54 Глава вторая

Рис. 4. Микрофотография исходной двухфазной системы и деформирован­ных (между предметными стеклами при их относительном сдвиге) дисперс­ных частиц системы (жидкие цилиндры)

—>• направление сдвига. Увеличение 300 Х

цилиндре ротационного прибора, а размеры частиц определяли методом малоуглового рассеяния света по Зильбербергу и Ку­ну [67, 73].

Качественное исследование процесса показало, что во всех случаях, когда вязкость дисперсной фазы меньше вязкости дис­персионной среды, в поле сил сдвига наблюдается вытягивание сферических капель эмульсии в длинные тонкие нити — жидкие цилиндры. Последние неустойчивы и распадаются на мелкие сферические капли, которые коалесцируют и вновь деформируют­ся в потоке. После прекращения действия сдвиговых сил жидкие цилиндры либо распадаются на множество мелких капель, либо медленно релаксируют, принимая сферическую форму, без из­менения объема дисперсных частиц. На рис. 4 показана микро­фотография исходной двухфазной системы и деформированных дисперсных частиц этой же системы. Если же вязкость дисперс­ной фазы в 10 и более раз выше вязкости дисперсионной среды, то в такой системе наблюдается выстраивание в ряд сферических дисперсных частиц в направлении сдвига без их заметной дефор­мации.

Количественное исследование с использованием ротационного прибора показало, что степень асимметрии дисперсных частиц (Р) зависит от соотношения вязкостей дисперсной (т]) и ди­сперсионной (tii) фаз, скорости, сдвига (q), размера частиц (Ф), объемной доли дисперсной фазы (<р) и межфазного натяже­ния. При этом определяющими факторами являются соотношени& вязкостей "фаз и скорость сдвига -[621. •..;.•.••:

Физико-химические основы переработки белка в ИПП 55

Типичные кривые зависимости степени асимметрии частиц от скорости сдвига показаны на рис. 5. Зависимость степени асимметрии дисперсных частиц от соотношения вязкостей фаз, обобщенная для всех исследованных систем, приведена на рис. 6. Видно, что деформация дисперсных частиц в потоке наблюдается для систем с соотношением вязкостей фаз, меньшим 4—6. Степень асимметрии капель во всех случаях возрастает при увеличении скорости сдвига. При постоянной скорости сдвига степень асимметрии дисперсных частиц резко увеличивается при повышении вязкости составляющей их жидкости от малых вели­чин до величин, равных вязкости дисперсионной среды. Даль­нейшее увеличение вязкости дисперсной фазы приводит к мо­нотонному снижению степени асимметрии частиц. Степень асим­метрии, следовательно, возрастает при сближении вязкостей фаз. Полученные результаты находятся в хорошем соответствии с данными Тейлора и Мессона [63, 68]. Иначе говоря, поведение в потоке ансамбля жидких частиц эмульсии сходно с поведе­нием отдельной капли, исследованным в работах [63, 68]. В пер­вом случае, однако, существенную роль играет процесс коалес-ценции капель. Зависимость изменения объема дисперсных частиц от скорости сдвига согласуется с высказанным в [67] предположением о существовании в двухфазной системе в потоке динамического равновесия между распадом жидких цилиндров и

коалесценцией капель [62].

Степень асимметрии частиц при постоянной скорости сдвига увеличивается по мере снижения межфазного натяжения. Этот результат получен при исследовании двухфазной системы декст-ран—желатина—вода в условиях приближения к границе перехо­да из двухфазного состояния в однофазное, где, как известно, меж­фазное натяжение равно нулю. Эта система двухфазна при рН 4,9—5,0 и переходит в однофазное состояние при рН выше 5,1 и ниже 4,5. По мере приближения рН системы к границе фазового превращения межфазное натяжение снижается, и поэтому зави­симость степени асимметрии капель от рН системы (рис. 7) качественно отражает влияние межфазного натяжения. Качествен­ный характер зависимости обусловлен наложением эффектов из­менения объемной доли дисперсной фазы и соотношения вязко­стей, так как по мере приближения к граничным условиям фазового превращения [47, 48, 51] объемная доля дисперсной фазы растет, а соотношение вязкостей фаз стремится к еди­нице.

Способность капли к деформации связана с ее объемом, так

как деформация капель сопровождается увеличением межфазной поверхности и, следовательно, увеличением свободчой энергии системы. Поскольку увеличение поверхности при деформации тем больше, чем меньше диаметр капли, то при прочих равных

56 Глава вторая

Рис. 5. Зависимость степени асим­метрии частиц дисперсной фазы (Р) от скорости сдвига (д) (температура 32,5°, объемная доля дисперсной фазы 0,4) для систем •:

1 — поливиниловый спирт (5%)—жела­тина (10%)—вода;

s — желатина (10%)—поливиниловый

спирт (5%)—вода;

з—декстран (8%)—желатина (10%)—

вода;

4 — декстран (10%)—поливиниловый спирт (5%)—вода;

5 — поливиниловый спирт (5%)—дек-стран (10%)—вода;

в—желатина (10%)—декстран (8%)—

ВОДЯ

Рис. 6. Зависимость степени асимметрии частиц дисперсной фазы (Р) от соотношения вязкостей дисперсной (т\) и дисперсионной (T]i) фаз

Температура 32,5° С; скорость сдвига 3,9 сек-'; объемная доля дисперсной фазы 0,4

Рис. 7. Зависимость степени асимметрии частиц дисперсной фазы (Р) от рН (межфазного натяжения) системы декстран (8%)—желатина (10%)— вода при 32,5° и скорости сдвига 3,9 сек~¹

условиях степень асимметрии частиц возрастает с увеличением их объема.

