Emulsifiers: Types and Uses

(a)
(b)
(c)
nonpolar
lipophilic
“tail”
“head”
Figure 1
Emulsifier molecules contain a lipophilic ‘tail’ and a hydrophilic ‘head’ (a). Orientation of the emulsifier molecules in water-in-oil (b) and
oil-in-water (c) emulsions.
498
Encyclopedia of Food and Health
http://dx.doi.org/10.1016/B978-0-12-384947-2.00249-X

oil-loving. The hydrophilic end is often referred to as the head
and is polar. Thus, it easily dissolves in water and is termed
water-loving. Emulsifiers that are easily soluble in water (more
hydrophilic) produce o/w emulsions. The emulsifier interacts
strongly with the water, thus reducing the surface tension of
the water so that it approaches zero. The water no longer forms
droplets and becomes the outer (continuous) phase of the emul-
sion, leaving the oil dispersed as discrete droplets (inner or
discontinuous phase) to form an o/w emulsion (
Figure 1(b)
).
Lipophilic emulsifiers are not water-soluble and interact with the
oil phase. As a result, the surface tension of the water is not
significantly reduced so it remains as discrete droplets in the
oil, producing a w/o emulsion (
Figure 1(c)
).
Hydrophilic/Lipophilic Balance
Several methods of classifying emulsifiers are available. The
most commonly used is HLB. HLB is an index of the solubiliz-
ing properties of emulsifiers and indicates the type of emulsion
(o/w or w/o) that the emulsifier is best suited for (
Table 2
).
HLB values can be calculated based on the molecular structure
of the emulsifier or determined empirically. The values range
from 0 to 20, but some emulsifiers have been shown experi-
mentally to have higher values. Emulsifiers with low HLB
values are more oil-soluble (lipophilic), while those with
higher values are more water-soluble (hydrophilic). In general,
emulsifiers with HLB values of 3–6 are lipophilic and best
suited for w/o emulsions. Emulsifiers in this range include
MDGs and propylene glycol monostearate (PGMS). Hydro-
philic emulsifiers with HLB values of 10–18 are best suited
for o/w emulsions. Examples include diacetyl tartaric acid
esters of monoglyceride (DATEMs) and lecithin. The effective-
ness of emulsifiers is affected by processing conditions and
ingredients such as sugar, salt, and protein. It has been reported
that the strength of the interaction is more important than the
number of reactive groups in determining the hydrophilic
properties of emulsifiers. However, HLB can provide an esti-
mate of the hydrophilic nature of various emulsifiers and
serves as a useful guide for classifying and selecting emulsifier
systems. Selecting the ideal emulsifier or combination of emul-
sifiers often requires experimental work.
Functional Groups
Food emulsifiers are created by alcoholysis or direct esterifica-
tion of edible fatty acids taken from animal or vegetable sources
with polyols (i.e., glycerol, propylene glycol, and sorbitol).
Further processing by reaction with ethylene oxide or esterifi-
cation with organic acids produces a wide range of emulsifiers
with differing properties. The most commonly used food emul-
sifiers include MDGs, stearoyl lactylates, sorbitan esters, poly-
glycerol esters, sucrose esters, and lecithin. They find use in a
wide array of food products (
Table 3
).
