Солюбилизатор, солюбилизация

Солюбилизация – процесс коллоидного растворения (solubilis– растворимый) каких-либо веществ (солюбилизатов), труднорастворимых в жидкой основе коллоидного раствора.

Солюбилизаты – слаборастворимые вещества в чистом растворителе (гидрофобном или гидрофильном), но растворяющиеся после добавления туда солюбилизатора. При этом важно, чтобы солюбилизат был хотя-бы немного растворим в жидкой среде, потому что переход в коллоидное состояние осуществляется из молекулярного раствора.

Солюбилизатор – компонент коллоидного раствора, мицеллы поверхностно-активных веществ или клубки высокомолекулярных соединений, внутри которых происходит распределение труднорастворимых в жидкой среде веществ (солюбилизатов).

Коллоидный раствор (золь) – высокодисперсная, микрогетерогенная двухфазная система (дисперсионная среда и дисперсная фаза). Его внешнее отличие от истинного раствора – рассеяние света (эффект Тиндаля) - пучок света сквозь него виден в затемненной комнате, сам раствор опалесцирует или даже мутный. Частицы дисперсной фазы не более 100нм, состоят из многих молекул и ионов и называются мицеллы.

Мицеллы – частицы дисперсной фазы микроскопических размеров, окруженные жидкой средой коллоидной системы. Мицеллы имеют одинаковый электрический заряд (или плюс, или минус), что препятствует их коагуляции и седиментации.

Процесс солюбилизации

Для понятия процесса солюбилизации нужно рассмотреть типы коллоидных растворов и строение мицелл. Коллоидные системы (растворы) могут образоваться двумя путями – конденсацией и диспергированием. При конденсации вещества в гомогенном перенасыщенном сольвенте (растворителе) образуются лиофильные коллоиды, которые характеризуются агрегативной устойчивостью и могут храниться сколько угодно долго. Примеры лиофильных (так называемых защищенных) коллоидов в медицине: ихтиол, колларгол и протаргол. Ихтиол это солюбилизат тиофеновых масел, защищенный аммонийными солях сульфо-тиофеновой и -алкиловой кислот, выступающих в качестве солюбилизатора. Протаргол и колларгол, солюбилизированные растворы серебра, стабилизированные гидролизатами белка в качестве солюбилизаторов.

Образование золей через диспергирование происходит самопроизвольно для лиофильных золей и принудительно для лиофобных. Типичные представители лиофобных коллоидов - гидрозоли и органозоли металлов, окислов металла, сульфидов, предельно высокодисперсные эмульсии, латексы. Жидкие лиофобные коллоидные системы, для создания агрегативной устойчивости, всегда требуют наличия поверхностно активных веществ (ПАВ), которые образуют на частицах адсорбционно-сольватный слой, защищающий от коагуляции и выпадения в осадок коагулянта. Все ПАВ делятся на мицеллообразующие, и категорию веществ с поверхностной активностью, которые не образуют мицеллы. При разбавлении коллоидной суспензии мицеллообразующих ПАВ мицеллы распадаются после снижения концентрации ПАВ ниже критической концентрации мицеллообразования (ККМ). То есть, растворы мицеллообразующих ПАВ при одной концентрации могут быть истинными растворами, а при другой концентрации - истинными золями. Это так называемые полуколлоидные системы или коллоидные электролиты; к ним относятся моющие средства, эмульгаторы, смачиватели и др. ПАВ могут быть ионогенные (анионные, катионные, амфотерные) и неионогенные. Ионогенные ПАВ диссоциируют с образованием катиона или/и аниона (гидрофильная часть) и гидрофобного углеводородного радикала, поэтому в зависимости от сольвента (полярный-неполярный), образуют разные мицеллы. Но все мицеллы ПАВ состоит из кристаллического или аморфно построенного ядра и верхнего слоя, молекулы которого связаны с молекулами окружающей жидкости (Рис.1).

