7.3.3. Устойчивость эмульсий

Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобными.

Лиофильныеэмульсии термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования массы жидкости до капель определенного размера. Таких эмульсий немного, например, смазочно-охлаждающие жидкости.

Лиофобныеэмульсии 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 В_i– 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.