Hệ thống Cân bằng ưa nước-ưa mỡ (HLB) đã cách mạng hóa việc lựa chọn và ứng dụng chất nhũ hóa trong khoa học công thức hiện đại. Được William Griffin phát triển vào năm 1949, phương pháp tiếp cận có hệ thống này tiếp tục đóng vai trò nền tảng cho việc lựa chọn chất nhũ hóa trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành thực phẩm.
Các nghiên cứu gần đây đã chứng minh rằng việc lựa chọn chất nhũ hóa phù hợp thông qua hiểu biết về chỉ số HLB rất quan trọng đối với cả độ ổn định và an toàn của sản phẩm. Bài viết này sẽ khám phá các nguyên tắc và ứng dụng thực tế của hệ thống HLB, cung cấp kiến thức cần thiết để ứng dụng vào công việc chế biến thực phẩm
Giá trị HLB là gì và tại sao nó lại quan trọng?
Chỉ số HLB, viết tắt của “Hydrophilic-Lipophilic Balance” (Cân bằng ưa nước-ưa mỡ), là phép đo định lượng về bản chất của các phân tử nhũ hóa. Chỉ số này cho biết chất nhũ hóa ưa nước hay ưa dầu (mỡ) hơn, hoạt động trên thang điểm từ 1 đến 20:
- Chỉ số HLB càng cao: Chất nhũ hoá càng ưa nước.
- Chỉ số HLB càng thấp: Chất nhũ hoá càng ưa dầu (mỡ).
Cơ sở phân tử của chức năng HLB nằm ở cấu trúc độc đáo của các phân tử nhũ hóa. Mỗi chất nhũ hóa chứa cả vùng ưa nước (ưa nước) và ưa dầu (ưa dầu), tạo ra cầu nối phân tử giữa pha dầu và pha nước. Các nghiên cứu gần đây trên các tạp chí hóa học vật lý đã tiết lộ rằng cấu trúc phân tử này ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của nhũ tương thông qua các cơ chế cụ thể :
- Giảm sức căng bề mặt: Các phân tử nhũ hóa giảm sức căng bề mặt giữa dầu và nước, tạo điều kiện cho việc hình thành các giọt nhỏ.
- Cản trở không gian: Các phân tử nhũ hóa tạo ra một hàng rào vật lý giữa các giọt, ngăn chúng kết tụ lại.
- Hình thành lớp kép điện: Một số chất nhũ hóa tạo ra lớp điện tích xung quanh giọt, gây đẩy tĩnh điện giữa các giọt.
Hiểu được các cơ chế này cho phép các nhà pha chế đưa ra quyết định sáng suốt về việc lựa chọn và ứng dụng chất nhũ hóa.
Thang chỉ số HLB
Thang HLB cung cấp một khuôn khổ có hệ thống để phân loại và lựa chọn chất nhũ hóa dựa trên các đặc điểm phân tử của chúng. Theo tài liệu kỹ thuật từ các nhà sản xuất chất nhũ hóa lớn, các giá trị HLB thấp (4-6) chỉ ra các đặc tính ưa dầu chủ yếu, phù hợp cho nhũ tương nước trong dầu. Ngoài ra, chất nhũ hóa trong phạm vi này đạt được độ ổn định tốt nhất trong các ứng dụng trong việc sản xuất bơ thực vật, nơi nhũ tương nước trong dầu ổn định là rất quan trọng đối với chất lượng sản phẩm.
Ngược lại với giá trị HLB thấp, Giá trị HLB cao hơn (8-12) thể hiện đặc tính ưa nước là chủ yếu, giúp chúng đóng vai trò thiết yếu đối với độ ổn định của nhũ tương dầu trong nước. Điều này đã được chứng minh khi các chất nhũ hoá đạt HLB cao được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất mayonnaise, khi sự duy trì sự ổn định của giọt dầu trong nước được đặt lên hàng đầu.
- Giá trị HLB thấp (khoảng 3-8): Chất nhũ hóa có tính ưa dầu cao hơn, thích hợp cho việc tạo nhũ tương nước trong dầu (W/O – Water-in-Oil). Ví dụ: bơ, margarine.
- Giá trị HLB trung bình (khoảng 8-16): Chất nhũ hóa phù hợp cho việc tạo nhũ tương dầu trong nước (O/W – Oil-in-Water). Ví dụ: sữa, kem, mayonnaise.
