sábado, 28 de marzo de 2015

Preparación e identificación de emulsiones

Objetivos

·         Preparar una emulsión.
·         Identificar el tipo de emulsión preparado y los tipos de emulsiones de seis preparaciones comerciales.

Introducción

Las emulsiones son sistemas coloidales constituidos por dos líquidos, los cuáles no se disuelven el uno en el otro. De los dos líquidos, uno se encuentra disperso en pequeñas gotas dentro del otro. Si los dos líquidos se juntan y se mezclan, al dejarlos en reposo, se separan en dos capas; pero si se añade un emulgente, la emulsión es más estable, y tarda mucho más tiempo en separase en las dos capas (Maron, et. al., 2006).

De forma general una emulsión posee los siguientes componentes:

a.- Fase Dispersa o interna: Consta de las gotas suspendidas
b.- Fase Continua o externa: Fase en la que están suspendidas las gotas
c.- Emulsionantes: Conocidos también como agentes emulsionantes, emulgentes o surfactantes; son utilizados para mantener las gotas de un líquido suspendidas en otro líquido siendo originalmente los dos líquidos inmiscibles.

Las mezclas aceite en una fase continua de agua (Ac / Ag) y Agua en una fase continua de aceite (Ag/Ac) son los tipos de emulsiones más comunes. Las emulsiones tienen diversas funciones importantes en los alimentos: algunos alimentos están en la naturaleza como emulsiones; otros son por sí mismos agentes emulsionantes y la consistencia o estructura de algunos alimentos preparados depende del desarrollo y mantenimiento de una emulsión. Las emulsiones se utilizan como vehículos para adicionar agentes aromatizantes, para diluir ingredientes y para ocultar olores o sabores no deseables. Las emulsiones alimentarias pueden presentarse de forma natural, como en la leche o ser preparadas en alimentos como la mayonesa y las masas pasteleras (Fauli, et. al., 1993).

Este sistema posee una estabilidad mínima que puede ser controlada añadiendo un tensoactivo o sólidos finamente divididos. La estabilidad de una emulsión es la propiedad más importante, y el sistema no será clasificado como emulsión sino cumple con un mínimo de estabilidad. Se mide la estabilidad por la velocidad con la cual las gotas de la fase dispersa se agrupan para formar una masa de líquido cada vez mayor que se separa por gravedad. Las emulsiones formadas a partir de dos líquidos puros forman raramente emulsiones estables, aunque si pueden formar hidrosoles estables. El agente emulsificante no es siempre un cuerpo soluble, sino quizás un sólido muy finamente dividido, insoluble en los dos líquidos. Para las emulsiones industriales se busca generalmente una buena estabilidad en condiciones normales de almacenaje (Villafuerte, 2002).


Los dos factores más importantes para la estabilidad de las emulsiones son:

a)      La existencia de una película interfacial que se puede considerar como una envoltura alrededor de cada glóbulo dispersado.
b)       Una débil tensión interfacial gracias a agentes tensoactivos que se adsorben positivamente en la interfase.

La formación de una película interfacial ha sido explicada en términos de su naturaleza física y química. Esta teoría satisface en gran medida las particularidades de la emulsificación. Los efectos de carga eléctrica, de potencial y de extensión de fases parecen ser secundarios sí la película es muy resistente Así mismo, se ha concluido que, ni el tipo ni la estabilidad de una emulsión son determinados por la carga eléctrica del emulsificante, es decir el componente de la película interfacial (Aulton, 2004).

Los sistemas en emulsión comportan no solamente dos fases líquidas, sino también existe un tercer componente, el cual es normalmente soluble en una de las fases líquidas: un agente emulsificante.
En ocasiones puede haber más de un emulsificante; así mismo, puede ser un sólido finamente dividido insoluble en los dos líquidos.

Figura 1. Cuando la emulsión se forma, (emulsión aceite en agua) el emulsificante o tensoactivo se coloca en la interfase entre el agua y el aceite con su cadena hidrófoba orientada hacia el aceite y el grupo hidrófilo orientado hacia el agua. Para el caso de una emulsión agua en aceite, el grupo hidrófilo está dirigido hacia el interior de los glóbulos acuosos mientras que la parte hidrófoba hacia la fase continua (Maron, et. al., 2006).

