Эмульсии

Другой дисперсной системой, используемой в пищевой промышленности, является эмульсия. Она представляет собой две взаимно нерастворимые жидкости. Для придания системе агрегативной устойчивости в систему вводят поверхностно-активные вещества (эмульгаторы). Процесс формирования дисперсной системы эмульсии представлен несколькими физико-химическими процессами, происходящими на границе раздела фаз. В эмульсии капельки дисперсной фазы защищены от слияния при столкновениях друг с другом межфазными пленками, которые играют роль дополнительного барьера, препятствующего их слиянию (коалесценции).

Эмульсии, как и другие дисперсные системы, являются термодинамически неустойчивыми, поскольку на границе раздела фаз существует некоторое количество свободной энергии, поэтому в них происходят процессы, приводящие к снижению свободной энергии системы, следовательно - самопроизвольное укрупнение частиц дисперсной фазы за счет их коалесценции (слияния). Устойчивость жировой фазы эмульсии, например, в молочных продуктах, следует признать достаточно высокой, поскольку для коалесценции жировых частиц необходимо применять интенсивное физико-механическое воздействие, а для флокуляции (слипания) необходимо время, а также низкие положительные температуры.

По концентрации дисперсной фазы эмульсии делят на разбавленные (объем дисперсной фазы не выше 0, 1 %), концентрированные (объем дисперсной фазы до 74 %), высококонцентрированные или пенообразные (объем дисперсной фазы от 74 до 99 %).

Эмульсии получают конденсационным и диспергационным методом (при помощи смешения, гомогенизации и коллоидной мельницы). При получении эмульсии энергия необходима не только для образования новых поверхностей, но и для преодоления внутреннего трения. Специфической чертой эмульсий (рассматриваемых дисперсий) является возможность образования эмульсий двух типов: прямой, в которой дисперсионной средой является более полярная жидкость (обычно вода), и обратной, в которой более полярная жидкость образует дисперсную фазу. При определенных условиях наблюдается обращение фаз эмульсий, когда эмульсия данного типа в результате введения каких-либо реагентов или при изменении условий превращается в эмульсию противоположного вида. Определить тип эмульсий можно, например, по ее электрической проводимости (электрическая проводимость для водной дисперсионной среды на много десятичных порядков выше, чем у обратной эмульсии), по способности смешиваться с полярными и неполярными растворителями или растворять полярные и неполярные красители.

Диспергирование представляет собой процесс дробления частиц или капель (дисперсной фазы) и одновременно их равномерное рас­пределение в дисперсионной среде. Дисперсионная среда - это всег­да жидкость, а дисперсная фаза может быть жидкостью (при этом после гомогенизации получают эмульсию) или твердым материа­лом (после гомогенизации получают суспензию).

Для эмульгирования используют ультразвук большой мощности (на частотах менее 5 МГц). Для объяснения механизма эмульгирования ультразвуком используют представления о поверхностных волнах, которые имеют место в случае нестабильности Рэлея-Тейлора. При электрическом дроблении эмульсий исследователи обнаружили вытягивание и последующее дробление вытянутых нитей жидкости с последующим их распадом.

В настоящее время получение эмульсий в смесителях, коллоидных мельницах и гомогенизаторах распространено повсеместно. Другими перспективными способами получения эмульсий являются звуковые, ультразвуковые и электрофизические методы обработки. С помощью ультразвука удается получит эмульсии с размером частиц 1 мкм. Максимальная дисперсность системы наблюдается в диапазоне частот 960-1600 кГц для частиц, первоначальные размеры которых не превышают 1000 Å. С увеличением исходного размера частиц оптимум частиц понижается.

При воздействии ультразвука на гетерогенные системы наблюдается одновременное течение двух противоположных процессов - диспергирования и коагуляции. Окончательный результат зависит как от параметров ультразвукового поля, так и физико-химических характеристик самого продукта. Концентрация эмульсии, образующейся в результате одновременного течения процессов эмульгирования и коагуляции, в общем в виде описывается уравнением:

, (2.34)

где с - концентрация эмульсии, %;

t - продолжительность процесса, с;

a, b - опытные величины, зависящие от свойств вещества;

n - величина, характеризующая вероятность протекания

реакции.

Для получения концентрированных эмульсий необходимо наличие третьего компонента - эмульгатора, образующего адсорбционные оболочки на поверхности диспергированных частиц (рис. 2.4).

Эмульгаторы делят на три основных класса в зависимости от механизма, вызывающего концентрирование их на поверхности раздела: вещества с интерполярной молекулярной структурой (полярные - соединения с длиной цепью типа жирных кислот и мыл); макромолекулярные коллоиды (соединения типа белков), молекулы которых сильно удлинены, однако они не обладают такой сбалансированностью, как мыла. В основном они представляют собой или простую углеводородную цепь, или последовательно соединенные структурные звенья, имеющие сравнительно короткие боковые цепи или активные группы; длина и структура основной цепи, а также природа, размеры и частота распределения боковых цепочек определяют их растворимость и поведение на поверхности раздела; тонкодисперсные нерастворимые твёрдые тела, способные концентрироваться при известных условиях на поверхности между двумя несмешивающимися жидкостями; в этом случае капельки эмульсии защищены оболочками из твёрдых частиц.

Роль эмульгаторов при образовании эмульсий сводится к следующему: они способствуют снижению межфазной энергии и облегчают разделение дисперсной фазы на небольшие частицы, а также предохраняют диспергированные капельки при их сближении от слияния. При производстве пищевых эмульсий применяют яичные продукты, молочные белки, фосфатиды, пектин. К эмульгаторам химического происхождения относят, прежде всего, моно- и диглицериды, которые широко используют за рубежом.

Большой интерес в отношении использования в качестве эмульгаторов представляют белки животного и растительного происхождения. Поверхностная активность белков определяется особенностями их пространственной структуры. Молекулы глобулярных белков в водном растворе представляют собой компактные частицы со специфической топографией поверхности и асимметрично локализованными полярными и неполярными группировками атомов.

Наиболее перспективным стабилизатором эмульсий с технологической точки зрения являются высокомолекулярные вещества, в т.ч. - совмещенные (например, белково-лецитиновые комплексы).

В табл. 2.6 приведены данные о количестве высокомолекулярных эмульгаторов, приходящихся на 100 см² поверхности эмульсий в оптимальном защитном слое.

Тип эмульсии, возникающей при механическом эмульгировании, в значительной степени зависит от соотношения объемов жидкостей: жидкость, присутствующая в существенно большем количестве, обычно становится дисперсионной средой. Академик П.А. Ребиндер в своих работах отмечал, что при диспергировании обычно возникают обе эмульсии - прямая и обратная; из них выживает та, которая имеет более высокую устойчивость к коалесценции капель и последующему расслаиванию. Соотношение стабильности прямой и обратной эмульсий, а следовательно, тип эмульсии, образующейся при эмульгировании, определяется в таком случае природой введенного стабилизатора.

Таблица 2.6