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En esta guía:
- Qué es el sistema HLB y por qué es la herramienta más práctica para el formulador.
- El espectro HLB de Span/Tween: desde Span 65 (HLB 2.1) hasta Tween 20 (HLB 16.7)
- Cómo calcular el HLB efectivo de un sistema emulsionante mezclado
- Valores HLB requeridos para las fases oleosas comunes en los alimentos (grasa de mantequilla, manteca de cacao, aceites vegetales)
- Método de selección de emulsionantes basado en HLB paso a paso
- Ejemplos prácticos de formulación con relaciones Span/Tween
- Lo que el sistema HLB NO te dice y qué debes comprobar más allá del HLB.
1. Qué es el sistema HLB y por qué funciona
El sistema de equilibrio hidrófilo-lipófilo (HLB, por sus siglas en inglés), desarrollado por William C. Griffin para tensioactivos no iónicos, asigna a cada emulsionante un número del 0 al 20 en función de la proporción del peso molecular de la porción hidrófila con respecto a la molécula total. Un HLB de 0 representa una molécula totalmente lipofílica (soluble en aceite); 20 representa una molécula totalmente hidrófila (soluble en agua) (Hu et al., 2011).
El valor HLB predice directamente el comportamiento del emulsionante:
| Gama HLB | Comportamiento | Tipo de emulsión | Ejemplos de Span/Tween |
|---|---|---|---|
| 0-3 | Fuertemente lipofílico | Agentes antiespumantes | Tramo 65 (2.1) |
| 3-6 | Lipofílico | Emulsiones W/O (margarina, manteca vegetal) | Envergadura 60 (4,7), Envergadura 80 (4,3) |
| 6-9 | Equilibrado | Transicional: la estructura cristalina de la grasa importa más que el HLB. | Span 20 (8,6), Lecitina (4-7) |
| 9-12 | Moderadamente hidrófilo | Emulsiones generales de aceite en agua (apósitos, cremas) | Mezclas equilibradas para niños y preadolescentes |
| 12-15 | Hidrofílico | Emulsiones fuertes de aceite en agua (bebidas, helados) | Tween 60 (14,9), Tween 80 (15,0) |
| 15-18 | Fuertemente hidrófilo | Emulsiones finas de aceite en agua, emulsiones de sabor, bebidas transparentes | Entre 20 (16.7) |
| 18-20 | Casi totalmente hidrofílico | Solubilización, detergentes | No es típico de la comida. |
El valor práctico del sistema HLB es simple: en lugar de adivinar qué emulsionante usar, calcula el HLB que necesita su fase oleosa y lo ajusta. Si es nuevo en emulsionantes alimentarios, comience con nuestro Guía de funciones y aplicaciones de los emulsionantes alimentarios.
2. El espectro HLB Span/Tween
Las familias Span (ésteres de sorbitán) y Tween (polisorbatos) cubren en conjunto todo el rango práctico de HLB para aplicaciones alimentarias, desde Span 65 con 2,1 hasta Tween 20 con 16,7. Esto las convierte en un conjunto de emulsionantes excepcionalmente completo.
| Emulsionante | Nombre químico | HLB | Número E | Uso principal |
|---|---|---|---|---|
| Tramo 65 | triestearato de sorbitán | 2.1 | E492 | HLB ultrabajo: chocolate, sistemas ricos en grasas |
| Tramo 80 | Monooleato de sorbitán | 4.3 | E494 | Sin: cremas para untar, salsas, dulces |
| Tramo 60 | Monoestearato de sorbitán | 4.7 | E491 | Sin: margarina, manteca vegetal, gel para pasteles |
| Tramo 40 | Monopalmitato de sorbitán | 6.7 | E495 | Transición: mezclas de emulsionantes |
| Tramo 20 | Monolaurato de sorbitán | 8.6 | E493 | Bajo contenido de aceite en agua: aderezos, salsas |
| Tween 80 | Polisorbato 80 | 15.0 | E433 | O/W: bebidas, helados, general |
| Entre 60 y 60 años | Polisorbato 60 | 14.9 | E435 | O/W: pasteles, cremas batidas, natas |
| Entre 40 años | Polisorbato 40 | 15.6 | E434 | O/W: bebidas proteicas, sistemas bajos en grasa |
| Entre los 20 años | Polisorbato 20 | 16.7 | E432 | O/W: emulsiones de sabor, solubilización |
Para obtener especificaciones detalladas de Span, consulte nuestra Guía de formulación de ésteres de sorbitán. Para conocer las especificaciones de Tween, consulte nuestra Guía completa sobre el polisorbato.