Desarrollo experimental

Resultados


Tabla 1. Resultados de las pruebas de identificación de las soluciones comerciales
Emulsión comercial
Método de la dilución de la gota
Método del indicador
Método del papel filtro
Observación  al microscopio
Mostaza
O/W
O/W
O/W
O/W
Crema comestible
O/W
O/W
O/W
O/W
Emulsión Scott
O/W
O/W
----**
O/W
Mayonesa
O/W
O/W
O/W
O/W
Margarina
W/O
W/O
W/O
W/O
Crema corporal
O/W
O/W
O/W
O/W
Emulsión preparada
O/W
O/W
O/W
O/W
*  O/W= Aceite en agua, W/O=Agua en aceite
** No se observó la presencia de un halo de color violeta debido a que la emulsión ya era colorida (véase Discusión).


Tabla 2. Composición de la emulsión preparada para 100 g de formulación.
Componente
Naturaleza*
Cantidad (g)
Ácido esteárico
A
1.5
Alcohol cetílico
A
0.4
Aceite mineral
A
2.5
Lanolina
A
0.25
Cera de abejas
A
0.25
Cutina M.D.
A
0.1
Emulgín B1
A
0.1
Agua
B
c.b.p.
Glicerina
B
0.5
Trietanolamina
B
0.25
* A=liposoble, B=hidrosoluble

Discusión

El método de la dilución se basa en que no importa la cantidad que se agregue o aumente de medio dispersante, el medio disperso siempre permanecerá en emulsión si la cantidad de éste se mantiene constante. Por tanto, para las emulsiones que contienen aceite disperso en agua (O/W) es posible adicionar cualquier cantidad de agua y no se romperá la emulsión. Así, aquellas emulsiones O/W eran “solubles” en agua, mientras que aquellas que eran W/O eran “solubles” en aceite. Usamos el término soluble aunque no debería ser pues no se trata de una solución real (soluto+solvente) sino más bien de una emulsión diluida.

Para el método del colorante se usó un colorante soluble en grasa, SUDAN III (rojo), y otro soluble en agua, colorante marca McCormick (azul).

El SUDAN III  es un tinte diazo del tipo lisocromo (soluble en grasa). Tiene aspecto de cristales rojizos. Se usa en farmacia para la identificación de ácidos grasos en las heces, en las que las grasas ácidas adquieren un color rojizo mientras que las grasas minerales son incoloras.

El colorante azul marca McCormick contenía según datos de la etiqueta: propilenglicol, colorantes artificiales, amarillo 4, rojo 17, azul 1, rojo 14 y 0.1% de propilparabeno como conservador. De acuerdo a su composición, con diluyente propilenglicol, deberá ser soluble en agua.

El método del colorante se basa en que el medio dispersante es el medio continuo que si se puede teñir por el colorante pues forma una matriz continua que si tiene contacto con la superficie de la gota. Mientras que el medio disperso no tiene acceso al colorante, pues se encuentra rodeado por la matriz del medio dispersante. Entonces, el colorante tiñe el medio dispersante. Así, las emulsiones O/W se teñirán de azul, pues la fase dispersante es acuosa y el colorante acuoso es azul. Las emulsiones W/O se teñirán de rojo.

Figura 2. Molécula de Sudan III, color rojo lisocromo.

El método de cloruro de cobalto se basa en el cambio visible de color del CoCl2 de pasar de la forma deshidratada (violeta) a la forma hidratada (azul). Como se puede observar en el acercamiento de la Figura 13 (Anexos) el papel filtro presentaba un ligero color azul característico de la forma no hidratada. Cuando se adicionaba una emulsión cuya fase dispersante era agua, el cloruro de cobalto se hidrataba y formaba un halo color violeta. Se debía observar un halo alrededor de la gota pues no era posible observar debajo de ésta, solo en el pequeño anillo de humectación de la gota sobre el papel filtro. Sin embargo, como muestra la Figura 13 no era perfectamente visible el halo, por dos razones: 1) la humedad en el medio ambiente causaba que el CoCl2 se hidratara y tornara violeta haciendo difícil identificar dónde sí había un halo y dónde no, y 2) porque al calentar el papel filtro se evaporaba el agua que contenía la emulsión. Es por el último punto que se procedió a realizar el experimento por triplicado, primero calentando el papel y después agregando la muestra, y también primero agregando la muestra y luego calentando el papel. Ambos experimentos dieron el mismo resultado.

