ナノ乳化におけるトップダウンプロセスとボトムアッププロセスの比較
国立研究開発法人 海洋研究開発機構 海洋生命理工学研究開発センター

出口茂、木 下圭剛

Dodecane-in-water nanoemulsions were prepared by a conventional top-down process and a bottom-up MAGIQ in thepresence of four different types of nonionic surfactants. A good correlation was found between the final droplet size anddynamic surface tension, suggesting that adsorption dynamics of surfactants to oil/water interfaces is critical in determining
droplet size in MAGIQ.

１．緒

例えば水と 2, 6 - ルチジンの混合物は 34.1 ℃に下限臨界

言

溶解温度（LCST）を有し、LCST 以下の温度では均一混合、本来、互いに混ざり合わない水と油を乳化物として混合LCST 以上の温度では二相分離する。水／ルチジンの均一し取り扱う技術は、化粧品開発・製造のみならず、食品、溶液を LCST 以上に加熱すると、相分離によってルチジンインク、医薬品、化学工学など広範な産業分野で利用され（組成によっては水）の液滴が生成するが、その際に乳化剤ている大変重要な基盤技術である。最近では油滴サイズをを添加しておくと、エマルションが生成されることが報告

20 ～ 200 nm 程度にまで超微細したナノエマルションがされている 1）。しかしながら同様の温度に依存した相挙動注目を集めている。油滴サイズのナノ化に伴って、通常のを示す系は極めて限られており、例えば水と炭化水素の混エマルションには見られない様々な新特性が現れるためで合物など、一般的に乳化の対象とされる実験系には適用である。例えば通常のエマルションは牛乳のように白濁してきない。

いるのに対し、ナノエマルションは透明あるいは半透明で筆者の所属する国立研究開発法人海洋研究開発機構は、ある。また油滴サイズの小ささを活かして、肌への浸透性有人調査潜水船「しんかい 6500」（図 2）に代表される深海を高めた機能性化粧品、ドラッグデリバリーシステムでの調査ファシリティーを運用して、主として海底資源、気薬物キャリア、ナノ材料合成のためのリアクターなど、エ候、地震、ならびに生物に関する研究を行っている。地球マルションの新たな用途も生まれようとしている。

上の水の 97% は、地球表面の約 70 ％を占める海洋に存在

通常の乳化は「トップダウン」プロセスであり、水／油／乳化剤の混合物に、撹拌や超音波照射などによって外部からエネルギーを加え、粗大油滴を繰り返し引きちぎって微小油滴を生成する（図 1 ）。この際、外部から加えたエネルギーが油滴内部と外部の圧力差（ラプラス圧と呼ばれる）に勝ったときに油滴の微細化が進行する。ところが、ラプラス圧は油滴サイズに反比例するため、サイズの低下とともに油滴の更なる微細化は困難となっていく。一方、ナノサイズの固体粒子（ナノ粒子）の製造では、粒子を構成する原子あるいは分子の自己組織化を利用してボトムアップで合成するのが一般的である。ナノサイズの液滴の調製でも、当然

図1

トップダウン（上）とボトムアップ（下）による微細油滴の生成ボトムアップの方が好ましいと考えられる。しかしながら、そのためには本来混ざり合わない水と油が分子レベルで混合した均一溶液が必要となるというジレンマがある（図１）。
*
Comparison of Top-down and Bottomup Process for Preparing Nanoemulsions
Shigeru Deguchi *, Keigo Kinoshita
R&D Center for Marine Biosciences,
Japan Agency for Marine-Earth Scienceand Technology− 32 −

図2

有人調査潜水船「しんかい 6500」

ナノ乳化におけるトップダウンプロセスとボトムアッププロセスの比較する。海洋の全球平均深度は 3,800 メートルであり、その物質の極性の指標となる比誘電率を例にとると、常温・常内水深 200 メートル以深が深海と呼ばれる。水深 10 メー

圧での水の比誘電率は 80 前後と液体としては極めて高い

トルごとに水圧は 0.1 MPa（1 気圧が 0.1 MPa に相当）ずつ値を示すが、超臨界状態では 2 と炭化水素と同じ値にまで上昇するため、世界最深部（マリアナ海溝、チャレンジャ減少する 4）。そのため超臨界状態の水は様々な油を分子レー海淵、水深約 11,000 メートル）での水圧は約 110 MPa にベルで溶解することができる 5）。MAGIQ（Monodisperse

達する。また太陽光は水深 200 メートルまでしか届かない

nAnodroplet Generation In Quenched hydrothermal

ため、深海は常に暗黒の世界で、水温も 2− 4 ℃に保たれsolution）と呼ばれる我々が確立した乳化手法は、油と超臨ている。ところが深海には例外的に超高温環境も存在する。

