СПОСОБ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ЭМУЛЬСИИ МАСЛО-В-ВОДЕ, ЭМУЛЬСИЯ МАСЛО-В-ВОДЕ И ЛЕГКО ДИСПЕРГИРУЕМАЯ ЛИПИДНАЯ ФАЗА ДЛЯ НЕЕ, НАБОР ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УКАЗАННОЙ ЭМУЛЬСИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR PRODUCTION OF OIL-IN-WATER EMULSION, OIL-IN-WATER EMULSION AND EASILY DISPERSIBLE LIPIDIC PHASE FOR IT, KIT FOR PRODUCTION OF SAID EMULSION (VERSIONS)

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к липидной фазе, включающей масло и липофильную добавку (LPA), которая пригодна для приготовления эмульсии масло-в-воде с применением малых затрат энергии или ручной операции.
Предшествующий уровень техники
Эмульсии в промышленности
Липидные фазы, такие как масла или жиры, являются общеизвестными ингредиентами, использующимися во многих различных продуктах. Для придания продуктам, содержащим липидную фазу, приемлемой физической гомогенности и стойкости в хранении (масло и вода не смешиваются друг с другом) общую липидную фазу необходимо разрушить на мелкие капли, т.е. липидная фаза должна быть диспергирована в непрерывной водной фазе. Полученный продукт и является эмульсией масло-в-воде. Дисперсные капли масла стабилизируются поверхностно-активными молекулами, которые формируют стабилизирующий слой вокруг капель масла. Как эмульсии масло-в-воде, так и эмульсии вода-в-масле могут составляться с учетом растворимости используемых поверхностно-активных молекул (называемых также эмульгаторами), которые стабилизируют капли дисперсной фазы. Эмульсии масло-в-воде стабилизируются гидрофильными поверхностно-активными молекулами, в то время как эмульсии вода-в-масле стабилизируются липофильными эмульгаторами.
Для получения стабильных и/или гомогенных эмульсий масло-в-воде необходимо, чтобы масляная фаза в виде мелких капель масла, имеющих радиус примерно от 100 нанометров (нм) до нескольких сотен микрометров, была диспергирована в непрерывной водной фазе. Для этого необходимо использовать гомогенизаторы, т.е. машины, которые способны сообщать большое количество энергии смеси масло-вода. Образование стабилизирующего слоя вокруг капель масла в ходе стадии гомогенизации делает капли масла кинетически стабильными к коалесценции, флокуляции, коагуляции, созреванию по Оствальду или расслоению. Поверхностно-активный материал, использующийся в продуктах на основе эмульсии масло-в-воде, может представлять собой либо низкомолекулярные поверхностно-активные вещества, такие как полисорбаты, лизолецитины и др., либо полимеры, такие как белки, например желатин или белки молока, сои, либо полисахариды, такие как гуммиарабик или ксантан, либо (нано- или микро-) частицы, такие как частицы диоксида кремния, либо смеси перечисленного.
Продукты на основе эмульсии масло-в-воде используются повсеместно в производстве пищевых продуктов, косметических изделий, фармацевтических или агрохимических препаратов. Известными пищевыми продуктами на основе эмульсии масло-в-воде являются, например, молоко, майонез, дрессинги (заправки) для салатов, соусы или продукты лечебного питания. Известные продукты на основе эмульсии масло-в-воде, использующиеся в косметической или фармацевтической промышленности, - это лосьоны, кремы, косметическое молочко, пилюли, таблетки, драже и др. Капли масла в таких продуктах обычно состоят из липидов, например триглицеридов, диглицеридов, восков, сложных эфиров жирных кислот, жирных кислот, спиртов, минеральных масел или углеводородов.
Применение эмульсий
Эмульсии используются либо как исходный материал, промежуточный или готовый продукт, либо как добавка к готовому продукту.
Одной из сфер применения эмульсий в промышленности является использование их для переноса активных соединений или функциональных молекул, таких как вкусоароматические вещества, витамины, антиоксиданты, нутрицевтики, фитохимикаты, лекарственные средства, химикаты и др. Введение активных компонентов требует использования соответствующего средства для переноса эффективного количества активного компонента в продукт и/или в требуемое место его действия. Эмульсии масло-в-воде обычно используются как системы переноса, поскольку они обеспечивают преимущество повышенной растворимости липофильных активных соединений в масле по отношению к растворимости в воде. В ЕР 1116515 в примере на применение эмульсий для контроля интенсивности вкуса и аромата гидрофобный активный ингредиент, например вкусоароматический компонент, примешивается в процессе прохождения через экструдер в матрицу в форме эмульсии масло-в-воде для повышения стабильности вводимого активного ингредиента в процессе последующей обработки продукта. В WO 00/59475 на примере фармацевтической эмульсии масло-в-воде описываются композиция и способ улучшенного переноса способных ионизироваться гидрофобных терапевтических агентов, которые смешиваются с ионизирующим агентом, поверхностно-активным веществом и триглицеридом с образованием эмульсии масло-в-воде. WO 99/63841 в примере на применение эмульсий в пищевой сфере описывает композиции, содержащие фитостерин с улучшенными растворимостью и диспергируемостью в водной фазе, обусловленными образованием эмульсии или микроэмульсии.
Другой причиной необходимого диспергирования липида в водной фазе в форме эмульсии является возможность получения продукта, содержащего гомогенный и кинетически стабилизированный продукт, содержащий масло и воду. Такая необходимость существует в производстве множества различных продуктов: например, в производстве мороженого при приготовлении смеси для мороженого перед фрезерованием; в производстве майонеза, соусов, дрессингов, кремов, лосьонов, спреев и многих других продуктов, содержащих больше масла, в которых липидная фаза должна вводиться в непрерывную водную фазу с целью получения кинетически стабильного и гомогенного промежуточного или конечного продукта. Одним из недостатков всех этих перечисленных сфер применения является то, что смесь масло-вода должна обрабатываться при высоких затратах энергии с тем, чтобы обеспечить достаточную диспергируемость масляной фазы, т.е. необходимо использовать специальные и подчас дорогостоящие и сложные «высокоэнергоемкие» машины, например гомогенизаторы, смесители, работающие с высоким усилием сдвига, ультразвуковые, струйные смесители и др., для получения стабильной эмульсии.
Ситуация становится критической, когда гомогенизатора или другой потребляющей много энергии машины нет в наличии или когда их нельзя использовать для кинетической стабилизации смеси вода-масло. Один из классов продуктов, которые страдают от этого факта, - это продукты быстрого приготовления или кулинарные продукты, которые обычно можно приготавливать только вручную, например встряхиванием или перемешиванием. Продукты быстрого приготовления хорошо известны потребителю. Они пользуются хорошим потребительским спросом, поскольку их можно легко приготовить и их приготовление не требует применения сложных высокоэнергоемких смесителей. Примерами являются супы быстрого приготовления, специи, пасты, приправы, заменители сливочного масла и др. Их приготовление основано на принципе добавления концентрированной основной композиции (паста, порошок, жидкость) к продукту, выбранному для приготовления пищи в домашних условиях или в ресторане. Приготавливаемые таким путем продукты имеют тот недостаток, что их стабильность в хранении крайне ограничена, поскольку липидная фаза распределяется в продукте неравномерно и это быстро приводит к интенсивному разделению на фазы после приготовления. Такой вид нестабильности или негомогенности в приготовленном продукте наблюдается, главным образом, в том случае, когда продукты быстрого приготовления содержат масло или другие липидные компоненты. Таким образом, слово “негомогенность” описывает тот факт, когда масляная фаза не распределяется гомогенным, т.е. однородным, путем по всей массе продукта. Эту ситуацию можно легко наблюдать под светооптическим микроскопом, который позволяет локализовать масло/жир с помощью специфической технологии окрашивания масла. Если негомогенность масла сильно выражена, то макроскопические пятна недиспергированного масла можно различить также и невооруженным глазом.
