EMULSIONES Departamento de ingeniería Química, Universidad Jorge Tadeo Lozano Sede Bogotá 1 Natalia M. Erazo , Lina G. Méndez 2, Alan E. Quintana3, Juan M. Pérez4
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Resumen: Este artículo resume el análisis de los factores externos e internos en la estabilidad de una emulsión mediante la aplicación de la teoría de las propiedades y variables de proceso. Además, este trabajo presenta una serie de procedimientos en los cuales se preparan emulsiones y se verifica el efecto emulsificante de diferentes aditivos como la goma arábiga, lecitina de soya y yema de huevo, de igual manera presenta metodologías para identificar la estructura microscópica de una emulsión, para así determinar la fase dispersa, discontinua o interna en una serie serie de líquidos. Como Como resultado resultado se obtuvieron múltiples muestras de emulsiones o/w como oleato de calcio y w/o como oleato de sodio. Palabras claves: emulsión, emulsificante, emulsiones O/W, emulsiones W/O.
Abstract: This paper summarizes the analysis of external and internal factors in the emulsion stability by applying the theory of the process variables and properties. Moreover, this paper presents a series of processes in which emulsions are prepared and emulsifying effect of different additives as gum arabic, soy lecithin and egg yolk is verified. Likewise presents methods for identifying the microscopic structure of of an emulsion, to determine determine the disperse, disperse, internal or discontinuous discontinuous phase phase in a series of liquids. As a result multiple emulsion samples as calcium oleate (o/w) and sodium oleate (w/o) were obtained.
Keywords: emulsion, emulsifier, O / W emulsions, W / O emulsions 1. INTRODUCCION Una emulsión se puede definir como una preparación compuesta a base de dos líquidos que son normalmente inmiscibles, estos se mezclan íntimamente, un líquido (la fase interna, discontinua o dispersa) se dispersa en forma de pequeñas gotas o glóbulos en el otro ( fase externa, continua o dispersante).
Fase dispersa: Líquido que se dispersa en pequeñas gotitas, también se le conoce como fase interna o discontinua Fase dispersante: Líquido como medio de dispersión, también llamado externa o discontinua.
Figura 1-Componentes de una emulsión
Para formar una emulsión estable es necesario el incluir un tercer componente denominado agente emulsificante, cuya función es mantener la estabilidad de la emulsión y evitar que los dos líquidos se separen. Las emulsiones tienden a exhibir la mayoría de las propiedades del líquido que forma la fase continua. Entre los factores que afectan el tipo de emulsión formada cuando se mezclan aceite y agua están: a) Las proporciones relativas de las fases. b) El tipo y concentración de los agentes emulsificantes c) El método de preparación de la emulsión. Según la UPS para denominar los sistemas bifásicos en lo que un líquido está disperso en otro en forma de pequeñas gotas, se hace de la siguiente forma 1: O/W: Si la fase dispersa es aceite y la fase discontinua es agua. W/O: Si al fase dispersa es agua y la fase discontinua es aceite, o un material oleaginoso.
EMULSIONES O/W Y W/O EN LA INDUSTRIA
Figura 2-Tipos de emulsiones
1 Lugo
S. Y. y Sánchez G. T. (2011). Emulsiones. Extraído de la página web http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/emulsiones_113.p http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/emulsiones_113.pdf df a las 11:57 a.m. el día 16/11/2013.
