Теплоносители и их свойства

1. Насыщенный водяной пар – он обладает высокой аккумулирующей способностью теплоты и высокими коэффициентами теплоотдачи.

Главным недостатком водяного пара является значительное увеличение давления при возрастании температуры. Водяной пар применяется до температуры 180 – 190 ⁰С.

2. Чистая вода. Основные достоинства: доступность и дешевизна, значительно высокие в сравнении с водяным паром. Недостатком является небольшая удельная теплоемкость и связанная с этим аккумулирующая способность теплоты.

3. Топочные газы. Широко используются в схемах утилизации теплоты на предприятиях, имеющих собственные котельные. Температура топочных газов достигает 1000 –1100 ⁰С при атмосферном давлении, что позволяет использовать промежуточный теплоноситель для обогрева в теплообменных аппаратах. В качестве промежуточного теплоносителя можно использовать воздух или минеральное масло. К недостаткам топочных газов относят наличие в них включений, вызывающих загрязнение поверхности теплообмена и низкий коэффициент теплоотдачи.

4. Минеральное масло (цилиндровое, компрессорное) применяется для проведения тепловой обработки пищевых продуктов при высокой температуре до 800 ⁰С при обжарке кофе, какао-бобов. Масла - сравнительно дешевые теплоносители, но обладают низкими значениями коэффициентов теплоотдачи, частично разлагаются в процессе эксплуатации, образуя на нагревательной поверхности слой кокса, ухудшающий теплообмен.

5. Высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Наиболее распространенными ВОТ является дифенильная смесь (Даутерм А), состоящая из 26 % дифенила и 74% дифенильного эфира. Достоинство – высокая термостойкость и возможность нагревания до 250 ⁰С при атмосферном давлении. Не токсичен.

Нагревание - это процесс повышения температуры материала путем подвода к нему теплоты с помощью теплоносителей

Охлаждение – процесс понижения температуры материала путем отвода от него теплоты. Для охлаждения до температуры 10 -15⁰С используют воду и воздух, для охлаждения до низких температур используют низкотемпературные хладагенты, холодные рассолы, фреоны, аммиак, диоксид углерода.

Выпаривание – это процесс концентрирования растворов твердых нелетучих или малолетучих веществ путем испарения летучего растворителя и отвода образовавшихся паров, например, свекловичный сок. Чтобы не нарушились биологически ценные компоненты содержащиеся в сырье, процесс выпаривания проводится под вакуумом, хотя расход энергии выше, чем при выпаривании при атмосферном или избыточном давлении.

Конденсация – это переход вещества из паро- или газообразного состояния в жидкое путем отвода от него теплоты с помощью охлаждающего теплоносителя, отделенного стенкой (поверхностная конденсация), либо при непосредственном смешивании конденсируемых паров с охлаждающим теплоносителем водой (конденсированное смешивание).

Испарение – процесс превращения жидкости в пар путем подвода к ней теплоты. Наиболее эффективное испарение протекает при кипении жидкости (концентрирование сахарных растворов, разделение жидких смесей).

 

3. К массообменным процессам относятся процессы адсорбции, абсорбции, экстракции, перегонки и ректификации, растворения и кристаллизации и сушки.

Абсорбция – это процесс поглощения газов или паров жидкостью. Этот процесс обратимый, т.е. в определенных условиях можно выделить газ из жидкости (десорбция). Сочетание абсорбции и десорбции позволяет создать непрерывные промышленные производства с многократным использованием жидкого поглотителя и выделением поглощенного вещества из парогазовой смеси. Например, при производстве спирта, из образующего в результате брожения СО₂ абсорбцией улавливают пары спирта, а затем очищенный газ сжижают для использования в других производствах. Процесс насыщения минеральной воды, шампанского диоксидом углерода, в специальной технологии называемой сатурацией, в действительности является классическим примером абсорбции.

