乳剤

エマルジョンは、液液相分離により通常は混ざらない(混合またはブレンドできない) 2 つ以上の液体の混合物です。エマルジョンは、コロイドと呼ばれる、より一般的な 2 相系の物質の一部です。コロイドとエマルジョンという用語は互換的に使用される場合もありますが、分散相と連続相の両方が液体である場合は、エマルジョンを使用する必要があります。エマルジョンでは、一方の液体 (分散相) がもう一方の液体 (連続相) に分散しています。エマルジョンの例には、ビネグレットソース、均質化牛乳、液体生体分子凝縮物、金属加工用の切削液などがあります。

2 つの液体は、異なるタイプのエマルジョンを形成できます。たとえば、油と水は、まず、油が分散相で水が連続相である水中油型エマルジョンを形成します。次に、水が分散相で油が連続相である油中水型エマルジョンを形成します。また、「水中油中水」エマルジョンや「油中水中油」エマルジョンなど、複数のエマルジョンを形成することもできます。^[1]

エマルジョンは液体であるため、静的な内部構造を示しません。連続相（「分散媒体」と呼ばれることもあります）に分散された液滴は、通常、統計的に分布してほぼ球形の液滴を生成すると想定されます。

「エマルジョン」という用語は、写真フィルムの感光面を指す場合にも使用されます。このような写真エマルジョンは、ゼラチンマトリックスに分散したハロゲン化銀コロイド粒子で構成されています。原子核エマルジョンは、粒子物理学で高エネルギーの素粒子を検出するために使用される点を除いて、写真エマルジョンに似ています。

「エマルジョン」という言葉はラテン語のemulgere「搾り出す」に由来し、ex「搾り出す」+ mulgere 「搾り出す」から成り、牛乳は脂肪と水、そしてコロイド状 カゼインミセル（分泌された生体分子凝縮物の一種）などの他の成分の乳化物である。 ^[4]

エマルジョンには分散相と連続相の両方が含まれており、相間の境界は「界面」と呼ばれます。^[5]エマルジョンは、光がエマルジョンを通過するときに多くの相界面が光を 散乱させるため、曇った外観になる傾向があります。すべての光が均等に散乱されると、エマルジョンは白く見えます。エマルジョンが十分に薄い場合、高周波（短波長）の光がより多く散乱され、エマルジョンはより青く見えます。これは「チンダル効果」 と呼ばれます。 ^[6]エマルジョンが十分に濃縮されている場合、色は比較的長い波長に向かって歪み、より黄色く見えます。この現象は、脂肪分がほとんど含まれていない脱脂乳と、乳脂肪の濃度がはるかに高いクリームを比較すると簡単に観察できます。1つの例は、水と油の混合物です。^[7]

エマルジョンには、液滴サイズが 100 nm 未満のマイクロエマルジョンとナノエマルジョンという 2 つの特別なクラスがあり、半透明に見えます。 ^[8]この特性は、液滴のサイズが入射光の波長の約 4 分の 1 を超える場合にのみ、光波が液滴によって散乱されるという事実によるものです。可視光線のスペクトルは 390 ～ 750ナノメートル(nm) の波長で構成されているため、エマルジョン内の液滴サイズが約 100 nm 未満の場合、光は散乱されることなくエマルジョンを透過できます。^{[9]外観が似ているため、半透明のナノエマルジョンとマイクロエマルジョンは混同されることがよくあります。特殊な装置を使用して製造する必要がある半透明のナノエマルジョンとは異なり、マイクロエマルジョンは、}界面活性剤、共界面活性剤、共溶媒の混合物で油分子を「可溶化」することで自然に形成されます。^[8]しかし、マイクロエマルジョンに必要な界面活性剤濃度は、半透明ナノエマルジョンの濃度よりも数倍高く、分散相の濃度を大幅に上回ります。界面活性剤によって引き起こされる多くの望ましくない副作用のため、界面活性剤の存在は多くの用途で不利または禁止となります。さらに、マイクロエマルジョンの安定性は、希釈、加熱、またはpHレベルの変化によって簡単に損なわれることがよくあります。^[要出典]

一般的なエマルジョンは本質的に不安定であるため、自然に形成される傾向はありません。エマルジョンを形成するには、振とう、撹拌、均質化、または超音波照射^[10]によるエネルギー投入 が必要です。時間の経過とともに、エマルジョンはエマルジョンを構成する相の安定した状態に戻る傾向があります。この例として、ビネグレットソースの油と酢の成分の分離が挙げられます。これは不安定なエマルジョンであり、ほぼ継続的に振とうしないとすぐに分離します。このルールには重要な例外があります。マイクロエマルジョンは熱力学的に安定していますが、半透明のナノエマルジョンは運動学的に安定しています。^[8]