Emulsiones directas [O/W]: Son aquellas en las que la fase dispersa es una substancia lipofílica (grasa o aceite) y la fase continua es hidrofílica (normalmente agua); Varios ejemplos son además de las emulsiones bituminosas, la leche, la mayonesa, algunos tipos de pinturas, y muchos productos alimentarios y fitosanitarios. Emulsiones inversas [W/O]: Son aquellas en las que la fase dispersa es una substancia hidrofílica y la fase continua es lipofílica. (Como ejemplos pueden citarse las margarinas, fluidos hidráulicos y la mayoría de las cremas cosméticas) Un emulsificante: Es un compuesto que por su naturaleza, puede hacer que la unión de grasas y agua sea estable y no se forme dos capas, formándose una emulsión, ya sean finas gotas gotas de agua en aceite. En la naturaleza se encuentran ejemplos claros de emulsificantes como se puede apreciar en la leche, en la cual el emulsificante es la lecitina. Restablecimiento Restablecimiento de una emulsión O/W cortada: Es importante tener claro que para lograr recuperar una emulsión O/W cortada, en muchos casos basta tan solo de agregar el compuesto emulsificante, esta operación hace que la adición de este componente ayude a emulsionar la mezcla anterior, sin embargo muchas veces, es suficiente con añadir un poco de agua y agitar mucho para que las partículas de aceite vuelvan a tomar su posición y tamaño. ESTABILIDAD DE LAS EMULSIONES: Existen diferentes factores tanto internos como externos que influyen en la estabilidad de la formación de la emulsión, se han descrito las siguientes teorías de la emulsión:
Estabilización de Gotas Tensión Interfacial Película Interfacial Repulsión Eléctrica Interacción de Gotas
ELEMENTOS EXTERNOS:
Acción sobre la energía de superficie: Las gotas en una emulsión se ven afectadas por distintos tipos de fuerzas como la gravedad y a una energía de superficie que es la encargada de proporcionar una inercia estética que separa las fases; Para que las dos fases se unan hay que vencer esa energía de
superficie, bien agitando (mecánicamente) o bien con un tensioactivo el cual disminuirá la tensión superficial. Acción mecánica: Es necesaria una fuerza exterior para interponer una sustancia en otra, la cual normalmente es aplicada mediante agitación. Con ello se pretende aumentar la superficie de contacto de las dos fases de forma que la fase discontinua quede finamente dividida en el seno de la fase continua, formándose un sistema homogéneo. ELEMENTOS INTERNOS: Tensión superficial: Es la barrera que se necesita vencer para que dos líquidos
inmiscibles se hagan miscibles. Estos no se mezclan porque hay una repulsión entre ellas al mezclarse por la existencia de una tensión interfacial. Al agitar se pretende aumentar la superficie de contacto de la fase externa con la fase interna. Esta superficie de contacto se puede aumentar, bien aumentando la energía o bien disminuyendo la tensión superficial. La tensión superficial se consigue al disminuir añadiendo un tensioactivo.2
EMULSIONES MULTIPLES: Emulsiones que se caracterizan por el hecho de que las gotas gotas de la fase dispersa contienen a su vez gotitas de líquido inmiscible con el de las gotas que las contiene y por lo general igual o miscible con la fase continua. En la figura 3, se muestra los dos tipos corrientes de emulsiones múltiples. En estas figuras la fase de las gotitas no es del mismo color que la fase externa para indicar que no son necesariamente las mismas. Eso es importante puesto que esta diferencia es a veces lo que produce las propiedades de interés de una emulsión múltiple, como se discutirá más adelante.3
Figura 3-Emulsiones Múltiples del tipo y W1/O/W2 y O1/W/O2
Salager J. L., Emulsion Properties and an d Related Rel ated Know-how to attain them. In Pharmaceutical Emulsions and Suspensions, F. Nielloud & G. Marti-Mestres, Eds., Marcel Dekker New York 2000. Chapter 3, pp 73-125
2
3 Garti
N. Double emulsions — Scope, Scope, limitations and new achievements Colloids Surfaces A 1997, 123-124: 233-246
2. METODOLOGÍA
2.1. MATERIALES Y EQUIPOS
2.1.1. Equipos y Reactivos: Microscopio, porta objetos, cubreobjetos. Azul de metileno SUDAN III (sólidos y líquidos). Ácido oleico NaOH 0.1M Ca(OH)2 0.1M 2.1.2. Materiales: Gradilla para tubos de ensayo 10 tubos de ensayo con tapa 2 probetas de 50 ml 4 vidrios de reloj 2.1.3. Materias primas: Aceite vegetal Huevos Vinagre Sal, Lecigran, CMC Mostaza.
2.2. PROCESO 2.2.1. Efecto del emulsificante -2 ml de aceite -2 ml de agua En tubo de ensayo e nsayo (1)
Agitar y dejar en reposo (2 min).
Agitar Agitar y dejar en reposo (2 min)
-2 ml de aceite en el tubo de ensayo
Registrar tiempo de separación separación de los líquidos
Agregar (en otro tubo(2)) -2 ml de agua -0,2 gramos de yema de huevo
Repetir el proceso con lecitina de soya (0,2 g)
2.2.2. Poder emulsificante relativo de emulsificantes diferentes
Tubo 1 2 3 4 5 6
Emulsificante 0,2 gramos de mostaza 0,2 gramos de sal 0,2 gramos de lecitina de soya 0,2 gramos de yema de huevo 0,2 gramos de Goma Arábiga Blanco Tabla 1
Colocar 6 tubos de ensayo en una gradilla.
Medir el tiempo en el que se rompe ro mpe cada una de las 6 emulsiones formando dos capas o registrar sí se mantiene estable durante el tiempo de la práctica.