MDGs are the most commonly used food emulsifiers,
composing about 75% of total emulsifier production. The
largest use is in yeast-raised baked goods to increase shelf
life, followed by cake and cake icings. Another major use is
in margarine manufacture. MDGs are produced by heating
triglycerides and glycerol with an alkaline catalyst. The
Table 2
Hydrophilic/lipophilic balance (HLB) values of common food
emulsifiers
Emulsifier
Abbreviation
HLB
value
Mono- and diglycerides
MDGs
4
Glycerol monolaurate
7
Ethoxylated monoglyceride
EMG
13
Diacetyl tartaric acid esters of
monoglyceride
DATEMs
9
Succinylated monoglyceride
SMG
5
Lactylated monoglyceride
LMG
3
Sodium stearoyl-2-lactylate
SSL
22
Propylene glycol monostearate
PGMS
3
Sorbitan monostearate
6
Sodium stearoyl-2-lactylate
SSL
15
Polysorbate 65
11
Polysorbate 80
15
Sucrose monostearate
5
Calcium stearoyl-2-lactylate
CSL
8
Table 3
Common food emulsifiers and uses
Emulsifier
Food products
Mono- and diglycerides
Bread, cake, pasta, frozen dessert, icing,
topping, peanut butter, margarine,
dehydrated potatoes, shortening, coffee
whitener, and pasta
Glycerol monolaurate
Bread, whipped topping, frosting, glaze,
and cheese products
Ethoxylated
monoglyceride
Bread, whipped topping, icing, frozen
dessert, and coffee whitener
Diacetyl tartaric acid
esters of monoglyceride
Bread, extruded products, icing,
margarine, and salad dressing
Succinylated
monoglyceride
Bread
Calcium stearoyl-2-
lactylate
Bread, egg whites, and dehydrated
potatoes
Sodium stearoyl-2-
lactylate
Bread, pasta, dehydrated potatoes, and
coffee whitener
Propylene glycol esters
Cake, whipped topping, dehydrated
potatoes, and shortening
Sorbitan esters
Whipped topping, cake, cake mix, cocoa,
icing, filling, and coffee whitener
Polysorbate 60
Whipped topping, cake, cake mix, cocoa,
icing, filling, coffee whitener,
shortening, salad dressing, and
edible oil
Polysorbate 65
Ice cream, frozen custard, ice milk,
sherbet, frozen dessert, icing, cake, cake
mix, whipped topping, filling, and coffee
whitener
Polysorbate 80
Ice cream, frozen custard, ice milk,
sherbet, frozen dessert, gelatin mix,
shortening, baked goods, bakery mixes,
filling, icing, topping, and frying oil
Sucrose esters
Bread, bakery mixes, frozen dessert,
whipped milk products, and ice cream
Lecithin
Baked goods, chocolate, cooking spray,
instant foods, and margarine
Emulsifiers: Types and Uses
499

resulting product is a mixture of about 45% monoglycerides,
45% diglycerides, and 10% triglycerides. The monoglyceride
concentration can be increased to about 90% using molecular
distillation to produce distilled monoglycerides. MDGs can
also be processed to produce emulsifiers with various func-
tionalities. Ethoxylated monoglycerides (EMGs) are formed
by treating monoglycerides with ethylene oxide gas. DATEMs
are produced from the reaction of monoglyceride with diacetyl
tartaric acid anhydride. Succinylated monoglycerides (SMGs)
result from the reaction of distilled monoglycerides with suc-
cinic anhydride. Stearoyl lactylates are the reaction products
of stearic acid and lactic acid, which are further converted
into the calcium or sodium salts and become calcium
stearoyl-2-lactylate and SSL. SSL is one of the most common
anionic emulsifiers used in the food industry. Sorbitan mono-
stearate, a sorbitan ester, is produced by reacting sorbitol and
stearic acid. It can then be reacted with ethylene oxide to
produce polyoxyethylene sorbitan monostearate (polysorbate
60), polyoxyethylene sorbitan tristearate (polysorbate 65),
and polyoxyethylene sorbitan monooleate (polysorbate 80).
Polysorbate 60 is the most widely used in the group. Polygly-
cerol esters result from reacting fatty acids with polymerized
glycerol of three to ten molecules. Sucrose esters are derived
from sucrose and edible tallow and consist of the mono-,
di-, and triesters of sucrose with fatty acids. Emulsifiers
that solidify into the stable alpha crystalline form are called
alpha-tending and include acetylated monoglycerides (AMGs),
lactylated monoglycerides (LMGs), and propylene glycerol
monoesters (PGMEs). Lecithin is a mixture of phosphatides
including
phosphatidylcholine,
phosphatidylethanolamine,
and inositol phosphatide. It is a natural component found in
animal and vegetable products. Egg yolk, which contains about
20% phospholipid, is well known for its emulsifying ability. It is
too expensive to isolate lecithin from egg yolk; therefore, most
commercial lecithin is derived from soybeans, which contain
about 2% lecithin. Many other emulsifiers and emulsifier blends
are available for specific applications.
