نانو امولسیون ها در صنایع غذایی

امولسیون یک سیستم ناهمگن است که توسط دو مایع غیرقابل اختلاط تشکیل شده است که یکی از آنها در دیگری به شکل قطرات پراکنده است. امولسیون هایی با اندازه قطرات چند نانومتر و معمولاً بین 20 تا 200 نانومتر، نانوامولسیون نامیده می شوند. نانوامولسیون ها سیستم های غیرتعادلی هستند که خود به خود تشکیل نمی شوند و مصرف انرژی برای تولید آنها ضروری است. نانوامولسیون ها به دلیل ویژگی های اندازه ای که دارند با چشم غیر مسلح به صورت شفاف یا نیمه شفاف قابل مشاهده هستند و از پایداری بالایی برخوردار هستند.

ساختار و خواص منحصر به فرد انواع امولسیون در مقایسه با امولسیون های معمولی، مزایایی را برای کاربرد آنها در بسیاری از صنایع از جمله صنایع غذایی ایجاد کرده است. از جمله کاربردهای سیستم های نانو امولسیون در صنایع غذایی می توان به نقش آن ها در ریزپوشانی (کپسولاسیون) و کنترل آزادسازی ترکیبات مفید مانند انواع رنگ ها، اسانس ها، ویتامین ها و … اشاره کرد. در این مقاله ضمن تشریح نانوامولسیون ها، سعی شده است تا روش های تولید، مزایا و برخی کاربردهای نانوامولسیون ها در صنایع غذایی بررسی شود.

امولسیون یک سوسپانسیون کلوئیدی از حداقل دو مایع غیرقابل اختلاط است که ساختار غیرتعادلی دارند و خود به خود تشکیل نمی شوند. امولسیون ها از یک مایع پراکنده (فاز معلق یا فاز داخلی) در مایع دیگر (فاز پیوسته یا فاز خارجی) تشکیل شده اند. امولسیون ها بر اساس اندازه قطرات امولسیون به میکرو (10 تا 100 نانومتر)، مینی یا نانو (100 تا 1000 نانومتر) و ماکرو (0.5 تا 100 میکرومتر) تقسیم می شوند. امولسیون هایی که قطر ذرات آنها در مقیاس نانومتری و به گفته اکثر نویسندگان حداکثر 500 نانومتر است، نانوامولسیون نامیده می شوند [1]. در عین حال، بیشتر خواص امولسیون ها مانند پایداری، رئولوژی، ظاهر، رنگ و اندازه به اندازه قطرات امولسیون و توزیع اندازه بستگی دارد. به همین دلیل کنترل، پیش بینی، اندازه گیری و گزارش اندازه قطرات امولسیون های آماده شده برای کاربردهای مختلف بسیار مهم و ضروری است.

اصولاً نانوامولسیون ها به دلیل اندازه خاص ظاهری شفاف یا شفاف دارند و از نظر توزیع اندازه قطرات دارای پایداری جنبشی بالا، ویسکوزیته پایین و پایداری بالا در برابر پدیده های بارش، کرم شدن، ادغام و انعقاد هستند. به همین دلایل امروزه در مصارف صنعتی مورد استفاده بسیاری قرار گرفته است. لازم به توضیح است که تکنیک های مختلفی برای تولید نانوامولسیون ها وجود دارد که هر کدام از آنها نانوامولسیون هایی با ویژگی های متفاوت تولید می کنند و هر کدام مزایا و معایب خود را دارند. در ادامه با پیشگامان شیمی همراه باشید.

