Тема 5. Дисперсные и коллоидные системы

Дисперсными системами являются большинство продуктов питания, полуфабрикаты, сырье, мука, сухое молоко, хлеб, шоколад, шампанское, пиво и т. п. В пищевой промышленности дисперсными системами являются пищевые массы, создаваемые, преимущественно, искусственно. Получение дисперсных систем входит в технологический цикл производств.

Дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности – на грубодисперсные (размер частиц 10^-3 см), микрогетерогенные (10^-5 – 10^-3 см), ультрамикрогетерогенные (10^-7 - 10^-5 см).

Ультрамикрогетерогенные системы называют коллоидными. Частицы их настолько малы, что вещество, из которого они состоят, почти целиком находится в коллоидном состоянии, т. е. практически содержит только поверхностные атомы и молекулы.

Дисперсные системы классифицируются не только по размерам частиц, но и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое и газообразное) дает 9 типов дисперсных систем, условно их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды. Например обозначение г/ж показывает газообразное вещество в жидкости.

Необходимо знать свойства коллоидных систем.Коллоидные системы характеризуются определенными размерами частиц (10^-7…..10^-5 см), гетерогенностью и многокомпонентностью. Коллоидные системы получают двумя способами: диспергированием – дроблением крупных частиц до коллоидной системы; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров.

Процесс экструзионной обработки сырья следует рассматривать как процесс диспергирования.

Необходимо обратить внимание на микрогетерогенные системы – суспензии, эмульсии, аэрозоли, пены; привести примеры таких систем в пищевой технологии и знать их свойства.

Изучая коллоидные процессы, обратите внимание на высокомолекулярные соединения (ВМС), т. е. вещества, имеющие массу от 10000 до нескольких миллионов.

Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей молекул ВМС и их растворы обладают способностью образовывать волокна и пленки, набухать, приобретают свойства эластичности и структурообразования. К важнейшим природным полимерам – ВМС относятся белки и полисахариды. В связи с этим необходимо четко представлять процессы растворения и набухания.

Микрогетерогенные системы

К микрогетерогенным системам относят системы с размером частиц 10^-5-10^-3 см, это суспензии (т/ж), эмульсии (ж/ж), пены (г/ж), аэрозоли (т/г или ж/г) и порошки (т/г). Эти системы широко распространены в природе и имеют большое значение в пищевой промышленности.

Суспензии. К ним относят фруктовые и овощные пасты помадные конфетные массы, какао тертое.

Эмульсии. Обязательное условие образования эмульсии – нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Обычно их получают методом механического диспергирования, используют различные мешалки, смесители, гомогенизаторы, коллоидные мельницы и ультразвук.

Эмульсии – неустойчивые системы. Неустойчивость системы проявляется в самопроизвольном слиянии капелек дисперсной фазы – коалесценции, что приводит к разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя. Устойчивость эмульсиям придают стабилизаторы или эмульгаторы. Их роль заключается в том, что они адсорбируются на поверхности раздела фаз масло – вода (м/в) и снижают межфазное поверхностное натяжение. Во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует пленку. Наличие такой пленки предохраняет эмульсию от коалесценции.

Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Эмульгаторы, растворимые в воде, способствуют образованию прямых эмульсий (м/в); эмульгаторы, растворимые в неполярных жидкостях, дают обратные эмульсии (в/м).

К представителям эмульсий относятся молоко, сливки, сливочное масло, сметана, майонез.

Аэрозоли и порошки. Это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фаз могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Аэрозоли классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоль с жидкой дисперсной фазой называют туманом, с твердой – дымом и пылью. Аэрозоли имеют большое практическое значение в производстве продуктов питания. К типичным аэрозолям относятся водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капель в сухом горячем воздухе. Из образующегося аэрозоля испарение влаги идет интенсивно и сушка заканчивается за 15-20 с.

Иногда образование золей ведет к опасным последствиям. Так, пыль муки, сахара, крахмала, угля – образует с воздухом взрывоопасные смеси.

Порошки – осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Размеры частиц достигают в диаметре 1-2 мм. Размер частиц промышленных порошков определяется их целевым назначением. Например, размер частиц в какао-порошке влияет на вкусовые качества и пищевую ценность этого продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки.

