平成17年度〔2005〕No.50
宮崎県工業技術センター・宮崎県食品開発センター研究報告

膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性*
清水正高*1・中島忠夫*2

Preparation and its stability of monodispersed W/O/W emulsion by membrane emulsification
Masataka SHIMIZU and Tadao NAKASHIMA
膜乳化法を用いることにより，均一なW/O滴で構成される単分散W/O/Wエマルションの生成に成功した。
また，W/O滴径と膜孔径の一義的な比例関係からW/O滴径のコントロールが可能であることを明らかにした。
膜乳化には，分散相であるW/Oエマルション中の内水相滴が油相に十分分散し，内水相滴径が膜孔径より小さなことが必須要件であった。その結果，本報の実験条件で調製された単分散W/O/Wエマルションは，内水相滴とW/O滴のいずれにおいても１ヶ月以上の長期安定性を示した。さらに，W/O滴の破壊率を示すトレーサーにはカルシウムEDTAのような陰イオンが適しており，陽イオンは不適であることも明らかになった。
キーワード：膜乳化，多孔質ガラス，W/O/Wエマルション，滴径コントロール，界面活性剤
１することにより，その安定性に及ぼす因子も明らはじめに現在，多種多様な乳化製品が存在するが，そのかになると期待された。安定性は，W/O滴の合ほとんどはO/W型やW/O型のシングルエマルシ

一速度とW/O滴が壊れて内水相が外水相に放出ョンである。一方，W/O/W型などの多相エマルされる割合から議論した。

ションも存在することが知られており，例えば，

本報では，最初に膜乳化によって単分散W/O/W

液体マイクロカプセル，乳化液膜あるいは固体マエマルションが調製できることを確かめ，分散素があ子である多孔質ガラス膜10) の膜孔径とW/O滴径のる。これらは内水相滴を包含した油滴，すなわち，関係を明らかにし，滴径制御の可能性について言W/O滴が外水相に分散したエマルションであり，及した。また，内水相滴の分散状態が膜乳化成立二段階乳化などによって比較的容易に調製するこに及ぼす影響を明らかにした。一方，内水相滴にとができる。しかし実際には，滴径の制御が難し溶解している封入物質の漏洩は，必ずしも破壊にいなど解決すべき課題も少なくない。

よる放出ばかりでなく，油相透過によっても起こイクロカプセル中間体など多くの報告例

そこで筆者らは，膜乳化法

4, 5)1−3)を用いて単分散ることが明らかになってきたため，トレーサーとW/O/Wエマルションの調製を試みた6,7)。同法になる封入物質の選定も検討した。最後に，得られ関してはすでに単分散W/O 8) およびO/Wエマ

たW/O/WエマルションのW/O滴径と内水相破壊

9)

ルション の生成条件について報告しており，こ率の経時変化を追跡して長期安定性を評価した。

れらの条件を組み合わせることにより単分散

ところで，W/O/Wエマルションの安定性に関W/O/Wエマルションも調製できると予想された。

しては，内水相と外水相の浸透圧差に議論が進む

また，滴径が明確なW/O/Wエマルションを追跡ことが多い。浸透圧の影響は別報に譲り，本研究の実験はすべて等張下の条件で行った。

＊本報は，膜（MEMBRANE）31巻1号p.51〜56（2006）に掲載済み。
＊1 材料開発部＊2 宮崎県機械技術センター

２２−１

方法
W/Oエマルションの組成と調製方法

高 速 攪 拌 式 ホ モ ミ キ サ ー（ Hansen 社 製 ，13膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性

TP18/10S2）を用い，所定量の油相に対して内水Table 1 Main composition of emulsion

相を滴下しながら24,000rpm，3minの条件でW/Oエマルションを調製した。その組成をTable 1に示す。内水相がW/Oエマルションの分散水相に相当す,,る。内 水 相 にはEthylenediamin-N, N, N , N tetraacetic acid calcium disodium salt dihydrate；
Na 2 [Ca-EDTA]（㈱同仁化学研究所），Ethylenedi, ,amin-N, N, N , N -tetraacetic acid tetrasodium salttetrahydrate；Na4-EDTA (㈱同仁化学研究所) お
よび KCl (和光純薬工業㈱，特級) を溶解したGroup
Ⅰ，および KCl，CaCl 2（和光純薬工業㈱，特級）および FeCl3（和光純薬工業㈱，特級）を溶解したGroupⅡを用意した。油相には油性界面活性剤としてテトラグリセリン縮合リシノレイン酸エステ
ルTGCR（阪本薬品工業㈱，CR-310）あるいはショ糖エルカ酸エステル（三菱化学フーズ㈱，ER290）を添加した精製大豆油（和光純薬工業㈱）を用いた。なお，これら界面活性剤は単一成分でないため，濃度をwt%で表記し，それぞれの成分濃度は溶解している相に対する含有割合とした。
２−２