В большинстве случаев ингредиенты на основе масла показывают недостаточную диспергируемость при добавлении к воде или к продуктам на водной основе без применения требующего высоких затрат энергии способа. Выполняемых вручную операций в большинстве случаев недостаточно для получения стабильного продукта, поскольку это приводит к образованию сильно выраженных гетерогенных эмульсий, которые быстро разделяются на фазы и физически дестабилизируются. Негомогенность маслосодержащего продукта объясняется тем фактом, что образующиеся капли эмульсии являются очень крупными (сотни микронов) и полидисперсными при проведении смешивания с низкими затратами энергии.
US 4160850 описывает смесь, пригодную для приготовления самим потребителем, продукта-заменителя сливочного масла мажущейся консистенции. Готовый продукт в этом случае представляет собой эмульсию вода-в-масле. Смесь состоит из твердого жира, масла и эмульгатора воды-в-масле, который добавляется в масляную/жировую фазу для стабилизации водной фазы, добавляемой потребителем в процессе приготовления в домашних условиях указанного заменителя сливочного масла с помощью обычного домашнего миксера с образованием эмульсии вода-в-масле. Эти продукты являются очень нестабильными в хранении при комнатной температуре и должны охлаждаться для улучшения их стабильности.
WO 03/053149 А1 раскрывает способ приготовления эмульсии мажущейся консистенции масло-в-воде, включающий смешивание композиции-основы с маслом и/или водой вручную. Композиция-основа содержит способный к гидратации в холодной воде агент, повьппающий вязкость, такой как крахмал или полисахарид холодной гидратации; гидрофильный эмульгатор, например гидролизованный лецитин или казеинат либо заменитель казеината, и необязательно подкисляющий агент. Присутствие агента, повышающего вязкость, особенно полисахарида, в композиции-основе обеспечивает получение продуктов с каплями масла меньшего в среднем размера в готовой эмульсии масло-в-воде.
Если капли масла в эмульсиях масло-в-воде являются чрезмерно малыми по размеру, например имеют диаметр от нескольких нанометров (нм) до примерно 200 нм, и образуются спонтанно (без применения устройства, требующего высоких затрат энергии), то такая эмульсия называется “микроэмульсией масло-в-воде” (Evans D.F.; Wennerström Н. (Eds.); “The Colloidal Domain”, Wiley-VCH, New York (1999)). Эти эмульсии прозрачны и термодинамически стабильны, и поэтому квалифицированный специалист в данной области техники может отличить их от обычных эмульсий, которые являются термодинамически нестабильными и в большинстве случаев мутными.
JP 2004 008837 раскрывает эмульсию масло-в-воде, которая содержит водорастворимые твердые частицы, присутствующие в каплях масла. Частицы имеют размер от 200 нм до 10 мкм. Частицы приготовляются в эмульсии вода-в-масле (W/O) посредством дегидратации (т.е. не спонтанным процессом) перед диспергированием суспензии цельные частицы/масло (S/О) в водной фазе с применением процесса эмульгирования через пористую мембрану.
WO 02/076441 раскрывает применение микроэмульсии спирта-во-фтороуглероде как предшественника для приготовления твердых наночастиц. Наночастицы имеют диаметр менее 200-300 нанометров. Образование наночастиц происходит не спонтанно, а инициируется охлаждением микроэмульсии-предшественника до температуры ниже примерно 35°С, либо выпариванием спирта в микроэмульсии-предшественнике, либо разбавлением микроэмульсии подходящим полярным растворителем.
US 2004/022861 раскрывает двойную эмульсию W/O/W, в которой капли масла содержат жидкую микроскопическую водную фазу, включающую белок или другой гидрофильный агент. Вся двойная эмульсия в целом распыляется, например, в жидкий азот через капиллярное сопло для получения нагруженных белком микрочастиц.
Во всех этих примерах описывается не спонтанное образование твердых гидрофильных (нано)частиц с использованием W/О микроэмульсий или W/О либо W/O/W двойных эмульсий, и поэтому необходим внешний пусковой механизм для отверждения гидрофильных доменов внутри капель масла. На образовавшиеся (нано)частицы такие факторы окружающей среды, как температура, рН или свойства окружающей частицы жидкости, не оказывают значительного влияния. Следует упомянуть, что на обычные W/O микроэмульсии, в которых капли воды не отвердевают, т.е. являются жидкими, указанные факторы окружающей среды оказывают сильно выраженное влияние.
Целью изобретения является обеспечение нового раствора, который позволяет диспергировать липидную фазу в водной фазе с образованием эмульсии масло-в-воде без применения машины для смешивания, потребляющей много энергии, а только вручную, например встряхиванием или перемешиванием ложкой либо эквивалентным приспособлением, потребляющим мало энергии, которое используется в домашних условиях, ресторанах или в сети общественного питания. Такое устройство, потребляющее мало энергии, может выбираться в зависимости от способов, обеспечивающих образование капель масла с помощью мембранного эмульгирования, устройств для нано- и микрофлюидизации или статических смесителей. Липидная фаза, использующаяся для получения эмульсии по настоящему изобретению, приготавливается легко и не требует применения сложного смесительного оборудования.
Описание изобретения
Настоящее изобретение основано на открытии новых наноразмерных самоорганизующихся структур внутри обычных капель масла, когда масляная фаза содержит липофильную добавку (LPA). Структуры внутри капель масла являются термодинамически стабильными и стабилизируются липофильной добавкой (LPA). Именно так согласно цели настоящего изобретения определяется липидная фаза, состоящая из масла или жира и липидной добавки, из которой может приготавливаться эмульсия масло-в-воде, содержащая капли масла, имеющие наноразмерные самоорганизующиеся внутренние структуры. Присутствие наноразмерных самоорганизующихся структур внутри масляной фазы обусловливает значительное снижение поверхностного натяжения между водной и липидной фазами, которое можно измерить обычным тензиометром с анализом формы капли. В типичных случаях измеряемое поверхностное натяжение между водной фазой (не содержащей дополнительного эмульгатора) или обычной водопроводной водой и липидной фазой по настоящему изобретению (масло, такое как триглицерид, плюс LPА, например ненасыщенные моноглицериды (DIMODAN U/J)) составляет от 1 до 5 мН/м при измерении спустя время адсорбции, которое не превышает 10-100 секунд. Как показали измерения, соответствующее поверхностное натяжение между водой и маслом в отсутствие добавляемой LPА в триглицеридной масляной фазе составляло от 6 до 30 мН/м при комнатной температуре в зависимости от степени чистоты используемого масла и содержания соли в водной фазе (без добавления эмульгатора или поверхностно-активного вещества). Если поверхностное натяжение между водой (не содержащей дополнительного эмульгатора) и маслом составляет ниже примерно 5 мН/м спустя время адсорбции менее 100 секунд (это время называется также «временем жизни» капли масла, погруженной в водную фазу), то разрушение масла на мелкие и гомогенные капли значительно облегчается даже без использования устройства, потребляющего много энергии. При таких условиях становится возможным получение эмульсий, которые содержат мелкие и гомогенно распределенные капли масла по всей массе продукта. Для получения капель масла, стабильных также к коалесценции после того, как они образовались, в систему добавляется гидрофильный эмульгатор. Именно таким путем можно приготавливать стабильные и гомогенные эмульсии с применением малых затрат энергии или выполнением ручной операции. Гомогенизаторы, работающие с высоким усилием сдвига, в этом случае не нужны. Это означает, что гомогенные и стабильные эмульсии масло-в-воде можно получать с введением липофильной добавки, такой как моноглицерид, в масляную фазу перед смешиванием в концентрациях более 2-3 мас.% в пересчете на общую липидную фазу, используя для этого только процедуры с малыми затратами энергии, такие как ручные операции, встряхивание вручную или перемешивание ложкой либо подобные способы, требующие низких затрат энергии. Однако указанная низкая предельная концентрация липофильной добавки зависит от химической структуры как LPА, так и масла и может составлять минимум 0,1% LPA в пересчете на масляную фазу.
