Что такое дисперсность какие факторы ее обуславливают

Краткие теоретические сведения

При производстве продуктов питания используется большое разнообразие масс с пенообразной структурой. Условно их можно разделить на две группы:

— пены, которые должны быть использованы в течение непродолжительного времени после их изготовления: белковые, масляные, кремы и некоторые другие полуфабрикаты для отделки тортов и т.д.;

— пены, которые могут сохраняться длительное время после определенной технологической обработки: пастила, зефир и т.д.

Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из пузырьков газа, разделенных прослойками жидкости, которая образуется при смешивании жидкости с газом. Дисперсная система, в которой концентрация газа невелика, а толщина жидких прослоек сопоставима с размером газовых пузырьков, называется газовой эмульсией, или шаровой пеной.

Пены являются термодинамическими неустойчивыми системами, так как имеют сильно развитую поверхность раздела фаз. При пенообразовании часть работы идет на увеличение свободной поверхности энергии системы. По второму закону термодинамики общий запас свободной энергии стремится уменьшиться. В связи с этим процессы в пенах имеют тенденцию к коалесценции, связанную с сокращением поверхности, а следовательно, и с уменьшением поверхностной энергии. Устойчивое состояние системы соответствует полной коалесценции, т.е. расслоению системы на две объемные фазы: жидкость – газ с минимальной поверхностью раздела.

Образование сколько-нибудь устойчивой пены в чистой жидкости невозможно. Пену можно получить только в присутствии специального вещества – стабилизатора, часто называемого пенообразователем. Пены обладают только относительной устойчивостью. Различают кинетическую (или седиментационную) и агрегативную устойчивость. Под седиментационной устойчивостью понимается способность системы сохранять неизменным во времени распределение частиц дисперсной фазы в объеме системы. Понятие это для пен весьма своеобразно и отличается от других дисперсных систем. Нарушение седиментационной устойчивости пен связано с процессом самопроизвольного стекания жидкости в пленке пены под влиянием силы тяжести и всасыванием жидкости в участки пленки, обладающие большей толщиной.

Агрегативная устойчивость – это способность сохранять неизменными во времени размеры частиц дисперсной фазы (дисперсность). Дисперсность является одной из важнейших характеристик пены, определяющих многие свойства и процессы, протекающие в ней, а также технологические качества пены.

Реальная пена, как правило, является полидисперсной, т.е. пузырьки газа в ней имеют разные размеры. Чем меньше пузырек газа, тем больше в нем давление. Следовательно, во времени самопроизвольно идет процесс диффузии газа из меньших пузырьков в большие, что приводит к изменению стабильности пены. Чем больше степень полидисперсности, тем сильнее проявляется диффузия газа. Показателем дисперсности может служить средний диаметр газовых пузырьков в пене. Наиболее полно дисперсность пен характеризуется распределением пузырьков по размерам. От дисперсности зависят многие технологические свойства пенообразных масс.

Устойчивость пен зависит от большого количества факторов: природы и концентрации пенообразователя, свойств дисперсионной среды, температуры, механических воздействий и других.

Стабилизация пен обеспечивается с помощью поверхностно-активных низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений.

К группе поверхностно-активных веществ (ПАВ) относятся вещества, которые снижают поверхностное натяжение на границе раздела фаз. Молекулы ПАВ имеют дипольное строение, то есть содержат гидрофильные и гидрофобные группы. Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, а гидрофобные – в неполярных растворителях. Вследствие этого молекулы ПАВ располагаются на поверхности раздела фаз. Свойства ПАВ зависят от химического строения и соотношения гидрофильных и гидрофобных групп.

По способности к диссоциации ПАВ подразделяются на ионогенные (образуют поверхностно-активный ион) и неионогенные. В свою очередь, в зависимости от знака заряда поверхностно-активного иона, они делятся на анионные, катионные и амфотерные.

Стабилизация дисперсных систем с помощью коллоидных ПАВ обеспечивается вследствие адсорбции и определенной ориентации их молекул на поверхности раздела фаз. Ориентирование молекул следует правилу уравниванию полярностей Ребиндера: полярные группы ПАВ обращены к полярной фазе, а неполярные радикалы – к неполярной фазе.

Анионактивные ПАВ диссоциируют в водном растворе, образуя длинноцепочечные органические анионы, определяющие их поверхностную активность. К анионактивным ПАВ относятся, в основном, производные карбоновых кислот. Это наиболее многочисленная группа соединений, составляющая около 80-ти % от всех ПАВ.

Катионактивные ПАВ диссоциируют в водных растворах с образованием поверхностно-активного катиона с гидрофобной частью.

Ионогенные ПАВ образуют слой диссоциированных ионогенных групп, создающих двойной электрический слой.

Амфотерные (амфолитные) ПАВ в зависимости от рН раствора проявляют свойства катионных или анионных ПАВ. При некоторых значениях рН (изоэлектрическая точка) молекулы амфолитных ПАВ существуют как диполярные сбалансированные ионы.

В пищевой промышленности широко применяются природные амфолиты (белки, пептиды, нуклеиновые кислоты, модифицированные амфолиты, например, гидролизаты белковых веществ и другие).

