émulsions : Applications et analyse

Les émulsions sont des dispersions de gouttelettes dans un solvant non miscible qui sont largement utilisées dans les industries alimentaire, pharmaceutique et chimique. L'analyse de la taille des gouttelettes et du potentiel zêta est une étape clé pour optimiser la stabilité, la performance et la sécurité de l'émulsion.

Une émulsion est un mélange de deux liquides qui ne se mélangeraient normalement pas. Les émulsions peuvent être des émulsions « huile dans l'eau » qui consistent en des gouttelettes d'huile dispersées dans l'eau ou dans une autre dispersion aqueuse. La mayonnaise est une émulsion courante « huile dans l'eau » qui est stabilisée avec de la lécithine obtenue à partir du jaune d'œuf. Alternativement, il existe également des émulsions « eau-dans-huile » qui sont des gouttelettes d'eau dispersées dans un milieu huileux. Le beurre et la margarine sont des exemples courants d'émulsions eau-dans-huile. En plus des exemples mentionnés ci-dessus, les émulsions existent également sous forme de vinaigrettes, de peintures, de cosmétiques, de crèmes et de lotions.

Semblable à une vinaigrette, des émulsions peuvent être formées, au moins temporairement, en secouant ou en remuant rapidement un mélange d'huile et d'eau. Ils peuvent également être formés par sonication, qui utilise des ondes ultrasonores pour agiter des dispersions et les faire mélanger, ainsi que par homogénéisation, qui est couramment utilisée pour traiter le lait afin que les gouttelettes de graisse restent dispersées et ne flottent pas à la surface. Cependant, en raison de la tendance naturelle de l'huile et de l'eau à se séparer, la plupart des émulsions ne sont pas stables dans le temps et leurs composants se sépareront en deux couches. Cela dit, des émulsions stables peuvent être générées en ajoutant un émulsifiant, qui est un produit chimique qui aide à maintenir les deux composants mélangés. Les émulsifiants sont structurellement et fonctionnellement similaires aux tensioactifs en ce sens qu'ils possèdent une longue chaîne hydrophobe qui s'étend dans la couche d'huile et un groupe tête polaire qui interagit avec la couche aqueuse. Des exemples d'émulsifiants courants incluent la moutarde, le jaune d'œuf, les savons et d'autres tensioactifs.

Les émulsions sont souvent perçues comme quelque chose de simple, macroscopique, qui peut être vu, ressenti et même goûté, mais en réalité, ce sont les propriétés à l'échelle nanométrique des gouttelettes dispersées dans une émulsion qui sont les principaux contributeurs aux propriétés globales de l'émulsion. Spécifiquement, la taille et la charge des gouttelettes émulsifiées affectent directement la stabilité, le goût, la sécurité, l'apparence et la sensation, ainsi que la fonction. Ainsi, il est crucial de pouvoir mesurer avec précision et rapidité ces propriétés des émulsions. Il existe un certain nombre de techniques scientifiques utiles pour caractériser les émulsions. Deux des méthodes les plus couramment utilisées sont la diffusion dynamique de la lumière (DLS), qui mesure la taille des particules et la distribution de taille des gouttelettes émulsifiées, et la diffusion électrophorétique de la lumière (ELS) qui mesure la charge des gouttelettes/le potentiel zêta. La taille des gouttelettes d'une émulsion est importante pour garantir l'apparence et la sensation idéales d'une émulsion ainsi que la fonctionnalité requise, comme le taux de délivrance du médicament d'une émulsion intraveineuse (IV) (Figure 1) ou l'uniformité de la dose d'un médicament inhalé. Le potentiel zêta d'une émulsion indique la probabilité que les gouttelettes s'agrègent et est donc lié à la stabilité globale de l'émulsion.

ELS, en revanche, permet de mesurer le potentiel zêta d'une émulsion ou la charge effective d'une gouttelette lorsqu'elle est dispersée. ELS fonctionne en appliquant un champ électrique à l'émulsion, ce qui fait que les gouttelettes, si elles sont chargées, migrent vers l'électrode de charge opposée. L'échantillon est irradié avec un laser et la lumière qui est dispersée par les particules est ensuite détectée. Cependant, parce que les particules se déplacent par mouvement électrophorétique, le mouvement de la particule provoque un décalage Doppler (ou décalage de fréquence) dans la lumière diffusée qui correspond à la vitesse des particules, connue sous le nom de mobilité électrophorétique. La mobilité électrophorétique est ensuite corrélée à l'ampleur de la charge de la gouttelette dans l'émulsion.

Le potentiel zêta des gouttelettes dans une émulsion est lié à la stabilité globale car les particules fortement chargées (soit positivement, soit négativement) se repoussent dans la solution et sont donc moins susceptibles de s'agréger et de finalement se séparer de la dispersion. D'autre part, les gouttelettes qui sont relativement non chargées ou neutres sont plus susceptibles d'interagir entre elles plutôt qu'avec le solvant, ce qui conduit à des particules plus grandes ou à une séparation complète en deux phases. Ainsi, garantir un potentiel zêta optimal des gouttelettes est essentiel pour s'assurer que l'émulsion sera stable dans le temps et que la taille des gouttelettes ne changera pas ou n'augmentera pas au-delà de la limite de 5 microns.

Les émulsions sont des systèmes complexes avec une large gamme d'applications et d'utilisations commerciales. La caractérisation précise des émulsions, y compris la taille et le potentiel zêta des gouttelettes dispersées, est essentielle pour garantir la stabilité et la performance de l'émulsion. L'instrument Litesizer™ 500 d'Anton Paar est un outil utile pour analyser les émulsions, offrant une mesure rapide et précise à la fois de la taille des particules et du potentiel zêta.