A. Deux liquides non miscibles. B. Émulsion instable. C. Les deux liquides se séparent progressivement. D. Untensioactif (ou agent de surface) entoure les gouttelettes d'un des liquides, stabilisant l'émulsion.
Uneémulsion est unmélange hétérogène de deux substances liquides nonmiscibles, l'une étantdispersée sous forme de petites gouttelettes dans l'autre. Ce sont toujours deux liquides qui ne se mélangent pas spontanément (non miscibles), comme l’eau et l’huile, mais qui vont grâce à des opérations spécifiques (agitation, mélange, ajout de quelquesprincipes actifs) adopter un aspect macroscopiquement homogène, mais microscopiquement hétérogène. L'une des substances sera dispersée dans la seconde substance sous forme de gouttelettes. Le mélange reste stable grâce à un troisième ingrédient appelé « émulsifiant » (vitesse oucinétique d'évolution du mélange quasi nulle).
Unemousse ressemble à une émulsion mais la seconde substance est ungaz (au lieu d'un liquide), dispersé sous forme de bulles. Une autre différence importante entre mousses et émulsions est lafraction volumique de la phase dispersée (gaz), en général beaucoup plus élevée dans les mousses les plus stables.
Enphotographie argentique, on désigne également du nom d'« émulsion » une pellicule considérée du point de vue de ses caractéristiques techniques (sensibilité, réciprocité…). Le nom remonte aux premières années de laphotographie où l'on étendait une émulsion photosensible sur un support en verre avant de prendre un cliché.
Une émulsion est un cas particulier decolloïde. Les deux substancesliquides en présence sont appelées desphases. Une des phases est continue. L'autre phase, discontinue, est dispersée dans la première phase sous forme de petites gouttelettes.
Les émulsions sont souvent composées d'une phase aqueuse, semblable à de l'eau, et d'une phase huileuse, semblable à de l'huile.
Une émulsion huile dans eau (H/E ou O/W pouroil in water) est composée d'une phase huileuse dispersée dans une phase aqueuse. Il s'agit d'une émulsion « directe ».
Une émulsion eau dans huile (E/H ou W/O pourwater in oil) est composée d'une phase aqueuse dispersée dans une phase huileuse. Une émulsion E/H est plus grasse au toucher, car le toucher correspond majoritairement à la nature de la phase externe. Une telle émulsion est dite « inverse ».
On peut également trouver des émulsions multiples H/E/H ou E/H/E[1].
Les mots miniémulsion et nanoémulsion sont utilisés fréquemment d'une façon interchangeable pour désigner toutes les émulsions dont la taille des particules est inférieure à celle des macroémulsions. Une miniémulsion est obtenue en mélangeant deux liquidesnon-miscibles (exemples typiques :hexadécane avechexadécanol) avec untensioactif et un co-tensioactif. Le mélange se fait généralement parultrasonification ou parhomogénéisation à haute pression.
Contrairement aux émulsions listées précédemment qui correspondent à la dispersion d'une phase dans une autre sous forme de particules, unemicroémulsion correspond à une seule phase où il n’y a pas de particules[3],[4].
Macroémulsion
Miniémulsion ou nanoémulsion
Microémulsion
Nombre de tensioactifs
Au moins un
Au moins deux : un tensioactif et un co-tensioactif
Au moins deux : un tensioactif et un co-tensioactif
Les émulsifiants, appelés parfois émulsionnants, stabilisent l'émulsion. Ce sont le plus souvent destensioactifs ou agents de surface. Cependant, des particules solides (émulsions de Pickering), des polymères synthétiques ou des macromolécules biologiques peuvent aussi jouer ce rôle. Lejaune d'œuf sert d'émulsifiant dans la préparation desauces en cuisine. Cette propriété est due à lalécithine qu'il contient. La lécithine se trouve également dans lesoja et est très utilisée dans les préparations industrielles. Lacaséine est une protéine du lait qui est émulsifiante.
Dans l'industrie agroalimentaire, les émulsifiants sont des produits chimiques utilisés pour augmenter l'onctuosité de certains produits, permettant ainsi d'obtenir une texture particulière.Les principaux émulsifiants utilisés dans l'industrie agroalimentaire sont :
Lalécithine naturelle, notamment en chocolaterie ;
Les mono- et diglycérides d'acides gras alimentaires (E471,E472c, etc.) sont obtenus parhydrolyse, soit à partir de graisses et produits animaux (ex. panses de bœuf) soit à partir d'huiles végétales, comme l'huile de palme. Le produit final se présente sous la forme de cristaux liposolubles (c'est-à-dire solubles dans les corps gras), de couleur blanchâtre ou jaune très clair. Les étiquettes détaillant les ingrédients d'un produit ne permettent en général pas de savoir dans quel cas on se trouve (c'est-à-dire si le ou les émulsifiants utilisés sont d'origine animale ou végétale).
Dans la vie quotidienne, de nombreux produits sont des émulsions. On peut noter les crèmes et autres cosmétiques, mais aussi lamayonnaise ou lepastis préparé avec de l'eau (effet Ouzo).
