Микрогетерогенные системы
К микрогетерогенным системам с размерами частиц 10-5…10-3 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.
Суспензии – представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относят фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др.
Суспензии по дисперсности похожи на порошки. 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. Обязательное условие образование эмульсии – нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. 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.
Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Для этого используют различные мешалки, гомогенизаторы, коллоидные мельницы и ультразвук.
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, во-вторых, концентрируясь на поверхности капелек дисперсной фазы, эмульгатор образует механически прочный слой (пленку). Наличие такой защитной пленки на поверхности частиц дисперсной фазы препятствует их слиянию, т.е. предохраняет эмульсию от коалесценции.
К представителям эмульсий относится ряд важнейших жиросодержащих продуктов: молоко, сливки, сливочное масло, сметана, майонез. Употребляемые в пищу жидкие или твердые 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. Размеры частиц аэрозолей лежат в пределах от 10-5 до 10-2 см.
К типичным аэрозолям относятся водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль.
Пыль многих веществ – муки, сахара, крахмала, угля – образует с воздухом взрывоопасные смеси.
Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. Частицы достигают в диаметре 1-2 мм. Размер частиц промышленных порошков определяется их целевым назначением и часто является одним из основных показателей качества продукта.
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 системы, в которых дисперсионная среда – жидкость, а дисперсная фаза – газ. 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. В результате силы притяжения компенсируются и равнодействующая этих сил равна нулю. 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 жидкости 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.
s=F/S
где F – поверхностная энергия; S – площадь поверхности.
Пенообразующие вещества с длинной молекуляной 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 стеканию жидкости (рис.). 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, -NН, -SН, - СN 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 котором прямой чертой обозначают неполярный радикал, а кружком – полярную группу.
К типичным пенообразователям водных пен относятся спирты, малы, белки.
Пенообразование 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.
В природе имеются вещества, способные понижать поверхностное натяжение жидкостей, в особенности воды – ПАВ, обладающие смачивающими, эмульгирующими и другими важными свойствами и играют большую роль в природе. Они находят широкое применение в качестве моющих средств, эмульгаторов и т.д. (спирты, жирные кислоты, мыла, белки и др.). Молекулы ПАВ содержат две части: гидрофобный углеводородный остаток и гидрофильную группировку. При попадании в воду (раствор) они располагаются в поверхностном слое – гидрофильная часть взаимодействует с водой (растворителем), а гидрофобная направлена к воздуху. В результате нарушается прочная пленка воды и вместо нее создается пленка из молекул ПАВ (рис.1б). При этом понижается поверхностное натяжение раствора (капля воды растекается), так как взаимное притяжение между молекулами ПАВ ниже, чем между молекулами воды.
Измерить поверхностное натяжение жидкости можно по определению количества капель, образующихся при медленном ее вытекании из прибора, напоминающего пипетку, - сталагмометра. Причем чем меньше поверхностное натяжение жидкости, тем более мелкие капли из нее образуются, так как капли отрываются в тот момент, когда их масса несколько превысит поверхностное натяжение жидкости.
Молоко содержит поверхностно-активные вещества (белки, фосфолипиды, жирные кислоты и т.д.), поэтому его поверхностное натяжение ниже поверхностного натяжения воды и составляет при 200С около 50×10-3 Н/м. В образовании пленки на поверхности свежего молока участвуют преимущественно поверхностно-активные молекулы белков.
Поверхностное натяжение в молоке и сливках на границе раздела фаз молочная плазма-воздух способствует образованию пены, состоящей из воздушных пузырьков.
Из всего сказанного можно сделать краткое резюме:
молекулы жидкости, например, воды – удерживаются вместе силами притяжения. Эти силы тянут верхние молекулы внутрь, и поверхность жидкости изгибается. Этот эффект, называемый поверхностным натяжением, хорошо виден на примере почти сферической капли воды, выскальзывающей из крана. Именно из-за поверхностного натяжения вода сама по себе не обладает достаточным чистящим действием. Вступая в контакт с пятном, молекулы воды притягиваются друг к другу вместо того, чтобы захватывать частицы грязи. Другими словами, они не смачивают грязь. ПАВ повышают смачивающие свойства воды за счет уменьшения силы поверхностного натяжения (ПАВ покрывают растекающиеся капли, например жира, которые рассеиваются в воде, образуя эмульсию).