Эмульгатор

Эмульгатор — это поверхностно-активное вещество (ПАВ), обеспечивающее образование и стабилизацию эмульсий — дисперсных систем из двух или более несмешивающихся жидкостей, например, масла и воды. Молекула эмульгатора обладает амфифильной структурой, то есть содержит как гидрофильную (водолюбивую), так и липофильную (жиролюбивую, маслолюбивую) части. За счёт этого эмульгатор адсорбируется на границе раздела фаз, снижая межфазное натяжение и предотвращая коалесценцию (слияние) капель дисперсной фазы. Эмульгаторы широко применяются в пищевой, косметической, фармацевтической, химической и нефтяной промышленности.

История

Использование природных эмульгаторов имеет многовековую историю. Например, яичный желток, содержащий лецитин, применялся для приготовления соусов (майонез) и эмульсионных красок в античности. Первые научные исследования эмульсий и эмульгаторов относятся к XIX веку. В 1869 году американский химик Уильям Генри Перкин синтезировал первый синтетический ПАВ — алкилбензолсульфонат, однако его применение в качестве эмульгатора началось позже. В 1908 году немецкий химик Фриц Габер предложил теорию адсорбции ПАВ на границе раздела фаз. Массовое промышленное производство синтетических эмульгаторов (например, моно- и диглицеридов жирных кислот) началось в 1920-1930-х годах, что было связано с развитием пищевой и косметической промышленности. В СССР эмульгаторы активно применялись в производстве маргарина (с 1930-х годов) и в нефтедобыче (для повышения нефтеотдачи пластов).

Классификация

Эмульгаторы классифицируют по нескольким признакам.

По типу образуемой эмульсии

• Эмульгаторы прямого типа (масло-в-воде, М/В) — стабилизируют эмульсии, в которых масло диспергировано в воде. Гидрофильная часть молекулы эмульгатора доминирует. Примеры: лецитин, казеин, гуммиарабик, полисорбаты (Твин-80).
• Эмульгаторы обратного типа (вода-в-масле, В/М) — стабилизируют эмульсии, в которых вода диспергирована в масле. Липофильная часть молекулы доминирует. Примеры: моно- и диглицериды жирных кислот, сорбитан моностеарат (Спан-60), ланолин.
• Эмульгаторы смешанного типа — могут стабилизировать как М/В, так и В/М эмульсии в зависимости от условий (pH, концентрации, температуры). Примеры: некоторые эфиры полиглицерина.

По происхождению

• Природные эмульгаторы: лецитин (соевый, подсолнечный), казеин, пектин, гуммиарабик, агар-агар, сапонины, ланолин, холестерин.
• Синтетические эмульгаторы: моно- и диглицериды жирных кислот (E471), полисорбаты (E432–E436), эфиры полиглицерина (E475), стеароиллактилат натрия (E481), карбоксиметилцеллюлоза (E466).
• Полусинтетические эмульгаторы: модифицированные природные соединения, например, метилцеллюлоза (E461), гидроксипропилметилцеллюлоза (E464).

По ионной природе

• Анионные эмульгаторы — диссоциируют в воде с образованием отрицательно заряженных ионов. Примеры: стеарат натрия (мыло), алкилбензолсульфонаты, лаурилсульфат натрия.
• Катионные эмульгаторы — диссоциируют с образованием положительно заряженных ионов. Примеры: цетилтриметиламмоний бромид, бензалкония хлорид.
• Неионогенные эмульгаторы — не диссоциируют в воде. Примеры: полисорбаты, моно- и диглицериды, эфиры сорбитана (Спан-60, Спан-80).
• Амфотерные эмульгаторы — могут проявлять как анионные, так и катионные свойства в зависимости от pH среды. Примеры: лецитин, бетаины.

Механизм действия

Эмульгатор адсорбируется на границе раздела фаз «масло-вода». Его гидрофильная часть ориентируется в сторону воды, а липофильная — в сторону масла. Это приводит к снижению межфазного натяжения, что облегчает диспергирование одной жидкости в другой. Кроме того, молекулы эмульгатора образуют вокруг капель дисперсной фазы защитный слой (адсорбционную оболочку), который препятствует их слиянию (коалесценции). Эффективность эмульгатора оценивается по гидрофильно-липофильному балансу (ГЛБ). Число ГЛБ (от 1 до 20) характеризует соотношение гидрофильных и липофильных свойств: эмульгаторы с низким ГЛБ (3–6) стабилизируют эмульсии В/М, с высоким ГЛБ (8–18) — эмульсии М/В.