 

Адсорбция – это процесс поглощения одного или несколько компонентов из смеси газов, паров или растворов поверхностью твердого вещества - адсорбента. Процесс обратный адсорбции называется десорбцией. Адсорбция применяется в свеклосахарном производстве для обесцвечивания диффузионного сока. В качестве адсорбента применяется активированный уголь, силикагели, иониты, цеолиты.

Активированный уголь самый распространенный адсорбент, его получают сухой перегонкой дерева с последующим прокаливанием при температуре около 900 ⁰С. Суммарная поверхность 1 г. активированного угля от 600-1700 м².

Селикагели – этот абсорбент получают обезвоживанием геля кремниевой кислоты, обрабатывая силикат натрия (жидкое стекло) минеральными кислотами или кислыми растворами их солей. Суммарная поверхность 1 г. 400-770 м². Силикагели поглощают влагу из воздуха и газов. Поэтому гранулы силикагеля иногда используют при упаковке на хранение приборов и материалов, боящихся влаги.

Цеолиты – водные алюмосиликаты катионов элементов 1 и 2-й групп Периодической системы Д.И. Менделеева. Встречается в природе, добываются карьерным способом. В промышленности чаще применяют синтетические цеолиты, обладающие весьма однородной структурой, с размерами пор, которые можно сравнить с размерами крупных молекул. Поэтому цеолиты обладают свойствами микрофильтрационных мембран.

Иониты – это природные и искусственные адсорбенты, действие которых основано на химическом взаимодействии с очищаемыми растворами. Процессы с применением ионитов относятся к хемосорбции – это адсорбция, сопровождаемая химическими реакциями. Иониты, содержащие кислые активные группы и обменивающиеся с раствором электролита подвижными анионами называются анионитами. Иониты, содержащие основные активные группы и обменивающиеся подвижными катионами, называются катионитами. Широко используются ионообменные смолы, их используют в сахарорафинадном производстве для освещения сиропов.

 

Экстракция – процесс избирательного извлечения одного или нескольких растворимых компонентов из растворов или твердых тел с помощью растворителя - экстрагента. Если вещества извлекаются из жидких систем, процесс называется жидкостной экстракцией. В общем виде процесс экстракции растительного сырья можно разбить на 4 стадии.

1. Проникновение экстрагентов в поры растений сырья.

2. Растворение извлекаемого экстрагентом вещества.

3. Диффузный перенос извлекаемого вещества к поверхности частицы сырья.

4. Перенос извлекаемого вещества с поверхности сырья в жидкости – экстрагент.

Перегонка и ректификация наиболее распространенные процессы разделения жидких однородных смесей состоящих из двух или нескольких компонентов. При получении технического и пищевого спирта, производстве ароматических веществ. Перегонку для грубого разделения смеси. Для более полного разделения смеси используют ректификацию.

Эти процессы основаны на различной летучести компонентов смеси при одной и той же температуре. Компонентные смеси обладающие большей летучестью называются легколетучими, а меньшей летучестью труднолетучими. Легколетучий компонент кипит при более низкой температуре, чем труднолетучий. В результате перегонки и ректификации исходная смесь разделяется на дистиллят обогащенный легколетучим компонентом и кубовый остаток обогащенный труднолетучим компонентом. Дистиллят получают в результате конденсации паров в конденсаторе-дефлегматоре. Кубовый остаток получают в кубе установки. В простейшем случае исходная смесь состоит из 2-х компонентов, такая смесь называется бинарной. Состояние бинарной смеси определяют три независимых параметра: давление, температура, концентрация. При выборе любых двух параметров определяется значение третьего. В зависимости от взаимной растворенности компоненты бинарной смеси можно разделить:

1. на смеси с неограниченной растворимостью компонентов;

2. с взаимно нерастворимыми компонентами;

3. с частичной растворимостью компонентов друг в друге.

Перегонка представляет собой процесс однократного испарения жидких смесей и конденсацию образовавшихся паров. Простая перегонка может проводится с отбором фракций с водяным паром или под вакуумом, т.е. молекулярная перегонка. Молекулярная перегонка самая сложная. Она используется для разделения компонентов кипящих при высоких температурах и не обладающих термической стойкостью.

