Особенности действия фундаментальных законов в пищевых системах

В основе науки о технологических процессах лежат основные законы природы – закон сохранения массы и закон сохранения энергии.

Вместе с тем этой науке присущи свои специфические понятия и законы, которым подчиняются технологические процессы, последовательно превращающие сырье в продукты питания.

В основе пищевых технологий лежит сложный комплекс физико-химических, биохимических и микробиологических процессов, в результате которых и происходит превращение сырья в пищевые продукты.

Изучение многих технологических процессов позволило выявить нечто общее, характерное для всех производств. Этим общим является наличие, по крайней мере, одного из двух видов переноса на каждой стадии превращения сырья в полуфабрикат или конечный продукт. Это перенос энергии или перенос массы.

Фундаментальные законы сохранения массы и энергии, на которых основаны любые наши представления о процессах, подтверждают справедливость такого предположения. Для наглядности рассмотрим следующий пример. Возьмем какой либо аппарат, в котором осуществляется технологический процесс (рис. 3). В аппарат подается сырье в количестве Ма и Мв и технологические добавки в количестве Мс, а из аппарата выходят готовый продукт в количестве Мд и отходы производства Ме. Воспользовавшись законом сохранения массы, получим

Ма + Мв + Мс = Мд + Ме или  Мвх =  Мвых. (1)

Это уравнение будем называть материальным балансом. Из уравнения (1) видно, что в процессе производства происходит перенос массы из одних компонентов, входящих в аппарат, в другие.

Для жидкости, движущейся в потоке, изменяющем свою конфигурацию (рис.4), уравнение материального баланса (1) принимает форму уравнения неразрывности потока

w₁S₁ = w₂S₂ = w₃S_3,

где w₁, w₂ , w₃ – средние скорости движения жидкости в соответствующих сечениях;

S₁ S₂ S₃ – площади живого сечения в плоскостях 1-1; 2-2; 3-3.

Живое сечение – это сечение, заполненное жидкостью. Если при безнапорном движении в трубе наблюдается свободная поверхность движущейся жидкости, то живое сечение соответствует только площади самой жидкости. При напорном движении площадь живого сечения совпадает с площадью сечения трубы.

Рис.3. К уравнению материального Рис. 4. К уравнению неразрывности

баланса потока

Каждый компонент, входящий в аппарат и выходящий из него, вносит или выносит определенное количество энергии. Это теплота материалов, нагретых до определенной температуры (так называемая внутренняя энергия, или энтальпия) Еа, Ев, Ед и Еf, а также кинетическая энергия движущихся потоков Ес. Наконец, это любой вид энергии, сообщаемой потокам в аппарате для осуществления необходимых преобразований Епр, и необратимые потери энергии, которые возникают в результате протекания процессов, например потери теплоты в окружающую среду Епот и потери на трение при прохождении потоков через аппарат Етр (рис. 5).

Закон сохранения энергии в этом случае выразится следующим уравнением:

Еа +Ев + Ес + Епр = Ед + Еf + Епот + Етр или  Евх =  Евых (2)

Уравнение (2) получило название энергетического баланса аппарата. Очень часто в расчетах реальных аппаратов рассчитывают количество расходуемой теплоты. Поэтому уравнение (2) называют еще тепловым балансом аппарата. Заметим, что наиболее часто технологические процессы сопровождаются переносом тепловой энергии – теплоты или переносом кинетической энергии – количества движения.

П режде чем перейти к описанию общих закономерностей любого переноса, выясним причины, по которым вещество или энергия переходят из одного компонента в другой. Но вначале обсудим причины, вызывающие распространение вещества или энергии от источника в пределах одного физического тела.

Рис. 5. К уравнению

Энергетического баланса

Движущая сила процесса

Всякий перенос вещества или энергии не совершается сам по себе. Причиной переноса является наличие в системе неравновесия.

