Примерное время чтения: 12 минут
В этом руководстве:
- Что представляет собой система HLB и почему это наиболее практичный инструмент для разработчика рецептур.
- Диапазон значений HLB от Span до Tween — от Span 65 (HLB 2,1) до Tween 20 (HLB 16,7)
- Как рассчитать эффективное значение HLB смешанной эмульгирующей системы
- Требуемые значения HLB для распространенных фаз пищевых масел (сливочное масло, какао-масло, растительные масла).
- Пошаговый метод выбора эмульгатора на основе HLB
- Практические примеры формулировок с использованием соотношений Span/Tween
- Что система HLB вам НЕ сообщает — и что нужно проверить помимо HLB.
1. Что представляет собой система HLB — и почему она работает.
Система гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ), разработанная Уильямом К. Гриффином для неионогенных поверхностно-активных веществ, присваивает каждому эмульгатору число от 0 до 20 на основе соотношения молекулярной массы гидрофильной части к общей массе молекулы. Значение ГЛБ, равное 0, соответствует полностью липофильной (маслорастворимой) молекуле; 20 соответствует полностью гидрофильной (водорастворимой) молекуле (Hu et al., 2011).
Показатель HLB напрямую предсказывает поведение эмульгатора:
| Диапазон HLB | Поведение | Тип эмульсии | Примеры использования Span/Tween |
|---|---|---|---|
| 0-3 | Обладает высокой липофильностью. | Пеногасители | Пролет 65 (2.1) |
| 3-6 | Липофильный | Эмульсии типа «вода в масле» (маргарин, кулинарный жир) | Пролет 60 (4,7), Пролет 80 (4,3) |
| 6-9 | Сбалансированный | Переходный период — структура жировых кристаллов имеет большее значение, чем HLB. | Спан 20 (8,6), Лецитин (4-7) |
| 9-12 | Умеренно гидрофильный | Эмульсии типа «масло в воде» общего назначения (повязки, кремы) | Сбалансированные смеси для людей разного возраста (Span/Tween). |
| 12-15 | Гидрофильный | Сильные эмульсии типа «масло в воде» (напитки, мороженое) | Подросток 60 (14,9), Подросток 80 (15,0) |
| 15-18 | Сильно гидрофильный | Мелкодисперсные масла в воде, ароматические эмульсии, прозрачные напитки | Подросток 20 (16,7) |
| 18-20 | Практически полностью гидрофильный | Растворение, моющие средства | Нетипично для еды |
Практическая ценность системы HLB проста: вместо того, чтобы гадать, какой эмульгатор использовать, вы рассчитываете необходимый для вашей масляной фазы показатель HLB и подбираете подходящий. Если вы новичок в пищевых эмульгаторах, начните с нашего руководство по функциям и применению пищевых эмульгаторов.
2. Диапазон/промежуток спектра HLB
Семейства Span (сорбитановые эфиры) и Tween (полисорбаты) вместе охватывают весь практический диапазон HLB для пищевых применений — от Span 65 (2,1) до Tween 20 (16,7). Это делает их уникально полным набором эмульгаторов.
| Эмульгатор | Химическое название | ГЛБ | E-номер | Основное применение |
|---|---|---|---|---|
| Пролет 65 | Сорбитан тристеарат | 2.1 | E492 | Сверхнизкое содержание HLB: шоколад, системы с высоким содержанием жира. |
| Размах 80 | Сорбитан моноолеат | 4.3 | E494 | Без добавок: пасты, соусы, кондитерские изделия |
| Размах 60 | Моностеарат сорбитана | 4.7 | E491 | Без: маргарина, растительного жира, бисквитного геля |
| Размах 40 | Сорбитан монопальмитат | 6.7 | E495 | Переходный: смеси эмульгаторов |
| Span 20 | Сорбитан монолаурат | 8.6 | E493 | Низкое содержание масла и воды: заправки, соусы |
| Подросток 80 | Полисорбат 80 | 15.0 | Е433 | О/О: напитки, мороженое, общее |
| Подросток 60 лет | Полисорбат 60 | 14.9 | Е435 | В остальном: торты, взбитые сливки, кремы |
| Подросток 40 лет | Полисорбат 40 | 15.6 | Е434 | В воде: протеиновые напитки, низкожировые системы |
| Подросток 20 лет | Полисорбат 20 | 16.7 | Е432 | Масло/В: ароматические эмульсии, растворение |
Подробные технические характеристики пролетов см. в нашем разделе Руководство по составлению рецептур сорбитановых эфиров. Технические характеристики Tween см. в нашем разделе. Полное руководство по полисорбату.
