лекции. Краткий курс лекций структурообразование в пищевых системах воро. Курс лекций структурообразование в пищевых системах
 Скачать 0.85 Mb.
|
КРАТКИЙ КУРС ЛЕКЦИЙструктурообразованиеВ ПИЩЕВЫХ СИСТЕМАХВОРОНЕЖ2012 Глава I. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ 1.1 Основные свойства дисперсных систем К основным свойствам дисперсных систем относятся гетерогенность, большая удельная поверхность, большая нескомпенсированная поверхностная энергия. Гетерогенность. Дисперсные системы состоят из двух и более фаз, одна из которых раздроблена (рис. 1.1). Р  аздробленную (прерывную) часть дисперсной системы называют дисперсной фазой 1, а нераздробленную (непрерывную) – дисперсионной (сплошной) средой 2.Необходимым условием образования дисперсной системы является нерастворимость или ограниченная растворимость дисперсной фазы в дисперсионной среде. Дисперсные системы с частицами одинакового размера называют монодисперсными, различного – полидисперсными. Реальные системы, как правило, полидисперсны. Дисперсные системы широко распространены в природе и технике: нефть, лаки, краски, дым, природные водоемы. К дисперсным относится большинство продуктов и полуфабрикатов пищевой промышленности: молоко, масло, пиво, крупы, майонез, хлеб, фарш и др. Дисперсные системы, в которых частицы дисперсной фазы имеют размер 10-9 - 10-7 м (1-100 нм), называют коллоидными системами, или коллоидными растворами. Большая удельная поверхность. Количественной характеристикой межфазной поверхности дисперсных систем служит удельная поверхность Sуд – площадь раздела фаз S, приходящаяся на единицу массы m или единицу объема V дисперсной фазы:  , м-1 или  , м2/г.В монодисперсных системах удельная поверхность зависит от характерного размера частицы а:  ,где k – коэффициент, зависящий от геометрической формы частиц. Так, для частиц кубической формы с ребром а  ,сферической формы с радиусом r  .Величина, обратная характерному размеру, называется дисперсностью D:  .Из приведенных соотношений видно, что, чем меньше характерный размер частиц дисперсной фазы, тем больше удельная поверхность и дисперсность. Так, для частиц кубической формы уменьшение ребра от 1 м до 10-9 м вызывает увеличение удельной поверхности с 6 до 6109 м-1. Большая нескомпенсированная поверхностная энергия. Различие состава соприкасающихся фаз и характера межмолекулярных взаимодействий в них обусловливает возникновение нескомпенсированной поверхностной энергии, значение которой прямо пропорционально удельной поверхности раздела. Для частиц, находящихся в объеме жидкой фазы, силы межмолекулярного взаимодействия симметричны, равнодействующая их равна 0 (рис. 1.2). Частицы, расположенные на поверхности, взаимодействуют как с однородными частицами, так и с частицами другого рода. В  системе жидкость-газ (рис. 1.2) притяжение со стороны молекул газа слабее притяжения со стороны молекул жидкости. В результате асимметричности силового поля возникает результирующая сила, направленная внутрь более плотной фазы (жидкой). Эту силу часто называют внутренним давлением. Чем сильнее различаются межмолекулярные взаимодействия в граничащих фазах, тем больше внутреннее давление. Для жидкостей на границе с воздухом внутреннее давление очень велико, например, для воды оно составляет 14800 атм. Поэтому плотность капельных жидкостей практически не изменяется при увеличении внешнего давления. Такие жидкости называют несжимаемыми. Нереализованная способность к взаимодействию со стороны одной из фаз (в данном случае газовой) характеризует свободную поверхностную энергию Gпов, которая и обусловливает течение различных поверхностных процессов. Общая поверхностная энергия системы определяется поверхностью Sи удельной поверхностной энергией , называемой поверхностным натяжением: Gпов = S. Поверхностное натяжение – это работа термодинамически обратимого процесса образования единицы площади новой поверхности при постоянных температуре, давлении и составе жидкости. Для образования новой межфазной поверхности необходимо перевести часть молекул из объема жидкости в поверхностный слой, затратив при этом работу против внутреннего давления, стремящегося втянуть молекулы поверхностного слоя внутрь фазы, т.е.  ,где Аобр – термодинамически обратимая работа; она отрицательна, так как совершается над системой. При p, T = const -Aобр = dG, где G – свободная энергия Гиббса,  .Новая поверхность образуется тем легче, чем меньше поверхностное натяжение. Например, образование пены, сопровождающееся ростом межфазовой поверхности, протекает значительно легче в растворах моющих средств, чем в чистой воде, имеющей большое поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение позволяет поверхности воды выдерживать вес водяного паука, а пауку шагать по ней. Поверхностное натяжение на границе двух конденсированных фаз называет межфазным. Оно образуется на поверхности раздела двух взаимно нерастворимых жидкостей, твердого тела с жидкостью и двух твердых тел и обозначается соответственно ж-ж, т-ж, т-т. Поверхностное натяжение с ростом температуры снижается. Это связано с повышением давления насыщенного пара и уменьшением нескомпенсированности межмолекулярного взаимодействия. При 293 К поверхностное натяжение воды составляет 72,75 мДж/м2; поверхностное натяжение подсолнечного масла (33 мДж/м2), сырого молока (45-60 мДж/м2), сухих вин (46-52 мДж/м2) существенно ниже воды. Согласно принципу минимума свободной энергии, любая фаза стремится уменьшить свою поверхностную энергию. Поэтому текучие системы принимают форму с минимальной поверхностью фазы при заданном объеме – форму сферы. Влияние кривизны поверхности. Кривизна поверхности Н равна половине производной площади поверхности по объему  .