Количественная оценка характеристического низкого поверхностного натяжения, измеряемого между липидной фазой по настоящему изобретению и водной фазой, может проводиться только в отсутствие дополнительных гидрофильных амфифильных молекул, поверхностно-активных веществ или эмульгаторов в водной фазе. В этом случае можно легко измерить и отрегулировать с помощью стандартных тензиометров, таких как тензиометр с висячей каплей (например, тензиометр TRACKER от Teclis-ITConcept, Франция, или тензиометр PAT от SINTERFACE Technologies, Берлин, Германия) либо тензиометр с измерением объема капли (например, TVT 2 от Lauda, Германия). Измерения проводятся в отсутствие любого дополнительного гидрофильного эмульгатора, поскольку добавление дополнительно гидрофильного эмульгатора в водную фазу может привести к неправильным результатам. Дополнительный эмульгатор может также адсорбироваться на границе раздела фаз и снижать измеряемое поверхностное натяжение. Конечно, для приготовления эмульсии по изобретению гидрофильный эмульгатор необходим, чтобы сделать капли приготовляемой эмульсии стабильными к коалесценции.
Гомогенность полученных эмульсий по настоящему изобретению отражается также в относительно малом среднем размере капель масла. Например, приготовление эмульсии по настоящему изобретению, содержащей 40% соевого масла и от 1% до 10% Dimodan U/J (LPA) в пересчете на общую липидную фазу и 60% водного 5 мас.%-ного раствора казеината натрия, с использованием пропеллерной мешалки дает капли масла, которые в 2-4 раза меньше капель масла в эмульсии, не содержащей Dimodan U/J.
В альтернативном варианте воплощения настоящего изобретения эмульсия масло-в-воде приготавливается с помощью 2-камерного устройства.
Это 2-камерное устройство обеспечивает раздельное хранение липидной и водной фаз по изобретению до их смешивания. Устройство содержит на своем выходном конце средство, позволяющее смешивать липидную и гидрофильную фазы с получением эмульсии масло-в-воде по изобретению. Смесительное средство с низким потреблением энергии может быть статическим смесителем, жестко закрепленным на конце устройства. При нажатии сверху вниз на липидную и водную фазы последние проходят через смесительное средство, потребляющее мало энергии, и образуется эмульсия. Эксперименты показали, что использование масляной фазы, такой как триглицериды, которая не содержит LPA или концентрация LPA в которой составляет менее 0,25 мас.% (в пересчете на общую липидную фазу), не позволяет приготовить стабильную и гомогенную эмульсию с помощью 2-камерного устройства.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения эмульсия масло-в-воде приготавливается путем принудительного пропускания пре-эмульсии липофильной и водной фаз через статический смеситель с получением гомогенной и стабильной эмульсии масло-в-воде по настоящему изобретению. Гомогенная эмульсия по настоящему изобретению может также приготавливаться просто встряхиванием или сжатием мягкого пакета, который содержит липидную фазу по настоящему изобретению и водную фазу. Такие эмульсионные продукты используются, например, в лечебном или энтеральном питании с подачей через трубку; в таких случаях механические усилия для смешивания нестабильной смеси масло-вода обычно очень низкие.
В следующем варианте воплощения настоящего изобретения эмульсия масло-в-воде приготавливается путем растворения соответствующей эмульсии в форме порошка в холодной воде. В этом случае масло, содержащее липофильную добавку, легко диспергируется, а порошкообразный материал легко восстанавливается, например, в условиях перемешивания ложкой при комнатной температуре или температурах ниже 25°С, что приводит к получению гомогенной и стабильной эмульсии масло-в-воде.
В еще одном варианте воплощения настоящего изобретения образующиеся капли масла показывают внутреннюю наноразмерную самоорганизующуюся структуру. Эта внутренняя структура капель масла формируется в присутствии липофильной добавки (LPA) и состоит, главным образом, из наноразмерных и термодинамически стабильных гидрофильных доменов, т.е. капель, столбиков или канальцев воды. Наноразмерные домены, которые образуются спонтанно (термодинамический механизм) внутри капель масла эмульсии, стабилизируются добавлением LPA. Липофильная добавка (LPA) имеет слабо амфифильный характер, т.е. она содержит гидрофильную головную группу и липофильную цепочку. Гидрофильная часть молекулы LPA является частью структуры гидрофильного домена. Гидрофильные домены могут иметь размер от 0,5 до 200 нм в диаметре, предпочтительно - от 0,5 до 150 нм в диаметре, даже более предпочтительно - от 0,5 до 100 нм в диаметре и наиболее предпочтительно - от 0,5 до 50 нм в диаметре. Размер гидрофильных доменов является критической величиной и зависит от количества LPA, добавленной к каплям масла, и от вида (химической структуры) используемого масла. Спонтанное образование наноразмерной самоорганизующейся структуры внутри капель масла не зависит от потребления энергии, используемой для приготовления эмульсии.
В контексте описания «гидрофильный домен» состоит из водных доменов и гидрофильной области головной группы молекулы LPА. Вследствие их чрезвычайно малого размера они показывают также большую площадь поверхности, которая является подходящим местом для солюбилизации множества различных соединений.
Эмульсии по настоящему изобретению сильно отличаются от эмульсий, традиционно известных как двойные эмульсии вода-в-масле-в-воде (W/O/W). W/O/W двойные эмульсии представляют собой эмульсии масло-в-воде, в которых капли масла содержат капли воды микронного размера (Garti N.; Bisperink С.; Curr. Opinion in Colloid & Interface Science (1998), 3, 657-667). Капли воды внутри дисперсных капель масла двойной эмульсии образуются (диспергируются) за счет подвода механической энергии, например, при гомогенизации и вследствие этого являются термодинамически нестабильными и несамоорганизующимися. Диаметр внутренних капель воды в W/O/W двойной эмульсии превышает 300 нм. Эмульсии по настоящему изобретению можно легко отличить от обычных W/O/W двойных эмульсий, поскольку образование наноразмерной самоорганизующейся структуры внутри капель масла эмульсии по настоящему изобретению происходит спонтанно и инициируется термодинамическим механизмом, а средний диаметр капель воды или канальцев составляет менее 200 нм.
Таким образом, изобретение направлено на капли масла, которые содержат наноразмерную самоорганизующуюся структуру с гидрофильными доменами. Капли масла образуются в результате подвода малого количества энергии или проведения ручной операции. Понятие «самосборка» или «самоорганизация» относится к спонтанному образованию агрегатов (ассоциатов) или наноструктур отдельными молекулами. Молекулы в самоорганизующихся структурах занимают соответствующее положение, обусловленное исключительно их структурными и химическими свойствами, под действием межмолекулярных сил, таких как гидрофобные, гидратационные или электростатические силы (Evans D.F.; Wennerström Н. (Eds.); "The Colloidal Domain", Wiley-VCH, New York (1999)). Результат самоорганизации не зависит от самого процесса и соответствует состоянию минимальной энергии (стабильное равновесие) системы.
