Пенообразователи (Forming agent)

Одним из способов изменения консистенции и структуры пищевых продуктов с целью удовлетворения вкусов потребителей является введение в пищевое сырье диспергированного воздуха или другого газа. Для многих продуктов питания пенообразная структура оказывает решающее влияние на его отличительные свойства (например, в хлебобулочных и некоторых кондитерских изде­лиях, мороженом, напитках и десертных изделиях).

В этот функциональный класс входят вещества, обеспечивающие равномерную диффузию газообразной фазы в жидкие и твердые пищевые продукты, в результате образуются пены и газовые эмульсии.

Пена представляет собой дисперсную систему, состоящую из ячеек — пузырьков газа (пара), разделенных пленками жидкости (или твердого вещества). Обычно газ (пар) рассматривается как дисперсная фаза, а жидкость (или твердое веще­ство) — как непрерывная дисперсионная среда. Пены, в которых дисперсионной средой является твердое вещество, образуются при отверждении растворов или расплавов, насыщенных каким-либо газом. Разделяющие пузырьки газа жидкие пли твердые пленки образуют в совокупности пленочный каркас, являющийся основой пены.

Структура пен определяется соотношением объемов газовой и жидкой фаз и в зависимости от этого соотношения ячейки пены могут иметь сферическую или многогранную (полиэдрическую) форму.

Получить пены, как и другие дисперсные системы, можно двумя способами: диспергационным и конденсационным.

При диспергационном способе получения пена образуется в результате интенсивного совместного диспергирования пенообразующего раствора и воз­духа. Диспергирование технологически осуществляется следующими методами:

а) При прохождении струп газа через слой жидкости (в барботажных или аэрационных установках, в аппаратах с «пенным слоем», применяемых для очи­стки отходящих газов, в пеногенераторах некоторых типов, имеющих сетку, орошаемую пенообразующим раствором;

б) При действии движущихся устройств на жидкость в атмосфере газа или при действии движущейся жидкости на преграду (в технологических аппаратах при перемешивании мешалками, встряхивании, взбивании, переливании рас­творов).

Получение пен может быть обусловлено действием нескольких источников пенообразования одновременно. Так, некоторые технологические процессы осуществляют с аэрацией и перемешиванием. Микробиологический синтез, который обычно проводят при аэрации и перемешивании, сопровождается выде­лением газообразных продуктов метаболизма.

Механизм образования пузырька пены представлен на рис. 3 На межфазной поверхности газообразного или парового включения в жидкой среде, содержащей ПАВ, образуется адсорбционный слой. Скорость формирования этого слоя определяется скоростью диффузии молекул ПАВ из глубины раствора к поверхности включения. При выходе пузырька на поверхность раствора он окружается двойным слоем ориентированных молекул.

Рис. Схема образования пузырька газа в жидкости, на поверхности раствора и в воздухе.

Разбавленные дисперсные системы типа Г/Ж. содержание
дисперсной фазы которых менее 0,1%. называют газовыми эмуль­сиями. В разбавленных системах происходит обратная седиментация - всплытие газовых пузырьков. В концентрированных и высококонцентрированных системах типа Г/Ж, т.е. собственно пенах пузырьки соприкасаются друг с другом и лишены возможности свободного перемещения.

Со временем толщина пленок уменьшается из-за стекания жидкости под действием силы тяжести и капиллярного давления в местах контакта нескольких газовых пузырьков.

Следствием утончения пленок становятся прорыв слоя жидкости между газовыми пузырьками и их коалесценция (слияние).

Увеличение размеров газовых пузырьков приводит к изменению раздела фаз, способствующему разрушению пены. В связи с этим вре­мя «жизни» пены, дисперсионная среда которой представляет собой однокомпонентную жидкость (например, чистую воду), сравнитель­но мало и пена, образованная путем диспергирования газа в жидко­сти, разрушается практически сразу после ее образования.

Разрушение газовых эмульсий, в которых концентрация дисперс­ной фазы невелика, связано с процессом обратной седиментации — всплытием газовых пузырьков из объема жидкой дисперсионной сре­ды на ее поверхность.

Для получения пен необходимой устойчивости в систему вводят пенообразователи, которые подразделяют на два типа (рода):

- истинно растворимые (низкомолекулярные) ПАВ;

- коллоидные ПАВ, белки и некоторые другие природные высоко­молекулярные соединения.

В общем случае при образовании пены в присутствии ПАВ про­исходит адсорбция их молекул в тонком слое пленки жидкой дис­персионной среды на границе с газовой дисперсной фазой, что вы­зывает изменение поверхностного натяжения на границе раздела фаз. В результате истечение жидкости из пенной пленки и ее утон­чение замедляются, а время «жизни» пены увеличивается.

Утончению пленок препятствует также избыточное давление, возникающее в тонком слое. Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности межфазной границы, повышая ее механичес­кую прочность.