Mechanism of Action in Food Products
An o/w emulsion will be used as an example of how an
emulsion is formed. When water and oil are mixed vigorously
(i.e., whipped, stirred, and shaken), the oil will form into
individual droplets dispersed within the water. The oil droplets
are the discontinuous phase because they are separated by the
water. The water (also referred to as the aqueous phase) is the
continuous phase where each water molecule is touching
another water molecule. Although an emulsion was formed,
it is not stable. Within a short period of time, the oil droplets
will bump into each other, and the two droplets will merge
into a single, larger droplet. This is called coalescence. These
larger oil droplets have less surface area and higher surface
tension. Ultimately, all of the oil droplets will coalesce and
rise out of the water to form into a separate layer floating on
top of the water. The rate at which the oil droplets rise out of
the emulsion is inversely proportional to their size; thus, larger
droplets rise faster than smaller droplets. In the case of a w/o
emulsion, the water is present as individual droplets
(discontinuous phase) within the continuous oil phase. Emul-
sifiers are added to promote emulsion formation and
stabilization.
Emulsifiers do not create emulsions. An emulsion is typi-
cally created using mechanical means such as mixing or stirring.
However, one of the roles of emulsifiers is promoting the
formation of smaller oil droplets during emulsion creation,
which slows the rate of coalescence. When the appropriate
emulsifier is added into the oil and water mixture, the mole-
cules orient at the interface between the water and the oil
droplets. The hydrophilic heads are attracted to the water,
whereas the lipophilic tails are repelled by the water and
attracted to the oil. As a result, the lipophilic tail will react
with the oil droplet, while the hydrophilic head will react
with the water at the surface of the oil droplet; thus, it reacts at
the interface between the two immiscible phases. When this
happens, the surface tension of the oil droplet decreases
considerably, which decreases the surface tension and allows
the droplets to be subdivided into smaller droplets during mix-
ing. The effectiveness of lowering surface tension varies
between different emulsifiers.
The second role of emulsifiers is stabilizing the emulsion
once it has formed. This is the main reason that emulsifiers are
used in food systems. Even though smaller droplets are more
stable, emulsion stabilization by emulsifiers is not directly the
result of their ability to lower interfacial tension and allow for
the creation of smaller droplets. Rather, emulsifiers stabilize
emulsions by accumulating at the interface of the two phases
where they form a barrier that prevents the droplets of the
discontinuous phase from coalescing. The mechanism by
which the barrier forms is determined by the properties of
the emulsifier. One mechanism of stabilization is due to like-
charged particles repelling each other. Anionic emulsifiers
carry negative charges that repel each other to keep the droplets
apart. SSL, SMG, and DATEM are anionic emulsifiers. They are
not highly effective in systems with high salt levels because the
salt shields the charge, which suppresses the repulsive forces
and leads to rapid coalescence and breakdown of the emul-
sion. Although not used in food systems, cationic emulsifiers
carry positive charges that also repel each other to stabilize the
emulsion. In nonfood systems, anionic and cationic emulsi-
fiers should not be used in combination as the opposite
charges would interact, thus rendering the emulsifiers inactive.
Another form of stabilization is employed by emulsifiers that
contain a large hydrophilic portion such as EMG. The large
hydrophilic head holds a large amount of water and creates a
layer of ‘bound’ water around the droplet, which prevents
coalescence. These emulsifiers are not sensitive to salt. Simple
steric hindrance is a third type of stabilization. The emulsifier
forms a solid layer at the interface, which physically prevents
coalescence even if the droplets touch each other. This occurs
in alpha-tending emulsifiers such as PGME.