Основные преимущества амфолитных ПАВ: удовлетворительные санитарно-гигиенические свойства (низкая токсичность, высокая биоразлагаемость, возможность комбинации с другими ПАВ).

Высокомолекулярные вещества (протеины, крахмал, декстрины, метилцеллюлоза и другие) особенно эффективно стабилизируют дисперсные системы. В отличие от солей жирных кислот длинные цепеобразные молекулы этих веществ с равномерным распределением полярных групп располагаются, преимущественно, горизонтально в плоскости раздела фаз, где они могут легко переплетаться между собой с образованием двухмерных структур.

В пищевой промышленности в качестве пенообразователей получили применение белки куриных яиц, белки молочной сыворотки, соевые белковые изоляты, казеинат натрия, желатин.

Неионогенные ПАВ вертикально ориентируются на поверхности раздела, что приводит к образованию слоя полярных групп, являющихся центрами гидратации – создается защитный гидратный слой.

Поверхностно-активные вещества позволяют регулировать свойства гетерогенных систем, к которыми относятся многие пищевые продукты. Обычно в качестве пенообразователей используют средние члены гомологических рядов, причем анионные ПАВ лучше, чем катионные и неионогенные.

Лучшими пенообразователями, среди высокомолекулярных соединений являются полиэлектролиты, например, белки.

Установлено, что большой пенообразующей способностью обладают те пенообразователи, которые способны стабилизировать эмульсии первого рода (масло в воде).

Под пенообразующей способностью понимают объем пены, получающийся при данных условиях (температуре, концентрации ПАВ, способе пенообразования) из определенного объема раствора.

Важную роль играет концентрация пенообразователя, причем для пенообразователей – коллоидных ПАВ максимальная пенообразующая способность достигается в определенном интервале концентраций.

Основной количественной характеристикой ПАВ является поверхностная активность, которая определяет их способность понижать поверхностное натяжение, вызывать эмульгирование, пенообразование, диспергирование, стабилизацию, смачивание и другие явления и процессы.

Стабилизация существенно зависит как от силы закрепления молекул стабилизатора на поверхности частиц дисперсной фазы, так и от степени ее заполнения. Увеличение того и другого параметра повышает устойчивость системы. Избыток стабилизатора может привести к формированию второго слоя молекул стабилизатора, ориентированного противоположным образом; в этом случае устойчивость системы снижается. При слабом закреплении стабилизатора сохраняется большая подвижность его молекул, поэтому при сближении частиц возможна агрегация, если время контакта частиц соизмеримо со временем нахождения молекул стабилизатора на поверхности частиц. Молекулы ПАВ могут даже способствовать агрегации, переходя на внешнюю поверхность агрегата. Молекулы ВМС, как правило, очень прочно закрепляются на поверхности частиц, и при достаточном заполнении поверхности частиц служат надежными стабилизаторами. При недостаточном количестве введенного стабилизатора устойчивость дисперсной системы может снизиться. Отдельные участки одной макромолекулы могут сорбироваться на разных частицах, что способствует их флокуляции.

При достижении определенной концентрации ПАВ начинается мицеллообразование. Считают, что в этом случае адсорбированные молекулы ориентируются перпендикулярно поверхностному слою. Значение критической концентрации мицеллообразования (ККМ) зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от длины углеводородного радикала молекулы ПАВ и температуры раствора. С увеличением длины цепи ККМ уменьшается.

С увеличением концентрации ПАВ вспениваемость раствора сначала увеличивается до максимального значения, затем остается практически постоянной или понижается. Обычно изменение пенообразующей способности с ростом концентрации пенообразователя связывают с мицеллообразованием, поскольку при достижении ККМ происходит завершение формирования адсорбционного слоя, который в этот момент приобретает максимальную механическую прочность.

Помимо природы и концентрации пенообразователя на устойчивость пены влияют температура, вязкость дисперсионной среды, рН среды, поверхностное натяжение растворов, введение в жидкую фазу электролитов и других факторов. Однако необходимо отметить, что влияние этих факторов на устойчивость пен исследовано недостаточно и поэтому точных данных мало.

Влияние температуры на устойчивость пен довольно сложно и связано с протеканием многих конкурирующих процессов. При повышении температуры повышается давление внутри пузырьков, увеличивается растворимость ПАВ, уменьшается поверхностное натяжение. Эти факторы способствуют повышению устойчивости пен. Но при повышении температуры усиливаются тепловые колебания адсорбированных молекул и, следовательно, ослабляется механическая прочность поверхностного слоя, образованного молекулами ПАВ. Кроме того, вязкость пенообразующего раствора снижается, что увеличивает скорость истечения жидкости из пены, а также изменяются условия гидратации полярных групп ПАВ, что вызывает уменьшение устойчивости пены. Однако для некоторых пен, полученных с использованием высокомолекулярных соединений, термическая обработка приводит к переходу жидкой дисперсионной среды в твердообразную. При этом образуется твердая пена, которая является абсолютно устойчивой. Примерами таких пен являются пастила, зефир, бисквитный полуфабрикат. В связи с этим влияние температуры на устойчивость пены необходимо анализировать в каждом конкретном случае.

