JP2022500234A - 非混和性流体の安定した均質な分散液を生成するシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明の実施形態は、合成乳化剤および／または他の化学界面活性剤を使用することなく、極性流体の連続層中の非極性流体の、または非極性流体の連続層中の極性流体の安定した均質な分散液を生成するシステムおよび方法を提供する。これは、ディスク間にギャップがある管内に取り付けられたディスク（円形または他の形状）のスタックを含む処理装置を使用して実現される。ディスクは乱流促進装置として機能し、促進装置が取り付けられている管を流れる流体に高せん断、乱流、およびキャビテーションを発生させる。この処理装置は、入口（１４）および出口（１５）を有するハウジング（１１）と、ハウジングを通って軸方向に延びる処理要素（１６）とを含み、処理要素は複数のディスク（１７）を含み、各ディスクには１つまたは複数のアパーチャ（２１）が形成され、１つまたは複数のアパーチャはディスクの片側に一緒に配置され、隣接するディスクのアパーチャは互いに半径方向に反対側に位置する。【選択図】図１

Description

本出願は、２０１８年９月１０日に提出された米国仮特許出願第６２／７２８，９４９号の利益を主張する。前出の米国仮特許出願は参照により本明細書に完全な形で組み込まれる。

共有結合を含む化合物の分子は、例えば、相対的な分子電気陰性度、立体化学、およびそれらの極性部分の配向に依存して、非極性または極性であり得る。非極性分子（エッセンシャルオイル、オレオレジン、香料、および抽出物を含むがこれらに限定されない）は水と混和せず、混合するとこれらの成分は貯蔵時に２つの相に分離する。

本発明の様々な実施形態は、非混和性流体の均質な分散液の改善された安定性または保持時間を提供する。本発明のいくつかの実施形態による分散液は、例えば、非混和性流体の混合物を、キャビテーションと組み合わせた高せん断にさらして個々の流体表面張力を克服し、分散媒体の連続相中の分散された流体のナノサイズの液滴（例えば、約１０^−８から約１０^−９メートルの直径を有する）を物理的に生成する連続流システムに通すことによって生成され得る。これらの液滴は、放置してもすぐには凝集せず、長期間分散したままであり得る。

いくつかの実施形態において、本発明は、乳化剤を添加することなく、非混和性流体の安定した均質な分散液を生成する方法を提供し、方法は、非混和性流体を含み、乳化剤を添加しないマクロエマルジョンを提供すること、および、前記マクロエマルジョンを、乱流流体の流れのために構成された処理装置に通し、それによって、分散媒体の連続相中に分散された流体の複数の液滴を含むマイクロエマルジョンを生成することを含み、この液滴は、室温での貯蔵中に分散媒体から分離せず、処理装置は、入口および出口を有するハウジングと、ハウジングを通って軸方向に延在し、複数のディスクを含む処理要素とを含み、各ディスクには１つまたは複数のアパーチャが形成され、１つまたは複数のアパーチャはディスクの片側に一緒に配置され、隣接するディスクのアパーチャは互いに半径方向に反対側に位置する。

いくつかの実施形態では、分散された流体は非極性流体であり、分散媒体は極性流体媒体である。

いくつかの実施形態では、マクロエマルジョンは、処理装置を通して処理された水を含む。

いくつかの実施形態では、マクロエマルジョンは、処理装置を通過する前に、高速プロペラ型ミキサを使用して事前に混合される。

いくつかの実施形態では、各ディスクは３つのアパーチャを備えて形成される。

いくつかの実施形態では、ディスクは、互いに所定の距離だけ離間される。

いくつかの実施形態では、各ディスクのアパーチャの断面積は、入口および出口の断面積と実質的に同じであり、隣接するディスク間の断面積は、入口および出口の断面積よりも大きい。

いくつかの実施形態では、ディスクは、異なる電気陰性度の金属の合金から形成される。

いくつかの実施形態では、合金は、第１のグループから選択される少なくとも１種の金属および第２のグループから選択される少なくとも１種の金属を含み、第２のグループの電気陰性度は、第１のグループの電気陰性度と実質的に反対である。

いくつかの実施形態では、第１のグループは、チタン、モリブデン、銀、ケイ素、銅、およびニッケルを含み、第２のグループは、鉄、亜鉛、スズ、クロム、マンガン、およびカドミウムを含む。

