Коллоидные системы

Коллоидное состояние характеризуется следующими основными признаками: определенными размерами частиц (10^-7…10^{-5 см), гетерогенностью и многокомпонентностью.}

Дисперсные системы с частицами коллоидных размеров принято называть золями (от латинского слова solutio – раствор).

Системы с газовой дисперсионной средой независимо от природы газа называют аэрозолями. Системы с жидкой дисперсионной средой – лиозолями (от греческого слова lios – жидкость). В зависимости от природы жидкости лиозоли называют гидрозолями (вода), органозолями (органическая среда) или более конкретно – алкозолями (спирты), этерозолями (эфиры) и т.д.

По размеру частиц золи занимают промежуточное положение между истинными растворами и грубодисперсными системами – порошками, суспензиями и эмульсиями.

 

Таблица

Дисперсная фаза	Дисперсионная среда	Условное обозначение системы	Название системы и примеры
Твердая	Твердая	Т/Т	Твердые гетерогенные системы: шоколад, кристаллический ирис
Жидкая	-«-	Ж/Т	Капиллярные системы (жидкость в пористых телах): мармелад, бисквитное тесто
Газообразная	-«-	Г/Т	Пористые тела, твердые пены: пастила, зефир, пористый шоколад
Твердая	Жидкая	Т/Ж	Суспензии и лиозоли: взвеси, пасты, какао тертое, помадные массы
Жидкая	-«-	Ж/Ж	Эмульсии: кремы, молоко, масло, сметана
Газообразная	-«-	Г/Ж	Газовые эмульсии и пены: шампанское, пиво
Твердая	Газообразная	Т/Г	Аэрозоли (пыли, дымы), порошки: мучная, сахарная пыль, какао-порошок, крахмал
Жидкая	-«-	Ж/Г	Аэрозоли: туманы, в том числе и промышленные, распыленные для высушивания соки, молоко
Газообразная	-«-	Г/Г	Коллоидная система не образуется

 

Коллоидные системы образуются 2-мя 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 кололоидных систем являются нерастворимость вещества дисперсной фазы в дисперсионной среде; достижение частицами дисперсной фазы коллоидной дисперсности; наличие стабилизатора (создают вокруг коллоидных частиц адсорбционный защитный слой, препятствующий их агрегатированию).

Эмульгаторы и стабилизаторы

Эмульгаторы (лецитин - относится к группе фосфолипидов, содержащихся в растительных маслах; жирные кислоты и их соли и др.) – это вещества, уменьшающие поверхностное натяжение на границе раздела фаз, поэтому их добавляют к пищевым продуктам для получения тонкодисперсных и устойчивых коллоидных систем. В частности, с помощью таких добавок создают эмульсии жира в воде или воды в жире.

Принцип действия стабилизаторов (фосфаты) такой же, как и эмульгаторов. Цель их применения – стабилизация уже существующих гомогенных систем или же улучшение степени гомогенизации смесей. Их поверхностная активность обычно меньше активности эмульгаторов.

Стабилизаторы обладают различными положительными функциями:

- сгущают и стабилизируют продукты

- подчеркивают нежный, молочный вкус

- создают правильную структуру

- стандартизируют количество белка в молоке и сливках перед брожением

- предупреждают синерезис

- источники клетчатки (например, пектин), что значительно повышает питательную ценность и качество продуктов

- гарантируют высокую вязкость кисломолочных напитков

 

Источники происхождения:

- растительного (крахмал, пектин)

- животного (желатин)

- микробиологического (ксантановая камедь)

 

Применение стабилизаторов позволяет проводить тепловую обработку при 72-85⁰С без нарушения структуры продукта; связывать жир; повышать влагоудерживающую способность молочно-белкового сгустка и тем самым предупреждать отстой сыворотки; предотвращать пороки песчанистости и крупитчастости, возникающие при тепловой обработке; регулировать структуру и консистенцию продукта. Защитная функция стабилизаторов допускает изменение параметров технологического процесса.

К добавкам, влияющим на консистенцию и вязкость продукта, относят загустители, стабилизаторы и гелеобразователи.

Наиболее известны следующие группы этих добавок: белки (желатин, молочные белки, соевые белки); экстракты водорослей (агар-агар, агароид, фурцелларан, альгиновая кислота, ее соли – альгинат: натрия, калия, аммония, кальция, пропиленгликольальгинат); пектиновые вещества (протопектины, нерастворимые в воде, пектины или гидропектины, растворимые в воде, пектиновые кислоты); крахмалы (природные, модифицированные, расщепленные, окисленные, замещенные); целлюлоза и ее производные (метилцеллюлоза, этилцеллюлоза, гидроксипропилцеллюлоза, гидроксипропиметилцеллюлоза, метилэтилцеллюлоза, натриевая соль карбоксилметилцеллюлозы); камеди (растительные камеди - камедь рожкового дерева, овсяная камедь, гуаровая камедь, трагакант, гуммиарабик,камедь карайи, камедь тары,геллановая камедь, камедь семян айвы и др., микробные камеди – ксантан, декстран, бета-1,3 глюкан).

Стабилизаторы применяют для достижения определенных эффектов химического, физического и биологического характера и поддержания их в течение более или менее продолжительного времени.

