امولسیون‌ها سیستم‌های پراکنده ای از دو مایع غیر قابل امتزاج، مانند روغن و آب هستند. امولسیون‌ها به طور عمدی برای ایجاد انواع مختلف محصولات از سس مایونز گرفته تا کرم‌ها و رنگ تشکیل می‌شوند. اما به عنوان یک محصول جانبی در فرآیندهای مختلف صنعتی نیز شکل می‌گیرند. هنگامی که امولسیون مورد نیاز است، پایداری آن برای کیفیت محصول بسیار مهم است. در صورت وجود امولسیون‌های ناخواسته، باید از عوامل ناپایدارکننده امولسیون، برای شکستن آن‌ها استفاده شود.
امولسیون از هم زدن دو مایع غیرقابل امتزاج مانند روغن و آب با حضور یک امولسیفایر تشکیل می‌شود، که می تواند به عنوان مثال پروتئین، فسفولیپید یا حتی نانوذره باشد. امولسیون می‌تواند از نوع امولسیون روغن در آب (O/W) باشد که در آن فاز پراکنده روغن و فاز پیوسته آب است، یا نوع آب در روغن (W/O) که در آن فازها معکوس می‌شوند. امولسیفایر مورد استفاده تعیین می کند که کدام نوع امولسیون تشکیل شده است. تعادل هیدروفیل-لیپوفیل یک سورفکتانت، معیاری است که سورفکتانت تا چه حد آب‌دوست یا چربی‌دوست است. سورفکتانت‌های هیدروفیل محلول در آب هستند و به عنوان عامل امولسیون کننده O/W عمل می‌کنند در حالی که سورفکتانت‌های چربی دوست (یا آبگریز) محلول در روغن هستند و به عنوان امولسیون کننده W/O عمل می کنند.
پایداری ترمودینامیکی یک موضوع چالش‌برانگیز در مبحث امولسیون‌هاست. امولسیون‌ها تحت تنش‌های محیطی مانند گرم‌کردن، منجمدکردن، تغییرات pH و قدرت یونی، دچار عدم پایداری می‌شوند.
به طور مثال پس از عمل هموژنیزاسیون، لایه بین سطحی بین فاز پیوسته و پراکنده، به طور معنی‌داری افزایش می‌یابد و انرژی آزاد بین سطحی نیز به طور قابل‌ملاحظه‌ای افزایش خواهد یافت. باتوجه‌به مفهوم ترمودینامیکی، امولسیون‌ها گرایش به جداشدن در دوفاز، به‌حداقل‌رساندن ناحیه بین سطحی و نزدیک‌شدن به حالت کم‌انرژی دارند. امولسیون‌ها به روش‌های مختلف از جمله فلوکولاسیون (flocculation)، کوالسنس(coalescence)، خامه‌ای شدن(creaming) و جداسازی فازها ناپایدار می‌گردند.
فلوکولاسیون و کوالسنس، اصلی‌ترین مکانیسم‌های ناپایداری امولسیون هستند.
1. فلوکولاسیون(Flocculation):
فلوکولاسیون زمانی رخ می‌دهد که دافعه‌ای کافی برای نگه‌داشتن قطرات دور از همدیگر وجود نداشته باشد، بنابراین جاذبه وان‌در‌والس بر سیستم غلبه می‌کند. این ممکن است حتی با مکانیسم نشتی یا پل رخ دهد. در توده‌های شکل‌گرفته اولین مرحله کوالسنس و خامه‌ای شدن است. در فلوکولاسیون ذرات به‌هم‌چسبیده و تفاوتی در ماهیت ذرات ایجاد نمی‌شود. در برخی موارد فلوکولاسیون برگشت‌پذیر بوده و با تکان‌دادن ساده یا استفاده از همزن‌های مغناطیسی شکسته می‌شود. درحالی‌که در موارد دیگر غیرقابل‌برگشت بوده و قطرات تمایل به بهم آمیختن پیدا می‌کنند و سپس توزیع اندازه قطرات به سمت مقادیر بزرگ‌تر تغییر می‌کند. فلوکولاسیون باعث تولید توده ذرات کوچک مانند خوشه انگور می‌شود، اما توده‌ها در یک ذره جدید ادغام نمی‌شوند. در فلوکولاسیون کاهش سطح وجود ندارد.
2. کوالسنس (Coalescence):
زمانی که دو یا چند قطره امولسیون به هم نزدیک می‌شوند و یک قطره بزرگ‌تر را تشکیل می‌دهند، رخ می‌دهد و این فرایند برگشت‌ناپذیر است. به‌عبارت‌دیگر کوالسنس معمولاً زمانی که قطرات در یک بازه زمانی گسترده‌تر در یک‌لایه خامه‌ای یا در حالت فولیکولی شده دیگر به هم نزدیک شوند رخ می‌دهد. کوالسنس یا به‌صورت جزئی یا کامل اتفاق می‌افتد، در حالت جزئی بخشی از چربی‌ها در سطح به کریستال تبدیل شده و این کریستال‌ها در هم ادغام می‌شوند؛ اما قطره بزرگ‌تر را تشکیل نمی‌دهند. در حالت کامل ممکن است معکوس شدن فاز رخ دهد. مهم‌ترین ویژگی کوالسنس کاهش سطح است. کوالسنس گسترده است و باعث تشکیل یک فاز ماکرو می‌شود.