 امولسیون

در غذاها، امولسیون ها معمولاً دارای دو فاز هستند: روغن و آب. اگر آب فاز پیوسته و روغن فاز پراکنده را تشکیل دهد، امولسیون از نوع روغن در آب (O/W) است و اگر فاز پراکنده آب و فاز پیوسته نفت تشکیل شود، این امولسیون آب درون است. -امولسیون آب نوع روغن (W/O). شکل 1). پایداری این سیستم ها کاهش می یابد و می توان پایداری آنها را توسط سورفکتانت ها و سایر مواد افزایش داد. همانطور که گفته شد وجود امولسیون نیاز به جسم سوم یا ترکیبی از چند ماده دارد و به این ترکیبات سورفکتانت، امولسیفایر یا امولسیفایر می گویند. امولسیفایرها ترکیبات فعال سطحی هستند که قادر به کاهش کشش سطحی بین گاز-مایع و مایع-مایع و افزایش پایداری امولسیون ها هستند

اولین مرحله برای تشکیل یک امولسیون پایدار، پراکندگی و پراکندگی یک فاز در فاز دیگر است. یکی از عوامل مهم در تثبیت امولسیون حاصل، ایجاد یک لایه تک مولکولی بین سطح روغن و آب با استفاده از امولسیفایر است.

معمولاً در فرآیند تهیه امولسیون به روش های مکانیکی (مثلاً با استفاده از میکسر یا هموژنایزر) تعداد قطرات افزایش می یابد و در نتیجه سطح قطرات هزاران برابر افزایش می یابد و قابل توجه است. برای تولید قطرات کوچک با سطح بزرگ باید مقدار زیادی انرژی صرف شود. بنابراین در چنین مواردی افزودن امولسیفایر به امولسیون تشکیل شده باعث کاهش کشش سطحی و انرژی مکانیکی لازم برای تشکیل امولسیون می شود. اولین مرحله در تشکیل امولسیون، شکستن و انحلال قطرات بزرگ است. برای جلوگیری از تراکم و ادغام قطرات پراکنده، باید مقادیر کافی از امولسیفایرهای مناسب در سطح مشترک بین فازهای آب و روغن جذب شود. اندازه قطرات در امولسیون تهیه شده نیز به روش تهیه، مقدار و نوع امولسیفایر و دمای امولسیون بستگی دارد

اساساً امولسیون ها را می توان با استفاده از امولسیفایر تشکیل و تثبیت کرد. این مواد از نظر ترکیب شیمیایی و قدرت یونی به دو دسته قطبی و غیرقطبی، نوع قطبی به دو دسته یونی و غیر یونی و نوع یونی به سه گروه آنیونی، کاتیونی و آمفوتریک تقسیم می شوند. . امولسیون‌کننده‌های قطبی بیشتر با فاز آب مرتبط هستند و امولسیون‌های روغن در آب را تثبیت می‌کنند، در حالی که امولسیون‌های غیرقطبی بیشتر به سمت فاز روغن تمایل دارند و امولسیون‌های آب در روغن را تثبیت می‌کنند. نوع عملکرد امولسیون ها با تعیین عدد HLB یا تعادل فاکتورهای آب دوست و چربی دوست در مولکول امولسیفایر تعیین می شود.

علاوه بر این، بیشتر امولسیفایرها ساختار آمفیفیلیک دارند، به این معنی که هم گروه های قطبی و هم گروه های غیر قطبی دارند. گروه های قطبی آبدوست یا آب دوست هستند و آب را جذب می کنند، در حالی که گروه های غیر قطبی آبگریز یا آبگریز هستند و روغن را جذب می کنند. هنگامی که مقادیر کمی از امولسیفایرها به دو مایع غیرقابل اختلاط اضافه می شود، این مواد در سطح مشترک بین دو فاز جمع می شوند و یک لایه نازک در اطراف آنها تشکیل می دهند و قطرات فاز پراکنده را می پوشانند و در نتیجه فشار را در سطح مشترک کاهش می دهند. از قطره هایی که به هم می چسبند و یکی می شوند. در نتیجه منجر به پایداری امولسیون می شوند.