3. El principio aditivo HLB: cómo funciona la mezcla
La propiedad más útil del sistema HLB es que los valores HLB son aditivo por peso. Cuando se mezclan dos emulsionantes, el HLB efectivo de la mezcla es el promedio ponderado de los valores HLB individuales:
HLB_efectivo = (Fracción_A × HLB_A) + (Fracción_B × HLB_B)
Ejemplo práctico: Cómo alcanzar el nivel HLB 10 para una masa de pastel
Necesitas un HLB efectivo de 10 para la fase oleosa de un bizcocho (manteca vegetal + grasa de huevo). Usarás Span 60 (HLB 4.7) y Tween 60 (HLB 14.9).
Sea X = fracción de Tween 60, entonces (1 – X) = fracción de Span 60.
HLB_objetivo = X × 14,9 + (1 – X) × 4,7 = 10
X × 14.9 + 4.7 – X × 4.7 = 10
X × 10.2 = 5.3
X = 0,52
Resultado: 52% Tween 60 + 48% Span 60 → HLB efectivo 10.0. Relación práctica: Span 60 : Tween 60 ≈ 1 : 1.1.
Una mezcla ternaria que incluya GMS (HLB ~4) requeriría un recálculo con una ecuación de tres términos. Guía de emulsionantes compuestos Cubre en detalle el diseño de mezclas ternarias.
4. Valores HLB requeridos para aceites alimentarios comunes
Cada fase oleosa tiene un valor HLB específico requerido: el valor HLB en el que un sistema emulsionante produce la emulsión más estable. Estos valores se determinaron experimentalmente y sirven como puntos de partida para la formulación:
| Fase oleosa/grasa | HLB requerido (emulsión O/W) | HLB requerido (emulsión W/O) |
|---|---|---|
| Grasa de la leche | 9-10 | 4-5 |
| Aceite de soja | 7 | 5-6 |
| Aceite de maíz | 8-10 | 4-6 |
| Aceite de algodón | 10 | 5 |
| Aceite de palma | 7-8 | 4-5 |
| Manteca de cacao | 6-7 | 3-4 |
| Aceite de coco | 8-10 | 5-6 |
| Manteca de cerdo | 5-6 | 4 |
| Aceite mineral (parafina) | 10-12 | 4-6 |
| Aceites esenciales (sabor) | 12-15 | — |
| ácido oleico | 14-16 | — |
Para fases de aceite mixtas —que contienen la mayoría de los productos alimenticios— calcule el HLB requerido mediante el mismo método de promedio ponderado. Si su fase grasa es aceite de palma 60% (HLB requerido 7,5) y grasa de mantequilla 40% (HLB requerido 9,5), el HLB requerido de la mezcla es = 0,6 × 7,5 + 0,4 × 9,5 = 8,3.
5. Selección paso a paso de emulsionantes basada en HLB
Paso 1: Caracterizar la fase oleosa
Enumere todas las grasas y aceites presentes en el producto, sus porcentajes en peso y los valores HLB requeridos para cada uno. Calcule el promedio ponderado.
Paso 2: Seleccionar un par de intervalos/entrelazamiento
Relacione la cadena de ácidos grasos del emulsionante con la grasa predominante en el sistema:
– Grasas esteáricas (C18:0) (grasa vegetal, estearina de palma) → Span 60 / Tween 60
– Ácido oleico (C18:1) (aceites líquidos, grasa de mantequilla, manteca de cerdo) → Span 80 / Tween 80
– Ácido láurico (C12:0) (coco, palmiste) → Span 20 / Tween 20
Paso 3: Calcular la proporción
Utilice la ecuación aditiva HLB para encontrar la relación Span:Tween que da en el blanco.
Paso 4: Probar 3 variantes
Prepare emulsiones con la proporción calculada: 10% más Span y 10% más Tween. Evalúe mediante centrifugación (3000 rpm, 15 min) e inspección visual después de 24 horas.
Paso 5: Optimizar con coemulsionantes
Agregue de 5 a 10 TP3T de propilenglicol o glicerol a la fase emulsionante. Pruebe mezclas ternarias con GMS (de 3 a 5 TP3T del peso del emulsionante) para la complejación del almidón en productos horneados.
Nuestro Guía para formuladores de Span & Tween Incluye la metodología de formulación completa.