Подобно электрическому полю, образующемуся вокруг точечного заряда в пространстве, точечный источник теплоты образует тепловое температурное поле. Это справедливо для точечного источника любого вида энергии и массы. Полем будем называть совокупность значений какой-либо величины в каждой точке рассматриваемого пространства.

Если речь идет об источнике теплоты, то температура в пространстве вокруг него зависит от положения точки и от времени:

Т = f (х, у, z, ) (4)

Если изменений температуры во времени нет, то выражение упрощается и мы говорим о стационарном поле в отличие от первого, нестационарного:

Т = f (х, у, z) (5)

Каждая точка электрического поля характеризуется своим потенциалом. Ток возникает между двумя точками поля, если потенциалы в них различны. Таким образом, движущая сила процесса есть разница потенциалов в двух точках рассматриваемого пространства.

Р азность потенциалов в двух точках температурного поля есть разность температур. Аналогично в качестве движущей силы других технологических процессов выступает разность концентраций или разность химических потенциалов. В целом ряде процессов движущей силой является механическая сила.

Рассмотрим точечный источник теплоты q в плоском сечении пространства (рис.6 – схема температурного поля)). Легко представить вокруг этого источника некоторые криволинейные поверхности, вдоль которых температура остается постоянной. Пусть на поверхности А поддерживается температура

Рис. 6 Т=const, а на поверхности В – температура на Т выше:

Т+Т= const.

Скорость изменения температуры от поверхности А к поверхности В можно охарактеризовать отношением Т к отрезку, на котором это изменение достигнуто. Очевидно, что наибольшая скорость достигается в направлении нормали к поверхности n.

Таким образом, отношение Т/ n характеризует максимальную скорость изменения температуры.

В оспользуемся знаниями из математики:

Г радиент – величина векторная, он показывает, что температура увеличивается в направлении к источнику, т.е. навстречу потоку теплоты. Для трехмерного пространства с осями х, у, z градиент записывается уравнением

П одобным образом для характеристики поля концентрации С для одного направления

А для пространства

Понятие «градиент» является универсальным для характеристики любого поля.

ДИСПЕРСНЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ СИСТЕМЫ

Важная роль в пищевой технологии принадлежит дисперсным и коллоидным системам и их свойствам.

Дисперсные системы гетерогенны и состоят из двух частей. Одна из них – сплошная, называется дисперсионной средой. Другая – раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой.

Дисперсными системами являются большинство продуктов питания, сырье и полуфабрикаты: хлеб, мука, шоколад, сыры, творог, сухое молоко, соки, шампанское, пиво, конфеты и т.п.

Частицы веществ дисперсной фазы могут иметь различные размеры и форму: сферическую, цилиндрическую, прямоугольную, а чаще – неправильную. Образование различных дисперсий можно проиллюстрировать на примере уменьшения размеров куба по трем его осям. При значительном уменьшении размера в одном его измерении образуется пленка или поверхностный слой, при уменьшении размеров куба одновременно в двух измерениях образуются нити или капилляры, а уменьшение его размеров по всем трем измерениям приводит к образованию мелких частиц.

Раздробленность определяется размером тела по той оси, уменьшением которой она достигнута, т.е. наименьшим размером а. Раздробленность характеризуется также величиной, обратной размеру а, т.е. 1/а. Эта величина называется дисперсностью D. Кроме этого раздробленность характеризуется величиной удельной поверхности S_уд, определяемой отношением площади межфазной поверхности к объему тела S/V.

Все три характеристики раздробленности связаны между собой: с уменьшением размера а увеличиваются дисперсность D и удельная поверхность S_уд.

Классификация дисперсных систем

Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности.

Дисперсные системы с частицами, размер которых превышает 10^-3 см, относятся к грубодисперсным системам (рис.). Эти частицы при распределении в жидкости или газе, где они постепенно оседают или всплывают, наблюдаются визуально. Системы с частицами, размер которых лежит в пределах от 10^-5 до 10^-3 см (от 0,1 до 10 мкм), называются микрогетерогенными. Частицы таких систем видны только в микроскоп, в газовой или жидкой среде они также оседают или всплывают.

