CC BY
79
УДК 641. 541. 182
А.Н. Архипов
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЯ ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМ ДЛЯ ПРИДАНИЯ ИМ АГРЕГАТНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
Описан опыт применения стабилизационных добавок при выработке молочных продуктов (йогурт, сырные продукты, сывороточные продукты и другие). Приводится механизм действия на продукт пектина, желатина и других гидроколлоидов.
Стабилизация, пектин, гидроколлоиды, желатин, молочные продукты, йогурты.
Большинство пищевых продуктов имеют сложный химический состав и обладают различными свойствами, которые в совокупности определяют их качество.
Показатели качества включают следующие критерии: состав и количество нутриентов, определяющих пищевую, биологическую и энергетическую ценность; структуру, формирующую консистенцию, микробиологические показатели; физико-химические свойства и другие. Среди этих признаков важное место занимает структурное строение продукта. Сущность структурообразного состояния продукта зависит от его дисперсности [1].
Дисперсные системы классифицируют в зависимости от величины частиц дисперсной фазы: грубодисперсные, тонкодисперсные, молекулярнодисперсные, коллоидно-дисперсные, ионнодисперсные, а в зависимости от агрегатного состояния частиц дисперсной фазы: твердые - дисперсии и жидкие - эмульсии [2].
Грубодисперсные системы - это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы наиболее крупные частицы диаметром более 0,1 мм. Примером грубодисперсной системы является скоагулированный казеин в молоке.
Тонкодисперсные системы - это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы частицы диаметром от 500 до 105 нм. Примером тонкодисперсной системы является жировая фаза в молоке.
Молекулярно-дисперсные системы-это системы, содержащие в качестве дисперсной фазы частицы, размер которых не превышает 1 нм. Примером такой системы являются растворенные в молоке лактоза, водорастворимые витамины, растворимые небелковые азотистые соединения, органические кислоты.
Коллоидно-дисперсные системы - это системы размер частиц дисперсной фазы которых занимает промежуточное положение между частицами дисперсной фазы в тонкодисперсных системах и молекулярно-дисперсных и составляют от 1 до 500 нм. В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся сывороточные белки, казеин и большая часть фосфатов кальция.
Ионно-дисперсные системы (истинные растворы) - это растворы электролитов, распадающиеся на соответствующие ионы. В молоке в ионно-дисперсном состоянии находится часть растворимых солей в форме катионов и анионов, а также ионы водорода.
Большое влияние на структурное строение продукта и его свойства оказывают различные стабили-
заторы, которые призваны управлять этим процессом, добиваясь желаемого результата.
К стабилизаторам относятся соединения, которые адсорбируясь на поверхности частиц дисперсной фазы (частиц суспензии, капель эмульсии, пузырьков пены), изменяют условия их взаимодействия со средой, стабилизируя при этом дисперсные системы.
Стабилизация дисперсных систем заключается в придании им агрегатной устойчивости путем снижения склонности частиц дисперсной фазы к коагуляции. Стабилизация замедляет осаждение (седиминта-цию) частиц и тем самым повышает кинетическую устойчивость системы.
Стабилизаторы принято подразделять на две группы веществ. В первую относятся неорганические электролиты, а во вторую - органические поверхностно-активные вещества.
Электролиты приводят к возникновению на частицах одноименных электрических зарядов, взаимное отталкивание которых преобладает над силами сцепления частиц. Основное значение в такой ионной стабилизации имеет величина электрокинетического потенциала поверхности, зависящая от строения двойного электрического слоя, образовавшегося вокруг частиц.
Адсорбционные слои поверхностно-активных веществ, снижая поверхностное натяжение на границе раздела частица - среда, связывают часть дисперсионной среды и образуют вокруг частицы защитную сольватную (в водной среде - гидратную) оболочку. В этом случае стабилизация дисперсных систем возникает как результат лиофилизации поверхности частиц. В эмульсиях, т. е. системах, состоящих из жидких фаз, может быть осуществлен особый случай предельно-сильной стабилизации поверхностноактивных веществ, в результате которого снижение поверхностного натяжения на границе обоих фаз становится близким к нулю.
Стабилизирующее действие ионов электролитов в поверхностно-активных веществах различно по эффективности. Ионная стабилизация проявляется заметным образом только в водных дисперсных системах с малым содержанием дисперсной фазы, например, в гидрофобных золях (коллоидных растворах) и в очень разбавленных эмульсиях и суспензиях, в которых эффективность соударений частиц вследствие теплового движения и, следовательно, вероятность коагуляции невелика.
В концентрированных системах (водных и неводных) - технических эмульсиях, суспензиях, пенах,
для устойчивости которых нужна стабилизация, последняя может быть достигнута только с помощью поверхностно-активных веществ, адсорбционные слои которых структурированы и обладают повышенной прочностью или вязкостью. К этим стабилизаторам относятся полуколлоиды (мыла, желатины, белки, сапонины и другие).
Стабилизация системы возможна также с помощью твердых эмульгаторов (высокодисперсных порошков), частицы которых избирательно, смачиваясь по разным участкам поверхности той или иной фазой эмульсии, концентрируются на поверхности раздела и защищают капли от коалесценции бронирующими оболочками.
