🥣 Семь лет назад ко мне обратился знакомый, открывавший небольшое производство домашних соусов. Он потратил три месяца на попытки создать стабильный сливочный соус для пасты, который не расслаивался бы при хранении. Перепробовал шесть разных эмульгаторов, десятки комбинаций, потратил тысячи рублей на ингредиенты — соус либо был слишком жидким, либо расслаивался через два дня, либо имел неприятную текстуру. Когда он показал мне рецептуру, я сразу увидел проблему: он использовал эмульгатор с HLB пятнадцать для эмульсии, которая требовала HLB около десяти. Я объяснил ему систему гидрофильно-липофильного баланса, показал таблицу значений, помог рассчитать правильную смесь двух эмульгаторов — и через неделю у него был идеально стабильный соус. «Почему никто не рассказал мне про эту систему раньше?!» — воскликнул он в отчаянии от потраченного времени. С тех пор я всегда начинаю консультации по эмульсиям с объяснения HLB — простого, но невероятно мощного инструмента, который превращает создание эмульсий из искусства в науку.
🔬 HLB — гидрофильно-липофильный баланс — это численное значение, которое характеризует соотношение гидрофильной и липофильной частей в молекуле эмульгатора. Концепцию разработал Уильям Гриффин в 1949 году для неионогенных поверхностно-активных веществ, и она стала стандартом в пищевой, косметической, фармацевтической промышленности. Шкала HLB изначально была от нуля до двадцати, хотя теоретически возможны значения до сорока для особых соединений. Значение ноль соответствует полностью липофильной молекуле без гидрофильных групп — чистый углеводород типа парафина. Значение двадцать соответствует полностью гидрофильной молекуле без липофильных групп — например, полиэтиленгликолю. Большинство практически полезных эмульгаторов находятся в диапазоне от одного до восемнадцати. Формула расчета HLB для неионогенных ПАВ: HLB = (E + P) / 5, где E — массовый процент оксиэтиленовых групп, P — процент многоатомных спиртов типа глицерина или сорбита. Для ионогенных ПАВ расчет сложнее, потому что ионизация усиливает гидрофильность непропорционально молекулярной массе.
Шкала HLB и области применения
📊 Значение HLB напрямую связано с типом эмульсии, которую может стабилизировать эмульгатор, и другими функциями. Эмульгаторы с HLB от одного до трех — сильно липофильные, используются как пеногасители, антивспениватели в производстве соков, вина, варки джемов, где нужно подавить нежелательное пенообразование. HLB от трех до шести — эмульгаторы для создания эмульсий типа вода-в-масле, где водная фаза диспергирована в непрерывной масляной фазе. Это маргарины, спреды, масляные кремы, водостойкие косметические эмульсии. Примеры: сорбитан стеарат с HLB четыре, глицерил стеарат с HLB три целых шесть десятых. HLB от семи до девяти — смачиватели, вещества, которые снижают поверхностное натяжение, улучшают растекание жидкости по твердой поверхности. Используются в производстве порошковых смесей, сухого молока, какао-порошка для улучшения растворимости в воде.
💧 HLB от восьми до восемнадцати — эмульгаторы для создания эмульсий типа масло-в-воде, где масляная фаза диспергирована в непрерывной водной фазе. Это большинство пищевых эмульсий: молоко, майонез, салатные соусы, сливки, мороженое, косметические кремы, лосьоны. Чем выше значение HLB в этом диапазоне, тем более стабильные эмульсии с мелкими каплями можно создать. Оптимальный диапазон для большинства пищевых эмульсий масло-в-воде: HLB десять — четырнадцать. HLB от тринадцати до пятнадцати — пенообразователи для создания устойчивых пен, используются в производстве зефира, суфле, взбитых кремов, пива. HLB от пятнадцати до восемнадцати — солюбилизаторы, вещества, которые помогают растворять масла или эфирные масла в воде, создавая прозрачные или полупрозрачные растворы. Используются в производстве безалкогольных напитков с добавлением эфирных масел цитрусовых, в косметике для создания мицеллярной воды, прозрачных гелей с маслами.
Программы тренировок от известных тренеров в удобном Telegram-боте. 500+ упражнений с видео для дома и зала, планы под ваши цели - похудение, набор массы или поддержание формы
Попробовать бесплатноТребуемый HLB масляной фазы
🥄 Ключевой момент системы HLB: не только эмульгатор имеет значение HLB, но и масляная фаза имеет требуемое значение HLB — то значение эмульгатора, которое обеспечивает максимальную стабильность эмульсии с этим конкретным маслом. Различные масла и жиры требуют разных значений HLB для оптимального эмульгирования. Минеральное масло требует HLB четыре для эмульсий вода-в-масле и HLB десять — двенадцать для эмульсий масло-в-воде. Пчелиный воск — HLB пять для вода-в-масле, девять — двенадцать для масло-в-воде. Ланолин — HLB восемь — двенадцать. Растительные масла типа подсолнечного, соевого, рапсового — HLB семь — восемь для вода-в-масле, четырнадцать — шестнадцать для масло-в-воде. Касторовое масло как необычно гидрофильное масло требует HLB четырнадцать. Какао-масло — HLB шесть для вода-в-масле, пятнадцать для масло-в-воде. Силиконовые масла — HLB семь — девять.
