X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Неустойчивость коллоидных систем объясняется большой, всегда положительной свободной поверхностной энергией, сосредоточенной на межфазной поверхности раздела. Эти причины могут быть объяснены с двух точек зрения - термодинамической и кинетической. Термодинамическое истолкование причин устойчивости или неустойчивости коллоидных систем очень просто. Однако, как и всякая термодинамическая трактовка, это объяснение формально. Кроме того, термодинамика не устанавливает связи между избытком свободной энергии в системе и тем, как долго система может быть в неравновесном состоянии. Поэтому более разъясняющим, в данном случае, является объяснение агрегативной неустойчивости или устойчивости коллоидной системы со стороны физической кинетики. Агрегативная неустойчивость является центральной проблемой коллоидной химии, и потребуется рассмотреть, что за причины обусловливают агрегативную неустойчивость коллоидных систем и почему многие коллоидные системы, существуют весьма продолжительное время. Причины неустойчивости коллоидных систем могут быть объяснены с двух точек зрения - термодинамической и кинетической.

Существенно, что агрегативная неустойчивость коллоидных систем  обычно проявляется в тем большей степени, чем больше их концентрация. Поэтому очень часто типичные коллоидные системы невозможно получить достаточно концентрированными. Согласно термодинамической трактовке причины агрегативной неустойчивости заключены в самих признаках коллоидного состояния системы - ее гетерогенности и высокой дисперсности. Совокупность этих признаков обусловливает достаточно высокое значение свободной поверхностной энергии, что и является причиной неустойчивости коллоидной системы. Поскольку коллоидные системы, обладающие большой удельной поверхностью и большой свободной энергией, являются принципиально неравновесными системами, к ним неприложимо известное правило фаз. Такие системы, очевидно, всегда будут стремиться к равновесному состоянию, отвечающему разделению системы на две сплошные фазы с минимальной межфазной поверхностью, хотя это равновесие практически может никогда и не наступить. Кроме того, термодинамика не устанавливает связи между свободной энергией системы и тем, как долго система может быть в неравновесном состоянии. Поэтому более полным - в данном случае является объяснение агрегативной неустойчивости или устойчивости коллоидных систем с позиций физической кинетики.

Устойчивость эмульсий

Эмульсиями называются дисперсные системы, в которых одна жидкость диспергирована в другой жидкости, то есть обе фазы являются жидкими. Согласно классификации по агрегатному состоянию фаз, они обозначаются Ж/Ж. Необходимым условием образования эмульсий является полная или частичная нерастворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде. Поэтому жидкие вещества, образующие эмульсию, должны различаться по полярности. Однотипность агрегатного состояния двух смежных фаз определяет особенности устойчивости эмульсий.

Седиментационная устойчивость эмульсий достаточно велика, причем тем больше, чем меньше разница в плотностях дисперсной фазы и дисперсионной среды. В разбавленных эмульсиях, если плотность дисперсной фазы ниже плотности дисперсионной среды, наблюдается "обратная седиментация", то есть частицы дисперсной фазы идут вверх. На процесс седиментации может накладываться процесс флокуляции, приводящий к увеличению размера оседающих агрегатов и, следовательно, к увеличению скорости их оседания.

Агрегативная устойчивость эмульсий, как и всех дисперсных систем, определяется их лиофильностъю и лиофобностъю. Лиофильные эмульсии термодинамически устойчивы и образуются самопроизвольно путем диспергирования жидкости до капель определенного размера. Лиофильных эмульсий немного.

Большинство эмульсий относится к лиофобным системам. Они термодинамически неустойчивы и не могут образовываться самопроизвольно из-за наличия избытка свободной энергии на межфазной поверхности. Эта неустойчивость проявляется в самопроизвольном слиянии капель жидкости друг с другом (коалесценции), что может привести к полному разрушению эмульсии и разделению ее на два слоя. Один из слоев соответствует жидкости, образующей дисперсную фазу, а другой - дисперсионную среду.

Агрегативную устойчивость эмульсий характеризуют или скоростью расслаивания эмульсии, или временем жизни отдельных капель в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью. Агрегативная устойчивость таких эмульсий возможна лишь в присутствии стабилизатора, препятствующего слиянию частиц. Стабилизатор в этом случае называют эмульгатором.

