- Пастильная масса имеет мелкозернистую пористую структуру, которая достигается сбиванием смеси фруктового пюре, сахара и яичного белка (чем больше плотность смеси, тем лучше образуется пена). Пена состоит из мелких пузырьков воздуха, вытянутых в тонкую оболочку из полужидкой фруктово-сахарной смеси.
- Помадная масса – пластическая гетерогенная масса, состоящая из трёх фаз (жидкой, твердой и газовой). Твердая фаза – кристаллы сахарозы, жидкая фаза – насыщенный раствор сахарозы, глюкозы, мальтозы и декстринов (если добавляется патока), газовая – совокупность мелких пузырьков воздуха. Сбивание помадной массы лучше проводить в присутствии пенообразователей (яичного белка).
- Сбивные сахарные массы – это пенообразные массы, содержащие мелкие пузырьки воздуха в оболочках из агаро-сахарозно-паточного сиропа.
- Бисквитные торты изготовляют, используя пенообразование. Бисквитный полуфабрикат имеет наиболее рыхлую структуру. Тесто готовят из муки со слабой клейковиной (28 – 36%). Для получения полуфабриката яйца (меланж) сбивают с сахаром для увеличения объёма в 2,5 – 3 раза, и смешивают сбитую массу с мукой и ароматическими веществами. Значительное увеличение объёма системы объясняется насыщением массы теста пузырьками воздуха в процессе сбивания. При выпекании белки яиц и муки сворачиваются и укрепляют пористую структуру. Бисквитное тесто ‑ неустойчивое.
В кондитерском производстве при изготовлении бисквитного теста вместо яиц часто используют меланж. Пенообразующая способность меланжа зависит от его вязкости: чем меньше вязкость, тем выше пенообразующая способность, тем ниже устойчивость пены (при замешивании с мукой воздушные пузырьки яично-сахарной массы частично разрушаются). При повышенной вязкости меланжа качество теста ухудшается: оно меньше насыщается воздухом и имеет высокую плотность. На пенообразующую способность меланжа влияет температура: с повышением температуры пенообразующая способность меланжа увеличивается (оптимальная температура для меланжа перед его сбиванием 10 С).
- Белково-сбивное тесто получают интенсивным сбиванием яичных белков до полного насыщения массы воздухом, при перемешивании воздуха диспергируется. Сбивание приводит к уменьшению плотности продукта (яиц). Сбивание белков проводят при полном отсутствии жира (предотвращает пенообразование). Для приготовления белкового теста используют свежие яичные белки, от которых тщательно отделяют желтки.
Полуфабрикат готовят без муки, поэтому он – легкий, пористый и крошащийся. Перед сбиванием белки охлаждают до температуры 200С(неохлаждённые белки плохо сбиваются, а выпечённый полуфабрикат будет твердым и расплывчатым). Длительность сбивания зависит от пенообразующей способности белков и достигает 20 – 40 мин. При недостаточном времени сбивания образуется плотный, низкий полуфабрикат, при очень длительном сбивании белков с сахаром масса оседает, разрежается и становится глянцевой.
В предприятиях питания со сбитых сливок готовят десерты, муссы, самбуки, кремы, в которых как пенообразователи используют ПАВ гидрофильно-коллоидные белковые или другие вещества. Тесто, хлеб и мучные изделия относятся к системам с пенообразной структурой и затвердевшими плёнками между ячейками (твердые пены). Для стабилизации пены иногда используют желатин или агар-агар.
В некоторых пищевых производствах пенообразование является нежелательным процессом. Например, высокая пенообразующая способность диффузионного сока в производстве сахара объясняется наличием пенообразователя – сапонина. При продувании воздуха диффузионный сок может превратиться в пену практически полностью. Пена сильно влияет на нормальный процесс выпаривания сока, поэтому его предварительно очищают. В результате очистки сапонин коагулирует, сок не пенится.
Также пенообразование является нежелательным в дрожжевом производстве. Например, при выращивании дрожжей разбавленные питательные среды подлежат интенсивной аэрации, что вызывает образование устойчивых пен. В качестве пенотушителя используют водные эмульсии олеиновой кислоты, разрушающие пену и обеспечивающие нормальное выращивание дрожжей.
Эмульсии – микрогетерогенные системы, состоящие из двух взаимно несмешивающихся жидкостей (одна жидкость диспергирована в другой в виде мелких капель).
Тип эмульсии определяют:
- Смешиванием с водой (порция эмульсии + вода. Результат: равномерное распределение по всему объёму воды – эмульсия І типа м/в. Результат: исследуемая эмульсия не смешивается с водой – эмульсия ІІ типа в/м).