界水の均一溶液を調製した後、室温まで 200 ℃／秒を超え

熱水噴出孔と呼ばれる、深海底から湧き出す温泉である（図る速度で冷却して急激に相分離を誘起することによって、3）。地上と比べて深海底は熱源である地下のマグマ溜り油分子を自己集合させて微細油滴を生成する（図 4）。独自に近いため、熱水噴出孔から吹き出す水の温度は極めて高に開発した流通型の装置を用いて１体積パーセントのドデい。2008 年に大西洋中央海嶺で発見された熱水噴出孔では、カンを水に乳化した実験では、10 秒以内という極めて短臨界点（臨界温度：374 ℃、臨界圧力：22.1 MPa）を超えた

い時間で平均直径 61 nm のサイズの揃った油滴を分散した

2）ナノエマルションを生成できた 3）。また超高温での加熱時超臨界状態の水が噴出している 。
我々は高温・高圧の極限である超臨界水の性質に着目し、従来法とは根本的に異なる原理に基づく「ボトムアッ間を数秒に抑えたことで、ドデカンの熱分解も 1 % 以下に抑えられていた 3）。

プ」のナノ乳化手法を確立した 3）。超臨界水は我々が良く

本申請課題では、同一組成の試料を用いて高圧乳化と知る常温・常圧の水とは著しく異なる特性を示す。例えばMAGIQ の 2 つの異なる手法で乳化を行い、得られたエマルションの油滴サイズや分布を比較検討することで、ナノエマルション調製におけるトップダウン手法とボトムアップ手法との違いの明確化、さらにはボトムアップでのナノ油滴生成メカニズムを解明することを目的として研究を行った。

２．実験

ドデカン／水系をモデルとして、従来のトップダウン手法とボトムアップの MAGIQ の 2 つの異なる方法でエマルションを調製し、得られた油滴のサイズと分布を比較・検討した。乳化剤には Brij 97（polyoxyethylene（10）oleyl

図 3 南部マリアナトラフ・うらしま熱水 域（水深2935 メートル）で発見された熱水噴出孔。勢いよく噴き出す黒色の熱水の最高温度は 270℃ether）、Brij 9 8（polyoxyethylene（2 0）oleyl ether）、Tween 20（polyoxyethylene（20）sorbitan monolaurate）、
Tween 8 0（polyoxyethylene（2 0）sorbitan monooleate）の 4 種の非イオン性界面活性剤を用いた。
トップダウンの乳化には、予め撹拌機（Heidolph 社製RZR 2051、半月型撹拌翼を装着）を用い、500 rpm で 3 分間処理したプレエマルションを高圧ホモジナイザー（GEANiro Soavi 社製 Panda PLUS 2000）を用い、25 MPa の圧力条件で 20 パスの処理を行った。MAGIQ による乳化は、
図 5 に示す流通型の装置を用いて、25 MPa の一定圧力下で行った。予熱コイルによって加熱した水にドデカンを注入した後、404 〜 440 ℃に保たれた混合管の内部で約 4.5秒間加熱することによって均一溶液を得た。その後、乳化剤の冷水溶液と混合するとともに冷却コイルも併用して溶液を急冷し、相分離を誘起してナノ油滴を生成した。
油 滴 サ イ ズ の 測 定 は 動 的 光 散 乱 法（ 大 塚 電 子 ㈱ 製

図 4 MAGIQ のコンセプトを示す高温・高圧顕 微 鏡 像。250気圧でドデカン／水混合物を観察

FPAR-1000）を用いて 25 ℃で行った。また動的表面張力測定は、九州大学 瀧上研究室にて懸滴法を用いて行った。

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コスメトロジー研究報告 Vol.24, 2016

図5

MAGIQ によるナノエマルション調製のための流通型装置得られた結果を Filippov らの理論

図 6 高圧ホモジナイザーを用いて調製したナノエマルション中の油滴サイズ5）を用いて解析し、吸着の緩和時間を求めた。

３．結剤の種類に強く依存した（図 7）。乳化剤として Brij 97 と果Tween 80 を用いた場合には、得られた油滴の最小サイズ

3. 1. 高圧ホモジナイザーによるトップダウンのナノエマルション調製は、高圧ホモジナイザーを用いた場合よりも小さかった。

高圧ホモジナイザーを用いて、界面活性剤の濃度を様々ーで得られた最小の油滴直径は 100 nm であったのに対し、に変えながら 1 体積 % のドデカンを乳化した結果を図 6 に

