Физико-химические основы производства эмульсий

Е.В. Борисенко, Ю.А. Алексеева, С.А. Климова
ООО "Скорпио-Аромат"

Эмульсионные системы сегодня играют ключевую роль в производстве продуктов питания. Эмульсии можно встретить в молочных, мясных, кондитерских, масложировых продуктах, напитках.

С внедрением новых технологий в пищевой промышленности наиболее значимыми становятся процессы, протекающие на границе раздела фаз (твердое вещество - жидкость, жидкость - газ - жидкость - жидкость). Поэтому одной из областей применения современной коллоидной химии (науки о дисперсных системах и поверхностных явлениях в них) является изучение физико-химических процессов, происходящих в гетерогенных системах, а именно в эмульсиях. Сложность рассматриваемых нами вопросов заключается в необходимости исследования особенностей поведения белков, полисахаридов, гликопротеинов, так называемых биополимеров, и их взаимодействия с другими соединениями.

Цель данного обзора заключается в ознакомлении читателей с коллоидно-химическими основами образования стабильных эмульсионных систем, которые находят широкое применение в пищевых производствах. Наиболее простой моделью для изучения эмульсий является молоко. Тем более что значение слова «эмульсия», происходит от латинского emulgere (to milk out) - получать молоко.

Определение

Эмульсиями называют гетерогенные системы, состоящие из двух не смешивающихся или ограниченно смешивающихся жидкостей, стабильность которых поддерживается за счет присутствия специально подобранных веществ - эмульгаторов. Одна из жидкостей носит название дисперсной фазы, другая - дисперсионной среды. Их количественное соотношение предопределяет тип образующейся эмульсии. Следует отметить, что наряду с типичными лиофобными эмульсиями существуют и критические лиофильные системы, образующиеся из двух ограниченно смешивающихся жидкостей при температурах, весьма близких к температуре смешивания. В отличие от лиофобных критические эмульсии являются термодинамически устойчивыми равновесными системами. Для них не требуется эмульгатор, однако возможность существования таких систем ограничивается очень узким интервалом температур.

Классификация

Обычные лиофобные эмульсии различают либо по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды, либо по концентрации дисперсионной фазы в системе. Согласно первой классификации различают эмульсии неполярной или слабополярной жидкости в полярной жидкости (например, эмульсии «масло в воде») - это эмульсии первого рода или прямые. Эмульсии полярной жидкости в неполярной жидкости («вода в масле») принято называть эсульсиями второго рода или обратными.

Согласно второй классификации эмульсии подразделяют на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные.

К разбавленным эмульсиям относят системы типа жидкость - жидкость, содержащие до 0,1 % (по объему) дисперсной фазы. Примером таких систем как раз и является молоко. Этот тип эмульсий - высокодисперсный (в отличие от концентрированных систем), размер частиц не превышает 100-300 нм, они обнаруживают электрофоретическую подвижность и, следовательно, несут электрический заряд, что повышает их агрегативную устойчивость. К такому типу эмульсий относят различные водные системы, например напитки, где роль ароматизирующего вещества играют эфирные масла или молоко.

К концентрированным эмульсиям принадлежат системы жидкость - жидкость с содержанием дисперсной фазы вплоть до 74 %. Эти эмульсии получают методом диспергирования и размер частиц относительно велик - 1 мкм и более. Концентрированные эмульсии легко седиментируют (оседают), причем процесс происходит тем легче, чем больше разность плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды. Агрегативная устойчивость концентрированных эмульсий может быть обусловлена различными факторами и зависит от природы эмульгатора. В пищевой промышленности примером концентрированных эмульсий могут служить молочные продукты, мороженое и кремы.

К высококонцентрированным эмульсиям обычно относят системы жидкость - жидкость с содержанием дисперсной фазы выше 74 %. Частицы в данном случае разделены тонкими прослойками дисперсионной среды и имеют форму многогранников. Вследствие плотной упаковки капелек высококонцентрированные эмульсии не способны к седиментации и обладают механическими свойствами, сходными со свойствами гелей. К высококонцентрированным эмульсиям второго рода принадлежат майонезы, маргарины и комбинированные масла.

Основные параметры

Что же является необходимым и достаточным условием создания эмульсионных систем? Каким образом, располагая необходимым набором ингредиентов, разработать агрегативно устойчивую эмульсию? На эти и другие вопросы можно ответить, охарактеризовав основные факторы, влияющие на стабильность коллоидных систем.

Эмульсии, как и большинство микрогетерогенных систем, обладают избытком поверхностной энергии на границе раздела фаз, что и приводит к их агрегативной неустойчивости. Реально это проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капель и последующем их слиянии (коалесценции) друг с другом. Такой процесс приводит к разрушению эмульсии и разделению ее на два разнородных слоя.

