Пищевые дисперсные системы (дисперсии) представляют собой гетерогенные системы из двух или более несмешивающихся фаз с развитой поверхностью раздела между ними. Одна из фаз образует непрерывную дисперсионную среду, по объему которой распределена дисперсная фаза в виде мелких твердых частиц, капель или пузырьков. Дисперсные системы с частицами крупнее 10-4 см обычно называют грубодисперсными, с частицами от 10-5 до 10-7 см - высокодисперсными, или коллоидными. Системы с газовой дисперсионной средой называют аэрозолями и аэрогелями, с жидкой - эмульсиями и суспензиями, системы с газовой дисперсной фазой - пенами .
В пищевой промышленности чаще всего встречаются эмульсии, состоящие из воды и масла: прямые, с каплями неполярной жидкости в полярной среде (типа «масло в воде» - М/В), и обратные, или инвертные (типа «вода в масле» - В/М). Типичный пример прямой пищевой эмульсии - майонез, обратной - маргарин. Изменение состава эмульсии либо внешнее воздействие могут привести к превращению прямой эмульсии в обратную, или наоборот.
Пены также весьма распространены среди пищевых продуктов. Пена представляет собой тонкую дисперсию воздуха в жидкости или твердом теле. Чтобы пена образовалась и могла существовать, необходимо присутствие в системе поверхностно-активных веществ - пенообразователей. Эти же вещества чаще всего выполняют и роль стабилизаторов пены. Как и другие коллоидные системы, пены термодинамически нестабильны. Газ и жидкость, из которых они состоят, стремятся образовать два слоя с минимальной поверхностью раздела фаз. Поэтому пены в готовых пищевых продуктах стабилизируют формированием мельчайших кристаллов сахара (нуга), фиксируют путем термообработки (подсушивание зефира, выпекание бисквита, закаливание мороженого) и добавкой стабилизаторов пены.
Пищевые эмульгаторы, пенообразователи и стабилизаторы пены представляют собой органические соединения, обладающие поверхностно-актив-ными свойствами. Их молекулы имеют дифильное строение, то есть содержат лиофильные и лиофобные (обычно гидрофильные и гидрофобные) атомные группы. Гидрофильные группы обеспечивают растворимость ПАВ в воде, гидрофобные (обычно углеводородные) при достаточно высокой молекулярной массе способствуют растворению ПАВ в неполярных средах. На границе фаз дифильные молекулы ориентируются энергетически наиболее выгодным образом: гидрофильные группы - в сторону полярной (обычно водной) фазы, гидрофобные - в сторону неполярной (газовой или масляной) фазы. Таким образом формируется межфазный пограничный слой, благодаря которому снижается поверхностное натяжение и становится возможным или облегчается образование эмульсий.
Действие эмульгаторов на этом не заканчивается. Благодаря образованию пространственных и электрических барьеров они дополнительно стабилизируют эмульсии, то есть предотвращают повторное слипание уже сформировавшихся частичек дисперсной фазы и повторное расслоение. Пенообразователи и стабилизаторы пены преимущественно располагаются на поверхности пузырьков воздуха, образуя там прочную пленку, которая усиливает сопротивляемость пузырьков слипанию. В жиросодержащих пенных массах, например в мороженом, эмульгаторы располагаются на поверхности жировых шариков. Они обеспечивают лучшее распределение жира и одновременно снижают антагонизм жиров и белков благодаря «гидрофилизации» поверхности жира. Кроме того, они способствуют необходимой частичной агломерации жировых шариков (деэмульгированию).
Основные физико-химические и технологические свойства ПАВ определяются так называемым гидрофильно-липофильным балансом (ГЛБ) их молекул.
ГЛБ отражает соотношение молекулярных масс гидрофильных и липофильных групп. Величина ГЛБ может иметь значение от 1 до 20 (эмпирическая шкала Гриффита). Эмульгаторы, имеющие ГЛБ < 10, преимущественно липофильны, а имеющие ГЛБ > 10 - преимущественно гидрофильны. Чем больше ГЛБ, тем ярче проявляется способность молекулы ПАВ к образованию и стабилизации прямых эмульсий (М/В), чем меньше ГЛБ - тем ярче проявляется способность к образованию и стабилизации обратных эмульсий (В/М). Эмульгаторы, характеризующиеся величиной ГЛБ от 7 до 9, могут применяться в качестве смачивателей (смачивающих агентов), характеризующиеся величиной ГЛБ от 15 до 18 - в качестве солюбилизаторов. Гидрофильно-липофильный баланс - величина аддитивная, то есть ГЛБ смеси эмульгаторов можно вычислить, сложив ГЛБ компонентов пропорционально их содержанию в смеси.
Эмульгатор (или смесь эмульгаторов) ускоряет образование и стабилизирует тот тип эмульсии, в дисперсионной среде которой он лучше растворим.
Например, маргарин представляет собой эмульсию типа «вода в масле», поэтому для его получения применяют эмульгаторы с величиной ГЛБ 3…6. Майонез представляет собой эмульсию «масло в воде», и для него используют эмульгаторы, имеющие ГЛБ 8...18.
В качестве первых пищевых эмульгаторов использовались натуральные вещества. Типичными и старейшими эмульгаторами являются белок куриного яйца, природный лецитин, сапонины (например, отвар мыльного корня). Некоторые из них сохранили свою популярность и сегодня.
Более широко в промышленности используются синтетические эмульгаторы, или продукты химической модификации природных веществ, промышленное производство которых начало развиваться в 20-е годы 20 века. Целью химической модификации натуральных эмульгаторов является изменение их гидрофильно-липофильного баланса, например, ГЛБ лецитинов можно менять от 2 до 10. Соответственно меняется и их поведение в пищевых системах. Поскольку ГЛБ является величиной аддитивной, смешиванием нескольких эмульгаторов можно получать эмульгирующие системы, поведение которых сильно отличается от поведения компонентов. Например, гидролизованные лецитины (ГЛБ 8) в смесях с другими эмульгаторами могут иметь величину ГЛБ 12.
Величина ГЛБ может зависеть от рН среды: например, в нейтральной и щелочной среде ГЛБ аммонийных солей фосфатидиловой кислоты (Е442) заметно выше, чем в кислой.
Наиболее популярными пищевыми эмульгаторами являются моно- и диглицериды жирных кислот (Е471), эфиры глицерина, жирных и органических кислот (Е472), лецитины, фосфатиды (Е322), аммонийные соли фосфатидиловой кислоты (Е442), полисорбаты, Твины (Е432...Е436), эфиры сорбитана, СПЭНЫ (Е491…Е496), эфиры полиглицерина и взаимоэтерифицированных рициноловых кислот (Е476), эфиры сахарозы и жирных кислот (Е473), стеароиллактаты натрия (Е481), стеароиллактаты кальция (Е482).