MAGIQ では直径 61 nm の油滴が得られた。乳化剤として示す。

Brij 98 を用いた場合には、得られた油滴の最小サイズは例えば 5 mM の Brij97 を用いた場合、高圧ホモジナイザ

1 mM 以下の低濃度の界面活性剤濃度の添加時には、油調製方法によらず同じであった。一方、乳化剤に Tween

滴サイズは活性剤濃度の増加とともに急激に低下した。界20 を用いた場合には、MAGIQ で得られた油滴のサイズ

面活性剤濃度とともに水／ドデカン界面の界面張力が低下は高圧ホモジナイザーを使った時よりも大きかった。

しラプラス圧が減少した結果、油滴の微細化が促進されたものと考えられる。ところが界面活性剤濃度が 1 mM 以上

3. 3. 動的表面張力と油滴のサイズになると、得られた油滴のサイズは 120 nm 前後と一定のボトムアップの MAGIQ で得られた結果（図 7）を詳細に値となり、界面活性剤濃度にはあまり依存しなかった。ま検討したところ、油滴サイズと界面活性剤の Hydrophilic-た界面活性剤の種類は、いずれの界面活性剤濃度範囲におLipophilic Balance（HLB）との間に良好な相関を見出しいても生成する油滴のサイズに大きくは影響しなかった。

た（図 8）。より具体的には乳化剤に用いた界面活性剤の緒言にも述べたように、トップダウンの乳化で油滴の微HLB が小さいほど油滴サイズも小さくなることがわかっ細化を進めるためには、油滴内外の圧力差（ラプラス圧）にた。HLB は、乳化の際に適切な界面活性剤を選定する指打ち勝つだけのエネルギーを外部から投入する必要がある。

標として広く用いられている。疎水性の高い界面活性剤ほラプラス圧は油滴サイズに反比例するため、油滴サイズがど小さな HLB を有することから、乳化剤として用いた界小さくなるにつれて困難となる。図６の結果は、油滴サイ

面活性剤の疎水性が高いほど、小さな油滴が得られることズが 120 nm 前後にまで低下すると、高圧ホモジナイザーを定性的に示す結果である。

で投入されるエネルギーに対してラプラス圧が大きくなりしかしながら HLB の科学的な意味は明確ではない。そすぎ、それ以上の油滴の微細化が進行しないことを示して

こで MAGIQ における油滴生成メカニズムに関する知見をいる。換言すると、トップダウンでのナノエマルションの得るために、動的表面張力に着目した。動的表面張力は、生成では、投入するエネルギーの大きさが最終的な油滴サ界面活性剤溶液中で新しく形成された油／水界面に、界面イズを決定する一義的な要因となっていると解釈できる。

活性剤が吸着することによって起こる界面張力の低下を経時的に測定して得られるものであり、界面活性剤分子の濃3. 2. MAGIQ によるボトムアップのナノエマルション
調製度、拡散係数、疎水性／親水性のバランス、ミセル中での高圧ホモジナイザーを用いた場合とは全く異なり、の界面活性剤分子の吸着ダイナミクスを評価する指標とし

MAGIQ によって調製した油滴のサイズは用いた界面活性滞在時間など、様々な複合的要因を総合的に含めて界面へて利用できる。

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ナノ乳化におけるトップダウンプロセスとボトムアッププロセスの比較

図 7 異なる界面活性剤を使用してトップダウン（○）とボトムアップ（●）で調製したナノエマルション
中のドデカン油滴のサイズ

図 8 界面活性剤の HLB と MAGIQ で調製した油滴サイズとの相関

図 9 動的界面張力と MAGIQ で調製した油滴サイズとの相関実験に用いた界面活性剤の水／ドデカン界面での動的表

４．考

面張力測定を行い、吸着の緩和時間を求めた後、MAGIQ

察で得られた油滴のサイズと比較したところ、吸着の緩和時

トップダウンの乳化では、最終的に得られる油滴のサイ間が短いほど、すなわち水／ドデカン界面への吸着が速い

ズは、外部から加えるエネルギーと水／油の界面張力で決界面活性剤を用いたときほど、生成される油滴のサイズが定される。一方、油分子の自己組織化によってボトムアッ7）小さくなることがわかった（図 9） 。

プで油滴を生成する MAGIQ では、得られる油滴のサイズ− 35 −

コスメトロジー研究報告 Vol.24, 2016を決定する因子は大きく異なると予想される。またトッである。MAGIQ は、この他にも 1）乳化に要する時間が短

プダウンの乳化では、乳化剤には 1）水／油界面に吸着しい、2）流通型の装置を使用するためスケールアップが容易、て界面張力を低下させる、2）生成した油滴を安定化する、

