Лекция № 1 Физико-химические основы получения структурированных продуктов питания (1 час) (стр. 2 )

Таблица 3

Состояние фаз в молоке

Компоненты	Жировая фаза	Белковая фаза
жировые шарики, липопротеиновые оболочки	гидратированные мицеллы казеина, соли	сывороточные белки
Состояние системы	Грубая дисперсия	Тонкая дисперсия	Коллоидный раствор
Содержание, %	3,8	3,2	0,8
Объемная доля	0,042	0,065	0,006
Диаметр частицы	0,1-1 мкм	10-300 нм	3-6
Число частиц в 1 мл	1010	1014	1017
Размер поверхности, см2/мл	700	40000	50000
Плотность при 200С, г/мл	0,92	1,11	1,34
Способ выделения	Сепарирование	Ультрацентрифугирование	Гельфильтра-ция

Дисперсные структуры условно можно также подразделить на два основных типа, различающихся по видам взаимодействия частиц дисперсной фазы. Первая группа, включающая коагуляционные структуры, характеризуется тем, что пространственный каркас обладает небольшой прочностью, так как взаимодействие частиц происходит за счет молекулярных сил через прослойки жидкости. Отличительной особенностью коагуляционных структур является тиксотропия - явление полного восстановления структуры после предельно возможного ее разрушения под воздействием механической нагрузки (сдвигающей деформации).

Образование конденсационно-кристализационных структур происходит за счет непосредственного взаимодействия частиц и их срастания с образованием жесткой объемной структуры. Подобные структуры типичны для связанодисперсных систем. Для них характерны фиксированная структура и геометрические размеры, прочность, хрупкость и неспособность к обратимому восстановлению после механического разрушения. Если частицы аморфные, то структуры, образующиеся в дисперсных системах, принято называть конденсационными; если частицы частично кристаллические, то структуры являются кристаллизационными.

Под структурой тел обычно понимают пространственное взаимное расположение составных частей тела. Структуру, т. е. внутреннее строение продукта и характер взаимодействия между отдельными элементами, определяют химический состав, дисперсность, биохимические и технологические факторы.

По природе устойчивости и интенсивности межмолекулярных взаимодействий на границе раздела фаз дисперсные системы подразделяются на лиофильные и лиофобные. Для лиофильных дисперсных систем характерна высокая степень родственности дисперсной фазы и дисперсионной среды и малая интенсивность поверхностных сил на границе раздела фаз, чему отвечают очень низкие значения поверхностной энергии на межфазных поверхностях. Эти коллоидные системы могут образовываться самопроизвольно из соответствующих макроскопических фаз; для них характерно термодинамически равновесное распределение частиц дисперсной фазы по размерам (а иногда и по форме), которое зависит только от состава и условий существования системы. В лиофобных дисперсных системах (коллоидно - и грубодисперсных) дисперсная фаза и дисперсионная среда  менее родственны, и различие граничащих фаз по химическому составу и строению проявляется в слабом межфазном взаимодействии, большой интенсивности поверхностных сил и значительном избытке энергии на межфазной поверхности. Такие системы термодинамически неустойчивы и требуют специальной стабилизации.

Наличие развитой поверхности и связанной с ней большой поверхностной энергии обусловливает необходимость затраты значительной работы на образование лиофобных дисперсных систем как путем измельчения (диспергирования) макроскопических фаз, так и при выделении (конденсации) новых дисперсных фаз из гомогенных систем. Избыточная поверхностная энергия обусловливает повышение химической активности вещества дисперсной фазы в высокодисперсном состоянии тем больше, чем меньше размер частиц дисперсной фазы. Это проявляется в увеличении растворимости вещества дисперсной фазы в окружающей среде и повышении давления пара над малыми частицами. Повышенная химическая активность и развитая поверхность раздела фаз определяют высокую скорость процессов взаимодействия между дисперсной фазой и дисперсионной средой - переноса массы и энергии между ними в гетерогенных химических процессах.

Наличие избытка поверхностной энергии, особенно в высокодисперсных системах, обусловливает главную особенность лиофобных дисперсных систем - их термодинамическую нестабильность и возможность протекания в них процессов, ведущих к понижению поверхностной энергии за счет уменьшения площади поверхности раздела фаз или насыщения поверхностных сил. Это ведет к изменению строения дисперсных систем и их разрушению.