Большинство поверхностно-активных веществ стабилизируют пену в щелочной среде. Пенообразующая способность неионогенных ПАВ не зависит от величины рН в области значений от 3 до 9. Белковые растворы проявляют максимальную пенообразующую способность, как правило, в изоэлектрической точке. В водном растворе при определенной концентрации ионов водорода, отвечающей изоэлектрической точке, у всякого амфолита число ионизированных основных групп равно числу ионизированных кислотных групп. Молекулу белка в изоэлектрическом состоянии следует считать нейтральной. Поскольку белок обычно является более сильной кислотой, чем основанием, то изоэлектрическая его точка соответствует рН ниже 7. Для достижения изоэлектрической точки в растворе белка должно содержаться некоторое количество кислоты, подавляющее избыточную ионизацию кислотных групп. Так как в изоэлектрической точке число взаимодействующих ионизированных основных и кислотных групп в молекуле одинаково, то гибкая молекула белка в этом состоянии свертывается в клубок.

На форму макромолекул влияет не только изменение рН среды, но и введение в раствор индифферентного электролита. Очевидно, эти факторы должны влиять и на те свойства раствора, которые зависят от формы растворенных макромолекул, например вязкость. При добавлении электролитов происходит сдвиг изоэлектрической точки, одновременно с этим смещается и максимум пенообразования.

Устойчивость пен можно характеризовать временем существования пены, т.е. временем, протекающим с момента образования пены до полного ее разрушения. Другой способ оценки устойчивости пены заключается в пропускании с заданной скоростью через вспениваемую жидкость пузырьков воздуха и определении равновесной высоты образующегося при этом столба пены.

Теоретические основы стабилизации пен и практические пути ее достижения являются сложным разделом современной коллоидной химии. Поскольку при нынешнем уровне знаний нет единой теории устойчивости, ограничимся кратким изложением существующих взглядов на проблему устойчивости. Различают следующие факторы устойчивости пен: кинетический, структурно-механический и термодинамический.

Считают, что кинетический фактор устойчивости пены связан с образованием стабилизирующих адсорбционных слоев ПАВ, которые уменьшают скорость течения по каналам и пленкам. Утончение пленки вследствие истечения жидкости в пенах происходит неравномерно. Отдельные участки пленки вокруг газового пузырька становятся очень тонкими, растягиваются, это приводит к уменьшению концентрации ПАВ на их поверхности и, следовательно, к увеличению поверхностного натяжения. Вследствие этого раствор с повышенной концентрацией ПАВ из зоны низкого поверхностного натяжения, т.е. из участков с утолщенной пленкой устремляется к истонченным зонам, которые самопроизвольно утолщаются.

Структурно-механический фактор стабильности пены связан со специфическим упрочнением тонких пленок за счет гидратации адсорбционных слоев, а также за счет повышения вязкости межпленочной жидкости. Для повышения вязкости межпленочной жидкости и замедления ее истечения в раствор ПАВ добавляют определенные вещества. Это один из самых распространенных способов стабилизации пен. В зависимости от требований к стойкости пены и технологических условий производства выбирают те или иные стабилизаторы. При производстве кондитерских пен часто используют вещества, вызывающие образование в пленках жидкости коллоидных частиц, в результате обезвоживание пленок очень сильно замедляется. К коллоидным стабилизаторам относятся желатин, агар, пектин, крахмал. Это эффективные загустители, значительно увеличивающие вязкость жидкости в пленках и устойчивость пен. При использовании загустителей к действию кинетического фактора, характерного для ПАВ, добавляется структурно-механический фактор устойчивости.

Термодинамический фактор устойчивости часто называют расклинивающим давлением. Он проявляется в тонких пленках, когда возникает избыточное давление, препятствующее их утончению под действием внешних сил. Причиной расклинивающего давления в пленках пены, стабилизированных ионогенными веществами, является отталкивание двойных электрических слоев, образованных ионами пенообразователя в растворе около обеих поверхностей пленок, то есть реализуется электростатическая составляющая расклинивающего давления. Обычно устойчивость обеспечивается несколькими факторами одновременно.

Порядок выполнения работы.

Приборы и материалы:

— Анализатор молока Клевер-2

— Линейка с ценой деления 1 мм,

Ход анализа.

Методы исследований. Определяется массовая доли жира, титруемой кислотности молока, сливки, сыворотки с помощью прибора анализатора молока Клевер-2.

Пенообразующую способность определяют методом кратности пен как отношение конечной высоты столба пены (мм) к начальной высоте взбиваемой жидкости (мм) и выражают в процентах. Взбивание оканчивают только после достижения максимальной высоты столба пены.

Устойчивость пены за определенный промежуток времени в определенных условиях (например, при заданной температуре) вычисляют как отношение начальной высоты столба пены (мм) к конечной (мм) и выражают в процентах.

Организация, порядок выполнения и оформления работы. Лабораторную работу выполняют поэтапно. На первом этапе определяют массовую долю жира и кислотность в молоке, сыворотке и сливках, поскольку эти показатели оказывают влияние на пенообразующую способность и устойчивость пенообразных масс. Результаты исследований заносят в таблицу 1.