本発明の実施形態の追加の特徴および利点を以下でさらに記載する。この要約セクションは、単に特定の特徴を説明することを意図しており、いかなる方法でも本発明の範囲を限定することを意図していない。本発明の特定の特徴または実施形態を論じないこと、またはこの要約セクションに１つまたは複数の特徴を含めることは、特許請求された本発明を限定するものと解釈されるべきではない。

前述の要約、ならびに特定の実施形態の以下の詳細な記載は、添付の図面と併せて読むと、より深く理解されるであろう。しかしながら、本発明は、示された正確な配置および手段に限定されないことを理解されたい。

本発明のいくつかの実施形態による、分散液を生成するために使用することができる処理装置の一例の断面側面図を示す。 線２−２に沿った図１の例の断面端面図を示す。 本発明のいくつかの実施形態による非混和性流体を処理するために使用されるシステムの概略図を示す。

フレーバー、着色剤、テクスチャー調整剤、または腐敗防止剤などの非極性食品成分の使用は、貯蔵中の物理的分離または意図された機能的属性の効果のない送達をもたらす不均一な分散の問題を提示する。極性流体と非極性流体の混合物に均質性をもたらす通常の方法は、乳化剤を使用し、均質化として知られるプロセスで３成分混合物を激しく混合するまたは狭いチャネルに連続的に流すことである。乳化剤は、分子内に極性部分と非極性部分の両方を有する化合物であるため、分散相の分子の非極性部分と分散媒体分子の極性部分との間のブリッジとして機能することができる。エマルジョンの安定性と分散相および分散媒体の分離前の保持時間の長さは、乳化剤の濃度、２つの非混和性流体および乳化剤の分子の極性部分と非極性部分の相互作用、分散相の液滴のサイズ、混合物の粘度、および温度に依存する。

一般に油溶性成分と呼ばれる非極性食品成分は、食品産業で広く使用されている。ほとんどの食品は主成分として水を含んでいるため、これらの油溶性成分の効果的な使用は、均質な混合物を形成するための成分の均一な分散に依存する。肉や鶏肉では、油溶性成分は、マリネードを介して、または粉砕加工肉になど直接添加によって、風味および／または色あいのために添加される。油溶性抗菌剤を筋肉全体に噴霧して、病原体を制御し、貯蔵寿命を延ばすこともできる。これらの油溶性成分を筋肉全体に均一に分散させる際の主な問題は、肉全体、特に豚肉と牛肉は通常、脂肪と赤身の層を含んでいることである。噴霧する場合、水および水溶性成分および油溶性フレーバー、着色剤、および抗菌成分を含むエマルジョンは、肉表面に衝突したときに適切な速度で霧化された液体の適切な流れを確保するために、適用時に希釈された形でなければならない。ほとんどのエマルジョンでは、油溶性液滴の凝集が起こり、それらは水相から分離し、この結果、噴霧室に入る肉と後で入る肉の間で不均一な液体噴霧が肉表面に衝突する。したがって、油溶性および水溶性の成分と水を含む混合物が均一に分散され、均質であることが重要である。乳化成分が使用場所から離れた場所で製造され、混合物が調製直後に使用されない場合、エマルジョンの安定性は、混合成分が一貫して有効であるために重要な特性になる。

非混和性流体の混合物中の分散相の粒子サイズは、マクロエマルジョンの場合は約１ｍｍであり、マイクロエマルジョンの場合は１ｎｍから１μｍである。分散相液滴のサイズが大きいほど、均質性を維持するために必要な乳化剤濃度が高くなり、凝集する傾向が高くなる。しかしながら、液滴サイズを小さくするために必要なパワーは、液滴サイズが小さくなるにつれて増大する。したがって、安定した均質な分散液を得るために、乳化剤の濃度と均質化パラメータの強度を最適化することがしばしば必要である。

