乳化劑：護膚妝品的藝術與科學

一、護膚妝品乳化的基本概念

你知道你日常所用的皮膚護理、保養、與化妝品中，主要成分是什麼嗎？雖然這些產品都會含有其所標榜的有效成分，例如美白、保濕、抗老、抗痘、防曬、粉刺代謝等等的成分，但這些有效成分其實往往含量都是產品中最低的。因為含量最高的成分通常是水或其他溶劑、以及【界面活性劑/乳化劑】。事實上，只要其配方中是含有水，通常都少不了使用界面活性劑！

我們平時聽到的乳化劑 Emulsifier，也是屬於界面活性劑 Surfactant 的一員，換句話說，乳化劑也就是界面活性劑。只是在護膚妝品業界，往往會將界面活性劑按其應用領域分為三個部分，其一是作為清潔劑，其二是作為增溶劑，其三是作為乳化劑。那麼，什麼是乳化劑呢？

什麼是乳化劑？

眾所周知，油和水是不互溶的。簡單來說，只要是以水作為主要溶劑的產品，都需要透過乳化劑將水與其他的成分包括油互溶，形成乳化液，而這個互溶的過程，叫做乳化作用。不只是使油水互溶，任何彼此不互溶的成分，也需要靠乳化劑才能使他們穩定地溶合在一起，這樣產品才不會出現油水分離的情況。

如果想了解乳化劑如何把本來不相溶的物質，溶合在一起，這樣我們得先了解物質分子間影響彼此的作用力。雖然這些作用力可能比較難明，但是認識了解過後，對於後面要明白乳化劑的分類，以及選擇合適的乳化劑，是相當重要的。物質分子間的作用力 Intermolecular Forces 主要分為兩大類，一類是范德華力 Van der Waals Forces，另一類是次級鍵 Secondary Bond (例如氫鍵 Hydrogen Bond)。而界面活性劑所及涉的是范德華力和氫鍵，以下我們只針對范德華力和氫鍵作簡單介紹。

二、物質分子間的作用力

(一) 偶極偶極作用力 (取向力) Dipole-Dipole Forces

很多物質分子往往是帶有永久極性的，這是由於分子中的電荷分佈是不均勻的。它會有一端帶有部分正電，另一端帶有部分負電，我們稱之為極性分子，極性分子的偶極是永久存在的，如下圖。若兩個正端或負端相遇，會產生同極相斥的現象。相反，若一個正端和一個負端相遇，則會產生異極相吸的現象。這樣互相排斥和互相吸引的力，就是偶極偶極作用力 Dipole-Dipole Forces。

(二) 偶極誘發偶極作用力 (誘導力) Dipole-Induced Dipole Forces

也有一些物質分子本身是不帶極性的，這是因為非極性分子本身的電子雲分佈是均勻的，我們稱之為非極性分子。當一個極性分子與非極性分子互相靠近時，極性分子的永久偶極所形成的正負電荷端會極化鄰近的非極性分子，導致非極性分子發生暫時性的電子雲分佈不均現象，使到非極性分子產生臨時性的偶極，形成正負端，此兩個正負端之間的靜電吸引力就是偶極誘導偶極作用力Dipole-Induced Dipole Forces 。

(三) 非極性分子作用力 (倫敦分散力) London Forces

也有一些物質分子本身是不帶極性的，所以非極性分子之間沒有偶極偶極作用力來互相排斥或互相吸引。非極性分子本身的電子雲分佈是均勻的，以下圖。但當兩個非極性分子相遇時，由於帶負電荷的電子雲互相排斥，導致分子發生暫時性的電子雲分佈不均。這樣，非極性分子之間就可以出現相斥或相吸的力，這樣的分子間作用力我們稱之為倫敦分散力 London Forces。由於倫敦分散力是因為分子與分子的接觸而產生的，也就是說分子與分子之間的接觸面積越大，其倫敦分散力就會越大。