Как видно из рисунка 1 в гидрофильном сольвенте молекулы ПАВ развернуты своей гидрофильной частью наружу к гидрофильной среде, а гидрофобный хвост формирует ядро. В гидрофобном сольвенте ядро мицеллы образуют гидрофильные части молекул, а их гидрофобные части располагаются снаружи в родственной среде. Рисунок 2 иллюстрирует где примерно локализуются молекулы солюбилизата.      В мицеллах, образованных в гидрофильной среде, полярные солюбилизаты располагаются ближе к границе мицеллы, а если у них есть углеводородная часть, которая отвечает за её нерастворимость в гидрофобном сольвенте, она направлена внутрь. Неполярные солюбилизаты в этих мицеллах располагаются в ядре. Мицеллы, сформированные в гидрофобном сольвенте аккамулируют полярные солюбилизаты в ядре, с выделением неполярной части в гидрофобную зону. Неполярные вещества остаются по большей части в сольвенте, следовательно, они не являются солюбилизатами.

Показана весьма упрощенная полуколлоидная система. Мицелла размером до 100нм состоит из многих сотен молекул, и в истинном золе ядро может содержать фазу с другой лиофильностью чем среда, а молекулы ПАВ тогда расположены только по границе, разделяющей гидрофобную и гидрофильную фазы, и выполняют функции эмульгатора и стабилизатора. Таким образом, ядро мицеллы в гидрофильной среде состоит из гидрофобных веществ, куда и поворачиваются углеводородные хвосты молекул ПАВ. И соответственно наоборот – в гидрофобной среде ядро гидрофильное. Таким образом снижается поверхностный потенциал и достигается агрегативная стабильность в эмульсионных дисперсных системах лиофобного типа «вода/масло» и «масло/вода». Солюбилизаты в таких сложных конгломератах размещаются по такому же принципу, как описано выше.

Рис 3. Изотерма молярной солюбизации (схема)

Коллоидное поглощение (солюбилизация) третьего компонента (солюбилизата) возможно всеми типами коллоидных растворов. Солюбилизация может измеряться как растворимость в молях на литр, либо в молях солюбилизата на моль ПАВ. Второй вариант позволяет отследить мицеллярные переходы на графике «концентрация ПАВ (ось Х) – концентрация солюбилизата (ось У)» (см Рис.3). Рассмотрим механизм поглощения солюбилизата на примере раствора ПАВ (коллоидный электролит). Истинный раствор ПАВ после повышения его концентрации до ККМ переходит к этапу образования сферических мицелл. Только после образования мицелл начинается поглощение солюбилизата мицеллами (Рис.3 график после первой вертикальной стрелки). Дальше с повышением концентрации ПАВ и соответственно увеличением количества мицелл, увеличивается и концентрация солюбилизата до определенного уровня. Дальнейшее повышение концентрации ПАВ не приводит к возрастанию концентрация солюбилизата (Рис.3: первая горизонтальная линия графика.) Напоминаем концентрация выражена в молях солюбилизата на моль ПАВ. С определенной концентрации ПАВ вновь начинает резко увеличиваться концентрация солюбилизата в растворе (Рис.3: график после второй вертикальной стрелки). Такая же картина повторяется ещё один раз (Рис.3: третья вертикальная стрелка). Горизонтальная линия в графике между первой и второй стрелками соответствует переходу мицелл из сферической в сфероцилиндрическую форму, что увеличивает мицеллярную ёмкость и снижает поверхностное натяжение. Вторая горизонтальная линия отражает переход этой формы в пластинчатую (ламинарную) форму. В ламинарных мицеллах солюбилизация безгранична, потому что солюбилизат расположен между слоями ПАВ. Параметры приведенного графика зависят от химической структуры ПАВ, от температуры, от молекулярной структуры солюбилизата, от присутствия различных добавок. Собственно, описанный процесс не есть солюбилизация как таковая, а есть образование двухфазовой коллоидной системы с использованием ПАВ, а под солюбилизатами подразумевается вторая фаза с противоположной лиофильностью. А коллоидное растворение «полезного» солюбилизата осуществляется в мицеллярной фазе системы после образования коллоида. И неважно, образована эта мицелла только молекулами ПАВ или это конгломерация молекул.