- Giá trị HLB cao (khoảng 13-20): Chất nhũ hóa có tính ưa nước cao, thường được sử dụng làm chất hòa tan, chất làm ướt.
Cách tính giá trị HLB
Việc xác định giá trị HLB sử dụng hai phương pháp chính, mỗi phương pháp đều có những lợi thế riêng biệt cho các ứng dụng cụ thể.
Phương pháp Griffin
Phương pháp này được thực hiện rộng rãi cho các chất hoạt động bề mặt không ion. Được chứng minh rằng phương pháp này đạt độ chính xác lên đến 90% trong việc dự đoán hiệu suất nhũ hóa, mặc dù nó đòi hỏi nhiều nguồn lực và chuyên môn trong phòng thí nghiệm.
Giá trị HLB = 20 × Mh/M
Trong đó: Mh là khối lượng phân tử của phần ưa nước (hydrophilic) của chất hoạt động bề mặt. M là khối lượng phân tử của toàn bộ phân tử chất hoạt động bề mặt.
Phương pháp Davies
Các phương pháp tính toán lý thuyết cung cấp một cách tiếp cận dễ tiếp cận hơn cho công việc lập công thức ban đầu. Dựa trên phân tích thành phần phân tử, sử dụng các “số nhóm” cho các phần ưa nước và ưa dầu trong phân tử chất nhũ hoá.
HLB = (% chất A × HLB_A) + (% chất B × HLB_B) + …
Ví dụ: Nếu dùng SPAN 60 (HLB = 4.7) và TWEEN 60 (HLB=14.9) theo tỉ lệ % nhất định, công thức sẽ là: HLB = (% SPAN 60 × 4.7) + ((100% – % SPAN 60) × 14.9)
Tuy nhiên, trong thực tế, giá trị HLB của các chất nhũ hoá thường sẽ được cung cấp trực tiếp bởi nhà sản xuất. Bạn có thể tìm thông tin này trong bảng dữ liệu kỹ thuật (TDS – Technical Data Sheet) hoặc chứng nhận phân tích (COA – Certificate of Analysis) của sản phẩm chất nhũ hóa.
Công dụng của việc xác định chỉ số HLB của chất nhũ hoá
Vệc xác định giá trị HLB trong thực phẩm mang lại nhiều công dụng quan trọng, giúp tạo ra các sản phẩm ổn định và đồng nhất. Dưới đây là một số công dụng chính của việc xác định giá trị HLB trong thực phẩm:
- Tạo ra hệ nhũ tương ổn định: Xác định giá trị HLB giúp lựa chọn chất nhũ hóa phù hợp để tạo ra các nhũ tương dầu trong nước (O/W) hoặc nước trong dầu (W/O) ổn định. Điều này đảm bảo rằng các thành phần dầu và nước không tách lớp, giúp sản phẩm duy trì kết cấu mong muốn.
- Cải thiện cấu trúc của sản phẩm: Chất nhũ hóa với giá trị HLB phù hợp giúp cải thiện kết cấu của các sản phẩm thực phẩm như kem, sữa chua, và bánh kẹo. Chúng làm tăng độ mịn và độ ẩm của sản phẩm, đồng thời ngăn ngừa sự tách lớp.
- Tăng khả năng bảo quản: Sử dụng chất nhũ hóa với giá trị HLB phù hợp giúp kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm bằng cách ngăn chặn sự phân tách và duy trì độ ổn định của hỗn hợp.
- Tối ưu hoá quy trình sản xuất: Xác định giá trị HLB giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất bằng cách giảm thời gian trộn và tăng hiệu suất của máy móc. Điều này làm giảm chi phí sản xuất và tăng năng suất.
Ứng dụng HLB trong thực phẩm
Nhũ tương dầu trong nước (O/W)
Mayonnaise: Đây là một ví dụ điển hình về nhũ tương dầu trong nước. Chất nhũ hóa như lecithin hoặc polysorbate được sử dụng để tạo ra một hỗn hợp ổn định giữa dầu và nước. Giá trị HLB của các chất nhũ hóa này thường cao hơn 8 để đảm bảo dầu được phân tán đều trong nước. Tạo nhũ tương rất mịn, đặc, và ổn định, không bị tách lớp dầu theo thời gian. Mayonnaise cần có độ nhớt cao và giữ được cấu trúc kem đặc trưng.