El cloruro de cobalto (II) es usado como indicador de humedad su uso frecuente es para la detección de humedad, por ejemplo en agentes desecantes como el gel de sílica (usado para hacer cromatografías, por ejemplo), además de ser utilizado para fabricar tintas simpáticas y para producir instrumentos recreativos que pronostican el tiempo.

Según la Figura 12 la emulsión Scott no presentó el halo violeta esperado, sin embargo, según las otras pruebas ya reportadas en la Tabla 1, la emulsión Scott se trata de una emulsión O/W, así que debió haberse formado el halo. No se pudo observar por el color rosa-rojo de la emulsión. Aquí era importante haber usado otra emulsión con otro color o cambiar la formulación por otra que fuera incolora y de preferencia blanca. La mostaza no presentó el mismo problema, pues su color amarillo se distingue bien del violeta del halo. La margarina marca IBERIA no presentó halo, como cabría de esperarse de acuerdo a las otras pruebas presentadas en la Tabla 1.


Figura 3. Cloruro de cobalto (II) hexahidratado (Izquierda) y amhidro (Derecha).

El método del microscopio tenía el mismo fundamento que el método de la tinción con dos colorantes. Para éste método se usaron los mismos colorantes. Para el caso del SUDAN III teñía la parte oleosa por lo que en emulsiones O/W se observarían gotas rojas mientras que en W/O se observarían gotas incoloras envueltas en una matriz roja. Para el azul acuoso marca McCormick se debieron observar gotas azules para W/O y gotas incoloras para O/W. A diferencia del método de dilución, y gracias a la ayuda de un microscopio, se pueden observar las pequeñas tinciones que hay en las gotas del medio disperso pues la capa que la luz debe atravesar para llegar a nuestros ojos de medio dispersante es menor que para una gota grande como en el método de las tinciones.

La Tabla 2 muestra la composición de la emulsión preparada en el laboratorio. Según las pruebas realizadas se trataba de una emulsión O/W (Tabla 1). La siguiente tabla muestra la función de cada uno de los excipientes de la formulación:

Tabla 3. Función de cada uno de los componentes de la formulación preparada.
Componente
Función
Ácido esteárico
Solubilizante y emulsificante
Alcohol cetílico
Emulsificante, emoliente
Aceite mineral
Agente hidratante
Lanolina
Agente hidratante y suavizante de la piel
Cera de abejas
Emoliente y aporta nutrientes
Cutina M.D.
Espesante
Emulgín B1
Emulsificante
Agua
Diluyente
Glicerina
Hidratante
Trietanolamina
Buffer
Metilparabeno
Conservador

Según el Hanbook of Pharmaceutical Excipients, (Rowe, et. al., 2009):

El ácido esteárico se usa como agente emulsificante y solubilizante. Cuando se neutraliza con trietanolamina se usa en la preparación de cremas. No se puede neutralizar con hidróxidos metálicos pues es incompatible, así como con agentes oxidantes. El ácido esteárico parcialmente neutralizado con trietanolamina y mezclado con 5-15 veces su propio peso en solución acuosa forma una buena base para cremas. La apariencia y plasticidad de la crema vendrá determinada por la proporción de trietanolamina que se use. En la formulación usamos (100/1.5)=66 veces el peso de formulación respecto al peso de ácido esteárico. Debimos usar al menos 6.7 gramos de ácido esteárico para cumplir con el mínimo sugerido por Rowe, 2009.

El alcohol cetílico es ampliamente utilizado en cosméticos y formulaciones farmacéuticas, tales como supositorios, sólidos de liberación controlada, emulsiones, cremas, lociones y pomadas. En cremas se usa debido a su capacidad emoliente, absorbente de agua y propiedades emulsificantes. La palabra emoliente viene del latin emollientis que significa suavizante o ablandador, y que hace referencia a la capacidad de ablandar o suavizar tejidos superficiales del cuerpo. Se debe usar a una concentración de 2-5% peso para que sea emoliente y emulsificante. Nosotros lo usamos a una concentración de 0.4%.

El aceite mineral es una mezcla de alcanos líquidos saturados de 14 a 18 carbonos que se extrae del petróleo. En soluciones O/W además de emoliente actúa como lubricante y vehículo oleoso, en caso que se quisiera adicionar un fármaco a la crema que tuviera lipoafinidad. Para emulsiones tópicas se usa del 1.0-32% en peso. Nosotros usamos 2.5%, que está dentro del rango de lo recomendado.

