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.

ГАЗИ

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.

К неионогенным ПАВ относятся высокомолекулярные производные целлюлозы, сапонины, соли альгиновой кислоты. К этой группе ПАВ относятся также моно - и диэфиры сахарозы, которые нашли широкое распространение в пищевой промышленности в силу своей безопасности, хороших органолептических и функциональных свойств.

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.

ЖАЗЙ

Порядок выполнения работы.

Для проведения работы оборудуют четыре рабочих места. На первую подгруппу выдают 500 г яичных белков, на вторую подгруппу - 500 г молока с массовой долей жира 4,0%, на третью – 500 г сливок с массовой долей жира от 20 до 35%, на четвертую – 500 г молочной сыворотки.

Приборы и материалы:

- Анализатор молока Клевер-2

- Мерные стаканы объемом 600-800 см³ , диаметром не менее 8 см,

- Линейка с ценой деления 1 мм,

- Миксер две шт.

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.

Таблица 1 - Массовая доля жира и кислотность в молоке, сливках и молочной сыворотке

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 10⁰С.

При изучении влияния желатина его в необходимом количестве вносят в молоко, сыворотку или сливки, выдерживают 1 ч для набухания, подогревают до (92-95)⁰С на водяной бане, охлаждают до (20+1)⁰С 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)⁰С их вносят при одновременном взбивании в белки, температура которых составляет (20+1)⁰С.

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.

БАГЛАН Лиза

Лабораторная работа № 15