Композиция эмульсии
Настоящее изобретение касается применения липидной фазы, включающей масло и липофильную добавку (LPA), для приготовления эмульсии масло-в-воде, в которой содержание LPA в липидной фазе составляет от 0,25 мас.% до 84 мас.%; предпочтительно содержание LPA составляет от 2,5 мас.% до 80 мас.%; более предпочтительно указанное содержание LPA составляет от 5 мас.% до 80 мас.%; наиболее предпочтительно содержание LPA составляет от 10 мас.% до 80 мас.%; в которой водная фаза содержит гидрофильный эмульгатор и в которой обе фазы смешиваются. Поверхностное натяжение между липидной фазой изобретения и водной фазой, которая не содержит гидрофильных эмульгаторов, составляет ниже 5 мН/м при измерении спустя до 100 секунд или менее.
Кроме того, настоящее изобретение касается применения липидной фазы, в котором смешивание липидной и водной фаз осуществляется вручную или с помощью устройства с малыми затратами энергии.
Другой целью изобретения является обеспечение устройства, содержащего премикс из липидной фазы по изобретению и водной фазы с гидрофильным эмульгатором в контейнере и включающего дополнительное средство для приготовления эмульсии масло-в-воде по изобретению.
Еще одной целью является обеспечение устройства, содержащего липидную фазу, которая отделена от водной фазы, содержащей гидрофильный эмульгатор, в контейнере и имеющего на выходе средство для смешивания обеих фаз и приготовления эмульсии масло-в-воде по изобретению.
Следующей целью является обеспечение устройства, содержащего липидную фазу и водную фазу с гидрофильным эмульгатором, в котором обе фазы находятся в мягком пакете.
Еще одной целью является обеспечение эмульсии масло-в-воде, включающей липидную фазу и водную фазу, содержащую гидрофильный эмульгатор, в которой средство выбрано из группы, состоящей из сжимания вручную, перемешивания с помощью магнитной мешалки, встряхивания вручную, перемешивания ложкой или взбивалкой, интенсивного смешивания в Vortex, мембранного эмульгирования, статического смесителя, кухонного миксера, устройств для нано- и микрофлюидизации, смешивания в мягком пакете или любого смесителя, способного создавать турбулентный поток, или комбинаций перечисленного.
Настоящее изобретение касается также липидной фазы, которая после смешивания с малыми затратами энергии с водной фазой дает эмульсию масло-в-воде, в которой капли масла показывают наноразмерную структуризацию с гидрофильными доменами, образующимися в результате введения липофильной добавки (LPA). LPA может добавляться как таковая или приготавливаться in situ химическими, биохимическими, ферментативными или биологическими средствами.
Количество капель масла (объемная доля капель масла), присутствующее в эмульсии по настоящему изобретению, соответствует их количеству, обычно используемому в продуктах на основе ординарной эмульсии масло-в-воде. Объемная доля липидной фазы может варьировать от доли процента (<0,001% в пересчете на общий продукт), которая применяется в эмульсиях масло-в-воде лечебного назначения, в которых липидная фаза является дорогостоящим лекарственным средством, нутриентом, химическим или другим функциональным липофильным компонентом, до 80% (в пересчете на общий продукт), что наблюдается в эмульсиях HIPE (High Internal Phase Emulsions, эмульсии с высоким содержанием внутренней фазы), таких как, например, майонез традиционной жирности.
Если говорить более точно, то настоящее изобретение направлено на липидную фазу и соответствующую ей эмульсию масло-в-воде, содержащие дисперсные капли масла, имеющие наноразмерное самоорганизующееся структурированное содержимое, включающее:
(i) масло, выбранное из группы, состоящей из минеральных масел, углеводородов, растительных масел, восков, спиртов, жирных кислот, моно-, ди- или триацилглицеринов, эфирных масел, ароматизирующих масел, липофильных витаминов, сложных эфиров, нутрицевтиков, терпинов, терпенов и смесей перечисленного,
(ii) липофильную добавку (LPA) или смеси липофильной и гидрофильной добавок, имеющие конечное значение ГЛБ, HLB (показатель гидрофильно-липофильного баланса) ниже примерно 10, предпочтительно ниже 8,
(iii) гидрофильные домены в форме капель, столбиков или канальцев, содержащие воду или неводную полярную жидкость, такую как полиол,
и
непрерывную водную фазу, которая содержит стабилизаторы эмульсии или эмульгаторы.
В контексте описания «липидная фаза» относится к масляной фазе, содержащей определенное количество «липофильной добавки». Масляная фаза может представлять собой также частично кристаллизованный жир, такой как отвержденное пальмовое масло, отвержденное пальмоядровое масло, жир коровьего масла, при температуре ее применения. Температура образования эмульсии может составлять от 4°С до 100°С.
В контексте описания «липофильная добавка» (обозначаемая также аббревиатурой «LPA») относится к липофильному амфифильному агенту, который спонтанно образует стабильные наноразмерные самоорганизующиеся структуры в общей и дисперсной масляной фазе. Для формирования самоорганизующихся структур в масляной фазе концентрация LPA в масляной фазе должна быть выше CMC (критическая мицеллярная концентрация). При концентрации ниже CMC образования самоорганизующихся структур не происходит. Например, CMC ненасыщенных моноглицеридов в обогащенных триглицеридами маслах составляет около 2 мас.% и 0,1 мас.% в сквалене или керосине (J. Bus et al. Progr. Colloids Polymer Sci. (1990), 82, 122-130). Как показано в этой публикации, CMC является критической величиной и зависит от молекулярной структуры масла и эмульгатора, т.е. LPА.
Липофильная добавка (смесь) выбирается из группы, состоящей из жирных кислот, сложных эфиров сорбитана, моно- или диэфиров пропиленгликоля, пегилированных жирных кислот, моноглицеридов, производных моноглицеридов, диглицеридов, пегилированных растительных масел, сложных эфиров полиоксиэтиленсорбитана, фосфолипидов, кефалинов, липидов, сложных эфиров сахаров, простых эфиров сахаров, сложных эфиров сахарозы, полиглицериловых сложных эфиров и смесей перечисленного.
Согласно первому варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие внутреннюю структуру, взятую из группы, состоящей из структуры L2 или комбинации L2 со структурой масла (микроэмульсия или капли изотропной жидкости), в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Согласно второму варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие структуру L2 (микроэмульсия или капли изотропной жидкости) в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Согласно третьему варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие внутреннюю структуру, взятую из группы, состоящей из структуры L2 (микроэмульсия или капли изотропной жидкости), или обратимой мицеллярно-кубической структуры, или обратимой двухмерно-непрерывной структуры L3, и их комбинации в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Согласно четвертому варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие внутреннюю обратимую мицеллярно-кубическую структуру в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Согласно пятому варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие внутреннюю обратимую шестигранную структуру в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Согласно шестому варианту воплощения изобретения эмульсия масло-в-воде показывает капли масла, имеющие внутреннюю структуру, которая представляет собой комбинацию ранее описанных структур, в диапазоне температур от 0°С до 100°С.
