Физико-химические факторы, влияющие на образование эмульсий

При получении эмульсии желательно контролировать некоторые ее характеристики, а именно: а) концентрацию, б) стабильность, в) размер частиц, г) вязкость. Чем меньше размер частиц, тем больше вязкость и стабильность эмульсии. Концентрированные эмульсии обычно очень вязкие. Для достижения высокой стабильности или высокой концентрации требуются совершенно противоположные условия.

Выбор эмульгатора. Первые исследователи свойств эмульсии считали, что поверхностное натяжение является очень важным фактором, определяющим стабильность и размер частиц. Приводились доводы, что большая величина означает и большую энергию, затрачиваемую на образование новой поверхности и, следовательно, это не благоприятствует образованию эмульсии. Поэтому стремились к уменьшению тем или иным путем. Как установлено в настоящее время, работа, затрачиваемая на образование новой поверхности, представляет собой лишь часть общей энергии, потребляемой в процессе приготовления эмульсии. Для промышленного производства наиболее важной характеристикой эмульсии является ее устойчивость. Эмульгаторы должны: 1) уменьшать поверхностное натяжение до 5 дин/см для эмульсий, которые приготавливают перемешиванием, и до 0, 5 дин/см для эмульсий, не требующих интенсивного перемешивания; 2) достаточно быстро адсорбироваться на каплях, создавая тонкий слой, не изменяющийся при столкновениях капель и препятствующий коагуляции и коалесценции; 3) иметь специфическую молекулярную структуру с полярными и неполярными группами; 4) хорошо растворяться в дисперсионной среде; 5) придавать эмульсии определенный электрокинетический потенциал; 6) влиять на вязкость эмульсии; 7) обладать эмульгирующими свойствами даже при малых количествах; 8) быть дешевыми; 9) быть безопасными в обращении и нетоксичными.

Способ введения эмульгатора. Наиболее распространенными являются четыре способа введения эмульгатора в эмульсию: 1) растворение в воде; 2) растворение в масле; 3) образование мыла; 4) прерывистое введение. По первому способу эмульгатор растворяют в водной фазе, затем при перемешивании добавляют масло. Обычно таким путем образуется эмульсия МУВ. Если же требуется получить эмульсию В/М, то масло следует добавлять до тех пор, пока не произойдет обращения фаз, или же вводить водный раствор в масло. Второй способ является обратным первому. Эмульгатор растворяют в масляной фазе, куда затем добавляют воду. Обычно так образуется эмульсия В/М. Если требуется получить эмульсию М/В, добавление воды должно быть продолжено вплоть до образования фаз, либо масло надо вводить малыми количествами в воду. По способу прерывистого введения воду и масло добавляют к эмульгатору периодически, малыми порциями. Этот способ получил широкое распространение в парфюмерной и пищевой промышленности.

Время перемешивания. Влияние времени перемешивания на размеры капель в эмульсиях исследовано в некоторых работах. Установлено, что продолжение перемешивания сверх оптимального времени мало улучшает качество эмульсий. При нормальных условиях эмульгирования средние размеры капель уменьшаются очень быстро в течение первых нескольких секунд и постепенно достигают предельного значения за 1–5 мин. Стабильность и вязкость эмульсий изменяются аналогично. Таким образом, если время перемешивания больше оптимального, то затраты мощности оказываются невыгодными. При образовании эмульсии, как было указано выше, происходят два процесса – диспергирование и коалесценция. В течение первых нескольких секунд перемешивания преобладает первый процесс – диспергирование, а коалесценция распространяется лишь на малое число капель. Чем больше в процессе перемешивания образуется отдельных капель, тем более частыми будут и соударения между ними. После нескольких минут перемешивания коалесценция будет происходить столь же часто, как и диспергирование, т.е. оба процесса станут равновесными. Именно условиями равновесия определяются величина концентрации эмульгатора, размер капель и другие характеристики эмульсии.

Интенсивность перемешивания. При неизменных компонентах эмульсии, способах их введения и той же самой аппаратуре имеется еще один параметр, изменение которого оказывает существенное влияние на свойства эмульсии – это интенсивность перемешивания. Обычно более быстрое перемешивание дает лучшие эмульсии. В последние годы делаются попытки найти количественные соотношения между параметрами, описывающими перемешивание, и размерами частиц или удельной поверхностью капель.

Температура. Обычно изменение температуры оказывает на эмульсии лишь косвенное воздействие, изменяется поверхностное натяжение, вязкость, адсорбция эмульгатора и др. Поскольку при возрастании температуры и вязкость, и поверхностное натяжение уменьшаются, то и эмульгирование обычно происходит легче. Нередко температура повышается вследствие энергичного перемешивания жидкости. Как упоминалось выше, иногда нужно контролировать цвет или проводимость эмульсий. Это достигается введением подходящих добавок, которые не влияют на другие свойства эмульсий.

ПРОБЛЕМА ДЕЭМУЛЬГИРОВАНИЯ. Выше рассмотрены вопросы, связанные с процессом получения эмульсии, – диспергирование больших масс жидкостей и образование капель. При эмульгировании одновременно протекает и противоположный процесс – малые капли коалисцируют, образуя капли больших размеров. Обычно такую коалесценцию предотвращают, используя вещества, которые создают энергетический барьер, препятствующий сближению частиц. Иногда необходимо выделить из эмульсии ее составные части.

Седиментации, обращение и коалесценция. Разрушение эмульсий может быть трех видов: седиментация, обращение (фаз) и коалесценция. Такая классификация удобна для практических целей. Седиментация наблюдается, например, при отделении сливок от молока. При этом не происходит полного разрушения эмульсии, а образуются две эмульсии, одна из которых богаче дисперсной фазой. Так, в обычном молоке содержится 8–10% жира, а в сливках – 30–35%. Обращение фаз – нестабильное состояние эмульсии, когда неожиданно происходит изменение типа эмульсии от В/М к М/В или наоборот. На обращение фаз влияют объемная концентрация компонентов, природа и количество эмульгатора. При изменении концентрации и благоприятном сочетании всех остальных факторов обращение фаз происходит, когда концентрация достигает 75%. Эта величина близка к теоретическому значению 74%, что соответствует плотной упаковке жестких шаров одинакового размера. Но совпадению этих величин не следует придавать большого значения, так как в концентрированных эмульсиях капли могут не иметь сферической формы, а кроме того, обращение фаз происходит и при иных концентрациях. Согласно схеме, предложенной Шульманом и Кокбейном (1940), при возрастании концентрации масла в эмульсии М/В капли масла сталкиваются друг с другом и соединяются таким образом, что теперь уже вода оказывается в виде капли.

Цель работы: разработать технологию добавки из растительного сырья с заданными свойствами, изучить функциональные свойства полученной добавки.

Приборы и материалы: мясорубка, весы электронные, тёрка, рН- метр, центрифуга с числом оборотов не менее 1500 мин ^-1, электрические плитки, баня водяная, миксер, стаканы для взбивания, сито для протирания, стеклянные пластинки, гиря массой 1 кг, стаканы химические, пробирки П-1-10-02-ХС ГОСТ 1770, беззольные фильтры, кружки из полиэтилена, крупа дробленая (в количестве 5 г), овощи (морковь – 30 г, свекла – 30 г или др.), сода пищевая, масло растительное, котлетное мясо из свинины.

Задания студентам:

1) Подготовить пюре добавок из предложенного растительного сырья.

2) Подготовить эмульсию и исследовать её.

3) Подготовить фарш с добавкой и исследовать его.

4) Сделать выводы.