La lanolina es una cera natural producida por las glándulas sebáceas de algunos mamíferos, especialmente del ganado ovino, preparada y que se aplica para diversos usos industriales, farmacéuticos y domésticos. Se puede emplear como vehículo hidrofóbico de fármacos en cremas W/O. Cuando se mezcla con aceites vegetales o parafina (en nuestro caso aceite mineral) produce cremas emolientes que penetran la piel y facilitan la absorción del fármaco. Las mezclas de lanolina deben ser alrededor de veinte veces su peso de agua para producir emulsiones estables que no se rancían en condiciones de almacenamiento. También debería contener antioxidantes. Para la formulación usamos 400 veces su peso de agua.

La cera de abejas también conocida como cera blanca, es un purificado de la cera amarilla que tiene aplicaciones similares a ésta. Consiste en una mezcla de 70-75% de varios ésteres monohídricos con cadenas de c-24 a C-35. Es un agente estabilizante. Además aporta nutrientes a la piel por su origen natural. También actúa como emoliente. Se usa en concentraciones de 5-20%. Usamos el 0.25%.

La cutina M.D. La Cutina MD, se emplea como factor de consistencia en ungüentos, cremas y emulsiones cosméticas y farmacéuticas de tipo O /W y W /O, así como, en preparados anhidros y productos en forma de barra. Es una materia básica neutra con buenas propiedades de almacenamiento, es afino a la piel y a las mucosas y puede perfumarse fácilmente en preparaciones cosméticas. Se emplea como factor de consistencia, no autoemulsionante, conjuntamente con emulsionantes, en la elaboración de pomadas, cremas y emulsiones líquidas farmacéuticas y cosméticas.

El emulgín B1 se trata de gliceril estereato. Es un emulgente no iónico apropiado para la elaboración de emulsiones O/W. Las emulsiones elaboradas con éste emulgente se caracterizan por su grado de finura, y además es apropiado para preparados difíciles de emulsionar o para sustancias nocivas a la emulsión. Es emulgente para emulsiones especialmente fluidas o consistentes en preparados farmacéuticos o cosméticos. Se emplea en combinación con factores de consistencia como los alcoholes grasos, en nuestro caso el alcohol cetílico y esteárico. La concentración adecuada es de aproximadamente 20% de las sustancias grasas empleadas. Nosotros usamos el 1.9% w/w respecto a los compuestos marcados con A. La concentración total no debe superar en cualquier caso el 4%. Nosotros lo hicimos al 0.1% del peso total.

La trietanolamina es tanto una amina terciaria como un tri-alcohol. Como trialcohol es una molécula con tres grupos hidróxilos, poseyendo la fórmula química C6H15NO3. Como otras aminas, la trietanolamina actúa como una base química débil debido al par solitario de electrones en el átomo de nitrógeno.  Se utiliza como ingrediente para balancear el pH en preparaciones cosméticas, de higiene y en productos de limpieza. Entre los productos cosméticos y de higiene en el cual es usado con este fin se incluyen lociones para la piel, geles para los ojos, hidratante y espumas para afeitar.

El metilparabeno es un parabeno de fórmula química: CH3(C6H4(OH)COO). Es el metil ester del ácido p-hidroxibenzóico. Por sus propiedades antibacterianas (generalmente de las Gram-positivas) y antifungicidas se suele emplear en la industria alimentaria como un aditivo conservante denominado con la codificación E 218. Se debe emplear en concentraciones por debajo de 0.1%.

Figura 4. a) Emulgín B1, ,b) Trietanolamina, c) glicerina, d)alcohol cetílico , e)ácido esteárico, f) metilparabeno

Conclusiones

·         La preparación III es una emulsión O/W.
·         Las emulsiones de mostaza MCCORMICK, crema comestible-. ALPURA, emulsión Scott SCOTT y crema corporal NIVEA son emulsiones O/W.
·         La margarinaIBERIA es una emulsión W/O.
·         En la emulsión Scott es difícil hacer la prueba del cloruro de cobalto debido a su color. Deberá intentarse buscar una presentación menos colorida o sustituirla en prácticas posteriores.
·         Todos los métodos coinciden en los resultados para cada una de las emulsiones comerciales y la emulsión preparada.