Для тела сферической формы с радиусом RH = 1/R. Кривизна плоской поверхности равна нулю, радиус кривизны – бесконечности. С ростом кривизны поверхности радиус кривизны уменьшается. Кривизна может быть положительной и отрицательной. Кривизна положительная, если центр ее находится внутри фазы; если центр ее вне фазы, то кривизна отрицательна. Кривизна поверхности влияет на физико-химические свойства. Так, давление насыщенного пара над вогнутой поверхностью меньше, чем над плоской, т.е. над вогнутой поверхностью пар конденсируется при более низком давлении. 1.2 Классификация дисперсных систем Нет единого способа классификации дисперсных систем. Классифицировать дисперсные системы можно на основе следующих общих признаков: по степени дисперсности; по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды; по характеру взаимодействия дисперсной фазы и дисперсионной среды; по структурно-механическим свойствам. Классификация по степени дисперсности В зависимости от размеров частиц различают высокодисперсные, среднедисперсные и грубодисперсные системы (табл. 1). Т а б л и ц а 1
У  Sуд      дельная поверхность частиц дисперсной фазы максимальная в высокодисперсных системах; при переходе к средне- и грубодисперсным системам удельная поверхность уменьшается (рис. 1.3). П 10-9 10-7 10-5a, м  Рис. 1.3. Зависимость удельной поверхности от размера частиц ри размере частиц менее 10-9 м исчезает поверхность раздела между частицей и средой, образуются молекулярные или ионные растворы (истинные растворы). Классификация по агрегатному состоянию Дисперсная фаза и дисперсионная среда могут находиться в любом из трех агрегатных состояний: твердом (Т), жидком (Ж) и газообразном (Г). Каждая дисперсная система имеет свое обозначение и название: в числителе указывается агрегатное состояние дисперсной фазы, в знаменателе – дисперсионной среды. В общем случае возможно 9 вариантов дисперсных систем (табл. 2). Т а б л и ц а 2
В общем случае все высокодисперсные коллоидные системы называют золями. К слову золь добавляют приставку, характеризующую дисперсионную среду. Если дисперсионная среда твердая – ксерозоли, жидкая – лиозоли (гидрозоли), газ – аэрозоли. Помимо простых дисперсных систем существуют и сложные дисперсные системы, которые состоят из трех и более фаз. Классификация по характеру взаимодействия сплошной среды и дисперсной фазы Все дисперсные системы образуют две большие группы – лиофильные и лиофобные. Лио – жидкость, филио – любить, фобио – отторгать. 1) лиофильные (гидрофильные) системы характеризуются высокой степенью сродства дисперсной фазы и дисперсионной среды. В таких системах силы межмолекулярного взаимодействия на межфазной границе преобладают над силами межмолекулярного взаимодействия в объеме фазы. Системы образуются самопроизвольно, термодинамически устойчивы. К лиофильным системам относятся растворы высокомолекулярных соединений (пектина, агароида, крахмала, белков) и коллоидных поверхностно-активных веществ (мыла). 2) лиофобные (гидрофобные) – системы, в которых межмолекулярное взаимодействие частица – среда невелико. Такие системы считают термодинамически неустойчивыми. Для их образования необходимы определенные условия и воздействие извне. Для увеличения устойчивости в них вводят стабилизаторы. Большинство дисперсных систем хлебопекарного, макаронного, кондитерского, сахарного производств относятся к этим системам. Классификация по структурно-механическим свойствам Различают системы: 1) свободнодисперсные – системы, в которых дисперсная фаза свободно перемещается по всему объему системы (лиозоли, разбавленные суспензии и эмульсии, аэрозоли, практически все сыпучие порошки и др.) 2) связнодисперсные системы – системы, в которых дисперсная фаза не может свободно передвигаться в сплошной среде. В таких системах возникновение межмолекулярных связей между фазой и средой приводит к образованию структурированных систем (практически все системы пищевых производств). Связнодисперсные системы, в отличие от свободнодисперсных, обладают новыми качествами: прочностью, упругостью, пластичностью. Связнодисперсные пищевые массы могут быть в виде полупродуктов (тесто, мясной фарш) или готовых продуктов питания (творог, сливочное масло, халва, мармелад, плавленый сыр, дрожжи и т.д.). 