Phase huileuse : huile. Phase aqueuse :vinaigre. Lavinaigrette est une émulsion instable. L'huile et le vinaigre ont tendance à se séparer. Elle peut être rendue cinétiquement stable en ajoutant de lamoutarde. Lescellules de moutarde broyées libèrent desphospholipides, untensioactif.
Phase huileuse : huile. Phase aqueuse : vinaigre et éventuellement moutarde. Émulsifiant : la lécithine du jaune d'œuf est l'émulsionnant (tensioactif). Lamayonnaise est une émulsion cinétiquement stable.
Phase huileuse : huile d'olive. Phase aqueuse : pulpe de l'ail. À noter que le véritableaïoli se prépare seulement à l'ail et l'huile, et que les tensioactifs se trouvent dans la pulpe d'ail.
L'encapsulation des principes actifs, grâce aux émulsions doubles eau-huile-eau, permet par exemple de délivrer des substances, avec une grande précision spatiale[5]. Elle permet de modifier la distribution de certains médicaments dans l'organisme (ex. : pour diminuer la toxicité rénale de l'amphotéricine B).
Pour permettre de rendre une émulsion stable dans le temps, il est nécessaire de réduire la taille des particules de la phase discontinue (loi de Stokes). Plus la taille recherchée sera petite, plus il faudra d'énergie pour l'obtenir. Il existe plusieurs appareils capables de réaliser une émulsion ; depuis l'agitateur jusqu'à l'homogénéisateur à haute pression, en passant par lemoulin colloïdal et le turbo émulsionneur. L'homogénéisateur haute pression est l'une des techniques permettant d'obtenir des tailles de particules les plus petites, puisqu'il peut obtenir des tailles inférieures à 500 nm.
Le principe est simple : une pompe à pistons plongeurs va pousser le fluide à émulsionner à travers un orifice réglable, appelé groupe homogénéisant. Plus l'orifice sera faible, plus la pression affichée sera élevée. Au passage de cet obstacle le fluide subit différentes contraintes, telles la turbulence, la cavitation, le cisaillement, qui vont générer la dislocation des particules du fluide de la phase discontinue. Les homogénéisateurs haute pression sont utilisés dans l'industrie laitière depuis la fin duXIXe siècle (inventeur Gaulin).
D'autres industries utilisent aujourd'hui ces appareils, capables d'atteindre1 500 bar en production continue (Niro Soavi) telles l'industrie des cosmétiques, l'industrie pharmaceutique et d'autres industries alimentaires (ingrédients, boissons, etc.). Les techniquesmicrofluidiques permettent désormais d'obtenir des émulsions dont les tailles de gouttes sont mieux contrôlées.
La Water Plant Emulsion (WPE) est un exemple de technologie permettant à deux substances liquides non miscibles (comme l'eau et l'huile) de se mélanger pour obtenir une substance homogène. La première substance est dispersée dans la seconde via des petites gouttelettes et ce mélange reste stable grâce à un émulsionnant. Ce procédé est utilisé en parfumerie, cosmétique, aromathérapie et compléments alimentaires notamment, il renforce l’efficacité des actifs dont les ingrédients actifs sont répartis de façon homogène dans le produit[6].
Les émulsions sont instables du point de vue thermodynamique, cependant elles peuvent être stables du point de vue cinétique sur une importante période, ce qui détermine leur durée de vie. Cette durée doit être mesurée, afin d’assurer la bonne qualité du produit pour le client final. « Emulsion stability refers to the ability of an emulsion to resist change in its properties over time », D.J. McClements[7] (« La stabilité d'une émulsion est sa capacité à conserver les mêmes propriétés au cours du temps »).
Les déstabilisations peuvent être classées en deux phénomènes majeurs :
Phénomènes migratoires : par lesquels la différence de densité entre la phase continue et dispersée entraînent une séparation de phase gravitationnelle : pour les émulsions, on a ducrémage(en) (phase dispersée moins dense que la phase continue poussant celle-ci à migrer vers le haut) ou de lasédimentation. Ces phénomènes sont réversibles ;
Phénomènes d’augmentation de taille : par lesquels la taille des gouttes augmente :
Le rapport technique insiste sur l’intérêt d’analyser l’échantillon avec des techniques non destructives et présente les limites des méthodes d’accélération.
Méthodes d'accélération pour la prédiction de la durée de vie
Le processus cinétique de déstabilisation peut prendre du temps, d’où l’intérêt des techniques avec une plus grande sensibilité et les méthodes d’accélération. L’élévation de la température est la méthode la plus employée et permet une diminution de la viscosité, augmentation des phénomènes de diffusion/collision.
D’autres techniques d’accélération peuvent être utilisées comme la centrifugation, mais doivent être prises avec précaution car les forces exercées sur le système peuvent engendrer des modifications des propriétés originelles de l’échantillon (changement de viscosité, modification du réseau du polymère, ségrégation des particules, etc.) et donc fournir des résultats différents de la réalité.
