7.3.3. Устойчивость эмульсий
Эмульсии могут быть лиофильными и лиофобными.
Лиофильные эмульсии термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования массы жидкости до капель определенного размера. Таких эмульсий немного, например, смазочно-охлаждающие жидкости.
Лиофобные эмульсии 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
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 Вi – 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:
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.
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)
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.