1.3 Диспергационные и конденсационные методы получения дисперсных систем Известны два способа получения дисперсных систем. В одном из них тонко измельчают (диспергируют) твердые и жидкие вещества в соответствующей дисперсионной среде, в другом вызывают образование частиц дисперсной фазы из отдельных молекул или ионов. Методы получения дисперсных систем измельчением более крупных частиц называют диспергационными. Методы, основанные на образовании частиц в результате кристаллизации или конденсации, называют конденсационными Диспергационные методы. Эта группа методов объединяет прежде всего механические способы, в которых преодоление межмолекулярных сил и накопление свободной поверхностной энергии в процессе диспергирования происходит за счет внешней механической работы над системой. В результате твердые тела раздавливаются, истираются, дробятся или расщепляются. В лабораторных и промышленных условиях рассматриваемые процессы проводят в дробилках, жерновах и мельницах различной конструкции. Наиболее распространены шаровые мельницы. Это полые вращающиеся цилиндры, в которые загружают измельчаемый материал и стальные или керамические шары. При вращении цилиндра шары перекатываются, истирая измельчаемый материал. Измельчение может происходить и в результате ударов шаров. В шаровых мельницах получают системы, размеры частиц которых находятся в довольно широких пределах: от 2-3 до 50-70 мкм. Полый цилиндр с шарами можно приводить в круговое колебательное движение, что способствует интенсивному дроблению загруженного материала под действием сложного движения измельчаемых тел. Такое устройство называется вибрационной мельницей. Более тонкого диспергирования добиваются в коллоидных мельницах различных конструкций, принцип действия которых основан на развитии разрывающих усилий в суспензии или эмульсии под действием центробежной силы в узком зазоре между вращающимся с большой скоростью ротором и неподвижной частью устройства – статором. Взвешенные крупные частицы испытывают при этом значительное разрывающее усилие и таким образом диспергируются Высокой дисперсности можно достичь ультразвуковым диспергированием. Диспергирующее действие ультразвука связано с кавитацией – образованием и захлопыванием полости в жидкости. Захлопывание полостей сопровождается появлением кавитационных ударных волн, которые и разрушают материал. Экспериментально установлено, что дисперсность находится в прямой зависимости от частоты ультразвуковых колебаний. Особенно эффективно ультразвуковое диспергирование, если материал предварительно подвергнут тонкому измельчению. Эмульсии, полученные ультразвуковым методом, отличаются однородным размером частиц дисперсной фазы. При дроблении и измельчении материалы разрушаются в первую очередь в местах прочностных дефектов (макро и микротрещин). Поэтому по мере измельчения прочность частиц возрастает, что обычно используют для создания более прочных материалов. В то же время увеличение прочности материалов по мере их измельчения ведет к большому расходу энергии на дальнейшее диспергирование. Разрушение материалов может быть облегчено при использовании эффекта Ребиндера – адсорбционного понижения прочности твердых тел. Этот эффект заключается в уменьшении поверхностной энергии с помощью поверхностно - активных веществ (ПАВ), в результате чего облегчается деформирование и разрушение твердого тела. Для понизителей твердости характерны малые количества, вызывающие эффект Ребиндера. и специфичность действия. Добавки, смачивающие материал, помогают проникнуть среде в места дефектов и с помощью капиллярных сил также облегчают разрушение твердого тела. ПАВ не только способствуют разрушению материала, но и стабилизируют дисперсное состояние, так как, покрывая поверхность частиц, они тем самым препятствуют обратному их слипанию. Это также способствует достижению высокодисперсного состояния. Применением диспергационных методов достичь высокой дисперсности обычно не удается. Дисперсными системами, получаемыми методами диспергирования, являются мука, отруби, тесто, сахарная пудра, какао (крупка, порошок), шоколадные, пралиновые, марципановые массы, фруктово-ягодные пюре, суспензии, эмульсии, пенообразные массы.. Конденсационные методы. В основе конденсационных методов лежат процессы возникновения гетерогенной фазы из гомогенной системы путем соединения молекул, ионов или атомов. Различают химическую и физическую конденсацию. Химическая конденсация. Эти методы основаны на выделении в результате химической реакции мало растворимого вещества. Для получения новой фазы коллоидной степени дисперсности необходим избыток одного из реагентов, использование разбавленных растворов, наличие стабилизатора в системе. Физическая конденсация. Новая фаза образуется в газовой или жидкой среде в условиях пересыщенного состояния вещества. Конденсация предполагает образование новой фазы на уже имеющихся поверхностях (стенках сосуда, частицах посторонних веществ – ядрах конденсации) или на поверхности зародышей, возникающих самопроизвольно в результате флуктуаций плотности и концентраций вещества в системе. В первом случае конденсация называется гетерогенной, во втором – гомогенной. Как правило, конденсация происходит на поверхности ядер конденсации или зародышей очень малых размеров, поэтому реакционная способность сконденсированного вещества больше, чем макрофазы в соответствии с уравнением капиллярной конденсации Кельвина. Поэтому, чтобы сконденсированное вещество не возвращалось в первоначальную фазу и конденсация продолжалась, необходимо наличие пересыщения в системе. |