(四) 氫鍵 Hydrogen Bond

在某些特殊的物質分子中，例如水分子 H2O，存在著氫鍵，這是一種永久偶極性的分子間作用力。氫鍵會出現在已經以共價鍵及其他原子鍵結合的氫原子，以及另一附近的原子之間，一般以X-H . . . Y 來表示，當中的. . . 就是代表分子間的氫鍵。這時候，分子中的氫原子帶有部分正電，會與另一附近帶有部分負電的分子相互吸引。例如在水分子中，氧分子帶有部分負電，就會與帶有部分正電的氫分子相互吸引，產生氫鍵。由於氫鍵是分子間作用力中輕強的存在，所以能夠產生氫鍵的物質，一般會有輕高熔點和沸點，其黏度亦較大。水分子 H2O 之所以有較高的表面張力，亦是這個原因。

按作用力強度排行的話，以氫鍵最強，其次是偶極偶極作用力，偶極誘發偶極作用力，和倫敦分散力是最弱的。

三、界面活性劑/乳化劑的作用

了解完分子間的作用力後，你就會很容易明白為何水和油不混溶，以及如何能夠讓水和油相溶在一起。因為水分子H2O 是由兩個氫氧共價鍵組成的，同時這兩個氫氧鍵之間存在夾角，所以水分子是帶有很強極性的極性分子，能夠與相鄰的水分子相互吸引並結合，產生穩定的氫鍵，從而形成較強的表面張力。相反，油是非極性分子，油分子之間主要依靠倫敦分散力來相互吸引。以上有提到，氫鍵要比起倫敦分散力強很多，所以油分子無法拆散水分子，最終水分子會吸引到了一起，把油分子分離出來。油的密度較水為低，所以當油分子分離後，會浮在水的上方。

界面活性劑 Surfactant 顧名思義，能夠使物質的界面活化，從而令不同的物質可以相互溶合。你可以把界面活性劑想像成蝌蚪，有一個圓頭和一條長長的尾巴，因為大部分界面活性劑都是長直鏈分子，一端是親水的極性基團(頭)，另一端為親油的非極性基團(尾)。正是因為界面活性劑這樣的結構，讓他有了兩親性，一端可以溶於水，另一端可以溶於油。當油水混合物加入界面活性劑後，界面活性劑的親水端溶於水中，親油端則溶於油中，從而破壞兩者的表面張力，經過攪拌混合後，就會形成像牛奶般的乳狀液，或稱之為乳化液 Emulsion，而混合的過程則叫乳化作用 Emulsification。這也就是市面售賣的護膚品、化妝品、乳霜、膏霜、洗髮露等日常生活用品的製造過程。使用不同的界面活性劑，乳化之後得到的劑型也會有所不同，例如有稠乳狀的、水乳狀的等等，產品配方中還會添加入不同的增稠劑來調節其厚度和提高使用感。

四、乳化的型態種類

以上講到乳化劑 Emulsifier 能夠將原本不相溶的物質混合乳化，最常見的就是將水和油混合，形成乳狀液。我們平時使用的柔滑乳霜、潤膚乳液、膏霜、沐浴露，洗頭乳液等等，都是水和油混合的產物，都會需要使用到乳化劑。而乳化劑的型態，可以分為兩大類﹕油包水型 (Water in Oil, W/O)，及水包油型 (Oil in Water, O/W)。

油包水型 (Water in Oil, W/O) 的乳化液，也就是水分子被油分子包裹著，使到水在油中散開。注意這裡所說的水，不單單指水，而是指水相物質，只要是能輕鬆溶於水中的都可以叫做水相物質，例如甘油、三仙膠、維他命原B5等等，都是水相物質。這裡所說的油，同樣不單單指油，而是指油相物質，只要是能輕鬆溶於水中的都可以叫做油相物質，例如蜂臘、植物油、維他命原E等等。油包水型中的油相總量一般要比水相總量多，油相總量可以在60% ~ 90% 範圍，其餘為水相及乳化劑。油包水型乳化劑的選擇需要是親油力強，HLB 值一般落在 2 ~ 8 之間， 而且多為屬於陽離子和非離子表面活性劑。

水包油型 (Oil in Water, O/W) 的乳化液則相反，是水相分子被油相分子包裹著，使到水相物質在油相物質中散開。水包油型中的水相總量一般要比油相總量多，水相總量可以在60% ~ 90% 範圍，其餘為油相及乳化劑。水包油型乳化劑的選擇需要是親水力強，HLB 值一般落在 8 ~ 18 之間，而且多為屬於陰離子和非離子表面活性劑。

