Какими свойствами должен обладать эмульгатор

Раздробление жидкости в мелкие капельки при диспергировании приводит к увеличению ее поверхности, и тем большему, чем мельче частицы дисперсной фазы. Благодаря огромному увеличению поверхности раздела между двумя жидкостями система, полученная диспергированием, приобретает большой запас свободной поверхностной энергии, а такие системы неравновесны, неустойчивы.

Законом термодинамики обусловлено, что любая созданная система находится в состоянии истинного равновесия только в том случае, если общая свободная энергия ее минимальна.

Согласно этому принципу, поверхность раздела двухфазной системы стремится к минимуму. Это осуществляется двумя путями:

— либо за счет сокращения суммарной поверхности раздела между фазами путем слияния мелких капелек дисперсной фазы в более крупные, то есть за счет уменьшения степени дисперсности;

— либо за счет уменьшения межфазной энергии при сохранении общей поверхности раздела путем добавления третьего вещества.

Если растворенное вещество уменьшает поверхностную энергию, то оно будет концентрироваться на поверхности раздела, если же увеличивает – то в объеме фазы.

Представляют интерес те вещества, которые в силу особенностей своей молекулярной структуры концентрируются на поверхности раздела и тем самым сильно снижают поверхностную и межфазную энергию. Такими веществами являются ПАВ.

Молекулы ПАВ ориентируются в пограничном слое в определенном порядке:

— полярные группы (гидрофильные NH2, СООН, ОН) направлены в сторону наиболее полярной жидкости – воды и связаны с ней;

— неполярные (гидрофобные – метальные, фенольные) группы обращены в сторону менее полярной фазы – масла.

Вследствие такой ориентации переход между фазами становится менее резким, и межфазная энергия снижается, что является одним из факторов, способствующих стабилизации эмульсий.

Получение устойчивой эмульсии возможно только в том случае, когда на поверхности всех капелек эмульсии образуется стабилизирующая адсорбционная пленка, механически препятствующая агрегированию и коалесценции капелек.

Образованная эмульгатором адсорбционная оболочка, сольватированная с одной стороны дисперсной фазой, с другой – дисперсионной средой, представляет собой самостоятельную третью фазу, разделяющую в эмульсии водную и масляную среды. Наличие этой пленки исключает возможность слияния капелек (энергетический барьер).

В эмульсиях может происходить два явления – коагуляция и коалесценция.

Коагуляция – объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезия) частиц при их соударении.

Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрическом поле.

Характерные признаки коагуляции: увеличение мутности, появление хлопьевидных образований – флоккул, расслоение исходно устойчивой к седиментации системы с выделением дисперсной фазы в виде коагулянта.

Коалесценция – слияние капель жидкости внутри другой жидкости. В результате коалесценции происходит уменьшение степени дисперсности эмульсий, пен, аэрозолей вплоть до их расслоения на две фазы (жидкость – жидкость или жидкость – газ). Коалесценция происходит в результате флуктуции порыва пленок подвижной среды, разделяющих жидкие и газообразные частицы, что является причиной широкого разброса в значениях времени пленок, характеризующего устойчивость частиц коалесценции.

В результате коагуляции происходит слипание жировых частиц. При размешивании соединившиеся частицы легко разъединяются дисперсионной средой с восстановлением эмульсии, поэтому коагуляция не вызывает разрушения эмульсий с выделением исходных фаз.

При коалесценции капелек, наступающей при разрушении адсорбционных слоев, эмульсии необратимо разрушаются.

Роль эмульгаторов при образовании эмульсий в основном сводится к следующему: они способствуют снижению межфазной энергии и предохраняют диспергированные капельки при их сближении от слияния.

При производстве концентрированных пищевых эмульсий большое значение приобретает их устойчивость в отношении расслаивания. К числу основных факторов, определяющих стабильность образующихся эмульсий, относятся:

— свойства ПАВ;

— механические условия образования эмульсий;

— степень дисперсности и однородность размеров частиц дисперсной фазы;

— вязкость;

— соотношение объемов фаз;

— электрические свойства эмульсий и свойства адсорбционных слоев.

Значение каждого фактора для обеспечения устойчивости эмульсий различно.

При производстве пищевых эмульсий структурно-механический принцип стабилизации приобретает исключительное, решающее значение. Стабильность эмульсии обеспечивается наличием тонкого слоя третьего компонента – эмульгатора – на поверхности диспергированных частиц. Этот слой образует энергетический барьер, предотвращая коалесценцию капелек. В наиболее общем случае барьер может быть как механическим, так и электрическим. Устойчивость же высококонцентрированных эмульсий, в том числе и пищевых, обусловлена структурно-механическими свойствами адсорбционно-сольватных слоев.

