عدد HLB در امولسیفایرها

مقدمه: اهمیت امولسیفایرها و عدد HLB در سیستم‌های امولسیونی

امولسیون‌ها از جمله سیستم‌های ناهمگنی هستند که در بسیاری از صنایع از جمله صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی، رنگ و پوشش‌های صنعتی نقش حیاتی ایفا می‌کنند. این سیستم‌ها متشکل از دو فاز مایع غیر قابل امتزاج هستند که یکی به صورت قطرات پراکنده در دیگری وجود دارد. با این حال، پایداری این سیستم‌ها یک چالش مهم محسوب می‌شود، زیرا در غیاب عوامل پایدارکننده، فازهای تشکیل‌دهنده تمایل به جدا شدن دارند. در این راستا، امولسیفایرها به عنوان ترکیبات کلیدی برای تثبیت امولسیون‌ها عمل می‌کنند و از طریق کاهش کشش سطحی بین دو فاز، پایداری مطلوبی را ایجاد می‌کنند.

یکی از ویژگی‌های مهم امولسیفایرها که نقش تعیین‌کننده‌ای در عملکرد آن‌ها دارد، عدد تعادل آب‌دوستی-چربی‌دوستی (Hydrophilic-Lipophilic Balance یا HLB) است. این عدد، میزان تمایل یک امولسیفایر به فاز آبی یا روغنی را مشخص می‌کند و بر این اساس، انتخاب صحیح امولسیفایر برای ایجاد امولسیون‌های پایدار تسهیل می‌شود. به عنوان مثال، امولسیفایرهای با عدد HLB پایین، تمایل بیشتری به فاز روغنی دارند و برای امولسیون‌های آب در روغن (W/O) مناسب هستند، در حالی که امولسیفایرهای با عدد HLB بالا، میل بیشتری به فاز آبی داشته و برای امولسیون‌های روغن در آب (O/W) کاربرد دارند.

عدد HLB نه تنها بر انتخاب نوع امولسیفایر تأثیر می‌گذارد، بلکه در تعیین میزان پایداری، نوع امولسیون حاصل و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی آن نیز نقش اساسی دارد. درک صحیح این عدد و نحوه استفاده از آن در فرمولاسیون امولسیون‌ها می‌تواند منجر به تولید محصولاتی با عملکرد بهتر و پایداری بالاتر شود. از این رو، مطالعه و بررسی دقیق امولسیفایرها و عدد HLB آن‌ها، برای مهندسان و پژوهشگران حوزه‌های مختلف صنعتی و علمی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است.

عدد HLB چیست؟ تعریف و مفهوم عدد تعادل آب‌دوستی-چربی‌دوستی

عدد HLB یا عدد تعادل آب‌دوستی-چربی‌دوستی (Hydrophilic-Lipophilic Balance) یک شاخص عددی است که میزان تمایل یک ماده فعال سطحی (سورفکتانت) را به آب یا روغن تعیین می‌کند. این عدد که در سال 1949 توسط ویلیام سیفرت گریفین معرفی شد، برای انتخاب مناسب امولسیفایرها در فرمولاسیون امولسیون‌ها، پراکندگی‌ها و سایر سیستم‌های دو فازی کاربرد دارد.

مفهوم عدد HLB

عدد HLB نشان می‌دهد که یک سورفکتانت تا چه حد به آب یا روغن تمایل دارد:

• اگر مقدار HLB پایین باشد (1 تا 6) → سورفکتانت بیشتر چربی‌دوست (لیپوفیلیک) است و تمایل دارد تا فاز روغنی را پایدار کند. این مواد برای ایجاد امولسیون‌های آب در روغن (W/O) مناسب هستند، به این معنی که قطرات آب در فاز روغنی پراکنده می‌شوند.

• اگر مقدار HLB بالا باشد (12 تا 20) → سورفکتانت بیشتر آب‌دوست (هیدروفیلیک) است و تمایل دارد فاز آبی را پایدار کند. این مواد برای امولسیون‌های روغن در آب (O/W) مناسب هستند، یعنی قطرات روغن در فاز آبی پراکنده می‌شوند.

• مقادیر متوسط (7 تا 11) → معمولاً به عنوان مواد مرطوب‌کننده، شوینده یا تقویت‌کننده امولسیون عمل می‌کنند.