W/O/Wエマルションの組成と膜乳化による調製方法

膜乳化法によるW/O/Wエマルションの調製は，303KにおいてW/O滴の体積割合が10vol%になるまで継続した。実験に用いた膜乳化装置をFig.1に示す。ここでは多孔質ガラス膜（a）の内側から外側へ向かって分散相が透過する内圧式モジュールを使用した。回転子（b）によって膜面に外水相（c）の流れを起こし，回転数を60〜360rpmの範囲で制御することによりW/O滴（d）が膜面から離脱するのを促した。本実験では，まず分散相容器（e）に入れたW/Oエマルション（f）を窒素ガス（g）などで加圧して膜透過させた。やがてW/O滴の生成が始まり，所定時間ごとに所定量のエマルションを採取した。また，W/O滴より大きな孔径を有し，片端を溶着した多孔質ガラス膜（h）を浸せきしてW/O滴をろ過した外水相（ i ）もあわせて採取した。
多孔質ガラス膜は内径が約9mm，厚さが約Fig.1 Schematic illustration of the experimental
apparatus and the module of inner pressure type for the membrane emulsification(a) Porous glass membrane for the membrane emulsification, (b) Spin bar, (c) Outeraqueous phase, (d) W/O droplet, (e) Dispersion
vessel, ( f ) W/O emulsion, (g) Pressure source,(h) Porous glass membrane for sampling theouter aqueous phase, ( i ) Outer aqueous
phase without W/O droplets, ( j ) Pressuregauge, (k) Constant temperature water,( l ) Magnetic stirrer.
ンソルビタンモノラウレートTween20（和光純0.5mm，有効長さ15mmのチューブラーであり，薬工業㈱）を添加したNaCl水溶液である。

1.36〜19.9μmの範囲から膜孔径Dmが異なる７２−３

内水相の破壊率測定

種類を選んで実験に供した。外水相はTable1に

トレーサーの濃度は原子吸光光度計（㈱島津製作示すように水溶性界面活性剤のポリオキシエチレ所製，AA-660）により測定した。例えば，W/O/W

14

[Ca-EDTA] の量Wt，W/O滴を除いた外水相のCa濃度から漏えいした量Woを測定し，W/O滴からトレーサーがどれだけ放出されたかを表す漏えい率α100.7m]

2-90.6mDw/o [エマルションのCa濃度から内水相に封入されるべき80.570.461000.32をα＝Wo／Wt×100として算出した。
「漏えい」にはW/O滴の破壊による放出と油相透過の両現象がP = 30 kPa2-含まれるが，後述するように[Ca-EDTA] の漏えい]

60K1[滴径分布はレーザー回折/散乱式粒度分布計（㈱40島津製作所製，SALD-2000）のフローセルを用い0.520[Ca-EDTA]2-て測定した。ただし，W/Oエマルションの水滴径分布を測定する場合には，水滴が比較的安定する灯油

0000.51を分散媒に使用した。W/O/Wエマルションの場合には浸透圧によるW/O滴径の変化を防止するた

めに，内水相と同じ浸透圧1.3MPaのNaCl水溶液を分散媒に用いた。平均水滴径mD wと平均W/O滴径

D w/oはいずれもメディアン径で表し，それらの単分m

浸透圧には文献値 12) あるいは浸透圧計（Her-油相のみを抽出分離した。これを再度乾燥してnヘキサンを除去した後の重量から油相量を算出した。界面張力は滴容法により303 Kで測定した。
３結３−１

果W/O滴の生成と破壊率の変化

α よる測定値を用いた。W/O/Wエマルションの油n-ヘキサン（和光純薬工業㈱製，特級）を加えて

 mann Roebling Messtechnik社製，13DR）にエマルションを100℃で乾燥して水分を除去し，

22.5

3Fig.2 Variation of mean W/O droplets size, permeation flux of the dispersion phase ofW/O emulsion, leakage ratios of K+ and[Ca-EDTA] 2- during preparing W/O/W
emulsion by the membrane emulsification

浸透圧，油相量および界面張力の測定

相量は乾燥重量から求めた。すなわち，所定量の1.5t [h]

散性は粒子径分散係数δ8) により評価した。
２−５Vw/o [ 10-2 m3 m-2]

1.5

滴径分布の測定と単分散性評価11)