Процесс получения и поведение индивидуальных жидких ци­линдров в жидкой среде при постоянной и переменных темпе-

* Дисперсная фаза систем содержит преимущественно первый из указан­ных компонентов, например в системе желатина—декстран—вода дис­персная фаза обогащена желатиной, а в обратной системе декстран—же­латина—вода желатина содержится преимущественно в дисперсионной среде.

Физико-химические основы переработки белка в ИПП 57

ратурах, а также возможность фиксации формы жидкого цилинд­ра путем перевода в студнеобразное состояние были исследова­ны на примере системы желатина—поливиниловый спирт—вода. Существо метода [74] состоит в вытягивании с постоянной ско­ростью одной из жидких фаз (фаза желатины) в виде нити в объем другой жидкой фазы (раствор поливинилового спирта). Стабильность жидкого цилиндра оценивают, измеряя его длину в момент отрыва от капилляра в процессе вытягивания. После отрыва от капилляра жидкий цилиндр сохраняет форму в тече­ние определенного хорошо воспроизводимого времени (время жизни жидкого цилиндра), а затем самопроизвольно распадается на большое число сферических частиц [62, 70].

Исследование поведения жидкого цилиндра в условиях ох­лаждения системы показало, что перевод фазы желатины в студ­необразное состояние позволяет фиксировать форму жидкого цилиндра при условии, что время перехода в студнеобразное сос­тояние не превышает времени жизни жидкого цилиндра. Это усло­вие выполняется, например, при выливании жидкой двухфазной системы желатина (10%)—поливиниловый спирт (5%)—вода с температурой 28° в виде струи в воду, предварительно охлаж­денную до 2°. Одновременно с образованием и фиксацией формы жидких цилиндров происходит разбавление водой дисперсионной среды. В результате получают ансамбль тонких (5—10 мкм) студнеобразных волокон желатины [62]. Микрофотография таких волокон приведена на рис. 8.

Результаты исследования закономерностей поведения двух­фазных жидких систем при застудневании в потоке [62, 71] позволили представить общую схему переработки таких систем в различные анизотропные материалы (рис. 9). Их морфология определяется преимущественно структурой исходной жидкой ге-терофазной системы в потоке и соотношением скоростей перехода фаз в студнеобразное состояние. Так, для получения тонких во­локон целесообразно использовать двухфазные системы с одним студнеобразователем, сосредоточенным преимущественно в дис­персной фазе. Состав фаз должен обеспечивать их близкую вязкость и достаточно высокую скорость перехода дисперсной фазы в студнеобразное состояние. При этом необходимо, чтобы концентрация студнеобразоватсля в дисперсионной среде была ниже критической концентрации студнеобразования. Если же частицы дисперсной фазы деформируются в потоке, но не застуд-невают, а в студнеобразное состояние переходит дисперсионная среда, то возникают студни капиллярной структуры. Это дости­гается при переработке двухфазных систем со студнеобразова­телем, сосредоточенным преимущественно в дисперсионной среде системы. Отметим, что анизотропные студни капиллярной струк­туры могут быть получены но только на основе эмульсий, но

Рис. 8. Микрофотография студнеобразных волокон желатины

Рис. 9. Общая схема переработки двухфазных жидких систем

I—волокна; 11— студни капиллярной структуры; III— студни, наполненные по­докнами

также па основе пен и концентрированных суспензий с пластич­ными взаимодействующими (непрерывная фаза системы) части­цами, так как образованию таких студней благоприятствует вы­сокая вязкость дисперсионной среды, многократно превышающая вязкость дисперсной фазы. Наконец, возможен переход обеих фаз в студнеобразное состояние с образованием студней, напол­ненных либо армированными волокнами, ориентированными в направлении деформации системы. Это достигается при исполь-

Физико-химические основы переработки белка в ИПП 59

зовании одного студнеобразователя, распределенного в обеих фазах за счет его сорастворимости с другим макромолекулярным компонентом, или же с помощью двух студнеобразователей, сосредоточенных в разных фазах системы и обеспечивающих пе­ревод обеих фаз в студнеобразное состояние в сходных условиях. Несколько более подробно переработка двухфазных жидких си­стем белок—полисахарид—вода в анизотропные материалы будет рассмотрена в разделе, посвященном анизотропным студням.

Таким образом, установление общего характера явления несовместимости белков и полисахаридов в водных средах, зако­номерностей деформации двухфазных систем, а также выяснение принципиальной возможности фиксации их форм при переводе одной или обеих фаз системы в студнеобразное состояние в по­токе создают предпосылки для разработки эффективных методов переработки белка в составе многокомпонентных двухфазных систем в искусственные продукты питания анизотропной макро­структуры, прежде всего в искусственные мясопродукты.