🔢 Правило подбора эмульгатора: значение HLB эмульгатора должно максимально приближаться к требуемому HLB масляной фазы для желаемого типа эмульсии. Если вы хотите создать эмульсию масло-в-воде из подсолнечного масла, требуемый HLB около пятнадцати, значит нужен эмульгатор или смесь эмульгаторов с HLB близким к пятнадцати. Если создаете маргарин — эмульсию вода-в-масле, требуемый HLB около семи — восьми, нужны липофильные эмульгаторы. Для смеси масел требуемый HLB рассчитывается как средневзвешенное по массовым долям: HLB смеси = (HLB1 × масса1 + HLB2 × масса2 + ...) / общая масса. Например, смесь из пятидесяти процентов подсолнечного масла (HLB пятнадцать) и пятидесяти процентов какао-масла (HLB пятнадцать) имеет требуемый HLB пятнадцать. Смесь семидесяти процентов подсолнечного (HLB пятнадцать) и тридцати процентов пчелиного воска (HLB десять) имеет HLB: (15×0.7 + 10×0.3) = 13.5.
Смешивание эмульгаторов
🧮 Самое мощное свойство системы HLB — аддитивность: HLB смеси эмульгаторов равен средневзвешенному значению HLB компонентов пропорционально их содержанию. Это позволяет создавать эмульгаторы с любым нужным значением HLB, смешивая два доступных эмульгатора с известными HLB. Формула: HLB смеси = (HLB_A × %A + HLB_B × %B) / 100, где %A и %B — массовые проценты эмульгаторов A и B в смеси. Пример: у вас есть Span 60 с HLB четыре целых три десятых и Tween 80 с HLB пятнадцать. Вам нужен эмульгатор с HLB одиннадцать. Расчет: пусть X — процент Tween 80, тогда (100-X) — процент Span 60. Уравнение: (15×X + 4.3×(100-X)) / 100 = 11. Решение: 15X + 430 - 4.3X = 1100, 10.7X = 670, X = 62.6%. Значит нужно смешать шестьдесят два целых шесть десятых процента Tween 80 и тридцать семь целых четыре десятых процента Span 60 для получения смеси с HLB одиннадцать.
💡 Практический метод подбора оптимального HLB для новой системы: возьмите пару эмульгаторов с большой разницей HLB — например, один с HLB четыре — шесть, другой с HLB четырнадцать — шестнадцать. Приготовьте серию смесей с разными соотношениями, покрывающими диапазон HLB от шести до четырнадцати с шагом один — два. Используйте каждую смесь для эмульгирования вашей масляной фазы в стандартных условиях — одинаковая температура, скорость перемешивания, соотношение фаз, общая концентрация эмульгатора. Оцените стабильность каждой эмульсии через двадцать четыре часа, семь дней, месяц — визуально или измеряя размер капель, степень расслоения, вязкость. Постройте график зависимости стабильности от HLB смеси — получится колоколообразная кривая с пиком на оптимальном HLB. Это требуемый HLB вашей масляной фазы для данного типа эмульсии. Далее можете экспериментировать с другими парами эмульгаторов, поддерживая найденный оптимальный HLB, чтобы определить наиболее эффективную комбинацию по стоимости, доступности, органолептике.
Таблица HLB распространенных эмульгаторов
📋 Моно- и диглицериды жирных кислот: дистиллированные моноглицериды — HLB три — четыре, этоксилированные моноглицериды — HLB восемь — двенадцать в зависимости от степени этоксилирования. Эфиры сорбитана (Span): Span 20 (лаурат) — HLB восемь целых шесть десятых, Span 40 (пальмитат) — HLB шесть целых семь десятых, Span 60 (стеарат) — HLB четыре целых семь десятых, Span 65 (тристеарат) — HLB два целых одна десятая, Span 80 (олеат) — HLB четыре целых три десятых, Span 85 (триолеат) — HLB одна целая восемь десятых. Полисорбаты (Tween): Tween 20 (полисорбат 20) — HLB шестнадцать целых семь десятых, Tween 40 (полисорбат 40) — HLB пятнадцать целых шесть десятых, Tween 60 (полисорбат 60) — HLB четырнадцать целых девять десятых, Tween 80 (полисорбат 80) — HLB пятнадцать. Эфиры полиглицерина: полиглицерил-2 стеарат — HLB пять — шесть, полиглицерил-10 лаурат — HLB пятнадцать — шестнадцать.