0 kPa80率α[Ca-EDTA]2- のみが破壊率を意味する。
２−４[ ]

膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性Δα αα   

Fig.3 Variation of leakage ratios of K+, Ca2+ andFe3+ during preparing W/O/W emulsion by
the membrane emulsification

W/O/Wエマルションには油相と外水相の両相にンの多分散化につながらないと予想された。また，界面活性剤が添加されているため界面張力が非常に内圧式であるためW/O滴生成の様子を観察するこ-1

低く，Table 1の組成では3〜5 mN･m であった。ともできた。一方，本研究では内水相滴径D wに対

これはせん断力によってW/O/W構造の破壊や液滴して膜孔径Dmを３倍以上に設定し，できるだけ内の再分裂が起こりやすいことを示唆している。そこ水相滴が膜細孔を閉塞しない条件で実験を行った。

で本実験では，せん断力を小さく保ちながらW/O滴

平均内水相滴径 mD w = 0.65μmのGroupⅠ- W/Oのクリーミングや膜面堆積を抑制できるFig. 1の実験

エマルションを分散相にし，油性界面活性剤にTGCR装置を採用した。膜乳化法により生成した液滴の大を使用してD m = 2.80μmの多孔質ガラス膜による膜きさは，外水相の膜面せん断速度にほとんど影響さ乳化実験を行った。圧力ΔP = 30 kPaで1.3時間膜9)れない ことから，回転子撹拌であってもエマルショ乳化を行い，その後加圧を止めてW/O/Wエマルシ
15膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性

ョンの撹拌を続ける実験を行った。そこ
でのW/O分散相の膜透過量Vw/o（記号○），K＋ と[Ca-EDTA] 2- の漏えい率αK＋（▲) とα[Ca-EDTA]2- (●），平均W/O滴径

D w/o (□) および粒子径分散係数δ (■)

mの経時変化をFig. 2に示す。mD w/oおよびδはほぼ一定であり，膜乳化によって生成したW/O滴が破壊あるいは合一していないと考えられた。また，光学顕微鏡観察でもW/O滴に変化は見られなかった。
しかし，EDTAでマスキングされた[CaEDTA] 2- の漏えい率α[Ca-EDTA] 2- は１％以(a)下であり，一方，αK＋ は３時間後に98％以上の値を示し，両者は全く異なる傾向を示した。W/O滴に変化が見られなかった上記観察の結果，陽イオンは油相を(b)Fig.4 Photomicrographs of W/O/W emulsion prepared by themembrane emulsifications with (a) D m = 2.80μm and (b)11.36μm.
Scale bar indicate 20μm.

透過するが陰イオンは透過しないことを示した筆者らの報告11) および膜乳化を停止した1.3
時間以降もαK＋ が上昇しているFig. 2の結果から，K＋は油相を透過して内外相から外水相へ移動し，[CaEDTA] 2- は内水相滴内にとどまっていると考えることができる。すなわち，α[Ca-EDTA] 2- のみが破壊率を表していると推測された。
陽イオンの油相透過を確認するため，KCl，CaCl2 およびFeCl3 を溶解したGroupⅡ-W/Oエマルションを分散相にFig. 2と同様の膜乳化実験を行0.1

った。その結果をFig. 3に示す。漏えい速度は
αK＋ (△) ＞ αCa2+ (■) ＞ αFe3+ (○) の順に大きかった。仮に破壊によって内水相が放出された場
合，外水相に存在するK+，Ca2+ およびFe3+ の濃度比は経時的に変化しないはずであるが，実際には漏えい速度が陽イオンの価数に依存した。また，10時間後のW/O/Wエマルションを光学顕微鏡で観察したが，初期のそれとほとんど同じであった。
以上のことから，陽イオンは油相を透過する性質

110

Droplet size [1001000m]

Fig.5 Typical distributions of inner aqueous
droplet size and W/O droplet size in
W/O/W emulsions prepared by the membrane emulsification
Solid lines are distributions measured
shortly after preparation and dotted line isa distribution after three months.
３−２W/O/Wエマルションの単分散性と膜孔径によるW/O滴径制御があり，破壊率のトレーサーには不適であることが油性界面活性剤にTGCRを使用してD m = 2.80

再確認できた。一方，こうした現象は陽イオンの油μmと11.36μmの多孔質ガラス膜により調製し相透過メカニズムに深く関わっており，またW/O/W

た単分散W/O/Wエマルションの光学顕微鏡写真

エマルションの安定性や応用展開にも結びつく重要をFig. 4 (a)と(b)に示す。内水相滴が光を散乱すな研究課題でもある。しかし，油相透過メカニズるため，W/O滴が大きいほど内部が黒く見える。

