Emulsifiers: Types and Uses

Emulsifiers: Types and Uses
R Miller
, Kansas State University, Manhattan, KS, USA
ã 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.
Introduction
Surfactants, also called surface-active agents, are molecules that
migrate to the interface between two phases (solid, liquid, or
gas). The three most common two-phase systems in food prod-
ucts are emulsions, foams, and dispersions (
Table 1
). Emulsions
are composed of two immiscible liquids. One liquid is dispersed
within the other as individual droplets and is called the discon-
tinuous phase, while the other liquid surrounds the droplets and
is called the continuous phase. The emulsion behaves like the
continuous phase. The typical food emulsions are oil-in-water
(o/w), which consists of discontinuous droplets of oil dispersed
in a continuous water matrix, and water-in-oil (w/o), which is
composed of discontinuous droplets of water dispersed in a
continuous oil matrix. When describing emulsions, the ‘oil’
component may be actual oil or some other ingredient that is
not soluble in water. Examples of o/w emulsions are homoge-
nized milk and ice cream, while common w/o emulsions include
margarine, salad dressing, and mayonnaise. Emulsions can be
formed mechanically by shaking or stirring; however, they are
not stable for long periods of time and will separate into the two
separate components relatively quickly. Emulsifiers are a type of
surfactant that is used to stabilize emulsions.
Types of Emulsifiers
There are many types of emulsifiers. They are classified
according to (1) charge in aqueous systems, (2) solubility,
(3) hydrophilic/lipophilic balance (HLB), and (4) functional
groups that compose them.
Charge in Aqueous Systems
There are four classifications of emulsifiers based on the charge
of the hydrophilic group when it solubilizes in water. They
may be anionic, cationic, nonionic, or amphoteric. Anionic
emulsifiers form negatively charged ions. They are effective in
the neutral to alkaline pH range and are also sensitive to ionic
strength and so do not function well in high salt-containing
systems. The salt shields the negative charges so the anionic
emulsifiers become ineffective and the emulsion breaks down
rapidly. Sodium stearoyl-2-lactylate (SSL) is an example of
an anionic emulsifier. Cationic emulsifiers form positively
charged ions in water and are functional in the acidic pH
range. They are somewhat toxic and so are not used as food
additives. Nonionic emulsifiers have no net charge and form
no ions. They are highly effective and are compatible with all
other types of emulsifiers. They are relatively insensitive to pH
and salt concentrations. Mono- and diglycerides (MDGs) are
nonionic. Amphoteric emulsifiers form both positively and
negatively charged ions when dissolved in water. They are not
affected by pH values except some are not effective near the
isoelectric point (pH at which protein is uncharged). Lecithin
is an amphoteric emulsifier.
Solubility
The solubility of an emulsifier governs the type of emulsion
that will be formed. The phase in which the emulsifier is least
soluble becomes the continuous phase. A key attribute of
emulsifiers is that they are amphiphilic. This means one end
of the molecule is lipophilic and the other end is hydrophilic
(
Figure 1(a)
). The lipophilic end, referred to as the tail, is
usually a long-chain fatty acid taken from a food grade fat or
oil. It is not soluble in water but is soluble in oil and is called
Table 1
Interfaces in food systems
Food system
Continuous phase
Discontinuous phase
Emulsion
Liquid
Liquid
Foam
Liquid
Gas
Dispersion
Liquid
Solid
oil soluble
hydrophilic
polar group
water
oil
oil
water
water soluble