نحوه محاسبه عدد HLB

گریفین عدد HLB را برای سورفکتانت‌های غیریونی به‌صورت زیر تعریف کرد:

برای ترکیباتی که شامل گروه‌های اتوکسیله هستند (مانند پلی‌اتیلن گلایکول‌ها)، فرمول اصلاح‌شده زیر نیز استفاده می‌شود:

روش تعیین عدد HLB ترکیبات مختلف: تئوری و کاربردهای عملی

۱. روش‌های تئوری تعیین عدد HLB

الف) روش گریفین (Griffin's Method) – برای سورفکتانت‌های غیریونی

در این روش، عدد HLB برای سورفکتانت‌های غیر یونی بر اساس نسبت جرم مولکولی بخش آب‌دوست به کل جرم مولکولی ترکیب محاسبه می‌شود. فرمول اصلی آن به صورت زیر است:

 مثال: برای سورفکتانت‌های اتوکسیله مانند پلی‌اکسی‌اتیلن سورفکتانت‌ها، عدد HLB به تعداد گروه‌های اتوکسی (EO) بستگی دارد؛ به طوری که هر گروه EO حدود 0.5 تا 1 واحد به مقدار HLB اضافه می‌کند.

ب) روش دیویس (Davies' Method) – برای سورفکتانت‌های یونی و غیر یونی

روش دیویس عدد HLB را بر اساس گروه‌های عاملی مختلف در ساختار سورفکتانت محاسبه می‌کند:

 جدول مقادیر گروهی (مثال‌هایی از مقدار HLB هر گروه):

• -OH (هیدروکسیل): 1.9

• -COO (کربوکسیلات): 2.1

• -(OCH2CH2)n (اتیلن اکسید): 0.33 × تعداد واحدهای EO

• -CH3 و -CH2 (آلکیل‌ها): -0.475

 مثال: برای یک سورفکتانت مانند سدیم استئارات (C18H35O2Na):

• گروه آب‌دوست: -COO⁻ = 2.1

• گروه‌های چربی‌دوست (زنجیره آلکیل C18H35) = (18 × -0.475) = -8.55

محاسبه HLB:

HLB=7+(2.1)−(8.55)=0.55

که نشان می‌دهد سدیم استئارات بسیار چربی‌دوست است و برای تشکیل امولسیون آب در روغن (W/O) مناسب نیست.

ج) روش محاسبه عدد HLB مورد نیاز (HLB Required)

علاوه بر تعیین HLB امولسیفایر، می‌توان HLB مورد نیاز یک روغن یا چربی خاص را نیز تعیین کرد. برخی از اعداد HLB مورد نیاز برای امولسیون‌های مختلف:

• روغن معدنی سبک: HLB = 10

• لانولین: HLB = 8

• روغن نارگیل: HLB = 6

• موم زنبورعسل: HLB = 10-12

۲. روش‌های تجربی تعیین عدد HLB

الف) روش امولسیون‌سازی و مشاهده پایداری

در این روش، چند امولسیفایر با HLBهای مختلف انتخاب شده و به امولسیون اضافه می‌شوند. سپس میزان پایداری امولسیون بررسی شده و مقدار بهینه HLB مورد نیاز تعیین می‌شود.

 مراحل:

1. چندین نمونه امولسیون با امولسیفایرهای مختلف و HLBهای متفاوت تهیه کنید.

2. نمونه‌ها را برای مدتی (چند ساعت تا چند روز) نگهداری کرده و جدا شدن فازها را بررسی کنید.

3. عدد HLB که پایدارترین امولسیون را ایجاد کرده است، به عنوان مقدار مناسب انتخاب می‌شود.

 کاربرد: در صنایع غذایی و دارویی برای تعیین بهترین امولسیفایرهای ترکیبی.

ب) روش هدایت الکتریکی (Electrical Conductivity Method)

در این روش، از این واقعیت استفاده می‌شود که امولسیون‌های O/W هدایت الکتریکی بالایی دارند، در حالی که امولسیون‌های W/O هدایت الکتریکی بسیار کمی دارند.

 مراحل:

1. نمونه امولسیون را در دستگاه هدایت‌سنج قرار دهید.

2. اگر هدایت بالا باشد → امولسیون O/W است (HLB بالا نیاز دارد).

3. اگر هدایت پایین باشد → امولسیون W/O است (HLB پایین نیاز دارد).

کاربرد: در صنایع آرایشی و دارویی برای بررسی نوع امولسیون.

