К микрогетерогенным системам с размером частиц 10~5... 1СГ3 см относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Т/Г и Ж/Г) и порошки (Т/Г). Как правило, эти системы непрозрачны, частицы гетерогенных систем быстро оседают. Все эти системы широко распространены в природе и имеют большое значение в пищевой промышленности.
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.
Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками; эти системы подобны им по дисперсности. В пищевой промышленности суспензии образуются при получении крахмала, при осаждении осадков в производстве сахара, пива, вина, в кондитерской промышленности 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. Жиры — необходимая составная часть продуктов питания, но так как они нерастворимы в воде, то лучше усваиваются в эмульгированном состоянии. Поэтому употребляемые в пищу жидкие или твердые жиры (растительное масло, животные жиры) в организме сначала переводятся в эмульгированное состояние под действием желчи, а потом усваиваются.
Аэрозоли и порошки. Это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Обычно аэрозоли классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоль с жидкой дисперсной фазой называют туманом, с твердой — дымом и пылью. Аэрозоли с твердой дисперсной фазой, размеры частиц которой больше, чем у дымов, называют обычно пылью. Это деление достаточно условно. Размеры частиц аэрозолей лежат в пределах от 10-5 до 10-2 см. 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.
Частицы порошка всегда находятся в контакте и по этой причине имеют свойство текучести, которое, в свою очередь, зависит от плотности, размера и формы частиц, состояния их поверхности, влажности и других свойств. Повышение дисперсности приводит к уменьшению текучести вследствие роста общей поверхности контакта. Увеличение влажности также снижает текучесть порошков.
|
|
Пены. Высококонцентрированные дисперсные с.истемы, 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 (рис. 36). В результате силы притяжения компенсируются и равнодействующая этих сил равна нулю.
Рис. 36. Схема возникновения поверхностного натяжения:
1 — молекулы; 2 — сферы действия межмолекулярных сил
Рис. 37. Схема структуры пены
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 жидкосги 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
а = F/S, где F— поверхностная энергия;.V — площадь поверхности.
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 сгеканию жидкости (рис. 37). В этом случае толщина слоя жидкости между пузырьками воздуха уменьшается медленно и пена может существовать длительное время.
Пенообразователями могут служить поверхностно-активные вещества (ПАВ), молекулы которых имеют достаточно длинную углеводородную цепь. Многие молекулы органических веществ состоят из двух частей: полярной группы и неполярного углеводородного радикала. К полярным группам относятся —СООН, -ОН, -NH, —SH, -CN и т. д. Эти группы гидрофильны, т. е. хорошо смачиваются водой. В отличие от них углеводородные радикалы гидрофобны, т. е. не смачиваются водой. Схематически дифильные, состоящие из гидрофильной и гидрофобных частей молекулы изображают в виде символа —•, в котором прямой чертой обозначают неполярный радикал, а кружком — полярную группу.
К типичным пенообразователям водных пен относятся спирты, мыла, белки. Пенообразоваиие имеет важное практическое значение. В частности, многие продукты, такие, как хлеб и ряд кондитерских изделий, имеют структуру пены, что определяет их вкусовые свойства и пищевую ценность.
Роль коллоидов в пищевой промышленности исключительно велика, так как эта промышленность в основном перерабатывает коллоидное сырье (белковые вещества, крахмал, пектины, а также такие сложные коллоидные объекты, как мука, желеобразные вещества, мясо, солод и т. п.). Знание свойств и особенностей коллоидных систем совершенно необходимо для правильного проведения технологического процесса.