По Ребиндеру существуют два основных типа структур.

Первый тип – коагуляционная структура – это пространственные сетки, возникающие путем беспорядочного сцепления мельчайших частиц дисперсной фазы или микромолекул через тонкие расслойки данной среды.

Второй тип – это кристаллизационно-конденсационная структура, образующаяся в результате непосредственного срастания кристалликов с образованием при этом поликристаллического твердого тела.

Жировые основы маргарина относятся к коагуляционному типу структур. Консистенция и пластические свойства жировых основ маргарина в основном определяются соотношением твердой и жидкой фаз в том или ином пищевом жире. Это соотношение твердой и жидкой фаз характерно для каких-то определенных условий кристаллизации (температура, время, перемешивание). При этом важное значение имеет состав непрерывной среды и дисперсной фазы и характер размещения дисперсной фазы в непрерывной жидкой среде.

Для некоторых видов пищевого жира при определенной температуре и условиях кристаллизации количество твердой дисперсной фазы может выйти за предел оптимального соотношения фаз, и тогда на поверхности кристаллов образуются столь тонкие пленки непрерывной жидкой среды, что они не могут мешать массовому хаотическому сращиванию кристаллов друг с другом. В этом случае мы всегда будем иметь наибольшую твердость жировой основы, крошливую консистенцию и наихудшие пластические свойства.

Если при комнатной температуре пленки жидкой непрерывной среды являются оптимальными по толщине, т.е. такими, которые не создают условий для сращивания кристаллов при хранении, при механическом или термическом воздействии на систему, то в этом идеальном случае мы всегда будем получать упрочненные коагуляционные структуры, которые и определяют наилучшие пластические свойства жировых основ.

Чтобы получать упрочненные коагуляционные структуры, обладающие наилучшими пластическими свойствами, за рубежом часто вводят в рецептуру жировой основы два вида саломаса с температурой плавления 32°С и 42°С. При этом вводится довольно значительное количество жидких растительных масел. Указанное, с одной стороны, создает в жировой основе наилучшие соотношения твердой и жидкой фаз, обеспечивая консистенцию, сходную со сливочным маслом, а с другой стороны, создает условия для постоянства консистенции маргарина в довольно большом интервале температур. Наряду с этим, введение в жировую основу высокоплавких саломасов находится в противоречии с требованиями физиологов к составу пищевых жиров.

Прежде всего, следует отметить, что только наличие высокоэффективных эмульгаторов-стабилизаторов позволило создать современную технологию в производстве маргарина и обеспечить выработку пищевого жирового продукта высокого качества. Поверхностно-активные добавки обеспечивают получение тонкодисперсной эмульсии в прочную связь частиц дисперсной фазы с непрерывной средой (твердым при комнатной температуре жиром). Основной вопрос в производстве маргарина – это влияние поверхностно-активных добавок на структурно-механические свойства маргарина, и в частности на способность к солюбилизации.

Адсорбционный слой эмульгатора повышает устойчивость эмульсии, в особенности в тех случаях, когда этот слой структурируется, образуя пленку поверхностного геля с сильно повышенной вязкостью и прочностью.

Эти свойства имеют особое значение для производства маргарина, поскольку готовый продукт представляет собой эмульсию мельчайших частиц жидкой фазы, равномерно размещенных в непрерывной среде твердой фазы при комнатной температуре.

С проблемой прочности эмульсий тесно связан вопрос о типе образующихся с данным эмульгатором эмульсий. Существует возможность образования двух типов. Значение соотношения объемов фаз для определенного типа образующейся эмульсии объясняется тем, что коалесценция и расслоение эмульсии данного типа происходят тем интенсивнее, чем меньше объем дисперсионной среды и чем больше – дисперсной фазы. Если эмульгатор обеспечивает устойчивую эмульсию только одного типа, то соотношение объемов перестает иметь решающее значение в определении типа эмульсии. Инверсия зависит не только от соотношения объемов фаз, но и от концентрации и химической природы эмульгатора.

Эмульгаторы должны обладать следующими свойствами:

— уменьшать поверхностное натяжение;

— достаточно быстро адсорбироваться на поверхности раздела фаз, препятствуя слиянию капель;

— иметь специфическую молекулярную структуру с полярными и неполярными группами;

— влиять на вязкость эмульсии.