Ректификация представляет собой разделение смесей на составляющиеее компоненты в результате многократного частичного испарения жидкости и конденсации паров. Проводят ректификацию в колонных аппаратах, снабженных контактными устройствами (тарелками различной конструкции), либо снабжены насадкой. Применяется при производстве спирта.

Кристаллизация один из самых распространенных и наиболее эффективных процессов получения вещества в чистом виде. Это процесс выделения твердой фазы в виде кристаллов из растворов и расплавов. Кристаллы представляют собой твердые тела различной геометрической формы, ограниченными плоскими краями. Кристаллизация является завершающим процессом при производстве сахара-песка, соли, лимонной кислоты, глюкозы. Кристаллизацию проводят как правило из водных растворов при понижении температуры или удалении части растворителя уменьшая растворимость твердого вещества. Раствор становится пересыщенным и твердое вещество выпадает в осадок. Переход вещества из растворов в твердую фазу осуществляется путем диффузии растворенного вещества через пограничный слой окружающей поверхности кристаллизации. Скорость процесса кристаллизации может определятся скоростью диффузии растворенного вещества через пограничный слой, либо скоростью слияния вещества с телом кристалла, либо зависит от того и другого. Процесс кристаллизации состоит из двух стадий:

- образование центра кристаллизации

- рост кристалла.

Сушка это удаление влаги из материалов (продуктов, изделий) при их подготовке к переработке, использованию или хранению.

Сушка обеспечивает сохранность зерна в сельском хозяйстве, увеличивает сроки хранения изделий (сухари, сахар).

Сушка также может быть включена в технологический процесс для придания перерабатываемым полуфабрикатам и изделиям (пастиле, зефиру) определенного качества.

Различают сушку конвективную (в потоке нагретого газа), контактную (при соприкосновении с нагретой поверхностью), сублимационную (в вакууме), высокочастотную (диэлектрическим нагревом), радиационную (ИК-излучением).

Удаление влаги из материала может быть осуществлено различными способами. Наименее энергоемким способом является механический: прессование или отжим в центрифугах. Этот способ позволяет удалить лишь ту часть влаги в материале, которая заполняет поры и капилляры тела, так называемую несвязанную влагу. Для полного удаления влаги применяют тепловые способы сушки, основанные на превращении влаги, содержащейся в материале, в пар с последующим удалением этого пара.

Виды связи влаги с материалом.

 

Сырье и материалы, подвергаемые сушке в пищевой промышленности, можно разделить на две группы: твердые кристаллические тела – сахар, лимонная кислота, поваренная соль и т.п. и коллоидно-дисперстные системы, которые, в свою очередь, можно разделить на три группы. Первая группа – эластичные гели – тела, которые при обезвоживании сжимаются, но сохраняют эластичность. К эластичным гелям относятся прессованное мучное тесто, изделия на основе агар-агара (пастила, зефир) и желатина (мармелад). Вторая группа – хрупкие гели – тела, которые после сушки становятся хрупкими: макароны. Третью группу составляют коллоидные капиллярно-пористые тела: хлеб, зерно и т.п. Эластичные стенки капилляров этих тел деформируются при сушке, поэтому изделия могут изменять свой объем (усадка) и форму (крошение). Различные тела неодинаково взаимодействуют с содержащейся в них влагой, по-разному ее связывают. Академик П.А. Ребиндер предложил классификацию форм связи влаги на основе энергии связи:

а) механическая – влага смачивания, содержащаяся в капиллярах и макрокапиллярах. Эта форма связи наименее прочная. Такую влагу можно удалить путем механического воздействия, например прессованием или в центрифуге;

б) физико-химическая форма связи – адсорбционная, осмотическая и структурная влага, содержащаяся в клетках и микрокапиллярах. Для разрушения этой формы связи требуется намного больше энергии. Как правило, удаление такой влаги происходит в форме пара, т. е. необходимо предварительно превратить воду в пар, затратив значительное количество теплоты;

в) химическая форма связи наиболее прочная. Это ионная связь (NaOH) и вода в кристаллогидратах (CuSO₄ · 5H₂O). Эта связь может быть разрушена либо путем химического воздействия, либо нагревом до высоких температур – прокаливанием.