На агрегативную устойчивость эмульсии оказывает влияние концентрация дисперсной фазы. Вероятность контакта двух капель в разбавленных эмульсиях значительно ниже, чем в концентрированных и высококонцентрированных эмульсиях, поэтому разбавленные эмульсии обладают относительно большей агрегативной устойчивостью

Основные факторы, определяющие стабильность образующихся эмульсий	Основные функции эмульгаторов
свойства ПАВ	создание устойчивой высокодисперсной эмульсии
механические условия образования эмульсий	стабилизация и пр едотвращение отделения влаги и жира в готовом продукте
степень дисперсности и однородность размеров частиц дисперсной фазы	обеспечение стабильности при хранении
вязкость	обеспечение создания устойчивой формы кристаллической решетки в процессе структурообразовании
соотношение объемов фаз	обеспечение антиразбрызгивающей способности при жарке
электрические свойства эмульсий и свойства адсорбционных слоев	обеспечение пластичности

При коалесценции граница раздела фаз между каплями исчезает. Это обстоятельство определяет меньшую устойчивость эмульсий. Повышение агрегативной устойчивости эмульсий достигается введением эмульгаторов.

Эмульгаторы могут быть гидрофильными и гидрофобными. Наиболее распространенными гидрофильными эмульгаторами являются натриевые (калиевые) соли жирных кислот, которые лучше растворяются в воде, чем в углеводородах. Они являются поверхностно-активными веществами (ПАВ) и способны стабилизировать прямую эмульсию типа "М/В". Ориентация адсорбционного слоя ПАВ происходит в соответствии с правилом Ребиндера: неполярный радикал обращен к неполярной жидкости, а полярная группа - к полярной.

Эффективность эмульгаторов принято характеризовать соотношением между гидрофильной и гидрофобной частями молекул ПАВ. От этого же соотношения зависит поверхностная активность молекул. Короткоцепочечные ПАВ лучше втягиваются в воду (преобладает гидрофильное взаимодействие). Противоположный эффект наблюдается в случае длинноцепочечных ПАВ. Они находятся в масле (преобладает гидрофобное или лиофильное взаимодействие)

Роль эмульгаторов могут выполнять и измельченные порошки. Действие твердых эмульгаторов основано на их способности избирательно смачиваться одной из фаз: водой или маслом. При стабилизации порошками возникает структурно-механический барьер. Крупинки порошка, размер которых меньше капелек эмульсии, прилипают к поверхности капелек, образуя как бы твердую броню, препятствующую коалесценции.

Получение и разрушение эмульсий

Эмульсии можно получать искусственно в результате механического диспергирования жидкостей (перемешиванием, встряхиванием, вибрацией, ультразвуком), а также при замене растворителя в истинном растворе.

Для получения и стабилизации эмульсий часто применяют гомогенизацию. Это способ, характерный только для эмульсий, состоит в продавливании жидкости через отверстия. При этом струйки жидкости распадаются на капли и образуют частицы дисперсной фазы. Гомогенизация позволяет получить систему, близкую к монодисперсной. Для повышения устойчивости эмульсии грубодисперсные эмульсии продавливают через отверстия меньших размеров. Это позволяет уменьшить размеры капель и увеличить седиментационную устойчивость эмульсии. Например, гомогенизацию молока, которая снижает размер жировых капель на 1-2 порядка, что увеличивает время хранения продукта.

В качестве разрушения эмульсий можно рассматривать и процесс обращения фаз эмульсии, который заключается в превращении эмульсии одного типа в эмульсию обратного типа. Этот переход осуществляется в несколько стадий Вначале капли дисперсной фазы растягиваются и превращаются в пленки и нити. Эти пленки охватывают дисперсионную среду исходной эмульсии. Когда этот охват завершится, то дисперсионная среда исходной эмульсии превращается в дисперсную фазу новой эмульсии.В эмульсиях может происходить два явления – коагуляция и коалесценция.

Коагуляция – объединение частиц дисперсной фазы в агрегаты вследствие сцепления (адгезия) частиц при их соударении. Соударения происходят в результате броуновского движения, а также седиментации, перемещения частиц в электрическом поле. Характерные признаки коагуляции: увеличение мутности, появление хлопьевидных образований – флоккул, расслоение исходно устойчивой к седиментации системы с выделением дисперсной фазы в виде коагулянта.

