Come fare Nanoemulsioni Oil-in-Water
di Claudia S. Copeland, Ph. D.
Olio e acqua non si mescolano — a meno che non abbiano aiuto, cioè. Questo aiuto è un insieme sempre più sofisticato di opzioni per l’emulsione olio-in-acqua guidato dal campo delle nanotecnologie. Al giorno d’oggi, è possibile creare bevande oil-in-water e altri prodotti che forniscono la massima biodisponibilità in un’emulsione otticamente chiara e stabile dal punto di vista ambientale. Prima di capire come questo può essere fatto, però, dobbiamo prima capire la natura delle sostanze polari e non polari e perché non si mescolano naturalmente.
Carica, polarità e solubilità
Le parole “polare” e “non polare” si riferiscono alla natura di tutte le sostanze come completamente o parzialmente cariche (ad esempio acqua) o prive di carica (ad esempio olio). Quando si tratta di sostanze chimiche, gli opposti si attraggono: le sostanze con una carica positiva sono attratte da sostanze con una carica negativa. La carica complessiva dell’acqua pura (H2O) è zero — tutti gli elettroni caricati negativamente sono bilanciati da protoni caricati positivamente — ma ciò smentisce la vera natura dinamica dell’acqua. In realtà, l’estremità di ossigeno della molecola H2O ha una carica negativa parziale a causa degli elettroni che trascorrono più del loro tempo in orbita attorno ad essa. Questo lascia gli atomi di idrogeno relativamente privo di elettroni, dando loro una carica positiva parziale. Questa polarità delle molecole di H2O li fa” aderire ” insieme, con l’ossigeno caricato negativamente di una molecola d’acqua che viene attratta dall’estremità di idrogeno caricata positivamente di un’altra molecola d’acqua.
Ora, se aggiungi un’altra sostanza carica o polare all’acqua, come il sale da cucina, quella sostanza si dissolverà facilmente. Questo perché gli ioni sodio caricati positivamente (Na+) del sale da cucina (NaCl) saranno attratti dalla carica negativa parziale dell’estremità dell’ossigeno della molecola d’acqua, mentre gli ioni cloruro caricati negativamente (Cl–) saranno attratti dalle estremità di idrogeno parzialmente positive. Entrambe le sostanze completamente cariche e parzialmente cariche si dissolvono facilmente in acqua a causa dell’attrazione di cariche opposte.
Sostanze non polari
Olio e composti liposolubili-a differenza di acqua, sali e acidi — non hanno alcun costo. Questi composti sono tradizionalmente chiamati idrofobi-temendo l’acqua-ma non è che temono le molecole d’acqua o che le molecole d’acqua vengono respinte da loro. È solo che le molecole d’acqua non si preoccupano di loro — sono indifferenti — e allo stesso tempo, le molecole d’acqua sono altamente attratte l’una dall’altra e da altre molecole polari. Ciò che accade di conseguenza è che i composti non polari si isolano – dapprima in bolle e infine in uno strato separato. Come condimento per l’insalata di olio e aceto, puoi scuotere composti polari e non polari e farli mescolare, ma alla fine si separeranno di nuovo, formando diversi strati.
La ricerca della stabilità dell’olio in acqua
Fin dall’antichità, l’umanità ha cercato di ottenere sostanze non polari da sciogliere in soluzioni a base acquosa, un processo noto come emulsificazione. Il tuorlo d’uovo, che contiene un’elevata quantità di fosfatidilcolina, o lecitina, è tra i più antichi emulsionanti. (A quei tempi, gli utenti – dai cuochi ai medici-non capivano il concetto di emulsificazione, ma sapevano che i tuorli d’uovo aiutavano le sostanze liposolubili a dissolversi in acqua.) Questa ricerca va ben al di là di rendere stabile condimento italiano e pastella torta. Sfide molto più importanti, come l’assorbimento di farmaci dall’ambiente intestinale umano polare, richiedono lo sviluppo di modi per consentire all’olio di mescolarsi con l’acqua. I farmacisti sono stati a lungo interessati a questo processo, come evidenziato da questa sezione del libro del 1911, su “cose che tutti i farmacisti dovrebbero sapere sull’emulsificazione degli oli.”
Quindi, cos’è un emulsionante? Molto semplicemente, un emulsionante (noto anche come tensioattivo) è un composto che può “attaccarsi” a sostanze polari e non polari, consentendo alle sostanze liposolubili di dissolversi in acqua. Gli emulsionanti si trovano in tutta la natura e, sempre più, in sofisticate tecnologie di scienza alimentare all’avanguardia.
Emulsionante il modo in cui la natura lo fa
Anche se il nome più breve lecitina deriva dalla parola greca per tuorlo d’uovo, fosfatidilcolina è in realtà in tutte le cellule viventi, non solo uova di gallina. La sua struttura consiste di una spina dorsale caricata negativamente del fosfato da cui gli acidi grassi a catena lunga sono sospesi-in altre parole, un’estremità polare legata alle estremità lunghe e non polari. Fosfatidilcolina e altri tipi di fosfolipidi formano la matrice delle membrane che racchiudono tutte le cellule-il doppio strato fosfolipidico.