Частицы порошка находятся в контакте и поэтому обладают свойством текучести, которое зависит от размера частиц, влажности порошков.

Пены. Высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ, называются пенами. Для их получения применяют интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости. Устойчивую пену получают только в присутствии стабилизатора – пенообразователя. Пенообразователями могут служить поверхностно – активные вещества (ПАВ), молекулы которых имеют длинную углеводородную цепь.

К типичным пенообразователям водных пен относятся спирты, мыла, белки.

Многие пищевые продукты – хлеб, ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, что определяет их вкусовые свойства и пищевую ценность.

Молекулярные коллоиды.

Высокомолекулярные соединения (ВМС).

Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС).

Важнейшие природные полимеры – белки и полисахариды. Природные ВМС не только формируют животный и растительный мир, но и входят в состав пищевого сырья и продуктов питания. Ряд важнейших отраслей пищевой промышленности (хлебопекарная, крахмалопаточная, продуктов брожения и др.) основан на использование природных ВМС.

По химической структуре белки являются полиамидами, исходными мономерами для их синтеза служат α - аминокислоты.

Полисахариды – соединения, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звеньев. К наиболее важным полисахаридам относят крахмал, целлюлозу, пектин и др.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Но в отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе. Растворению ВМС предшествует набухание.

Набухание– самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема. Процесс набухания можно разбить на две стадии. На первой стадии низкомолекулярный растворитель, диффундируя в высокомолекулярное вещество, сольватирует его макромолекулы. Образование сольватной оболочки молекулы полимера сопровождается выделением теплоты, поэтому первая стадия набухания характеризуется положительным тепловым эффектом.

Молекулы растворителя в сольватной оболочке обладают плотной упаковкой, которая обуславливается близким расположением молекул около сольватируемых групп, и, следовательно, растворитель в сольватной оболочке имеет более высокую плотность. Вследствие сжатия растворителя в сольватных оболочках на первой стадии набухания наряду с увеличением объема полимера происходит уменьшение суммарного объема всей системы. Сумма объемов полимера до набухания и поглощенной полимеров жидкости больше, чем объем набухшего полимера. Это явление называется внутренним сжатием или контракцией.

На второй стадии набухания, идущей без теплового эффекта, наблюдается основное увеличение объема полимера. Молекулы жидкости диффундируют в полимер, и происходит смешивание больших и гибких макромолекул с молекулами растворителя.

Иногда на второй стадии набухания происходит переход некоторой части макромолекул в низкомолекулярный растворитель. Ограниченное набухание заканчивается на 2-ой стадии, неограниченное набухание приводит к растворению полимера.

Набухание полимера характеризуется степенью набухания

a=(m-m _o)/m_o,

где m_o и m - масса полимера до и после набухания.

Набухание имеет место в процессе получения и хранения продуктов питания. Прорастанию зерна предшествует его набухание. Процесс приготовления теста заключается в смешивании муки с водой с добавкой дрожжей. Образование из муки теста происходит в результате набухания белков и крахмала. Степень набухания белков достигает 200-250%, для крахмала до 30%. Мякиш хлеба – это набухшая система. Степень набухания свежего хлеба может быть равна 15%, черствого-4%, для сухарей 25-35%.

В мукомольной промышленности для облегчения разрушения зерен при помоле их предварительно подвергают гидротермической обработке. Зерно набухает. Процесс происходит неравномерно, в результате создаются внутренние напряжения, которые способствуют разрушению (диспергированию) зерна.

При замачивании зерна набухание идет более интенсивно. Замачивание кукурузного зерна перед помолом применяют при производстве крахмала. Замачивание – первая стадия процесса при производстве солода, сырья для производства пива, кваса. Замачивание и набухание агара и агароида при производстве желейных кондитерских изделий (мармелада).

Степень набухания зависит от времени. Набухание может быть ограниченным и неограниченным. В результате ограниченного набухания степень набухания достигает максимального значения и в дальнейшем не увеличивается. Ограниченное набухание приводит к образованию студня, неограниченное набухание заканчивается растворением (желатин в воде).

Процесс набухания избирателен в зависимости от природы ВМС и растворителя. Ограниченное набухание – белок с водой.