油と水のエマルジョンが「油中水型」エマルジョンになるか「水中油型」エマルジョンになるかは、両相の体積分率と存在する乳化剤（界面活性剤）の種類（下記の「乳化剤」を参照）によって決まる。^[11]

エマルジョン安定性とは、エマルジョンが時間の経過とともに特性の変化に抵抗する能力を指します。^{[12] [13]エマルジョンには、}凝集、合体、クリーミング/沈降、オストワルド熟成の4種類の不安定性があります。凝集は、液滴間に引力があるときに発生し、ブドウの房のようにフロックを形成します。このプロセスは、その程度が制御されている場合、エマルジョンの流動挙動などの物理的特性を調整するために望ましい場合があります。^[14]合体は、液滴が互いに衝突して結合し、より大きな液滴を形成するときに発生し、平均液滴サイズは時間の経過とともに大きくなります。エマルジョンはクリーミングを起こすこともあり、この場合、液滴は浮力の影響下で、または遠心分離機を使用したときに誘発される求心力の影響下でエマルジョンの上部に上昇します。^[12]クリーミングは乳製品や非乳製品飲料（牛乳、コーヒーミルク、アーモンドミルク、豆乳など）によく見られる現象で、通常は液滴の大きさは変化しません。^[15]沈降はクリーミングの逆の現象で、通常は油中水型エマルジョンで見られます。^[5]沈降は分散相が連続相よりも密度が高く、重力によって密度の高い球がエマルジョンの底に向かって引っ張られるときに起こります。クリーミングと同様に、沈降はストークスの法則に従います。

適切な界面活性剤は、エマルジョンの運動学的安定性を高め、液滴のサイズが時間の経過とともに大きく変化しないようにすることができます。懸濁液と同様に、エマルジョンの安定性は、液滴または粒子間の反発力を示すゼータ電位の観点から研究することができます。液滴のサイズと分散が時間の経過とともに変化しない場合は、安定していると言えます。^{[16]たとえば、}モノグリセリドとジグリセリド、および界面活性剤としてミルクタンパク質を含む水中油型エマルジョンは、25℃で28日間保存しても油滴のサイズが安定していることが示されました。^[15]

エマルジョンの安定性は、光散乱、集束ビーム反射率測定、遠心分離、レオロジーなどの技術を使用して特徴付けることができます。それぞれの方法には長所と短所があります。^[17]

不安定化の運動過程はかなり長く、数ヶ月から、製品によっては数年かかることもあります。^[18]多くの場合、製品設計時に妥当な時間で製品をテストするために、配合者はこの過程を加速する必要があります。最も一般的に使用されるのは熱的方法です。これは、不安定化を加速するために乳化温度を上げる方法です（転相または化学的劣化の臨界温度を下回る場合）。^[19]温度は粘度だけでなく、非イオン性界面活性剤の場合は界面張力にも影響し、より広い意味では、システム内の液滴間の相互作用にも影響します。乳化物を高温で保管すると、製品の現実的な条件をシミュレートできます（例：夏の暑い車内の日焼け止め乳化物のチューブ）が、不安定化プロセスも最大200倍加速します。^[要出典]

振動、遠心分離、撹拌などの機械的な加速方法も使用することができる。^[20]

これらの方法はほとんどの場合経験的であり、確かな科学的根拠はありません。^[要出典]

乳化剤は、油と水の界面張力を低下させることでエマルジョンを安定させる物質です。乳​​化剤は、界面活性剤、または「表面活性剤」として知られる化合物のより広いグループの一部です。 ^[21]界面活性剤は、通常両親媒性の化合物であり、極性または親水性（つまり、水溶性）部分と非極性（つまり、疎水性または親油性）部分を持っています。水に溶けやすい（逆に油に溶けにくい）乳化剤は、通常、水中油型エマルジョンを形成し、油に溶けやすい乳化剤は油中水型エマルジョンを形成します。^[22]