Gli emulsionanti tradizionali, come la lecitina, possono aiutare la miscela di olio e acqua. Tuttavia, al fine di portare un’emulsione olio-in-acqua al livello successivo — per produrre un’emulsione olio-in-acqua altamente stabile senza gusto aggiunto o alterato o aspetto avverso e con il più alto livello di biodisponibilità — dobbiamo costruire strutture macromolecolari per conferire in modo efficiente le proprietà che cerchiamo. L’approccio tecnologico di lavorare con molecole di queste dimensioni è chiamato nanotecnologia. Due tipi di emulsioni utili che possono essere create attraverso la nanotecnologia sono microemulsioni e nanoemulsioni.
Microemulsioni
Le microemulsioni olio in acqua consistono in sospensioni di minuscole goccioline con strutture abbastanza simili a quelle che racchiudono le cellule viventi. Tra i più importanti di questi ci sono le micelle. Le micelle, come le membrane cellulari, sono fatte di fosfolipidi. Invece di essere disposti in doppi strati piatti, però, i fosfolipidi delle micelle sono disposti in strutture sferiche, con le loro “teste” polari rivolte verso l’esterno (in una soluzione acquosa) e le loro “code” non polari rivolte verso l’interno. Le micelle sono come piccole bolle che si diffondono nell’acqua in una miscela uniforme chiamata colloide. (Un esempio naturale di un colloide è il latte. È opaco, ma i grassi e i nutrienti lipofili nel latte sono uniformemente dispersi nella base acquosa del latte e non si separano nel tempo.) Quando le sostanze liposolubili sono collocate all’interno di micelle, è come se fossero collocate in comodi carrelli polari che si disperdono uniformemente in acqua, con i loro passeggeri oleosi stabilmente nascosti al loro interno.
I nanotecnologi usano una varietà di vettori che funzionano in modo simile — incapsulando un composto non polare di interesse (come un farmaco o un alimento nutraceutico) per facilitare la solubilità, la stabilità del composto in condizioni ambientali avverse e l’assorbimento del composto dal tratto GASTROINTESTINALE nel corpo. Questi vettori includono biopolimeri, liposomi, nanoparticelle di lipidi solidi e nanofibre, per citarne alcuni.
Come fare una nanoemulsione
Sia le microemulsioni che le nanoemulsioni sono costituite da particelle di dimensioni inferiori a 100 nanometri e migliorano caratteristiche chiave come la stabilità a lungo termine, la chiarezza ottica e la biodisponibilità. Le nanoemulsioni contengono particelle di dimensioni diverse, mentre le particelle nelle microemulsioni saranno uniformi. La differenza tra nanoemulsioni e microemulsioni, tuttavia, non è tanto una delle dimensioni quanto delle loro caratteristiche funzionali e di come sono fatte. Mentre entrambi i tipi di emulsione richiedono ingredienti simili-olio, acqua e uno o più tensioattivi — le microemulsioni, che sono termodinamicamente stabili, si autoassembleranno spontaneamente. Al contrario, le nanoemulsioni sono realizzate utilizzando processi tecnologici come la tosatura meccanica o la sonicazione per creare goccioline con lunghezze d’onda più corte delle lunghezze d’onda della luce visibile (e quindi viste dagli occhi umani come chiare). La creazione di queste minuscole particelle richiede l’input di energia tramite tecnologia come ultrasuoni, omogeneizzatori di valvole ad alta pressione o microfluidizzatori. Quindi, poiché non sono termodinamicamente stabili quando vengono creati per la prima volta, è necessario aggiungere uno stabilizzatore. Sfortunatamente, questo processo non è semplice ed è complicato da altre considerazioni come controllare il tasso di degradazione del principio attivo, cercare la stabilità della temperatura e del pH e affrontare l’amarezza travolgente che accompagna le nanoemulsioni cariche di principi attivi come CBD o THC.
Prodotti pronti per l’uso in emulsione olio in acqua
Il campo delle nanotecnologie è una delle vaste possibilità e i metodi per raggiungere la stabilità olio in acqua possono essere vertiginosi in numero e complessità. Se sei una piccola azienda che cerca di massimizzare la stabilità delle sostanze lipofile in una base acquosa, la ricerca in soluzioni nanotecnologiche è molto probabilmente proibitivamente costosa. Fortunatamente, Axiomm ha fatto la maggior parte della ricerca per te. Con prodotti come µGOO, µSHOT e µMIX, puoi iniziare con vettori pre-sviluppati progettati per creare nanoemulsioni olio-in-acqua stabili infuse con il tuo prodotto. Basta aggiungere i componenti del prodotto unici e seguire le istruzioni. Sei libero di concentrarti su problemi come gusto, colore e consistenza, mentre Axiomm prende il sopravvento sul lavoro tecnico della nanoemulsione. Il risultato? Un modo semplice per sviluppare la versione migliore del tuo prodotto unico per i tuoi clienti.