ج) روش اندازه‌گیری زاویه تماس (Contact Angle Method)

در این روش، زاویه‌ای که یک قطره آب یا روغن روی سطح سورفکتانت تشکیل می‌دهد، اندازه‌گیری می‌شود. هرچه زاویه تماس کوچک‌تر باشد، سورفکتانت آب‌دوست‌تر است (HLB بالاتر).

کاربرد: در مهندسی سطح و تولید پوشش‌های آب‌گریز و آب‌دوست.

کاربردهای عدد HLB در صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی

در ادامه، کاربردهای عدد HLB در صنایع غذایی، دارویی، آرایشی و بهداشتی بررسی می‌شود.

کاربردهای عدد HLB در صنعت غذایی

در صنایع غذایی، امولسیفایرها برای پایدارسازی امولسیون‌های روغن در آب (O/W) و آب در روغن (W/O) استفاده می‌شوند. انتخاب امولسیفایر مناسب بر اساس عدد HLB تأثیر مستقیمی بر بافت، پایداری و ماندگاری محصولات غذایی دارد.

 مثال‌هایی از کاربردها:

• تولید سس‌ها و امولسیون‌های غذایی:

  • سس مایونز و سس سالاد نیاز به امولسیفایرهای HLB بالا (10-14) دارند (مانند پلی‌سوربات‌ها).

• ساخت بستنی و کرم‌های لبنی:

  • امولسیفایرهای HLB متوسط (8-10) مانند مونو و دی‌گلیسیریدها برای جلوگیری از رشد بلورهای یخ و بهبود بافت استفاده می‌شوند.

• مارگارین و کره‌های گیاهی:

  • این محصولات از امولسیفایرهای HLB پایین (3-6) مانند لسیتین سویا برای پایدارسازی فاز آب در روغن بهره می‌برند.

✅ مزایا: بهبود کیفیت، افزایش ماندگاری، جلوگیری از جداسازی فازها، بهبود بافت و احساس دهانی محصول.

کاربردهای عدد HLB در صنعت دارویی

در صنعت داروسازی، امولسیفایرها نقش مهمی در فرمولاسیون داروهای مایع، نیمه‌جامد و جامد ایفا می‌کنند. عدد HLB به تعیین امولسیفایر مناسب برای تهیه داروهای پایدار و افزایش زیست‌دسترس‌پذیری ترکیبات فعال کمک می‌کند.

 مثال‌هایی از کاربردها:

• فرمولاسیون داروهای خوراکی (O/W):

  • سوسپانسیون‌های خوراکی، شربت‌ها و امولسیون‌های مغذی از امولسیفایرهای HLB بالا (12-16) مانند توئین 80 (پلی‌سوربات 80) برای حل کردن ترکیبات غیرقابل حل در آب استفاده می‌کنند.

• داروهای تزریقی و وریدی:

  • برای افزایش انحلال داروهای نامحلول در آب، از امولسیفایرهای HLB متوسط تا بالا مانند سورفکتانت‌های غیر یونی استفاده می‌شود.

• پمادها و کرم‌های دارویی (W/O و O/W):

  • کرم‌های پایه آب (O/W) نیاز به امولسیفایرهای HLB بالا دارند، در حالی که پمادهای روغنی (W/O) از امولسیفایرهای HLB پایین مانند موم زنبورعسل بهره می‌برند.

• تحویل دارو از طریق نانوامولسیون‌ها و میسلی‌ها:

  • داروهای جدید با سیستم‌های نانوحامل از امولسیفایرهایی با HLB مناسب برای افزایش جذب دارو استفاده می‌کنند.

✅ مزایا: افزایش حلالیت داروها، بهبود پایداری، افزایش زیست‌دسترس‌پذیری، کاهش عوارض جانبی و بهینه‌سازی فرمولاسیون.

کاربردهای عدد HLB در صنعت آرایشی و بهداشتی

در فرمولاسیون محصولات آرایشی و بهداشتی، انتخاب امولسیفایر مناسب برای دستیابی به بافت مطلوب، جذب بهتر، پایداری بلندمدت و افزایش اثربخشی محصول اهمیت زیادی دارد.

 مثال‌هایی از کاربردها:

• کرم‌ها و لوسیون‌ها:

  • امولسیون‌های روغن در آب (O/W) مانند کرم‌های مرطوب‌کننده از امولسیفایرهای HLB بالا (8-18) مانند سدیم استئاروئیل لاکتیلات استفاده می‌کنند.

