Эмульсии, их свойства и характеристика

Эмульсии - грубодисперсные системы из взаимно нерастворимых жидкостей. В таких системах одна из жидкостей (дисперсная фаза) взвешена в другой (дисперсионной среде) в виде капелек.

Чаще всего эмульсии состоят из воды и второй жидкости, которую принято называть «масло». Так, к числу «масел» относятся бензин, керосин, бензол, масла минеральные, животные, растительные и другие неполярные жидкости, которые гидрофобны.

Можно диспергировать гидрофобную жидкость в воде, и наоборот, возможно диспергировать воду в гидрофобной жидкости, Следовательно, принципиально могут быть эмульсии двух типов: масло в воде (сокращенно м/в), где дисперсной фазой будет масло, а дисперсионной средой - вода, и вода в масле (сокращенно в/м), когда дисперсная фаза - вода, дисперсионная среда - масло. Примером эмульсии первого типа может служить коровье молоко (эмульсия жира в гидрозоле белка), а эмульсии второго типа - различные медицинские мази (эмульсии воды в масле).

Эмульсии обычно получают механическим диспергированием - эмульгированием одной жидкости в другой сильным перемешиванием, встряхиванием, а в некоторых случаях с помощью ультразвука. В пищевой промышленности и кулинарной практике это выполняется на специальных взбивальных машинах.

Благодаря огромному увеличению поверхности раздела между двумя жидкостями эмульсия приобретает большой запас свободной поверхностной энергии Е и становится термодинамически неустойчивой, такая система будет стремиться самопроизвольно перейти в устойчивое состояние путем уменьшения запаса свободной поверхностной энергии. Этот самопроизвольный процесс может происходить или за счет уменьшения поверхностного натяжения или за счет уменьшения величины поверхности S, так как свободная поверхностная энергия связана с поверхностным натяжением и суммарной величиной поверхности уравнением Е = S.

Если понижение запаса свободной поверхностной энергии пойдет за счет уменьшения суммарной поверхности системы, это выразится в слиянии капелек жира, в уменьшении числа жировых капелек. Слияние капель эмульсии называют коалесценцией, она подобна коагуляции и быстро заканчивается расслоением системы на две отдельные жидкие фазы с минимальной поверхностью раздела. Такое слияние приводит к разрушению эмульсии.

Понижения поверхностной энергии можно добиться и за счет уменьшения поверхностного натяжения, которого можно достичь введением в систему какого-либо поверхностно-активного вещества, способного адсорбироваться на поверхности капелек эмульсии и препятствовать их слиянию. Подобные вещества, стабилизирующие эмульсию, называют стабилизаторами или эмульгаторами. При этом суммарная поверхность системы останется неизменной, а образующаяся эмульсия станет устойчивой.

Эмульгаторами концентрированных эмульсий, должны быть вещества, образующие на поверхности капелек эмульгируемой жидкости прочные адсорбционные пленки.

В зависимости от типа эмульсии следует брать гидрофильные или гидрофобные эмульгаторы той или иной степени дисперсности. Эмульгатор должен быть подобен той жидкости, которая образует дисперсионную среду.

Так, эмульсии типа м/в стабилизируются растворимыми в воде высокомолекулярными соединениями, например белками. Адсорбируясь на границе раздела фаз, они образуют в поверхностном слое сетчатые и гелеобразные структуры, создающие структурно-механический барьер, который препятствует объединению частиц дисперсной фазы.

Молекулы эмульгатора, содержащие в своем составе полярные и неполярные группы (например, мыла), в адсорбционных слоях ориентируются таким образом, что полярные концы их обращены к полярной жидкости, а неполярные - к неполярной (рис. 4), при этом понижается поверхностное натяжение.

Подобные оболочки из поверхностно-активных веществ на поверхности капелек эмульсии довольно прочны и упруги. При соударении частиц они, как правило, не разрушаются - эмульсии приобретают устойчивость.

Эмульгаторами для эмульсий как первого, так и второго типа также могут служить порошки, так называемые твердые эмульгаторы (рис.5).

Рис. 4. Стабилизация эмульсий мылами	Рис. 5. Эмульсия, стабилизиро-ванная твердым гидрофильным эмульгатором (а) и нестабили-зированная (б)

Порошки должны быть высокодисперсными и обязательно должны лучше смачиваться той жидкостью, которая служит дисперсионной средой; в этом случае большая часть твердых частиц будет находиться с внешней, наружной стороны капелек, образуя оболочки высокой прочности, которые предохраняют их от коалесценции при столкновениях.

При получении пищевых эмульсий выбор эмульгатора ограничен предъявляемыми к нему требованиями с точки зрения пищевого достоинства.В пищевой промышленности и общественном питании в качестве эмульгаторов применяют в основном естественные стабилизаторы различной химической природы (белки, фосфатины, пектины и т.д.)

При некоторых условиях эмульсии одного типа могут превращаться в эмульсии другого типа. Это явление называется обращением фаз эмульсий. Обращение фаз эмульсий можно вызвать добавлением эмульгатора противоположного типа, т. е. изменением природы эмульгатора или длительным механическим воздействием; так, например, взбивание сливок приводит к получению масла. При этом эмульсия типа м/в (сливки) переходит в эмульсию типа в/м (масло) с довольно малым содержанием воды в виде дисперсной фазы.

Высококонцентрированные эмульсии с концентрацией дисперсной фазы более 74% называют желатинированными. В подобных эмульсиях капельки дисперсной фазы сильно деформированы. Из шариков они превращаются в многогранники, последние могут быть плотнее упакованы. Высококонцентрированные эмульсии могут содержать до 99% дисперсной фазы. Дисперсионная среда в таких эмульсиях превращается в тонкие пленки, разделяющие дисперсную фазу на многогранники (рис. 6). Желатинированные эмульсии твердообразны: сохраняют свою форму, не растекаются. Примером могут служить сливочное масло, маргарин, майонез, густые кремы.

Разрушение эмульсий может быть достигнуто следующими способами:

1) химическим разрушением защитных пленок соответствующими веществами;

2) разрушением защитных пленок механическим воздействием, которое применяется, например, при сбивании сметаны и сливок для получения масла;

3) термическим разрушением - расслоением эмульсий при нагревании. При замораживании также может наблюдаться расслоение эмульсии.

Рис. 6. Схема желатини-рованной эмульсии	Рис. 7. Микрофотография майонеза машинного (а) и ручного (б) эмульгирования

Эмульсиями являются разнообразные продукты питания; молоко, сливочное масло, маргарин, сливки. Молоко - это полидисперсная система, компоненты которой находятся в различной степени дисперсности. Маргарин представляет собой эмульсию типа в/м, а сливочное масло - сложную структурированную эмульсию, содержащую элементы обоих типов эмульсии м/в и в/м в разных соотношениях.

Ярким представителем эмульсий является майонез. Дисперсионная среда в майонезе - вода желтков и уксуса. Дисперсной фазой служит растительное масло. Эмульгаторами в классическом майонезе служат вещества желтка и порошка горчицы. Молекулы вителлина желтка образуют защитную пленку на поверхности жировых шариков, горчица содержит поверхностно-активные вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе жир-вода, что значительно облегчает эмульгирование и уменьшает склонность шариков к округлению. Частица порошка действуют и как порошкообразный эмульгатор.

Жира в классическом майонезе содержится 74%. Он раздроблен на мельчайшие шарики. При ручном взбивании размер их составляет 1,5-2^.10^–3 см, а при машинном - от 10^-4 до 4^.10^-4 (рис. 7). В 1 г соуса содержится до 10¹² жировых шариков.