ホモジナイザは食品産業で周知されており、１００年以上使用されてきた。しかしながら、均質化プロセスの基本原理は同じままである。まず、分散相、分散媒、および乳化剤の混合物をホモジナイザの外側で完全に混合する。この十分に混合された液体は、速度を上げるために狭いチャネルを通して高圧でポンプで送られ、続いてプレートに対して高速流体を衝突させて速度を下げ、より狭いチャネルを通して流れをそらす。最後に、均質化された流体は、周囲圧力でホモジナイザを出る。ホモジナイザの主な問題は、分散相の液滴がホモジナイザの連続フローチャネルを離れるときに凝集することである。したがって、液滴サイズはある範囲のサイズに分布し、多段ホモジナイザおよび／またはホモジナイザを通る複数のパスを使用することができるが、このアプローチは、支配的な液滴サイズをより小さな値にシフトするだけであり、大きなサイズの多数の液滴は依然として存在する可能性がある。これらの大きな液滴は凝集して、液体エマルジョンの大部分から分離する強い傾向を有し得る。非常に小さい液滴サイズが支配的であっても、安定した均質な分散を維持するために、十分に大きいサイズの液滴が存在する場合は、乳化剤が依然として必要であり得る。

食品における消費者に優しいラベル表示へ向かう傾向は、化学的な響きの名前の必要性を排除する製品の配合に強く影響している。典型的に、水中油型分散液に効果的な乳化剤は、化学的な響きの名前を持つ合成化合物である。ラベルから合成乳化剤を排除することは、消費者に優しいラベルのみならず、指定された成分の数が減ったラベルも得られる。本発明の実施形態は、乳化剤および／または他の化学界面活性剤を添加することなく、安定した均質な水中油型分散液の製造を可能にする乳化プロセスを提供する。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態は、天然の乳化剤を含むマクロエマルジョンを使用し得る。

本発明のいくつかの実施形態は、乳化剤も界面活性剤も添加する必要なしに、極性流体媒体中に分散された非極性流体の微小液滴を生成する方法を提供する。これは、ディスク間にギャップがある管内に取り付けられたディスク（円形または他の形状）のスタックを含む処理装置を使用して実現される。ディスクは乱流促進装置として機能し、促進装置が取り付けられている管を流れる流体に高せん断、乱流、およびキャビテーションを発生させる。これらの方法での使用に適した処理装置の例は、オーストラリア特許第５８０４７４号に開示されている水調整器であり、この特許は参照により本明細書にその全体が組み込まれる。図１および２はこの水調整器１０を示し、これは、管状ハウジング１１と、入口１４および出口１５にそれぞれねじ付きボス１２および１３と、スペーサ１９を間に有するロッド１８上のアパーチャ２１を有する複数のディスク１７および両端にナットまたは他のクランプ手段２０を備える調整要素１６とを備える。ハウジング１１は銅から、ボス１２および１３は真ちゅうから、ロッド１８はステンレス鋼から、およびディスク１７およびスペーサ１９はチタン、モリブデン、銀、ケイ素、銅、ニッケル、鉄、亜鉛、スズ、クロム、マンガン、およびカドミウムを含む合金から形成され得る。この水調整器の例は、Ｔｕｒｂｕ−Ｆｌｏｗ Ｐｔｙ ＬｔｄからＳｏｆｔｅｒＷａｔｅｒ調整器デバイスとして市販されており、これは、硬水中のミネラルのスケール生成特性を中和することによってスケールの形成を防ぐ（例えば、ｓｏｆｔｅｒｗａｔｅｒ．ｃｏｍ．ａｕのＷｅｂサイトを参照のこと）。

本発明は、水中での非極性流体の分散を促進する際のそのような処理装置の最初の報告された使用である。本発明者らは、処理装置内の一対の乱流促進ディスクにおいて、流体が１つのディスクから次のディスクに移動するときの流れる流体における乱流の誘導および逆方向の円周方向の流れ方向が、ホモジナイザの１つのバルブのそれと同様の効果を有することを認識した。したがって、処理装置内のディスクのスタックは、標準的なホモジナイザバルブを複数回通過するのと同様に流体を処理する。処理装置によって提供される連続的なマルチパス均質化効果は、単一のホモジナイザバルブを通る複数のパス間の分散相液滴の凝集を排除し、それによって、狭い範囲の粒子サイズ内に分散された分散相液滴を有するマイクロエマルジョンを生成することが見出された。理論に束縛されることを望まないが、処理装置を使用して生成されるマイクロエマルジョンにおいて、分散相液滴は、それらが沈殿するのを防ぎ、それによって安定した均質な分散を維持するように、分散媒体の分子によって囲まれ得ると考えられる。