Современная пищевая технология рассматривает широкий диапазон дисперсных систем: от грубодисперсных с частицами от 1 мкм и выше и удельной поверхностью S1<1 м2/г до высокодисперсных, в т. ч. ультрамикрогетерогенных коллоидных наносистем с частицами до 1 нм и удельными поверхностями, достигающими 1000 м2/г. Грубодисперсные системы содержат частицы, оседающие в гравитационном поле и не проходящие через бумажные фильтры, видимые в обычный световой микроскоп. Частицы высокодисперсных систем невидимы в световой микроскоп, практически не оседают и не проходят через бумажные фильтры. Частицы высокодисперсных систем могут быть обнаружены с помощью электронного или ультрамикроскопа; они задерживаются ультрафильтрами и могут быть отделены с помощью центробежного поля.

Высокодисперсные системы можно разделить на ультрамикрогетерогенные  с размером частиц от 10-7 до 10-5 см и микрогетерогенные с размерами частиц от 10-5 до 10-3 см. Частицы с меньшими размерами, чем 10-7 см, образуют молекулярные или ионные растворы. К грубодисперсным системам относят вещества с размером частиц, превышающим 10-3 см. Для связанодисперсных систем классификация по дисперсности основывается на размерах пор веществ. Пористые тела с размером  пор до 2⋅10-5 см  следует отнести к микропористым системам, от 2⋅10-7 до 2⋅10-5 см - к переходнопористым, превышающим 2⋅10-5 см - к макропористым.

Высокодисперсное состояние вещества служит условием высокой организации материи. Тонкодисперсная структура обусловливает необходимые структурно-механические характеристики. Лишь на высокоразвитых межфазных поверхностях, т. е. в высокодисперсных системах, интенсивно протекают гетерогенные химические реакции. Только высокодисперсная структура, т. е. множество мельчайших субъединиц материи, позволяет хранить и использовать огромные объемы информации в малых физических объемах.

Основные закономерности адсорбционных явлений на границах раздела фаз при введении в систему третьего компонента (ПАВ) подчиняется правилу уравнивания , в соответствии с которым поверхностно-активным является компонент, способный скомпенсировать скачек полярностей, существующий на границе раздела двух разнородных фаз, состоящих из взаимно ограниченно растворимых (или практически нерастворимых) веществ.

Рис. 1. Ориентация ПАВ на межфазной границе вода

Подобное уравнивание, или «сглаживание» разности полярностей в межфазной поверхности разрыва возможно в том случае, когда полярность третьего компонента оказывается промежуточной между полярностями двух других компонентов, образующих контактирующие фазы. Наиболее полное сглаживание полярностей происходит при адсорбции дифильных веществ, молекулы которых имеют резко различающиеся по полярности участки. Таковы органические ПАВ, способные компенсировать разность полярностей между водой и любой (жидкой или твердой) углеводородной фазой. Молекулы ПАВ при этом ориентируются полярной группой в воду, а углеводородной цепью - в сторону «масла», создавая переходный слой, который при достаточно высоких значениях адсорбции в большой мере или даже практически полностью сглаживает разность полярностей между двумя фазами. Как ранее отмечалось, особенностью свойств дисперсных систем является то, что значительная доля всех молекул и атомов располагается на поверхности раздела фаз. Эта часть вещества по своему положению находится в несимметричном силовом поле, а также отличается по своему энергетическому состоянию. Действительно, создание межфазной поверхности требует затраты работы по разрыву связей, значительная часть которой накапливается в виде избыточной потенциальной энергии на межфазной границе.

Избыток свободной энергии делает дисперсии системами, стремящимися к уменьшению дисперсности. При этом система, оставаясь неизменной по химическому составу, изменяет энергетические характеристики и, следовательно, коллоидно-химические свойства.

Все эти особенности имеют решающее значение при создании продуктов с дисперсной структурой. Потенциальные возможности реализации этого направления в отечественной пищевой промышленности, основанные на знании свойств дисперсных систем, практически неограниченны, однако развиты недостаточно сильно.

Наиболее полная информация, которая может быть получена при дисперсионном анализе, включает в себя функции распределения частиц по размерам, а в некоторых случаях и по форме частиц. Различают дифференциальные и интегральные (кумулятивные) функции распределения частиц по размерам, которые связаны между собой соответственно операциями дифференцирования и интегрирования, т. е. необходимо рассмотреть два параметра: что распределено, и почему (по какому признаку) рассматривается распределение. Первым параметром может быть число частиц, их суммарный объем, масса, суммарная поверхность. Второй параметр характеризует размер частиц: радиус, объем, массу, реже - поверхность.

В зависимости от метода дисперсионного анализа могут получаться либо непрерывные функции распределения (Δr→0), либо гистограммы, в которых высота столбов отражает количество вещества в заданном интервале радиусов, а ширина - величины Δr (не всегда одинаковые в разных областях размеров частиц).