Дослідження процесу емульгування і стійкості емульсійних структур
Мета роботи: дослідити процес емульгування при виготовленні емульсійних харчових продуктів. Вміти визначити і оцінити вплив технологічних факторів на процес емульгування і стійкість емульсованих харчових структур в залежності від швидкості обертання мішалки, температури та присутності гідроколоїдів.
Матеріали і обладнання: соняшникова олія рафінована, сухе знежирене молоко, сухий соєвий білок, дистильована вода, пектин, скляні циліндри на 500 см3 з пробками і наклеєною стрічкою міліметрового паперу, скляні стакани, рН-метр, секундомір або годинник.
Загальні теоретичні положення:
Розрізняють два основних типи емульсій: дисперсії масла у воді (м/в) і води у маслі (в/м). Перші відносяться до емульсій прямого типу, другі – до емульсій зворотного типу.
В залежності від вмісту дисперсної фази (φ) в емульсії їх класифікують на розведені – вміст φ менше 1 % (об.), концентровані – вміст φ до 74 % (об.), висококонцентровані – вміст φ вище 74 % (об.).
Втрата агрегатної стійкості емульсій обумовлена процесами коалесценції і звичайно супроводжується втратою седиментаційної стійкості (розшаруванням систем). В якості міри стійкості емульсії можна прийняти час існування її певного об’єму до повного розшарування.
Розведені емульсії достатньо стійкі в присутності електролітів, тому що стійкість їх пов’язана з присутністю подвійного електричного шару. Стійкість концентрованих і висококонцентрованих емульсій визначається дією структурно-механічного бар’єру при утворенні адсорбційних шарів емульгатора. Найбільш сильну стабілізуючу дію мають високомолекулярні структури і колоїдні ПАР (мила, неіоногенні поверхнево активні речовини), адсорбційні шари яких мають драглеподібну структуру і сильно гідратовані.
Здатність емульгатора забезпечувати стійкість емульсії того чи іншого типу визначається енергетикою взаємодії його з полярним і неполярним середовищами, які можуть бути охарактеризовані за допомогою напівемпіричної характеристики – числа гідрофільно-ліпофільного балансу (ГЛБ). Поверхнево активні речовини (ПАР), які мають низькі значення ГЛВ (2…6), краще розчиняються в органічному середовищі і стабілізують емульсії в/м, тоді як ПАР, які мають ГЛБ (12…18), краще розчиняються у воді і стабілізують емульсії м/в.
Лужні солі жирних кислот середньої молекулярної маси завжди дають емульсії типу м/в, а солі двохвалентних металів, наприклад магнію (МgCI2 або Mg(NO3)2) – емульсії типу в/м. При поступовому збільшенні концентрації двохвалентних іонів в емульсії м/в, стабілізованої милом з катіоном однозарядного металу, відбувається перетворювання емульсії і її перехід в емульсію типу в/м.
Особливий випадок представляє стабілізація емульсій високодисперсними порошками. Така стабілізація можлива при обмеженому вибірковому змочуванні порошків (при краєвому куті 0 о < θ < 180 о). При цьому порошки краще стабілізують ту фазу, яка гірше змочується. Краєвий кут, який характеризує вибіркове змочування, являється аналогом ГЛБ молекул ПАР.
В харчовій промисловості відбувається створення харчових продуктів за рахунок утворення емульсій обох типів. Наприклад, емульсія типу в/м утворюється при приготуванні майонезу і різних соусів майонезного типу, емульсія типу м/в – вершкового масла, масляних кремів тощо.
Стійкість емульсійних соусів типу майонезу залежить від розміру окремих крапель жиру, тобто від дисперсності емульсії. У стабільній емульсії, яка не розшаровується, розміри крапель жиру повинні бути у межах від 1 до 10 мкм. Основними речовинами, які забезпечують стійкість емульсії типу майонезу є ПАР, які утворюють навколо диспергованих крапель жиру міцні адсорбційні оболонки. У майонезах вітчизняного виробництва основними емульгаторами є яєчний і гірчичний порошки, сухе знежирене молоко.
В харчовій промисловості для створення емульсій широко використовують речовини природного походження – тваринні і рослинні білки, а також хімічного – різноманітні Твіни.
Білкові речовини являються ПАР і широко використовуються в якості емульгаторів. Білки представляють собою високомолекулярні колоїди, які дуже чутливі до зміни реакції середовища. Розчинність і набухання білків пов’язана з присутністю гідрофільних груп, кількість і розташування яких залежить від природи білка. Емульгуюча здатність білків залежить від ступеню їх гідрофільності. З розчинністю білка пов’язана також стійкість утворених емульсій.
Емульгатори знижують поверхневий натяг (ПН) на межі розподілу фаз. Їх додають для отримання стійких тонкодисперсних колоїдних систем при створені емульсій різного типу. Розчинні у дисперсійному середовищі високомолекулярні ПАР утворюють навкруги крапель дисперсної фази високов’язкий колоїдний шар, який перешкоджає зближенню крапель жиру, а у безперевній фазі, тобто у дисперсійному середовищі, формують структурну сітку гелю.
