[논문]Tween-Span계 비이온성 혼합계면활성제를 이용한 Coconut Oil 원료 유화액의 유화안정성 평가

홍세흠; 주카이양; 줘청량; 이승범

doi:10.14478/ace.2019.1038

Tween-Span계 비이온성 혼합계면활성제를 이용한 Coconut Oil 원료 유화액의 유화안정성 평가
Evaluation of Coconut Oil-based Emulsion Stability Using Tween-Span Type Nonionic Mixed Surfactant 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.4, 2019년, pp.453 - 459

홍세흠 (단국대학교 고분자공학과) , 주카이양 (단국대학교 화학공학과) , 줘청량 (단국대학교 화학공학과) , 이승범 (단국대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 coconut oil과 Tween-Span계 비이온성 혼합계면활성제를 사용하여 제조한 O/W (oil in water) 유화액의 안정성에 영향을 끼치는 인자를 평가하였다. 이를 위해 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value와 첨가량, 균질화 속도를 변수로 설정하여 제조한 O/W 유화액의 평균액적크기, 제타포텐셜, 유화안정도지수(ESI), 열적 불안정도지수(TII) 등으로부터 유화액의 안정성을 평가하였다. 제조한 O/W 유화액의 평균액적크기는 100~200 nm의 나노에멀젼으로서 비이온성 혼합계면활성제의 첨가량 및 균질화 속도가 증가함에 따라 평균액적크기는 감소하였으며, 제타포텐셜은 증가하였다. 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value가 6.0, 10.0, 8.0 순으로 우수하게 나타났으며, HLB value가 8.0에서 제조한 유화액의 평균액적크기는 120 nm으로 가장 작고, 제타포텐셜은 40~60 mV로 가장 크게 나타났다. ESI 및 TII를 통한 안정성 평가는 HLB value가 6.0, 10.0, 8.0 순으로 안정성이 증가하였으며, HLB value가 8.0에서의 ESI 및 TII는 각각 80% 이상과 20% 이하로 가장 우수하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the influence factors on the stability of the O/W (oil in water) emulsions prepared with coconut oil and the nonionic mixed surfactant (Tween 80-Span 80) were evaluated. The concentration and HLB value of the nonionic mixed surfactant, and the degree of agitation were used as manufacture factors. The stability of prepared O/W emulsions were measured with the mean droplet size, zeta-potential, emulsion stability index (ESI), and thermal instability index (TII). The mean droplet size of the prepared O/W emulsions was from 100 to 200 nm. As the concentration of mixed surfactant and the homogenization speed increased, the droplet sizes decreased, while the zeta-potential values increased. The effect of HLB values increased in the order of 6.0, 10.0 and 8.0, and at the HLB value of 8 the smallest mean droplet size as 120 nm was obtained whereas the largest value of the zeta-potential between 10 and 60 mV. From the results of ESI and TII, the stability of prepared O/W emulsions increased in order of 6.0, 10.0 and 8.0 of HLB values, and ESI and TII values were above 80% and below 20% respectively at HLB value of 8.0.

주제어

표/그림 (8)

그림 Figure 1. Variation of droplet size as a function of surfactant amount and homogenization speed for HLB value = 8.0 of mixed surfactant.
그림 Figure 2. Variation of zeta-potential as a function of surfactant amount and homogenization speed for HLB value = 8.0 of mixed surfactant.
그림 Figure 3. Emulsion stability index of O/W emulsions for HLB value = 8.0 of mixed surfactant.
그림 Figure 4. Thermal instability index of O/W emulsions for HLB value = 8.0 of mixed surfactant.
그림 Figure 5. Variation of droplet size as a function of HLB values for mixed surfactant = 7.5 wt.%.
그림 Figure 6. Variation of zeta-potential as a function of HLB values for mixed surfactant = 7.5 wt.%.
그림 Figure 7. Emulsion stability index of O/W emulsions for mixed surfactant = 7.5 wt.%.
그림 Figure 8. Thermal instability index of O/W emulsions for mixed surfactant = 7.5 wt.%.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 coconut oil과 Tween-Span계 비이온성 혼합 계면활성제를 사용하여 제조한 O/W (oil in water) 유화액의 안정성에 영향을 끼치는 인자를 평가하였다. 이를 위해 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value와 첨가량 및 균질화 속도를 변수로 설정하여 O/W 유화액을 제조하고, 유화액의 평균액적크기(mean droplet size), 유화안 정도지수(ESI), 열적 불안정도지수(TII) 등으로부터 O/W 유화액의 안정성을 평가하였다.