امولسیفایرهای مورد استفاده در مواد غذایی به طور کلی شامل پروتئین های طبیعی، استرول ها، فسفاتیدها و بسیاری از ترکیبات مصنوعی هستند. امولسیفایر مناسب علاوه بر داشتن قدرت امولسیون کنندگی خوب، باید غیر سمی، نسبتاً بی بو، بی مزه و بی رنگ بوده و در هر شرایطی که مواد غذایی در معرض آن قرار می گیرند پایدار بوده و استفاده از آن طبق قانون مجاز باشد.

نانو امولسیون

در منابع علمی، امولسیون هایی با اندازه قطرات در محدوده نانومتری (معمولاً در محدوده 20 تا 200 نانومتر) اغلب مینی امولسیون، نانوامولسیون، امولسیون بسیار ریز، امولسیون زیر میکرون و غیره نامیده می شوند. ساختار قطرات آب که یک نانوامولسیون روغن در آب را تشکیل می دهند در شکل 2 قابل مشاهده است. همانطور که در بالا ذکر شد، نانوامولسیون ها به دلیل اندازه مشخصه شفاف و نیمه شفاف برای چشم غیر مسلح هستند و در برابر بارش و کرم شدن پایداری بالایی دارند. پدیده ها (شکل 3). به عبارت دیگر، نانوامولسیون ها امولسیون های واقعی با قطرات بی نهایت کوچک آب هستند و از این نظر بسیار شبیه به میکروامولسیون ها هستند. اما برخلاف میکروامولسیون ها که شفاف یا نیمه شفاف هستند و از نظر ترمودینامیکی پایدار هستند، نانوامولسیون ها فقط از نظر جنبشی پایدار هستند. به عبارت دیگر، میکروامولسیون ها سیستم های تعادلی هستند، به این معنی که دارای تعادل ترمودینامیکی هستند، در حالی که نانوامولسیون ها سیستم های غیرتعادلی با تمایل خود به خود به جدا شدن به فازهای جداگانه هستند. در واقع، نانوامولسیون ها می توانند برای چندین سال تعادل جنبشی نسبتا بالایی داشته باشند و این پایداری فیزیکی طولانی آنها را متمایز می کند

اگرچه علاقه به نانوامولسیون ها از حدود 20 سال پیش افزایش یافته است، اما بیشترین استفاده مستقیم از نانوامولسیون ها در محصولات مصرفی مربوط به مواد دارویی و آرایشی است. در عین حال، کاربردهای اخیر نشان داده است که انجام تحقیقات در زمینه روش های بهینه سازی برای تولید نانوامولسیون ها ضروری است

جهیزات تولید نانوامولسیون

اساساً فرآیند امولسیون سازی شامل دو مرحله است. در مرحله اول، با تغییر شکل قطرات و شکستن آنها، سطح ویژه امولسیون افزایش می یابد، در حالی که در مرحله دوم، علاوه بر تثبیت، با قرار دادن سورفکتانت ها یا امولسیفایرها بر روی سطح مشترک فازها، سطح ویژه امولسیون افزایش می یابد. از پیوستن مجدد قطرات تازه تشکیل شده جلوگیری می شود. در این روش از دستگاه های مختلفی مانند میکسرهای ساده، میکسرهای برش بالا، هموژنایزرهای فشار قوی، هموژنایزرهای گردابی، هموژنایزرهای میکروسیال، هموژنایزرهای اولتراسونیک و هموژنایزرهای آسیاب کلوئیدی (روتور-استاتور) برای انجام مرحله اول استفاده می شود. 6-10] در مطالعات آزمایشگاهی و در اکثر روشهای تهیه امولسیون، ساخت امولسیون دو فاز کارآمدتر و آسانتر است، به طوری که فازهای جداگانه روغن و آب ابتدا به یک “امولسیون درشت” با حجم نسبتاً بزرگ تبدیل می شوند. امولسیون اندازه قطرات (معمولاً از یک روتور-استاتور استفاده می شود و سپس کاهش نهایی اندازه قطرات امولسیون با تکنیک دیگری (مثلاً هموژنایزرهای فشار بالا) انجام می شود.