Поверхнева активність низькомолекулярних ПАР значно нижче, ніж високомолекулярних. Низькомолекулярні ПАР також здатні адсорбуватися на поверхні крапель жиру і утворювати захисні шари, які перешкоджають коалесценції дисперсної фази, але на відміну від високомолекулярних, не формують у безперервній фазі структурну сітку гелю, що вимагає додаткового введення загущувачів або стабілізаторів для стабілізації вже створеної емульсії.
Для стабілізації емульсій типу в/м широко використовують такі високомолекулярні аніонні полісахариди, як пектин, солі альгінової кислоти, які сприяють підвищенню в’язкості дисперсійного середовища і підвищенню стабільності емульсії.
Методика виконання роботи:
Для визначення жироутримуючої здатності білків (ЖУЗ), по 5 г дослідного білка кількісно переносять у центрифужні пробірки, куди додають по 30 см3 рафінованої соняшникової олії, перемішують 1 хв при швидкості мішалки
1000 с-1 і витримують у стані спокою протягом 30 хв. Після витримки, пробірки з сумішшю центрифугують протягом 25 хв при 3200 с-1, зважують, зливають масло, що знаходиться над осадом білка, пробірки встановлюють у нахиленому положенні, для видалення надлишку жиру, і витримують 10 хв. Пробірки з осадом зважують і розраховують ЖУЗ білка
, (1)
де ЖУЗ - жироутримуюча здатність белка, %;
a - вага пробірки з білком і з’вязаним маслом, г;
b - вага пробірки з білком, г;
c - наважка білка, г.
Для визначення жироемульгуючої здатності (ЖЕЗ), наважку 7 г білка поміщають у міксер, додавали 100 см3 дистильованої води і диспергують протягом 1 хв зі швидкістю 4000 с-1. Потім до білкової дисперсії додають 100 см3 рафінованої соняшникової олії і емульгують у міксері протягом 5 хв зі швидкістю 8000 с-1. Отриману емульсію розливають порівну у 4 калібровані центрифужні пробірки і центрифугують протягом 5 хв зі швидкістю 2000 с-1.
ЖЕЗ білка визначають за формулою:
, (2)
де ЖЕЗ - жироемульгуюча здатність белка, %;
Vэ - об’єм емульгованого шару, см3;
V0 - загальний об’єм суміші, см3.
Для визначення стабільності емульсії (СТЕ), приготовлену емульсію витримують протягом 30 хв при 80 оС, швидко охолоджують під проточною водою протягом 15 хв, розливають у 4 калібровані центрифужні пробірки і центрифугують при 2000 с-1 протягом 5 хв. Стабільність емульсії розраховують за формулою:
, (3)
де СТЕ - стабільність емульсії, %;
Vе - об’єм емульгованого шару, см3;
V0 - загальний обєм суміші, см3.
Для визначення СТЕ з добавками стабілізатора, приготувати емульсії з вмістом сухого молочного білка 10 і 15 %, додати 0,3 % пектину і 65 % соняшникової олії, ретельно перемішати, витримують при перемішуванні протягом
30 хв при 80 оС, швидко охолодити під проточною водою протягом 15 хв, розлити у 4 калібровані центрифужні пробірки і центрифугувати при 2000 с-1 протягом 5 хв. Стабільність емульсії розрахувати за наведеною вище формулою.
За отриманими даними будуються 2 графіки залежності стійкості емульсії від вмісту білка і в присутності пектину.
Таблиця 1
| Емульсії | Стійкість емульсії, % | Стійкість емульсії, % | ||
| Х1 | Х2 | Х3 | ||
| Сухе знежирене молоко + 65 % соняшникової олії | ||||
| 10 % (контроль) | ||||
| 15 % (контроль) | ||||
| Сухе знежирене молоко + 65 % соняшникової олії + 0,3 % пектину | ||||
| 10 % | ||||
| 15 % |
Звіт про лабораторну роботу:
Протокол повинен містити вступ, короткий огляд літератури, мету дослідження, методику проведення роботи, результати дослідів у вигляді таблиць і
графіків. Будуються графіки залежності емульгування і стійкості емульсій від вмісту білка і і в присутності стабілізатора пектину. Наприкінці робиться короткий висновок відносно залежності емульгуючої здатності використаного білка і стійкості отриманих емульсій.
Питання для самоконтролю:
1. Які системи називають емульсіями? Як вони класифікуються.
2. Які фактори впливають на агрегативну стійкість емульсій?
3. Які типи емульгаторів Ви знаєте? Механізм їх дії.
4. Що називають обертанням фаз емульсій?
5. Перерахуйте способи практичного використання емульсій.
6. Наведіть приклади харчових продуктів, які є емульсією?
7. Які стабілізатори емульсій використовують у харчовій промисловості?
Література:
1. Кравченко М.Ф. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб. / М.Ф. Кравченко, А.В. Антоненко. –К.: Київ. нац. торг.-екон. ун-т, 2011. –516 с.
2. Пивоваров П.П. Теоретичні основи харчових технологій: навч. посіб./ П.П. Пивоваров. – Х.: ДУХТ, 2010. – 410 с.
3. Плахотін В.Я. Теоретичні основи технологій харчових виробництв: навч. посіб./ В.Я. Плахотін, Г.П. Хоміч. – К.: Центр навч. літ., 2006. – 640 с.
Лабораторна робота № 9