Гетерогенные системы с частицами размером от 10^-7 до 10^-5 см (от 1 до 100 мкм) относят к ультрамикрогетерогенным. Такие системы называют коллоидными. Частицы в них настолько малы, что вещество, из которого они состоят, почти целиком находится в коллоидном состоянии, т.е. практически содержит только поверхностные атомы и молекулы. Такие частицы по сравнению с отдельной молекулой обладают определенным агрегатным состоянием, которого не имеет молекула. При увеличении числа молекул в частице она постепенно приобретает все свойства фазы. Коллоидные системы вследствие большой удельной поверхности обладают значительной поверхностной энергией, что обусловливает неустойчивость системы, - она всегда стремится к самопроизвольному уменьшению межфазной поверхности, т.е. к снижению дисперсности.

Способность коллоидных систем увеличивать размеры частиц путем их агрегации называется агрегативной неустойчивостью.

Дисперсные системы классифицируются не только по размерам частиц, но и по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Сочетание трех агрегатных состояний (твердое, жидкое, газообразное) дает 9 типов дисперсных систем (табл.). Условно их обозначают дробью, числитель которой указывает на агрегатное состояние дисперсной фазы, а знаменатель – дисперсионной среды. Например, обозначение Г/Ж показывает, что система состоит из газообразной дисперсной Фазы и жидкой дисперсионной среды (газообразное вещество в жидкости).

Коллоидные системы

Коллоидное состояние характеризуется следующими основными признаками: определенными размерами частиц (10^-7…10^-5 см), гетерогенностью и многокомпонентностью.

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями (от латинского слова solutio – раствор).

Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой – лиозолями (от греческого слова lios – жидкость). В зависимости от природы жидкости лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или более конкретно – алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и т.д.

По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями и эмульсиями.

Таблица

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Условное обозначение системы	Название системы и примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые гетерогенные системы: шоколад, кристаллический ирис
Жидкая	-«-	Ж/Т	Капиллярные системы (жидкость в пористых телах): мармелад, бисквитное тесто
Газообразная	-«-	Г/Т	Пористые тела, твердые пены: пастила, зефир, пористый шоколад
Твердая	Жидкая	Т/Ж	Суспензии и лиозоли: взвеси, пасты, какао тертое, помадные массы
Жидкая	-«-	Ж/Ж	Эмульсии: кремы, молоко, масло, сметана
Газообразная	-«-	Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: шампанское, пиво
Твердая	Газообразная	Т/Г	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки: мучная, сахарная пыль, какао-порошок, крахмал
Жидкая	-«-	Ж/Г	Аэрозоли: туманы, в том числе и промышленные, распыленные для высушивания соки, молоко
Газообразная	-«-	Г/Г	Коллоидная система не образуется

Коллоидные системы образуются 2-мя путями: диспергированием – дроблением крупных частиц грубодисперсных систем до коллоидной дисперсности; конденсацией – соединением атомов ионов или молекул в более крупные частицы коллоидных размеров. При этом необходимыми условиями образования кололоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора (создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию).

Эмульгаторы и стабилизаторы

Эмульгаторы (лецитин - относится к группе фосфолипидов, содержащихся в растительных маслах; жирные кислоты и их соли и др.) – это вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз, поэтому их добавляют к пищевым продуктам для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. В частности, с помощью таких добавок создают эмульсии жира в воде или воды в жире.

Принцип действия стабилизаторов (фосфаты) такой же, как и эмульгаторов. Цель их применения – стабилизация уже существующих гомогенных систем или же улучшение степени гомогенизации смесей. Их поверхностная активность обычно меньше активности эмульгаторов.