🥚 Лецитин: соевый или подсолнечный — HLB семь — девять, гидрогенизированный — HLB четыре — шесть, гидролизованный — HLB десять — двенадцать, яичный — HLB восемь — десять. Эфиры сахарозы: сахарозы стеарат — HLB пять (моноэфир) до пятнадцати (полиэфир), сахарозы кокоат — HLB одиннадцать — тринадцать. Стеароил лактилаты: натрия стеароил лактилат — HLB восемь — десять, кальция стеароил лактилат — HLB пять — восемь. Эфиры жирных кислот и полиэтиленгликоля: ПЭГ-8 стеарат — HLB одиннадцать, ПЭГ-40 стеарат — HLB шестнадцать — семнадцать. Эфиры глицерина: глицерил стеарат — HLB три целых восемь десятых, глицерил олеат — HLB три целых четыре десятых, глицерил лаурат — HLB пять целых две десятых. Цетиловый спирт — HLB пятнадцать — семнадцать (только как со-эмульгатор). Эти значения приблизительные, могут варьироваться в зависимости от производителя, степени чистоты, методов измерения.
Практические примеры применения
🥗 Майонез — эмульсия масло-в-воде с содержанием масла семьдесят — восемьдесят процентов. Масляная фаза обычно подсолнечное или рапсовое масло с требуемым HLB около четырнадцати — пятнадцати. Традиционный эмульгатор — яичный желток с HLB около девяти, что ниже оптимального, но в майонезе работают синергетически лецитин желтка плюс белки, которые стабилизируют границу раздела. Добавление горчицы с её белками и полисахаридами улучшает стабильность. Для промышленного майонеза без яиц используют комбинацию: модифицированный крахмал (загуститель водной фазы) плюс эмульгатор с HLB двенадцать — четырнадцать, например смесь моноглицеридов и полисорбата 80. Расчет для смеси моноглицеридов (HLB три) и Tween 80 (HLB пятнадцать) для получения HLB тринадцать: (15X + 3(100-X))/100 = 13, 12X = 1000, X = 83.3%. Значит восемьдесят три процента Tween 80 и семнадцать процентов моноглицеридов.
🍦 Мороженое — сложная эмульсия масло-в-воде плюс пена с жиром около десяти — шестнадцати процентов. Требуемый HLB около одиннадцати — тринадцати. Типичная комбинация: моно- и диглицериды (HLB три — четыре) плюс полисорбат 80 (HLB пятнадцать) в соотношении примерно пятьдесят на пятьдесят для HLB около девяти — десяти, плюс загустители типа гуаровой камеди, каррагинана для стабилизации структуры. Косметический крем типа эмульсия масло-в-воде с масляной фазой двадцать — тридцать процентов из смеси растительных масел и восков. Требуемый HLB зависит от состава масляной фазы, обычно десять — четырнадцать. Популярная комбинация для натуральной косметики: цетиловый спирт (со-эмульгатор) плюс полисорбат 60 (HLB четырнадцать целых девять десятых) плюс глицерил стеарат (HLB три целых восемь десятых) в подобранном соотношении. Для расчета нужного соотношения глицерил стеарата и полисорбата 60 для HLB двенадцать: (14.9X + 3.8(100-X))/100 = 12, 11.1X = 820, X = 73.9%. Значит семьдесят четыре процента полисорбата 60 и двадцать шесть процентов глицерил стеарата.
Программы тренировок от известных тренеров в удобном Telegram-боте. 500+ упражнений с видео для дома и зала, планы под ваши цели - похудение, набор массы или поддержание формы
Попробовать бесплатноОграничения метода HLB
⚠️ Несмотря на полезность, система HLB имеет ограничения, о которых важно знать. Первое: HLB не учитывает температуру, хотя она критически влияет на поведение эмульгаторов, особенно неионогенных. При повышении температуры неионогенные ПАВ становятся более липофильными, их эффективный HLB снижается. Это объясняет, почему эмульсия, стабильная при комнатной температуре, может расслаиваться при нагревании или охлаждении. Точка инверсии фаз — температура, при которой эмульсия типа масло-в-воде превращается в воду-в-масле или наоборот — связана с изменением эффективного HLB эмульгатора. Второе: HLB не предсказывает необходимую концентрацию эмульгатора, только тип. Два эмульгатора с одинаковым HLB могут сильно различаться по эффективности — один стабилизирует эмульсию при концентрации нуля целых пять процентов, другому нужно два процента.
