1.乳状液
两不混溶的液相，一相以微粒状（液滴或液晶）分散在另一相中形成的两相体系称为乳状液。
乳状液中以液滴形式存在的一相称为分散相（也称内相、不连续相）；另一相是连成一片的，称为分散介质（也称外相、连续相）。根据分散相粒子或质点的大小，把乳状液分为粗乳状液（粒度≥0.1μm）和微乳状液（粒度大致为0.01～0.1μm）。食品中常见的乳状液，一相是水或水溶液，统称为亲水相；另一相是与水相混溶的有机相，如油脂或同亲油物质与亲油又亲水溶剂组成的溶液，统称为亲油相。两种不相混溶的液体，如水和油相混合时能形成两种类型的乳状液，即水包油型（O/W，其中O代表油，W代表水，O在前，W在后，表示油被水包裹，/表示O和W形成了乳状液体系）和油包水型（W/O）乳状液。在水包油型乳状液中油以微小滴分散在水中，油滴为分散相，水为分散介质，如牛奶即为一种O/W型乳状液；在油包水型乳状液中则相反，水以微小液滴分散在油中，水为分散相，油为分散介质，如人造奶油即为一种W/O型乳状液。
2.乳状液的稳定性
乳状液稳定要求是分散相微粒状缩小两相相对密度差，提高分散介质的黏度。
影响乳状液稳定的因素有：微粒大小（0.5～5μm好），乳化剂结构。
制备乳状液时，使一种液体以微小的液滴分散在另一种液体中，这时被分散的液体表面积明显扩大。试验结果表明，体积为1cm3的一个油滴（球表面积4.83cm3，直径1.24cm）分散成直径为2 ×10 —4cm（2μm）的2.39 ×1011个微小油滴，表面积增大到30000cm3，即增大了6210倍。这些微小的油滴较连成一片的油相具有高得多的能量。这种能量（也称为表面能或表面张力）同表面平行，并阻碍油滴的分布。因此，反抗表面张力必须要做功，所消耗的功W与表面积增大ΔA和表面张力γ成正比：
W＝ΔA·γ
从上式可看出，降低表面张力，可以使机械功明显减小。反之，机械能或物理化学能也可以替代乳化剂所做的功。因此，在实践中总是把这两者结合起来运用。当有固相存在时，应加入热能作为第三种能，使其融解，因为在乳化作用之前，被乳化相必须以液体形式存在。
单纯以机械能制备乳状液，得到的乳状液体系很不稳定，容易破坏。为使乳状液较长时间地保持稳定，需要加入助剂以抑制两相分离，使它在热力学上稳定。如，使用稳定剂可提高乳状液的黏度和界面膜的强度，可使以机械法制得的乳状液保持稳定。
界面膜的弹性和体系的黏度是乳状液稳定的重要因素。亲水胶体都具有与被乳化的粒子相互作用的能力，它们以络合的方式聚集加成到被保护的粒子上。亲水胶体可使被保护粒子的电荷或其溶剂化物膜增强或者两者同时均增强。
3.对乳化剂的要求
由于乳状液两液体的界面积增大，在热力学上是不稳定的。为使乳状液体系稳定，需加入降低界面能的乳化剂。乳化剂可以降低两相之间的界面张力，使形成的乳状液保持稳定。乳化剂的典型功能是起乳化作用。乳化作用中，对乳化剂的最重要的要求有两点。
（1）乳化剂必须吸附或富集在两相之间的界面上。因此，乳化剂要有界面活性或表面活性，即它能降低互不混溶两相的界面张力。
（2）乳化剂必须给予乳状液粒电荷，使它们相互排斥，或必须在乳状液粒子周围形成一种稳定的、黏性特别高的甚至是固态的保护膜。因此，作为乳化剂的物质必须具一定的化学结构，才能起到乳化作用。
依据GB 2760—2014《食品安全国家标准 食品添加剂使用标准》，乳化剂是能改善乳化体中各种构成相之间的表面张力，形成均匀分散体或乳化体的物质。
1.乳化剂的分子结构特点
乳化剂具有亲水基和疏水基的表面活性剂的分子结构特点。表面活性剂分子一般是由非极性的、亲油（疏水）的碳氢链部分和极性的、亲水（疏油）的基团共同构成的；并且这两部分分别处于分子的两端，形成不对称的结构。因此，表面活性剂分子是一种两亲分子，具有既亲油又亲水的两亲性质。
