Emulsiones 

Una emulsión es una dispersión termodinámicamente inestable de dos líquidos inmiscibles, normalmente de naturaleza apolar y polar. En la práctica contienen un tercer componente, un emulsionante, que es una sustancia anfifílica que facilita la formación de la emulsión disminuyendo la tensión interfacial entre la fase apolar y la polar. Un cuarto componente puede ser un agente estabilizante. La composición de muchas emulsiones alimentarias incluye proteínas (emulsionantes) y polisacáridos (estabilizantes), biopolímeros que conjuntamente

controlan la consistencia y textura del producto.

Las emulsiones las encontramos en los alimentos, los cosméticos y fármacos, agroquímicos y sistemas naturales y artificiales de la industria del petróleo, entre otros. Como una introducción al tema, pueden leer un trabajo sobre las emulsiones en la industria de alimentos.  En este vínculo pueden leer algo más sobre las emulsiones alimentarias.

Dependiendo de la naturaleza de las fases dispersa y continua, las emulsiones se clasifican como o/w, w/o o múltiples tipo w/o/w y o/w/o, donde o significa aceite y w agua. En una emulsión O/W, la FDI está formada por un líquido oleoso e hidrófobo y la FDE es un medio acuoso. Un ejemplo clásico de este tipo de emulsión es la mayonesa. En una emulsión w/o la FDI es de naturaleza acuosa y la FDE oleosa, como es el caso de la mantequilla. En las figuras 1 y 2 se ilustran los tipos de emulsiones.

Figura 1. Emulsiones. De izquiera a derecha y de arriba hacia abajo, o/w, w/o, w/o/w, o/w/o.

Figura 2. Una emulsión múltiple.

Les proporciono un artículo sobre emulsiones alimentarias aceite en agua.

Dada la diferente naturaleza de las fases los procesos de separación conducen a la rotura de la emulsión. Por ello se busca compensar la inestabilidad termodinámica del sistema mediante lo que se denomina estabilidad cinética. Por ello la estabilidad de una emulsión es una de sus propiedades más importantes, condicionada por el balance de las fuerzas de atracción y repulsión entre las partículas. Para ello se incluyen otros componentes como son determinados estabilizadores. También es importante la inclusión de algún componente funcional lo que depende de su afinidad con la FDI y la FDE.

Entre los casos más emblemáticos de emulsiones alimentarias tenemos: leche (o/w), mantequilla (w/o), mayonesa (o/w), helados (o/w), y  embutidos (o/w). La importancia de las emulsiones en los alimentos radica en la posibilidad que ellas proporcionan para integrar componentes con determinads propiedades funcionales y/o para dar a los productos ciertas propiedades reológicas y organolépticas deseadas.

Para determinar el tipo de emulsión que se tiene, se utilizan distintas propiedades:

·        Conductividad eléctrica: Las emulsiones o/w son mejores conductoras que las w/o.

·        Dilución: Una emulsión es soluble en su fase externa.

·        Método de los colorantes: Se utilizan colorantes hidrosolubles y liposolubles. La uniformidad del color adquirido por la emulsión indica si es o/w ó w/o.

·        Método de la gota: Sobre sendas porciones de emulsión se agrega una gota de vaselina líquida y una de agua. Se observa la velocidad con que se extiende en la superficie de la emulsión.

·        Aplicación sobre la piel: Las emulsiones o/w en general penetran más rápidamente en la piel.

·        Papel de filtro con CoCl₂: En contacto con emulsiones o/w vira rápidamente al rosado.

·        Observación microscópica: Se disuelve un colorante en una de las fases, durante la preparación de la emulsión, y se observa al microscopio.

Los emulsionantes.

Un emulsionante es una molécula anfifílica, que tiende se coloca en la interfase favoreciendo la formación de gotas y disminuyendo la energía libre (figura 3). En general no son estabilizantes a largo plazo aunque en ciertos casos prolongan un tiempo considerable la estabilidad de las emulsiones. Es común denominar a los emulsionantes tensioactivos.

Figura 3. Ubicación del emulsionante y disminución de la energía superficial.

Entre los emulsionantes tenemos tanto naturales como sintéticos.