Далее проводят исследования, по схеме, приведенной в таблице 2. Подготовленное молоко, сыворотку, сливки или яичные белки вносят в мерный стакан слоем около двух сантиметров, измеряют высоту столба жидкости, затем взбивают при заданной температуре Температуру контролируют термометром на водяной бане. При изучении влияния лимонной кислоты и сахарной пудры на пенообразующую способность и устойчивость пены их количество вносят таким образом, чтобы концентрация в растворе была той, которая задана в табл. 1.2. При этом учитывают, что однопроцентный раствор означает, что в 100 г раствора содержится 1 г растворенного вещества. Взбивание ведут при температуре 10 0 С.

При изучении влияния желатина его в необходимом количестве вносят в молоко, сыворотку или сливки, выдерживают 1 ч для набухания, подогревают до (92-95) 0 С на водяной бане, охлаждают до (20+1) 0 С и начинают взбивание. Перед внесением в яичные белки желатин замачивают в холодной воде в соотношении 1:8 и подготавливают как указано выше. После охлаждения до (20+1) 0 С их вносят при одновременном взбивании в белки, температура которых составляет (20+1) 0 С.

Отчет по работе должен содержать название работы, цель, краткие теоретические положения, методы исследования, заполненные таблице 1- 2 и выводы, объясняющие полученные результаты.

Таблица 2- Схема проведения исследований

Оформление отчета

Отчет о работе должен содержать цель работы, краткое описание применяемых методов, экспериментальные данные и результаты расчетов в графическом представлении, их анализ и выводы.

Контрольные вопросы

• Что такое дисперсные системы? Приведите классификацию дисперсий.

• Почему пены относят к структурированным системам?

• Как определяют массовую долю жира, кислотность, пенообразующую способность, устойчивость, дисперсность? В чем сущность методов?

• Что такое дисперсность? Какие факторы ее обуславливают?

• Какие факторы обеспечивают устойчивость пен?

• Приведите примеры использования пен в пищевой промышленности.

• Обоснуйте влияние сахарозы, стабилизатора, температуры и кислоты на свойства изучаемых пенообразных масс.

Источник

ГК «Униконс»

Продвижение и реализация комплексных пищевых добавок, антисептиков и др. продукции.

«Антисептики Септоцил»

Септоцил. Бытовая химия, антисептики.

«Петритест»

Микробиологические экспресс-тесты. Первые результаты уже через 4 часа.

«АльтерСтарт»

Закваски, стартовые культуры. Изготовление любых заквасок для любых целей.

ВНИМАНИЕ: Уважаемые клиенты и дистрибьюторы!

5.4. ДИСПЕРСНЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Важная роль в пищевой технологии принадлежит дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.

Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них — сплошная, называется дисперсионной средой. Другая — раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой.

Дисперсными системами являются большинство продуктов питания, сырье и полуфабрикаты: хлеб, мука, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т. п.

5.4.1. Классификация дисперсных систем

Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности.

Дисперсные системы с частицами, размер которых превышает 10

3 см, относятся к грубодисперсным системам. Эти частицы при распределении в жидкости или газе, где они постепенно оседают или всплывают, наблюдаются визуально.

Дисперсные системы классифицируются не только по размерам частиц, но и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионнойсреды.

Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое и газообразное) дает 9 типов дисперсных систем (см. табл. 3). Условно их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель— дисперсионной среды. Например, обозначение Г/Ж показывает, что система состоит из газообразной дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды (газообразное вещество в жидкости).

Типы дисперсных систем

5.4.2. Коллоидные системы

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями (от лат. solutio — раствор).

Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой — лиозолями (от греч. lios — жидкость).

По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами — порошками, суспензиями и эмульсиями.

Коллоидные системы образуются двумя путями.

При этом необходимыми условиями образования коллоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость.

Стабилизаторами могут быть вещества, специально вводимые в дисперсионную среду, например, поверхностно-активные вещества или продукты взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой. Стабилизаторы создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию.

В производстве различных пищевых продуктов диспергирование и конденсация занимают одно из ведущих мест. Это обусловлено особенностями вещества в дисперсном состоянии, которые обеспечивают удобства фасования, транспортирования, дозирования, способствуют увеличению скоростей химических и биохимических реакций и процессов растворения, сорбции, экстракции и других процессов.

Диспергирование используют при дроблении и измельчении зерна в муку, какао-бобов в какао тертое и какао-порошок, сахара в сахарную пудру, в консервной промышленности при гомогенизации плодово-ягодных пюре и т. п.

Конденсация возникает в ректификационных аппаратах при получении спирта, кристаллизации сахара, выпаривании растворов, оклейке вин и т. д.

Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, обусловленными самопроизвольным движением частиц. Это такие свойства, как диффузия, осмотическое давление и распределение частиц по высоте.

На коллоидные частицы, распределенные в дисперсионной среде, действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила диффузии. Под действием силы тяжести частицы стремятся осесть на дно — седиментировать (от латинского слова sedimentum — осадок). Силы диффузии же стремятся распределить частицы равномерно по всему объему системы. Таким образом, дисперсные системы способны сохранять определенное распределение частиц по объему. Эта способность называется седиментационной или кинетической устойчивостью.