제안 방법

0 wt.%로, 균질화 속도의 변화는 3,000~7,000 rpm으로 하였으며, 경시 변화는 유화액 제조 후 7 dyas 간 관찰하였다. 계면활성제의 첨가량과 균질화 속도가 증가함에 따라 제조된 O/W 유화액의 평균액적크기는 감소하고, 제타포텐셜은 증가하였으며, 제조 후 시간이 경과함에 따라 평균액적크기와 제타포텐셜은 증가하는 경향을 나타내었다.
0 wt.%의 범위로 첨가하였으며, 수상성분을 베이스로 유상성분을 일정한 시간 동안 주입하며 high-speed emulsifier (Homomixer Mark II, T.K. Primix)를 이용하여 10 min 동안 교반하였다. 균질화 속도는 3,000~7,000 rpm으로 변화하여 제조하였으며, 제조 후 35℃로 냉각시킨 후 25℃의 incubator에 7 days 간 보관하면서 경시변화를 관찰하였다.
는 각 성분의 무게분율이다. O/W 유화액의 제조를 위해 유화액의 총 질량을 200.0 g로 고정한 후 오일상과 수상의 비를 2 : 8로 설정하였다. 수상 성분과 유상 성분 및 계면활성제를 각 조건별 질량비에 맞춰 계량한 후 water bath에서 75 ℃로 예열 용해하였다.
Primix)를 이용하여 10 min 동안 교반하였다. 균질화 속도는 3,000~7,000 rpm으로 변화하여 제조하였으며, 제조 후 35℃로 냉각시킨 후 25℃의 incubator에 7 days 간 보관하면서 경시변화를 관찰하였다.
본 연구에서는 coconut oil과 비이온성 혼합계면활성제을 사용하여 제조한 O/W 유화액의 평균액적크기와 제타포텐셜, ESI와 TII에 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value와 첨가량, 균질화 속도가 끼치는 영향을 측정하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
따라서 본 연구에서는 coconut oil과 Tween-Span계 비이온성 혼합 계면활성제를 사용하여 제조한 O/W (oil in water) 유화액의 안정성에 영향을 끼치는 인자를 평가하였다. 이를 위해 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value와 첨가량 및 균질화 속도를 변수로 설정하여 O/W 유화액을 제조하고, 유화액의 평균액적크기(mean droplet size), 유화안 정도지수(ESI), 열적 불안정도지수(TII) 등으로부터 O/W 유화액의 안정성을 평가하였다.
유화액의 안정성 평가는 제조한 유화액의 평균액적크기, 제타포텐셜(zeta-potential), 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI), 열적 불안정도지수(thermal instability index, TII) 등을 사용하여 평가하였다. 제조한 유화액의 평균액적크기와 제타포텐셜은 ZETA Sizer (Zen 3600, Malvern)을 이용하여 측정하였다. 유화액의 액적크기 측정은 유화액 제조 후 7 days 차까지 상온(24 ± 3℃)에서 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 비이온성 계면활성제로 polyoxyethylene sorbitan monostearate (Tween 80, HLB value = 14.9)와 sorbitan monostearate (Span 80, HLB value = 4.0)를 혼합하여 사용하였다. 수상은 초순수 (Vivagenen EXL-III)를 사용하였으며 유상은 천연오일인 coconut oil (Junsei Chemical Co.
0)를 혼합하여 사용하였다. 수상은 초순수 (Vivagenen EXL-III)를 사용하였으며 유상은 천연오일인 coconut oil (Junsei Chemical Co., Ltd, Japan)을 사용하였다. 실험에 사용된 비이온성 혼합계면활성제는 다음의 식을 이용하여 HLB value의 범위를 6.