Стабилизаторы обладают различными положительными функциями:

• сгущают и стабилизируют продукты

• подчеркивают нежный, молочный вкус

• создают правильную структуру

• стандартизируют количество белка в молоке и сливках перед брожением

• предупреждают синерезис

• источники клетчатки (например, пектин), что значительно повышает питательную ценность и качество продуктов

• гарантируют высокую вязкость кисломолочных напитков

Источники происхождения:

• растительного (крахмал, пектин)

• животного (желатин)

• микробиологического (ксантановая камедь)

Применение стабилизаторов позволяет проводить тепловую обработку при 72-85⁰С без нарушения структуры продукта; связывать жир; повышать влагоудерживающую способность молочно-белкового сгустка и тем самым предупреждать отстой сыворотки; предотвращать пороки песчанистости и крупитчастости, возникающие при тепловой обработке; регулировать структуру и консистенцию продукта. Защитная функция стабилизаторов допускает изменение параметров технологического процесса.

К добавкам, влияющим на консистенцию и вязкость продукта, относят загустители, стабилизаторы и гелеобразователи.

Наиболее известны следующие группы этих добавок: белки (желатин, молочные белки, соевые белки); экстракты водорослей (агар-агар, агароид, фурцелларан, альгиновая кислота, ее соли – альгинат: натрия, калия, аммония, кальция, пропиленгликольальгинат); пектиновые вещества (протопектины, нерастворимые в воде, пектины или гидропектины, растворимые в воде, пектиновые кислоты); крахмалы (природные, модифицированные, расщепленные, окисленные, замещенные); целлюлоза и ее производные (метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, гидроксипропиметилцеллюлоза, метилэтилцеллюлоза, натриевая соль карбоксилметилцеллюлозы); камеди (растительные камеди - камедь рожкового дерева, овсяная камедь, гуаровая камедь, трагакант, гуммиарабик,камедь карайи, камедь тары,геллановая камедь, камедь семян айвы и др. , микробные камеди – ксантан, декстран, бета-1,3 глюкан).

Стабилизаторы применяют для достижения определенных эффектов химического, физического и биологического характера и поддержания их в течение более или менее продолжительного времени.

Механизм действия стабилизаторов различен. Для некоторых из них он окончательно не выяснен, однако существуют некоторые теории и предположения на этот счет [1,2,3,4,5].

Действие стабилизаторов, защищающих белки молока при нагревании в кислой среде, объясняют так называемым механизмом коллоидной защиты белка, т.е. защиты, предохраняющей пространственную сетку молочно-белкового геля от уплотнения и потери влаги при тепловой обработке.

Предполагается, что защита складывается из нескольких одновременно действующих факторов, включающих ассоциацию казеина с молекулами стабилизатора, снижение с помощью стабилизатора поверхности натяжения на границе раздела между частицами казеина и водой и таким образом предотвращение слияния частиц казеина, а также замену гидратной оболочки казеина на защитную оболочку из стабилизатора.

Считается, что гели – это сшитые полимеры, которые могут адсорбировать растворитель, но не растворяться в нем. Равновесное влагосодержание растворителя в геле зависит от температуры, типа взаимодействия полимер-растворитель и эластичных сил в сетке полимера, которые противодействуют его разбуханию.

Тужилкиным и др [5] выяснено, что строение молекул пектинов определяет их основные физико-химические и потребительские свойства, к которым относят способность к гелеобразованию в водной среде и комплексообразованию с ионами поливалентных металлов. Образование геля – трехмерной пространственной структуры – происходит путем взаимодействия пектиновых молекул между собой. Процесс зависит в основном от молекулярной массы, степени этерификации пектиновой молекулы и распределения карбоксильных групп. Помимо этого влияние оказывают содержание балластных веществ, температура и рН среды.

Формирование трехмерной пространственной структуры может происходить двумя путями: за счет изменения сил электростатического отталкивания молекул в присутствии дегидратирующих веществ в кислой среде; с участием ионов поливалентных металлов.

По мнению Тророговой и др. [3], гидроколлоиды в силу своей природы в нативном состоянии находятся в форме глобул (макромолекул). Для образования геля в водной среде при их использовании должны быть соблюдены 3 условия с целью так называемого “развертывания глобул”: определенная концентрация полимера в растворе, а также определенная температура и кислотность. При правильном выборе указанных условий можно достичь наибольшего числа полярных контактов макромолекул гидроколлоида и молекул воды в результате своеобразного денатурирования гидроколлоида.