На повышение агрегативной устойчивости в большой степени влияют природа, количество эмульгатора и его способность снижать межфазное натяжение.

Обычно межфазное натяжение в пищевых эмульсиях («масло в воде») составляет от 15 до 25 дин/см. Добавление соответствующего эмульгатора приводит к снижению его величины до 10 дин/см. Как правило, так действуют ионогенные эмульгаторы.

Высокомолекулярные эмульгаторы

С термодинамической точки зрения эмульгатор, адсорбируясь на поверхности частиц дисперсной фазы, снижает поверхностное натяжение, что приводит к образованию стабильных систем. Другое объяснение заключается в том, что при наличии дифильных стабилизаторов на границе раздела фаз возникает энергетический барьер, обусловленный силами отталкивания. В том случае, когда речь идет о высокомолекулярных стабилизаторах, агрегативная устойчивость может быть достигнута за счет возникновения структурно-механического барьера, или стерического фактора устойчивости. Природа эмульгатора предопределяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Как известно, в качестве эмульгаторов могут быть использованы ионогенные (содержащие полярные группы) и неионогенные (главным образом высокомолекулярные) соединения.

Эффективность эмульгаторов характеризуется конкретным параметром - числом ГЛБ (гидрофильно-липофильный баланс).

Если ГЛБ лежит в пределах от 3 до 6, то образуется прямая эмульсия («масло в воде»). Эмульгаторы с числом ГЛБ от 8 до 13 позволяют формировать эмульсию обратного типа («вода в масле»). Варьируя природу и соотношение эмульгаторов, можно добиться обращения фаз в эмульсии

Факторы устойчивости эмульсий

Большинство эмульгаторов низкомолекулярной природы обеспечивают стабилизацию коллоидных систем за счет образования на границе раздела фаз двойного электрического слоя -ДЭС (теория ДЛФО). Значение и величина электрокинетического потенциала является суммарным значением электростатических сил отталкивания, возникающих в ДЭС, и ван-дер-ваальсовых сил притяжения.

Другой фактор устойчивости концентрированных эмульсий заключается в образовании на поверхности частиц дисперсной фазы гелеобразных структурированных слоев эмульгатора, обладающих высокой структурной вязкостью и прочностью.

Третьим фактором стабильности для эмульсий обратного типа будет являться адсорбция на поверхности капелек воды полярных концов углеводородов.

Устойчивость прямых эмульсий, стабилизированных высокомолекулярными соединениями, связана с формированием на границе раздела фаз достаточно плотного гидратного слоя, который создает расклинивающее давление или обеспечивает микроброуновское движение частиц в слое.

Особенности создания эмульсионных систем

При создании эмульсионных систем для пищевой промышленности, как правило, используют неионогенные высокомолекулярные эмульгаторы: белки различного строения, бета-лактоглобулин, лизоцим, овальбумин, коллагенны (см. таблицу).

Более компактным строением со стерической точки зрения обладают моно- и диглицериды жирных кислот, эфиры сахарозы, эфиры сорбитана, полисорбаты, стеариллактатыи др.

Необходимо принимать во внимание, что при использовании высокомолекулярных соединений в качестве эмульгаторов обязательно следует проводить предварительную подготовку, которая заключается в приготовлении специальных растворов с определенными температурой и временем набухания.

В последнее время наибольшей популярностью среди высокомолекулярных эмульгаторов стали пользоваться различные виды камедей - производные гуммиарабика, даммаровой камеди и др. Расширяется область использования модифицированных крахмалов, пектинов и каррагинанов.

Все вышеперечисленные факторы и правильно подобранные соотношения компонентов эмульсионных систем не позволят создать гомогенную стабильную во времени среду без соответствующего механического воздействия. Упрощенная технологическая схема получения пищевых эмульсий состоит из четырех этапов:
1) подготовка водной фазы;
2) подготовка жировой фазы;
3) создание грубой эмульсии (с размером частиц до 3 мкм);
4) гомогенизации и приготовление собственно эмульсии (с размером частиц дисперсной фазы 0,1-1,0 мкм).

Основными параметрами, которые необходимо контролировать в процессе производства, следующие: температурные условия для подготовки эмульгаторов и фаз; скорость и интенсивность смешивания компонентов при выработке грубой эмульсии; давление в гомогенизаторе, с помощью которого регулируется размер частиц.

В готовой эмульсии обязательному контролю подлежат такие качественные характеристики, как размер частиц, стабильность к расслаиванию, вязкость системы, замутняющая способность, а также обязательная токсикология, поскольку дальнейшей областью применения являются продукты питания.