ムの探求は本報の主旨と異なる大きなテーマであまた，mD w = 0.65μmの内水相滴径分布，D m =るため，詳細な議論は別な機会に譲ることにする。

2.80，5.52，8.82および11.36μmの多孔質ガラ

16

膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性

ス膜で得られたW/O/WエマルションのW/O滴径分布をFig. 5に示す。両図からW/O滴径が膜孔径に対応し，かつよく揃っていることが明白である。
すなわち，膜乳化法により単分散W/O/Wエマルションを調製できることが実証できた。
膜孔径 D mが異なる７種類の親水性多孔質ガラス膜を使用して，単分散W/O/Wエマルションを調製した。それらの平均W/O滴径mD w/oおよび粒子径分散係数δと D mの関係をFig. 6に示す。δ
が0.5以下であり単分散であると判断された
W/O/WエマルションのmD w/oとD mの間には，次式の比例関係が成立した。

D w/o = (2.9 ± 0.1) D m(1)m

この関係式は，膜乳化で調製したO/WおよびW/Oエマルションのいずれにおいても同様に成立8,9) した。すなわち，エマルションの形態にかかわらず，膜孔径によって一義的に分散相滴の滴径が決定されるという膜乳化の特徴が再確認された。
３−３

Fig.6 Relationship between pore size of membrane, Dm and mean W/O droplet size,
mD w/o and particle size dispersion coefficient,δ

膜乳化に及ぼす内水相滴分散性の影響

膜乳化によるW/O/Wエマルション生成では，分散相であるW/Oエマルションの内水相滴が膜細孔の中をスムーズに透過する必要がある。本報では，油性界面活性剤として内水相滴の安定性を確保でき，かつ分散性にも優れているTGCRを主に使用してきた。これを用いて調製したW/Oエマルションの光学顕微鏡写真と膜乳化の概念図をFig. 7
上図に示す。mD w = 0.65μmであるため内水相滴が液滴として確認できず，ブラウン運動によるゆらぎのみが観察された。トレーサー物質と油相の量比が膜乳化前後でほとんど変わらなかったことから，内水相滴はろ過されずに全Fig.7 Effect of oily surfactants on aggregation of aqueous
droplets in W/O emulsion and behavior of permeation
through the membrane
Scale bar indicates 10μm.て膜細孔を透過したと考えられる。
一方，油性界面活性剤にER-290を使用した場

Fig. 5に分散相であるW/Oエマルションの調製合をFig. 7下図に示す。ER-290の強い凝集力の直後と３ヶ月間冷蔵静置した後の内水相滴径分布ため，0.8〜0.9μmの内水相滴は膜孔径より大きを比較して示した。両分布はほぼ同一であり, エな凝集体を形成してしまい，実際にはほとんど膜マルションは非常に安定であった。すなわち，を透過できなかった。

W/O/WエマルションのW/O滴内でも内水相滴ど３−４

うしの合一および内水相滴と外水相の合体が起こ

単分散W/O/Wエマルションの安定性17

膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性りにくいと推測される。
Fig. 6のW/O/Wエマルションをガラス容器に採取し，回転培養器（アズワン㈱製，MTR-103）に乗せ，5rpmで回転させながら277〜278 Kの冷蔵温度で250時間保持した。mD w/oとαの長期変化を調べた結果をFig.8に示す。αK＋ は調製後ただちに100 %に達したが，破壊の指標となるα[Ca-EDTA]2は，mD w/o が8.7μmと16.1μmの場合，ほとんど０%を維持したままであった。mD w/o = 3.5μm（D m= 1.36μm）のW/O/WエマルションではD mとD wが接近するため，膜乳化の時点でα[Ca-EDTA]2- = 12%程度の破壊が起こったものの，その後破壊は進行しなかった。また，mD w/oにもほとんど変化が見られなかった。以上のことから，安定性に乏しいと言われているW/O/Wエマルションであっても，本実験の条件では十分な安定性を確保できることが明らかになった。
４

まとめW/O滴のトレーサー物質を選定し，これを封入した単分散W/O/Wエマルションの調製を膜乳化法に基づいて行った。また，W/O滴径制御の可能性および生成したW/O滴の安定性などを調べた。その結果，次のことが明らかになった。
1)

W/O滴の破壊率を測定するうえで必要なトレーサーには，破壊が起こらない限り内水相滴Fig.8 Variation of mean W/O droplet size, mD w/oand leakage ratios of K+ and [Ca-EDTA] 2−forlong period after preparing W/O/W emulsion
White keys are leakage ratios of K+ and black
keys are leakage ratios of [Ca-EDTA] 2−on theupper figure.
Initial conditions of membrane emulsifications, that is, pore size of membrane and permeation pressure of dispersion phase are following respectively.
◇: D m = 11.36μm, ΔP = 3 kPa. △: 8.82μm, 5kPa. ○:5.22μm, 10 kPa. ▲: 3.80μm, 13 kPa.
□: 2.80μm, 23 kPa. ◆: 1.36μm, 80 kPa.