Numerar los tubos para identificar las l as muestras.
Se agita la mezcla de forma manual de manera que se homogenice el contenido.
Adicionar Adicionar a un beaker 2 ml de aceite y 2 ml de vinagre a cada tubo.
Agregue a cada tubo como se muestra en la tabla 1.
2.2.3. Producción de emulsiones Tomar 2 probetas de 100 ml
Realizar observaciones a simple vista y al microscopio.
En la primera probeta colocar 20 ml de aceite vegetal, 18 ml de agua destilada, 2 ml de NaOH 0,1 M y 0,5 ml de acido oleico.
Colocar una fracción de cada emulsión en un vidrio de reloj diferente y aplicar una gota de los colorantes utilizados previamente.
En la segunda probeta colocar 20 ml de aceite vegetal, 18 ml de agua destilada, 2 ml de Ca(OH)2 0,1 M y 0,5 ml de acido oleico.
Agitar Agitar el contenido de las probetas simultáneamente mediante agitador magnético durante 1 minuto.
Identificar qué tipo de emulsiones se prepararon.
3. DATOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS 3.1.1. Efecto del emulsificante
Mezcla
Tiempo de separación de fases (min)
Agua + aceite Agua + aceite + lecitina de soya Agua + aceite + yema de huevo
0.13 15(+) 6
3.1.1.1. Agua y aceite El sistema observado consiste en la dispersión de gotas de aceite en una fase acuosa, a la cual se le conoce como una emulsión aceite en (O/W); ya que dicha emulsión presenta transparencia es posible apreciar el tamaño de los glóbulos de la fase dispersa, que se concentran en la parte inferior del sistema [emulsión de tipo sedimentación] los cuales son menores de 0,05 µm. Figura 4-A la izquierda agua-
Pasados 8 segundos después de su Aceite y yema de huevo, a la preparación, se observa la separación de la derecha agua, aceite y lecitina de soya. fases, por lo cual es posible establecer que la estabilidad de la emulsión se ve afectada por la viscosidad, y ya que el aceite presenta una viscosidad mayor a la el agua, este permite mantener gotas grandes en suspensión. 3.1.1.2. Agua, aceite y lecitina de soya Esta prueba consistió en la manipulación de un sistema de aceite como fase continua, junto con lecitina de soya como emulsificante; fue posible apreciar que este sistema no se ve afectado al transcurrir el tiempo, lo cual puede deberse a la estabilidad de la emulsión gracias a la adición del emulsificante que según la teoría es un tipo de fosfolípido, los cuales son componentes importantes que se encuentran en la estructura de todas las membranas celulares ya que aportan soporte. En este sistema es posible apreciar una emulsión estable del tipo lechosa, lo cual hace pensar que según la teoría podría tener un balance Hidrofilicolipofilico (HLB) entre los valores de 7 y 10. 3.1.1.3. Agua, aceite y yema de huevo En este sistema se puede apreciar como la yema de huevo actúa como emulsificante; Pasados 6 minutos desde su preparación se puede apreciar la separación de las fases, lo cual indica que la estabilidad de esta emulsión, es afectada por el tiempo de homogenización y agitación, este último factor es el encargado de determinar el tamaño de las gotas dispersas.
3.1.2. Poder emulsificante relativo de emulsificantes diferentes Tiempo de ruptura de Tubo Emulsificante fases (min) 1 0,2 gramos de mostaza 2.70 2 0,2 gramos de sal 0.45 3 0,2 0,2 gramo ramoss de leci lecittina ina de soya soya 3.13 .13 4 0,2 gramos de yema de huevo ≈7 5 0,2 0,2 gramo ramoss de Goma Arábi rábig ga 60(+) 0(+) 6 Blanco Instantáneo En esta práctica se esperaba realizar cada proceso homogenización de mezcla con agitador magnético, pero no fue posible debido a que no había a disposición material suficiente, así que la agitación fue manual. En los resultados se aprecia que la mezcla con menor tiempo de separación de fases sin tener en cuenta el blanco (figura 5) es el tubo 3 que contenía sal con un tiempo aproximado de 27 segundos debido a la Figura 5-Blanco (Aceitenaturaleza de la muestra. Ahora, el que tardó Vinagre) más tiempo en separarse fue el tubo 5, la goma arábiga se mantuvo en una fase por más del tiempo de la práctica experimental, por lo tanto no se logró estimar un tiempo de separación total, se estima que duró más de 60 minutos. Las demás mezclas se separaron en orden ascendente mostaza, lecitina de soya y yema de huevo. 3.1.2.1. Mostaza Para lograr estabilizar la harina de mostaza se tuvo que realizar una agitación manual fuerte, sin embargo no se logró que esta se homogenizara completamente, de esta forma se indaga que su poder emulsionante es bajo aunque esta posee acción emulsionante y se usa para apoyar la estabilidad de otro tipo de emulsiones como Figura 6-Harina de mayonesa4. Los grumos de color café en la figura 6 mostaza se deben a una contaminación ligera con una mínima cantidad de lecitina de soya, esto pudo aumentar un 4 Franco,
J. M., Guerrero, A., & Gallegos, C. (1995). Influencia de l as concentraciones de aceite y emulsionante en las propiedades reológicas de emulsiones aceite en agua del tipo salsa fina. Grasas y aceites, 46(2), 108-114. 108 -114.