那麼，界面活性劑要如何正確選擇呢？這裡又需要科普一下，因為你需要用到 HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) 這個親水親油平衡值。

五、HLB和乳化劑選擇

HLB (Hydrophilic-Lipophilic Balance) 指的是親水親油平衡值，它是於1949 年由格里芬(Griffin, William C.) 所提出的，主要用來針對非離子型乳化體系，並且一直發展應用至今。當時 HLB 值是一個由 0 至 20 之間的值，最小值是 0 ，最大值是 20，適用於非離子表面活性劑。 HLB 值為 0 對應的是完全親油性的乳化劑分子，也即是由飽和烷烴基組成的石蠟。而 HLB 值為 20 對應的則是完全親水性的乳化劑分子，也即是由親水性氧乙烯基組成的聚氧乙烯。 HLB 值的大小決定乳化劑的親水性能或親油性能，進而影響了乳化劑的乳化效果和形成乳液的穩定性， HLB 值是選擇乳化劑的關鍵因素。油包水型乳化劑 (親油性) 的 HLB 值一般落在 3 ~ 8 之間，而水包油型乳化劑 (親水性) 的 HLB 值 一般落在 8 ~ 18 之間。

後來戴維斯(Davies, J.T.) 於1957 年把 HLB 值計算應用擴展到離子表面活性劑，考慮到其親水結構而獲得更大的 HLB 值，使 HLB 最大值擴展到了 40，例如月桂醇硫酸鈉Sodium Lauryl Sulfate (俗稱SLS) 的 HLB 值則為最大的 40。這是為何 HLB 值會出現大於 20 原因，亦讓到新型的離子表面活性劑也可透過 HLB 值計算平衡值

計算乳化劑HLB值的方法

你可以把乳化劑想像成蝌蚪，有一個圓頭和一條長長的尾巴，因為大部分界面活性劑都是長直鏈分子，一端是親水的極性基團(頭)，另一端為親油的非極性基團(尾)。 HLB 值就是通過乳化劑分子中親水基團和親油基團的數量，以及其對分子親水及親油程度影響程度來計算的值。具體的計算方法有很多，包括 Davies 戴維斯法和 Griffin 格里芬法等等。亦可以用測量方法得出 HLB 值，例如極譜法、介電常數法、溶解參數法等等。不同的方法都有其優缺點，我們需要根據實際情況來選擇適合的計算和測量方法。

HLB值的應用

製作乳化液時，首先我們需要找出被乳化的油相所需的 HLB 值 (Required HLB Value)。因為當表面活性劑的 HLB 值，與油相物質所需的 HLB 值相同時，製作出來的乳液穩定性就最好。油相中的每種親油性成分，都具有其自身所需的 HLB。這些所需的HLB 值都是通過實驗來確定的，而且油相中各項的所需HLB 值都具有加成性，可以用這公式計算：Required HLB = (Required HLBa x a%) + (Required HLBb x b%) + ( . . .。但要注意這個加成性算法，一般只適用於非離子型乳化體系。

我們很常見到人們會把低 HLB 值和高 HLB 值的乳化劑混合使用，因為這樣混合時，在水相和油相界面上會形成複合物，從而獲得更緊密的排列，所以乳化效果具有較高的強度，從而能很好地增加乳狀液的穩定性。混合使用表面活性劑時，其得出的 HLB 值具有加和性，可以用這公式計算：HLB = (HLBa x a%) + (HLBb x b%) + ( . . . 。但要注意這個加成性算法，一般只適用於非離子型乳化體系。

實際配方應用上，單單以理論計算來選擇和混合乳化劑來達至合適的 HLB 值，並不能保證可以得出穩定的乳化液。因為配方中其他成分的交互影響，例如電解質、pH 值、物質的溶解度等等，以及操作手法，例如水入油相、油入水相、冷操作、或熱操作等等，都會影響乳化液的穩定性。所以理論計算只能作為參考，我們必需再加以測試、實驗驗證、與配方調整，才可以得出穩定的乳化液。