Грубодисперсные системы кинетически неустойчивы, их частицы велики и поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Молекулярные системы (газы, растворы) обладают очень высокой кинетической устойчивостью. Кинетическая устойчивость коллоидных систем зависит от размеров их частиц: чем меньше размер частиц, тем более кинетически устойчива коллоидная система.

5.4.3. Микрогетерогенные системы

СУСПЕНЗИИ

Суспензии представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др.

ЭМУЛЬСИИ

Дисперсные системы, состоящие из жидкой дисперсной фазы и жидкой дисперсионной среды, называются эмульсиями. Обязательное условие образования эмульсии — нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде.

Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Для этого используют различные мешалки, смесители, гомогенизаторы, коллоидные мельницы и ультразвук.

Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге и, следовательно, отличаются по своим свойствам. Практически одной из жидкостей всегда является вода, а другой — какая-либо неполярная, нерастворимая в воде жидкость, например, масло.

Эмульсии — неустойчивые системы. Неустойчивость этой системы проявляется в самопроизвольном слиянии капелек дисперсной фазы — коалесценции, что приводит к разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя.

Устойчивость эмульсиям может придать только третий компонент — стабилизатор или эмульгатор. Роль эмульгатора в образовании устойчивой эмульсии заключается, во-первых, в том, что он адсорбируется на границе раздела фаз масло — вода (М/В) и снижает межфазное поверхностное натяжение, т. е. является поверхностно- активным веществом, а во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует механически прочный слой (пленку). Наличие такой защитной пленки на поверхности частиц дисперсной фазы препятствуют их слиянию, т. е. 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 относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов, например, молоко, сливки, сливочное масло, сметана и майонез. Все это — эмульсии.

АЭРОЗОЛИ И ПОРОШКИ

Аэрозоли и порошки — это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости.

Аэрозоли имеют большое практическое значение в ряде отраслей пищевой промышленности. К типичным аэрозолям относятся водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль. В ряде случаев в промышленности прибегают к искусственному получению аэрозолей. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Из образующегося аэрозоля благодаря его большой удельной поверхности испарение влаги идет очень интенсивно, и сушка заканчивается за 15-20 с.

Образование аэрозолей может привести к нежелательным и опасным последствиям. Так, пыль многих веществ — муки, сахара, крахмала, угля — образует с воздухом взрывоопасные смеси.

Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Однако частицы в них могут быть более крупными и достигать в диаметре 1-2 мм. Размер частиц промышленных порошков определяется их целевым назначением и часто является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в какао-порошке влияют на вкусовые качества и пищевую ценность этого продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки.

ПЕНЫ

Высококонцентрированные дисперсные системы, в которых дисперсионная среда — жидкость, а дисперсная фаза — газ, называются пенами.

Пузырьки газа в пенах имеют большие размеры, форму многогранников и отделены друг от друга очень тонкими слоями дисперсионной среды.

Для получения пен применяют диспергационные методы: интенсивное встряхивание или перемешивание жидкости.

Устойчивую пену можно получить только в присутствии стабилизатора — пенообразователя. Это связано с тем, что поверхность жидкости, соприкасающаяся с газообразной средой, находится в особых условиях по сравнению с основной массой жидкости. Эти условия возникают потому, что молекулы поверхностного слоя жидкости в отличие от молекул, находящихся в глубине, подвергаются неодинаковому притяжению молекул жидкости и газа. Каждая молекула внутри жидкости со всех сторон притягивается соседними молекулами, расположенными на расстоянии радиуса сферы действия межмолекулярных сил. В результате силы притяжения компенсируются, и равнодействующая этих сил равна нулю. У молекул поверхностного слоя часть сферы действия межмолекулярных сил находится в газовой фазе, плотность которой меньше плотности жидкости, поэтому равнодействующая всех сил притяжения будет направлена внутрь жидкости перпендикулярно к ее поверхности. Вследствие этого поверхностные молекулы жидкости всегда находятся под действием силы, стремящейся втянуть их внутрь. Это приводит к тому, что поверхность жидкости всегда стремится сократиться. Этим объясняются и шарообразная форма капли жидкости (шар имеет минимальную поверхность), и идеально гладкая поверхность жидкости в широком сосуде. При увеличении поверхности некоторое число молекул из глубины жидкости переходит на поверхность. Процесс переноса молекул из равновесного состояния в особое состояние молекул поверхностного слоя требует затраты внешней работы. Работа по увеличению площади поверхности жидкости переходит в потенциальную энергию молекул поверхностного слоя— поверхностную энергию. Последняя, в свою очередь, отнесенная к единице поверхности, называется поверхностным натяжением.

Пенообразующие вещества с длинной молекулярной цепью уменьшают поверхностное натяжение, облегчают образование пены и придают ей стабильность, так как они адсорбируются на границе вода-воздух и образуют высоковязкую структурированную пленку, препятствующую стеканию жидкости. В этом случае толщина слоя жидкости между пузырьками воздуха уменьшается медленно, и пена может существовать длительное время.

Пенообразование имеет важное практическое значение. В частности, многие продукты, такие как хлеб, ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, что определяет их вкусовые свойства и пищевую ценность.