  • امولسیون‌های آب در روغن (W/O) مانند کرم‌های محافظت‌کننده پوست از امولسیفایرهای HLB پایین (3-6) مانند سوربیتان تری استئارات بهره می‌برند.

• شامپوها و نرم‌کننده‌های مو:

  • امولسیفایرهای HLB بالا برای تولید شامپوهای شفاف و با کف مناسب استفاده می‌شوند (مانند SLS).

• روغن‌های پاک‌کننده و میسلار واتر:

  • این محصولات از امولسیفایرهایی با HLB متوسط تا بالا (10-16) برای حل کردن چربی‌ها بدون آسیب به پوست استفاده می‌کنند.

• ضدآفتاب‌ها و کرم‌های محافظتی:

  • برای ترکیب مواد ضد UV محلول در چربی با فاز آبی از امولسیفایرهای HLB متوسط (6-12) استفاده می‌شود.

✅ مزایا: بهبود پخش‌پذیری روی پوست، افزایش جذب مواد موثره، جلوگیری از جداسازی فازها، ایجاد بافت نرم و سبک.

 مقایسه کاربردهای عدد HLB در صنایع مختلف

تأثیر عوامل محیطی بر عدد HLB و عملکرد امولسیفایرها

عدد HLB و عملکرد امولسیفایرها تحت تأثیر عوامل محیطی مختلفی مانند دمای محیط، pH، حضور الکترولیت‌ها و نوع فازهای موجود در سیستم قرار می‌گیرند. افزایش دما می‌تواند منجر به تغییر ساختار امولسیفایر و کاهش یا افزایش حلالیت آن در فاز آبی یا روغنی شود، که در نهایت بر پایداری امولسیون تأثیر می‌گذارد. برای مثال، برخی امولسیفایرهای غیر یونی مانند پلی‌سوربات‌ها با افزایش دما آب‌گریزتر می‌شوند، که می‌تواند منجر به ناپایداری امولسیون‌های O/W شود. از طرف دیگر، pH محیط نیز می‌تواند بر یونیزاسیون گروه‌های عاملی امولسیفایر تأثیر گذاشته و عدد HLB مؤثر را تغییر دهد؛ به عنوان مثال، در محیط‌های اسیدی یا قلیایی، برخی سورفکتانت‌های یونی مانند صابون‌ها به دلیل تغییر در بار الکتریکی، کارایی خود را از دست می‌دهند.

حضور الکترولیت‌ها و نمک‌ها می‌تواند نیروهای بین مولکولی را تغییر داده و بر حلالیت امولسیفایر تأثیر بگذارد. در برخی موارد، افزایش غلظت نمک در محیط آبی باعث کاهش حلالیت امولسیفایرهای غیر یونی شده و می‌تواند منجر به دوفازی شدن امولسیون شود. همچنین، نوع و نسبت فازهای آبی و روغنی در یک سیستم بر عملکرد امولسیفایر تأثیر می‌گذارد؛ به عنوان مثال، یک امولسیفایر با HLB متوسط ممکن است در یک سیستم روغن در آب (O/W) عملکرد خوبی داشته باشد، اما در یک سیستم آب در روغن (W/O) نیاز به تغییر ترکیب یا استفاده از امولسیفایرهای مکمل داشته باشد. بنابراین، برای دستیابی به پایداری بهینه امولسیون‌ها، انتخاب امولسیفایر باید همراه با بررسی عوامل محیطی صورت گیرد.

ترکیب امولسیفایرها برای دستیابی به عدد HLB ایده‌آل

در بسیاری از سیستم‌های امولسیونی، یک امولسیفایر به تنهایی نمی‌تواند پایداری مورد نظر را ایجاد کند، زیرا ممکن است سازگاری کافی با فازهای روغنی و آبی نداشته باشد. بنابراین، ترکیب دو یا چند امولسیفایر با عدد HLB متفاوت یک راهکار رایج برای دستیابی به عدد HLB ایده‌آل است. این روش به بهبود پایداری، افزایش کارایی امولسیفایرها و جلوگیری از جداسازی فازها کمک می‌کند.