Применение

Пищевая промышленность

Эмульгаторы — одна из наиболее распространённых групп пищевых добавок (индексы E400–E499). Они используются для:

• Приготовления маргаринов и спредов — для стабилизации эмульсии «вода-в-масле». Применяются моно- и диглицериды жирных кислот (E471), лецитин (E322).
• Производства майонезов и соусов — для стабилизации эмульсии «масло-в-воде». Используются лецитин, яичный желток, полисорбаты (E433).
• Хлебобулочных и кондитерских изделий — для улучшения структуры теста, увеличения объёма, продления свежести. Применяются стеароиллактилат натрия (E481), диацетилвинная кислота (E472e), лецитин.
• Молочных продуктов — для предотвращения расслоения жира в молоке, сливках, йогуртах. Используются каррагинан (E407), пектин (E440), моно- и диглицериды.
• Шоколада и глазури — для снижения вязкости и улучшения текучести. Применяется лецитин (E322) и полиглицеринполирицинолеат (E476).

Косметическая промышленность

Эмульгаторы являются основой для создания кремов, лосьонов, шампуней, зубных паст. Они обеспечивают однородную консистенцию, стабильность и удобство нанесения. Примеры:

• Кремы и лосьоны — эмульгаторы М/В (цетеариловый спирт, глицерилстеарат, полисорбаты) и В/М (ланолин, сорбитан моностеарат).
• Шампуни и гели для душа — анионные ПАВ (лаурилсульфат натрия, лауретсульфат натрия) и неионогенные (кокамидопропилбетаин, полисорбаты).
• Зубные пасты — эмульгаторы для стабилизации пасты и равномерного распределения абразивных частиц (карбоксиметилцеллюлоза, ксантановая камедь).

Фармацевтическая промышленность

Эмульгаторы используются для приготовления лекарственных форм — эмульсий, суспензий, мазей, кремов. Они обеспечивают биодоступность активных веществ, их стабильность и удобство дозирования. Примеры:

• Эмульсии для инъекций — лецитин, полисорбаты.
• Мази и кремы — ланолин, цетиловый спирт, стеариновая кислота.
• Пероральные эмульсии — гуммиарабик, желатин, пектин.

Нефтяная промышленность

Эмульгаторы применяются для:

• Повышения нефтеотдачи пластов — закачка эмульсий ПАВ для вытеснения нефти.
• Стабилизации буровых растворов — предотвращение расслоения эмульсий «вода-в-масле» при бурении.
• Очистки нефти от воды — деэмульгаторы (разрушители эмульсий) для разделения водонефтяных эмульсий.

Сельское хозяйство

Эмульгаторы входят в состав пестицидов, гербицидов, инсектицидов и фунгицидов в виде эмульгируемых концентратов. Они обеспечивают равномерное распыление и прилипание препаратов к листьям растений.

Безопасность и регулирование

Большинство эмульгаторов, разрешённых к применению в пищевой промышленности, признаны безопасными при соблюдении допустимых суточных доз (ДСД). В России и странах Евразийского экономического союза (ЕАЭС) их использование регулируется Техническим регламентом Таможенного союза «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств» (ТР ТС 029/2012). Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) и Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО) устанавливают допустимые уровни потребления (ADI) для каждого эмульгатора.

Некоторые эмульгаторы могут вызывать аллергические реакции (например, лецитин у лиц с аллергией на сою), раздражение кожи или слизистых при высоких концентрациях. В косметике и фармацевтике эмульгаторы проходят дерматологические и клинические испытания. В нефтяной промышленности используются токсичные эмульгаторы, требующие строгих мер безопасности.

Интересные факты

• Лецитин, один из первых известных эмульгаторов, был открыт в 1846 году французским химиком Теодором Гоблеем. Он содержится в яичном желтке (до 10%), соевых бобах, семенах подсолнечника.
• Первым синтетическим эмульгатором, получившим широкое распространение в пищевой промышленности, стал моностеарат глицерина (E471), запатентованный в 1930 году.
• Эмульгаторы используются не только для стабилизации эмульсий, но и для создания пен, аэрозолей, суспензий и гелей.
• В 2010 году в Европейском союзе был введён запрет на использование некоторых эмульгаторов в детском питании (например, полисорбата-80) из-за возможного негативного влияния на микрофлору кишечника.

Источники

• Технический регламент Таможенного союза «Требования безопасности пищевых добавок, ароматизаторов и технологических вспомогательных средств» (ТР ТС 029/2012).
• «Пищевые добавки. Энциклопедия» / под ред. В. А. Тутельяна, А. Н. Зайцева. — М.: Издательство «Наука», 2010.
• «Химия и технология поверхностно-активных веществ» / под ред. А. И. Гершковича. — М.: Химия, 2005.
• «Эмульсии и эмульгаторы в пищевых технологиях» / под ред. Р. В. Голованова. — СПб.: Профессия, 2012.
• «Косметическая химия» / под ред. С. В. Крылова. — М.: Косметика и здоровье, 2015.
• «Нефтепромысловая химия» / под ред. В. П. Трофимова. — М.: Недра, 2008.