Все вышеупомянутые внутренние структуры можно, без сомнения, определить SAXS-анализом (малоугловое рассеяние рентгеновских лучей), крио-ТЕМ (трансмиссионная электронная крио-микроскопия) (Qiu et al. Biomaterials (2000), 21, 223-234, Seddon. Biochimica et Biophysica Acta (1990), 1031, 1-69, Delacroix et al. J. Mol. Biol. (1996), 258, 88-103, Gustafsson et al. Langmuir (1997), 13, 6964-6971, Portes. J. Phys.: Condens Matter (1992), 4, 8649-8670) с ускоренным Фурье-преобразованием (FFT) крио-ТЕМ изображений.
В некоторых сферах употребления возможно также применение температур выше 100°С (например, температура автоклавирования), и эти температуры также охватываются настоящим изобретением.
Липофильная добавка (LPA) может также смешиваться с гидрофильной добавкой (имеющей ГЛБ выше 10) в таком количестве, чтобы ГЛБ общей смеси не превышал 10 или предпочтительно 8. Добавка (смесь) может также приготавливаться in situ химическими, биохимическими, ферментными или биологическими средствами.
Количество вводимой липофильной добавки определяется как α. α определяется как отношение LPA/(LPA+масло)·100. α составляет предпочтительно выше 0,25, более предпочтительно - выше 0,5, еще более предпочтительно - выше 1, наиболее предпочтительно - выше 2. Отношение α=LPA/(LPA+масло)·100 предпочтительно составляет менее 84, более предпочтительно - менее 70. Любая комбинация нижнего и верхнего пределов диапазона включена в объем притязаний настоящего изобретения. α может выражаться в мас.% или в мол.%. Нижний и верхний пределы α зависят от свойств выбранных масла и LPA, таких как полярность, молекулярная масса, диэлектрическая постоянная и др., или физических характеристик, таких как критическая концентрация агрегации или критическая мицеллярная концентрация (CMC) LPA в фазе капель масла. Нижний предел α в большинстве случаев сравним с или превышает измеренную CMC используемой смеси LPA и масла. «Сравним с» означает в данном случае, что α составляет >0,2·CMC.
Эмульсия стабилизируется гидрофильным эмульгатором, пригодным для стабилизации капель одинарной эмульсии масло-в-воде. Эмульсия может быть агрегированной (флокулированной) или не зависящей от используемого эмульгатора. Гидрофильный эмульгатор выбирается из группы, состоящей из низкомолекулярных поверхностно-активных веществ, имеющих ГЛБ>8, желатина, белков, например белков молока или сои, пептидов, белковых гидролизатов, блок-сополимеров, поверхностно-активных гидроколлоидов, таких как гуммиарабик, ксантановая камедь, биополимеров типа диблок-сополимеров или апопротеина, таких как конъюгаты или коацерваты белок-полисахарид либо гибриды белок-полисахарид, белок-белок или полисахарид-полисахарид, конъюгатов или коацерватов либо смесей полимеров и биополимеров, либо наночастиц белка, наночастиц поверхностно-активное вещество-белок или других нано- или микрочастиц, пригодных для стабилизации эмульсий масло-в-воде.
Гидрофильный эмульгатор может также смешиваться с LPA или с маслом либо и с LPA, и с маслом. Это означает, что гидрофильный эмульгатор может частично присутствовать также внутри капель масла и оказывать влияние на их внутреннюю наноразмерную самоорганизующуюся структуру и их поведение при смешивании в процессе приготовления эмульсии.
Отношение β=гидрофильный эмульгатор/(LPA+масло+эмульгатор)·100 описывает количество эмульгатора, используемого для стабилизации капель масла, по отношению к содержанию масла плюс LPA. β предпочтительно выше 0,1, более предпочтительно - выше 0,5, еще более предпочтительно - выше 1, наиболее предпочтительно - выше 2 и самое предпочтительное - выше 5.
Отношение β=эмульгатор/(LPA+масло+эмульгатор)·100 предпочтительно ниже 90, более предпочтительно - ниже 75 и наиболее предпочтительно - ниже 50. Любая комбинация нижнего и верхнего пределов диапазона входит в объем притязаний настоящего изобретения. β может выражаться в мас.% или в мол.%. Нижний и верхний предел β зависит от свойств выбранных эмульгатора, масла и LPA.
10
12
Различные активные компоненты могут солюбилизироваться в наноразмерном самоорганизующемся структурированном содержимом капель масла. Они могут быть растворимыми в масле, нерастворимыми в масле, кристаллическими или растворимыми в воде компонентами, выбранными из группы, состоящей из нутрицевтиков, таких как лютеин, сложные эфиры лютеина, β-каротин, токоферол, токоферола ацетат, токотриенол, ликопин, Co-Q, льняное масло, липоевая кислота, витамин В, витамин D, α- и γ-полиненасыщенные жирные кислоты, фитостерины, флавоноиды, витамин А, витамин С или его производные; сахаров, биологически активных добавок к пище, функциональных ингредиентов, пищевых добавок, растительных экстрактов, медицинских средств, лекарственных препаратов, фармакологически активных компонентов, косметически активных компонентов, пептидов, белков или углеводов, ароматизаторов, солей и вкусоароматических добавок.
6
20
6
20
В эмульсии масло-в-воде согласно изобретению липофильная добавка выбрана из группы, состоящей из миристиновой кислоты, олеиновой кислоты, лауриновой кислоты, стеариновой кислоты, пальмитиновой кислоты, PEG (полиэтиленгликоль)-1-4-стеарата, PEG-2-4-олеата, PEG-4-дилаурата, PEG-4-диолеата, PEG-4-дистеарата, PEG-6-диолеата, PEG-6-дистеарата, PEG-8-диолеата, PEG-3-16-касторового масла, PEG-5-10-гидрогенизированного касторового масла, PEG-6-20-кукурузного масла, PEG-6-20-миндального масла, PEG-6-оливкового масла, PEG-6-арахисового масла, PEG-6-пальмоядрового масла, PEG-6-гидрогенизированного пальмоядрового масла, PEG-4-капринового/каприлового триглицерида, моно-, ди-, три-, тетраэфиров растительного масла и сорбита, пентаэритритил-ди-, -тетрастеарата, -изостеарата, -олеата, -каприлата или -капрата, полиглицерил-3-диолеата, -стеарата или -изостеарата, полиглицерил-4-10-пентаолеата, полиглицерил-2-4-олеата, -стеарата или -изостеарата, полиглицерил-6-диолеата, полиглицерил-10-триолеата, полиглицерил-3-дистеарата, моно- или диэфиров пропиленгликоля и жирной кислоты С-С, моноглицеридов жирной кислоты С-С, молочнокислых производных моноглицеридов, молочнокислых производных диглицеридов, сложных эфиров диацетилвинной кислоты и моноглицеридов, триглицерол-моностеарат-холестерина, фитостерина, PEG-5-20-соевого стерина, PEG-6-сорбитан-тетра-, -гексастеарата, PEG-6-сорбитан-тетраолеата, сорбитан-монолаурата, сорбитан-монопальмитата, сорбитан-монотриолеата, сорбитан-моно- и -тристеарата, сорбитан-моноизостеарата, сорбитан-сесквиолеата, сорбитан-сесквистеарата, PEG-2-5-олеилового эфира, РОЕ-2-4-лаурилового эфира, PEG-2-цетилового эфира, PEG-2-стеарилового эфира, дистеарата сахарозы, дипальмитата сахарозы, этилолеата, изопропилмиристата, изопропилпальмитата, этиллинолеата, изопропиллинолеата, полоксамеров, фосфолипидов, лецитинов, кефалинов, липидов овса и липофильных амфифильных липидов других растений и смесей перечисленного.
