Пенообразователи (Forming agent)

Одним из способов изменения консистенции и структуры пищевых продуктов с целью удовлетворения вкусов потребителей является введение в пищевое сырье диспергированного воздуха или другого газа. Для многих продуктов питания пенообразная структура оказывает решающее влияние на его отличительные свойства (например, в хлебобулочных и некоторых кондитерских изде­лиях, мороженом, напитках и десертных изделиях).

В этот функциональный класс входят вещества, обеспечивающие равномерную диффузию газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты, в результате образуются пены и газовые эмульсии.

Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек — пузырьков газа (пара), разделенных пленками жидкости (или твердого вещества). Обычно газ (пар) рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость (или твердое веще­ство) — как непрерывная дисперсионная среда. Пены, в которых дисперсионной средой является твердое вещество, образуются при отверждении растворов или расплавов, насыщенных каким-либо газом. Разделяющие пузырьки газа жидкие пли твердые пленки образуют в совокупности пленочный каркас, являющийся основой пены.

Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму.

Получить пены, как и другие дисперсные системы, можно двумя способами: диспергационным и конденсационным.

При диспергационном способе получения пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воз­духа. Диспергирование технологически осуществляется следующими методами:

а) При прохождении струп газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках, в аппаратах с «пенным слоем», применяемых для очи­стки отходящих газов, в пеногенераторах некоторых типов, имеющих сетку, орошаемую пенообразующим раствором;

б) При действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду (в технологических аппаратах при перемешивании мешалками, встряхивании, взбивании, переливании рас­творов).

Получение пен может быть обусловлено действием нескольких источников пенообразования одновременно. Так, некоторые технологические процессы осуществляют с аэрацией и перемешиванием. Микробиологический синтез, который обычно проводят при аэрации и перемешивании, сопровождается выде­лением газообразных продуктов метаболизма.

Механизм образования пузырька пены представлен на рис. 3 На межфазной поверхности газообразного или парового включения в жидкой среде, содержащей ПАВ, образуется адсорбционный слой. Скорость формирования этого слоя определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из глубины раствора к поверхности включения. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул.

Рис. Схема образования пузырька газа в жидкости, на поверхности раствора и в воздухе.

Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж. содержание
дисперсной фазы которых менее 0, 1%. называют газовыми эмуль­сиями. В разбавленных системах происходит обратная седиментация - всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

Со временем толщина пленок уменьшается из-за стекания жидкости под действием силы тяжести и капиллярного давления в местах контакта нескольких газовых пузырьков.

Следствием утончения пленок становятся прорыв слоя жидкости между газовыми пузырьками и их коалесценция (слияние).

Увеличение размеров газовых пузырьков приводит к изменению раздела фаз, способствующему разрушению пены. В связи с этим вре­мя «жизни» пены, дисперсионная среда которой представляет собой однокомпонентную жидкость (например, чистую воду), сравнитель­но мало и пена, образованная путем диспергирования газа в жидко­сти, разрушается практически сразу после ее образования.

Разрушение газовых эмульсий, в которых концентрация дисперс­ной фазы невелика, связано с процессом обратной седиментации — всплытием газовых пузырьков из объема жидкой дисперсионной сре­ды на ее поверхность.

Для получения пен необходимой устойчивости в систему вводят пенообразователи, которые подразделяют на два типа (рода):

- истинно растворимые (низкомолекулярные) ПАВ;

- коллоидные ПАВ, белки и некоторые другие природные высоко­молекулярные соединения.

В общем случае при образовании пены в присутствии ПАВ про­исходит адсорбция их молекул в тонком слое пленки жидкой дис­персионной среды на границе с газовой дисперсной фазой, что вы­зывает изменение поверхностного натяжения на границе раздела фаз. В результате истечение жидкости из пенной пленки и ее утон­чение замедляются, а время «жизни» пены увеличивается.

Утончению пленок препятствует также избыточное давление, возникающее в тонком слое. Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности межфазной границы, повышая ее механичес­кую прочность.

В присутствии пенообразователей первого рода устойчивость пен
повышается пропорционально концентрации введенного ПАВ, одна­ко такие пены быстро разрушаются по мере истечения жидкости из пенных пленок. При использовании пенообразователей второго рода с увеличением их концентрации повышается прочность структуры пены, каркас которой способен сдержать истечение межпленочной жидкости. При этом образуются устойчивые пены, время «жизни» которых составляет десятки минут и даже часы.

Пены, полученные встряхиванием воды, исчезают мгновенно. Золь муки способен создавать пену в присутствии пенообразовате­лей первого типа. Взбитые сливки, в состав которых входят пено­образователи второго типа, являются уже более устойчивой систе­мой.

Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определя­ется рядом факторов, а именно кинетическим, структурно-механи­ческим и термодинамическим факторами, которые могут действовать отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены одним и тем же - адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены.

Кинетический фактор свя­зан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела между фазами. Если этими (разами являются жидкость (вода) и газ (воздух), то для пен речь идет о поверхностном натяжении σ _ЖГ. В
результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.

Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую прочность этой струк­туры. Кроме того, в тонком слое возникает избыточ­ное давление, которое препятствует утончению пленки и характе­ризует термодинамический фактор устойчивости.

Устойчивость пен продуктов бродильного производства (пива солодовых напитков) вызвана присутствием альбумина, желатина, солодового экстракта и таннина. Наличие азотсодержащих веществ обусловливает вспенивание плодово-ягодного варенья и экстрактом чайного листа.

Особую роль пена играет при сбивании масла из сливок или молока.

Примеры некоторых пищевых пен и природа их образования при­ведены в табл. 17.

Таблица 17