HLB

왜 배우는가: 친수친유균형은 계면활성제와 유화제를 고르는 가장 기본적인 수치 기준이며, 식품의 에멀션 설계에서 계속 쓰인다. 시험에서는 정의와 범위별 용도를 묻는 문제로 여러 회차에 걸쳐 나왔으므로, 정의 식과 구간을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제119회 3교시 4번, 제101회 1교시 13번, 제90회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에는 다음 정의를 쓴다.

친수친유균형(HLB)은 계면활성제 분자의 친수성과 친유성의 상대적 세기를 0~20 척도로 나타낸 값이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 친수친유균형(HLB): 계면활성제의 친수성 정도와 친유성 정도를 하나의 수치로 나타낸 값이다. 값이 클수록 물에 잘 섞이는 성질이 강하다.
• 계면활성제: 한 분자 안에 물에 끌리는 부분과 기름에 끌리는 부분을 함께 가진 물질이다.
• 친수성기: 물과 수소결합이나 이온 작용으로 잘 섞이는 분자 부분이다. 극성이 큰 작용기와 폴리옥시에틸렌 사슬이 여기에 해당한다.
• 친유성기: 기름과 잘 섞이는 긴 탄화수소 사슬 부분이다.
• 유화제: 기름과 물을 섞어 안정한 에멀션을 만드는 계면활성제이며, 식품에서는 식품 유화제로 쓰인다.
• 그리핀식: 비이온성 계면활성제의 HLB 값을 분자량 비율로 계산하는 식이다.
• 유중수적형(W/O): 기름이 연속상이고 물방울이 흩어져 있는 에멀션이다.
• 수중유적형(O/W): 물이 연속상이고 기름방울이 흩어져 있는 에멀션이다.

2. 개념 풀이

친수친유균형은 계면활성제 분자에서 친수성과 친유성이 차지하는 상대적 크기를 수치로 정량화한 척도이다. 정식 정의는 분자 전체 질량 가운데 친수성 부분이 차지하는 질량 비율을 20배 한 값이며, 비이온성 계면활성제에는 다음 식을 쓴다.

$HLB = 20 \times \frac{M_h}{M}$

여기서 M_h는 분자의 친수성 부분의 분자량(g/mol), M은 분자 전체의 분자량(g/mol)이다. 질량 비율은 0과 1 사이에 있으므로 계산 결과는 0~20 척도 안에 놓인다.

완전히 친유성인 분자는 친수성 부분이 없어서 값이 0이 되고, 완전히 친수성인 분자는 값이 20이 된다. 실제 계면활성제는 이 두 극단 사이에 있으므로 값의 크기로 분자의 성질을 짐작할 수 있다. 값이 10 이하이면 지용성(소수성)이고, 10 이상이면 수용성 쪽에 가깝다.

HLB 값이 클수록 친수성이 강하고 작을수록 친유성이 강하다.

친수성 부분은 대개 폴리옥시에틸렌 사슬이며, 사슬이 길수록 친수성 질량이 커져 HLB 값이 높아진다. 반대로 탄화수소 사슬이 길면 친유성이 강해져 값이 낮아진다. 같은 계열의 계면활성제라도 사슬 길이를 바꾸면 HLB 값이 달라지므로, 식품 유화제의 HLB 값을 조절하는 원리가 여기에 있다.

친수성은 물과 섞이는 성질이고, 친유성은 기름과 섞이는 성질이다. 두 성질을 함께 가진 분자는 기름과 물의 계면에 흡착하여 계면장력을 낮추고, 그 결과 에멀션이 안정된다. 이 원리가 유화의 바탕이다.

그리핀식은 비이온성 계면활성제에 적용하는 식이다. 이온성 계면활성제는 전하의 영향이 더해져 그리핀식만으로 성질을 설명하기 어렵다. HLB 계산법은 그리핀식 외에도 제시되었으며, 1957년 데이비스의 방법이 대표적이다. 답안에서는 그리핀식을 기준으로 정의와 범위를 서술하는 것이 일반적이다.

3. 등장 배경과 필요성

계면활성제는 기름과 물이 섞이지 않는 문제를 해결하려고 쓰인다. 식품에서는 마요네즈, 마가린, 아이스크림처럼 물과 기름이 함께 들어간 제품이 많아 계면활성제가 필수적이다. 그런데 계면활성제는 물에 잘 녹는 것과 기름에 잘 녹는 것으로 나뉘어, 제품에 맞는 유화제를 고르는 기준이 필요해졌다.

이 선택의 기준을 수치로 만든 것이 친수친유균형이다. 그리핀은 1949년과 1954년에 걸쳐 계면활성제의 친수성 정도를 분자량 비율로 나타내는 방법을 발표했고, 1957년에는 데이비스가 다른 계산 방법을 제시했다. 이후 HLB 값은 유화제를 고르는 1차 기준으로 널리 쓰이게 되었다.

에멀션의 종류가 유화제의 용해성에 따라 정해진다는 뱅크로프트 법칙도 이 필요성을 뒷받침한다. 연속상에 더 잘 녹는 유화제가 그 상을 연속상으로 만드는 방향으로 작용한다는 관찰이다. HLB는 이 성질을 수치로 비교하는 지표이다.

낮은 HLB 값은 기름에 잘 녹아 유중수적형에 맞고, 높은 값은 물에 잘 녹아 수중유적형에 맞다. 예를 들어 높은 HLB 값의 폴리소르베이트 80은 아이스크림과 휘핑토핑에서 지방 응집을 조절하는 데 쓰이고, 낮은 값의 유화제는 마가린 같은 유중수적형 제품에 쓰인다. 이처럼 HLB는 유화 방식과 제품군을 잇는 출발점이 된다.