通常表面活性剂分子具有至少一个对强极性物质有亲和性的基团（极性基团）和至少一个对非极性物质有亲和性的基团（非极性基团）。极性基团是这样一种官能基团，其电子分布使分子呈现出明显的偶极矩。这种基团决定了表面活性剂分子对极性液体，特别是对水的亲和性，即表面活性剂的亲水特性。因此，极性基团也称为亲水基团。非极性基团是表面活性剂分子的有机碳氢链部分，其电子分布对偶极矩没有贡献。这种非极性基团决定了表面活性剂分子对非极性液体，特别是对极性小的有机溶剂的亲和性，即表面活性剂的亲油（疏水）特性。因此，非极性基团也称为亲油基团。表面活性剂分子中既存在亲水基团，又存在亲油基团，故能与水相和油相同时发生作用，于是表面活性剂分子在两相界面上发生定相排列。这是乳化剂具有界面活性或表面活性的先决条件。其亲水基一般是溶于水或能被水湿润的基团，如羟基；其亲油基一般是与油脂结构中烷烃相似的碳氢化合物长键，故可与油脂互溶。
把很少量的乳化剂溶解在或分散在一种液体中，乳化剂分子优先吸附在界面或表面上，并在基上定向排列，形成一定的组织结构（表面吸附膜或界面吸附膜）；在溶液内部则缔合而形成胶束。溶液中加入乳化剂后，由于发生这样一系列物理化学变化，就能显著降低水的表面张力或液/液界面张力，改变体系的界面状态，从而产生润湿或反润湿、乳化或破乳、起泡或消泡、加溶等一系列作用，使乳化剂在食品加工中得到广泛应用。
2.乳化剂的HLB值
乳化剂的乳化能力与其亲水、亲油的能力有关，亦即与其分子中亲水、亲油基的多少有关。如亲水的能力大于亲油的能力，则呈水包油型的乳化体，即油分散于连续相水中。乳化剂亲水亲油平衡的乳化能力的差别一般用“亲水亲油平衡值”（简称HLB值）表示。
规定亲油性为100%的乳化剂，其HLB值为0（以石蜡为代表），亲水性为100%者为20（以油酸钾为代表），其间分成20等分，以此表示其亲水、亲油性的强弱和应用特性（HLB值0～20者是指非离子表面活性剂，绝大部分食品用乳化剂均属于此类；离子型表面活性剂的HLB值则为0至40）。因此，凡HLB值小于10的乳化剂主要是亲油性的，而等于或大于10的乳化剂则具有亲水特征。非离子型乳化剂的HLB值与其相关性质见表8—1。从表中可以看出，随着乳化剂亲水、亲油性的不同，尚未具有发泡、防黏、软化、保湿、增溶、脱模、消泡等作用。
表8—1 非离子型乳化剂的HLB值与其相关性质
每一种乳化剂的HLB值，可用实验方法来测定，但很繁琐、费时。对非离子型的大多数多元醇脂肪酸酯类乳化剂，可按下式求得：
式中 S——脂肪酸酯的皂化值
A——脂肪酸的酸值
此式适用于多元醇脂肪酸酯及其环氧乙烷加成物，如司盘、吐温之类。此外，还有多种针对不同适用对象的计算HLB值的方法。如对仅有环氧乙烷基团为亲水基的乳化剂，可按下式计算：(www.xing528.com)
式中 MW——亲水基部分的相对分子质量
M0——亲油基部分的相对分子质量
M——总相对分子质量
一般认为，HLB值具有加和性。因而，可以预测一种混合乳化剂的HLB值。对于非离子乳化剂，两种或两乳化剂混合使用时，混合乳化剂的HLB值可按其组成的各个乳化剂的质量百分比加以核算：
HLBab＝HLBa·A%+HLBb·B%
式中 HLBab——混合乳化剂a、b的加和HLB值
HLB a——乳化剂a的HLB值
A%——HLB a在混合物中所占质量分数，%
HLB b——乳化剂b的HLB值
B%——HLB b在混合物中所占质量分数，%
3.乳化剂的作用
乳化剂只需添加少量，即可显著降低油水两相界面张力，使之形成均匀、稳定的分散体或乳化体。
（1）表面活性作用 乳化剂最主要的是典型的表面活性作用：乳化、破乳、助溶、增溶、悬浮、分散、湿润、起泡作用。
（2）乳化剂的其他功能 除典型的表面活性作用外，乳化剂在食品中还具有许多其他功能，如消泡、抑泡、增稠、润滑、保护、与类脂相互作用、与蛋白质相互作用、与碳水化合物相互作用等。这些表面活性作用和在食品中的特殊作用相互结合，是乳化剂作为食品添加剂广泛应用的基础。
如乳化剂与碳水化合物的络合作用。大多数乳化剂的分子中有线型的脂肪酸长链，可与直链淀粉连接而成为螺旋复合物，可降低淀粉分子的结晶程度，并进入淀粉颗粒内部而阻止支链淀粉的结晶程度，防止淀粉制品的老化、回生、凝沉作用，对保持面包、糕点等潮湿性淀粉类食品具有柔软性和保鲜性。高度纯化的单硬脂酸甘油酯体现这种作用最为明显。
又如乳化剂与蛋白质的络合作用。蛋白质由20种氨基酸所组成，这些氨基酸可因其极性等不同而表现出亲水性和疏水性，可分别通过氢键与乳化剂的亲水基团或疏水基团结合；与乳化剂结合的蛋白质包括乳蛋白、肉类蛋白、卵蛋白和谷类蛋白等所有食品的蛋白质。