وقتی به پایداری ترمودینامیکی می‌رسیم که همه قطرات در یک امولسیون درون یک ناحیه همگن روغن یا محلول آبی به هم آمیخته شوند. لایه دفاعی امولسیفایر اطراف قطرات در یک امولسیون غذایی به طور معمول مانع کوالسنس می‌شود. کلوئیدی که در برابر کوالسنس پایدار باشد، به پایدار سینتیکی رسیده است. حالت فیزیکی فاز روغنی به‌خصوص درجه انجماد، بر طبیعت فرایند کوالسنس در امولسیون روغن در آب تأثیر می‌گذارد. زمانی که فاز پراکنده کاملاً مایع است، قطرات کوالسنس نشده با هم درون گلبول‌های کروی شکل بزرگ‌تر ادغام می‌شوند و در نهایت روغن آزاد، در سطح دیده می‌شود.
3. خامه‌ای شدن (Creaming):
بارزترین ویژگی ناپایداری کلوئیدی ته‌نشینی ذرات، قطرات یا تجمع تحت نیروی ثقل را رسوب یا خامه‌ای شدن می‌نامند و بستگی به حرکت فاز پراکنده به سمت بالا یا پایین دارد. خامه‌ای شدن حرکت قطرات روغنی تحت نیروی جاذبه یا نیروی گریزازمرکز برای تشکیل یک‌لایه غلیظ در بالای نمونه امولسیون روغن در آب با عدم تغییر در توزیع اندازه قطرات است. خامه‌ای شدن برگشت‌پذیر است، باتوجه‌به این موضوع که با مخلوط‌کردن خوب، شکل اصلی قطرات دوباره ایجاد خواهد شد. قانون استوکس یک راهنمای کاربردی برای بررسی رفتار خامه‌ای شدن با عدم حضور فلوکولاسیون است. این قانون سه روش برای جلوگیری از خامه‌ای شدن را بیان می‌کند که عبارت‌اند از: کاهش میانگین اندازه قطرات، کاهش دانسیته فازهای مختلف یا افزایش ویسکوزیته فاز پیوسته.
فلوکولاسیون باعث افزایش اندازه مؤثر قطرات درون امولسیون و در نتیجه باعث افزایش خامه‌ای شدن می‌شود. درحالی‌که کاهش دانسیته بین ذرات و سیال احاطه‌کننده آن‌ها، خامه‌ای شدن را به تأخیر می‌اندازد. تأثیر کلی فلوکولاسیون بر روی سرعت خامه‌ای شدن با ضریب ناپایداری خامه‌ای شدن توصیف می‌شود. روغن‌های خوراکی مایع، معمولاً دانسیته کمتری نسبت به آب مایع دارند.
بنابراین، خامه‌ای شدن در امولسیون‌های روغن در آب رایج‌تر است و رسوب یا ته‌نشینی در امولسیون‌های آب در روغن بیشتر است؛ بنابراین قطرات در یک امولسیون روغن در آب تمایل به خامه‌ای شدن دارند، درحالی‌که در یک امولسیون آب در روغن، تمایل به ته‌نشینی دارند. اما این موضوع در امولسیون‌های حاوی لیپیدهای کریستالی صدق نمی‌کند، زیرا دانسیته روغن‌ها وقتی کریستالیزاسیون رخ می‌دهد افزایش می‌یابد. دررابطه‌با عمر ماندگاری امولسیون، کوالسنس ناپایداری بیشتری نسبت به خامه‌ای شدن دارد.
4. رسیدن استوالد (Ostwald ripening):
فرایند استوالد بیشتر در امولسیون‌هایی با توزیع اندازه قطرات بسیار متنوع روی می‌دهد. برخورد بین قطره به ایجاد یک قطره بزرگ‌تر و یک قطره کوچک‌تر منجر می‌شود. در نتیجه، قطرات ریز، کوچک‌تر و به‌تدریج در فاز پیوسته حل می‌شوند یا اینکه روی سطح فاز آبی قرار می‌گیرند.
5. برگشت فاز:
برگشت فاز، فرایندی است که در امولسیون روغن در آب به آب در روغن تبدیل می‌شود. برگشت فاز می‌تواند به دلایل مختلفی ایجاد شود:
- متبلور شدن چربی در امولسیون
- تغییر در شکل هندسی مولکول فعال‌کننده سطحی
