологичны, быстро сохнут и не имеют резкого запаха.
• Сельское хозяйство. Многие пестициды и гербициды выпускаются в виде концентратов эмульсий, которые перед применением разбавляют водой.
• Строительство. Битумные эмульсии используются для гидроизоляции, дорожного строительства и кровельных работ.

Эмульсии в природе

Эмульсии встречаются не только в продуктах и технологиях, но и в живой природе. Например, млечный сок растений (латекс) — это эмульсия каучука в воде. В организме человека и животных эмульгирование жиров (с помощью желчных кислот) — необходимый этап их переваривания в кишечнике.

Источники

1. Фролов Ю.Г. «Курс коллоидной химии». — М.: Химия, 1989.
2. Воюцкий С.С. «Курс коллоидной химии». — М.: Химия, 1975.
3. Шелудко А. «Коллоидная химия». — М.: Мир, 1984.
4. Ребиндер П.А. «Поверхностные явления в дисперсных системах. Коллоидная химия». — М.: Наука, 1978.
5. Адамсон А. «Физическая химия поверхностей». — М.: Мир, 1979.
6. Тихомирова Н.А. «Технология продуктов эмульсионной природы». — М.: ДеЛи принт, 2007.