5.4.4. Молекулярные коллоиды (растворы высокомолекулярных соединений)

Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС). Размеры макромолекул этих соединений в вытянутом состоянии могут достигать 1000 нм и более, т. е. они соизмеримы с размерами частиц ультрамикрогетерогенных (коллоидных) дисперсных систем.

Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС га растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием.

К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.

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

Полисахариды представляют собой соединения, состоящие из многих сотен и даже тысяч моносахаридных звёньев. К наиболее важным полисахаридам относятся крахмал, целлюлоза, пектин и др.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Так же, как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полунепроницаемые мембраны.

В отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе.

Растворению ВМС предшествует его набухание.

Набухание — это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего. Набухание часто является начальным этапом растворения высокомолекулярных веществ.

Существует ограниченное и неограниченное набухание. При ограниченном набухании объем и масса полимера достигают определенных значений, и дальнейший контакт полимера с растворителем не приводит к каким-либо изменениям. Ограниченно набухший полимер называется студнем. У неограниченного набухания отсутствует предел набухания; с течением времени полимер поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение.

Причиной набухания является диффузия молекул низкомолекулярного растворителя в высокомолекулярное вещество. Между макромолекулами полимера обычно имеются небольшие промежутки, размер которых соизмерим с размером молекул растворителя. Благодаря этому молекулы низкомолекулярной жидкости достаточно быстро проникают между макромолекулами, раздвигая молекулярные цепи.

Набухание включает не только простую диффузию, но и сольватацию макромолекул, т. е. взаимодействие молекул растворителя с молекулами полимера.

При взаимодействии высокомолекулярного вещества с полимером сольватируется не вся макромолекула. Если растворитель полярен, то сольватируются полярные группы, если неполярен — то сольватируются неполярные группы. В зависимости от того, каких групп в полимере больше, он будет быстрее набухать в полярном или неполярном растворителе. Обычно набухание — избирательное явление, так как полимер набухает в жидкостях, близких к нему по химическому строению. Так, углеводородные полимеры типа каучук набухают в неполярных жидкостях — бензине, бензоле. Полимеры, в состав молекул которых входят полярные группы, набухают в воде и спиртах.

Чаще всего жидкой дисперсионной средой в пищевых производствах служит вода. При этом следует учитывать, что часть воды находится в свободном состоянии, а часть — в связанном.

В системах, в состав которых входят биополимеры (высокомолекулярные природные соединения — белки, полисахариды), часть воды, прочно связанная с поверхностью этих макромолекул, образует гидратную оболочку. Например, 1 г яичного альбумина связывает 0,25 г воды, образуя гидратный слой толщиной 0,25 нм.

Свободная же вода служит реакционной средой и растворителем веществ. При участии гидролитических ферментов она вступает во множество реакций, в результате которых образуются новые вещества. Таким образом, свободная вода является и активным участником биохимических реакций.

Мука, состоящая главным образом из сухих протеиновых гелей и крахмальных зерен, при замешивании теста (при взаимодействии с водой) проявляет коллоидные свойства.

Крахмал муки, смоченный водой при комнатной температуре, может адсорбционно связать 35-40% влаги. При более высокой температуре и достаточном количестве воды связывание крахмала с водой увеличивается, и при температуре 60°С и избытке воды происходит процесс клейстеризации крахмала, т. е. нарушение структуры крахмальных зерен и образование коллоидного раствора.

Крахмал, смоченный водой в любом соотношении и в любых условиях, не образует связного теста.

Ведущая роль в образовании теста принадлежит белкам пшеничной муки.

Белки способны набухать в холодной воде и удерживать воду в количестве в 2-2,5 раза больше своей массы. При замешивании теста из пшеничной муки белки при достаточном количестве воды легко и сравнительно быстро (через 3-5 мин) образуют тончайшие нити и пленки, связывающие и склеивающие между собой зерна увлажненного крахмала. Благодаря этому пшеничное тесто приобретает упруговязкопластичные свойства, какими не обладает тесто из других злаков.

Крахмал муки состоит из двух основных фракций — амилозы и амилопектина. Амилоза содержится внутри крахмальных зерен, а амилопектин образует их наружную оболочку. Амилоза отличается меньшей величиной частиц и меньшей молекулярной массой (около 80000), а амилопектин — большей величиной частиц и большей молекулярной массой (115000). Это позволяет рассматривать зерно крахмала как осмотическую ячейку, внутри которой находится растворимая низкомолекулярная фракция — амилоза, обусловливающая избыточное осмотическое давление и приток воды внутрь ячейки.

Гидратация муки при разных температурах зависит от поведения белков и крахмала. В температурном интервале 25-40°С гидратация муки происходит преимущественно за счет белков клейковины. Повышение температуры до 60°С приводит к резкому усилению этого процесса в результате значительного увеличения гидратации крахмала при понижении этой способности у белков клейковины.

Таким образом, набухание пшеничной муки при низкой температуре (25-40°С) в основном протекает вследствие осмотического набухания бежов, а при более высокой температуре (60°С) — в результате осмотического связывания воды крахмалом.

В связи с этим схему образования теста можно представить в следующем виде.

