thumb|A. Deux liquides non miscibles. B. Émulsion instable. C. Les deux liquides se séparent progressivement. D. Un tensioactif (ou agent de surface) entoure les gouttelettes d'un des liquides, stabilisant l'émulsion. Une émulsion est un mélange hétérogène de deux substances liquides non miscibles, l'une étant dispersée sous forme de petites gouttelettes dans l'autre. Ce sont toujours deux liquides qui ne se mélangent pas spontanément (non miscibles), comme l’eau et l’huile, mais qui vont grâce à des opérations spécifiques (agitation, mélange, ajout de quelques principes actifs) adopter un aspect macroscopiquement homogène, mais microscopiquement hétérogène. L'une des substances sera dispersée dans la seconde substance sous forme de gouttelettes. Le mélange reste stable grâce à un troisième ingrédient appelé « émulsifiant » (vitesse ou cinétique d'évolution du mélange quasi nulle).
Une mousse ressemble à une émulsion mais la seconde substance est un gaz (au lieu d'un liquide), dispersé sous forme de bulles. Une autre différence importante entre mousses et émulsions est la fraction volumique de la phase dispersée (gaz), en général beaucoup plus élevée dans les mousses les plus stables.
En photographie argentique, on désigne également du nom d'« émulsion » une pellicule considérée du point de vue de ses caractéristiques techniques (sensibilité, réciprocité…). Le nom remonte aux premières années de la photographie où l'on étendait une émulsion photosensible sur un support en verre avant de prendre un cliché.
Généralités Une émulsion est un cas particulier de colloïde. Les deux substances liquides en présence sont appelées des phases. Une des phases est continue ; l'autre, discontinue, est dispersée dans la première phase sous forme de gouttelettes.
Les émulsions sont souvent composées d'une phase aqueuse (semblable à de l'eau) et d'une phase huileuse.
Une émulsion huile dans eau (H/E ou O/W pour ) est composée d'une phase huileuse dispersée dans une phase aqueuse. Il s'agit d'une émulsion « directe ». Une émulsion eau dans huile (E/H ou W/O pour ) est composée d'une phase aqueuse dispersée dans une phase huileuse. Une émulsion E/H est plus grasse au toucher, car le toucher correspond majoritairement à la nature de la phase externe. Une telle émulsion est dite « inverse ».
On peut également trouver des émulsions multiples H/E/H ou E/H/EQu’est-ce qu’une émulsion ?..
Classification
Selon la taille des particules qui les composent, les émulsions peuvent être classées en macroémulsion, miniémulsion (émulsions fines) et nanoémulsionMaster 2 Concepts Fondamentaux de la Physique : Chapitre IV : Émulsions , cours de Sylvie Hénon, 2010-2011 (voir archive).. Il y a aussi les émulsions de Pickering, émulsions par inversion de phases, émulsions PIT, émulsions diluées, émulsions concentrées, émulsions foisonnées et les émulsions sèches.
Les mots miniémulsion et nanoémulsion sont utilisés fréquemment d'une façon interchangeable pour désigner toutes les émulsions dont les particules sont plus petites que celles des macroémulsions. Une miniémulsion est obtenue en mélangeant deux liquides non miscibles (par exemple, de l’hexadécane avec de l’hexadécanol) avec un tensioactif et un co-tensioactif. Le mélange se fait généralement par ultrasonification ou par homogénéisation à haute pression.
Contrairement aux émulsions listées précédemment, qui correspondent à la dispersion d'une phase dans une autre sous forme de particules, une microémulsion correspond à une seule phase où il n’y a pas de particulesBourrel, M et Schechter, RS, Microemulsions and Related Systems, Surfactant Science Series, vol. 34, New York, Marcel Dekker, 1988.Salager JL, Microemulsions, dans Broze G, éd., Handbook of Detergents — Part A: Properties, New York, Marcel Dekker, 1999, 253-302..
