Типы эмульгаторов

НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ЭЛЕКТРОЛИТЫ

Неорганические электролиты являются наименее эф­фективными эмульгаторами. Так, при добавлении тиоцианата калия KNCS к смеси «вода – масло» в небольшой кон­центрации можно получить временную разбавленную эмульсию I рода. Ее относительная устойчивость может быть объяснена возникновением ДЗС на водной стороне межфазной поверхности, который образуется вследствие избирательной адсорбции SGN . Эти ионы создают малый отрицательный потенциал на межфазной поверхности и плотность поверхностного заряда мала. Поэтому силы от­талкивания между ДЭС капель также невелики. Этот тип стабилизации слишком слаб для получения эмульсии нуж­ной концентрации и с достаточным временем жизни.

КОЛЛОИДНЫЕ ПОВЕРХНОСТНО–АКТИВНЫЕ

ВЕЩЕСТВА

Вспомним, что коллоидные поверхностно – активные вещества – дифильные молекулы, содержащие в своем углеводородном радикале не менее 8 – 10 атомов углерода. Соотношение между гидрофильными свойствами поляр­ной группы и липофильными («липос» – жир) свойствами неполярной группы (углеводородного радикала) определя­ется гидрофилъно – липофильным балансом – числом ГЛБ, Стабилизация эмульсий ионогенными коллоидными ПАВ связана с адсорбцией и определенной ориентацией молекул ПАВ на поверхности капель. В соответствии с правилом уравнивания полярностей Ребиндера поляр­ные группы ПАВ обращены к полярной фазе, а непо­лярные радикалы – к неполярной фазе. Чтобы ПАВ могло защитить каплю от слияния с другой, оно долж­но создавать защитную оболочку снаружи капли. По­этому оно должно лучше (но не полностью! ¹⁴) раство­ряться в жидкости, которая является дисперсионной средой, чем в жидкости, из которой состоит капля. Ра­створимость ПАВ характеризуется

числом ГЛБ. Чем оно больше, тем сильнее баланс сдвинут в сторону гидро – фильных свойств, тем лучше данное вещество растворя­ется в воде.

ПАВ с числом ГЛБ от 8 до 13, лучше растворимы в воде, чем в масле, они образуют эмульсии I рода. ПАВ с числом ГЛБ от 3 до 6, образуют эмульсии И рода.

Наиболее эффективными эмульгаторами для получе­ния эмульсий I рода являются натриевые соли жирных кислот (мыла) с числом углеродных атомов 8 – 10 и выше, а также алкилсульфаты, алкилсульфонаты и др. В ряду жирных кислот лучшими эмульгаторами являются лауриновая (С₁₁Н₂₀СООН) и миристидиновая (С₁₃Н₂₇СООН) кислоты, дающие, согласно правилу Траубе, наибольшее понижение поверхностного натяжения по сравнению с предшествующими членами гомологического ряда.

Ионогенные ПАВ образуют двойной электрический слой. Существенно, что для предотвращения прямого кон­такта и коалесценции капель нет необходимости

¹⁴Если ПАВ полностью растворяется в одной из жидкостей, оно не будет находиться на границе раздела, а уйдет в объем этой жидкости.

в обра­зовании сплошного защитного слоя, достаточно, если этот слой занимает 40 – 60% поверхности капли.

Углеводородные радикалы ПАВ в эмульсиях I рода уходят в глубь капель, причем для хорошей вертикаль­ной ориентации они должны состоять не менее, чем из 8 – 10 атомов углерода.

Вертикальная ориентация неионогенных ПАВ на по­верхности раздела приводит к образованию слоя поляр­ных групп, являющихся центрами гидратации – созда­ется защитный гидратный слой.

Стабилизация обратных эмульсий (В/М) с помощью ПАВ не ограничивается факторами, обусловливающими уменьшение поверхностного натяжения. ПАВ, особенно с длинными радикалами, на поверхности капелек воды могут образовывать пленки значительной вязкости (реа­лизуется структурно – механический фактор устойчивости), а также обеспечивать энтропийное отталкивание благода­ря участию радикалов в тепловом движении.

В кулинарии обычно используют в качестве эмульга­торов естественные природные продукты, содержащие ПАВ: молотый перец, горчицу, желтки яиц и др. В пи­щевой промышленности чаще для этих целей использу­ются синтетические ПАВ: олеаты, пропиловый спирт, моноглицериды жирных кислот, сахароглицериды.

ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Еще большая стабильность эмульсий может быть до­стигнута при использовании ВМС: протеинов, каучука, смолы, резины, крахмала и других полисахаридов (напри­мер, декстрина, метил целлюлозы), а также синтетических полимеров (например, поливинилового спирта). В отличие от мыл, длинные ценные молекулы этих веществ с равно­мерным распределением полярных групп располагаются горизонтально в плоскости раздела «капля – среда», где они могут легко переплетаться между собой с образовани­ем двухмерных структур. Адсорбция высокомолекуляр­ных соединений обычно является медленной и практичес­ки необратимой. Некоторые протеины, адсорбируясь, ста­новятся нерастворимыми в воде. Если такие слои сжимать, происходит их разрушение с образованием микроскопи­ческих осадков, которые остаются на межфазной поверх­ности в виде прочной эластичной оболочки. Понятно, что капля, находясь в такой «капсуле», неограниченно устойчива против коалесценции, однако количественные за­кономерности этого явления неизвестны. Можно считать эффективным высокомолекулярный эмульгатор, образую­щий эластичный гель: он разбухает в непрерывной фазе, а попыткам к сжатию этого геля препятствуют большие осмотические силы (давление набухания).

Таким образом, при использовании в качестве эмуль­гаторов ВМС в первую очередь реализуется структурно – механический фактор устойчивости – на поверхности капли создается структурированная прочная пленка. В случае высококонцентрированных эмульсий, в кото­рых капли имеют форму многогранников, а среда нахо­дится в виде тонких прослоек между ними, эти прослой­ки одновременно являются структурированными защит­ными оболочками, они придают всей системе ярко выраженные твердообразные свойства.

Многие ВМС содержат ионогенные группы и в раство­рах распадаются с образованием полиионов. Группу – СООН, например, содержат альгинаты, растворимый крахмал, группу – OSО₂ – агар. Полиэлектролиты могут одновре – менно содержать как кислотную, так и основную группы. Их яркими представителями являются белки, содержа­щие группы – СООН и – NH₂. В этих случаях к отмеченно­му выше структурно – механическому фактору устойчивос­ти добавляется электростатический фактор.

В пищевой промышленности получили большое рас­пространение белки молочной сыворотки, соевый белко­вый изолят, казеинат натрия, белки плазмы крови, бы­чий сывороточный альбумин, отходы переработки пище­вого сырья (кровь со скотобоен, подсырная сыворотка, картофельный крахмал), из которых получают белки, используемые в качестве эмульгаторов.

В кулинарной практике часто используется жела­тин – полидисперсный белок, представляющий собой смесь полимергомологов различной молекулярной мас­сы от 12 000 до 70 000 а. е. м.

ТОНКОИЗМЕЛЬЧЕННЫЕ НЕРАСТВОРИМЫЕ ПОРОШКИ

Этот тип стабилизаторов характерен только для эмуль­сий. Давно известно, что некоторые высокодисперсные порошки эффективно стабилизируют эмульсии против коалесценции. Химическая природа этих частиц менее важ­на, чем их поверхностные свойства. Основные требова­ния к порошкам:

• размер частиц должен быть очень маленьким по срав­нению с размером

капель;

• частицы должны иметь определенный угол смачива­ния в системе «масло – вода – твердое вещество». Действие порошка преимущественно заключается в пре­дотвращении утончения жидкой прослойки между капля­ми. Гладкие сферические частицы порошка непригодны; хорошие результаты получаются с пластинчатыми по фор­ме частиц порошками, такими как бентонитовая глина.

Твердые порошкообразные вещества (гипс, графит и др.) способны скапливаться на границе раздела капель и среды, благодаря избирательной смачиваемости твер­дых тел. Например, частицы гипса в эмульсии М/В бла­годаря своей гидрофильности почти полностью входят в воду и лишь частично в каплю масла, вследствие чего они окружают каплю масла сплошным слоем и препятствуют ее слипанию с другими каплями. Однако избирательное смачивание не должно быть полным, так как в этом слу­чае частицы стабилизатора оказались бы целиком в вод­ной фазе и капли масла оказались бы незащищенными.

При неполном избирательном смачивании гидрофиль­ных частиц (графит, ZnS, CuS и др.) они могут быть ста­билизаторами эмульсий В/М. Таким образом, механизм действия порошков аналогичен механизму действия ПАВ.