六、乳化劑的分類 - 非離子型乳化劑

乳化劑可以根據其化學結構和性質進行分類。主要有離子型乳化劑和非離子型乳化劑兩大類。

非離子型乳化劑則是指那些在水溶液中不產生帶電離子的乳化劑，如聚氧乙烯型、聚醚型、酯型和酰胺型等。這類乳化劑的優點是較溫和，對皮膚無刺激性，但是其乳化效果相對較弱。非離子表面活性劑按照親水基的結構可以分為聚氧乙烯類、多元醇類、烷醇酰胺類、聚醚類、氧化胺類等。常用的 TWEEN SPAN 吐溫司班系列乳化劑就是屬於聚氧乙烯類。多元醇類則有例如甘油、和天然玉米源的 1,3-丙二醇。

TWEEN SPAN 吐溫司班系列

吐溫 TWEEN，和司班 SPAN，是一系列的非離子型乳化劑，都是淺琥珀色粘稠液狀液體，易生物降解，無毒無嗅，經常被用到食品及妝品配方當中。吐溫 TWEEN，又名聚氧乙烯失水山梨醇脂肪酸酯，簡稱聚山梨醇酯 Polysorbate。司班 SPAN，又名失水山梨醇脂肪酸酯，簡稱山梨醇酯 Sorbitan。簡單來說，吐溫是親水性的，易溶於水，為水包油 (O/W) 型乳化劑。而司盤是親油性的，易溶於油，為油包水 (W/O) 型乳化劑。

對應型號的吐溫比司班多聚氧乙烯鏈，和相應型號的司盤又有相同的結構，很多時候會作為混合配伍使用。例如有吐溫 TWEEN 20、吐溫 TWEEN 40、吐溫 TWEEN 60、吐溫 TWEEN 80、司班 SPAN 20、司班 SPAN 40、司班 SPAN 60、司班 SPAN 80，根據不同的需要來選用。由於這個吐溫司班系列所包含的 HLB 值範圍廣，有從司班 SPAN 80 的 HLB 4.3 至吐溫 TWEEN 80 的 HLB 15.0 選擇，加上非離子乳化劑的 HLB 值具有加成性，使得這個吐溫司班系列乳化劑非常容易應用，可輕鬆配製各種所需 HLB 的乳化液。

天然葡萄糖起泡劑 MYDOL-10 APG 50%

日本花王出產的 MYDOL-10，是一款葡萄糖起泡劑 Decyl Glucoside APG ，其活性成份為癸基葡萄糖甘，是一款溫和的新型非離子型表面活性劑。其源料來自於玉米、馬鈴薯等天然植物澱粉萃取，可生物降解，對環境及皮膚安全。其活性成份濃度大於 50％，易溶於水。由於其 pH 值較高達 10 (5％溶液時)，所以產品最後要用檸檬酸調節至 pH 5~6，才可使用。使用溫度以 25~40℃ 較佳，而且有優良之耐鹼性，可與各種型態的界面活性劑配伍使用，更能增加陽離子聚合物的加溶性，適用於洗髮水，泡泡浴，清潔乳液，洗手液，嬰兒用品，敏感肌膚等各低刺激性清潔製品。具極佳的清潔力與起泡性，刺激性非常低。

七、乳化劑的分類 - 離子型乳化劑

離子型乳化劑是指那些在水溶液中能夠離解產生帶電離子的乳化劑，仔細再分為陽離子型乳化劑、陰離子型乳化劑，以及兩性離子型乳化劑等。這類乳化劑的優點是乳化效果好，但是對皮膚可能有較明顯的刺激性，使用上需要注意控制分量，不能過量使用。

天然椰子油起泡劑 CAPB 35%

此椰子油起泡劑 (椰油醯胺丙基甜菜鹼 CAPB) 萃取自天然椰子油, 有效濃度為 35%。這是一種非常溫和的兩性離子界面活性劑，結構上同時含有陰陽離子基。所以在鹼性環境下具有陰離子界面活性劑的特性，相反在酸性環境下又具有陽離子界面活性劑的特性。而在中性環境下則有增稠、穩定泡沫的功能。由於它有非常好之清潔及調理作用，亦具抗靜電功能，而其低刺激性，及起泡佳特性，適合用來製作各式溫和的潔面乳、沐浴露、洗髮水等清潔製品。