Macroémulsion Miniémulsion ou nanoémulsion Microémulsion Nombre de tensioactifs Au moins un Au moins deux : un tensioactif et un co-tensioactif Au moins deux : un tensioactif et un co-tensioactif Pourcentage de tensioactif Faible : < 5 % Moyen : entre 5 et 10 % Élevé : > 10 % Méthode de fabrication Agitation mécanique vigoureuse Agitation vigoureuse par ultrason Faible agitation Couleur Blanche laiteuse Blanche bleuâtre ou incolore Blanche bleuâtre ou incolore Transparence Opaque Translucide ou transparente Translucide ou transparente Taille des particules > << < Polydispersité de la taille des particules Moyenne Basse Basse Stabilité thermodynamique Instable Instable Stable Mode d’augmentation de la taille des particules avec le temps Coalescence et mûrissement d’Ostwald Coalescence et mûrissement d’Ostwald Ne contenant pas de particules, il n'y a ni coalescence ni mûrissement d’Ostwald
Émulsifiants Les émulsifiants, appelés parfois émulsionnants, stabilisent l'émulsion. Ce sont le plus souvent des tensioactifs ou agents de surface. Cependant, des particules solides (émulsions de Pickering), des polymères synthétiques ou des macromolécules biologiques peuvent aussi jouer ce rôle. Le jaune d'œuf sert d'émulsifiant dans la préparation de sauces en cuisine. Cette propriété est due à la lécithine qu'il contient. La lécithine se trouve également dans le soja et est très utilisée dans les préparations industrielles. La caséine est une protéine du lait qui est émulsifiante.
Dans l'industrie agroalimentaire
Dans l'industrie agroalimentaire, les émulsifiants sont des produits chimiques utilisés pour augmenter l'onctuosité de certains produits, permettant ainsi d'obtenir une texture particulière. Les principaux émulsifiants utilisés dans l'industrie agroalimentaire sont : La lécithine naturelle, notamment en chocolaterie ; Les mono- et diglycérides d'acides gras alimentaires que l'on retrouve en particulier dans les glaces et les brioches industrielles. Les mono- et diglycérides d'acides gras alimentaires (E471, , etc.) sont obtenus par hydrolyse, soit à partir de graisses et produits animaux (ex. panses de bœuf) soit à partir d'huiles végétales, comme l'huile de palme. Le produit final se présente sous la forme de cristaux liposolubles (c'est-à-dire solubles dans les corps gras), de couleur blanchâtre ou jaune très clair. Les étiquettes détaillant les ingrédients d'un produit ne permettent en général pas de savoir dans quel cas on se trouve (c'est-à-dire si le ou les émulsifiants utilisés sont d'origine animale ou végétale).
Dans la pratique Dans la vie quotidienne, de nombreux produits sont des émulsions. On peut noter les crèmes et autres cosmétiques, mais aussi la mayonnaise ou le pastis préparé avec de l'eau (effet Ouzo).
Émulsions naturelles Le lait. Des latex végétaux, en particulier, ceux de l'hévea brasiliensis (qui donne le caoutchouc naturel) et du castilla elastica. Le film hydrolipidique est un mélange de sébum et de sueur. C'est une émulsion qui protège la peau.
Sauces émulsionnées Vinaigrette Phase huileuse : huile. Phase aqueuse : vinaigre. La vinaigrette est une émulsion instable. L'huile et le vinaigre ont tendance à se séparer. Elle peut être rendue cinétiquement stable en ajoutant de la moutarde. Les cellules de moutarde broyées libèrent des phospholipides, un tensioactif.
thumb|La mayonnaise est une émulsion stable.
Mayonnaise Phase huileuse : huile. Phase aqueuse : vinaigre et éventuellement moutarde. Émulsifiant : la lécithine du jaune d'œuf est l'émulsionnant (tensioactif). La mayonnaise est une émulsion cinétiquement stable.
Aïoli Phase huileuse : huile d'olive. Phase aqueuse : pulpe de l'ail. À noter que le véritable aïoli se prépare seulement à l'ail et l'huile, et que les tensioactifs se trouvent dans la pulpe d'ail.
