乳化剂作用机理

出处：按学科分类—工业技术 中国轻工业出版社《软饮料工业手册》第209页（2453字）

如上所述，乳化剂的分子具有亲水基和亲油基，易在水和油的界面形成吸附层，具有表面活性和乳化增溶性。

乳化剂主要目的是提高乳化液的稳定性，但乳化剂在液－液体系(乳浊液)和液－固体系(悬浊液)中的作用机理是不同的。

(一)乳化剂在乳浊液中的作用机理

乳浊液是两种互不相溶的液体组成的分散体系，其中一种液体以微细液滴分散在另一种液体之中，在显微镜下可以看见一种液体的小滴悬浮于另一种液体中。在乳浊液中，被分散的一相是不连续相，称为分散相或内相，连续相则称为分散介质或外相。

乳浊液有两种截然不同的类型，即根据连续相、分散相和乳化稳定剂的状况可以将乳浊液分为水包油型(O／W，Oil in water)和油包水型(W／O，Water in oil)两种基本类型。O／W体系中的连续相是水，分散相是油。W／O体系正好相反，连续相是油，分散相是水。特殊场合下，在O／W型乳浊液的油中进一步分散水相，成为多相乳浊液。另外乳浊液往往发生的转相(In version)现象。

两种不相混溶的液体(如水和油)在混合后，还要再分离成原来的组分，油在上，水在下，这种现象称为分层。分层并不是乳浊液的真正破坏，实际上是分为两个乳浊液，在一层中分散相比原来的多，而另一层中则相反。乳浊液的分层现象或多或少总会发生，但改变制造技术或配方可以将分层速度降低到无足轻重的地步。

乳浊液的稳定性一般与其两种成分之比例以及乳化的机械条件有关。为了获得稳定的乳浊液，选用适当的乳化剂，即根据乳浊液类型和用途选择HLB值合适的乳化剂是极为重要的。

在油－水体系中加入乳化剂时，乳化剂就在两种物质之间的界面发生吸附，形成界面膜。在界面膜中，乳化剂分子按其分子内极性进行定向排列，即亲油基伸向油部分，亲水基向水部分排列，其结果油分子和乳化剂亲油部分为一方，水分子和乳化剂亲水部分为另一方，相互作用使界面张力发生变化。界面张力的变化就使一种液体以液滴形式分散于另一种液体中，形成乳化液，作用机理参见图1－4－6。

图1－4－6 乳化原理

决定乳化稳定性的最主要因素是界面膜的强度和紧密程度。乳化剂的亲水部分与水作用的强度决定于乳浊液的类型。相互作用大时，水的表面张力下降很大，直至接近于零，此时水发生松弛，不再力图形成液滴，变成乳化液的外相，而油以微小油滴分散，形成内相，故成水包油(O／W)型乳化液。而当水和乳化剂亲水部分的相互作用小时，水的表面张力下降不大，形成油包水(W／O)型乳化液。

对于液－液体系的乳浊液需要根据其性质选择不同HLB值的乳化剂。一般亲水性强的乳化剂能改善油在乳化体内的分散相，使水均匀包围在油滴周围，适合作O／W型乳化剂，其HLB值一般在8～18范围内，这类乳化剂称为水溶性乳化剂。亲油性强的乳化剂能使水均匀分散在油中，作为W／O型乳化剂使用是有效的，这类乳化剂的HLB值一般在3．5～6范围内，称为油溶性乳化剂。当然最终乳化效果要由乳化试验来决定，有时使用两种或两种以上的混合乳化剂也是可行的。

乳化稳定性除界面膜性质这一主要因素外，乳化剂的浓度是重要的。乳化剂稀薄水溶液的性质与一般水溶液并没有太大的差别，可是在达到一定浓度后，其性质包括电导率、黏度、密度和对不溶性物质的溶解度都会发生突然变化。这说明，乳化剂分子在某一浓度下能急剧形成可逆胶束(Micelle)。这一浓度称为临界胶束浓度，乳化剂只有在这一浓度以上才能发挥较好的乳化稳定性作用。乳化剂的临界胶束浓度都很低，一般在0．02%～0．4%范围内，实际使用时乳化剂用量要大于临界胶束浓度。

(二)乳化剂在悬浊液中的作用机理

将不溶性的固体物质加到另一种液体中就会形成一种新的固·液界面，当固体物质被精细分散时可获得悬浊液，悬浊液也是不稳定的。当加入乳化稳定剂时，乳化稳定剂在悬浊液中形成界面膜，界面膜的构成与相的亲水或疏水特性有关。悬浮体及悬浮介质可以是亲水的，也可以是疏水的，饮料工业的悬浮介质一般是亲水的，悬浮体可以是亲水也可以是疏水的。在亲水固体·水体系中，表面具有极性结构基团的亲水固体，如饮料中的淀粉、蛋白质颗粒容易分散在水中，经水分子加成后形成水合物层，从而可以防止悬浮粒子的聚结。在这一体系中加入乳化稳定剂时，亲水的固体表面与乳化剂的亲水部分相互作用，而乳化剂的疏水部分向着水定向排列。从热力学的观点来看，这种状态是不稳定的，会发生絮凝作用，进而发生聚结，使乳状液完全破坏，造成破乳现象。因此为了使悬浊液稳定需要乳化剂继续加成溶解或分解，形成具有外亲水结构的固体·乳化剂双层，生成可再溶剂化的粒子，见图1－4－7。

图1－4－7 悬浮物质中亲水固体物质上的界面现象

另一方面，对于疏水固体·水体系的悬浊液，表面为疏水的固体物质在水中由于不能形成水合物层而难以分散在水中，这时如果将亲水性乳化稳定剂加入这种体系中，则围绕疏水部分形成水合外层时，体系就会处于稳定状态，见图1－4－8。

图1－4－8 悬浮液中疏水固体物质的界面现象