椰油酰甘氨酸鉀 Potassium Cocoyl Glycinate 30%

氨基酸起泡劑 (Potassium Cocoyl Glycinate) 是氨基酸系的界面活性劑，源料自天然椰子油、棕櫚仁油、和發酵糖等製造而成。由日本進口 (型號 Amilite GCK-12K)。本身為弱酸性陰離子界面活性劑，不刺激皮膚和眼睛，對皮膚非常溫和，可以不需顧慮對皮膚有害。易吸附於皮膚表面，延緩皮膚水分的蒸發。因此，很適合配製皮膚清潔劑，使用過後肌膚十分柔爽、舒適、不緊繃。

八、乳化劑在化妝品中的應用

乳化劑在個人護理及妝品中的應用非常廣泛，幾乎所有的乳霜、乳液、膏霜、沐浴露、洗髮水等，都需要添加適量的乳化劑。

化妝品中乳化劑的選擇

在選擇個人護理及妝品中的乳化劑時，除了要考慮乳化劑的乳化效果和穩定性，還要考慮其對皮膚的安全性和溫和性，乳液的顏色、外觀、觸感、和持久性等因素。穩定性的評估主要看乳液在存儲過程中是否會發生分層、沉澱、凝固、變色等現象。通過 HLB 值計算，再透過測試、實驗驗證、與配方調整，就可以準確地選擇出適合特定化妝品配方的乳化劑。

另外，配合不同的個人護理及妝品需求，選擇有特殊功效的乳化劑。例如在洗化乳液，為了防止洗髮後的靜電和毛躁問題，選擇帶正電極的陽離子界面活性劑，可以讓洗髮後髮絲更順滑有光澤。在製作洗面乳、沐浴乳時，選用陰離子界面活性劑，且 HLB 值高於 11 的起泡性界面活性劑，則可以有豐富起泡力與去脂力，獲得更佳的深層清潔效能。而如果是美妝護膚品、卸妝類產品，因為會較長時間停留於皮膚上，選擇更溫和不刺激的非離子界面活性劑。

化妝品中乳化劑的使用

在製備化妝品時，乳化劑通常需要與其他成分一起加熱到一定的溫度，然後在攪拌下加入到其他成分中，形成穩定的乳液。乳化劑的使用量一般在化妝品總重量的 1% ~ 10% 之間。

九、乳化劑的未來發展趨勢

隨著科技的發展和人們對生活品質的提高，乳化劑的發展趨勢主要表現在以下幾個方面：

天然和環保的乳化劑

隨著人們環保意識的提高，越來越多的乳化劑開始向天然和環保方向發展。這些乳化劑通常來源於植物或微生物，如天然植物蠟、天然甘油酯等。

功能性乳化劑

功能性乳化劑是指那些除了具有乳化作用外，還具有其他功能的乳化劑，如抗氧化、抗菌、防曬等。

乳化劑的新型製備技術

隨著科技的進步和人們對生活品質的提高和人們對生活品質的提高，乳化劑的製備技術也在不斷進步，如超臨界流體技術、微波技術、微乳化技術等，這些新型製備技術不僅可以提高乳化劑的製備效率，還可以改善乳化劑的性能，且具有良好的生物相容性、環保性能和多功能性。同時，乳化劑的製備技術也將更加先進和環保，以滿足人們日益增長的需求。

十、總結

乳化是一種重要的物理過程，乳化劑是實現這個過程的關鍵。通過了解乳化劑的基本概念、HLB 值、分類、應用和評估，我們可以更好地選擇和使用乳化劑，從而製備出符合我們期望的化妝品配方。同時，隨著科技的發展和人們對生活品質的提高，乳化劑的發展也將面臨新的挑戰和機遇。

如果你有任何護膚基礎材料產品的需求及疑問，歡迎隨時向我們查詢。

www.realbotany.com
Instagram: @real.botany
Facebook: @RealBotany