乳化机理
出处：按学科分类—农业科学 中国轻工业出版社《肉类工业手册》第229页（4721字）
(一)乳状液的稳定性
不论是油／水(O／W)或水／油(W／O)型乳状液，在重力场或其它力场中，均多少具有不稳定的特性，即系统迟早会产生两相分层现象，亦即轻相(油滴)上浮，重相(水滴)沉降。对于单纯的乳状液，如果忽略布朗运动不计，分散液滴的沉降或上浮速度的计算式如下：
式中 u0——沉降速度(负值为上浮速度)
ρi、ρe——内相和外相的密度
μe——外相的黏度
dp——液滴直径
沉降速度是乳状液产生分层现象的直接原因。试以水中分散的油滴为例，20℃纯水的黏度为0．01g／cm·s，ρi－ρe=0．1g／cm3，则u0=－544cm／s。对于直径为10μm的油滴，则上浮速度约为2cm／h。所以对于工业上常遇到的1μm左右的滴径，其上浮速度为此速度的百分之一，即约需100h方得上浮2cm。
但是，对于一定的系统，虽然静置时两相密度差和外相黏度不发生变化，而液滴的大小却因界面张力的作用而发生变化。因此，界面张力成为影响乳状液稳定性的间接因素，所以乳状液是一种热力学上不稳定的系统。
界面张力是两互不相溶液体由于其内聚力的不平衡所引起的切向力，因此界面是蕴藏自由能的场所。这种自由能可使界面收缩成为具有最小的界面积。乳状液中，内相之所以趋向球形就是这种表面积最小化的具体体现。试验结果表明，体积为1cm3(球表面积4．83cm2，直径1．24cm)的油滴，在水中分散成直径为0．5μm的微小油滴时，其界面积将增加到1．2×105cm2。如果油滴对于水的界面张力为17．6×10－3N／m，分散后的界面自由能将增加0．2J。这样，所形成的乳状液就具有极力缩小界面积，降低界面自由能的趋势，其结果易造成液滴自发并合成大滴的现象。
综上所述，影响乳状液稳定性的主要因素如下：
1．液滴的大小
由沉降速度公式可知，液滴的沉降速度与滴径的平方成正比。可见液滴的大小是乳状液稳定性的极其重要的因素。乳化操作的主要作用之一就在于微粒化和均质化。一般工业上的乳状液，如微粒化达1～2μm，即可望有较好的稳定性。
为促进乳状液的稳定性，在进行微粒化的同时，有必要进行均质化。工业乳状液不可避免地具有一定的滴径分布。即使平均滴径很小，其中也含极大的液滴。这种大液滴不仅本身易沉降分离，且有强烈吸附及合并成小液滴的倾向。因此，需要尽可能使滴径均匀化。牛奶的均质、奶油的加热乳化都是滴径均匀化之例。
2．两相相对密度差
沉降速度与两相的相对密度差成比例。如果两相相对密度相同，则乳状液将不受重力的影响，也不出现沉降现象。在食品工业中，将溴导入植物油中形成溴化油、清凉饮料中使用乳化白浊剂等都是调整两相不等相对密度使其接近，促进乳状液稳定性的措施。
3．黏度
乳状液两相的黏度也是稳定性的重要因素。一般分散液滴的黏度高时，可减慢液滴的合并；而分散介质的黏度高时，则沉降速度按斯托克斯公式将成反比下降。但分散介质的黏度也起着防止液滴合并、保持乳化稳定性的作用。液滴合并是因液滴互相碰撞而引起的，故增大黏度有阻止这种倾向的作用。
以增加黏度为目的，加入乳状液中的物质又称为增稠剂，如肉品加工中常用的食用明胶、海藻酸钠、大豆蛋白、酪蛋白酸钠等。
4．粒子的电荷
当使用离子性表面活性剂作乳化剂时，因为增加了分散液滴的电荷，加强了液滴的相互排斥，所以也有阻止合并的作用。在肉品加工中，有时为了增加液滴的带电性，使用如食盐之类的电介质，产生显着的稳定效果。
(二)乳化剂及其作用
乳化剂属于表面活性剂，是能使两种或两种以上不相混合的液体均匀分散的物质，其典型功能是起乳化作用。
使用乳化剂的作用主要有以下三方面：
(1)降低两相间的界面张力，使两相接触面积有可能大幅度增加，促进乳状液微粒化的效用；
(2)利用离子性乳化剂在两相界面上配位，提高分散液滴的电荷，加强其相互排斥力，阻止液滴的合并；
(3)在分散相的外围形成亲水性(油／水型)或亲油性(水／油型)的吸附层，防止液滴的合并。
上述各项中，第二、三项根据表面活性剂的不同而有显着差别。