Aplicaciones en la industria farmacéutica

·         Ciertos agentes medicinales que tienen un sabor desagradable se han hecho más aceptables por vía oral cuando se formulan como emulsiones. Por lo tanto, el aceite mineral (un laxante), el ácido valproico (un anticonvulsionante), las vitaminas liposolubles, los aceites vegetales y las preparaciones para alimentación entérica se formulan a menudo en la forma de una emulsión (O/W) para mejorar su sabor.
·         En el sector de los cosméticos, las cremas hidratantes, protectoras para los rayos UV, también son emulsiones de partículas aceitosas dispersas en agua.
·         En el sector farmacéutico, las emulsiones pueden servir para encapsular los fármacos activos y después liberarlos cuando se encuentran en la corriente sanguínea.

Bibliografía

·         Aulton, M. (2004). Farmacia. Ciencia y diseño de formas farmacéuticas (2ª ed.). España: Editorial Elsevier. ISBN: 8481747289
·         Castellan, G. (1987). Fisicoquímica (2a ed). México: Addison Wesley Iberoamericana
·         Chang, R. (2008). Fisicoquímica (3ª ed.). E. U. A.: McGraw-Hill
·         Fauli, C. y Trillo, H. (1993). Tratado de Farmacia Galénica (1a ed.). Editorial Farmacia 2000. pp. 186-196, 422-445
·         Lachman, L. y Lieberman, H. (1986). The theory and practice of industrial pharmaceutical (3a ed.). EUA: Editorial Lea&Febiger, pp 502-532
·         Maron, S. y Prutton, C. (2006). Fundamentos de fisicoquímica (1a ed.). México: Editorial Limusa
·         McGinity, J. y Felton, L. (2008). Aqueous Polymeric Coatings for Pharmaceutical Dosage Forms (3a ed.). Nueva York, E.U.A.:  Informa Healthcare. ISBN: 0-8493-8789-2
·         Nally, J. (2007). Good Manufacturing Practices for Pharmaceuticals (6a ed.). Nueva York, E. U. A.: Informa Health Care USA. ISBN: 0-8493-3972-3
·         Rowe, R., Sheskey, P. y Quinn, M. (2009). Handbook of Pharmaceutical Excipients (6a ed.). London, England: Pharmaceutical Press. ISBN: 978-0-85369-792-3
·         Villafuerte, L. (2002). Estabilidad de medicamentos (1a ed.). México: Instituto Politécnico Nacional

ANEXOS

MÉTODO DEL INDICADOR


Figura 5. Método del indicador para determinar la naturaleza de las emulsiones utilizadas. “Aceite” se refiere al colorante base oleosa y “Agua” se refiere al colorante base acuosa (véase Discusión).




Figura 6. Método del indicador para determinar la naturaleza de la emulsión preparada y la crema corporal. Aceite se refiere al colorante SUDAN III y Agua al colorante soluble en agua. Ambas emulsiones son solubles en agua. Son emulsiones O/W.

MÉTODO DE DILUCIÓN DE LA GOTA



Figura 7. Método de dilución de gota para la margarina marca IBERIA. Se observa que se disuelve bastante bien en aceite y no en agua. Entonces se trata de una emulsión W/O.


Figura 8. Método de dilución de gota para crema corporal marca NIVEA. Se disuelve bien en agua pero no en aceite. Ello prueba que es una emulsión O/W.

Figura 9. Método de dilución de la gota para mostaza marca McCormick en 5 mL de aceite comestible o agua. Se disuelve bien en agua pero no en aceite, lo que es indicativo de una emulsión O/W.


Figura 10. Prueba de la dilución de la gota para la emulsión SCOTT. Se disuelve en agua mientras que en aceite la dilución es poca y forma esférulas visibles. Es una emulsión O/W.

Figura 11. Método de la dilución de la gota para la mayonesa marca McCormick. Se disuelve bien en agua pero no en aceite donde se observa poca afinidad formando grumos. Es una emulsión O/W.

Figura 12. Método de la dilución de la gota para la emulsión preparada (Formulación III, véase tabla 2). Se trata de una emulsión O/W.

MÉTODO DEL CLORURO DE COBALTO

Figura 13. Método del cloruro de cobalto para determinar la naturaleza de las emulsiones comerciales. Se observa un halo color violeta en las muestras de crema comestible, mostaza, mayonesa y crema corporal. La margarina no presenta halo y la emulsión Scott no permite observarlo.

Figura 14. Acercamiento del método de cobalto para la crema comestible marca ALPURA. Apenas es visible el halo violeta alrededor de la gota de crema. En éste caso ello indicó que la crema comestible es una emulsión O/W.




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