Механизм действия стабилизаторов различен. Для некоторых из них он окончательно не выяснен, однако существуют некоторые теории и предположения на этот счет [1,2,3,4,5].

Действие стабилизаторов, защищающих белки молока при нагревании в кислой среде, объясняют так называемым механизмом коллоидной защиты белка, т.е. защиты, предохраняющей пространственную сетку молочно-белкового геля от уплотнения и потери влаги при тепловой обработке.

Предполагается, что защита складывается из нескольких одновременно действующих факторов, включающих ассоциацию казеина с молекулами стабилизатора, снижение с помощью стабилизатора поверхности натяжения на границе раздела между частицами казеина и водой и таким образом предотвращение слияния частиц казеина, а также замену гидратной оболочки казеина на защитную оболочку из стабилизатора.

Считается, что гели – это сшитые полимеры, которые могут адсорбировать растворитель, но не растворяться в нем. Равновесное влагосодержание растворителя в геле зависит от температуры, типа взаимодействия полимер-растворитель и эластичных сил в сетке полимера, которые противодействуют его разбуханию.

Тужилкиным и др [5] выяснено, что строение молекул пектинов определяет их основные физико-химические и потребительские свойства, к которым относят способность к гелеобразованию в водной среде и комплексообразованию с ионами поливалентных металлов. Образование геля – трехмерной пространственной структуры – происходит путем взаимодействия пектиновых молекул между собой. Процесс зависит в основном от молекулярной массы, степени этерификации пектиновой молекулы и распределения карбоксильных групп. Помимо этого влияние оказывают содержание балластных веществ, температура и рН среды.

Формирование трехмерной пространственной структуры может происходить двумя путями: за счет изменения сил электростатического отталкивания молекул в присутствии дегидратирующих веществ в кислой среде; с участием ионов поливалентных металлов.

По мнению Тророговой и др. [3], гидроколлоиды в силу своей природы в нативном состоянии находятся в форме глобул (макромолекул). Для образования геля в водной среде при их использовании должны быть соблюдены 3 условия с целью так называемого “развертывания глобул”: определенная концентрация полимера в растворе, а также определенная температура и кислотность. При правильном выборе указанных условий можно достичь наибольшего числа полярных контактов макромолекул гидроколлоида и молекул воды в результате своеобразного денатурирования гидроколлоида.

Была сделана попытка описать действие эмульгаторов [4]. Предполагается, что механизм действия эмульгаторов заключается в снижении электрического заряда (от белка) на поверхности жирового шарика. Эмульгатор гидрофобной частью располагается на поверхности жирового шарика, а гидрофильной – на поверхности воды. Молекулы белка, присоединяясь к активным радикалам по гидрофильным остаткам эмульгатора, снижают общий заряд жировой частицы, что уменьшает ооталкивание шариков друг от друга и приводит к агломерации и коалесценции жира в период фризерования. Стабилизаторы или гидроколлоиды при диспергировании в воде гидрируют, связывая большое количество воды путем водородной связи. Водосвязывающий эффект дополняется эффектом фиксации воды, так как стабилизаторы образуют в воде трехмерную сетку, что объясняется взаимодействием между молекулами стабилизатора и (или) молекулами стабилизатора и белка. С образованием такой структуры ограничивается подвижность несвязанной воды.

 

Диспергирование используют при дроблении и измельчении зерна в муку, какао-бобов в какао тертое и какао-порошок, сахара в сахарную пудру, в консервной промышленности при гомогенизации плодово-ягодных пюре и т.д.

Конденсация возникает в ректификационных аппаратах при получении спирта, кристаллизации сахара, выпаривании растворов, оклейке вин и т.д.

Коллоидные системы обладают молекулярно-кинетическими свойствами, обусловленными самопроизвольным движением частиц. Это такие свойства, как диффузия, осмотическое давление и распределение частиц по высоте.

Причиной диффузии (самопроизвольное выравнивание концентраций) частиц в коллоидных системах является броуновское движение, которое, в свою очередь, является следствием теплового движения молекул дисперсионной среды. Скорость диффузии обратно пропорциональна размеру диффундирующих частиц, поэтому в коллоидных системах, частицы которых имеют размеры порядка 10^-7…10^{-5 см, т.е. значительно больше молекул обычных низкомолекулярных веществ, скорость диффузии невелика.}

На коллоидные частицы, распределенные в дисперсионной среде, действуют две противоположно направленные силы: сила тяжести и сила диффузии. Под действием силы тяжести частицы стремятся осесть на дно – седиментировать. Силы диффузии же стремятся распределить частицы равномерно по всему объему системы. Таким образом, дисперсные системы способны сохранять определнное распределение частиц по объему. Эта способность называется седиментационной или кинетической устойчивостью. Грубодисперсные системы кинетически неустойчивы, их частицы велики и поэтому под действием силы тяжести оседают на дно. Молекулярные системы (газы, растворы) обладают очень высокой кинетической устойчивостью. Кинетическая устойчивость коллоидных систем зависит от размеров их частиц: чем меньше размер частиц, тем более кинетически устойчива коллоидная система.