Стабилизация существенно зависит как от силы закрепления молекул стабилизатора на поверхности частиц дисперсной фазы, так и от степени ее заполнения. Увеличение того и другого параметра повышает устойчивость системы. Избыток стабилизатора может привести к формированию второго слоя молекул стабилизатора, ориентированного противоположным образом. В этом случае устойчивость системы снижается. При слабом закреплении стабилизатора сохраняется большая подвижность его молекул, поэтому при сближении частиц возможна агрегация, если время контакта частиц соизмеримо со временем нахождения молекул стабилизатора на поверхности частиц.
Особенно сильным стабилизирующим действием обладают поверхностно-активные вещества, которые образуют на поверхности частиц двухмерную пленку, обладающую повышенными структурно-
механическими свойствами. Одновременное снижение поверхностного натяжения до минимума приводит к тому, что структурно-механический фактор становится универсальным для стабилизации большинства дисперсных систем. При недостаточном снижении межфазного натяжения структурномеханический барьер не предохраняет систему от коагуляции и частицы слипаются через их поверхностные слои.
В промышленности часто возникает необходимость разрушения эмульсий. Прямые эмульсии, стабилизированные ионогенными эмульгаторами, можно разрушить добавлением электролитов с поливалентными ионами. Такие электролиты вызывают не только сжатие двойного электрического слоя, но и переводят эмульгатор в малорастворимую в воду форму. Эмульгатор можно нейтрализовать другим эмульгатором, способствующим образованию эмульсий обратного типа. Можно добавить вещество более поверхностно-активное, чем эмульгатор, которое само не образует прочных пленок. Эмульсию можно разрушить повышением температуры, электрическими методами, центрифугированием, фильтрованием через пористые материалы, которые смачиваются дисперсной средой, но не смачиваются веществом дисперсной фазы и другими способами. Структурообра-зователи должны быть химически инертны по отношению к компонентам пищевых продуктов, т. е. не окислять липиды, не разрушать витамины и т.д. Структурообразователи должны образовывать при
определенных рН, концентрации и температуре водные растворы, обладающие структурной вязкостью. Это должны быть предпочтительно бесцветные растворы, лишенные вкуса и запаха. Структурообразова-тели должны проявлять способность к гелеобразова-нию и при определенных условиях формировать трехмерную объемную структурную сетку. Они должны обладать адгезией по отношению к поверхности компонентов, входящих в состав продуктов Эмульгаторы, связывающие вещества, пленкообразо-ватели должны проявлять поверхностную активность.
Технологическая обработка (высокие или низкие отрицательные температуры, механическое воздействие и др.) должна благоприятно влиять на функциональные свойства структурообразователей.
Предпочтительно, чтобы структурообразователи являлись естественными компонентами традиционных пищевых продуктов, вырабатывались в промышленном масштабе и были дешевыми.
Объемные исследования по обоснованию технологий производства и принципов управления качеством структурированных молочных продуктов проведены Н.И. Дунченко совместно с учениками [3, 4].
Основы исследований заключаются в применении методологии формирования диапазона реологических свойств молочных систем (ньютоновской жидкости, вязкопластической и псевдопластической) с использованием структурообразующих добавок и пищевых волокон на основе знаний функциональнотехнологических свойств каждого конкретного вида препарата структурообразующей добавки, рациональной дозы и закономерностей изменения тиксо-тропных свойств продукта в процессе производства и хранения. Авторы получили новые данные функционально-технологических свойств группы изолированных и коммерческих препаратов структурообразующих добавок, изучены реологические свойства полученных гелей и определены рациональные дозы.
Выявлены, научно обоснованы и практически подтверждены общие закономерности процессов образования интерполимерных ассоциатов переменного состава, свидетельствующие об индуцирующем влиянии компонентов молока на структурообразова-ние в молочных системах за счет водородных связи и межмолекулярных взаимодействий.
В настоящее время рынок структурообразующих добавок богат и разнообразен. Как правило, предлагаемые предприятиям коммерческие препараты, содержат разнообразные добавки. К ним, прежде всего относятся белки, натуральные растительные экссудаты, камеди семян растений, экстракты водорослей, пектины, производные целлюлозы, микробные камеди. Из перечисленных веществ основной интерес представляют каррагинаны, модифицированные крахмалы, пектины, растворимые и нерастворимые пищевые волокна и другие.
Таким образом, структурообразователи находят широкое применение в различных областях пищевой промышленности, что способствует улучшению качества продукции.
Список литературы
1. Измайлова В.Н. Структурообразование в белковых системах / В.Н. Измайлова, П.А. Рабиндер. - // М.: Наука, 1974. - 268 с.
2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы /Ю.Г. Фролов// М.: Химия, 1988. - 464 с.
3. Дунченко Н.И. Научное обоснование технологий производства и принципов управления качеством структурированных молочных продуктов / Н.И. Дунченко // Автореф. дис....д-ра техн. наук. - Кемерово, 2003. -43 с.
4. Дунченко Н.И. Структурированные молочные продукты / Н.И. Дунченко. - // Москва:-Барнаул, 2002. -164 с.
ООО «КПФ МИЛОРАДА» 129085, Москва, ул. Годовикова, 9
SUMMARY A.N. Arkhipov
Theoretical bases of structurization of disperse systems for giving of modular stability by it
Experience of application of stabilization additives is described at development of dairy products (yoghurt, cheese products, whey products and others). The mechanism of action on a product of pectin, gelatin and others гидроколлоидов is resulted.
Stabilization, pectin, hydrocolloid, gelatin, dairy products, yoghurts