3）乳化剤選択の幅が広いなどの特長も有する。その一方の２つの役割があるのに対し、MAGIQ での油滴生成は相で、MAGIQ による乳化機構、中でも最も重要な油滴生成分離によって進行するため、乳化剤の機能は油滴の安定化メカニズムに関する基礎的知見はほとんど得られていなかのみとなる。図 6 と図 7 の結果は、2 つの異なる乳化手法った。
今回の研究によって、油と水の均一溶液の相分離時によでの油滴生成メカニズムや乳化剤の役割の違いを反映したって 1 次油滴が生成した後、合一による油滴の成長と界面ものと考えられる。
MAGIQ によるボトムアップの油滴生成を説明する最も活性剤分子による油滴の安定化という２つのプロセスが同単純なメカニズムは、油／水均一溶液を急冷した際に「相時進行して、最終的に安定なナノ油滴が生成されるという分離によって微細油滴が生成され、その表面に界面活性剤メカニズムを強く支持する結果を得ることができた。さらが吸着することで安定化される」というものである。これに２つのプロセスの内、後者が油滴サイズを決定する支配に従えば、MAGIQ で生成される油滴のサイズは添加する的要因であることもわかった。そのため MAGIQ では、従界面活性剤の濃度や種類には依存しないはずである。とこ

来のトップダウンの乳化では考慮されてこなかった動的表

ろが図７に示した 1 体積 % のドデカンを MAGIQ によって面張力、すなわち界面活性剤の水／油界面への吸着速度が、水に乳化した実験では、油滴サイズは活性剤の濃度や種類生成される油滴のサイズを決定する上で大きな役割を果たに大きく依存した。そこで我々は、現在、ドデカンと水のしていることが明らかとなった。今後、MAGIQ を用いた均一溶液を急冷して相分離を誘起した際に、スピノーダル様々な研究開発を行う際に、乳化剤選定の指針となりうる分解によって 1 次油滴が生成した後、重要な知見である。
MAGIQ での乳化に用いる乳化剤の選定では、調製した

1）１次油滴の合一による油滴の成長
2）表面へ吸着した界面活性剤分子による油滴の安定化

エマルションの保存安定性への取り組みも必要である。例の 2 つのプロセスが同時進行し、最終的に安定なナノ油滴えば、5 mM の Brij 97 を、直径 61 nm のドデカン滴を含が生成されるという新たなメカニズムを考えている。このむナノエマルションを調製できるが、得られたエマルショメカニズムに従えば、最終的な油滴のサイズは 2 つのプロンの保存安定性は十分に高いというわけではなく、室温でセスのダイナミクスのバランスで決定される。

１週間程度放置すると、オストワルド熟成によって油滴サ本研究によって、図 9 に示したように、油／水界面へのイズが 200 nm 前後にまで増加する。今後は、油滴の微細界面活性剤の吸着速度が MAGIQ によって生成される油滴化と保存安定性の向上を両立できる乳化剤の検討も進めてのサイズを支配していることが明らかとなった。さらに合いく予定である。

一による油滴の成長速度は乳化する油の量に依存するとエマルションは熱力学的に不安定な系であるため、生成考えられるが、エマルション中の油の量が一定であって経路によって生成物が大きく異なる。極端な場合には、油も界面活性剤の濃度や種類によって生成されるナノ油滴に水を加えた場合と、水に油を加えた場合でも、生成すのサイズが大きく変化した図 7 の結果をも考慮すると、水るエマルションが異なる。これが「乳化はサイエンスでは／油界面への界面活性剤分子の吸着ダイナミクスこそが、なくアートである」と言われる所以である。従来プロセス

MAGIQ によって生成される油滴のサイズを決定する支配とは根本的に異なる原理で乳化を行う MAGIQ は、化粧品的要因だと推察される 7）。の製造はもちろんのこと、ナノ乳化を必要とする様々な産５．総業分野で利用されることが期待されるが、高温・高圧の括

超臨界水を取り扱うための特殊な機器を必要とすること油／界面活性剤／水の相挙動を利用した転相乳化などのが技術の普及に向けた大きなボトルネックであった。そこ

乳化など、ナノエマルションの調製に向けた様々な手法で我々は、高温・高圧機器の専業メーカーである株式会が確立されてきた。しかしながら従来の手法は系の組成社 AKICO と共同で、高温・高圧機器の取り扱いに関するに強く依存するなど、汎用性には乏しい。一方、超臨界特別な専門知識がなくても MAGIQ を安全に利用できるナ

水はメタンからイコサンまでの直鎖炭化水素、スクアラノエマルション製造装置の開発を進めている。2016 年 3ンに代表される分岐炭化水素など多様な油を溶解するた月に販売開始を予定している装置は、サイズも 1300W ×め、MAGIQ は高い汎用性を有すると期待される。さらに750D × 1600H（mm）と、家庭用冷蔵庫１台半ほどの大は酸素、水素、窒素などの無極性ガスも超臨界水には自由きさに収まっている。これを契機として MAGIQ の普及がに相溶することから、ナノバブル製造などへの応用も可能進むと期待している。

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ナノ乳化におけるトップダウンプロセスとボトムアッププロセスの比較（引用文献）

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