内にとどまる[Ca-EDTA]2- が適していた。K+，Ca

2+およびFe3+

一方，TGCRは内水相滴の分散に優れ，膜乳化が容易であった。などは油相を透過して内水相から外水相へ移動するため，トレーサーには不4)

本実験条件で調製した単分散W/O/Wエマルションは，内水相滴およびW/O滴のいずれも１適であった。
2)膜孔径より小さな内水相滴径を有するW/Oヶ月以上の長期安定性を示した。平均W/O滴径エマルションを分散相にして膜乳化を行うこと

8.7μmと16.1μmのW/O/Wエマルションは破により，分散W/O/Wエマルションが調製でき壊率がほとんど０%であり，3.5μmのW/O/Wた。また，O/WやW/Oエマルションと同様に，エマルションは調製時点で12 %程度の破壊が起

平均W/O滴径 mD w/oと膜孔径 D mの間に次の比こったものの，その後の破壊は進まなかった。

例関係が成立した。

D w/o = (2.9 ± 0.1) D m

５

参考文献

W/Oエマルションにおける内水相滴の分散性

1)

松本幸雄：表面，24，381-391（1986）

は膜乳化成否の鍵を握る。例えば，油性界面活2)

Goto M.，K. Kondo and F. Nakashio：J.

m3)

Chem. Eng. Japan，22，71-78（1989）

性剤ER-290には内水相滴を凝集する性質があり，このため内水相滴は多孔質ガラス膜を透過できずW/O/Wエマルションが生成しなかった。
183)

中塩文行，後藤雅宏：石油学会誌，33，267279（1990）

膜乳化による単分散W/O/Wエマルションの生成およびその安定性

4)中島忠夫，清水正高：特許第2106958号（1996）
5)

αCa2+：leakage ratio of Ca

中島忠夫，清水正高，久木崎雅人：特許第2733729号（1998）6)

α：leakage ratio of solute = Wo／Wt×100
α[Ca-EDTA]2-：leakage ratio of [Ca-EDTA]
αFe3+：leakage ratio of Fe

清水正高，中島忠夫，久木崎雅人：化学工学

2+

αK＋：leakage ratio of K[%]
2-3++

会第26回秋季大会講演要旨集，N219（1993）

δ：particle size dispersion coefficient =清水正高，中島忠夫，久木崎雅人：化学工学｜10D w/o−90D w/o｜/50D w/o7)

[%]
[%]
[%]
[%]
[−]

会第26回秋季大会講演要旨集，N220（1993）

π i = osmotic pressure of inner aqueous phase [MPa]清水正高，中島忠夫，久木崎雅人：化学工学

πo = osmotic pressure of outer aqueous phase [MPa]8)

論文集，28，310-316（2002）
9)

中島忠夫，清水正高：化学工学論文集，19，984-990（1993）

10) 中島忠夫，清水正高：セラミックス，21，408-412（1986）
11) 清水正高，中島忠夫，久木崎雅人：化学工学
論文集，28，304-309（2002）
12)「化学便覧 基礎Ⅱ」
，日本化学会編，p.1202，
丸善（1980）記号

D m：pore size of porous glass membrane [μm]D w：droplet size of inner aqueous phase in W/Oemulsion[μm]

D w：mean droplet size of inner aqueous phase inm

W/O emulsion[μm]

D w/o：size of W/O droplet in W/O/W emulsion[μm]

D w/o：mean size of W/O droplet in W/O/W emul-msion

[μm]

10

D w/o：size of W/O droplet at 10％ of cumulative
volume[μm]50

D w/o：size of W/O droplet at 50％ of cumulative
volume[μm]90

D w/o：size of W/O droplet at 90％ of cumulative
volume[μm]△P：permeation pressure[kPa]

Vw/o：volume per unit cross section area of per[m3･m-2]

meated W/O emulsion

Wo：amount of [Ca-EDTA] 2- in outer aqueous phase[mol]
2-W t：total amount of [Ca-EDTA] in W/O/W emulsion[mol]
19