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Dans ce guide :
- Qu’est-ce que le système HLB et pourquoi est-il l’outil le plus pratique du formulateur ?
- Le spectre HLB Span/Tween — du Span 65 (HLB 2,1) au Tween 20 (HLB 16,7)
- Comment calculer le HLB effectif d'un système émulsifiant mélangé
- Valeurs HLB requises pour les phases huileuses alimentaires courantes (matière grasse du beurre, beurre de cacao, huiles végétales)
- Méthode de sélection d'émulsifiants étape par étape basée sur le HLB
- Exemples pratiques de formulation avec des rapports Span/Tween
- Ce que le système HLB ne vous dit PAS — et ce qu'il faut vérifier en plus du HLB
1. Qu’est-ce que le système HLB et pourquoi fonctionne-t-il ?
Le système d'équilibre hydrophile-lipophile (HLB), développé par William C. Griffin pour les tensioactifs non ioniques, attribue à chaque émulsifiant un indice de 0 à 20 en fonction du rapport des masses moléculaires de la partie hydrophile à la molécule totale. Un HLB de 0 correspond à une molécule entièrement lipophile (soluble dans l'huile) ; un HLB de 20 correspond à une molécule entièrement hydrophile (soluble dans l'eau) (Hu et al., 2011).
L'indice HLB prédit directement le comportement des émulsifiants :
| Gamme HLB | Comportement | Type d'émulsion | Exemples d'intervalles/interpolations |
|---|---|---|---|
| 0-3 | Fortement lipophile | Agents antimousse | Portée 65 (2.1) |
| 3-6 | Lipophile | Émulsions eau/huile (margarine, shortening) | Portée 60 (4,7), Portée 80 (4,3) |
| 6-9 | Équilibré | Transitionnel — la structure cristalline des graisses est plus importante que le HLB | Étendue 20 (8,6), Lécithine (4,7) |
| 9-12 | Modérément hydrophile | Émulsions H/E générales (sauces, crèmes) | Mélanges équilibrés Span/Tween |
| 12-15 | Hydrophile | Émulsions H/E fortes (boissons, crèmes glacées) | Tween 60 (14,9), Tween 80 (15,0) |
| 15-18 | Fortement hydrophile | Huiles et eaux fines, émulsions aromatisées, boissons claires | Préadolescent 20 (16,7) |
| 18-20 | Quasiment entièrement hydrophile | Solubilisation, détergents | Ce n'est pas typique de la nourriture |
L'intérêt pratique du système HLB est simple : au lieu de choisir l'émulsifiant au hasard, vous calculez le HLB nécessaire à votre phase huileuse et vous l'adaptez. Si vous débutez avec les émulsifiants alimentaires, commencez par notre… Guide des fonctions et applications des émulsifiants alimentaires.
2. Le spectre HLB Span/Tween
Les familles Span (esters de sorbitan) et Tween (polysorbates) couvrent ensemble toute la gamme HLB pratique pour les applications alimentaires — du Span 65 à 2,1 au Tween 20 à 16,7. Cela en fait une boîte à outils d'émulsifiants unique et complète.
| Émulsifiant | Nom chimique | HLB | Numéro E | Utilisation principale |
|---|---|---|---|---|
| Portée 65 | Tristéarate de sorbitane | 2.1 | E492 | HLB ultra-faible : chocolat, systèmes riches en matières grasses |
| Portée 80 | Monooléate de sorbitane | 4.3 | E494 | Sans : pâtes à tartiner, sauces, confiseries |
| Portée 60 | Monostéarate de sorbitane | 4.7 | E491 | Sans : margarine, shortening, gel à gâteau |
| Portée 40 | Monopalmitate de sorbitane | 6.7 | E495 | Transitionnel : mélanges d'émulsifiants |
| Envergure 20 | Monolaurate de sorbitane | 8.6 | E493 | Faible teneur en huile/eau : vinaigrettes, sauces |
| Tween 80 | Polysorbate 80 | 15.0 | E433 | O/W : boissons, crèmes glacées, général |
| Tween 60 | Polysorbate 60 | 14.9 | E435 | O/W : gâteaux, garnitures fouettées, crèmes |
| Tween 40 | Polysorbate 40 | 15.6 | E434 | O/W : boissons protéinées, systèmes à faible teneur en matières grasses |
| Pré-adolescents 20 ans | Polysorbate 20 | 16.7 | E432 | H/E : émulsions aromatiques, solubilisation |
Pour les spécifications détaillées de la portée, consultez notre Guide de formulation des esters de sorbitan. Pour les spécifications Tween, consultez notre Guide complet sur le polysorbate.