Из сырья и пищевых продуктов влагу удаляют с помощью сушки, либо в два этапа, используется вначале прессование или центрифугирование, а затем сушку, т.е. удаляя свободную влагу, а затем связную.

Самый распространенный способ тепловой сушки – конвективный. В этом способе осуществляется конвективный перенос теплоты от нагретого сушильного агента к материалу. В качестве сушильных агентов используются топочные и инертные газы, а также воздух. Сушильный агент выполняет и вторую, не менее важную задачу – поглощает образовавшийся водяной пар и выводит его из сушилки. Интенсивность процесса зависит от скорости переноса теплоты при нагреве материала, испарения влаги и от скорости переноса массы этой влаги в сушильный агент. Самым распространенным сушильным агентом является предварительно подогретый воздух.

При конвективной сушке влага удаляется из материала за счет испарения с поверхности материала. На смену испарившейся из глубины материала влаги под действием градиента концентрации перемещается следующий поток влаги. Эта привычная нашим представлениям картина значительно искажается под действием температурного градиента, благодаря которому влага перемещается от более нагретых слоев к менее нагретым – внутри. Это явление получило название термовлагопроводности.

Суммарный поток перемещающейся влаги равен разности этих двух величин:

и зависит от величин действующих градиентов.

Чтобы избежать отрицательного влияния градиента температуры на скорость сушки, на практике стараются понизить температуру сушильного агента, прибегают к прерывистым процессам сушки с кратковременным нагревом и затем охлаждением и т.д.

Для характеристики процесса сушки коллоидных капиллярно-пористых тел удобно пользоваться графиками изменения влажности материала, которые называются кривые сушки.

 

Кривая сушки (рис. 1) показывает изменение влажности по времени. Как видно, из графика, весь период сушки от начальной влажности W_н до конечной W₂ можно разбить на три периода: краткий период: подогрева материала, когда влажность его практически не изменяется; период постоянной скорости сушки, когда кривая сушки имеет форму наклонной прямой; и период убывающей (падающей) скорости сушки точки К. Точка К называется критической и фиксирует на графике момент, когда количество влаги, поступающей к поверхности материала, становиться меньше, чем может испариться с его поверхности.

Продолжительность периода нагрева ничтожно мала по сравнению с двумя другими периодами сушки. Поэтому продолжительность сушки зависит от скорости в периоды постоянной и падающей скорости сушки.

Период постоянной скорости сушки. На этом этапе свободная влага удаляется из материала путем испарения с ее поверхности. Движущую силу этого процесса можно выразить разностью парциальных давлений пара в поверхностной пленке материала р_пл и водяного пара в окружающем воздухе р_в. Скорость сушки зависит от параметров сушильного агента (на этом этапе).

Период падающей скорости сушки. Характеризуется сложными кинетическими законами для различных материалов. Этот период начинается после удаления свободной влаги с поверхности материала, поэтому скорость сушки начинает зависеть от скорости перемещения влаги внутри материала к его поверхности. Движущую силу процесса в период падающей скорости сушки выражают разностью между влажностью материала W и равновесной влажностью W_р.

 

Химические процессы

В основе ряда пищевых технологий лежат химические превращения. К ним относят получение патоки, кристаллической глюкозы путем кислотного гидролиза крахмала, различных жиров способом гидрогенизации и переэтерификации, инвертного сахара путем кислотного гидролиза сахарозы. Важная роль отводится этим процессам на отдельных стадиях производства хлеба, мучных кондитерских изделий, сахара, шоколада, растительных масел, прессованных дрожжей, а также при хранении продуктов. Наиболее важными химическими процессами являются:

- гидролиз;

- дегидратация;

- реакция меланоидинообразования (реакция Майара);

- сульфитация;

- окисление.