Липидная фаза согласно изобретению обычно имеет жидкую или пастообразную форму. Согласно другому варианту воплощения изобретения липидная фаза подвергается сушке и имеет форму порошка. Порошок может легко восстанавливаться при добавлении его в водную фазу или чистую воду. Согласно еще одному варианту воплощения изобретения липидная фаза может содержать другие ингредиенты, такие как специи, пряные травы или ароматические вещества.
Липидная фаза согласно изобретению является либо готовым продуктом, либо добавкой, либо промежуточным продуктом (полуфабрикатом). Количество добавки в готовом продукте не является критической величиной и может варьироваться.
Эмульсия масло-в-воде, полученная смешиванием с малыми затратами энергии липидной фазы изобретения с водной фазой, согласно изобретению является либо готовым продуктом, либо добавкой. Количество добавки в готовом продукте не является критической величиной и может варьироваться.
I
S
A
Эмульсия, описанная в настоящем изобретении, является эмульсией нового типа, которая названа авторами настоящей заявки «ISAMULSION» с тем, чтобы подчеркнуть специфическую природу капель масла, содержащих nternally elf-ssembled (внутреннюю самоорганизующуюся) структуру, и с тем, чтобы разграничить эмульсию настоящего изобретения от одинарных эмульсий масло-в-воде или двойных эмульсий W/O/W, включая нано- и микроэмульсии, в которых капли масла не имеют наноразмерной самоорганизующейся структуры с гидрофильными доменами. Капли ISAMULSION в основном состоят из капель масла, которые имеют наноразмерную самоорганизующуюся структуру с гидрофильными доменами. Эта наноструктура может быть обратимой природы, включающей L2, микроэмульсию, изотропную жидкую фазу, мицеллярно-кубическую, шестигранную Н2 или двухмерно-непрерывную L3 или фазу. Структуры в масляной фазе могут появляться как единичная наноструктура или как комбинация различных наноструктур.
Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение липидной фазы или смеси, содержащей эту липидную фазу, которая позволяет легко приготовлять композицию эмульсии масло-в-воде путем подвода только малого количества энергии к смеси вода-масло. Липидная фаза может использоваться как таковая или может быть частью готового к употреблению продукта, который может использоваться для получения свежеприготовленного эмульсионного продукта в процессе кулинарной обработки или приготовления пищи в домашних условиях, ресторанах, столовых, кемпингах или в других подобных случаях, когда нет под рукой устройства, работающего с высоким усилием сдвига. Готовый к употреблению продукт может использоваться для получения свежеприготовленного соуса BBQ (барбекю) или других соусов, маринада, майонеза, кетчупа, дрессингов для салатов, приправ, специй и продуктов аналогичного типа.
Другой сферой применения липидной фазы или готового к употреблению продукта, содержащего липидную фазу по изобретению, является обогащение приготовленных в домашних условиях продуктов липидными (трудно диспергируемыми) функциональными молекулами, такими как нутриенты, ароматизаторы, усилители вкуса и др.
Еще одной сферой применения является промышленное или полупромышленное производство, которое требует добавления нерастворимой в воде фазы (липидной фазы) в определенный момент без применения гомогенизаторов.
Вышеописанное поведение липидной фазы и соответствующей ей эмульсии масло-в-воде можно без труда использовать также для создания новых, готовых к употреблению маслосодержащих продуктов, таких как пищевые продукты, корма для домашних животных, нутрицевтики, функциональные пищевые продукты, моющие средства, нутри-косметические продукты, косметические изделия, фармацевтические, лекарственные препараты, краски, продукты медицинской или агрохимической промышленности, взрывчатые вещества, текстиль, в разработке полезных ископаемых, бурении нефтяных скважин, в бумажной промышленности, в производстве полимеров.
Краткое описание фигур
Фиг.1 показывает структуру, обнаруженную внутри капель масла ISAMULSION, как функцию α=100·LPA/(LPA+масло).
Фиг.2 показывает крио-ТЕМ микрофотографию типичной ISAMULSION, показывающую наноразмерные гидрофильные домены внутри единичных капель масла.
Фиг.3 показывает диаграммы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) в эмульсии ISAMULSION, в общей масляной фазе (наноструктурированной добавлением LPA), которая использовалась для приготовления ISAMULSION, и в соответствующей одинарной эмульсии (без LPA, без наноструктуры). Кривая рассеяния одинарной эмульсии заметно отличается от кривой ISAMULSION.
Фиг.4 показывает диаграммы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) в эмульсиях ISAMULSION, содержащих различные количества LPА, т.е. значения α (α=100·LPA/(LPA+масло)). Масло=тетрадекан, LPA=монолинолеин. Содержание LPA определяет концентрацию и размер самоорганизующихся гидрофильных доменов внутри капель масла.
Фиг.5 показывает схематическое изображение капли масла ISAMULSION, которая содержит гидрофильные домены. Обратите внимание на то, что гидрофильные домены могут быть сферическими или несферическими, т.е. иметь форму столбиков, дисков или канальцев. Гидрофильный домен состоит из полярной головной группы LPA и солюбилизированной воды.
Фиг.6 (верхняя кривая) показывает кривую малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS) для эмульсии ISAMULSION, содержащей капли масла, которые имеют обратимую мицеллярно-кубическую Fd3m структуру.
Фиг.7 показывает поверхностное натяжение, измеренное между липидной фазой изобретения (в данном случае соевое масло+Dimodan U/J в качестве LPА) и чистой водой, как функцию содержания Dimodan U/J с применением метода висячей капли.
Фиг.8 показывает поверхностное натяжение, измеренное между липидной фазой изобретения (в данном случае соевое масло+Dimodan U/J в качестве LPА) и чистой водой, как функцию содержания Dimodan U/J с помощью тензиометра с определением объема капли.
Фиг.9 показывает размер D32 капли масла (диаметр капли по Sauter дан в микронах) эмульсий ISAMULSION как функции содержания Dimodan U/J в масляной фазе, выраженного в мас.% Dimodan U/J в соевом масле. Масляная фаза (соевое масло+Dimodan U/J) во всех эмульсиях ISAMULSION постоянно составляет 40 об.%. Эмульсии стабилизированы добавлением 5 мас.% казеината натрия (в пересчете на водную фазу); эмульсии были приготовлены с использованием смесителя с низкими затратами энергии (данные Malvern Mastersizer).
Фиг.1 представляет типичную последовательность структур, обнаруженных внутри дисперсных капель масла в эмульсии ISAMULSION, как функцию содержания липофильной добавки в % (% LPA=α=100-LPA/(LPA+масло)) и температуры. Изменение α, т.е. содержания LPA в каплях масла, позволяет изменять и модулировать наноструктуру внутри капель. L2 означает обратимую структуру типа микроэмульсии; LC указывает на наличие жидкокристаллической фазы или смеси различных жидкокристаллических фаз, таких как обратимая мицеллярная или обратимая шестигранная либо обратимая двухмерно-непрерывная кубическая. Как показывает фиг.1, определенная наноразмерная самоорганизующаяся структура формируется при заданной температуре и определенном количестве вводимой липофильной добавки (значение α) внутри капель масла (более подробное описание упомянутых структур см. Evans D.F.; Wennerström Н. (Eds.); "The Colloidal Domain", Wiley-VCH, New York (1999)). Количество добавляемой LPA позволяет точно контролировать тип самоорганизующейся структуры, количество воды, присутствующее в гидрофильных доменах, количество внутреннего разделяющего слоя и его размер, размер самоорганизующейся наноструктуры, формирующейся внутри капель ISAMULSION. В зависимости от вида используемых масла и липофильной добавки минимальное количество LPA (α), необходимое для инициирования спонтанного формирования самоорганизующейся внутренней структуры капель (обозначаемое также как критическая мицеллярная концентрация CMC или критическая концентрация агрегатов), составляет от 0,1 до 15 мас.% (в пересчете на масляную фазу). Более того, значение α, при котором наблюдается фазовое изменение в каплях масла, зависит также от вида используемых масла и/или липофильной добавки.