3. Le principe additif HLB — Fonctionnement du mélange
La propriété la plus utile du système HLB est que les valeurs HLB sont additif en poids. Lorsqu'on mélange deux émulsifiants, le HLB effectif du mélange est la moyenne pondérée des valeurs HLB individuelles :
HLB_effectif = (Fraction_A × HLB_A) + (Fraction_B × HLB_B)
Exemple pratique : Cibler un HLB 10 pour une pâte à gâteau
Pour la phase huileuse du gâteau éponge (matière grasse végétale + matière grasse d'œuf), vous aurez besoin d'un HLB efficace de 10. Vous utiliserez du Span 60 (HLB 4,7) et du Tween 60 (HLB 14,9).
Soit X = fraction de Tween 60, alors (1 – X) = fraction de Span 60.
Cible HLB = 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
Résultat: 52% Tween 60 + 48% Span 60 → HLB effectif 10,0. Rapport pratique : Étendue 60 : Intervalle 60 ≈ 1 : 1,1.
Un mélange ternaire incluant du GMS (HLB ~4) nécessiterait un nouveau calcul avec une équation à trois termes. Guide des émulsifiants composés Couvre en détail la conception des mélanges ternaires.
4. Valeurs HLB requises pour les huiles alimentaires courantes
Chaque phase huileuse possède un HLB spécifique requis — la valeur de HLB pour laquelle un système émulsifiant produit l'émulsion la plus stable. Ces valeurs ont été déterminées expérimentalement et servent de points de départ pour la formulation.
| Phase huileuse/graisseuse | HLB requis (émulsion H/E) | HLB requis (émulsion W/H) |
|---|---|---|
| Matière grasse | 9-10 | 4-5 |
| Huile de soja | 7 | 5-6 |
| huile de maïs | 8-10 | 4-6 |
| huile de coton | 10 | 5 |
| Huile de palme | 7-8 | 4-5 |
| beurre de cacao | 6-7 | 3-4 |
| huile de coco | 8-10 | 5-6 |
| Saindoux | 5-6 | 4 |
| Huile minérale (paraffine) | 10-12 | 4-6 |
| huiles essentielles (arôme) | 12-15 | — |
| acide oléique | 14-16 | — |
Pour les phases huileuses mixtes (présentes dans la plupart des produits alimentaires), calculez le HLB requis selon la même méthode de moyenne pondérée. Si votre phase grasse est composée d'huile de palme 60% (HLB requis : 7,5) et de matière grasse butyrique 40% (HLB requis : 9,5), le HLB requis du mélange est de : 0,6 × 7,5 + 0,4 × 9,5 = 8,3.
5. Sélection d'émulsifiants étape par étape selon le HLB
Étape 1 : Caractériser la phase huileuse
Indiquez la teneur en matières grasses de chaque huile et graisse contenue dans le produit, leur pourcentage massique et leur valeur HLB requise. Calculez la moyenne pondérée.
Étape 2 : Sélectionner une paire span/tween
Associez la chaîne d'acide gras de l'émulsifiant à la matière grasse dominante du système :
– graisses stéariques (C18:0) (matière grasse, stéarine de palme) → Span 60 / Tween 60
– graisses oléiques (C18:1) (huiles liquides, matière grasse du beurre, saindoux) → Span 80 / Tween 80
– acides gras lauriques (C12:0) (noix de coco, palmiste) → Span 20 / Tween 20
Étape 3 : Calculer le ratio
Utilisez l'équation additive HLB pour trouver le rapport Span:Tween qui atteint la cible.
Étape 4 : Tester 3 variantes
Préparer les émulsions selon le ratio calculé, 10% de Span et 10% de Tween. Évaluer par centrifugation (3 000 tr/min, 15 min) et inspection visuelle après 24 heures.
Étape 5 : Optimisation avec des co-émulsifiants
Ajouter 5 à 101 TP3T de propylène glycol ou de glycérol à la phase émulsifiante. Tester des mélanges ternaires avec du GMS (3 à 51 TP3T en poids d’émulsifiant) pour la complexation de l’amidon dans les produits de boulangerie.
Notre Guide des formulateurs Span & Tween comprend la méthodologie de formulation complète.