poco el tiempo de separación porque la lecitina de soya tiene mejor capacidad emulsificante, pero el tiempo de ruptura de fases fue corto. 3.1.2.2. Sal La sal es un compuesto iónico el efecto beneficioso de la sal se asocia a la neutralización de las cargas de la superficie de las proteínas5. Sin embargo, el vinagre y el aceite no son compuestos con proteínas por lo cual no lo hace un agente emulsionante adecuado, la agitación que se realiza logra Figura 7-Sal estabilizar la mezcla por muy poco tiempo, y por lo tanto la ruptura de fases ocurre rápidamente. 3.1.2.3. Lecitina de soya Analizando el homogéneo generado se puede observar en el tubo que tiene lecitina de soya también se tarda un poco en lograr la separación de fases, lo que se asocia a la naturaleza bioquímica de este tipo de productos, puesto que se encuentran gran Figura 8.Lecitina de cantidad de proteínas, las cuales reducen la tensión superficial 6 . La adición del so a emulsificante que según la teoría es un tipo de fosfolípido permite que se forme una emulsión por un momento estable pero la ruptura de fases ocurre en un tiempo alrededor de los 3 y 4 minutos. 3.1.2.4. Yema de huevo Los fosfolípidos presentes en la composición bioquímica de la yema de huevo le brinda un carácter anfipático a la muestra, lo cual hace que esta sea un agente emulsificante, para el experimento se contaba con una cantidad limitada de yema por lo cual se utilizó un poco menos de lo indicado lo cual permitió Figura 9-Yema de que se separara más rápido, es decir no se Huevo consiguió mantener totalmente estable7. 5 Vieira
CR, Biasutti EAB, Capobiango M, Afonso WO, Silvestre MPC. (2006) Efectos de la sal sobre la solubilidad y las propiedades emulsionantes de la caseína y sus hidrolizados trípticos. Pg 286 6 SHARLEY, H. Tecnologia de alimentos: procesos físicos f ísicos y químicos en la l a preparación de alimentos. Editorial Limusa, México 1987 7 Ibid 6
3.1.2.5.
Goma arábiga La goma arábiga (GA) es un emulsificante efectivo que tiene las características de baja viscosidad, buena actividad de superficie y habilidad para formar una película protectora en una emulsión; ésta produce películas con las propiedades de un hidrocoloide y puede formar emulsiones estables con la mayoría de aceites 8 Figura 10-Goma Debido a esto al adicionar la goma arábiga a la Arábiga mezcla de vinagre y aceite se forma una emulsión homogénea que hasta el final de la práctica de más de dos horas no se logra apreciar la ruptura de las fases, por lo cual se afirma que es un buen agente emulsificante. 3.1.3. Producción de emulsiones En el montaje (Figura 11) se observa la formación de dos emulsiones, la primera corresponde a oleato de sodio (w/o) y la segunda a oleato de calcio (o/w), estas emulsiones fueron producidas a causa de las reacciones del aceite con hidróxido de sodio y de calcio. Figura 11-Emulsiones con azul de El azul de metileno es un indicador metileno y sudan III de compuestos polares y el Sudan III es un indicador colorante rojo de triglicéridos y otros lípidos y en cada uno de los casos presenta diferencias cualitativas que son explicadas en los siguientes numerales. 3.1.3.1. Oleato de sodio (w/o) Al adicionar los indicadores azul de metileno y sudan III, la fase dispersa se colorea Figura 12-Oleato de sodio (w/o) de rojo levemente apreciable debido a la baja calidad del indicador sudan II y la fase continua de azul. Así, se verifica Figura 13-Emulsión w/o que se ha formado oleato de sodio, una emulsión (vista microscópica) 8 CHANAMAI,
R.; MCCLEMENTS, D. J. 2001. Depletion flocculation of beverage emulsions by gum arabic and modified starch. Journal of Food Science 66(3): 457 – 463. 463.