Была сделана попытка описать действие эмульгаторов [4]. Предполагается, что механизм действия эмульгаторов заключается в снижении электрического заряда (от белка) на поверхности жирового шарика. Эмульгатор гидрофобной частью располагается на поверхности жирового шарика, а гидрофильной – на поверхности воды. Молекулы белка, присоединяясь к активным радикалам по гидрофильным остаткам эмульгатора, снижают общий заряд жировой частицы, что уменьшает ооталкивание шариков друг от друга и приводит к агломерации и коалесценции жира в период фризерования. Стабилизаторы или гидроколлоиды при диспергировании в воде гидрируют, связывая большое количество воды путем водородной связи. Водосвязывающий эффект дополняется эффектом фиксации воды, так как стабилизаторы образуют в воде трехмерную сетку, что объясняется взаимодействием между молекулами стабилизатора и (или) молекулами стабилизатора и белка. С образованием такой структуры ограничивается подвижность несвязанной воды.

Диспергирование используют при дроблении и измельчении зерна в муку, какао-бобов в какао тертое и какао-порошок, сахара в сахарную пудру, в консервной промышленности при гомогенизации плодово-ягодных пюре и т.д.

Конденсация возникает в ректификационных аппаратах при получении спирта, кристаллизации сахара, выпаривании растворов, оклейке вин и т.д.

Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, обусловленными самопроизвольным движением частиц. Это такие свойства, как диффузия, осмотическое давление и распределение частиц по высоте.

Причиной диффузии (самопроизвольное выравнивание концентраций) частиц в коллоидных системах является броуновское движение, которое, в свою очередь, является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды. Скорость диффузии обратно пропорциональна размеру диффундирующих частиц, поэтому в коллоидных системах, частицы которых имеют размеры порядка 10^-7…10^-5 см, т.е. значительно больше молекул обычных низкомолекулярных веществ, скорость диффузии невелика.

На коллоидные частицы, распределенные в дисперсионной среде, действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила диффузии. Под действием силы тяжести частицы стремятся осесть на дно – седиментировать. Силы диффузии же стремятся распределить частицы равномерно по всему объему системы. Таким образом, дисперсные системы способны сохранять определнное распределение частиц по объему. Эта способность называется седиментационной или кинетической устойчивостью. Грубодисперсные системы кинетически неустойчивы, их частицы велики и поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Молекулярные системы (газы, растворы) обладают очень высокой кинетической устойчивостью. Кинетическая устойчивость коллоидных систем зависит от размеров их частиц: чем меньше размер частиц, тем более кинетически устойчива коллоидная система.

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.

=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).

Молекулярные коллоиды

(растворы высокомолекулярных соединений)

Вещества, имеющие молекулярную массу от 10000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС).

Вследствие большой молекулярной массы и гибкости цепей макромолекул ВМС и их растворы обладают специфическими свойствами: способностью образовывать волокна и пленки, эластичностью, набухаемостью, структурообразованием.

К важнейшим природным полимерам относятся белки и полисахариды.

Растворы ВМС по своим свойствам аналогичны коллоидным системам. Так же как и у коллоидных растворов, у них сравнительно невелика скорость диффузии, небольшое осмотическое давление, они не проходят через полупроницаемые мембраны.

В отличие от золей растворы ВМС образуются самопроизвольно и не нуждаются в стабилизаторе. Растворению ВМС предшествует набухание.

Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего.

Существует ограниченное (объем и масса полимера достигают определенных значений и дальше не изменяются) и неограниченное набухание (отсутствует предел набухания; с течением времени полимер поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение).

Ограниченно набухший полимер называется студнем.

Причина набухания – диффузия молекул низкомолекулярного растворителя в высокомолекулярное вещество и сольватация макромолекул, т.е. взаимодействие молекул растворителя с молекулами полимера.