安定した均質な分散液を生成するのに効果的であるために、分散相は、混合物を処理装置に通す前に、分散媒体内で完全に混合されることが好ましい。これは、例えば、標準的な実験用ミキサを使用して、分散される流体が分散媒体とは別の流体の膜をもはや形成しないことを観察することによって達成することができる。したがって、分散相は、混合される前の流体であることが好ましい。ほとんどの油溶性樹脂材料は、通常、食品グレードの溶媒に溶解して入手可能であり、そのような溶液は、本明細書に記載の実施形態での使用に適しているであろう。

他の実施形態では、本発明は、使用地点で機能性成分の必要な有効濃度に希釈するのに適した油溶性液体の濃縮分散液を生成する方法を提供する。本発明者らは、希釈剤として使用される分散媒体が希釈地点で処理装置に通されるとき、長期間にわたって相の分離がなかったことを観察した。

極性分散媒体中の非極性成分の均一に分散された流体の分散液を生成するためのプロセスの例は、水中のホップ由来の樹脂材料のエマルジョンである。ホップ植物（Ｈｕｍｕｌｕｓ ｌｕｐｕｌｕｓ）由来の樹脂材料は、一般にホップ酸と呼ばれ、ケトンとアルコール部分を含む長い側鎖を持つ複雑な六角形の分子からなる。この樹脂材料中の化合物の混合物は、動物飼料中の抗生物質の適切な代替物であることが示されている（例えば、参照により本明細書に組み込まれる米国特許第７，０９０，８７３号を参照されたい）。樹脂は、樹脂ペーストとして商業的に入手することができる。

スキッド上の処理装置（図３）によって作り出された高せん断、乱流、およびキャビテーションを使用して、樹脂性ホップ酸生成物を水に分散させた。２種の異なる水タイプを対照処理と比較した。本発明の特定の例示的な実施形態による処理システムが図３に示され、リザーバ１０１、ポンプ１０２、処理装置１０３および収集タンク１０４を含む。この実施例では、処理装置１０３は、Ｔｕｒｂｕ−Ｆｌｏｗ Ｐｔｙ Ｌｔｄから得られたマルチディスク乱流促進装置であった（上に記載し、図１および２に示されるようなもの）。しかしながら、他の実施形態では、複数のディスクまたは他の機能的に同等の乱流促進装置構造をその中に有する他の処理装置を使用することができる。

試験１は０．５％プロピレングリコールを含む未処理の水道水中に１％ホップ酸を含む分散液であり、そのマクロエマルジョンは高速プロペラ型ミキサを使用して作った。

試験２は、分散媒体として処理装置１０３を通して処理された水道水を利用した。０．５％プロピレングリコールを含む１％ホップ酸分散液を作り、そのマクロエマルジョンは高速プロペラ型ミキサを使用して作った。

試験３は同じく分散媒体として処理装置１０３を通して処理された水道水を利用した。１％ホップ酸分散液を添加剤なしで作り、高速プロペラ型ミキサを使用して事前に混合し、そのマクロエマルジョンを処理装置１０３に通して再度処理した。マクロエマルジョンが処理装置１０３を通過するときに、分散された液滴が形成された後、処理された水は分子水が、分散された液滴をコーティングすることを許容し、したがって凝集を防ぎ、マイクロエマルジョンを安定化させると仮定される。

処理試験１、試験２、および試験３に使用したパラメータを表１に示す。これは初期および最終処理の物理的条件を詳述している。

表２は、試験１、試験２、および試験３で生成されたホップ酸溶液の観察結果を示す（保管中の１％ホップ酸溶液の観察結果）。プロピレングリコールと水道水を使用した試験１は安定せず、時間の経過とともに分離した。複数の種類の沈殿物（茶色、白色の残留物）が底にはっきりと見え、容器の側面に付着した。同じくプロピレングリコールと処理装置１０３で前処理した水を使用した試験２では、最初は安定したエマルジョンが得られたが、ホップ酸成分は１週間以内に沈殿した。添加剤を含まず、処理装置１０３で前処理され、ホップ酸の添加後に同じ処理装置で再処理された水を使用して実施した試験３は、安定した均質な分散液をもたらした。室温で６か月間貯蔵した後、試験３は安定したままで、分離の兆候は見られなかった。

これらの結果は、ナノメートルサイズの範囲の分散相液滴を生成できる処理装置が、乳化剤を含まない非混和性液体の安定した均質な分散液を生成するのに効果的であり得ることを示す。