Гидролиз – это реакция разложения сложных веществ (белков, жиров, углеводов) до более простых под действием кислот и щелочей с присоединением молекулы воды.

Сахароза при нагревании с кислотами гидролизуется, образуя инвертный сахар (смесь равных количеств глюкозы и фруктозы):

 

С₁₂Н₂₂О₁₁ + Н₂О = С₆Н₁₂О₆ + С₆Н₁₂О₆.

сахароза глюкоза фруктоза

Характерная особенность сахарозы – исключительная легкость ее гидролиза: скорость процесса примерно в тысячу раз больше, чем скорость гидролиза, при этих же условиях таких дисахаридов, как мальтоза или лактоза.

Инвертный сироп обладает двумя свойствами – свойствами антикристаллизатора и гигроскопичностью. Первое свойство связано с его вязкостью, а второе – с присутствием фруктозы, являющейся самым гигроскопичным из всех известных сахаров.

Антикристаллизационные свойства инвертного сиропа позволяют широко использовать его при производстве карамели.

Гидролиз сахарозы играет отрицательную роль в сахарном производстве, т.к. увеличиваются потери сахарозы за счет ее разложения. При получении сахара измельченную свеклу обрабатывают горячей водой, получая диффузионный сок, в котором растворены сахароза и другие вещества. Некоторые из этих соединений придают соку кислую реакцию. Для предотвращения гидролиза сахарозы диффузионный сок на первых стадиях очистки нейтрализуют.

Гигроскопичность инвертного сиропа широко используется при хранении кондитерских изделий. Она ограничивает применение инверного сиропа при производстве карамели. В то же время гигроскопичность инвертного сахара используется при введении его в рецептуру мучных кондитерских изделий для увеличения срока хранения готового продукта.

При уваривании яблочно-сахарной смеси производстве фруктово-ягодного мармелада происходит инверсия сахарозы. Образующийся инвертный сахар предотвращает засахаривание мармеладной массы и образование грубокристаллической корочки.

Гидролиз крахмала – это основной процесс в производстве патоки. Патоку получают кислотным гидролизом кукурузного или картофельного крахмала. Процесс гидролизата происходит по следующей схеме:

Крахмал амилодекстрины эритродекстрины ахро- и мальтодекстрины мальтоза и глюкоза.

Патока – это продукт неполного гидролиза крахмала.

 

Меланоидинообразование. Реакция Майара. Это сложный окислительно-восстановительный процесс, включающий в себя ряд реакций, которые протекают последовательно и параллельно. В упрощенном виде сущность этого процесса можно свести к следующему. Низкомолекулярные продукты распада белков (пептиды, аминокислоты), содержащие свободную аминную группу (-NH₂), могут вступать в реакцию с соединениями, в состав которых входит карбонильная группа =С=О, например, с различными альдегидами и восстанавливающими сахарами (фруктозой, глюкозой, мальтозой), в результате чего происходит разложение как аминокислоты, так и реагирующего с ней восстанавливающего сахара. При этом из аминокислоты образуются соответствующий альдегид, аммиак и диоксид углерода, а из сахара – фурфурол и оксиметилфурфурол. Альдегиды обладают определенным запахом, от которого зависит в значительной степени аромат многих пищевых продуктов. Фурфурол и оксиметилфурфурол легко вступают в соединение с аминокислотами, образуя темноокрашенные продукты, называемые меланоидинами.

Особенно эта реакция протекает при повышенных температурах во время выпечки хлебобулочных и мучных кондитерских изделий; в процессе уваривания сахарных растворов при производстве сахарного песка; при сушке солода; при самосогревании зерна; в процессе тепловой обработки вин; при приготовлении ирисных и помадных масс типа крем-брюле.