Белки, содержание которых в пшеничной муке составляет 10- 20%, при температуре замеса около 30°С поглощают незначительное количество воды путем взаимодействия гидрофильных групп белка с водой, а значительное количество воды диффундирует внутрь белка в результате наличия в нем избыточного осмотического давления.

Крахмал, содержание которого в пшеничной муке достигает 70%, при той же температуре теста поглощает до 30% воды благодаря активности гидрофильных групп. Так как крахмал количественно преобладает в муке, то содержание влаги, связанное крахмалом и белками клейковины, приблизительно одинаково.

При неограниченном оводнении коллоидов муки часть воды находится в свободном состоянии в капиллярах теста. Незначительная часть растворимых белков, а также сахара и неорганические соли находятся в растворе.

Набухшие белки во время замеса плотно соприкасаются друг с другом и образуют сплошную белковую сетку с адсорбционно связанными с ними, слабо набухшими крахмальными зернами. В белковую сетку, кроме того, входят другие нерастворимые вещества. Это приводит к образованию массы (теста), обладающей упруговязкопластичными свойствами.

Недостаточное количество воды при замесе теста приводит к получению несвязной массы увлажненного сырья. При избыточном количестве воды, добавляемой к муке, не образуется связного теста, а получается мучная болтушка, в которой частицы набухшего белка разделены водными оболочками, препятствующими соприкосновению их и образованию клейковинных нитей.

Тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, — более сложный комплекс, так как в состав его кроме муки и воды входят и другие виды сырья, в первую очередь сахар и жир, влияющие на набухаемость коллоидов муки.

Сахар, присутствующий в кондитерском тесте в виде водного раствора, оказывает влияние на степень набухания белков клейковины. С увеличением концентрации сахара степень набухания белков снижается.

Жир, адсорбируясь на поверхности белков, образует пленки, препятствующие проникновению воды внутрь макромолекул белков, что ослабляет связь между ними, при этом уменьшается упругость и увеличивается пластичность теста.

Таким образом, регулируя количество сахара и жира, добавляемых при замесе теста, можно получать тесто с определенными физическими свойствами.

5.4.5. Структурообразование в дисперсных системах

Одно из важных свойств дисперсных систем и растворов ВМС — способность их к структурообразованию.

Коллоидные системы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы по своим свойствам похожи на обычные жидкости. Их вязкость очень мало отличается от вязкости дисперсионной среды.

Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодис- персными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку или структуру.

Рассмотрим процесс структурообразования на примере пектина при производстве фруктового желе.

Желеобразная консистенция фруктовых консервов достигается благодаря присутствию в сырье пектина, который образует в сахарокислотном растворе пространственную сетку. Пектин при нагревании образует коллоидные растворы. На поверхности молекул пектина адсорбированы молекулы воды, которые создают сольватную (водную) оболочку вокруг частиц пектина. Это препятствует соединению пектиновых молекул для образования пространственной сетки. Для формирования желе необходимо присутствие наряду с пектином Сахаров и кислот.

Сила притяжения частиц пектина сосредоточена по краям молекулы. Соединение частиц концами приводит к образованию пространственной сетки, которая охватывает весь объем продукта и служит каркасом студня (см. рис. 25). Укрепление сетки происходит за счет водородных мостиков, которые образуются между карбоксильными и гидроксильными группами соседних пектиновых молекул.

Образовавшиеся ячейки внутри заполнены жидким сахарокислотным раствором. По мере остывания студня тепловое движение замедляется и продолжается процесс укрупнения студня, т. е. сближение молекул и образование цепей. Чем выше концентрация пектина, тем легче сближение молекул и прочнее их сцепление и тем быстрее идет застудневание.

Механическое воздействие на студень при его остывании ослабляет его прочность. Но при нагревании структура студня может быть восстановлена. Это свойство пектиновых студней называется тиксотропией.

Пектино-сахаро-кислотный студень — упруго-эластичная система, в которой каждый компонент выполняет свои функции.

Схема сцепления частиц пектина в желе:
1 — концевые участки, свободные от зарядов; 2 — частицы пектина; 3 — соль- ватные оболочки;
4 — петли пектиновой сетки с дисперсионной средой.

Каркас студня составляет пектин, поэтому прочность студня будет зависеть от вида и качества пектина. Лучше и прочнее студень образуется в присутствии высокометоксилированного пектина, который имеет длинную цепочку с числом метоксильных групп более 70%. Значение имеет также общее содержание пектина в сырье и его природа. Наилучшей желирующей способностью обладает пектин яблок, крыжовника, черной смородины, кожуры цитрусовых. Концентрация пектина должна быть около 1%.

Количество сахара, которое требуется для образования студня, зависит от свойств и количества применяемого пектина. Чем больше пектина и выше его желирующие свойства, тем больше требуется сахара для студнеобразования. Максимальное количество сахара, которое может быть использовано для образования студня, — показатель «сахароемкости» пектина. Он определяет студнеобразующую способность и измеряется в градусах. Это масса сахара, приходящаяся на единицу массы пектина. Для пектина средней студнеобразующей способности содержание сахара должно быть близким к насыщенному раствору при комнатной температуре, т. е. 65%.