通过乳化剂与蛋白质的络合作用，在焙烤制品中可强化面筋的网状结构，防止因油水分离所造成的硬化，同时增强韧性和抗拉力（如面条），以保持其柔软性，抑制水分蒸发，增大体积，改善口感。
在有水存在时，乳化剂还可使脂类化合物成为稳定的乳化液。当没有水存在时，可使油脂出现不同类型的结晶。一般情况下，油脂的晶型是处在不稳定的α—晶型或β—初级晶型，这时的熔点较低，但可以缓慢地从低熔点的α—晶型过渡到高熔点的、相对稳定的β—晶型。油脂的不同晶型会赋予食品不同的感官性能和食用性能。因此，在食品加工中往往需要加入具有变晶性的物质，以延缓或阻滞晶型的变化。一些趋向于α—晶型的亲油性乳化剂具有变晶的性质，故常用来调节油脂的晶型。在食品加工中，用作油脂晶型调节剂的有蔗糖脂肪酸酯、司盘60、司盘65、乳酸单双甘油酯、乙酸单双甘油酯以及某些聚甘油脂肪酸酯。例如，在糖果和巧克力制品中，可通过乳化剂以控制固体脂肪结晶的形成、晶型和析出，防止糖果返砂、巧克力起霜，以及防止人造奶油、起酥油、巧克力浆料、花生白脱乃至冰淇淋中粗大结晶的形成等。
乳化剂中的饱和脂肪酸键能稳定液态泡沫，可用作发泡助剂。相反，不饱和脂肪酸键能抑制泡沫，故可用作乳品、蛋白加工中的消泡剂，冰淇淋中的“干化”剂。
使用食品乳化剂，不仅能提高食品质量，延长食品的贮存期，改善食品的感官性状，而且还可以防止食品变质，便于食品加工和保鲜，有助于新型食品的开发，因此乳化剂已成为现代食品工业中必不可少的食品添加剂。
4.乳化剂的分类
食品乳化剂的分类方法很多。按来源可分为天然的和人工合成的乳化剂。天然乳化剂常见的有改性大豆磷脂、酪蛋白、卵磷脂等。合成乳化剂有甘油脂肪酸酯类、蔗糖脂肪酸酯类、山梨糖醇酐脂肪酸酯类、聚氧乙烯山梨醇酐脂肪酸酯类、有机酸单甘酯类、聚甘油脂肪酸酯类、脂肪酸丙二醇酯类、硬脂酰乳酸酯及其盐类、松香甘油酯类等。
按亲水基团在水中是否离解成电荷可分为离子型和非离子型乳化剂。绝大部分食品乳化剂属于非离子型，如蔗糖脂肪酸酯、甘油脂肪酸酯、司盘60等在水中无基团电离带电，属于非离子型乳化剂；离子型乳化剂又可按其在水中电离形成离子所带的电性分为：阴离子型、阳离子型和两性离子型乳化剂。阴离子乳化剂指带一个或多个在水中能电离形成带负电荷的官能团的乳化剂，如烷、烃链（及芳香基团）上带羰酸盐、磺酸盐、磷酸盐等乳化剂；阳离子乳化剂指带一个或多个在水中能电离形成带正电荷的官能团的乳化剂，如烷、烃链（及芳香基团）上带季铵盐等基团的乳化剂；两性离子乳化剂指在水中能同时电离出带正电荷和负电荷的官能团的乳化剂，如烷基二甲基甜菜碱。
按HLB值、亲水亲油性可分为亲水型、亲油型和中间型乳化剂。以HLB值10为亲水亲油性的转折点：HLB值小于10的乳化剂为亲油型；HLB值大于10的乳化剂为亲水型；在HLB值10附近的为中间型乳化剂。
5.乳化剂的发展方向
随着食品工业的迅速发展和加工食品的多样化，世界各国都极为重视食品乳化剂的开发研究、生产和应用。食品乳化剂正向系列化、多功能、高效率、便于使用等方面发展，特别是致力于复配型和专用型乳化剂的研究。食品乳化剂的种类是相对稳定的，但新型食品乳化剂和新的食品加工工艺层出不穷，而且有限的乳化剂经过科学地复配，可以得到满足多方面需要的众多系列化复合产品。如从便于使用的角度出发，食品乳化剂正从块状产品向粉末状和浆状产品过渡。例，分子蒸馏单甘酯，有效物含量超过99%，直接与粉状食品原料混合，即可获得良好的使用效果。又如，将30%～60%单甘酯与39%～69.5%的植物油一起熔融混合，再加入0.5%～1%淀粉酶和蛋白酶，即可制成在常温下乳化分散的浆状商品，用于面包、糕点、饼干等食品，具有较高的防老化效果。通过对食品特殊成分与乳化剂作用性能的研究，通过科学的复配，乳化剂的专业化程度越来越高。专用型乳化剂在改善食品品质、提高食品档次方面也发挥着越来越重要的作用。如，已开发出专用于干酪、奶粉、人造奶油等食品的专用卵磷脂乳化剂。其他类型食品大都也有专用型的特定复配乳化剂，如专用于肉类制品的低热能乳化剂、鱼和肉类制品专用的胶体制剂、用作油炸食品发泡剂的卵磷脂、糕点混合配料用的混合乳化剂、面包和松软糕点用的胶质固体等。
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