Entre los de origen natural tenemos la goma de acacia, el colesterol y las lecitinas, que son fosfolípidos.

Los emulsionantes sintéticos se clasifican en iónicos (aniónicos, catiónicos y anfóteros) y no iónicos. Entre los iónicos tenemos los ácidos grasos y sus sales, por ejemplo el ácido esteárico y el estearato de sodio. Los no ionizados muestran un HLB muy bajo (ácido oleico 1.0);  las sales sódicas o potásicas tienen un HLB elevado (oleato de sodio 18,0; oleato de potásio 20); los alquilsulfatos, con un HLB elevado; los derivados de amonio cuatenario y aminas. Entre los no iónicos tenemos los éteres y ésteres de ácidos grasos y polioles, los ésteres del sorbitol y copolímeros en bloque del óxido de etileno y del óxido de propileno (figura 4).

Figura 4. Ejemplos de emulsionantes sintéticos.

El número HLB.

Hemos mencionado un número HLB, que expresa el balance hidrofílico-lipofílico del emulsionante (del inglés hidrophilic lipophilic balance). Este responde a la estructura química de cada emulsionante, siendo uno de los criterios fundamentales para la selección de los emulsionantes para preparar una emulsión determinada. En una emulsión, el valor del HLB del emulsionante intenta estimar la atracción simultánea que experimenta por las fases acuosa y oleosa (figura 5).

Figura 5. El número HLB.

En la tabla 1 se muestra el aspecto de la emulsión de acuerdo al número HLB.

Tabla 1. Número HLB y emulsiones.

Los emulsionantes con número HLB comprendido entre 8 y 18 se recomiendan para formar emulsiones O/W. En el caso de las emulsiones W/O, los intervalos se sitúan entre 3-4 y 6. Además, los emulsionantes con HLB entre 0 y 4 se utilizan como antiespumantes, entre 6 y 9 como humectantes, y por encima de 13 como detergentes.

Para determinar el número HLB de un emulsionante hay varios procedimientos:

Según Griffin:

Ésteres de ácidos grasos:

Siendo S el número de saponificación del éster y A el número de acidez del ácido del cual se deriva el éster.

Alcoholes de cadena larga polioxietilénicos y sus ésteres:

Por el método de Davies: Se consideran los aportes de los grupos que se encuentran en la molécula del emulsionante (figura 6):

Figura 6. Valores de aporte al número HLB de diferentes grupos.

Para las mezclas de tensioactivos se utiliza una fórmula que considera los % m/m de cada tensioactivo:

Aunque el cálculo es sencillo, JW Solutions proporciona una calculadora para las mezclas. Otra calculadora nos permite considerar más componentes para determinar el HLB de la mezcla.

La importancia del emulsionante se considera en la regla de Bancroft que indica que el signo de la  emulsión depende más del emulsionante empleado que de las proporciones relativas de las fases oleosas y acuosas o de la metodología de preparación de la emulsión. Dicho en otras palabras la fase dispersante de una emulsión es aquella en la cual el emulsionante es más soluble.

El HLB de muchos emulsionantes ya está referido en la literatura. En la tabla 2 se muestran los HLB de algunos de ellos.

Tabla 2. HLB de algunos emulsionantes.

Como una herramienta práctica para cosméticos, hay una calculadora de HLB que puede ser interesante. Antes estaba libre, ahora exige registrarse.

Estabilizantes

Son compuestos químicos, generalmente macromoléculas que estando en la fase acuosa restringen la movilidad de las gotas de la FDI por el aumento de la viscosidad o la viscoelasticidad de la FDE, aumentando con ello la estabilidad física de la emulsión. Entre ellos se encuentran los polisacáridos: la goma xantana, almidones, etc. Para ampliar pueden acceder con este vínculo.

Lectura 1 para ampliar sobre las emulsiones. Lectura 2 para ampliar sobre la formulación y caracterización de emulsiones. Lectura 3 para ampliar sobre emulsiones alimentarias. Lectura 4 para ampliar sobre el número HLB. Lectura 5 (no podía faltar en este mundo en que lo nano se impone), una tesis sobre nanoemulsiones.