이론/모형

유화액의 안정성 평가는 제조한 유화액의 평균액적크기, 제타포텐셜(zeta-potential), 유화안정도지수(emulsion stability index, ESI), 열적 불안정도지수(thermal instability index, TII) 등을 사용하여 평가하였다. 제조한 유화액의 평균액적크기와 제타포텐셜은 ZETA Sizer (Zen 3600, Malvern)을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

1. 제조한 O/W 유화액의 평균액적크기는 100~200 nm의 나노에멀젼(nanoemulsion)으로서 비이온성 혼합계면활성제의 첨가량 및 균질화 속도가 증가함에 따라 유화액적의 크기는 감소하며, 제타포텐셜은 증가하는 것으로 나타났다. 이는 균질화 속도의 증가에 의한 높은 분산력으로 인하여 coconut oil의 입자가 작게 형성되고 coconut oil 입자 주위에 계면활성제가 흡착되어 coconut oil에 대한 유화력이 증가하기 때문으로 사료된다.
2. 비이온성 혼합계면활성제의 HLB value의 영향은 6.0, 10.0, 8.0 순으로 우수하게 나타났으며, HLB value가 8.0에서 제조한 유화액의 평균입자크기는 120 nm로 가장 작고, 제타포텐셜은 40~60 mV로 가장 크게 나타났다. 이는 분산상인 coconut oil의 극성이 계면활성제의 HLB value가 8.
0 순으로 증가함을 알 수 있다. 7 days 경과 후 HLB value가 6.0인 유화 액의 ESI는 45~75%, 10.0에서는 70~85인 반면, HLB value가 8.0인 유화액에서는 80% 이상으로 가장 높은 안정성을 나타냄을 알 수 있는데, 이것은 HLB value가 8.0인 유화액의 경우 분산상인 coconut oil에 대한 계면활성제의 친화성 증가로 인하여 유화력이 증가하여 평균액적크기가 작은 유화액이 형성되고, coconut oil 표면에 많은 양의 계면 활성제가 흡착함으로써 계면막 강도와 제타포텐셜이 증가하여 오일 입자들 간의 합일 및 응집 등이 억제되어 안정성이 향상된 것으로 판단된다. 또한 Figure 8의 TII의 경우 온도변화주기가 증가함에 따라 TII 는 증가하여 제조한 유화액의 안정성은 감소하는 경향을 보이고 있다.
0과 일치한 것도 영향이 있는 것으로 사료된다. ESI 및 TII를 통한 안정성 평가는 HLB value가 6.0, 10.0, 8.0 순으로 안정성이 증가하였으며 에서의 ESI 및 TII는각각 80% 이상과 20% 이하로 가장 우수하게 나타났다.
%로, 균질화 속도의 변화는 3,000~7,000 rpm으로 하였으며, 경시 변화는 유화액 제조 후 7 dyas 간 관찰하였다. 계면활성제의 첨가량과 균질화 속도가 증가함에 따라 제조된 O/W 유화액의 평균액적크기는 감소하고, 제타포텐셜은 증가하였으며, 제조 후 시간이 경과함에 따라 평균액적크기와 제타포텐셜은 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 균질화 속도의 증가에 의한 높은 분산력으로 인하여 coconut oil의 입자가 작게 형성되고 coconut oil 입자 주위에 계면활성제가 흡착되어 coconut oil에 대한 유화력이 증가하여 나타난 것이라고 할 수 있다.
또한 Figure 8의 TII의 경우 온도변화주기가 증가함에 따라 TII 는 증가하여 제조한 유화액의 안정성은 감소하는 경향을 보이고 있다. 균질화 속도 5,000과 7,000 rpm에서 HLB value가 8.0에서 TII는 20~35%, HLB value가 6.0과 10.0에서의 TII는 각각 35~50%, 35~45%로 HLB value가 8.0인 유화액의 안정성이 보다 우수함을 알 수 있다. 유화액에 가해지는 주기적인 온도 변화는 수상과 유상의 상변화에 의한 열응력을 발생시켜 계면막의 강도에 영향을 끼친다.