6. Exemples pratiques de formulation
| Produit | Phase huileuse | HLB requis | Système Span/Tween | HLB efficace | Rapport portée/interpolation |
|---|---|---|---|---|---|
| pâte à gâteau | Matière grasse végétale + graisse d'œuf | 9-10 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | ~1:1.1 |
| mélange pour crème glacée | Matière grasse | 9-12 | Span 80 + Tween 80 | 10.5 | 1:2 |
| Pâte à pain | Shortening (graisse solide) | 4-6 (S/O dominant) | Span 60 + Tween 60 | 5.5 | 2.5:1 |
| Émulsion aromatisante pour boisson | huiles essentielles | 14-16 | Span 20 + Tween 20 | 15.0 | 1:6 |
| Margarine | huile végétale hydrogénée | 3-6 (S/O) | Span 60 + Tween 60 | 4.8 | 6:1 |
| vinaigrette | Huile de soja | 8-10 | Span 80 + Tween 80 | 9.0 | 1:1.5 |
| Garniture fouettée | noyau de palmiste hydrogéné | 8-12 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | 1:2 |
7. Ce que le système HLB ne vous dit PAS
Le système HLB est un point de départ, et non une solution de formulation complète. Il présente des limitations connues que les formulateurs doivent comprendre :
7.1 La compatibilité moléculaire n'est pas prise en compte par le HLB
Deux émulsifiants présentant des valeurs HLB similaires mais des structures moléculaires différentes (par exemple, le Span 60 à HLB 4,7 et le GMS à HLB 4,0) produisent des films interfacials mixtes différents. L'indice HLB indique le caractère hydrophile d'un émulsifiant ; il ne renseigne pas sur la façon dont deux molécules d'émulsifiant s'assemblent à l'interface. C'est pourquoi la “ structure moléculaire similaire ” constitue un principe de formulation distinct, abordé dans notre [référence manquante]. Guide des émulsifiants composés.
7.2 HLB ignore les conditions de traitement
Le calcul de l'indice HLB suppose un équilibre statique à température ambiante. Or, les procédés de transformation des aliments induisent de la chaleur, des cisaillements, des variations de pH et de force ionique qui modifient le comportement effectif des émulsifiants. Le DATEM (E472e), par exemple, se comporte différemment à 4 °C et à 40 °C, et l'indice HLB ne permet pas de prendre en compte cette différence.
7.3 L'échelle de Griffin a été conçue pour les émulsifiants non ioniques
Les émulsifiants ioniques (SSL, CSL, DATEM) se voient attribuer des valeurs HLB par analogie avec les émulsifiants non ioniques, mais leurs mécanismes de stabilisation par charge diffèrent de la stabilisation stérique que le système HLB est censé prédire. Les émulsifiants ioniques nécessitent souvent une optimisation expérimentale plus poussée que celle suggérée par les calculs HLB.
7.4 Les valeurs HLB requises sont approximatives
Les valeurs HLB requises pour les phases huileuses (section 4) sont des moyennes déterminées expérimentalement et non des constantes physiques. Différentes sources font état de valeurs différentes. La valeur HLB réellement requise pour votre huile dépend de son profil d'acides gras, de son degré d'insaturation et de la présence de composants mineurs tels que les acides gras libres et les mono- et diglycérides.
8. Principaux points à retenir
- Le système HLB est la méthode la plus rapide pour obtenir une formulation fonctionnelle. Cela réduit l'espace de recherche de “ essayer tous les émulsifiants ” à “ essayer 3 ratios autour de la valeur calculée ”.”
- La gamme Span/Tween couvre les souches HLB 2.1 à 16.7. — un portefeuille de fournisseurs unique qui couvre tout, des margarines riches en matières grasses W/H aux émulsions de boissons H/E transparentes.
- Les valeurs HLB s'additionnent en poids. L'HLB effectif d'un mélange est la moyenne pondérée. Cela signifie qu'un Span et un Tween peuvent produire n'importe quel HLB compris entre leurs valeurs individuelles.
- Il faut faire correspondre la chaîne d'acides gras, et pas seulement l'indice HLB. Span 60/Tween 60 (stéarique, C18:0) pour les graisses de boulangerie ; Span 80/Tween 80 (oléique, C18:1) pour les produits laitiers et les huiles liquides.
- Le HLB vous en rapproche. Les tests vous permettent d'y parvenir. Toujours effectuer 3 calculs de ratios différents autour de la valeur calculée.
- HLB est un outil de démarrage, pas une garantie de stabilité. La compatibilité moléculaire, les conditions de traitement et les effets des co-émulsifiants contribuent tous au résultat final.
Pour des conseils de formulation détaillés combinant le HLB aux principes plus généraux de conception des émulsifiants, consultez nos guides sur Émulsifiants composés et Émulsions H/E vs E/H.