🔬 Третье: HLB не учитывает химическую совместимость эмульгатора с компонентами системы, pH среды, ионную силу, присутствие солей, белков, которые могут взаимодействовать с эмульгатором. Четвертое: значения HLB, особенно требуемые HLB масел, определены эмпирически для ограниченного набора систем и могут не точно переноситься на новые комбинации. Пятое: HLB изначально разработан для неионогенных ПАВ, его применение к ионогенным эмульгаторам типа мыл, сульфатов, фосфатов требует осторожности, потому что ионизация вносит дополнительную гидрофильность, не отраженную в расчете HLB. Шестое: HLB не предсказывает долгосрочную стабильность эмульсии, только начальную способность эмульгировать. Реальная стабильность зависит от множества факторов: размера капель, распределения по размерам, вязкости, наличия загустителей, температурных циклов, механических воздействий. Поэтому HLB — отличная отправная точка, но не замена экспериментальной проверке стабильности.
Практические рекомендации
🛠️ При разработке новой эмульсии начинайте с определения типа: масло-в-воде или вода-в-масле. Это зависит от соотношения фаз и желаемых свойств продукта. Правило Банкрофта: фаза, в которой эмульгатор более растворим, становится непрерывной. Гидрофильный эмульгатор растворим в воде — эмульсия масло-в-воде, липофильный растворим в масле — вода-в-масле. Определите состав масляной фазы и найдите или рассчитайте её требуемый HLB из справочников или экспериментально. Для смеси масел рассчитайте средневзвешенный HLB. Выберите пару доступных эмульгаторов с разными HLB, которые совместимы с вашей системой по безопасности, регуляторному статусу, органолептике, цене. Рассчитайте соотношение для получения нужного HLB смеси. Приготовьте пробные эмульсии с разной концентрацией смеси эмульгаторов — обычно от нуля целых пять до пяти процентов от общей массы — и оцените стабильность.
📝 Ведите подробные записи всех экспериментов: точный состав, температура приготовления, порядок смешивания, скорость и время перемешивания, pH, наблюдения за внешним видом, консистенцией, стабильностью при хранении. Тестируйте эмульсии в условиях, приближенных к реальным: температурные циклы замораживание-оттаивание для продуктов, которые будут храниться в морозилке, нагревание для соусов, которые разогревают, механическое воздействие для продуктов, которые транспортируют. Измеряйте размер капель микроскопией или лазерной дифракцией — стабильные эмульсии имеют средний размер капель один — десять микрометров и узкое распределение. Не ограничивайтесь одним эмульгатором или парой — часто комбинация трех эмульгаторов с разными HLB и механизмами стабилизации дает лучший результат, чем два. Используйте синергизм с загустителями, белками, мелкими частицами — они не эмульгаторы в классическом смысле, но значительно повышают стабильность через увеличение вязкости и создание стерических барьеров между каплями.
Альтернативные системы классификации
🔄 Кроме HLB существуют другие системы классификации эмульгаторов, которые учитывают дополнительные факторы. Система фазового инверсионной температуры (PIT) для неионогенных ПАВ учитывает температурную зависимость и определяет оптимальную температуру эмульгирования. Критическая температура мицеллообразования (CMT) характеризует температуру, выше которой молекулы ПАВ начинают образовывать мицеллы в растворе. Система упаковочного параметра (CPP) связывает геометрию молекулы ПАВ с типом агрегатов, которые она образует: CPP меньше одной трети — мицеллы, от одной трети до половины — цилиндрические мицеллы, от половины до одной — везикулы и бислои, больше единицы — обратные мицеллы. Эти системы более фундаментальны, но сложнее для практического применения, поэтому HLB остается рабочей лошадкой промышленности.
💼 Для быстрой ориентировки запомните основные диапазоны: HLB три — шесть для маргаринов, масляных кремов, водостойкой косметики; HLB восемь — одиннадцать для универсальных применений, смачивания порошков; HLB двенадцать — пятнадцать для майонеза, соусов, косметических лосьонов, молочных продуктов; HLB шестнадцать — восемнадцать для солюбилизации масел в прозрачных напитках, мицеллярной воды. Если эмульсия расслаивается быстро, проблема может быть не в HLB, а в недостаточной концентрации эмульгатора, слишком высокой доле внутренней фазы, неправильном порядке смешивания. Правильный порядок для масло-в-воде: растворить эмульгатор частично в масляной фазе, частично в водной, нагреть обе до одной температуры выше температуры плавления всех компонентов, медленно добавлять масляную фазу в водную при интенсивном перемешивании. Для вода-в-масле — наоборот, водную в масляную. Резкое охлаждение сразу после эмульгирования фиксирует структуру и повышает стабильность.