%에서 평균액적크기는 가장 작았으며 제타포텐셜은 가장 큰 값을 나타내었다. 따라서 분산상인 coconut oil 주변에 흡착된 계면활성제의 흡착량이 증가함에 따라 coconut oil 주변에 형성된 안정된 계면막과 높은 정전기적 반발력으로 인하여 입자 간의 합일, 응집 등이 억제되어 나타난 것이라고 할 수 있다.
계면활성제는 분산상의 표면에 흡착하여 계면막을 형성함으로써 분산상들 간의 합체 또는 응집 등을 억제하여 안정한 분산계를 유지하는 역할을 한다. 따라서 유화액적크기가 작고 제타포텐셜이 증가할수록 안정성이 증가한 것이라고 할 수 있다.
은 전체 유화액의 높이이다. 본 연구에서는 3회 반복 측정을 통해 평균값을 사용하였으며, ESI가 클수록 유화액의 안정성이 우수한 것을 의미한다.
Figure 3에서와 같이 계면활성제의 첨가량 및 균질화 속도가 증가할수록 ESI는 크게 나타나 제조한 O/W의 유화액의 안정성은 증가함을 알 수 있었다. 시간이 경과함에 따라 ESI는 전체적으로 감소하는 경향을 보였지만, 계면활성제의 첨가량이 7.5, 10.0 wt.%인 경우에는 7 days 간 80% 이상을 유지하는 등 가장 높은 안정성을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	비이온성 계면활성제의 특징은 무엇인가?	따라서 유화과정에서 사용한 계면활성제의 HLB value는 유화 안정도에 큰 영향을 미친다[5-7]. 계면활성제는 음이온성 계면활성제, 양이온성 계면활성제 그리고 양쪽성 계면활성제 그리고 비이온성 계면활성제로 구분할 수 있는데, 이 중 비이온성 계면활성제는 수용액에서 전하를 띠지 않고 피부 자극이 가장 적어서 화장품 제조에 주로 사용한다[8-10]. 유화액은 열역학적으로 불안정한 계로서 시간이 경과함에 따라 분산상들 간의 합일(coalescence) 및 응집(floccu- lation) 등에 의하여 수상과 유상으로 상분리가 일어난다.
	HLB value (hydrophile-lipophile balance value)란 무엇인가?	이때 사용되는 계면활성제는 친수기와 소수기로 구성되어 있어 서로 섞이지 않는 수상과 유상의 계면장력을 감소시켜 안정적으로 두 상이 균일하게 분산되도록 한다. HLB value (hydrophile-lipophile balance value)는 계면활성제의 친수성 및 친유성 정도를 나타내는 값으로서 Griffin에 의해 정의되었다[4]. 즉, HLB value는 계면활성제의 친수성과 친유성을 정량적으로 나타내는 값으로서, HLB value가 클수록 친수성이 강하며 작을수록 친유성이 큰 성질을 의미한다.
	안정한 유화액을 만들기 위해 조절해야하는 조건은 무엇인가?	유화액은 열역학적으로 불안정한 계로서 시간이 경과함에 따라 분산상들 간의 합일(coalescence) 및 응집(floccu- lation) 등에 의하여 수상과 유상으로 상분리가 일어난다. 이러한 상분리에 영향을 끼치는 인자에는 계면활성제 및 오일의 종류와 첨가량, HLB value, 분산산과 연속상의 비율, 유화액 입자크기, 유화온도 및 균질화 속도(homogenization speed) 등이 있다. 따라서 안정한 유화액을 제조하기 위해서는 이들 인자들 간의 최적 조합 조건을 결정하는 것이 중요하다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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