(w/o) tal como se muestra en la figura 12. Luego verificando su comportamiento microscópico se observa cómo se separan cada una de las fases, donde las burbujas indican la parte polar (fase dispersa) y el fondo la fase continua (figura 13). 3.1.3.2. Oleato de calcio (o/w) Al adicionar los indicadores azul de metileno y sudan III, la fase dispersa se colorea de color azul y la fase continua de rojo, levemente apreciable debido a la baja calidad del indicador sudan II. Así, se verifica que se ha formado oleato de sodio, una emulsión (o/w) tal Figura 124-Oleato de calcio (o/w) como se muestra en la figura -. Luego verificando su comportamiento microscópico se observa cómo se separan cada Figura 15-Emulsión o/w (vista microscópica) una de las fases. 4. GENERÁLIDADES DEL PROCESO 4.1. Para el ensayo 1 se presentaron resultados satisfactorios gracias a la correcta disposición de materiales y equipos 4.2. Para identificar la acción de los agentes emulsificantes se dificultó el desarrollo del experimento por falta de material de vidrio, el uso de beakers, agitadores magnéticos y cronómetro pudo haber mejorado la precisión de los resultados obtenidos 4.3. En la formación de emulsiones el reactivo indicador sudan III no estaba actuando adecuadamente, por lo cual algunas coloraciones no fueron tan efectivas como se esperaba. 5. CONCLUSIONES 5.1. La estabilidad de las emulsiones se ve afectada por factores externos, como la agitación, e internos como la composición de la mezcla y el tipo de emulsificante utilizado. 5.2. Para utilizar diferentes aditivos para la formación de una emulsión es de vital importancia reconocer su naturaleza química y propiedades como su viscosidad, la cual seleccionada apropiadamente garantiza la estabilidad de la emulsión. 5.3. Para identificar apropiadamente una emulsión es necesario el uso de indicadores preparados correctamente, cualitativamente los colores y viscosidad ayudan a identificar si una emulsión es w/o ó o/w.
5.4. La goma arábiga es un excelente emulsificante de lípidos, y compuestos como la lecitina de soya y yema de huevo por la presencia de fosfolípidos permiten una mayor acción emulsificante y mejor estabilidad.
6. BIBLIOGRAFIA 6.1. Franco, J. M., Guerrero, A., & Gallegos, C. (1995). Influencia de las concentraciones de aceite y emulsionante en las propiedades reológicas de emulsiones aceite en agua del tipo salsa fina. Grasas y aceites, 46(2), 108-114. 6.2. Vieira CR, Biasutti EAB, Capobiango M, Afonso WO, Silvestre MPC. (2006) Efectos de la sal sobre la solubilidad y las propiedades emulsionantes de la caseína y sus hidrolizados trípticos. Pg 286 6.3. Sharley, H. Tecnologia de alimentos: procesos físicos y químicos en la preparación de alimentos. Editorial Limusa, México 1987 6.4. Chanamai, R.; McClements, D. J. 2001. Depletion flocculation of beverage emulsions by gum arabic and modified starch. Journal of Food Science 66(3): 457 – 463. 463. 6.5. Lugo S. Y. y Sánchez G. T. (2011). Emulsiones. Extraído de la página web http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/emulsiones_113.pdf a las 11:57 a.m. el día 16/11/2013. 6.6. Salager J. L., Emulsion Properties and Related Know-how to attain them. In Pharmaceutical Emulsions and Suspensions, F. Nielloud & G. Marti-Mestres, Eds., Marcel Dekker New York 2000. Chapter 3, pp 73-125 6.7. Garti N. Double emulsions — Scope, limitations and new achievements Colloids Surfaces A 1997, 123-124: 233-246 6.8. Becerra Nubia.(2014) Práctica no. 06: Emulsiones, Sin Publicar 6.9. Cardenas, A. emulsiones multiples. Universidad de los Andes.Disponible en:http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r90109.PDF Mayurkumar Kalariya. Systemically administered gp100 encoding 6.10. DNA vaccine for melanoma using water-in-oil-in-water multiple emulsion delivery systems. Boston, 10 de septiembre de 2013. Disponible en http://ezproxy.utadeo.edu.co:2371/science/article/pii/S03785173130043
