Применение коллоидных ПАВ
1. Пищевая промышленность.
Коллоидные ПАВ применяют в хлебопекарной, макаронной и кондитерской промышленности. Это позволяет улучшить качество продуктов, увеличить срок хранения за счет удерживания влаги, сократить расход сырья. Благодаря применению коллоидных ПАВ сохраняется форма макаронных изделий при варке.
В мясоперерабатывающей промышленности ПАВ коллоидные ПАВ применяют для улучшения вкуса продуктов, повышения стойкости к воздействию неблагоприятных факторов при хранении, в качестве биологически инертных покрытий на мясопродукты.
В пищеконцентратной промышленности коллоидные ПАВ применяют для улучшения структуры продукта, исключения комкования и слипания.
Коллоидные ПАВ применяют также при производстве мороженного, за счет чего замедляется процесс таяния, улучшается вкус и консистенция продукта.
2. Сборка нефти растворами ПАВ. ПАВ собирают пленки ПАВ в одну каплю, которую легко удалить с поверхности.
3. Благодаря солюбилизирующему действию ПАВ их применяют в медицине, фармации для перевода в растворимое состояние нерастворимых в воде лекарств.
4. ПАВ применяют в качестве ингибиторов коррозии, так как они способны образовывать на поверхности практически мономолекулярную пленку, защищающую металл от воздействий внешней среды.
7.3. Эмульсии
Эмульсии – дисперсные системы, в которых дисперсионная фаза и дисперсионная среда являются взаимно нерастворимыми или плохо растворимыми жидкостями (молоко, сливочное масло, майонез).
Частицы дисперсной фазы эмульсии имеют сферическую форму, так как сферические частицы по сравнению с частицами другой формы обладают минимальной поверхностью, а, следовательно, минимальной поверхностной энергией (Gпов = σ·S).
Дисперсионная среда эмульсий может быть как полярной, так и неполярной. Любую полярную жидкость принято обозначать буквой «В» (вода), а неполярную – «М» (масло).
Получение, устойчивость и разрушение эмульсий определяется особенностями границы жидкость-жидкость.
7.3.1. Классификация эмульсий
1. По концентрации дисперсной фазы (Сдф) различают:
– разбавленные (Сдф £ 0,1 % об.);
– концентрированные (0,1 £ Сдф < 74 % об.);
– высококонцентрированные (Сдф > 74 % об.).
2. По полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды различают:
– эмульсии I рода (прямые) – М/В (молоко);
– эмульсии II рода (обратные) – В/М (сливочное масло).
В прямой эмульсии капельки неполярной жидкости (масла) распределены в полярной среде (воде); в обратной эмульсии – наоборот.
7.3.2. Методы получения эмульсий
Эмульсии, как и любые другие дисперсные системы можно получить двумя группами методов:
1) Конденсационные методы. Например, конденсация паров. Пар одной жидкости (дисперсная фаза) инжектируется под поверхность другой (дисперсионная среда). В таких условиях пар становится пересыщенным и конденсируется в виде капель размером ~ 1 мкм. В результате образуется эмульсия.
2) Диспергационные методы, которые основаны на дроблении дисперсной фазы. Различают:
– механическое диспергирование (встряхивание, смешение, гомогенизация). Промышленность выпускает смесители разнообразных конструкций с мешалками пропеллерного и турбинного типов, коллоидные мельницы и гомогенизаторы. В гомогенизаторах дисперсную фазу пропускают через малые отверстия под высоким давлением. Эти устройства широко применяются для гомогенизации молока, в результате чего средний диаметр капель жира в молоке уменьшается до 0,2 мкм. Такое молоко не отстаивается.
– эмульгирование ультразвуком. При этом применяется ультразвук большой мощности. Наиболее эффективна область частот от 20 до 50 кГц.
– эмульгирование электрическими методами. Преимущество – высокая монодисперсность получаемых эмульсий.
7.3.3. Устойчивость эмульсий
Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобными.
Лиофильные эмульсии термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования массы жидкости до капель определенного размера. Таких эмульсий немного, например, смазочно-охлаждающие жидкости.
Лиофобные эмульсии термодинамически неустойчивы, не могут образовываться самопроизвольно, существовать длительное время и нуждаются в стабилизации.
Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном слиянии капель дисперсной фазы и образовании частиц большего размера – коалесценции (рис. 58).
Лиофобные эмульсии нуждаются в повышении их агрегативной устойчивости. С этой целью в эмульсии вводят вещества – эмульгаторы, способные стабилизировать эмульсию.
Типы эмульгаторов
1. Низкомолекулярные ПАВ (коллоидные ПАВ).
Стабилизация эмульсий ПАВ связана с адсорбцией и определенной ориентацией молекул ПАВ на поверхности капель дисперсной фазы: полярные группы ПАВ обращены к полярной фазе (В), а неполярные радикалы – к неполярной (М). В соответствии с правилом Банкрофта, стабилизация эмульсий производится ПАВ, которые лучше (но не полностью) растворяются в жидкости, являющейся дисперсионной средой.
Выбор эмульгатора можно производить, исходя из его гидрофильно-липофильного баланса (ГЛБ):
,
где Вi – групповое число.
ПАВ с числом ГЛБ = 8 ¸ 13 лучше растворимы в воде, чем в масле (т.е. имеют сильные гидрофильные свойства), поэтому стабилизируют прямые эмульсии. ПАВ с числом ГЛБ = 3 ¸ 6 стабилизируют обратные эмульсии.
При использовании в качестве эмульгаторов ПАВ реализуются три основных фактора устойчивости:
1) Адсорбционно-сольватный фактор. Эмульгатор, адсорбируясь на поверхности капли эмульсии, снижает поверхностное натяжение, а, следовательно, и свободную поверхностную энергию на границе капля – дисперсионная среда. Система становится более устойчивой.
2) Электростатический. Является существенным для эмульсий, стабилизированных ионогенными ПАВ и полиэлектролитами (белками). Заключается в образовании ДЭС вокруг капелек эмульсии и возникновении энергетического барьера, препятствующего сближению частиц дисперсной фазы (потенциальная кривая)
3) Структурно-механический. На поверхности капель образуется слой молекул эмульгатора, обладающий повышенной вязкостью и упругостью и препятствующий слиянию капель.
В пищевой промышленности в качестве эмульгаторов испльзуют:
– синтетические ПАВ: соли олеиновой кислоты, моноглицериды жирных кислот, сахароглицериды;
– природные эмульгаторы – холестерин (одноатомный насыщенный спирт из группы стеринов), лецитин (соединение глицерина, жирных кислот, фосфорной кислоты и холина);
– естественные природные продукты, содержащие ПАВ – молотый перец, горчица, яичный желток (содержат холестерин и лецитин).
2. Высокомолекулярные соединения – белки (желатин, казеин и т.д.), полисахариды (крахмал, целлюлоза). При использовании ВМС в качестве стабилизаторов реализуется структурно-механический фактор устойчивости. Структура защитных слоев в данном случае совершенно иная, чем у низкомолекулярных ПАВ. Полярные группы равномерно распределены вдоль длинных цепей молекул ВМС. Поэтому эти молекулы располагаются горизонтально в плоскости раздела капля – среда, могут переплетаться друг с другом, образуя прочные 2-х и 3-х мерные структуры, которые не разрушаются при разбавлении эмульсии и удалении дисперсионной среды. Высокомолекулярные эмульгаторы подчиняются правилу Банкрофта: защитный слой всегда образуется со стороны жидкости, в которой растворимо данное ВМС. Эта жидкость и становится дисперсионной средой.
Многие ВМС содержат ионогенные группы и в растворах диссоциируют на ионы. Например, белки являются полиамфолитами, содержат кислотную и основную группы. В этом случае к структурно-механическому фактору добавляется электростатический.
В пищевой промышленности получили большое распространение белки молочной сыворотки, соевый белковый изолят, казеинат натрия, белки плазмы крови, желатин, крахмал.
3. Тонкоизмельченные нерастворимые порошки, размер частиц которых меньше капелек эмульсии. Действие основано на избирательном смачивании частиц водой и маслом и заключается в создании структурно-механического барьера, защищающего капли от слияния (рис. 60).
Гидрофильные порошки (мел, глины, каолин) стабилизируют прямые эмульсии М/В. Гидрофобные частицы (графит, угли, канифоль) являются стабилизаторами обратных эмульсий В/М.