Применение солюбилизации

Водные дисперсии ПАВ солюбилизируют вещества хорошо растворимые в маслоподобных углеводородных жидкостях, но труднорастворимые в воде. Дисперсии ПАВ в неполярных сольвентах солюбилизируют воду и водные растворы. Отсюда вытекает широчайшее востребование процессов солюбилизации в различных областях науки, техники, фармации и конечно в быту. Моющие средства: их эффект основан на явлении солюбилизации. Вещества с поверхностной активностью, растворенные в воде, а точнее их мицеллы, интенсивно поглощают в себя жировые пятна и частицы грязи. В лакокрасочной промышленности на основе солюбилизации готовят водорастворимые краски из масляных красителей, не расслаивающие при хранении. Солюбизация используется для приготовления смазочно-охлаждающих смесей, при производстве многих пищевых продуктов. В 50-х годах прошлого века Юрженко А. выявил, что эмульсионная полимеризация веществ инициируется в мицеллах ПАВ. Мономеры вещества солюбилизируются  мицеллой, внутри нее полимеризируются, затем частичка полимера окружается молекулами ПАВ и стабилизируется. Теперь данное направление солюбилизации распространено очень широко при производстве латексов синтетических полимеров. Другое важное направление в солюбилизации – фармацевтика. Любое лекарственное средство, плохо растворимое в воде, может быть доступно для применения в солюбилизированной форме. Это позволяет снижать концентрацию препаратов, что сопровождается уменьшением побочных эффектов при сохранении биоэквивалентности. Позволяет создавать лекарства с длительным (пролонгирующим) действием. Солюбилизация ограниченно растворимых в воде веществ осуществляется и в самом организме, например, при переваривании пищи жиры солюбилизируются желчными кислотами.

Использование солюбилизаторов в косметике

Основная масса косметических продуктов представляет коллоидные системы, в которых неизменно проявляются эффекты солюбилизации, и только присутствие эмульгаторов и солюбилизаторов позволяет держать продукт в стабильном состоянии. Благодаря им косметические продукты не разваливаются через несколько дней, выглядят эстетичнее и легче в применении. С использованием солюбилизаторов можно вводить вещества с биологической активностью, плохо растворимые в воде или в слабых спиртовых растворах, в косметические средства и значительно улучшать их качества. Солюбилизаторы улучшают косметические свойства гелей, лосьонов, шампуней, жидких средств для ухода за кожей за счет уменьшения содержания спирта или его полного отсутствия. Путем повышения растворимости, солюбилизатор позволяет эффективно использовать эфирные масла в аэрозолях и спреях. Требования к солюбилизаторам: возможность ввести необходимые ингредиенты в состав продукта, обеспечить стабильность продукции, отсутствие раздражающего воздействия на кожу, нетоксичность, инертность к составным частям композиции, отсутствие неприятной отдушки.

Примеры использования в ООО «КоролёвФарм»

Как было сказано выше солюбилизация в косметике неотделимая часть производства. Большинство видов косметики - это коллоидные системы. ООО «КоролёвФарм» занимается производством различных косметических продуктов по контрактным заявкам. Цех по производству косметики выпускает кремы и гели, бальзамы и ополаскиватели, шампуни и средства для ванн, масла и средства гигиены.

В ООО «КоролёвФарм» освоена технология производства нанокосметики, которая позволяет производить качественную продукцию с гомогенизацией эмульсии до 40-80нм и при этом позволяет экономить энергию и расход воды. Основа технологии - роторная гидрокавитационная коллоидная мельница. Повышается качество продукции. Вода нагревается только до 42 градусов, что позволяет сохранить биологическую активность компонентов. Технология позволяет обходиться без эмульгаторов (или их надо намного меньше). Технологический процесс уничтожает микробную загрязненность, что позволяет снизить долю консервантов.

Это принципиально новая технология!