Процесс набухания можно разбить на 2 стадии.

На первой стадии низкомолекулярный растворитель, диффундируя в высокомолекулярное вещество, сольватирует его макромолекулы. Образование сальватной (гидратной, если средой является вода) оболочки молекулы полимера сопровождается выделением теплоты, поэтому первая стадия набухания характеризуется положительным тепловым эффектом. Вследствие сжатия растворителя в сольватных оболочках на первой стадии наряду с увеличением объема полимера происходит уменьшение суммарного объема всей системы. Сумма объемов полимера до набухания и поглощенной полимером жидкости больше, чем объем набухшего полимера. Это явление называется внутренним сжатием или контракцией.

На второй стадии набухания, идущей без теплового эффекта, а иногда и с поглощением теплоты, наблюдается обычно основное увеличение объема полимера. Молекулы жидкости на этой стадии набухания диффундируют в полимер, и происходит смешивание больших и гибких макромолекул с молекулами растворителя. Из-за односторонней диффузии, характеризующей эту стадию, ее называют осмотической.

Ограниченное набухание заканчивается на второй стадии, неограниченное приводит к растворению полимера.

Набухание полимера характеризуется степенью набухания

а=(m - m₀)/m₀

где m₀ и m – масса полимера до и после набухания

Степень набухания зависит от прочности и числа межмолекулярных связей в полимере. Чем прочнее межмолекулярные связи и чем их больше, тем хуже набухает полимер.

Если набухание высокомолекулярного вещества идет в каком-либо ограниченном пространстве, препятствующем увеличению объема, то возникает давление набухания, достигающее на начальной стадии набухания нескольких мегапаскалей. Оно может стать причиной разрыва емкостей, наполненных набухающими материалами. При хранении и перевозке многих пищевых продуктов, таких, как зерно, крупа, мука, необходимо учитывать возможность их набухания.

Чаще всего жидкой дисперсионной средой в пищевых производствах служит вода. При этом следует учитывать, что часть воды находится в свободном состоянии, а часть – в связанном, которая значительно отличается по своим свойствам от свободной воды. Ее нельзя использовать в качестве растворителя веществ, она не замерзает даже при «–70⁰С». Для связанной воды характерна пониженная электропроводность. Свободная вода служит реакционной средой и растворителем веществ, является активным участником биохимических реакций.

Ярким примером процесса набухания высокополимеров служит процесс образования теста из пшеничной муки, ведущая роль в которой принадлежит гидратации (сольватации в водных растворах) ВМС муки. Мука, состоящая главным образом из сухих протеиновых гелей и крахмальных зерен, при замешивании теста (при взаимодействии с водой) проявляет коллоидные свойства.

Крахмал муки, смоченный водой при комнатной температуре, может адсорбционно связать 35-40% влаги. При более высокой температуре и достаточном количестве воды связывание крахмала с водой увеличивается, и при температуре 60⁰С и избытке воды происходит процесс клейстеризации крахмала, т.е. нарушение структуры крахмальных зерен и образование коллоидного раствора.

Крахмал, смоченный водой в любом соотношении и в любых условиях, не образует связного теста.

Ведущая роль в образовании теста принадлежит белкам пшеничной муки.

Белки способны набухать в холодной воде и удерживать воду в количестве в 2-2,5 раза больше своей массы. При замешивании теста из пшеничной муки белки при достаточном количестве воды легко и сравнительно быстро (через 3-5 мин) образуют тончайшие нити и пленки, связывающие и склеивающие между собой зерна увлажненного крахмала. Благодаря этому пшеничное тесто приобретает упруговязкопластичные свойства, каким не обладает тесто из других злаков.

Взаимодействие белков с водой состоит из 2 стадий, тесно связанных м/у собой.

1 стадия набухания состоит в связывании ничтожных количеств воды благодаря активности гидрофильных групп белков с образованием вокруг них сольватированных оболочек. На этой стадии значительного увеличения объема не происходит, так как количество связанной воды невелико – около 30%.