6. Ejemplos prácticos de formulación
| Producto | Fase de aceite | HLB requerido | Sistema de intervalos/entrelazamiento | HLB efectivo | Relación de intervalo:entrelazamiento |
|---|---|---|---|---|---|
| masa para pastel | Manteca vegetal + grasa de huevo | 9-10 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | ~1:1.1 |
| Mezcla para helado | Grasa de la leche | 9-12 | Span 80 + Tween 80 | 10.5 | 1:2 |
| masa de pan | Grasa vegetal (grasa sólida) | 4-6 (sin dominante) | Span 60 + Tween 60 | 5.5 | 2.5:1 |
| Emulsión aromatizante para bebidas | aceites esenciales | 14-16 | Span 20 + Tween 20 | 15.0 | 1:6 |
| Margarina | Aceite vegetal hidrogenado | 3-6 (S/O) | Span 60 + Tween 60 | 4.8 | 6:1 |
| Vinagreta | Aceite de soja | 8-10 | Span 80 + Tween 80 | 9.0 | 1:1.5 |
| Crema batida | Almidón de palma hidrogenado | 8-12 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | 1:2 |
7. Lo que el sistema HLB NO te dice
El sistema HLB es un punto de partida, no una solución de formulación completa. Tiene limitaciones conocidas que los formuladores deben comprender:
7.1 La compatibilidad molecular no se refleja en el HLB.
Dos emulsionantes con valores HLB similares pero estructuras moleculares diferentes (por ejemplo, Span 60 con HLB 4,7 y GMS con HLB 4,0) producen películas interfaciales mixtas diferentes. El HLB indica cuán hidrófilo es un emulsionante; no indica qué tan bien se empaquetan dos moléculas de emulsionante en la interfaz. Por eso, la "estructura molecular similar" es un principio de formulación independiente, que se aborda en nuestra Guía de emulsionantes compuestos.
7.2 HLB ignora las condiciones de procesamiento
El cálculo del HLB presupone un equilibrio estático a temperatura ambiente. Sin embargo, el procesamiento real de los alimentos introduce calor, cizallamiento, variaciones de pH y cambios en la fuerza iónica que modifican el comportamiento efectivo de los emulsionantes. Por ejemplo, el DATEM (E472e) se comporta de manera diferente a 4 °C que a 40 °C, y el HLB no puede reflejar esta diferencia.
7.3 La escala de Griffin fue diseñada para emulsionantes no iónicos.
Los emulsionantes iónicos (SSL, CSL, DATEM) tienen valores HLB asignados por analogía con los emulsionantes no iónicos, pero sus mecanismos de estabilización basados en la carga operan de manera diferente a la estabilización estérica que el sistema HLB fue diseñado para predecir. Los emulsionantes iónicos a menudo requieren una optimización experimental que va más allá de lo que sugieren los cálculos HLB.
7.4 Los valores HLB requeridos son aproximados.
Los valores HLB requeridos para las fases oleosas (sección 4) son promedios determinados experimentalmente, no constantes físicas. Diferentes fuentes reportan valores distintos. El HLB real requerido para su aceite específico depende de su perfil de ácidos grasos, su grado de insaturación y la presencia de componentes minoritarios como ácidos grasos libres y monoglicéridos y diglicéridos.
8. Conclusiones clave
- El sistema HLB es la forma más rápida de obtener una formulación funcional. Reduce el espacio de búsqueda de "probar todos los emulsionantes" a "probar 3 proporciones alrededor del valor calculado".“
- La familia Span/Tween abarca los niveles HLB 2.1 a 16.7. — una cartera de proveedores única que abarca desde margarina W/O con alto contenido de grasa hasta emulsiones de bebidas O/W transparentes.
- Los valores HLB son aditivos por peso. El HLB efectivo de una mezcla es el promedio ponderado. Esto significa que un Span y un Tween pueden producir cualquier valor de HLB entre sus valores individuales.
- Compare la cadena de ácidos grasos, no solo el número HLB. Span 60/Tween 60 (ácido esteárico, C18:0) para grasas de panadería; Span 80/Tween 80 (ácido oleico, C18:1) para aceites lácteos y líquidos.
- HLB te acerca. Las pruebas te llevan allí. Siempre ejecute 3 variantes de relación alrededor del valor calculado.
- HLB es una herramienta de partida, no una garantía de estabilidad. La compatibilidad molecular, las condiciones de procesamiento y los efectos del coemulsionante contribuyen al resultado final.
Para obtener una guía detallada sobre la formulación que combine el HLB con los principios más amplios del diseño de emulsionantes, consulte nuestras guías sobre Emulsionantes compuestos y Emulsiones O/W frente a W/O.