Внутреннюю наноразмерную самоорганизующуюся структуру капель масла в эмульсии можно обнаружить с помощью трансмиссионной электронной крио-микроскопии (крио-ТЕМ) или анализом малоуглового рассеяния рентгеновских лучей (SAXS).
Крио-ТЕМ изображение на фиг.2 получено с использованием стандартного метода по Adrian et al. (Adrian et al. Nature (1984), 308, 32-36). Для замораживания образцов использовались домашние гильотинные ножницы. Капля образца дисперсии (3 мкл) помещалась на медную сетку, покрытую угольной пленкой с отверстиями диаметром примерно 2 мкм. К поверхности сетки со стороны жидкости прижималась фильтровальная бумага (блоттинг) для удаления избытка раствора образца. Сразу после удаления жидкости сетка, удерживаемая пинцетом, приводилась в движение в жидком этане. Замороженные сетки хранились в жидком азоте и переносились в крио-выдерживатель, в котором поддерживалась температура -180°С. Анализ образцов выполнялся в Philips СМ12 ТЕМ при напряжении 80 кВ. В целях минимизации потерь электронного пучка процедуры проводились с малыми дозами. В некоторых случаях использовалась камера кустарного изготовления с поддержанием условий окружающей среды, аналогичная описанной Egelhaaf et al. (Egelhaaf et al. J. Microsc. (2000), 200, 128-139). Температура перед разбавлением и стеклованием устанавливалась на уровне 25°С, влажность - 100%. ISAMULSION можно было идентифицировать по наличию мелких блестящих неровностей внутри капель масла. На фиг.2 представлена полученная с помощью крио-ТЕМ микрофотография типичной ISAMULSION, показывающая характеристические расстояния между блестящими неровностями примерно в 7-8 нм. Следует отметить, что такого рода блестящие неровности не обнаружены в стандартных неструктурированных эмульсиях, равно как не наблюдалось и контрастов внутри неструктурированных капель эмульсий.
α
Кривые SAXS на фиг.3 получены с помощью стандартного оборудования (Bergmann et al. J. Appl. Cryst. (2000), 33, 869-875) с использованием генератора рентгеновских лучей (Philips, PW 1730/10), работающего при 40 кВ и 50 мА, с Си-анодом в виде запаянной трубки. Для преобразования дивергентного полихроматического пучка рентгеновских лучей в сфокусированный линейный пучок Cu К излучения (λ=0,154 нм) использовалось зеркало Гебеля (Göbel). Диаграмма 2D рассеяния регистрировалась детектором с изображающей пластиной и интегрировалась в одномерную функцию рассеяния I (q) с помощью программного пакета SAXSQuant (Anton Paar, Graz, Austria), где q - длина вектора рассеяния, определяемая как q=(4π/λ)sinθ/2; λ - длина волны, θ - угол рассеяния. Широкие пики профилей рассеяния "считывались" путем приведения указанных данных в соответствие с обобщенным косвенным методом Фурье-преобразования (Bergmann et al. (2000), 33, 1212-1216). Характеристические расстояния задавались как d=2π/q. Фиг.3 показывает диаграммы малоуглового рассеяния рентгеновских лучей в эмульсии ISAMULSION (такой же, какая исследовалась на фиг.2) вместе с соответствующей недисперсной общей масляной фазой (наноструктурированной добавлением LPA), из которой эта эмульсия была приготовлена, и с соответствующей одинарной эмульсией (без LPA, без наноструктуры). Можно видеть, что ISAMULSION показывает такое же положение пиков, что и недисперсная общая масляная фаза, из которой она была приготовлена. Характеристическое расстояние в случае обеих составляет около 7,5 нм. Это характеристическое расстояние превышает диаметр гидрофильного домена. Следовательно, гидрофильные домены имеют размер менее 7 нм. Квалифицированному в данной области техники специалисту такой малый размер гидрофильных доменов свидетельствует о том, что внутренняя структура капли масла является термодинамически стабильной. Более того, в случае соответствующей одинарной эмульсии, в которую LPA не добавлялась (без наноструктуры), пика не наблюдалось. Это является дополнительным доказательством наличия наноразмерной самоорганизующейся структуры внутри капель масла эмульсии ISAMULSION. Она не изменяется при диспергировании в воде, что указывает на то, что внутренняя структура капель ISAMULSION находится в термодинамически равновесном состоянии.
Фиг.5 показывает схематическое изображение капли масла, наноструктурированной добавлением LPA. Специфицировано структурное определение гидрофильного домена. Гидрофильные домены включают полярную часть (головная группа) LPA (а не углеводородную хвостовую область и водную часть). Минимальный диаметр гидрофильного домена может составлять около 0,5 нм, что больше или меньше поперечного сечения 2 головных групп, не содержащих молекул воды. Минимальный размер полярной части липофильной добавки или эмульгатора составляет около 0,2 нм. Диаметр молекулы воды - около 0,3 нм.
Фиг.6 и 7 показывают измерения поверхностного натяжения на границе раздела масло-вода как функции содержания LPA (DIMODAN U) в масле (соевом масле).
Фиг.8 показывает диаметр D32 по Sauter в эмульсиях, приготовленных с малыми затратами энергии, как функцию содержания DIMODAN U в фазе соевого масла.
Примеры
Различные варианты воплощения настоящего изобретения обеспечивают эмульсию масло-в-воде, в которой дисперсные капли масла показывают наноразмерную самоорганизующуюся структуру гидрофильных доменов как следствие присутствия липофильной добавки (LPА). Присутствие LPА в масляной фазе позволяет приготовлять эмульсии масло-в-воде путем смешивания с малыми затратами энергии. Нижеследующие примеры служат лишь иллюстрацией изобретения и ни в коей мере не ограничивают изобретение, притязания которого регламентируются описанием и прилагаемой формулой изобретения.