食品乳化剤の例は次のとおりです。

• 卵黄 – 主な乳化剤および増粘剤はレシチンです。
• マスタード^[23] –種子の殻を囲む粘液 に含まれるさまざまな化学物質が乳化剤として作用する。
• 大豆レシチンはもう一つの乳化剤と増粘剤である。
• ピカリング安定化 - 特定の状況下で粒子を使用する
• モノグリセリドとジグリセリド– 多くの食品（コーヒークリーム、アイスクリーム、スプレッド、パン、ケーキ）に含まれる一般的な乳化剤
• ステアロイル乳酸ナトリウム
• DATEM（モノグリセリドおよびジグリセリドのジアセチル酒石酸エステル） - 主にベーキングに使用される乳化剤
• タンパク質- 親水性領域と疎水性領域の両方を持つもの、例えば溶けるチーズ製品に含まれるカゼインナトリウムなど

食品エマルジョンでは、乳化剤の種類が胃の中でのエマルジョンの構造化や胃リパーゼに対する油のアクセス性に大きく影響し、それによってエマルジョンが消化される速度や満腹感を誘発するホルモン反応の誘発に影響を及ぼします。^[24]

洗剤は界面活性剤の別のクラスであり、油と水の両方と物理的に相互作用し、懸濁液中の油滴と水滴の間の界面を安定化します。この原理は石鹸で利用されており、洗浄目的で油脂を除去します。薬局では、クリームやローションなどの乳剤を調製するためにさまざまな乳化剤が使用されています。一般的な例としては、乳化ワックス、ポリソルベート20、セテアレス20などがあります。^[25]

場合によっては、内側の相自体が乳化剤として作用し、その結果、内側の状態が外側の相内で「ナノサイズ」の液滴に分散するナノエマルジョンが生成される。この現象のよく知られた例である「ウーゾ効果」は、ウーゾ、パスティス、アブサン、アラック、ラキなどの強いアルコールのアニスベースの飲料に水を注いだときに発生する。エタノールに溶けるアニソール化合物は、ナノサイズの液滴を形成し、水中で乳化する。その結果、飲み物の色は不透明で乳白色になる。

乳化のプロセスには、さまざまな化学的および物理的なプロセスとメカニズムが関与している可能性がある。^[5]

• 表面張力理論 - この理論によれば、乳化は2つの相間の界面張力の低下によって起こる。
• 反発理論 - この理論によれば、乳化剤は1つの相の上に膜を作り、それが互いに反発する小球を形成します。この反発力により、小球は分散媒体中に浮遊したままになります。
• 粘度調整 -アカシアやトラガカントなどの親水コロイドである乳剤、PEG（ポリエチレングリコール）、グリセリン、CMC（カルボキシメチルセルロース）などの他のポリマーはすべて、媒体の粘度を高め、分散相の球状の懸濁液を作成し、維持するのに役立ちます。

水中油型エマルジョンは食品によく見られます。

• マヨネーズとオランデーズソース– これらは、卵黄レシチン、またはステアロイル乳酸ナトリウムなどの他の種類の食品添加物で安定化された水中油型エマルジョンです。
• 均質化牛乳– 乳脂肪を水に溶かした乳液で、乳タンパク質を乳化剤として使用します。
• ビネグレット– 酢に植物油を混ぜた乳化液。油と酢のみ（乳化剤なし）で作ると、不安定な乳化液になる。

油中水型エマルジョンは食品ではあまり一般的ではありませんが、それでも存在します。

• バター– バター脂肪中の水の乳化物
• マーガリン

他の食品もエマルジョンに似た製品に変えることができます。たとえば、肉エマルジョンは、真のエマルジョンに似た液体中の肉の懸濁液です。

製薬、ヘアスタイリング、パーソナルケア、化粧品の分野では、エマルジョンが頻繁に使用されています。これらは通常、油と水のエマルジョンですが、分散しており、連続的であるかは多くの場合、医薬品の処方によって異なります。これらのエマルジョンは、主に油と水の比率、他の添加物、および意図された投与経路に応じて、クリーム、軟膏、リニメント（香油）、ペースト、フィルム、または液体と呼ばれることがあります。^{[26] [27]}最初の5つは局所投与形態であり、皮膚の表面、経皮、眼科、直腸、または膣に使用できます。高度に流動性のあるエマルジョンは経口で使用することも、場合によっては注射することもできます。 ^[26]