 اصول ترکیب امولسیفایرها برای دستیابی به HLB مطلوب

 میانگین‌گیری وزنی HLB:
برای دستیابی به عدد HLB مورد نظر، می‌توان از ترکیب امولسیفایرهای با HLB بالا و پایین استفاده کرد. مقدار نهایی HLB ترکیب از طریق میانگین وزنی محاسبه می‌شود:

 انتخاب امولسیفایرهای مکمل:

• یک امولسیفایر آب‌دوست (با HLB بالا) برای پایداری فاز آبی استفاده می‌شود.

• یک امولسیفایر چربی‌دوست (با HLB پایین) برای پوشش‌دهی بهتر فاز روغنی به کار می‌رود.

• ترکیب این دو، باعث بهبود ویسکوزیته، پایداری و یکنواختی امولسیون می‌شود.

 مثال‌هایی از ترکیب امولسیفایرها

الف) ترکیب امولسیفایرها در امولسیون‌های روغن در آب (O/W)

در این نوع امولسیون، فاز پیوسته آب است و روغن به صورت قطرات معلق در آن پراکنده شده است. برای پایداری این سیستم، از امولسیفایرهای با HLB بالا (8-18) استفاده می‌شود.

مثال:

• پلی‌سوربات 80 (HLB = 15) + مونوگلیسیرید (HLB = 3.8)

• سدیم استئاروئیل لاکتیلات (HLB = 10) + سوربیتان استئارات (HLB = 4.7)

✅ نتیجه: امولسیفایر آب‌دوست، قطرات روغن را در فاز آبی پراکنده می‌کند، در حالی که امولسیفایر چربی‌دوست به حفظ ساختار و کاهش کشش سطحی کمک می‌کند.

ب) ترکیب امولسیفایرها در امولسیون‌های آب در روغن (W/O)

در این سیستم، فاز پیوسته روغن است و آب به صورت قطرات معلق در آن قرار دارد. برای حفظ پایداری، امولسیفایرهای با HLB پایین (3-6) مناسب‌تر هستند.

 مثال:

• لانولین (HLB = 4) + سوربیتان مونو استئارات (HLB = 4.7)

• موم زنبورعسل (HLB = 5) + لسیتین سویا (HLB = 7)

✅ نتیجه: امولسیفایر چربی‌دوست، فاز روغنی را حفظ کرده و از ترکیب شدن قطرات آب جلوگیری می‌کند، در حالی که امولسیفایر با HLB کمی بالاتر پایداری را افزایش می‌دهد.

مزایای ترکیب امولسیفایرها

✅ افزایش پایداری: جلوگیری از جداسازی فازها و افزایش ماندگاری امولسیون.
✅ بهبود عملکرد: ترکیب امولسیفایرها باعث افزایش سازگاری با مواد مختلف می‌شود.
✅ کنترل بافت و ویسکوزیته: ترکیبات مختلف می‌توانند قوام محصول را بهینه کنند.
✅ انعطاف‌پذیری در فرمولاسیون: امکان تنظیم ویژگی‌های محصول با تغییر نسبت امولسیفایرها.

نتیجه‌گیری

عدد HLB یک معیار ارزشمند در انتخاب امولسیفایرها برای انواع فرمولاسیون‌ها است. این عدد با تعیین تعادل بین خاصیت آبدوستی و چربی‌دوستی یک ماده، به طراحان فرمولاسیون کمک می‌کند تا امولسیون‌های پایدار و کارآمدی تولید کنند. شناخت و استفاده صحیح از عدد HLB می‌تواند موجب بهبود عملکرد محصولات و کاهش مشکلات مرتبط با پایداری شود.

شرکت آرتین تجارت اکسیر به عنوان یکی از واردکنندگان پیشرو در ایران، امولسیفایرهای مختلف را برای صنایع غذایی تامین می‌کند. این شرکت با واردات مستقیم از برندهای معتبر جهانی، مواد امولسیفایری مانند مونو دی گلیسیرید، گلیسیرید مونو استئارات، سوربیتول، زانتان گام و کاراگینان را ارائه می‌دهد. این امولسیفایرها در پایدارسازی امولسیون‌ها، کاهش چسبندگی و کنترل کریستالیزاسیون در محصولات لبنی، شکلاتی، قنادی و گوشتی نقش مهمی دارند. با تاکید بر کیفیت و مشاوره تخصصی، آرتین تجارت اکسیر به مشتریان خود کمک می‌کند تا به بهترین نحو در فرمولاسیون محصولات خود عمل کنند.