Ρεολογικός χαρακτηρισμός διεπιφανειών για τη μελέτη σταθερότητας γαλακτωμάτων με χρήση μη συμβατικών τασενεργών

Abstract

Aim of this study is a) the physicochemical and rheological characterization of two nonconventional (biodegradable and biocompatible) surfactants at air-liquid and liquid-liquid interfaces, b) the evaluation of their performance as emulsion stabilizers and c) the interpretation of emulsion stability based on the rheological and physical characteristics of the interfaces.These molecules have a glycerol ether structure with 12 carbon atoms in the hydrophobic alkyl chain but different amino acids in their hydrophilic heads: phenylalanine (PhGE12) and tyrosine (TyrGE12).Measurements of surface and interfacial tension (static and dynamic) are carried out at air/liquid and liquid/liquid interfaces, respectively. Surface activity and adsorption kinetics of surfactants to interfaces are studied with complementary techniques for surface ages spanning from milliseconds to hours. Critical Micelle Concentration value and other thermodynamic properties are presented.Measurements of interfacial dilatational viscoelasticity are conducted at the air/liquid and liquid/liquid interfaces. Measurements of interfacial dilatational storage modulus and loss modulus indicate a chiefly elastic character of the adsorption layer. Local peaks in the values of both moduli imply that structural changes occur with increasing concentration. However, these changes seem to be unrelated to the presence of micelles.Comparison of the two glycerol ether surfactants reveals that at the air/liquid interfaces TyrGE12 attains much lower surface tension values and exhibits faster interfacial adsorption than PhGE12 whereas it takes higher viscoelasticity values for concentrations below the CMC. On the contrary, at the liquid/liquid interface PhGE12 attains much lower interfacial tension values and exhibits faster interfacial adsorption than TyrGE12 whereas interfacial dilatational viscoelasticity values are comparable between the two surfactants.Phenyl- and Tyrosine-glycerol ether surfactants are studied as emulsion stabilizers. Emulsions stability is assessed by monitoring the time evolution of creaming index. To interpret observations, measurements of the emulsions’ initial droplet size distributions and apparent bulk viscosity are employed. It is found that at similar surfactant concentrations, PhGE12 emulsions exhibit better stability than TyrGE12 emulsions.

Η παρούσα διατριβή έχει ως σκοπό α) το ρεολογικό και φυσικοχημικό χαρακτηρισμό διεπιφανειών με χρήση δύο μη-συμβατικών (βιοδιασπώμενων και βιοσυμβατών) επιφανειοδραστικών μορίων σε διεπιφάνειες αέρα-υγρού και υγρού-υγρού, β) την εφαρμογή των μη-συμβατικών τασενεργών στην παρασκευή γαλακτωμάτων και γ) τη ερμηνεία της σταθερότητας των γαλακτωμάτων με βάση τα ρεολογικά και φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των διεπιφανειών. Τα μόρια έχουν δομή γλυκερολικού αιθέρα, στα οποία η υδρόφοβη ουρά αποτελείται από ανθρακική αλυσίδα με 12 άτομα άνθρακα και στην υδρόφιλη κεφαλή έχει τοποθετηθεί ένα αμινοξύ: φαινυλαλανίνη (PhGE12) και τυροσίνη (TyrGE12).Μετρήθηκαν η επιφανειακή και η διεπιφανειακή τάση (στατικές και δυναμικές) στις διεπιφάνειες αέρα-υγρού υγρού-υγρού, αντίστοιχα. Χρησιμοποιήθηκαν συμπληρωματικές τεχνικές, που καλύπτουν ευρύ φάσμα ηλικιών της διεπιφάνειας, με σκοπό να μετρηθεί η επιφανειοδραστικότητα και η κινητική της προσρόφησης των ενώσεων στις διεπιφάνειες.Έγιναν μετρήσεις της διασταλτικής (dilatational) ιξωδοελαστικότητας στις διεπιφάνειες αέρα-υγρού και υγρού-υγρού. Οι μετρήσεις των διεπιφανειακών διασταλτικών μέτρων αποθήκευσης και απώλειας φανερώνουν τον κυρίαρχο ελαστικό χαρακτήρα του στρώματος προσρόφησης. Οι τοπικές κορυφές στις τιμές και των δύο αυτών μεγεθών μαρτυρούν ότι με την αύξηση της συγκέντρωσης λαμβάνουν χώρα δομικές αλλαγές στη διεπιφάνεια, που δεν φαίνονται να επηρεάζονται, ή επηρεάζονται ελάχιστα, από την παρουσία μικηλλίων.Με σύγκριση των δύο μορίων παρατηρήθηκε ότι στις επιφανειακές με-τρήσεις αέρα-υγρού το μόριο TyrGE12 επιτυγχάνει πολύ χαμηλότερες τιμές επιφανειακής τάσης και επιδεικνύει γρηγορότερη επιφανειακή προσρόφηση από το μόριο PhGE12, ενώ επιπλέον λαμβάνει μεγαλύτερες τιμές ιξωδοελαστικότητας για συγκεντρώσεις κάτω από την CMC. Στις διεπιφανειακές μετρήσεις υγρού-υγρού, η κατάσταση αντιστρέφεται με το μόριο PhGE12 να επιδεικνύει χαμηλότερη διεπιφανειακή τάση και γρηγορότερη διεπιφανειακή προσρόφηση. Παρόλα αυτά, η διεπιφανειακή διασταλτική ιξωδοελαστικότητα είναι συγκρίσιμη για τα δύο μόρια PhGE12 και TyrGE12.Τα τασενεργά αυτά μόρια μελετήθηκαν ως σταθεροποιητές γαλακτωμάτων. Μετρήθηκαν η κατανομή μεγέθους σταγονιδίων, το ιξώδες των γαλακτωμάτων και η χρονική εξέλιξη του διαχωρισμού της ελαιώδους φάσης από την υδατική. Προέκυψε ότι τα γαλακτώματα του PhGE12 είναι σταθερότερα από τα γαλακτώματα του TyrGE12.