 

Дегидратация. Одна из реакций, протекающая в процессе меланоидинообразования, связана с дегидратацией и разложением сахаров при нагревании. В тоже время эта реакция может протекать самостоятельно под воздействием высоких температур на сахара (сахарозу, глюкозу, фруктозу), вызывая ряд их превращений. Характер этих превращений различен и зависит от условий нагревания (степени и продолжительности теплового воздействия), реакции среды и концентрации сахара. Моносахариды, в частности глюкоза, при нагревании в кислой или нейтральной среде дегидратируют, т.е. разлагаются с выделением одной или двух молекул воды и образованием ангидридов глюкозы. Эти соединения являются реакционно способными и могут соединиться друг с другом или с неизменной молекулой глюкозы иобразовывать так называемые продукты конденсации (реверсии). При длительном тепловом воздействии отщепляется третья молекула воды и образуется оксиметилфурфурол, который при дальнейшем нагревании может распадаться с разрушением углеводного скелета и образованием муравьиной, левулиновой кислот и окрашенных соединений. В общем виде схему химических изменений сахарозы можно представить в следующем виде:

 

Сахароза Моносахариды Ангидриды Оксиметилфурфурол

(смесь глюкозы сахаров

и фруктозы)

 

 

Продукты конденсации Красящие Муравьиная и

(реверсии) и гуминовые и левулиновая

Вещества кислоты

 

Наиболее чувствительной к нагреванию является фруктоза.

Аналогичные процессы наблюдаются при нагревании патоки, инвертного сиропа. Продукты разложения сахаров обладают различными свойствами. Оксиметилфурфурол, красящие и гуминовые вещества повышают цветность и гигроскопичность продуктов и отрицательно сказываются при производстве сахара и карамели. Ангидриды и продукты конденсации способны задерживать кристаллизацию сахарозы из карамельной массы и не оказывают влияния на гигроскопичность и цветность готового продукта.

 

Сульфитация. Для предотвращения потемнения пищевых продуктов их сульфитируют, т.е. обрабатывают диоксидом серы или его производными, чаще всего Н₂SO₃. Диоксид серы как химический агент вызывает обесцвечивание многих растительных красящих пигментов. Диоксид серы получают путем сжигания серы в специальных печах, пропуская через них воздух.

При сульфитации продукта идет образование сернистой кислоты, которая является сильным восстановителем,

SO₂ + Н₂O = Н₂SO₃.

Частично сернистая кислота переходит в серную:

Н₂SO₃ + Н₂O = Н₂SO₄ + 2Н.

Выделяющийся при этом водород оказывает обесцвечивающее действие. Сульфитации подвергают диффузионный сок при его очистке в сахарном производстве, овощи и плоды при их переработке. Кратковременная, в течение нескольких минут, обработка картофеля, абрикосов, яблок перед сушкой позволяет улучшить внешний вид готового продукта, предотвратить его потемнение. Сульфитацию применяют для консервирования пищевых продуктов. SO₂, Н₂SO₃ и ее соли в этом случае выполняют роль антисептика, вызывающего гибель микроорганизмов.

 

Окисление. Этот процесс играет большую роль при хранении жиров, масел и жиросодержащих продуктов. Жиры при длительном хранении приобретают неприятные вкус и запах – прогоркают, что связано как с химическими превращениями под действиями света и кислорода воздуха. Этот процесс называют аутоокислением. Этот процесс обусловлен окислением ненасыщенных жирных кислот кислородом воздуха. При этом кислород присоединяется по месту двойных связей, образуя пероксиды,

 

О О

R C = C R₁ + O₂ R C C R₁.

H H H H

 

В результате дальнейшего разложения перекисей жирных кислот образуются альдегиды, придающие жиру неприятный запах и вкус. Избежать окисления можно, используя оксиданты. К ним относятся производные фенолов, например: бутилоксианизол, бутилокситолуол. Фенолы и их производные входят в состав коптильной жидкости, содержатся в древесном дыме, поэтому копченые продукты, как правило, обладают стойкостью при хранении. На скорость химических реакций влияют концентрация реагирующих веществ, температура, наличие катализаторов.