マイクロエマルジョンはワクチンを送達したり、微生物を殺したりするために使用される。^[28]これらの技術で使用される典型的なエマルジョンは、粒子の直径が400〜600 nmの大豆油ナノエマルジョンである。 ^{[29]このプロセスは、他の種類の}抗菌処理のように化学的ではなく、機械的なものである。液滴が小さいほど表面張力が大きくなり、したがって他の脂質と融合するために必要な力が大きくなる。油は、高せん断ミキサーを使用して洗剤で乳化され、エマルジョンを安定させるため、細菌やウイルスの細胞膜またはエンベロープ内の脂質に遭遇すると、脂質同士が融合するように強制される。大規模なスケールでは、実際にはこれが膜を崩壊させ、病原体を殺します。大豆油エマルジョンは、膜構造の特殊性のためにナノエマルジョンに対して脆弱な精子細胞と血球を除き、正常なヒト細胞や他のほとんどの高等生物の細胞に害を及ぼしません。このため、これらのナノエマルジョンは現在静脈内（IV）には使用されていません。このタイプのナノエマルジョンの最も効果的な用途は、表面の消毒です。一部のタイプのナノエマルジョンは、非多孔性表面上のHIV-1および結核病原体を効果的に破壊することが示されています。

• 経口薬物送達：乳剤は、溶解性が低い、または生物学的利用能または溶解速度が低い薬物を投与する効率的な手段を提供し、溶解速度と吸収の両方を高めて生物学的利用能を高め、生物学的利用能を改善する。乳剤によって提供される表面積を増やすことで、薬物の溶解速度と吸収速度が上がり、生物学的利用能が改善される。^[30]
• 局所製剤：乳剤は、クリーム、ローション、軟膏などの局所薬物送達製剤のベースとして広く利用されています。乳剤を配合することで、親油性薬剤と親水性薬剤を混合し、有効成分の皮膚への浸透を最大限に高めることができます。^[31]
• 非経口薬物送達：乳剤は静脈内または筋肉内投与の薬物のキャリアとして機能し、親油性の薬物を可溶化し、分解を防ぎ、注射部位の刺激を軽減します。例としては、広く使用されている麻酔薬のプロポフォールや、完全非経口栄養投与に使用される脂質ベースの溶液などがあります。^[32]
• 眼への薬物送達：乳剤は点眼薬やその他の眼への薬物送達システムの処方に使用でき、眼内での薬物の保持時間を延長し、角膜バリアをより容易に透過すると同時に、有効成分の持続放出を提供し、治療効果を高めます。^[33]
• 鼻腔および肺への薬物送達：乳剤は鼻腔スプレーや吸入可能な医薬品の製造に理想的な媒体であり、鼻腔および肺粘膜を通じた薬物の吸収を高め、局所刺激を軽減しながら持続放出を実現します。^[34]
• ワクチンアジュバント：エマルジョンは、特定の抗原に対する免疫反応を強化することでワクチンアジュバントとして機能します。エマルジョンは、抗原の溶解性と免疫細胞による取り込みを高めると同時に、制御された放出を提供し、免疫反応を増幅し、その効果を増幅します。^[35]
• 味のマスキング：乳剤は苦味や不快な味の薬剤を包み込むために使用され、その味をマスキングして患者の服薬コンプライアンスを高めることができます。特に小児用製剤では有効です。^[35]
• 薬用化粧品：エマルジョンは、化粧品と医薬品の特性を兼ね備えた薬用化粧品に広く利用されています。これらのエマルジョンは、ビタミン、抗酸化物質、美白剤などの有効成分のキャリアとして機能し、肌への浸透性を高め、安定性を高めます。^[36]

乳化剤は、可燃性液体の小規模で薄い層の流出（クラスB火災）の消火に効果的です。このような薬剤は燃料を燃料-水エマルジョンに包み込み、それによって可燃性蒸気を水相に閉じ込めます。このエマルジョンは、高圧ノズルを通して界面活性剤水溶液を燃料に塗布することで実現します。乳化剤は、バルク/深層液体燃料が関与する大規模な火災の消火には効果的ではありません。これは、消火に必要な乳化剤の量が燃料の体積の関数であるのに対し、水性フィルム形成フォームなどの他の薬剤は 、蒸気緩和を達成するために燃料の表面を覆うだけでよいためです。^[37]

エマルジョンはポリマー分散液の製造に使用されます。エマルジョン「相」でのポリマー製造には、製品の凝固防止など、プロセス上の利点が数多くあります。このような重合によって生成された製品は、エマルジョンとして使用できます。製品には、接着剤や塗料の主成分が含まれます。合成ラテックス(ゴム) もこのプロセスで製造されます。

• フィリップ・シャーマン、英国レオロジー協会(1963)。エマルジョンのレオロジー：英国レオロジー協会主催シンポジウムの議事録...ハロゲート、1962 年 10 月。マクミラン。ISBN 9780080102900。
• ナノ構造材料とナ​​ノテクノロジーのハンドブック; Nalwa, HS, Ed.; Academic Press: ニューヨーク、ニューヨーク、米国、2000年; 第5巻、pp. 501–575

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