2 стадия протекает без выделения теплоты, но со значительным увеличением объема, так как количество воды, связанное белками на этой стадии, составляет свыше 200%.

Набухание пшеничной муки при низкой температуре (25-40⁰С) в основном протекает вследствие осмотического набухания белков, а при более высокой температуре (60⁰С) – в результате осмотического связывания воды крахмалом.

Схема образования теста

Белки (в пшеничной муке 10…20%), при температуре замеса около 30⁰С поглощают незначительное количество воды путем взаимодействия гидрофильных групп белка с водой, а значительное количество воды диффундирует внутрь белка в результате наличия в нем избыточного осмотического давления.

Крахмал (в пшеничной муке достигает 70%) при той же температуре теста поглощает до 30% воды благодаря активности гидрофильных групп. Так как крахмал количественно преобладает в муке, то содержание влаги, связанное крахмалом и белками клейковины, приблизительно одинаково.

При неограниченном оводнении коллоидов муки часть воды находится в свободном состоянии в капиллярах теста. Незначительная часть растворимых белков, а также сахара и неорганические соли находятся в растворе.

Набухшие белки во время замеса плотно соприкасаются друг с другом и образуют сплошную белковую сетку с адсорбционно связанными с ними, слабо набухшими крахмальными зернами. В белковую сетку, кроме того, входят другие нерастворимые вещества. Это приводит к образованию массы (теста), обладающей упруговязкопластичными свойствами.

Недостаточное количество воды при замесе теста приводит к получению несвязной массы увлажненного сырья. При избыточном количестве воды, добавляемой к муке, не образуется связного теста, а получается мучная болтушка, в которой частицы набухшего белка разделены водными оболочками, препятствующими соприкосновению их и образованию клейковинных нитей.

Тесто, используемое для мучных кондитерских изделий, - более сложный комплекс, т.к. в состав его кроме муки и воды входят и другие виды сырья, в первую очередь сахар и жир, влияющие на набухаемость коллоидов муки.

Сахар, присутствующий в кондитерском тесте в виде водного раствора, оказывает влияние на степень набухания белков клейковины. С увеличением концентрации сахара степень набухания белков снижается.

Жир, адсорбируясь на поверхности белков, образует пленки, препятствующие проникновению воды внутрь макромолекул белков, что ослабляет связь между ними, при этом уменьшается упругость и увеличивается пластичность теста.

Таким образом, регулируя количество сахара и жира можно получать тесто с определенными физическими свойствами.

Структурообразование в дисперсных системах

Коллоидные системы, частицы которых удалены друг от друга на достаточно большое расстояние и практически не взаимодействующие между собой, называются свободнодисперсными системами. Такие коллоидные системы по своим свойствам похожи на обычные жидкости. Их вязкость очень мало отличается от вязкости дисперсионной среды.

Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами. В таких системах частицы дисперсной фазы образуют пространственную сетку, или структуру.

Переход коллоидного раствора из свободнодисперсного состояния в связнодисперсное называется гелеобразованием, а образующаяся при этом структурированная коллоидная система – гелем.

Если коллоидные частицы полностью потеряют агрегативную устойчивость, то они будут соединяться в крупные агрегаты, образуя плотный осадок – коагулят.

При механическом воздействии (перемешивании, встряхивании…) связи между частицами в коагуляционной сетке могут быть разрушены и гель превратится в текучий золь. Если оставить этот золь в покое, через некоторое время связи самопроизвольно восстановятся и вновь образуется нетекучий гель. Это свойство структурированных систем называется тиксотропией («тиксо» в переводе с греческого означает прикосновение, «тропе» – изменение).

Гели с течением времени уменьшаются в объеме, выделяя при этом дисперсионную среду. Это явление называется синерезисом. Число контактов между частицами в течение времени увеличивается, что приводит к уплотнению структуры и выделению дисперсионной среды. В большинстве случаев синерезис – нежелательное явление.