Sauce hollandaise et sauce béarnaise La sauce hollandaise et la sauce béarnaise sont également des sauces émulsionnées selon le même principe, mais chaudes.
Cosmétiques Crème hydratante. Phase huileuse : huile et ingrédients solubles dans l'huile.Phase aqueuse : eau et ingrédients solubles dans l'eau.Émulsifiant.
Industrie pharmaceutique L'encapsulation des principes actifs, grâce aux émulsions doubles eau-huile-eau, permet par exemple de délivrer des substances, avec une grande précision spatialeApplications des colloïdes magnétiques, Journal du CNRS, 2007.. Elle permet de modifier la distribution de certains médicaments dans l'organisme ( pour diminuer la toxicité rénale de l').
Technologie Pour permettre de rendre une émulsion stable dans le temps, il est nécessaire de réduire la taille des particules de la phase discontinue (loi de Stokes). Plus la taille recherchée sera petite, plus il faudra d'énergie pour l'obtenir. Il existe plusieurs appareils capables de réaliser une émulsion ; depuis l'agitateur jusqu'à l'homogénéisateur à haute pression, en passant par le moulin colloïdal et le turbo émulsionneur. L'homogénéisateur haute pression est l'une des techniques permettant d'obtenir des tailles de particules les plus petites, puisqu'il peut obtenir des tailles inférieures à .
Le principe est simple : une pompe à pistons plongeurs va pousser le fluide à émulsionner à travers un orifice réglable, appelé groupe homogénéisant. Plus l'orifice sera faible, plus la pression affichée sera élevée. Au passage de cet obstacle le fluide subit différentes contraintes, telles la turbulence, la cavitation, le cisaillement, qui vont générer la dislocation des particules du fluide de la phase discontinue. Les homogénéisateurs haute pression sont utilisés dans l'industrie laitière depuis la fin du (inventeur Gaulin).
D'autres industries utilisent aujourd'hui ces appareils, capables d'atteindre en production continue (Niro Soavi) telles l'industrie des cosmétiques, l'industrie pharmaceutique et d'autres industries alimentaires (ingrédients, boissons). Les techniques microfluidiques permettent désormais d'obtenir des émulsions dont les tailles de gouttes sont mieux contrôlées.
La Water Plant Emulsion (WPE) est un exemple de technologie permettant à deux substances liquides non miscibles (comme l'eau et l'huile) de se mélanger pour obtenir une substance homogène. La première substance est dispersée dans la seconde via des petites gouttelettes et ce mélange reste stable grâce à un émulsionnant. Ce procédé est utilisé en parfumerie, cosmétique, aromathérapie et compléments alimentaires notamment, il renforce l’efficacité des actifs dont les ingrédients actifs sont répartis de façon homogène dans le produit.
Stabilité Les émulsions sont instables du point de vue thermodynamique, cependant elles peuvent être stables du point de vue cinétique sur une importante période, ce qui détermine leur durée de vie. Cette durée doit être mesurée, afin d’assurer la bonne qualité du produit pour le client final. « », D.J. McClementsFood emulsions, principles, practices and techniques, CRC Press, 2005, 2, M.P.C. Silvestre, E.A. Decker et D.J. McClements, Food Hydrocolloids, 13 (1999) 419-424. (« La stabilité d'une émulsion est sa capacité à conserver les mêmes propriétés au cours du temps »).
Phénomènes de déstabilisation Les déstabilisations peuvent être classées en deux phénomènes majeurs : Phénomènes migratoires : par lesquels la différence de densité entre la phase continue et dispersée entraîne une séparation de phase gravitationnelle : pour les émulsions, on a du (phase dispersée moins dense que la phase continue poussant celle-ci à migrer vers le haut) ou de la sédimentation. Ces phénomènes sont réversibles ; Phénomènes d’augmentation de taille : par lesquels la taille des gouttes augmente : de manière réversible : floculation, de manière irréversible : coalescence, mûrissement d’Ostwald ; Phénomène inversion de phase.
Technique d'analyse de la stabilité physique