Food Uses of Emulsifiers
In the food industry, the term ‘emulsifier’ is used generically and
includes surfactants that are not technically classified as emulsi-
fiers. Additives categorized as emulsifiers in the food industry
provide a broad range of functions in a wide range of food
500
Emulsifiers: Types and Uses

products including emulsification, stabilization, antistaling,
crumb softening, foaming, fat crystal modification, mouthfeel,
agglomeration, defoaming, wetting, solubilizing, and stickiness
control. Many food products contain emulsifiers that perform
many different functions (
Table 3
). A few are discussed here.
Dairy Products
Emulsifiers are added to ice cream to shorten the freezing time,
improve whipping, and produce a dry, stiff texture that melts
slowly. The ice cream mix is an o/w emulsion. Emulsifiers stabi-
lize the emulsion and prevent the fat globules from agglomerat-
ing in the mix. When the mix is churned into ice cream, the
emulsifiers function to destabilize the natural milk protein film
that surrounds the milk fat globules so they can surround the air
bubbles and stabilize into a frozen foam. MDGs, sucrose esters,
and polysorbates are commonly used in ice cream.
Nondairy whipped toppings are whipped cream replacers
made using vegetable fats. They may be frozen or in pressur-
ized cans. In these products, emulsifiers are added as destabi-
lizers to promote aeration. In this role, the emulsifier causes
the fat globules to agglomerate during whipping. This is done
to create a fat network in the continuous aqueous phase, which
stabilizes the air bubbles and imparts stiffness to the foam.
Polysorbate 60 and alpha-tending emulsifiers such as LMG and
propylene glycol monoesters are commonly used in the pro-
duction of commercial nondairy whipped toppings.
Coffee whiteners are liquid or powdered cream replacers.
Emulsifiers are added to improve their dispersion in hot coffee.
Typical emulsifiers used include distilled monoglycerides,
DATEM, polysorbate 60, and sorbitan monostearate.
Salad Dressings
Mayonnaise is an o/w emulsion that contains at least 65%
vegetable oil. The emulsion is stabilized by the high level of
lecithin in the egg yolk. FDA standards of identity do not allow
the addition of other emulsifiers.
Pourable salad dressings are w/o emulsions that contain at
least 30% vegetable oil. Typically, consumers shake the bottle to
form the emulsion before pouring the dressing over their salad.
Polysorbates and DATEMs are commonly used to enhance emul-
sification when the bottle is shaken.
Margarine
Margarine is a w/o emulsion containing about 80% fat. It is
usually made with MDGs of long-chain fatty acids and lecithin.
The MDGs promote the formation of the emulsion, while the
lecithin is added to increase the solubility of the MDGs in the
oil blend. Distilled monoglycerides with a high concentration
of unsaturated fatty acids and lecithin are used in low-calorie
spreads, which are also w/o emulsions that contain at least
50% water and 40% fat.
Shortening
Shortening consists of a fat blend that contains emulsifiers.
All-purpose shortenings contain about 1% distilled monoglyc-
erides. High-ratio or emulsified shortenings, for use in cakes
where the levels of sugar and liquid are present at higher levels
than the flour, contain several emulsifiers including distilled
monoglycerides, LMG, and PGME. These shortenings allow
better air incorporation during mixing and bind more sugar
and water.
Pasta
SSL and distilled monoglycerides are added into pasta products
to aid in extrusion. They are also used in pasta for soups or
canned products to reduce stickiness and improve the texture
of the cooked product.
Baked Products
In the baking industry, the term ‘emulsifier’ is used to describe
a broader group of surfactants, which includes those that are
active in foams (air-in-water) and dispersions (liquid-in-solid)
and in emulsions (liquid-in-liquid). Thus, the term emulsifiers
will be used in this section to encompass the common surfac-
tants used in baked products.