Коалесценция – слияние капель жидкости внутри другой жидкости. В результате коалесценции происходит уменьшение степени дисперсности эмульсий, пен, аэрозолей вплоть до их расслоения на две фазы (жидкость – жидкость или жидкость – газ. В результате коагуляции происходит слипание жировых частиц. При размешивании соединившиеся частицы легко разъединяются дисперсионной средой с восстановлением эмульсии, поэтому коагуляция не вызывает разрушения эмульсий с выделением исходных фаз. При коалесценции капелек, наступающей при разрушении адсорбционных слоев, эмульсии необратимо разрушаются. Роль эмульгаторов при образовании эмульсий в основном сводится к чую следующему: они способствуют снижению межфазной энергии и предохраняют диспергированные капельки при их сближении от слияния. При производстве концентрированных пищевых эмульсий большое значение приобретает их устойчивость в отношении расслаивания.

Стабильность эмульсии обеспечивается наличием тонкого слоя третьего компонента – эмульгатора – на поверхности диспергированных частиц. Этот слой образует энергетический барьер, предотвращая коалесценцию капелек. В наиболее общем случае барьер может быть как механическим, так и электрическим.

Эмульгаторы должны обладать следующими свойствами:

уменьшать поверхностное натяжение

достаточно быстро адсорбироваться на поверхности раздела фаз, препятствуя слиянию капель

иметь специфическую молекулярную структуру с полярными и неполярными группами

влиять на вязкость эмульсии.

Эффективность действия эмульгатора является специфическим свойством, зависящим от его природы, типа эмульгируемых веществ, температуры, рН среды, концентрации, времени эмульгирования и т.д. Эффективность действия и природа эмульгатора определяют тип эмульсии. Гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, чем в углеводородах, способствуют образованию эмульсий типа масло – вода, а гидрофобные, лучше растворимые в углеводородах, – эмульсий типа вода – масло. Соотношение размеров полярной и неполярной частей молекул эмульгатора характеризуется специальным показателем – гидрофильно-липофильный баланс. Если ГЛБ эмульгатора составляет 3-6, образуется эмульсия вода – масло, при значении ГЛБ 8-13 образуется преимущественно эмульсия типа масло – вода. Маргарин представляет собой переохлажденную эмульсию типа вода в масле. При этом не исключена возможность образования эмульсии смешанного типа с преобладанием эмульсии вода – масло.

Таким образом, защитное действие эмульгаторов состоит в изменении термодинамических факторов на границе радела фаз. Практически все пищевые коллоидные системы требуют включения стабилизаторов, которые не только сохраняют наттивные свойства системы, но и придают пищевым коллоидам ряд дополнительных свойств, улучшающих их качетвенные характеристики.

Список использованной литературы

Боровская Л.В. Электронный учебно-методический комплекс дисциплины «Физическая и коллоидная химия: учебно-методический комплекс дисциплины» Учебное пособие. ФГУП НТЦ «ИНФОРМРЕГИСТР» Депозитарий электронных изданий. Москва 2010 .Транспортировка и хранение скоропортящихся пищевых продуктов. Данилин В.Н., Петрашев В.А., Боровская Л.В.// Известия высших учебных заведений. Пищевая технология. 1996. № 1-2. С. 7

Исследование термодинамических свойств белково-полисахаридной системы методом дифференциальной сканирующей калориметрии /Бугаец Н.А., Тамова М.Ю., Боровская Л.В., Миронова О.П. //Известия высших учебных заведений. Пищевая технология Издательство: Кубанский государственный технологический университет .Краснодар, № 5-6,с.112.

Применение PDM-технологий в управлении качеством пищевой продукции. Боровская Л.В., Молова О.Э. //В сборнике: Устойчивое развитие, экологически безопасные технологии и оборудование для переработки пищевого сельскохозяйственного сырья; импортоопережение Сборник материалов международной научно-практической конференции. 2016. С. 66-69.

Б Сумм. Б. Д. Основы коллоидной химии: Учебник для студ. высш. учеб. заведений. М.: Издательский центр «Академия», 2009.- 240 с.

5. Федякина З., Горшкова Л., Рубина Л и др. Жировые эмульсии. Требования к эмульгаторам в свете современных тенденций развития маргаринового производства

Код для цитирования: Скопировать