 

5. Дисперстные и коллоидные системы. Дисперстные системы гетерогенны и состоят из двух фаз. Одна из них – сплошная, называется дисперсионной средой. Другая – раздробленная и распределенная в первой, называется дисперсной фазой. Большинство пищевых продуктов, сырье и полуфабрикаты являются дисперсными системами: хлеб, мкА, 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. Размеры частиц дисперсной фазы характеризуются раздробленностью. Раздробленность это величина обратная размеру а, т.е. R = 1/ а. Эта величина называется дисперсностью. Дисперсность характеризуется величиной удельной поверхности, определяемой отношением площади межфазной поверхности к объему тела S/V.

 

Классификация дисперсных систем.

Все дисперсные системы классифицируют по степени дисперсности.

 

 

 

(См. приложение. Классификация дисперсных систем кондитерского производства).

К микрогетерогенным системам относят суспензии (Т/Ж), эмульсии (Ж/Ж), пены (Г/Ж), аэрозоли (Т/Г и Ж/Г) и порошки (Т/Г).

 

Суспензии представляют собой дисперсные системы с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. К ним относятся фруктовые и овощные пасты, помадные конфетные массы, какао тертое и др. Суспензии имеют ряд общих свойств с порошками. Суспензии образуются при получении крахмала, при осаждении осадков в производстве сахара, пива, вина, в кондитерской промышленности и др.

Эмульсии. Обязательное условие образование эмульсии – нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде. Обычно эмульсии получают методом механического диспергирования. Жидкости, из которых получают эмульсии, нерастворимы друг в друге (например, вода-масло). Эмульсии – неустойчивые системы, поэтому для повышения устойчивости применяют стабилизаторы или эмульгаторы, т.е. вещества, снижающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз масло-вода. Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Эмульгаторы, растворимые в воде, способствуют образованию прямых эмульсий (М/В); эмульгаторы, растворимые в неполярных жидкостях, дают обратные эмульсии (В/М).

Аэрозоли и порошки. Это дисперсные системы, дисперсионной средой которых является газ (воздух), а дисперсной фазой могут быть твердые частицы или капельки жидкости. Аэрозоли классифицируются по агрегатному состоянию дисперсной фазы. Аэрозоль с жидкой дисперсной фазой называют туманом, с твердой – дымом и пылью. Например: водяной туман, топочный дым, мучная и сахарная пыль, которые могут образовывать взрывоопасные смеси. В пищевой промышленности прибегают к искусственному получению аэрозолей. Так, для высушивания соки, пюре, молоко распыляют до мельчайших капелек в сухом горячем воздухе. Из образующего аэрозоля благодаря его большой удельной поверхности испарение влаги идет очень интенсивно и сушка заканчивается за 15…20 с.

Порошки можно рассматривать как осажденные аэрозоли с твердыми частицами. К порошкам относят муку, какао-порошок, крахмал. Размер частиц промышленных порошков является одним из основных показателей качества продукта. Например, дисперсность и распределение частиц по размерам в какао-порошке влияют на вкусовые качества и пищевую ценность продукта. Степень помола зерна оказывает влияние на качество муки. В кондитерском производстве используют порошки, полученные из сахара, крахмальной патоки, фруктов и овощей. При переработке порошков протекают процессы гидратации и смачивания. На поверхности пищевых порошков расположено множество соединений СН, ОН, СО, способных образовывать водородные связи с молекулами воды. На поверхности частиц порошков происходит адсорбция молекул водяных паров окружающего воздуха. Частицы порошков содержат растворимые в воде вещества (например, сахара, органические кислоты, минеральные вещества), поэтому после адсорбции следует частичное растворение поверхностного слоя и приводить к слипанию между собой. (Такие порошки плохо хранятся.) Этот процесс называется гидратацией. При производстве кондитерских масс на основе порошков, порошки смешиваются в жидкой фазе, при этом происходит смачивание и дальнейшая гидратация порошков.

Пены это 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.

 

жидкость

 

жидкость

 

Схема структуры пены.

Коллоидные системы.