3. Принцип действия добавки HLB — как работает смешивание.
Наиболее полезным свойством системы HLB является то, что значения HLB являются добавка по весу. При смешивании двух эмульгаторов эффективное значение HLB смеси представляет собой средневзвешенное значение индивидуальных значений HLB:
HLB_effective = (Fraction_A × HLB_A) + (Fraction_B × HLB_B)
Пример расчета: Нацеливание на HLB 10 для теста для торта.
Для приготовления бисквита на масляной основе (жир-пастеризатор + яичный жир) вам потребуется эффективный показатель HLB 10. Вы будете использовать Span 60 (HLB 4,7) и Tween 60 (HLB 14,9).
Пусть X = доля Tween 60, тогда (1 – X) = доля Span 60.
HLB_target = 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
Результат: 52% Tween 60 + 48% Span 60 → эффективное значение HLB 10,0. Практическое соотношение: Span 60 : Tween 60 ≈ 1 : 1.1.
Для тройной смеси, включающей GMS (HLB ~4), потребуется перерасчет с использованием трехчленного уравнения. Наш Руководство по составным эмульгаторам Подробно рассматривается проектирование тройных смесей.
4. Требуемые значения HLB для распространенных пищевых масел
Для каждой масляной фазы требуется определенное значение HLB — величина HLB, при которой эмульгирующая система обеспечивает наиболее стабильную эмульсию. Эти значения были определены экспериментально и служат отправными точками для составления рецептуры:
| Масляная/жировая фаза | Требуемый HLB (эмульсия типа масло в воде) | Требуемый HLB (эмульсия типа «вода в масле») |
|---|---|---|
| Молочный жир | 9-10 | 4-5 |
| Соевое масло | 7 | 5-6 |
| Кукурузное масло | 8-10 | 4-6 |
| хлопковое масло | 10 | 5 |
| Пальмовое масло | 7-8 | 4-5 |
| Какао-масло | 6-7 | 3-4 |
| Кокосовое масло | 8-10 | 5-6 |
| Свиной жир | 5-6 | 4 |
| Минеральное масло (парафин) | 10-12 | 4-6 |
| Эфирные масла (ароматизатор) | 12-15 | — |
| Олеиновая кислота | 14-16 | — |
Для смешанных масляных фаз, которые содержатся в большинстве пищевых продуктов, требуемый показатель HLB рассчитывается тем же методом средневзвешенного значения. Если ваша жировая фаза состоит из 60% пальмового масла (требуемый показатель HLB 7,5) и 40% молочного жира (требуемый показатель HLB 9,5), то требуемый показатель HLB для смеси составит = 0,6 × 7,5 + 0,4 × 9,5 = 8,3.
5. Пошаговый выбор эмульгатора на основе HLB.
Шаг 1: Характеристика масляной фазы
Перечислите все жиры и масла в продукте, их процентное содержание по весу и требуемые значения HLB для каждого из них. Рассчитайте средневзвешенное значение.
Шаг 2: Выберите пару "Span/Tween"
Сопоставьте цепочку жирных кислот эмульгатора с преобладающим жиром в системе:
– Стеариновые (C18:0) жиры (жир, пальмовый стеарин) → Span 60 / Tween 60
– Олеиновые (C18:1) жиры (жидкие масла, молочный жир, свиной жир) → Span 80 / Tween 80
– Лауриновая кислота (C12:0) (кокос, пальмоядровое масло) → Span 20 / Tween 20
Шаг 3: Рассчитайте соотношение
Используйте аддитивное уравнение HLB, чтобы найти соотношение Span:Tween, обеспечивающее попадание в цель.
Шаг 4: Протестируйте 3 варианта.
Приготовьте эмульсии в рассчитанном соотношении: 10% больше Span и 10% больше Tween. Оцените результат центрифугированием (3000 об/мин, 15 мин) и визуальным осмотром через 24 часа.
Шаг 5: Оптимизация с использованием соэмульгаторов
Добавьте 5-10% пропиленгликоля или глицерина в эмульгаторную фазу. Протестируйте тройные смеси с GMS (3-5% от массы эмульгатора) на комплексообразование с крахмалом в хлебобулочных изделиях.
Наш Руководство для разработчиков рецептур Span & Tween Включает в себя полную методологию составления рецептуры.
