Kelly Muijlwijk

Emulsies zijn dispersies van een vloeistof in een andere die worden gebruikt in verschillende producten, en om emulsies te maken worden methodes zoals hogedruk homogenisatoren en colloïdmolens gebruikt die ervoor zorgen dat druppels verkleind worden. Behalve opbreken van druppels treedt ook snelle coalescentie van druppels op tijdens emulgeren, en dit vergroot de druppelgrootte en -distributie. Deze eigenschappen zijn belangrijk voor de uiteindelijke emulsie-eigenschappen en moeten daarom worden beheerst.

Om de stabiliteit van de gevormde emulsies te verhogen worden emulgatoren toegevoegd, en die adsorberen idealiter op het olie-wateroppervlak voordat de druppels met elkaar in contact komen. Voor emulgatoradsorptie is typisch een tijdsbestek van sub-milliseconden tot seconden nodig, en om het emulgeerproces te optimaliseren moet emulgatoradsorptie en coalescentiestabiliteit worden gemeten op deze tijdschaal, en dat kan met de microfluïdische methoden beschreven in deze thesis.

Hoofdstuk 2 verschaft een overzicht van de bestaande literatuur op het gebied van langsstroom-emulgeren met microfluïdische systemen. De effecten van verschillende parameters zoals het microfluïdisch design, afschuif-, en grensvlakspanningskrachten op druppelvorming en de uiteindelijke druppelgrootte worden bediscussieerd, alsmede het gebruik van microfluïdische methoden om emulsies te produceren geschikt voor toepassing in levensmiddelen. Gebaseerd op deze evaluatie zijn methodes gekozen om grensvlakspanning en coalescentiestabiliteit te meten, en deze zijn beschreven in de volgende hoofdstukken.

Om emulgatoradsorptie te meten in de sub-milliseconden tijdschaal is een tensiometrische methode ontwikkeld waarbij een langsstroom-microfluïdische Y-splitsing wordt gebruikt, zoals beschreven in Hoofdstuk 3. Deze methode is gebaseerd op de relatie tussen druppelgrootte en de grensvlakspanning op het moment van druppelvorming, de heersende grensvlakspanning genaamd. De heersende grensvlakspanning is succesvol gemeten voor een systeem bestaande uit hexadecaan (disperse fase) en natriumdodecylsulfaat (SDS, een model emulgator) oplossingen (continue fase) voor druppelvormingstijden variërend van 0.4 tot 9.4 milliseconden en met hoge expansiesnelheden (100-2000 s-1). Vergelijking van deze resultaten met data verkregen met een druppeltensiometer (een conventionele, statische methode die meet in het seconden bereik) duidt aan dat massatransport in de microfluïdische Y-splitsing dusdanig snel is dat die waarschijnlijk niet gelimiteerd wordt door diffusie.

De massatransportcondities zijn verder onderzocht in Hoofdstuk 4. De viscositeit en snelheid van de continue fase zijn systematisch gevarieerd en het effect op de heersende grensvlakspanning in de aanwezigheid van wateroplosbaar SDS is gemeten. We hebben gevonden dat de heersende grensvlakspanning onafhankelijk is van de viscositeit, en omgekeerd evenredig met de snelheid van de continue fase. Door beide aspecten concluderen wij dat convectief emulgatortransport de acterende oppervlaktespanning in de Y-splitsing bepaalt. Voor het olie-oplosbare Span 20 (opgelost in hexadecaan) daalt de acterende oppervlaktespanning bij toenemende snelheid van de continue fase, en dat geeft aan dat ook massatransport van emulgatoren opgelost in de te dispergeren fase door convectie wordt gedomineerd.

De Y-splitsing methode is gebruikt in Hoofdstuk 5 om het effect van de disperse fase-viscositeit op adsorptie van emulgatoren geschikt voor toepassing in levensmiddelen, Tween 20 (opgelost in de continue waterfase) en Span 20 (opgelost in de disperse oliefase), te verhelderen. Bij lagere viscositeit van de disperse fase neemt adsorptie van Tween 20 toe, waarschijnlijk omdat de kortere koolwaterstofketen intercalatie op het emulsieoppervlak vergemakkelijkt. De viscositeit van de disperse fase heeft een additioneel effect omdat convectief transport van Span 20 naar het emulsieoppervlak verhoogd wordt bij lagere viscositeit.

Naast de grensvlakspanning kan ook coalescentie worden gemeten met microfluïdische methoden en in Hoofdstuk 6 wordt de coalescentiestabiliteit kort na druppelvorming onder stroming bepaald. Coalescentie van emulsies gestabiliseerd met eiwitten is gemeten voor verschillende concentraties, pH waarden, en adsorptietijden. We hebben gevonden dat oppervlakken die naar verwachting een bedekking hebben die net onder monolaag bedekking ligt al effectief beschermd worden tegen coalescentie. β-lactoglobuline-gestabiliseerde emulsies waren het meest stabiel. Emulsies gestabiliseerd met wei eiwit isolaat (met als hoofdbestanddeel β-lactoglobuline) waren minder stabiel, en als deze eiwitten waren geoxideerd leidde dit tot een verdere reductie van stabiliteit. Dit geeft aan dat ook de oxidatieve staat van eiwitten van belang is voor emulsieformulering.

De relevantie van ons werk voor microfluïdisch onderzoek en industriële emulgeerprocessen is bediscussieerd in Hoofdstuk 7. Microfluïdische methoden kunnen worden gebruikt om emulsievorming en -stabiliteit onder condities relevant voor industriële emulgeerprocessen te onderzoeken; dat wil zeggen gebruikmakend van korte tijdschalen en met convectief massatransport. In dit proefschrift zijn verschillende ingrediënten gebruikt die geschikt zijn voor toepassing in levensmiddelen, en daarmee is toepassing in dat veld dichterbij gekomen. We verwachten dat deze vindingen ook kunnen worden toegepast op schuim. Met de besproken microfluïdische methoden kunnen verschillende aspecten die van belang zijn tijdens emulsievorming ontkoppeld worden: bijvoorbeeld grensvlakspanning tijdens druppelvorming en stabiliteit van emulsies tegen coalescentie. Verder zijn er microfluïdische methoden waarmee bijvoorbeeld inzicht kan worden verkregen in oppervlaktemobiliteit en emulsiestabiliteit tijdens opslag, en we voorzien dat al deze microfluïdische methoden zullen leiden tot snellere ingrediëntscreening, verlaging van ingrediëntgebruik, en een efficiëntere emulsieproductie.