- Окраской одной из фаз (на предметном стекле: эмульсия + краситель Судан ІІІ (растворим только в углеводородах). Результат: поле зрения неокрашенное, а шарики эмульгированной жидкости – красные, то эмульсия І типа (м/в). Результат: поле зрения – красное, а шарики – бесцветные, то эмульсия ІІ типа (в/м)).
- Измерением электропроводности.
Эмульсия І рода (м/в) – высокая электропроводность (водная среда).
Эмульсия ІІ рода (в/м) – низкая электропроводность (среда ‑ масло).
Вывод:
- эмульгатор подобный жидкости, образующей дисперсионную среду;
- гидрофильные (водорастворимые) мыла, ВМС, твёрдые гидрофильные эмульгаторы стабилизируют эмульсию м/в;
- гидрофобные (растворимые в органических растворителях) ВМС, твердые гидрофобные эмульгаторы стабилизируют эмульсию в/м.
Аэрозоли – это дисперсные системы, в которых дисперсной фазой являются мелкие частицы твердого или жидкого вещества, а дисперсионная среда – газ или смесь газов (завись твердях или жидких частиц в газе). Размер частиц дисперсной фазы аэрозолей находится в интервале 10-7– 10-4 м.
По степени дисперсности аэрозоли классифицируют на системы:
- грубой дисперсности с размером частиц 10-4– 10-3 см;
- коллоидной дисперсности с размером частиц 5·10-7‑ 5·10-5 см;
- аналитической дисперсности с размером частиц 10-7‑ 5·10-7 см.
В предприятиях питания используют такие аэрозоли: сухое молоко и молочные продукты, сухой меланж, пищевой альбумин и коптильный дым. В природе возникают природные аэрозоли (туман, пыль).
Аэрозоли классифицируют по агрегатному состоянию дисперсной фазы:
- аэрозоли с жидкой дисперсной фазой – «туманы » и размером частиц дисперсной фазы 10-7– 10-5 м;
- аэрозоли с твердой дисперсной фазой – «дымы » и размером частиц дисперсной фазы 10-9– 10-5 м;
-«пыли »‑ аэрозоли с твердой дисперсной фазой, размеры частиц которых больше, чем в дымах, больше чем 10-5 м.
Форма частиц аэрозолей зависит от агрегатного состояния вещества дисперсной фазы: в туманах капельки жидкости шаровидные, в дымах – игольчатые, пластинчатые.
По своему происхождению системы с газовой дисперсионной средой делят на диспергационные и конденсационные аэрозоли.
Способы получения аэрозолей:
І. Методы конденсации, в основе которых ‑ конденсация пересыщенных паров. Пересыщение паров достигается за счёт охлаждения системы или при образовании пара вследствие химической реакции.
Охлаждение, пересыщение и конденсация паров может происходить:
- адиабатическим расширением газа, содержащим пар любой жидкости (образование обычных облаков, когда теплые массы воздуха поднимаются в виде слоёв атмосферы).
- при контакте с холодной поверхностью;
- при смешивании с холодным газом.
Различают:
- физическую конденсацию;
- химическую конденсацию (хемоконденсацию).
Химические реакции, в результате которых образуются аэрозоли, могут иметь разный характер. Так, вследствие окисления при сгорании топлива возникают дымовые газы, содержащие вещества с достаточно малым давлением пара. Смешиваясь с холодным воздухом, эти продукты конденсируются и образуются топочный дым.
Дымы образуются также при взаимодействии газообразного аммиака с хлороводородом:
NH3(газ) + HCI(газ)→ NH4CI(твердая фаза),
При сгорании фосфора на воздухе (образуются частицы Р2О5), при взаимодействии сернистого ангидрида с парами воды
SO2(газ) + H2O(газ)→ H2SO3 (жидкая фаза)
В том числе и вследствие фотохимических реакций.
Таким образом, процессы образования конденсационных аэрозолей достаточно распространены.
ІІ. Методы диспергирования основываются на измельчении и распылении твердых тел или жидкостей в газовой дисперсионной среде. По размеру частиц аэрозоли, полученные диспергационными методами, имеют большие размеры частиц и менее однородные по степени дисперсности.
- Пневмораспыление. Жидкость под небольшим напором подаётся в форсунку, где она подхватывается высокоскоростным потоком газа. Поток газа измельчает струю жидкости на отдельные ручейки, которые в свою очередь измельчаются до отдельных капелек.
- Распыление жидкостей сжатым воздухом. Для этого используют пульверизаторы разных конструкций. Используют для получения парфюмерно-косметических аэрозолей, аэрозолей лекарственных препаратов и инсектицидов с помощью аэрозольных баллончиков.