В присутствии пенообразователей первого рода устойчивость пен
повышается пропорционально концентрации введенного ПАВ, одна­ко такие пены быстро разрушаются по мере истечения жидкости из пенных пленок. При использовании пенообразователей второго рода с увеличением их концентрации повышается прочность структуры пены, каркас которой способен сдержать истечение межпленочной жидкости. При этом образуются устойчивые пены, время «жизни» которых составляет десятки минут и даже часы.

Пены, полученные встряхиванием воды, исчезают мгновенно. Золь муки способен создавать пену в присутствии пенообразовате­лей первого типа. Взбитые сливки, в состав которых входят пено­образователи второго типа, являются уже более устойчивой систе­мой.

Устойчивость пены в присутствии пенообразователей определя­ется рядом факторов, а именно кинетическим, структурно-механи­ческим и термодинамическим факторами, которые могут действовать отдельно или в совокупности. В случае использования ПАВ эти факторы обусловлены одним и тем же - адсорбцией молекул в тонком слое жидкости оболочки пены.

Кинетический фактор свя­зан с изменением поверхностного натяжения на границе раздела между фазами. Если этими (разами являются жидкость (вода) и газ (воздух), то для пен речь идет о поверхностном натяжении σ_ЖГ. В
результате изменения поверхностного натяжения замедляется отток жидкости из пены и ее утончение, что приводит к увеличению времени жизни пены.

Адсорбционный слой ПАВ изменяет структуру поверхности границы фаз и определяет механическую прочность этой струк­туры. Кроме того, в тонком слое возникает избыточ­ное давление, которое препятствует утончению пленки и характе­ризует термодинамический фактор устойчивости.

Устойчивость пен продуктов бродильного производства (пива солодовых напитков) вызвана присутствием альбумина, желатина, солодового экстракта и таннина. Наличие азотсодержащих веществ обусловливает вспенивание плодово-ягодного варенья и экстрактом чайного листа.

Особую роль пена играет при сбивании масла из сливок или молока.

Примеры некоторых пищевых пен и природа их образования при­ведены в табл. 17.

Таблица 17 – Источники образования основных видов пищевых пен

Продукт	Тип пены	Источник образования
Хлеб	Твердый	Процесс брожения теста
Кондитерские взбивные массы (зефир, суфле и т.п.	Твердый, образованный из жидких	Диспергирование воздуха в исходном сырье
Игристые вина, пиво	Жидкий	Процессы брожения
Газированные напитки	»	Диспергирование диоксида углерода в водной среде

Таблица 18– Возможные источники образования, тип и форма некоторых пен в пищевой промышленности и продуктов питания

Источники образования	Тип пены	Пищевые массы, продукты питания. полуфабрикаты
Технологические процессы:
Вспенивание	Твердые, образованные из жидких;   Жидкие	Кондитерские массы, патока, зефир, суфле, халва, мороженное Взбитые сливки, коктейли
Пеносушка	Жидкие, переходящие в твердые	Сухое молоко, кофе, пюре, другие порошки
Брожение	Жидкие	Вина, пиво
Сопутствующие процессы	Жидкие	Сахар, продукты брожения, дрожжи
Продукты	Жидкие   Твердые	Игристые вина, пиво, прохладительные напитки Хлеб

Если пенообразующим веществом служит яичный белок, то вследствие развертывания молекул белка на межфазной поверхности наступает поверхностная денатурация. Денатурированный белок повышает стабильность пен. Одновре­менно могут образовываться связи между полипептидными цепями с возникно­вением пространственной двух- и трехмерной структуры в виде сетки, которая благоприятствует повышению стабильности пены.

Пенообразные пищевые продукты содержат значительные количества влаги.Так, пастила и зефир содержат влаги до 14-18%. При производстве пенообразных продуктов питания важным моментом является такой подбор пищевых ве­ществ, которые способствовали бы повышению устойчивости пены. Пищевые продукты в виде пен изготавливают также в аэрозольных упаковках.

В соответствии с СанПиН 2.3.2.560—96 технологические функции пенообразователя имеют четыре пищевые добавки (табл. 19).

Таблица 19 – Пищевые пенообразователи

Е- номер	Название	Природа, строение, состав
Е465 Е570   Е999 Е1505	Метилэтилцеллюлоза Жирные кислоты   Квиллаий экстракт Триэтилцитрат	Простые эфиры целлюлозы Предельные и непредельные однооснов­ные кислоты алифатического ряда Растительный экстракт Сложный эфир лимонной кислоты и этилового спирта

Конденсационный способ получения пен основан на пересыщении раствора газом. К этому способу относится получение пен в результате химических реакций и микробиологических процессов, которые сопровождаются выделением газа. Так, в процессе брожения теста, которое идет по схеме молочнокислого брожения, из глюкозы помимо молочной и янтарной кислот образуются газы (СО₂ + Н₂), которые вызывают пенообразование.

При снижении давления и повышении температуры растворимость газа в жидкости снижается. Жидкость вспенивается, из нее может выделяться газ. Подобный процесс происходит при откры­тии бутылок с игристыми винами, пивом и другими напитками, отлично от шампанского, лимонада и боржоми пиво содержит пенообразователи - хмелевые смолы, белки, декстрины и др.