Doughs and batters are complex systems that contain mul-
tiple interfacial interactions that occur simultaneously, some of
which change forms as the products are heated. Emulsifiers
play many different roles in these products. Most batters and
doughs contain a polar, continuous phase that consists of an
aqueous (water) solution of salts, sugars, water-soluble pro-
teins, and other solubilized formula ingredients, which can be
a component of an emulsion, a foam, and a dispersion simul-
taneously in a single batter or dough. For example, the contin-
uous aqueous phase may form an emulsion in which a lipid in
some form (oil or solid fat) constitutes the nonpolar, discon-
tinuous phase. It may be the continuous phase in an emulsion
with a nonpolar, discontinuous polar discontinuous phase of
lipid in some form (oil or solid fat). Almost all batters and
doughs contain a foam of the continuous aqueous phase with
a discontinuous phase of air bubbles, which are incorporated
during mixing. Furthermore, the continuous aqueous phase
makes a dispersion with the insoluble formula ingredients,
which include the starch and gluten in the flour.
In cake batters, distilled monoglycerides and alpha-tending
emulsifiers such as AMG and PGMS function as aerating agents
to speed up the whipping rate and facilitate the incorporation
of many small air cells. This leads to a more stable emulsion
and results in a cake with a larger volume and fine, uniform
crumb grain. Alpha-tending emulsifiers are critical in cakes
made using a one-stage mixing procedure or prepared from
boxed cake mixes where liquid shortening or oil is used
because they form a solid film at the oil–water interface,
which stabilizes the emulsion and also keeps the liquid oil
from breaking the emulsion or foam that is prepared during
mixing.
Emulsifiers used in yeast-leavened bread products are also
active in the solid–liquid interface (dispersion) where they
function as crumb softeners and dough strengtheners. As
crumb softeners, they interact with starch granules and gluten
protein polymers to impart a softening effect on the crumb
grain and extend the shelf life of the product. Monoglycerides
are the primary crumb softener used in bread. Other common
crumb softeners include DATEM, sucrose esters, and PGMS.
Emulsifiers: Types and Uses
501

Dough strengtheners interact with the gluten protein and alter
the rheology of the dough to produce a stronger gluten struc-
ture. Anionic emulsifiers such as DATEM, SSL, SMG, EMG, and
polysorbates are good dough strengtheners. Some of the emul-
sifiers used in baking have only one or the other of the
functionalities, while others have both. For example, SSL func-
tions mainly as a dough strengthener, but it also plays a minor
role promoting the emulsification, incorporation, and subdi-
vision of air cells during mixing and crumb softening.
See also:
Aeromonas
;
Bread: Chemistry of Baking
;
Food Additives:
Classification, Uses and Regulation
;
Rheological Properties of Food
Materials
;
Stabilizers: Types and Function
;
Triacylglycerols: Structures
and Properties
.
Further Reading
Norm V (2015) Emulsifiers in food technology, 2nd ed. Oxford: Blackwell.
Pomeranz Y (1991) Additives. In: Pomeranz Y (ed.) Functional properties of food
components, 2nd ed., pp. 339–367. San Diego, CA: Academic Press.
Schuster G and Adams WF (1984) Emulsifiers as additives in bread and fine baked
products. In: Pomeranz Y (ed.) Advances in cereal science and technology, vol. VI,
pp. 139–287. St. Paul, MN: AACC.
Stauffer CE (1990) Emulsifiers and dough strengtheners. In: Stauffer CE (ed.)
Functional additives for bakery foods, pp. 69–124. New York: AVI.
Stauffer CE (1999) Emulsifiers. St. Paul, MN: AACC International, Inc.
Relevant Websites
www.emulsifiers.org
– European Food Emulsifiers Manufacturers Association (EFEMA).
www.faia.org.uk
– Food Additives and Ingredients Association (FAIA).
502
Emulsifiers: Types and Uses