Еще один компонент пектинового студня — кислота. Она определяет рН студня. Чем больше диссоциирована кислота, тем более она способствует образованию агрегатов пектиновых молекул, так как при диссоциации кислоты в растворе появляются свободные положительно заряженные ионы водорода (Н + ). Они взаимодействуют с отрицательно заряженными молекулами пектина, нейтрализуют их заряд и способствуют сближению и агрегатированию. Полиметилга-лактуроновая кислота может находиться в виде слаборастворимых солей калия или натрия. Ионы водорода вытесняют и замещают катионы калия и натрия из солей пектиновых кислот, а пектиновые кислоты имеют лучшую студнеобразующую способность, чем их соли. После полного замещения катионов ионами водорода добавление кислоты не оказывает влияния на студнеобразующую способность и прочность студня.

Хорошее желирование пектиновых веществ достигается при рН среды 3,0-3,4 и титруемой кислотности 1%. Чем ниже рН, тем быстрее идет студнеобразование и меньше требуется пектина. Например, при рН 3,1 концентрация пектина в студне должна быть не менее 0,7%, при рН 3,-0,8%, при рН 3,-0,9%. При рН более 3,5 студень образуется непрочный.

Используя способность ВМС к образованию студней, можно получить более сложные дисперсные системы, например, пенообразные кондитерские массы (пастилу). Эти изделия являются в основном агаровым студнем. Он имеет пористую структуру с ячейками микроскопических размеров (до 20 мкм).

В пастильном студне распределены мелкие воздушные пузырьки, и готовая сухая пастила напоминает по своей структуре твердый крем. В производстве пастилы процесс обычного студнеобразования мармелада сочетается с процессом пенообразования (сбивания) яблочно-сахарной смеси.

При сбивании пастилы путем продолжительного встряхивания яблочно-сахарной смеси происходит вспенивание ее, т. е. масса насыщается воздухом; при этом воздух захватывается яблочно-сахарной массой и дробится на мелкие частички. По мере увеличения скорости механического взбалтывания степень раздробленности воздуха увеличивается, размеры пузырьков воздуха уменьшаются, а вязкость массы повышается. Постепенно образуется густая пена, состоящая из мелких пузырьков воздуха, затянутых в тонкую пленку из окружающей полужидкой яблочно-сахарной смеси.

В физико-химическом смысле пена представляет собой двухфазную систему газ-жидкость. В данном случае дисперсной фазой является газ-воздух, а дисперсионной средой — полужидкий раствор сахара, кислоты и пектина. Этот раствор образует оболочку дисперсных частиц газа (воздуха), которая несет на себе поверхностный пограничный слой, отделяющий одну фазу от другой.

В процессе образования пены происходит сильное развитие поверхности раздела на границах газообразной и жидкой фаз. Увеличение поверхности раздела зависит от размеров образующихся воздушных ячеек. Чем меньше размеры последних, тем больше эта поверхность, тем больше сила поверхностного натяжения o.

Сила поверхностного натяжения всегда стремится сократить до минимума общую поверхность раздела всей системы, сделать ее наименьшей. В данном случае она стремится сократить до возможных пределов общую сумму поверхностей отдельных капелек, образующих пенную эмульсию. При действии этой силы отдельные пузырьки воздуха в пене стремятся соединиться в одну массу. Пленка капелек прорывается, отдельные капельки, постепенно сливаясь (агрегируясь) друг с другом, образуют новые пузырьки — капли более крупных размеров, степень дисперсности уменьшается, пена «опадает». Процесс самопроизвольного разрушения пены и эмульсии называется коалесценцией.

В пенах процесс коалесценции идет весьма интенсивно благодаря близкому расположению капелек по отношению друг к другу.

Чтобы сделать пену более устойчивой, стабилизировать ее, в качестве пенообразующего средства (ПАВ) при сбивании пастилы обычно используют белок куриного яйца, который, располагаясь в поверхностном слое пленки пузырьков пены, увеличивает механическую прочность этого слоя и тем самым препятствует прорыванию пленки пузырьков и агрегированию последних.

Механизм совмещения студневой и пенной структур при смешивании сбитой массы с агаровой (или мармеладной) можно представить так: при смешивании с холодной сбитой массой горячая масса агарового сиропа или мармелада заполняет воздушные пространства между пузырьками сбитой массы, вытесняя оттуда воздух (см. рис. 26).

При этом прочность пленки структурных элементов массы значительно увеличивается. Последняя возрастает благодаря тому, что температура всей массы поднимается до 50°С и адсорбированный альбуминовый гель пленки при указанной температуре, близкой к свертыванию альбумина, фиксируется в ней в виде плотного коагулята. Одновременно же по мере остывания массы в пространстве между пузырьками происходит формирование прочного агарового (или пектинового) студня. Смешивание сбитой массы с горячей желейной (или мармеладной) массой создает, таким образом, необходимые условия для образования структуры пастилы.

Схема совмещения пенной и студневой структур пастилы:
1 — агаро-сахаро-водный студень; 2 — воздух; 3 — пектино-белково-сахаро- водная пленка.

После остывания массы получается характерный пастельный студень, который отличается от мармеладного только пористой структурой благодаря мельчайшим воздушным включениям, равномерно распределенным в его массе.

Источник