- Ультразвуковое распыление. Источник ультразвука опускают в резервуар с жидкостью или жидкость пропускают через насадку, в которой находится источник ультразвука. Получают аэрозоли с высокой концентрацией дисперсной фазы и размером капель 2 ‑ 5∙10-6 м. Широко используют для распыления лекарственных препаратов – водных растворов антибиотиков.
- Электродинамическое распыление. Сущность метода: к металлическому капилляру с очень маленьким отверстием (гидростатическое давление уравновешивается силами поверхностного натяжения), прикладывают высокое напряжение (20 ‑ 30 кВ). С конца капилляра извергается веер мельчайших монодисперсных заряженных капель, каждая из которых имеет радиус меньший, чем 1мк и несет до 1000 элементарных зарядов. Метод позволяет получить жидкие аэрозоли с мельчайшими по размерам и сильно заряженными каплями.
- Механическое распыление жидкостей. Осуществляется с помощью ультрацентрифуг, механических насадок и диска, который вращается с большой скоростью. Например, пыльные облака получают распылением заранее измельченных твердых тел – порошков.
Свойства аэрозолей:
- Оптические свойства. Вследствие большой разности в плотностях, а соответственно и в показателях преломления обоих фаз, светорассеивание в аэрозолях более интенсивное, чем в лиозолях, и они не пропускают свет. Благодаря этому свойству аэрозоли широко используют для создания маскировочных дымовых завес. Со всех дымов лучше всего рассеивает и отражает свет дым Р2О5, поэтому его маскировочная способность принимается за стандарт.
Большинство туманов и дымов кажутся белыми, так как волны разной длины приблизительно одинаково рассеиваются, или отражаются большими частицами аэрозолей. Вследствие сильного светорассеивания аэрозоли, находящиеся в верхних слоях атмосферы, уменьшают интенсивность солнечной радиации, тем самым влияют на климатические условия.
- Молекулярно-кинетические свойства. В аэрозолях длина свободного пробега молекул дисперсионной среды газа больше, чем размер частиц дисперсной фазы. Благодаря меньшей вязкости среды броуновское движение аэрозольных частиц более интенсивное, чем движение частиц в лиозолях.
Для аэрозолей характерны такие специфические явления, как термофорез и термопреципитация, связанные с кинетическими свойствами.
- Термофорез – явление перемещение аэрозольных частиц в поле градиента температуры, т.е. их движение в направлении снижения. Когда поверхность частицы нагрета неравномерно, то вдоль её в направлении низших температур возникает поток газа – тепловое течение газа. Этот поток порождает силу, действующую вдоль поверхности в том же направлении. Поэтому тепловое течение у поверхности частицы обуславливает её движение в «холодную сторону».
- Фотофорез – явление движение частиц аэрозоля при одностороннем освещении, является отдельным случаем термофореза. Частицы дисперсной фазы аэрозолей в зависимости от их свойств поглощать световое излучение и от давления газа могут двигаться как в направлении светового луча, так и навстречу ему (положительный и отрицательный фотофорез). В нижней стратосфере, где давление воздуха относительно высокое, фотофорез имеет отрицательный знак, и частицы двигаются к Солнцу. Однако, по мере поднятия и падения давления знак фотофореза изменяется, и частицы начинают двигаться в противоположном направлении. Таким образом, происходит изменение знака фотофореза. Вследствие этого в определённых слоях стратосферы формируются устойчивые аэрозольные слои. Это способствует накоплению аэрозолей в атмосфере, и влияет на прозрачность стратосферы и в конечном результате – на климат. Термофорез и фотофорез влияют также на процессы образования облаков и туманов, на их движение в атмосфере.
- Термопреципитация ‑ явление осаждения частиц аэрозоля на холодных поверхностях, которое происходит вследствие уменьшения кинетической энергии частиц аэрозолей при соприкосновении с такими поверхностями. Термопреципитацияобусловлена осаждением пыли на стенках и потолке напротив ламп, теплых труб.
Изменение степени дисперсности резко изменяет свойства дисперсной фазы. Многие вещества находящиеся в грубодисперсном состоянии, не реагируют с воздухом. Если степень измельчения достаточно высокая, то проявляется химическая активность дисперсной фазы, которая возрастает с увеличением интенсивности броуновского движения. Например, сахар, мука, крахмал, измельчённые до состояния аэрозолей, при сжигании сгорают с взрывом.