Коллоидное состояние веществ характеризуется следующими признаками:

1. Размерами частиц от 10^-7 до 10^{-5 см.}

2. Гетерогенностью

3. Многокомпонентностью

 

Коллоидные системы классифицируются на:

- золи – это дисперсные системы с частицами коллоидных размеров;

- аэрозоли – это системы, где дисперсной средой является газ;

- лиозоли – это системы с жидкой дисперсионной средой. В зависимости от природы жидкости их называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда), или более конкретно – алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и т.д.

Коллоидные системы образуются двумя 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 коллоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора, сообщающего коллоидной системе агрегативную устойчивость. Стабилизаторами могут быть вещества, специально вводимые в дисперсионную среду. Они создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию.

Молекулярные коллоиды – вещества, имеющие молекулярную массу от 10 000 до нескольких миллионов, называются высокомолекулярными соединениями (ВМС). Размеры макромолекул этих соединений соизмеримы с размерами частиц коллоидных дисперсных систем. 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. Растворению ВМС предшествует его набухание. Набухание – это самопроизвольный процесс поглощения низкомолекулярного растворителя высокомолекулярным веществом, сопровождающийся увеличением массы и объема последнего. Набухание может быть ограниченным и неограниченным. При ограниченном набухании объем и масса ВМС достигают определенных значений и дальнейший контакт ВМС с растворителем не приводит к каким-либо изменениям. Ограниченно набухший ВМС называется студнем. У неограниченного набухания отсутствует предел набухания; с течением времени ВМС поглощает все большее количество жидкости и набухание переходит в растворение.

 

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.

Дисперсные системы, в которых частицы связаны между собой и не способны к взаимному перемещению, называются связнодисперсными системами.

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

При механическом воздействии связи между частицами 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.

 

Биохимические процессы

Это процессы, протекающие при участии ферментов. Скорость протекания зависит от химической природы реагирующих веществ, концентраций фермента и субстрата, температуры и реакции среды рН, наличия активаторов и ингибиторов.

Ферменты (энзимы) – органические катализаторы белковой природы, обладающие специфичностью к субстрату. Они обеспечивают последовательность и взаимосвязанность многих сложных биохимических превращений в клетках растений, животных и микроорганизмов.

По строению все ферменты можно разделить на две группы:

- ферменты, состоящие только из белка, обладающего каталитическими свойствами, и являющиеся однокомпонентными;

- ферменты, состоящие из белковой части (апофермента) и связанного с ней органического вещества небелковой природы, называемого простетической группой. Эти ферменты являются двухкомпонентными.

Простетическими группами многих ферментов являются витамины и их производные, например, простетические группы ряда окислительно-восстановительных ферментов содержат производные ниацина (витамина РР) или рибофлавин (витамин В2).

В сотав многих ферментов входят металлы, придающие им активность. Такие металлы называются кофакторами. Например, кофактором α-амилазы является кальций, полифенолаксидазы – медь, кабалазы – железо.

Некоторые ферменты усиливают свою активность в присутствии магния, марганца, цинка, меди, молибдена.

По типу катализируемой реакции все ферменты делятся на шесть классов:

1. Оксидоредуктазы, катализирующие окислительно-восстановительные реакции;

2. Трасферазы (ферменты переноса), катализирующие реакции переноса метильных или аминогрупп от субстрата (донора) к акцептору. Такими группировками могут быть остатки фосфорной кислоты, аминокислот, сахаров и др;

3. Гидролазы, осуществляющие реакции гидролиза, т.е. расщепления различных сложных соединений (субстратов) при участии воды на более простые;

4. Лиазы, катализирующие негидролитическое расщепление субстратов и отщепление от них тех или иных групп;

5. Изомеразы, катализирующие превращения органических соединений в их изомеры;

6. Лигазы (ранее называвшиеся синтетазами), катализирующие соединения двух молекул субстрата путем образования связей С – О, С – S, C – N, или С – С.

 

Основные свойства ферментов: высокая каталитическая активность, избирательность действия, чувствительность к внешним воздействиям среды, при наличии активаторов и ингибиторов.