Пример 1. Характерные примеры эмульсии ISAMULSION, показывающие, как обнаружить специфическую структуру капель ISAMULSION в контрольной модельной системе
В типичных случаях от 1 до 5 мас.% минерального масла, такого как тетрадекан, добавлялись к 95 мас.% воды, уже содержащей 0,375 мас.% эмульгатора (Tween 80 или Pluronic F127). Затем к смеси добавлялись от 0,5 до 4 мас.% LPA (глицерол-монолинолеат). Общее количество липофильных молекул (минеральное масло+LPA) составило 4,625 мас.% (α от 9 до 80). После этого проводилась обработка ультразвуком в течение 20 минут. ISAMULSION-й характер эмульсий был подтвержден крио-ТЕМ изображениями и кривыми SAXS, представленными на фиг.2 и фиг.3-4. Фиг.2, фиг.3 получены на основании таких же характерных примеров с композицией из 2,4 мас.% минерального масла (тетрадекан), 2,2 мас.% LPA (α=48), 0,375 мас.% основного эмульгатора (Pluronic F127) и 95 мас.% воды. В дополнение к этому, были приготовлены и подвергнуты анализу соответствующие общие образцы (недиспергированные образцы, содержащие масло и LPА, но без стабилизатора эмульсии). Массовое отношение масло (тетрадекан):LPA (глицерил-монолинолеат) составило 1,1:1,0. Смесь (масло+LPA+вода) нагревалась и перемешивалась с помощью Vortex до получения гомогенного образца. После добавления 0; 5 или 10 мас.% воды к смеси масла с LPA образец стал прозрачным, что указывает на то, что вода полностью солюбилизировала смесь масла с LPA и что сформировалась микроэмульсия W/О. После добавления повышенных количеств воды образец показал разделение на фазы. Отмечено, что образцы, содержащие 15 и 20 мас.% воды, дали такие же кривые SAXS, что и образец соответствующей ISAMULSION (2,4 мас.% минерального масла, 2,2 мас.% LPA, 0,375 мас.% эмульгатора). Это указывает на то, что капли ISAMULSION показывают такое же характеристическое расстояние в 7,5 нм, какое наблюдалось в соответствующих общих фазах (см. фиг.2 и 3). Фиг.4 показывает, что эмульсии ISAMULSION начинают формироваться (например, наблюдается пик на кривой SAXS) уже при относительно низком содержании LPA и высоком содержании масла (например, 3,9 мас.% минерального масла (тетрадекан) и 0,725 мас.% LPA (глицерил-монолинолеат, α=16), 0,375 мас.% эмульгатора (Pluronic F127) и 95 мас.% воды). Однако в отсутствие LPА эмульсия ISAMULSION не образуется, как показано на фиг.3 (композиция из 4,625 мас.% масла (тетрадекан), 0,375 мас.% Pluronic F127, 95 мас.% воды). ISAMULSION образуется также и при более высоких количествах LPА (значениях α) (пример композиции: 1,32 мас.% тетрадекана, 3,3 мас.% LPA (α=71), 0,375 мас.% Pluronic F127). В этом случае структура более упорядоченная, чем при более низком значении α (содержании LPA), и показывает обратимое мицеллярно-кубическое строение гидрофильных доменов, как показано кривыми SAXS (фиг.6; верхняя кривая).
Пример 2. ISAMULSION, полученная гидротропным путем с перемешиванием и с помощью Vortex
1 мас.% эмульгатора (Pluronic F127) растворялся в 89 мас.% воды с образованием водного раствора. 2,5 мас.% минерального масла (тетрадекан) и 2,5 мас.% LPA (глицерол-монолинолеат, α=50) растворялись в 5 мас.% этаноле с образованием липидного раствора. Водный раствор медленно добавлялся к липидному раствору в условиях Vortex-перемешивания. По окончании процесса сформировалась ISAMULSION, т.е. капли, имеющие внутреннюю наноразмерную самоорганизующуюся структуру.
Пример 3. Эмульсии ISAMULSION, полученные встряхиванием вручную липидной и водной фаз
От 0,5 до 4,5 мас.% соевого масла (в пересчете на общий эмульсионный продукт) смешивались сначала с 0,5-2,0 мас.% LPA (Dimodan U/J, Danisco, Denmark; в пересчете на общий эмульсионный продукт, 10≤α≤80) для приготовления липидной фазы. Эта смесь добавлялась к 95% воды, содержащей 0,375% эмульгатора (Pluronic F127). Общее количество липидной фазы (масло+LPA; в пересчете на общий эмульсионный продукт) составило 4,625 мас.% Смесь встряхивалась вручную. Сформировалась гомогенная и относительно стабильная эмульсия, напоминающая молоко. ISAMULSION-й характер эмульсий был подтвержден полученными крио-ТЕМ изображениями и SAXS-анализом.
Пример 4. Эмульсии ISAMULSION, полученные смешиванием липидной фазы с обезжиренным молоком с помощью пропеллерной мешалки
1,2 мас.% соевого масла (в пересчете на общий эмульсионный продукт) смешивались сначала с 1,8 мас.% LPA (Dimodan U/J, Danisco, Denmark; в пересчете на общий эмульсионный продукт, α=60) для приготовления липидной фазы. 3 мас.% этой липидной фазы добавлялись к 97% обезжиренного молока. Смесь перемешивалась пропеллерной мешалкой. Сформировалась гомогенная и стабильная эмульсия, напоминающая молоко. 50% эмульгированных капель масла имели размер менее 44 мкм, измерение которого проводилось с помощью Malvern Mastersizer. Измеренный D32 составил 10 мкм. Молоко и капли масла в молоке все еще оставались стабильными спустя одну неделю хранения при температурах холодильника. Однако сравнительная оценка с соответствующими молочными продуктами, изготовленными только из соевого масла (без добавления LPA к масляной фазе) с применением такого же способа приготовления, показала, что капли масла в этих продуктах были значительно крупнее, чем в эмульсии по изобретению (в которой капли масла содержат LPA), и продукты (молоко) показали значительное образование отстоя спустя одну неделю хранения при температурах холодильника. Только 50% капель масла в продуктах (молоке) после приготовления имели размер менее 150 мкм (D32 составил 35 мкм). Это означает, что они более чем в 3 раза были крупнее капель масла эмульсии по настоящему изобретению, в которой масло содержало 60% (в пересчете на липидную фазу) LPA.
Пример 5. Эмульсии ISAMULSION, полученные путем смешивания липидной фазы с водной фазой, содержащей казеинат натрия, с помощью пропеллерной мешалки 39 мас.% соевого масла (в пересчете на общий эмульсионный продукт) смешивались сначала с 1,0 мас.% LPA (Dimodan U/J, Danisco, Дания; в пересчете на общий эмульсионный продукт, α=2,5) для приготовления липидной фазы. 40 мас.% этой липидной фазы добавлялись к 60% 5 мас.%-ного раствора казеината натрия. Смесь перемешивалась пропеллерной мешалкой. Сформировалась гомогенная и стабильная эмульсия масло-в-воде, напоминающая молоко. 50% эмульгированных капель масла имели размер менее 73 мкм по результатам измерения с помощью Malvern Mastersizer. Измеренный D32 составлял 13 мкм (см. фиг.9). Эмульсия и капли масла в эмульсии все еще оставались стабильными спустя одну неделю хранения при температурах холодильника. Однако сравнительная оценка с соответствующей эмульсией, приготовленной только из соевого масла (без добавления LPA к масляной фазе) таким же способом, показала, что эта эмульсия содержала капли масла, которые были значительно крупнее капель масла эмульсии по настоящему изобретению (в которой капли масла содержали LPA, см. фиг.9), и сама эмульсия показала значительное расслоение и некоторое количество отделившегося свободного масла на поверхности раствора спустя одну неделю хранения при температурах холодильника. Что касается размера капель масла в указанной эмульсии, то 50% из них имели размер менее 150 мкм после приготовления и D32 - 35 мкм (см. фиг.9), т.е. были значительно крупнее капель масла в соответствующей эмульсии по настоящему изобретению, в которой масло содержало 2,5 мас.% LPA (в пересчете на масляную фазу).
Меньшие средние размеры капель, генерируемых в композиции ISAMULSION, связаны с более низким поверхностным натяжением γ между липидной фазой (соевое масло плюс Dimodan U/J) и чистой водой (γ≤5 мН/м) по сравнению с поверхностным натяжением, измеренным между маслом (без добавления Dimodan U/J) и чистой водой (γ>5 мН/м) (см. фиг.7 и 8).
Эмульсии ISAMULSION, приготовленные согласно вышеописанным примерам, можно использовать как таковые или в качестве добавки.
После ознакомления с полным описанием изобретения квалифицированным в данной области специалистам станет понятно, что его практическое воплощение может выполняться в широком и эквивалентном диапазоне условий смешивания и композиций без ущемления масштаба изобретения или какого-либо из его вариантов.