Sữa: Trong sản xuất sữa, Sữa tươi vốn đã chứa các chất nhũ hóa tự nhiên như casein giúp ổn định hệ thống nhũ tương dầu trong nước bằng cách tạo lớp vỏ bảo vệ xung quanh giọt chất béo, để đảm bảo rằng các giọt dầu được phân tán đều trong môi trường nước. Vốn là một loại nhũ tương tự nhiên ổn định, giữ cho chất béo sữa phân tán đều, tạo độ đồng nhất và cảm quan mịn màng.
Kem: Kem là một sản phẩm khác dựa vào chất nhũ hóa để duy trì kết cấu và tính nhất quán. Kem có hàm lượng chất béo cao hơn cả sữa nên cần chất nhũ hoá hiệu quả hơn để ổn định. Các chất nhũ hóa được sử dụng để ổn định hỗn hợp, tạo nhũ tương đậm đặc, mịn màng, có độ nhớt cao và khả năng giữ khí tốt (đặc biệt trong kem tươi đánh bông). Ngăn chặn sự tách lớp chất béo và hiện tượng “buttering” (tạo thành hạt bơ).
Nhũ tương nước trong dầu (W/O)
Bơ: Bơ là một chất nhũ hoá có giá trị HLB thấp (dưới 6) được sử dụng để tạo ra hệ thống nhũ tương nước trong dầu, giúp nước được giữ trong dầu một cách ổn định. Duy trì nhũ tương ổn định, ngăn chặn sự tách nước và giữ được cấu trúc đặc trưng của bơ
Margarine (Bơ thực vật): Tương tự như bơ, margarine cũng là một loại nhũ tương nước trong dầu. Chúng được dùng để duy trì cấu trúc cũng như độ ổn định của sản phẩm. Giúp tạo nhũ tương mịn, dẻo, có độ cứng phù hợp, và ổn định ở nhiệt độ phòng và trong quá trình bảo quản. Margarine cần có khả năng giữ nước tốt và không bị tách dầu.
Các lưu ý về chỉ số HLB trong thực phẩm
HLB là chỉ số thể hiện đặc tính của chất nhũ hoá: HLB giúp chúng ta lựa chọn chất nhũ hoá phù hợp cho hệ nhũ tương của thực phẩm cụ thể như O/W hoặc W/O, để đạt được độ ổn định mong muốn. Vì vậy, tuyệt đối không có khái niệm “Chỉ số HLB của thực phẩm”.
Lựa chọn chất nhũ hoá phù hợp: Chất nhũ hóa có giá trị HLB từ 11 đến 15 thường được sử dụng để tạo ra nhũ tương dầu trong nước (O/W), trong khi giá trị HLB từ 4 đến 9 phù hợp cho nhũ tương nước trong dầu (W/O). Vì vậy, cần lựa chọn chất nhũ hóa với giá trị HLB phù hợp giúp tạo ra các sản phẩm ổn định như mayonnaise, kem, và sữa chua.
Giá trị RHLB (HLB cần thiết) chỉ mang tính tham khảo: Các giá trị HLB được cung cấp chỉ nên tham khảo. Thực tế, một sản phẩm khi được tối ưu cần phải kết hợp nhiều yếu tố chi tiết như thành phần, tỉ lệ các chất, quy trình cũng như điều kiện sản xuất để đo lường và đánh giá tiêu chí chất lượng sản phẩm cuối cùng. Để xác định chính xác chất nhũ hóa hoặc hỗn hợp tối ưu, cần phải thử nghiệm nhiều lần, với thành phần cũng như quy trình sản xuất, sau đó đánh giá theo thời gian và lựa chọn công thức tối ưu nhất.
An toàn thực phẩm: Tuyệt đối chỉ dùng chất nhũ hóa đã được phê duyệt bởi các cơ quan quản lý thực phẩm uy tín (Bộ Y Tế, FDA, EFSA…). Sử dụng chất nhũ hóa đúng liều lượng quy định, không vượt quá giới hạn cho phép trong từng loại thực phẩm.
Kết luận
Chỉ số HLB là một công cụ vô cùng hữu ích để định hướng lựa chọn chất nhũ hóa trong thực phẩm. Để ứng dụng HLB thành công, bạn cần kết hợp kiến thức lý thuyết về HLB với sự hiểu biết sâu sắc về hệ thống thực phẩm cụ thể của mình, và đặc biệt là thực hiện các thử nghiệm một cách bài bản và khoa học. Hãy luôn nhớ rằng việc phát triển sản phẩm thực phẩm là một quá trình lặp đi lặp lại và tối ưu hóa liên tục!