可用作乳化剂的物质很多，天然的有磷脂、固醇、卵磷脂、酪蛋白、大豆蛋白、食用明胶等，合成的有脂肪酸、二酸酯、柠檬酸甘油酯等。
许多乳化剂是由分子含极性和非极性基团的物质组成的。在乳状液中，它被吸附在两相界面上，亲油性的非极性基团朝向油相，亲水性的极性集团朝向水相，从而在两相界面处，形成了乳化剂的薄膜。此界面膜作为液滴的保护层，阻止了在界面张力作用下液滴之间的合并。
一般而言，乳化剂易溶于其中的一相，易成为外相，这种现象发生在乳化剂极性或非极性基团的亲水性或亲油性其中之一略占优势时。如果两种基团的性质完全平衡时，则形成两种乳化液的可能性就没有差别。如果两基团的性质相差悬殊，其中一个基团占显着支配的地位，则乳化剂极易溶于某一相之中。此时乳化剂就不再留在界面，因而也不能起乳化的作用。
食品工业所用的乳化剂必须是无毒的，而且应是无臭、无味、无色的。乳化剂还应具有在通常加工、运输、贮藏条件下化学上和物理上的稳定性，而且价格便宜。
(三)乳化液形成的方法
乳化液形成的方法基本上可分为凝聚法和分散法两种。
凝聚法是将成分子状态分散的液体凝聚成适当大小的液滴的方法。例如，把油酸在酒精中溶解成分子状态，然后加到大量的水中并不断搅拌，则油酸分子将凝聚析出而成乳化分散物。此外，将液体A先在另一液体B中溶解成过饱和溶液，然后此过饱和溶液在一定条件下被破坏，就可获得乳化分散物。例如，A在B中的溶液，当温度降低时，A在B中的溶解度随之降低，A分子将凝聚而成白色浑浊析出。当然，除冷却方法外，也可采用浓缩的方法。
分散法是将一种液体加到另一种液体中的同时进行强烈搅拌而生成乳化分散物的方法。这是以机械力的作用强制使之分散的方法。工业上主要应用此法。
分散法是大液滴群不断分裂为微粒群的过程。当球形液滴进一步微粒化时，圆球将先变成椭圆形，再变成圆柱形。到一定的圆柱长度就成为不稳定状态，进而断裂而一分为二。
作为乳化作用的机械力，通常除搅拌外，还有采用如均质机和胶体磨等强力机械。然而即使采用强力机械进行微粒化，因本身所形成的分散液滴能很快合并，所以也不可能分散为大量的极细微粒。
食品工业所要求的乳化液，其乳化微粒有一定的细度，并用均质法改善稳定性，而且要求分散相浓度很高。所以微粒化时不仅要使用强力的机械力，一般还要用乳化剂和稳定剂。
制造乳化液所采用的分散法主要有以下几种：
1．机械强制分散法
此法主要用于使用乳化剂量较少，仅靠乳化剂难以充分微粒化时的有效方法。如使用搅拌机、胶体磨、均质机等进行乳化。此法所得的微滴是不稳定的，故必须进行冷却和加稳定剂处理。例如肉品加工中采用搅拌机制造香肠、午餐肉等。
2．同时乳化法
是由混合两相而产生乳化力的方法。例如，先将脂肪酸和碱分别溶解于油相和水相，然后将其混合并搅拌，从而在界面上形成乳化剂而进行乳化。由于组成乳化剂的成分事先被完全溶解，故所得的为较均匀的乳化液。
3．转相法
如前所述，要制取油／水(O／W)型乳化液时，应先将乳化剂溶解于油相，以后每次加少量水，最初成为均匀的水／油(W／O)型乳化液。加水到接近转相点时，进行充分搅拌，及至完全变成转相物之后，加余下的水稀释到所要求的乳化液中。如果制取的是水／油(W／O)型，则过程相反。
4．浆体法
例如制造油／水(O／W)型乳化物时，在少量的水中加全部乳化剂，然后每次加少量油，制成非常黏稠的浆体。经充分搅拌，使油相成微滴分散后，将其加入到全部的水相中进行稀释，此法的操作要点与转相法相似。
5．自然乳化法
以乳化时不要求强烈搅拌为特点的方法。将乳化剂全部溶解于欲乳化的油相中，再将其加入水中，不经搅拌而发生乳化作用。此法必须在所选择的乳化剂极易溶于油相，而水相和油相之间的界面张力非常小的场合下方为有效。
上述方法为乳化的基本方法，在实际应用上根据不同要求可将几种方法加以组合或做一定的改变。
制取乳化液时应考虑以下几点：
(1)使用的乳化剂应有利于制取所要求的乳化液型式，即油／水(O／W)型或水／油(W／O)型。
(2)相体积百分比对形成乳化液的型式有影响。体积大的相易形成外相，体积百分率超出50%的相很难产生以此相为内相的乳化液。
(3)须规定乳化的温度。温度升高，界面张力和黏度都将下降，温度上限要根据物料的热敏性而定。