本発明の例示的な実施形態による方法は、Ｔｕｒｂｕ−Ｆｌｏｗ処理装置を使用して実証されているが、ＥＢＥＤ ＨＯＬＤＩＮＧＳ，ＩＮＣ．（カナダ、オンタリオ州、Ｂａｄｅｎ）に割り当てられた米国特許出願公開第２０１６／０２３６１５８号に記載されているナノバブル発生器、および株式会社アスプ（ＡＳＵＰＵ ＣＯ．，ＬＴＤ）（日本国、静岡；例えば、ｗｗｗ．ｍａｎｕａｌｓｌｉｂ．ｃｏｍ／ｍａｎｕａｌ／１０２５１２０／Ａｓｕｐｕ−Ａｓｇｌ．ｈｔｍｌでオンラインで入手できるＡＳＧ１の操作マニュアルを参照のこと）のマイクロナノバブル発生器（ＡＳＧ１／ＡＳＧ２）などであるがこれらに限定されないナノサイズの分散相液滴を生成することができる他のデバイスも利用することができる。

さらに、本明細書に提供される実施例はホップ酸および水を使用するが、他の用途は、カンナビジオール（ＣＢＤ）または他のフィトカンナビノイドを含む溶液などであるがこれらに限定されない他の通常は不混和性の流体を使用し得る。

その好ましい例示的な実施形態に適用される本発明の基本的な新規の特徴を示し、記載してきたが、開示された発明の形態および詳細の省略および置換ならびに変更は、本発明の趣旨から逸脱することなく当業者によってなされ得ることが理解される。さらに、容易に明らかであるように、当業者は多くの修正および変更を思い付くかもしれない。例えば、１つまたは複数の実施形態における任意の特徴が１つまたは複数の他の実施形態で適用可能であり、１つまたは複数の他の実施形態と組み合わせることができる。したがって、本発明を、示され、記載された正確な構造および操作に限定することは望ましくなく、したがって、すべての適切な修正均等物は、特許請求される本発明の範囲内に入るように訴えることができる。したがって、本明細書に添付された特許請求の範囲によって示されるようにもっぱら制限されることが意図されている。

Claims (10)

1. 乳化剤を添加することなく、非混和性流体の安定した均質な分散液を生成する方法であって、前記非混和性流体を含み、乳化剤を添加しないマクロエマルジョンを提供すること、および、前記マクロエマルジョンを、乱流流体の流れのために構成された処理装置に通し、それによって、分散媒体の連続相中に分散された流体の複数の液滴を含むマイクロエマルジョンを生成することを含み、前記液滴は室温での貯蔵中に前記分散媒体から分離せず、前記処理装置は、入口および出口を有するハウジングと、前記ハウジングを通って軸方向に延在し、複数のディスクを含む処理要素とを含み、各ディスクには１つまたは複数のアパーチャが形成され、前記１つまたは複数のアパーチャは前記ディスクの片側に一緒に配置され、隣接するディスクの前記アパーチャは互いに半径方向に反対側に位置する、方法。
2. 前記分散された流体が非極性流体であり、前記分散媒体が極性流体媒体である、請求項１に記載の方法。
3. 前記マクロエマルジョンが、前記処理装置を通して処理された水を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記マクロエマルジョンが前記処理装置を通過する前に高速プロペラ型ミキサを使用して事前に混合される、請求項１に記載の方法。
5. 各ディスクが３つのアパーチャを備えて形成される、請求項１に記載の方法。
6. 前記ディスクが互いに所定の距離だけ離間される、請求項１に記載の方法。
7. 各ディスクの前記アパーチャの断面積が、前記入口および出口の断面積と実質的に同じであり、隣接するディスク間の断面積が、前記入口および出口の断面積よりも大きい、請求項１に記載の方法。
8. 前記ディスクが、異なる電気陰性度の金属の合金から形成される、請求項１に記載の方法。
9. 前記合金が、第１のグループから選択される少なくとも１種の金属と、第２のグループから選択される少なくとも１種の金属とを含み、前記第２のグループの電気陰性度が、前記第１のグループの電気陰性度と実質的に反対である、請求項８に記載の方法。
10. 前記第１のグループが、チタン、モリブデン、銀、ケイ素、銅、およびニッケルを含み、前記第２のグループが、鉄、亜鉛、スズ、クロム、マンガン、およびカドミウムを含む、請求項９に記載の方法。

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