Эффективность действия эмульгатора является специфическим свойством, зависящим от его природы, типа эмульгируемых веществ, температуры, рН среды, концентрации, времени эмульгирования и т.д.

Эффективность действия и природа эмульгатора определяют тип эмульсии.

Гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, чем в углеводородах, способствуют образованию эмульсий типа масло – вода, а гидрофобные, лучше растворимые в углеводородах, – эмульсий типа вода – масло. Соотношение размеров полярной и неполярной частей молекул эмульгатора характеризуется специальным показателем – гидрофильно-липофильный баланс. Если ГЛБ эмульгатора составляет 3-6, образуется эмульсия вода – масло, при значении ГЛБ 8-13 образуется преимущественно эмульсия типа масло – вода.

Маргарин представляет собой переохлажденную эмульсию типа вода в масле. При этом не исключена возможность образования эмульсии смешанного типа с преобладанием эмульсии вода – масло.

Основные функции эмульгаторов:

— создание устойчивой высокодисперсной эмульсии;

— стабилизация и предотвращение отделения влаги и жира в готовом продукте;

— обеспечение стабильности при хранении;

— обеспечение антиразбрызгивающей способности при жарке;

— обеспечение пластичности;

— обеспечение создания устойчивой формы кристаллической решетки в процессе структурообразования;

— обеспечение заданных функциональных свойств готового продукта в зависимости от области использования маргарина.

В Украине на протяжении многих лет использовались эмульгаторы, производимые в России, и собственного производства, вырабатываемые на полупромышленных производствах. К ним относятся эмульгаторы:

— Т-1 – продукт глицеролиза говяжьего жира или саломаса;

— Т-2 – продукт полимеризации глицерина, этерифицированный стеариновой кислотой;

— Т-Ф – смесь эмульгатора Т-1 и пищевого фосфатидного концентрата в соотношении 2:1;

— ПМД – пищевые монодиглицериды;

— КЭ – комбинированный эмульгатор – смесь ПМД и фосфатидного концентрата в соотношении 3:1.

Широкая гамма эмульгаторов Нижегородского завода – различные виды дистиллированных моноглицеридов.

В настоящее время в Нижнем Новгороде освоено производство серии новых эмульгаторов на основе лецитина. Это лецитины стандартные, лецитины фракционированные – фосфадитилхолин и фосфадитилсерин, а также гидролизованные лецитины.

В последние годы в Украине преимущественно используются эмульгаторы различных модификаций серии Dimodan, Palsgaard (на некоторых предприятиях Квест).

В разные периоды преимущество в спросе на эти два вида эмульгаторов переходило от одного к другому. Можно сказать, что здесь имеет место конкуренция качество – цена.

В зависимости от жирности маргарина и сферы его применения используют эмульгаторы Dimodan PVP (Dimodan HP), Dimodan ОТ (Dimodan S-T PEL/B), Dimodan СР. Для маргаринов жирностью ниже 40%, которые в настоящее время пользуются спросом у населения, используют дополнительно (кроме Dimodan ОТ, или Dimodan СР., или Dimodan LS) эфиры полиглицерина и рицинолевой кислоты – Grinsted PGPR90.

При производстве низкожирных маргаринов, особенно с содержанием жира 25% и ниже, используют стабилизирующие системы – гидроколлоиды (альгинаты, пектины и др.).

Следует отметить, что фирмы-производители дают рекомендации по применению различных видов эмульгаторов и стабилизирующих систем в зависимости от назначения маргаринов. Соблюдение этих рекомендаций позволяет получить продукцию высокого качества.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Ребиндер П.А. К теории эмульсий / “Коллоидный журнал”, Т. VIII, вып. 3, 1946. – с. 157.

2. Козин Н.И., Варибрус В.И. Производство нового маргарина / Известия вузов. Пищевая технология, 1961, №1. – с. 23.

3. Козин Н.И., Макаренко Е.Н. Известия вузов. Пищевая технология, 1963, №1. – с. 77.

4. Ребиндер П.А. “Коллоидный журнал”, Т. XX, вып. 5, 1958. – с. 507.

5. Дорожкина Т., Бухмет М. Правильный выбор эмульгатора – залог успеха маргарина на рынке / “Масложировая промышленность”, 2002, №1. – с. 32.

6. Горшкова Л., Гладкая В., Рубина Л., Чайка З., Бевзюк Т. Основные направления развития производства маргариновой продукции / “Олійно-жировий комплекс”, 2004, №1(4). – с. 31.

Источник: Аpk-inform.com