6. Практические примеры формулировок
| Продукт | Нефтяная фаза | Требуемый HLB | Система пролетов/переходов | Эффективный HLB | Соотношение ширины полосы и межполосного расстояния |
|---|---|---|---|---|---|
| Тесто для торта | Жир + яичный жир | 9-10 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | ~1:1.1 |
| Смесь для мороженого | Молочный жир | 9-12 | Span 80 + Tween 80 | 10.5 | 1:2 |
| Тесто для хлеба | Жир (твердый жир) | 4-6 (с доминирующим геномом) | Span 60 + Tween 60 | 5.5 | 2.5:1 |
| Ароматическая эмульсия для напитков | Эфирные масла | 14-16 | Span 20 + Tween 20 | 15.0 | 1:6 |
| Маргарин | Гидрогенизированное растительное масло | 3-6 (Б/О) | Span 60 + Tween 60 | 4.8 | 6:1 |
| Салатная заправка | Соевое масло | 8-10 | Span 80 + Tween 80 | 9.0 | 1:1.5 |
| Взбитые сливки | Гидрогенизированные ядра пальмового масла | 8-12 | Span 60 + Tween 60 | 10.0 | 1:2 |
7. Что система HLB вам НЕ сообщает.
Система HLB — это отправная точка, а не готовое решение для рецептуры. Она имеет известные ограничения, которые должны понимать разработчики рецептур:
7.1 Молекулярная совместимость не отражается в HLB.
Два эмульгатора со схожими значениями HLB, но разными молекулярными структурами (например, Span 60 с HLB 4,7 и GMS с HLB 4,0) образуют разные смешанные межфазные пленки. HLB показывает, насколько гидрофилен эмульгатор; он не показывает, насколько хорошо две молекулы эмульгатора упаковываются вместе на границе раздела фаз. Именно поэтому “схожая молекулярная структура” — это отдельный принцип рецептуры, рассмотренный в нашей статье. Руководство по составным эмульгаторам.
7.2 HLB игнорирует условия обработки
Расчет HLB предполагает статическое равновесие при комнатной температуре. В реальных условиях обработки пищевых продуктов возникают тепловые воздействия, сдвиговые напряжения, изменения pH и ионной силы, которые влияют на эффективное поведение эмульгаторов. Например, DATEM (E472e) ведет себя по-разному при 4 °C и 40 °C, и расчет HLB не может это отразить.
7.3 Шкала Гриффина была разработана для неионогенных эмульгаторов.
Ионные эмульгаторы (SSL, CSL, DATEM) имеют значения HLB, присвоенные по аналогии с неионогенными эмульгаторами, но их механизмы стабилизации, основанные на заряде, работают иначе, чем стерическая стабилизация, которую, как предполагалось, должна была предсказывать система HLB. Ионные эмульгаторы часто требуют экспериментальной оптимизации, выходящей за рамки того, что предполагают расчеты HLB.
7.4 Требуемые значения HLB являются приблизительными.
Требуемые значения HLB для масляных фаз (раздел 4) представляют собой экспериментально определенные средние значения, а не физические константы. Разные источники приводят разные значения. Истинное требуемое значение HLB для вашего конкретного масла зависит от профиля жирных кислот масла, степени ненасыщенности и наличия минорных компонентов, таких как свободные жирные кислоты и моно- и диглицериды.
8. Основные выводы
- Система HLB — это самый быстрый способ получить работоспособную рецептуру. Это сужает область поиска с “попробовать все эмульгаторы” до “попробовать 3 соотношения вокруг вычисленного значения”.”
- Семейство Span/Tween охватывает диапазон HLB от 2.1 до 16.7. — единый портфель поставщиков, обслуживающий все сегменты рынка, от высокожирного маргарина типа «вода в масле» до прозрачных эмульсий для напитков типа «масло в воде».
- Значения HLB суммируются по весу. Эффективное значение HLB смеси — это средневзвешенное значение. Это означает, что один Span и один Tween могут обеспечить любое значение HLB в диапазоне между их индивидуальными значениями.
- Сопоставьте цепочку жирных кислот, а не только число HLB. Span 60/Tween 60 (стеариновая кислота, C18:0) для хлебопекарных жиров; Span 80/Tween 80 (олеиновая кислота, C18:1) для молочных и жидких масел.
- HLB приближает вас к цели. Тестирование приближает вас к ней. Всегда проводите 3 варианта расчета соотношения вокруг полученного значения.
- HLB — это лишь начальный инструмент, а не гарантия стабильности. Молекулярная совместимость, условия обработки и влияние соэмульгатора — все эти факторы влияют на конечный результат.
Подробные рекомендации по составлению рецептур, сочетающих HLB с более широкими принципами проектирования эмульгаторов, см. в наших руководствах. Составные эмульгаторы и Эмульсии типа «масло в воде» против эмульсий типа «вода в масле».