- Электрические свойства. У частиц аэрозолей отсутствует двойной электрический слой, однако они могут приобретать электрический заряд вследствие адсорбции на их поверхности газовых ионов, образующихся при действии на газ космических лучей, фона природной радиоактивности или ионизирующего излечения. При получении аэрозолей распылением порошков происходит трение частиц одна об одну и о стенки аппаратуры, что приводит к возникновению на них заряда. Распыление жидкостей также сопровождается получением заряженных частиц, так как жидкости всегда содержат электролиты, причем в зависимости от природы жидкости и электролита на поверхности адсорбируются ионы того или другого знака. При образовании капель происходит распределение присутствующего в жидкости электрического заряда.
При определённых условиях, особенно в сухую погоду, может происходить взрыв. Минимальная концентрация, при которой возможен взрыв для аэрозолей пшеничной муки 10 мг/л, крахмала – 7 мг /л и сахара – 13,5 мг/л. Вследствие взрыва возникает значительное давление. Например, 1 г крахмала во время взрыва в замкнутом пространстве создаёт давление 20 атм. Для предотвращения взрыва мучной пыли в мельницах и хлебокомбинатах используют аэрозольтранспорт и аэрацию муки. Например, при хранении мука через 4 ‑6 дней слёживается. Для возвращения муки свойств свежего материала, муку в силосе (специальная железобетонная конструкция) подлежит аэрации: происходит подача воздуха в силос, воздух проникает в толщину муки и разрыхляет её.
Аэрозоли ‑ неустойчивые дисперсные системы (не имеют стабилизаторов) Благодаря интенсивному броуновскому движению в системах с газовой дисперсионной средой аэрозоли коагулируют.
На скорость коагуляции аэрозолей влияют:
-полидисперсность;
- форма частиц;
- наличие на них противоположных по знаку зарядов (биполярность).
Способы разрушения аэрозолей:
- изменение скорости и направления потока аэрозоля, проводится в специальных аппаратах – циклонах, которые представляют собой цилиндрические резервуары с коническим днищем. При пропускании потока аэрозоля через циклон в нём развиваются большие центробежные силы, обеспечивающие уменьшение скорости твердыми частицами и оседание на дно аппарата;
- действие ультразвука используется в основном для разрушения концентрированных аэрозолей – туманов (сернокислого);
- фильтрация используется для тонкой очистки газов от аэрозольных частиц, применяют бумажные, асбестовые, тканевые фильтры, а также фильтры из пористых керамических материалов;
- действие электрического поля высокого напряжения (до 50000 В). В таком поле происходит ионизация молекул газа. При пропускании через электрофильтр аэрозоля частицы адсорбируют эти ионы, приобретают заряд и под действием электрического поля оседают на противоположно заряженном электроде.
Значение аэрозолей:
1) Природные аэрозоли – облака и туманы – значительно влияют на климат региона.
2) В сельском хозяйстве для защиты растений от вредителей и болезней, а также для уничтожения бурьянов, создание дымовых завес с помощью дымовых шашек (окуривание) для цветущих деревьев во время весенних заморозков.
3) В технике для покрытия краской и лаками деталей машин, стен домов и других поверхностей.
4) В медицине для ингаляций при лечении органов дыхания. Применяя разнообразные лекарственные препараты в виде аэрозолей, лечат простуды, и аллергические заболевания лёгких, бронхов, горла и носа.
5) Промышленные аэрозоли, образующиеся в процессе получения и переработки руд, угля, измельчения материалов, производства цемента, сжигания топлива, наносят вред природе и угрожают здоровью человека. Пример отрицательного влияния на экологию – образование смога в промышленных местах. Особенно опасными являются кислотные смоги. Вследствие их взаимодействия с облаками выпадают так называемые кислотные дожди. Они вызывают подкисление почвы и уменьшают её плодородие, пруды и озера превращаются в растворы кислот, в которых погибает рыба, высыхают леса.
6) Частицы горных пород, цементной пыли, угля, асбеста, цветных металлов и других веществ, попадая с воздухом в лёгкие, оседают на альвеолах и обусловливают лёгочные заболевания – пневмокониозы.
7) Патогенные аэрозоли вызывают заражения людей такими болезнями, как острые респиратурные заболевания, грипп, туберкулёз легких, менингит, орнитоз, так как заражение происходит в результате вдыхания аэрозолей микробной и вирусной природы.
8) В пищевой промышленности аэрозоли используют в виде коптильного дыма при изготовлении копченых мясных и рыбных изделий; используют сухое молоко, меланж – в предприятиях питания и кондитерском производстве.
Вопросы и задания для самоподготовки:
1. Сущность грубодисперсных систем.
2. Характеристика эмульсий.
3. Характеристика суспензий.
4. Характеристика пен.
5. Характеристика порошков.